BALANCIER THERMOCOMPENSE
La présente invention concerne un balancier d'un mouvement d'horlogerie constitué à partir d'un matériau possédant notamment un faible coefficient de dilatation thermique, comme par exemple le diamant.
Les variations dimensionnelles d'un balancier, dues aux variations de température, sont un des problèmes majeurs de ces objets ; en effet, ces variations dimensionnelles, associées à celles du ressort spiral qui lui est associé sont une cause de variation de la fréquence d'oscillation du système balancier / spiral, respectivement une cause du manque de précision d'un mouvement d'horlogerie en fonction de la température. Des moyens permettant de compenser ou corriger ces variations ont été proposés comme par exemple le balancier bimétallique utilisé notamment dans les chronomètres de marine. L'inconvénient d'un tel balancier est alors sa forme aérodynamique défavorable causant une mauvaise pénétration dans l'air lors de son mouvement d'oscillation ainsi que la difficulté de maintenir le centre de gravité du balancier sur son axe de pivotement. Il ne peut donc être installé dans un mouvement d'horlogerie devant fonctionner dans n'importe quelle position.
Par ailleurs, un balancier de mouvement d'horlogerie se doit d'avoir une masse aussi faible que possible pour une inertie aussi élevée que possible, tout en présentant une excellente résistance mécanique.
De manière avantageuse, pour confectionner un balancier, on choisira un matériau ayant un faible coefficient de dilatation thermique, une faible masse volumique et une résistance mécanique élevée, ces paramètres étant comparés ici à ceux des matériaux employés usuellement pour la confection de balanciers, comme par exemple les alliages cuivreux ou le nickel. Plusieurs classes de matériaux remplissent ces conditions : par exemple les matériaux non métalliques du groupe du carbone comprenant par exemple le diamant ou alors les oxydes métalliques
comprenant par exemple les corindons comme le saphir ou le rubis, la liste des matériaux mentionnés ici n'étant absolument pas exhaustive.
Des procédés d'obtention de pièces mécaniques, notamment de pièces utilisées dans les mouvements d'horlogerie, par gravage chimique (Deep reactive ion etching) d'une plaque de diamant ont été décrits. Les caractéristiques physico-chimiques favorables du diamant, en particulier le faible coefficient de frottement, la forte résistance aux chocs, la résistance mécanique, la faible masse volumique, le module d'élasticité élevé, le faible coefficient de dilatation thermique sont parmi d'autres des paramètres favorisant son utilisation dans le domaine précité.
Selon des procédés d'usinage semblables à ceux mentionnés ci- dessus ou d'autres procédé, d'autres matériaux que le diamant sont aussi aptes à être utilisés pour la confection de pièces mécaniques comme des balanciers de mouvement d'horlogerie.
Ce sont donc le faible coefficient de dilatation thermique, la faible masse volumique et la forte résistance mécanique qui sont ici des paramètres favorables à l'utilisation de ces différents matériaux pour la confection d'un balancier. Un but de l'invention est donc de proposer un balancier dont les caractéristiques soient nettement améliorées relativement à celles des balanciers existants, en particulier son comportement, respectivement son insensibilité aux variations de température ainsi que son rapport moment d'inertie / masse. On propose aussi un mouvement d'horlogerie muni d'un tel balancier, de même qu'une pièce d'horlogerie équipée d'un tel mouvement.
Un balancier tel que désiré est décrit à la revendication 1, alors qu'un mouvement d'horlogerie et une pièce d'horlogerie comme
proposés sont respectivement décrits à la revendication 18 et à la revendication 19.
Une forme d'exécution particulière d'un balancier selon l'invention comportant plusieurs variantes est décrite ci-dessous, cette description étant à considérer en regard du dessin annexé comportant les figures où : la figure 1 est une vue en plan d'un balancier selon l'invention, et la figure 2 est une vue en coupe d'un détail de la figure 1.
Selon la forme d'exécution de la figure 1 , le balancier 1 est constitué d'un disque 10 obtenu par exemple, par gravage chimique à l'aide d'un plasma (Deep reactive ion etching), ou par tout autre procédé, d'une plaque de diamant d'épaisseur généralement constante. Un pivot de balancier 11 est fixé de manière connue au centre du disque 10. Une pluralité de moyens de fixation 12, huit dans l'exemple représenté, sont disposés sur une circonférence 120 proche du périmètre extérieur du disque 10. Des viroles ou masselottes 2 sont fixées sur le disque 10 par les moyens de fixation connus 12.
Le balancier 1 est assemblé de manière connue à un ressort spiral, non représenté sur la figure afin de ne pas la surcharger, ce dernier élément étant disposé sous le plan du disque 10 tel que représenté sur la figure.
La figure 1 montre quelques exemples d'exécution des masselottes 2, étant entendu que généralement un balancier donné ne comporte que des masselottes 2 d'un type déterminé. Les masselottes 2 sont essentiellement de forme ou fixées de manière asymétrique relativement à la circonférence 120 sur le disque 10. En effet, en considérant que le disque 10 comprend huit masselottes en forme d'éléments allongés, comme représenté par exemple par la masselotte 20, et en supposant que le balancier 1 ainsi constitué est soumis à une augmentation de température, le disque 10 en matériau de
très faible coefficient de dilatation thermique, par exemple en diamant, ne verra son diamètre augmenter que très faiblement. Par contre, les masselottes 20, métalliques, c'est-à-dire constituées en un matériau à coefficient de dilatation thermique nettement plus important que celui du matériau constituant le disque 10, verront leurs dimensions augmenter d'un rapport plus élevé que celui du disque 10.
La fréquence d'oscillation du balancier 1 dépend d'une part de son moment d'inertie, ce dernier paramètre étant égal à : m r2 Avec : I : moment d'inertie m. masse du balancier r : rayon de giration du balancier
Le rayon de giration est le rayon de la circonférence sur laquelle serait concentrée toute la masse m d'un balancier ayant le même moment d'inertie que celui considéré.
La fréquence d'oscillation du balancier 1 dépend d'autre part du couple c fourni par le spiral audit balancier, ce couple variant aussi avec la température.
Pour un ensemble balancier / spiral, on cherche donc à obtenir un rapport :
I / c = constante en fonction de la température.
La masse m ne variant pas avec la température, la forme, les dimensions et le positionnement des masselottes 20 seront déterminées de manière à ce que, pour toute température, la variation du rayon de giration provoquée par la variation de diamètre du disque 10 soit compensée par une variation correspondante du rayon de giration provoquée par les variations dimensionnelles des masselottes.
Par exemple, en cas d'augmentation de température, le disque 10 se dilate très légèrement, augmentant de ce fait son propre rayon de giration. A cause de l'augmentation de diamètre du disque 10, les points de fixation 12 des masselottes 20 se déplacent aussi sur une circonférence 120 de plus grand diamètre. Les masselottes 20 augmentent aussi leur longueur, d'un facteur plus élevé que l'augmentation de diamètre du disque 10 puisque le coefficient de dilatation thermique des masselottes 20 est nettement plus élevé que celui du matériau du disque 10, et vu la disposition asymétrique des masselottes sur leur point de fixation, la portion de la masse de la masselotte disposée du côté du centre du disque 10 étant généralement plus grande que la portion de la masse de la masselotte disposée en direction du périmètre extérieur du disque, le centre de gravité de chaque masselotte se déplace en direction du centre du disque 10, respectivement le rayon de giration dû uniquement aux masselottes diminue, compensant partiellement, complètement ou surcompensant la variation du rayon de giration dû au disque. Le phénomène est exactement inversé en cas de baisse de température.
Ainsi, en choisissant judicieusement la forme, le volume, le degré d'asymétrie autour de la fixation ainsi que le matériau, respectivement le coefficient de dilatation thermique des masselottes 2, on peut obtenir une surcompensation de l'effet thermique faisant que le rayon de giration du balancier diminue en fonction de la température, donnant ainsi au balancier un coefficient de température négatif. En associant ce balancier à coefficient de température négatif à un spiral à coefficient de température positif, on peut ainsi obtenir un système balancier / spiral absolument insensible aux variations de température.
Le positionnement des masselottes 2 sur le disque 10 permet d'ajuster le coefficient thermique du balancier, respectivement du système balancier / spiral à une valeur positive, nulle ou négative selon les besoins.
La figure 1 montre aussi d'autres formes possibles de masselottes 2, étant bien entendu qu'elle ne sont représentées qu'à titre d'exemple et ne limitent en aucun cas les formes possibles permettant d'obtenir l'effet désiré décrit ci-dessus. La masselotte 21 est de forme essentiellement triangulaire à coins arrondis, vu que sa masse est répartie asymétriquement autour de son centre de gravité, le réglage du degré de compensation thermique peut se faire en faisant pivoter cette masselotte autour de son point de fixation. La masselotte 22 est commune à deux points de fixation. La masselotte 23 est en forme de barrette allongée, on peut régler son degré de compensation en faisant varier l'angle α que fait l'axe de la masselotte avec le rayon du disque. Un autre moyen de réglage du degré de compensation thermique est représenté sur la masselotte 24 qui présente, par exemple un trou oblong 240 permettant de régler la position radiale de la masselotte.
Afin d'obtenir un équilibre du balancier, les masselottes de chaque paire de deux masselottes radialement opposées sont réglées symétriquement, de manière à ne pas créer de balourd. Pour réaliser un équilibre statique et dynamique fin, on peut adjoindre au dispositif au moins un paire de viroles orientables 25, généralement connues de la technique.
Afin d'améliorer le comportement aérodynamique du balancier lors de son mouvement d'oscillation, les masselottes peuvent être taillées et formées de manière à diminuer leur frottement à l'air, comme représenté à titre d'exemple à la figure 2.
On comprend donc qu'en montant des masselottes de l'un des types représentés à titre d'exemples de réalisations possibles en 20, 21, 22, 23 ou 24, ainsi qu'éventuellement une paire de viroles orientables 25, il est possible d'ajuster finement lors du montage, aussi bien le coefficient de température du balancier ainsi que son équilibre statique et
dynamique. Une fois ces réglages effectués lors du montage, il n'est généralement plus nécessaire de procéder à des réglages ultérieurs.
L'exemple décrit ci-dessus et représenté sur la figure 1 montre un disque de balancier muni de huit points de fixation 12 de masselottes. II est bien entendu que le disque de balancier peut comprendre un nombre quelconque de points de fixation, différent de huit.
Le disque 10 est décrit ci-dessus et représenté comme étant constitué d'un disque plein. Cette forme d'exécution est particulièrement avantageuse en considération des frottements dans l'air provoqués par les mouvements d'oscillation du balancier autour de son pivot, un balancier ayant la forme d'un disque plein présentant un meilleur comportement aérodynamique qu'un balancier composé d'un centre et d'une serge reliés par des bras. Cette forme d'exécution sous forme de disque plein est réalisable grâce à la faible masse volumique du matériau, la réalisation d'un disque plein ne péjorant par excessivement la masse du disque 10. Toutefois, si une diminution de la masse du disque est absolument nécessaire, vu la forte résistance mécanique du matériau, notamment du diamant, des ouvertures, telles que représentées en 13 ou 130 peuvent être aménagées. De même, le disque 10 peut ne pas être absolument plat et d'épaisseur constante, il peut aussi par exemple présenter une serge sous forme d'un rehaut sur le périmètre extérieur du disque.
Un balancier comme décrit ci-dessus, selon l'une ou l'autre de ses variantes d'exécution ainsi que confectionné avec l'un ou l'autre des matériaux adaptés à cet usage, peut être utilisé de manière avantageuse avec un spiral confectionné lui aussi en un matériau à faible coefficient de dilatation thermique, comme par exemple le diamant, de même qu'avec un spiral métallique. Le coefficient thermique du balancier est alors choisi de manière à compenser la dilatation thermique du spiral, faible dans le cas d'un spiral en diamant et forte dans le cas d'un spiral métallique.