WO2012127035A1 - Element oscillant pour organe reglant horloger - Google Patents

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WO2012127035A1
WO2012127035A1 PCT/EP2012/055219 EP2012055219W WO2012127035A1 WO 2012127035 A1 WO2012127035 A1 WO 2012127035A1 EP 2012055219 W EP2012055219 W EP 2012055219W WO 2012127035 A1 WO2012127035 A1 WO 2012127035A1
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WO
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zone
oscillating element
deformations
isochronism
spiral spring
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/055219
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English (en)
Inventor
Guy Semon
Original Assignee
Lvmh Swiss Manufactures Sa
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Lvmh Swiss Manufactures Sa filed Critical Lvmh Swiss Manufactures Sa
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    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04B—MECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
    • G04B17/00—Mechanisms for stabilising frequency
    • G04B17/04—Oscillators acting by spring tension
    • G04B17/06—Oscillators with hairsprings, e.g. balance
    • G04B17/066—Manufacture of the spiral spring
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04B—MECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
    • G04B17/00—Mechanisms for stabilising frequency
    • G04B17/04—Oscillators acting by spring tension

Definitions

  • the present invention relates to an oscillating element for a clock-adjusting member, for example a spiral spring whose oscillations determine the course of the movement.
  • the regulating organ of mechanical watches is usually composed of a rocker, which is a flywheel, on the axis of which is fixed a spiral spring called spiral or spiral spring.
  • the attachment of the spiral to the axis of the balance is via a ferrule, to which the spiral can be pinned, welded, glued, etc.
  • the other end of the hairspring is fixed to the plate or to a bridge via a peg, in which the hairspring is pinned or glued to the cock either directly or via a mobile peg holder.
  • Philips at the end of the nineteenth century studied terminal curves of the spiral or Philips curves, which allow the center of gravity of the spiral to be in the center of the spiral, that is to say on the axis of the balance, all along the oscillation.
  • a particular Philips curve must be chosen from the various existing Philips curves, each curve being designated by a number. This solution, however, does not compensate spiral deformations related for example to temperature variations. In addition, it allows only an average correction of the deformation of the hairspring, without giving the possibility of a correction or fine adjustment.
  • Document US20081 17721 describes an oscillating system whose outer end of the spiral spring is fixed to a retaining element whose position can be adjusted in a fixed radial guide for example by means of screws, in order to compensate for the errors of isochronism. Adjusting the position of the retaining element, and therefore the peak, involves the user to open the watch. It is therefore performed once and for all, and can not be easily changed according to rapid changes in temperature or inclination of the watch.
  • the document EP1422436 discloses a spring balance spring cut in a monocrystalline silicon plate whose turns have a width and a thickness dimensioned so as to minimize the thermal drift of the assembly. It is coated with an amorphous silicon oxide layer.
  • the presence of silicon and its oxide whose coefficients of temperature are of opposite sign reduces spiral deformations caused by temperature variations, but not other deformations, for example those caused by a variation of the inclination and the action of gravity.
  • expansion compensation is only possible in a limited temperature range.
  • EP2184652 discloses a curvature hairspring comprising a silicon spiral spring having a terminal curve and an elevating device between the outer coil of the spiral spring and the end curve to improve the spiral development concentricity.
  • the hairspring comprises at least one portion of silicon oxide to make it more mechanically strong and adjust its thermo-elastic coefficient.
  • the elevation device makes the outer coil of the spiral integral with the terminal curve. This arrangement makes it possible above all to compensate for spiral deformations caused by temperature variations, but not those caused by other factors. In addition, the lifting device of this solution makes the spiral bulky.
  • the document CH699494 describes a mechanical oscillator having an optimized thermoelastic coefficient comprising a spiral spring consisting of a monocrystalline silicon core and at least one peripheral coating based on a material having a thermoelastic coefficient different from that of the silicon, the monocrystalline silicon being oriented along the crystallographic axis ⁇ 1, 1, 1 ⁇ to optimize the thermal coefficient of the mechanical oscillator as a whole.
  • This solution only makes it possible to compensate spiral deformations caused by temperature variations in a reduced variation range.
  • EP1612627 relates to a bi-material self-compensating hairspring. The use of two materials makes the spiral manufacturing process more complex.
  • EP1791039 discloses a spring balance spring made from a photo-structuring glass plate and exhibiting areas subject to UV illumination to be more easily and selectively removed by etching. Since glass does not have good mechanical properties for a hairspring, these properties can be improved by varying the shape of the masks and / or their number, which however makes the manufacturing process complex and expensive.
  • thermo-compensated balance-spring resonator by cutting and structuring according to orientations determined with respect to the crystallographic axes of a quartz crystal.
  • the resonator must therefore be made of a crystalline material having crystallographic axes, which limits the choice of material to be used for the resonator.
  • an oscillating element for a clock-adjusting member for example an oscillating spiral spring, which makes it possible to avoid at least one of the limitations of the state of the art.
  • An object of the present invention is to provide a regulating member oscillating element free from the limitations of known oscillating elements.
  • Another object of the invention is to propose an oscillating element for regulating member which makes it possible to compensate for the deformations of the element caused by temperature variations, by the variable influence of the gravity according to the inclination for example, or due to the oscillations of the element, in order to guarantee the isochronism of the regulating organ.
  • oscillating element indicates an element able to oscillate so as to regulate the movement.
  • the oscillating element has physical characteristics such as, for example, a mass, a coefficient of expansion, a Young's modulus or modulus of elasticity, a Poisson's ratio to characterize the contraction of the material perpendicular to the direction of the applied force, etc. It also has geometric characteristics, in particular a form in function ⁇ ( ⁇ , r) which represents a mathematical curve parameterized as a function of an angle ⁇ and a radius r, f belonging preferably belonging to the family of cycloidal curves with isochronic properties, that is to say with oscillations occurring at equal time intervals, independently of their amplitude.
  • An oscillating element thus produces in combination with the balance a modulation (or response) characteristic in frequency and amplitude, which can be represented with a periodic function.
  • the oscillating element is a spiral spring.
  • the oscillating element is a pendulum, for example a Foucault pendulum, or any other oscillating element, rectilinear or not, with isochronous properties.
  • the oscillating element for a clock-adjusting member according to the invention comprises
  • said second zone has a shape arranged to compensate for the deformations of the first zone in order to guarantee said isochronism and / or to filter the frequencies transmitted between the first zone and the frame of the watch.
  • the second zone has a shape arranged to compensate for the deformations of the oscillating element to ensure isochronism.
  • the first zone and the second zone are formed by recess in a common substrate in the form of a plate.
  • the second zone has a volume greater than the volume of the first zone: in fact a larger volume makes it possible to store more mechanical energy, which makes it possible to more effectively compensate for the deformations of the first zone.
  • the shape of the second zone is advantageously calculated numerically (for example using finite element calculation or numerical equation solving mathematical methods) under the constraint that the isochronism of the regulating organ is guaranteed.
  • the second zone therefore acts as a filter, for example a bandpass filter, to damp the oscillations transmitted from the first zone to the platen of the movement.
  • the filtering is chosen so as to improve the isochronism of the watch.
  • the first zone is in the form of a spiral spring.
  • Other forms of oscillating elements for example oscillating elements in the form of a beam, oscillating pendulum, non-parallelepipedic element, etc. can be chosen for the first zone.
  • the first zone and the second zone are advantageously formed by cutting from a common substrate.
  • the first zone and the second zone are then advantageously made in the same material (s).
  • the hollow substrate may be made of a single material, for example silicon or any other deformable material in space and which the person skilled in the art deems appropriate for this application.
  • the substrate may be made of silicon oxide, quartz, one of their compounds, microcrystals, an alloy of MEMS or in combinations of these materials.
  • the substrate comprises two or more layers of different materials.
  • the substrate is hollow.
  • the substrate is planar, so that the first and the second area belong to the same plane.
  • the substrate is not planar and the first and the second zone
  • the substrate may be produced from a wafer of silicon or other material.
  • the substrate can be manufactured using manufacturing techniques commonly used for the manufacture of semiconductors or MEMS.
  • the common substrate can be extruded in order to create three-dimensional topologies.
  • the oscillating element is formed from a substrate by employing layer depositions operations.
  • a multilayer substrate with layers formed in several materials or in the same material but with a different crystalline structure, may also be employed.
  • the use of several layers makes it possible to optimize the filtering function.
  • one of the layers may be amorphous and the other crystalline.
  • the recess in a common substrate is produced by photo-lithographic techniques.
  • the recess in a common substrate of the first zone and the second zone is produced by etching by etching.
  • another variant by laser cutting.
  • the second zone comprises one or more positioning and / or fixing holes to fix it to the plate of the timepiece to which the regulating organ belongs.
  • One or more pins and / or one or more screws cooperate with this or these holes for positioning and / or fixation.
  • the presence of a pin to fix the hairspring to the cock and thus to the plate is no longer necessary; fixing to the plate is guaranteed by the hole (s) of the second zone cooperating with one or more pins and / or one or more screws.
  • the function of the peak in the context of the invention is achieved by the second zone of the oscillating element.
  • the second zone is arranged to compensate for the undesirable deformations of the first zone caused by external factors, such as variations in temperature, magnetic field, or the influence of gravity, or the oscillations proper to the oscillating element, as we will see later.
  • the calculated deformations of the second zone compensate for the undesirable deformations of the first zone.
  • the second zone is also arranged to control the position of the shell of the spiral spring, that is to say that the deformations of the second zone due to temperature or gravity produce a displacement of the external point of the spiral spring which is optimized to compensate for unwanted spiral spring deformations.
  • the first zone is an oscillating element attached to a plate via the second zone.
  • the first zone is a spiral mounted on an axis and the second zone an area that connects an end, for example the outer end, of the spiral or other oscillating element at a fixed point of the movement.
  • the second zone thus makes it possible to control and correct dynamically, that is to say during each oscillation, the oscillations of the first zone on which it acts by the point of connection between these two areas, for example by the outer end of the first spiral shaped zone.
  • the second zone may have a complex shape, for example comprising numerous branches of varied thickness, connected by bifurcations, etc.
  • the second zone comprises two or more simple elements, for example beams, which form a mechanism compiling ("compiling mechanism").
  • compiling mechanism indicates a flexible mechanism that transfers a force or displacement from a first point to another point through a
  • the invention also relates to a method of mathematical calculation of an optimal shape of a second zone of an oscillating element for regulating organ, this second zone being linked to a first oscillating zone, the oscillations of this first zone determining
  • the isochronism of the regulating organ this second zone having a volume greater than the volume of the first zone, the method comprising the following step:
  • the mathematical calculation is a finite element calculation.
  • a calculation involving the resolution of differential equations defining the topology of the oscillating element can also be employed.
  • the plate in particular its second zone, is advantageously modeled as a sum of simple elements (for example beams, etc.) interconnected through links, for example pivots, etc.
  • the process according to the invention also comprises
  • One or more topological gradients are also calculated to optimize the shape of the second zone.
  • This solution has the advantage over the prior art of guaranteeing the isochronism of the regulating member by compensating for the undesirable deformations of the first zone caused by variations in temperature, gravity or oscillations of said element with calculated deformations of the second zone.
  • the escapement which aims to count oscillations of the balance, and which leaves
  • the exhaust may be manufactured using manufacturing techniques commonly used for the manufacture of semiconductors or MEMS.
  • the exhaust may for example comprise an elastically deformable portion, for example in flexion or torsion. This deformation gives the right to the pendulum to move in translation and to leave its rest position. When the elastic portion returns by being moved by the stored elastic energy, it pushes the pendulum.
  • the escapement is realized with a compilant mechanism ("compilant mechanics"), exploiting the transformation of kinematic energy into potential energy and vice versa.
  • compilant mechanics exploiting the transformation of kinematic energy into potential energy and vice versa.
  • the escapement thus acts as a bistable system, that is to say that the system goes from a first stable equilibrium position to a second stable equilibrium position.
  • the spiral spring and the escapement are formed by recess from a common substrate, for example a plate or a wafer.
  • This common substrate is attached to an external device, for example the plate of a movement, using one or more holes made in the plate. In this way it is possible to manufacture very precisely and at a reduced cost of manufacture the spiral spring and the exhaust, occupying a small thickness and also a small volume.
  • all the components constituting a mechanical watch movement are formed by recess in the same common substrate, in particular a plate.
  • FIG. 1 illustrates a representation of an exemplary pivot link of a simple geometric form belonging to the vocabulary that can be defined in a step of the mathematical calculation method according to the invention.
  • FIG. 2 illustrates a representation of a possible combination of simple geometrical shapes belonging to the second zone of the oscillating element according to the invention, this combination being linked to the first zone.
  • FIG. 3 illustrates a possible embodiment of the regulating member according to the invention.
  • Figures 4 to 5 illustrate a representation of a possible combination of simple geometric shapes (beams) belonging to the second zone of the oscillating element according to the invention, this combination being related to the first zone.
  • FIG. 6 illustrates an example of a possible connection between the simple geometric shapes (beams) of FIG. 5.
  • the oscillating element for clock-adjusting member comprises two zones, a first and a second zone.
  • the first zone constitutes a mechanical oscillator, for example a spiral spring, the oscillations of which determine the course of the movement; external disturbances, for example due to temperature or the influence of gravity as a function of inclination, as well as displacements of the center of gravity or the baricenter, however, disturb the isochronism of the oscillator.
  • the second zone has a shape arranged to compensate for the deformations of the first oscillating zone in order to guarantee the isochronism of the regulating organ.
  • the shape of the second zone is defined during the design using a finite element calculation.
  • the first step in defining this form involves creating a vocabulary of simple geometric shapes, such as rectangle (beam), triangle, circle, etc., each shape being characterized by a different moment of inertia.
  • the shapes can be defined in two dimensions in the case of a plate, or in three dimensions if for example thickness variations are useful or if the plate is extruded.
  • the dimensions of these basic shapes are compatible with the desired dimensional resolution of the oscillating element, in particular a spiral spring.
  • An example of an elementary mechanical connection is the pivot connection or the sliding pivot connection.
  • Each elementary mechanical connection can be represented by two torsors, a kinematic torsor C and a torsor constraints, each torsor being composed by two lines, the first line
  • each column representing a reference respectively to the x, y or z axis of an orthogonal reference system.
  • FIG. 1 illustrates a representation of an exemplary pivot link of a simple geometric shape M 0 belonging to the defined vocabulary.
  • the pivot connection rotates the shape M 0 and allows only one rotation about the connection axis, which in the example shown is the y axis.
  • a grammar is defined for this vocabulary, that is, a set of rules that manage the mechanical bonds in a "sentence", that is to say a set of words composed by simple geometric shapes.
  • a spiral spring can undergo deformations because of the force of gravity, the absolute temperature or variations of temperature or its own oscillation: the spiral spring is thus deformed kinematically and its center of gravity O 'is moves relative to its inner end O.
  • the resolution of this equation makes it possible to define the shape of the second zone 20.
  • the external end of the oscillating element that is to say that intended to be linked to a peak in the case of a spiral spring is connected to the fixed plate by means of the deformable zone cut in a substrate and which can be modeled by a sentence composed of elements or shapes M, as illustrated in FIG.
  • FIG. 6 illustrates an example of a mechanical connection between the elements 100 and 200, in particular beams, of FIG. 5.
  • FIG. 4 illustrates another example of a mechanical connection between the beams 100 and 200.
  • the shape Mi is directly connected to the first zone 10 comprising the oscillating element, for example a spiral spring, in corresponding point P and the three forms belong to the same area of the first area 10 and constitute the second area.
  • deformations of the first zone 10 are compensated by the deformations of the second zone 20 so that, for example, temperature variations no longer affect the position O of the spiral spring.
  • the isochronism of the regulating organ is thus guaranteed.
  • Equation (2) allows a regulation of the compensation of the deformations by the optimization of the surfaces of the second zone 20 by calculating topological gradients. In other words the regulation is carried out by surface optimization.
  • FIG. 3 illustrates a possible embodiment of the oscillating element 1 according to the invention. It comprises a first zone 10 in the form of a spiral spring, and a second zone 20 connected to the first zone and having a volume greater than the volume of the first zone 10.
  • the shape of the second zone 20 is calculated to guarantee the isochronism of the regulating organ.
  • the two zones 10, 20 are formed by recess in a common substrate 2, for example a plate: in fact the parts of Figure 3 which are not white indicate that they are cut.
  • the second zone 20 comprises one or more positioning and / or fastening holes 30 which respectively cooperate with one or more pins and / or one or more screws for positioning.
  • the common substrate 2 may be made of a single material, for example silicon or any deformable material in space and that the skilled person judges suitable for this application.
  • the substrate comprises two or more layers of different materials.
  • the substrate is hollow.
  • the substrate is planar, so that the first and the second zone belong to the same plane.
  • the substrate is not planar and the first and second zones belong to different planes. This last variant is more bulky of the first, but allows to increase the degrees of freedom of the definition of the shape for the second zone 20.
  • the recess in a common substrate can be achieved by photo-lithographic techniques.
  • the shapes of the zone 2 cut in the substrate are advantageously optimized so as to guarantee an efficient regulation of the position of the external point of the spiral constituting the zone 1, as well as an effective regulation of the position of the center of gravity of this spiral, so as to guarantee isochronism.
  • Effective regulation means that zone 2 is able to deform rapidly, with a range of
  • the center of mass of the spiral is mounted so

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Abstract

Elément oscillant (1) pour organe réglant horloger comprenant une première zone (10) en forme d'élément oscillant une deuxième zone (20) liée à la première zone et ayant un volume plus grand que le volume de la première zone la deuxième zone (20) ayant une forme agencée pour compenser les déformations de cet élément afin d'en garantir l'isochronisme. Les déformations de la première zone (10) causées par des variations de température, gravité ou oscillations de cet élément sont compensées par des déformations de la deuxième zone (20). L'invention concerne également un procédé de calcul mathématique d'une forme optimale de cette deuxième zone (20).

Description

Elément oscillant pour organe réglant horloger technique
La présente invention concerne un élément oscillant pour organe réglant horloger, par exemple un ressort spiral dont les oscillations déterminent la marche du mouvement.
Etat de la technique
L'organe réglant des montres mécaniques est habituellement composé d'un balancier, qui est un volant d'inertie, sur l'axe duquel est fixé un ressort en spirale appelé spiral ou ressort spiral. La fixation du spiral à l'axe du balancier se fait par l'intermédiaire d'une virole, à laquelle le spiral peut être goupillé, soudé, collé, etc. L'autre extrémité du spiral est fixée à la platine ou à un pont par l'intermédiaire d'un piton, dans lequel le spiral est goupillé ou collé au coq soit directement soit par l'intermédiaire d'un porte-piton mobile.
Entre la virole dont la position est fixe puisque liée à l'axe du balancier qui ne peut que tourner sur lui-même - et le piton qui est lié à la platine, le spiral peut se déformer en fonction de la température, de la gravité, etc. ce qui nuit à l'isochronisme. Même en l'absence de
perturbations, le centre de masse du spiral se déplace à chaque oscillation par rapport à son centre de rotation, résultant en une oscillation non parfaitement isochrone.
En effet on cherche à obtenir des oscillations du spiral les plus isochrones possible, c'est-à-dire des oscillations qui se produisent à des intervalles de temps égaux, de façon indépendante de leur amplitude, quelles que soient les variations ou les valeurs absolues de température, de la force de gravité, du champ magnétique, etc. Dans l'état de la technique il est connu de réaliser les spiraux en invar, un alliage de Fer et de Nickel peu sensible au magnétisme et ayant un très faible coefficient de dilatation. Cependant, puisque sa dureté est faible et son coefficient thermique mauvais, il est nécessaire d'ajouter différents additifs à l'invar. En plus, puisque son module de Young, ou module d'élasticité, n'est pas optimale pour un spiral, les spiraux en invar sont plus grands que ceux réalisés dans un autre matériau, par exemple en acier.
Philips à la fin du XIX siècle a étudié des courbes terminales du spiral, ou courbes Philips, qui permettent au centre de gravité du spiral de se trouver au centre du spiral, c'est-à-dire sur l'axe du balancier, tout au long de l'oscillation. Selon l'application, une courbe de Philips particulière doit être choisie parmi les différentes courbes de Philips existantes, chaque courbe étant désignée par un numéro. Cette solution ne permet cependant pas de compenser des déformations du spiral liées par exemple à des variations de température. En outre elle permet seulement une correction moyenne de la déformation du spiral, sans donner la possibilité d'une correction ou réglage fin.
Le document US20081 17721 décrit un système oscillant dont l'extrémité extérieure du ressort spiral est fixée à un élément de retenue dont la position peut être ajustée dans un guide radial fixe par exemple à l'aide de vis, afin de compenser les erreurs d'isochronisme. Le réglage de la position de l'élément de retenue, et donc du piton, implique à l'utilisateur d'ouvrir la montre. Il est donc effectué une fois pour toute, et ne peut pas être modifié facilement en fonction de variations rapides de la température ou de l'inclinaison de la montre.
Le document EP1422436 décrit un ressort spiral de balancier découpé dans une plaque de silicium monocristallin dont les spires ont une largeur et une épaisseur dimensionnées de manière à minimiser la dérive thermique de l'ensemble. Il est revêtu d'une couche d'oxyde de silicium amorphe. La présence du silicium et de son oxyde dont les coefficients de température sont de signe opposé permet de réduire les déformations du spiral causées par des variations de température, mais pas d'autres déformations, par exemple celles causées par une variation de l'inclinaison et de l'action de la gravité. Par ailleurs, la compensation des dilatations est seulement possible dans une plage de température limitée.
Le document EP2184652 décrit un spiral à élévation de courbe comportant un ressort spiral en silicium ayant une courbe terminale et un dispositif d'élévation entre la spire externe du ressort spiral et la courbe terminale afin d'améliorer la concentricité de développement du spiral. Le spiral comporte au moins une partie en oxyde de silicium afin de le rendre plus résistant mécaniquement et d'ajuster son coefficient thermo-élastique. Le dispositif d'élévation rend la spire externe du spiral solidaire de la courbe terminale. Cet arrangement permet avant tout de compenser les déformations du spiral causées par des variations de température, mais pas celles dues à d'autres facteurs. En outre le dispositif d'élévation de cette solution rende le spiral encombrant.
Le document CH699494 décrit un oscillateur mécanique présentant un coefficient thermo-élastique optimisé comportant un ressort spiral constitué d'une âme en silicium monocristallin et d'au moins un revêtement périphérique à base d'un matériau présentant un coefficient thermo-élastique différent de celui du silicium, le silicium monocristallin étant orienté selon l'axe cristallographique {1 ,1 ,1} pour optimiser le coefficient thermique de l'oscillateur mécanique dans son ensemble. Cette solution ne permet que de compenser des déformations du spiral causées par des variations de température dans une plage de variation réduite.
Le document EP1612627 concerne un spiral auto-compensateur bi-matière. L'utilisation de deux matériaux rend le procédé de fabrication du spiral plus complexe.
Le document EP1791039 décrit un ressort spiral de balancier fabriqué à partir d'une plaque de verre photo-structurable et présentant des zones soumises à une illumination UV afin d'être plus facilement et sélectivement éliminées par attaque chimique. Puisque le verre n'a pas des bonnes propriétés mécaniques pour un spiral, ces propriétés peuvent être améliorées en jouant sur la forme des masques et/ou leur nombre, ce qui rend cependant le procédé de fabrication complexe et coûteux.
Le document EP1519250 décrit un résonateur balancier-spiral thermo-compensé grâce à la découpe et la structuration selon des orientations déterminées par rapport aux axes cristallographiques d'un cristal de quartz. Le résonateur doit donc être réalisé dans un matériau cristallin ayant des axes cristallographiques, ce qui limite le choix du matériau à utiliser pour le résonateur.
Il existe donc un besoin pour un élément oscillant pour organe réglant horloger, par exemple un ressort spiral oscillant, qui permette d'éviter au moins une des limitations de l'état de la technique
mentionnées.
Bref résumé de l'invention
Un but de la présente invention est de proposer un élément oscillant pour organe réglant exempt des limitations des éléments oscillants connus.
Un autre but de l'invention est de proposer un élément oscillant pour organe réglant qui permette de compenser les déformations du élément causées par des variations de température, par l'influence variable de la gravité selon l'inclinaison par exemple, ou dues aux oscillations de l'élément, ceci afin de garantir l'isochronisme de l'organe réglant.
Selon l'invention, ces buts sont atteints notamment au moyen d'un élément oscillant pour organe réglant horloger selon la revendication 1 , au moyen d'un procédé de calcul mathématique d'une forme optimale d'une deuxième zone d'un élément horloger pour organe réglant horloger selon la revendication 7 et au moyen d'un procédé de fabrication d'un élément oscillant pour organe réglant horloger selon la revendication 13.
Dans ce contexte l'expression « élément oscillant » indique un élément apte à osciller de façon à régler la marche du mouvement.
L'élément oscillant possède des caractéristiques physiques telles que, par exemple, une masse, un coefficient de dilatation, un module de Young ou module d'élasticité, un coefficient de Poisson afin de caractériser la contraction de la matière perpendiculairement à la direction de l'effort appliqué, etc.. Il possède aussi des caractéristiques géométriques, notamment une forme en fonction ί(θ, r) qui représente une courbe mathématique paramétrée en fonction d'un angle Θ et d'un rayon r, f appartenant de préférence appartenant à la famille des courbes cycloïdes avec des propriétés isochroniques, c'est-à-dire avec des oscillations qui se produisent à des intervalles de temps égaux, de façon indépendante de leur amplitude. Un élément oscillant produit donc en combinaison avec le balancier une modulation (ou réponse) caractéristique en fréquence et en amplitude, qui peut être représentée avec une fonction périodique.
Avantageusement l'élément oscillant est un ressort spiral. Dans une autre variante l'élément oscillant est un pendule, par exemple un pendule de Foucault, ou tout autre élément oscillant, rectiligne ou non, avec des propriétés isochrones.
L'élément oscillant pour organe réglant horloger selon l'invention comprend
- une première zone dont les oscillations déterminent la marche dudit organe réglant,
- une deuxième zone liée à la première zone et ayant un volume plus grand que le volume de la première zone
caractérisé en ce que
ladite deuxième zone a une forme agencée pour compenser les déformations de la première zone afin de garantir ledit isochronisme et/ou de filtrer les fréquences transmises entre la première zone et le bâti de la montre. La deuxième zone a une forme agencée pour compenser les déformations de l'élément oscillant afin de garantir l'isochronisme.
Avantageusement la première zone et la deuxième zone sont formées par évidement dans un substrat commun en forme de plaque.
La deuxième zone a un volume plus grand que le volume de la première zone : en effet un volume plus grand permet de stocker d'avantage d'énergie mécanique, ce qui permet de compenser plus efficacement les déformations de la première zone.
La forme de la deuxième zone est avantageusement calculée de façon numérique (par exemple à l'aide de calcul par éléments finis ou de méthodes mathématiques numériques de résolution d'équation) sous la contrainte que l'isochronisme de l'organe réglant soit garanti.
La deuxième zone agit donc comme un filtre, par exemple un filtre passe-bande, pour amortir les oscillations transmises depuis la première zone à la platine du mouvement. Le filtrage est choisi de manière à améliorer l'isochronisme de la montre.
Avantageusement la première zone est en forme de ressort spiral. D'autres formes d'éléments oscillants, par exemple des éléments oscillants en forme de poutre, de pendule oscillant, d'élément non parallélépipédique, etc. peuvent être choisies pour la première zone.
La première zone et la deuxième zone sont avantageusement formées par découpe à partir d'un substrat commun. La première zone et la deuxième zone sont alors avantageusement réalisées dans le(s) même(s) matériau(s). Le substrat évidé peut être réalisé en un seul matériau, par exemple en silicium ou dans n'importe quel matériau déformable dans l'espace et que l'homme du métier juge approprié pour cette application. Par exemple le substrat peut être réalisé en oxyde de silicium, en quartz, en un des leurs composés, en microcristaux, en un alliage de la technologie des MEMS ou en une combinaisons de ces matériaux. Dans une autre variante le substrat comprend deux ou plusieurs couches de matériaux différents. Dans une autre variante, le substrat est creux.Dans une variante
préférentielle le substrat est planaire, de façon à ce que la première et la deuxième zone appartiennent au même plan. Dans une autre variante le substrat n'est pas planaire et la première et la deuxième zone
appartiennent à des plans différents. Cette dernière variante est plus encombrante que la première, mais permet d'augmenter les degrés de liberté pour définir la forme de la deuxième zone. Le substrat peut être produit à partir d'un wafer de silicium ou d'un autre matériau. Par exemple, le subrstrat peut être fabriqué en employant des techniques de fabrication habituellement utilisées pour la fabrication de semiconducteurs ou de MEMS.
Dans une variante le substrat commun peut être extrudé afin de créer des topologies tridimensionnelles.
Dans une autre variante l'élément oscillant est formé à partir d'un substrat en employant des opérations de dépositions de couches. Un substrat multicouche, avec des couches formées dans plusieurs matériaux ou dans un même matériau mais avec une structure cristalline différente, peut aussi être employé. L'usage de plusieurs couches permet d'optimiser la fonction de filtrage. Par exemple, une des couches peut être amorphe et l'autre cristalline.
Dans une variante l'évidement dans un substrat commun est réalisé par des techniques photo-lithographiques. Dans une autre variante l'évidement dans un substrat commun de la première zone et de la deuxième zone est réalisé par gravage par attaque chimique. Dans une autre variante par découpage par laser.
Dans une variante la deuxième zone comprend un ou plusieurs trous de positionnement et/ou de fixation pour la fixer à la platine de la pièce d'horlogerie à laquelle appartient l'organe réglant. Une ou plusieurs goupilles et/ou une ou plusieurs vis coopèrent avec ce ou ces trous pour le positionnement et/ou fixation.
Avantageusement la présence d'un piton pour fixer le spiral au coq et donc à la platine n'est plus nécessaire ; la fixation à la platine est garantie par le(s) trou(s) de la deuxième zone coopérant avec une ou plusieurs goupilles et/ou une ou plusieurs vis. En d'autres termes, la fonction du piton dans le contexte de l'invention est réalisée par la deuxième zone de l'élément oscillant.
La deuxième zone est arrangée pour compenser les déformations indésirables de la première zone causées par des facteurs externes, telles que les variations de température, de champ magnétique, ou l'influence de la gravité, ou encore les oscillations propres de l'élément oscillant, comme on le verra plus loin. Selon l'invention en effet les déformations calculées de la deuxième zone compensent les déformations indésirables de la première zone.
La deuxième zone est aussi agencée pour contrôler la position de la virole du ressort spiral, c'est-à-dire que les déformations de la deuxième zone dues à la température ou à la gravité produisent un déplacement du point externe du ressort spiral qui est optimisé de façon à compenser les déformations indésirables de ressort spiral.
Dans un mode de réalisation, la première zone est un élément oscillant rattaché à une platine par l'intermédiaire de la deuxième zone. La première zone est un spiral monté sur un axe et la deuxième zone une zone qui permet de relier une extrémité, par exemple l'extrémité externe, de ce spiral ou d'un autre élément oscillant, à un point fixe du mouvement.
La deuxième zone permet donc de contrôler et de corriger dynamiquement, c'est-à-dire lors de chaque oscillation, les oscillations de la première zone sur lesquelles elle agit par le point de liaison entre ces deux zones, par exemple par l'extrémité externe de la première zone conformée en spiral.
La deuxième zone peut avoir une forme complexe, comportant par exemple de nombreuses branches d'épaisseurs variées, reliées par des bifurcations etc. Dans une variante la deuxième zone comprend deux ou plusieurs éléments simples, par exemple des poutres, qui forment un mécanisme compilant (« compilant mechanism »). L'expression « compilant mechanism » indique un mécanisme flexible qui transfère une force ou un déplacement d'un premier point à un autre point au travers d'une
déformation élastique.
L'invention concerne aussi un procédé de calcul mathématique d'une forme optimale d'une deuxième zone d'un élément oscillant pour organe réglant, cette deuxième zone étant liée à une première zone oscillante, les oscillations de cette première zone déterminant
l'isochronisme de l'organe réglant, cette deuxième zone ayant un volume plus grand que le volume de la première zone, le procédé comprenant l'étape suivante :
- définition de ladite forme afin de compenser les déformations dudit élément afin de garantir ledit isochronisme.
Avantageusement le calcul mathématique est un calcul par éléments finis. Un calcul impliquant la résolution d'équations différentielles définissant la topologie de l'élément oscillant peut aussi être employé.
La plaque, notamment sa deuxième zone, est avantageusement modélisée comme une somme d'éléments simples (par exemple des poutres, etc) liés entre eux au travers de liaisons, par exemple de pivots, etc.
Dans une variante le procédé selon l'invention comprend aussi
- la création d'un vocabulaire de formes géométriques simples
- l'écriture d'une grammaire pour ce vocabulaire. Une ou plusieurs équations mathématiques sont résolues avec la contrainte que l'élément oscillant soit isochrone.
Un ou plusieurs gradients topologiques sont aussi calculés pour optimiser la forme de la deuxième zone. Cette solution présente notamment l'avantage par rapport à l'art antérieur de garantir l'isochronisme de l'organe réglant en compensant les déformations indésirables de la première zone causées par des variations de température, gravité ou oscillations dudit élément avec des déformations calculées de la deuxième zone. Selon un aspect indépendant de l'invention l'échappement, qui a pour but de compter les oscillations du balancier, et qui laisse
périodiquement échapper une parcelle de l'énergie motrice, par exemple provenant du barillet, pour restituer à l'organe réglant celle que lui font perdre les résistances passives (frottements) en fonctionnant comme organe distributeur d'énergies, peut aussi être formé à partir d'une plaque, par exemple d'un wafer de silicium ou d'un autre matériau. Par exemple, l'échappement peut être fabriqué en employant des techniques de fabrication habituellement utilisées pour la fabrication de semiconducteurs ou de MEMS. L'échappement peut par exemple comporter une portion déformable élastiquement, par exemple en flexion ou en torsion. Cette déformation donne droit au balancier de se déplacer en translation et de quitter sa position de repos. Quand la portion élastique revient en étant mue par l'énergie élastique emmagasinée, elle repousse le balancier. Dans une variante préférentielle l'échappement est réalisé avec un mécanisme compilant (« compilant mecanism »), en exploitant la transformation de l'énergie cinématique en énergie potentielle et vice-versa. L'échappement agit ainsi comme un système bistable, c'est-à-dire que le système passe d'une première position d'équilibre stable à une deuxième position d'équilibre stable. Selon un autre aspect indépendant de l'invention, le ressort spiral et l'échappement sont formés par évidement à partir d'un substrat commun, par exemple une plaque ou un wafer. Ce substrat commun est fixé à un dispositif externe, par exemple la platine d'un mouvement, à l'aide d'un ou plusieurs trous réalisés dans la plaque. De cette façon il est possible de fabriquer très précisément et à un coût de fabrication réduit le ressort spiral et l'échappement, en occupant une faible épaisseur et aussi un faible volume.
Selon un autre aspect indépendant de l'invention, tous les composants qui constituent un mouvement pour montre mécanique sont formées par évidement dans le même substrat commun, notamment une plaque. Autres les avantages mentionnés ci-dessus, le montage du
mouvement dans une montre est nettement simplifié puisqu'il suffit de fixer à l'aide de vis ou d'autres moyens la plaque à un dispositif externe, par exemple une platine.
Brève description des figures
Des exemples de mise en œuvre de l'invention sont indiqués dans la description illustrée par les figures annexées dans lesquelles :
La figure 1 illustre une représentation d'un exemple de liaison pivot d'une forme géométrique simple appartenant au vocabulaire qui peut être défini dans une étape du procédé de calcul mathématique selon l'invention.
La figure 2 illustre une représentation d'une combinaison possible de formes géométriques simples qui appartiennent à la deuxième zone de l'élément oscillant selon l'invention, cette combinaison étant liée à la première zone. La figure 3 illustre un mode de réalisation possible de l'organe réglant selon l'invention.
Les figures 4 à 5 illustrent une représentation d'une combinaison possible de formes géométriques simples (poutres) qui appartiennent à la deuxième zone de l'élément oscillant selon l'invention, cette combinaison étant liée à la première zone.
La figure 6 illustre un exemple de liaison possible entre les formes géométriques simples (poutres) de la figure 5.
Exemple(s) de mode de réalisation de l'invention
L'élément oscillant pour organe réglant horloger selon l'invention comprend deux zones, une première et une deuxième zone. La première zone constitue un oscillateur mécanique, par exemple un ressort spiral, dont les oscillations déterminent la marche du mouvement ; des perturbations externes, par exemple dues à la température ou à l'influence de la gravité en fonction de l'inclinaison, ainsi que des déplacements du centre de gravité ou du baricentre, perturbent cependant l'isochronisme de l'oscillateur. La deuxième zone a une forme agencée pour compenser les déformations de la première zone oscillante afin de garantir l'isochronisme de l'organe réglant.
La forme de la deuxième zone est définie lors de la conception à l'aide d'un calcul à éléments finis. La première étape de la définition de cette forme comprend la création d'un vocabulaire de formes géométriques simples, telles que rectangle (poutre), triangle, cercle, etc., chaque forme étant caractérisée par un moment d'inertie différent. Les formes peuvent être définies en deux dimensions dans le cas d'une plaque, ou en trois dimensions si par exemple des variations d'épaisseur sont utiles ou si la plaque est extrudée. Avantageusement, les dimensions de ces formes de base sont compatibles avec la résolution dimensionnelle désirée de l'élément oscillant, notamment un ressort spiral.
Différentes liaisons mécaniques élémentaires sont utilisées pour modéliser les relations entre deux ou plusieurs formes de base liées entre elles par des contacts physiques. Un exemple de liaison mécanique élémentaire est la liaison pivot ou la liaison pivot glissant.
Chaque liaison mécanique élémentaire peut être représentée par deux torseurs, un torseur cinématique C et un torseur des contraintesf , chaque torseur étant composé par deux lignes, la première ligne
représentant un mouvement en translation et la deuxième un mouvement en rotation, et par trois colonnes, chaque colonne représentant une référence respectivement à l'axe x, y ou z d'un système de référence orthogonal.
La figure 1 illustre une représentation d'un exemple de liaison pivot d'une forme géométrique simple M0 appartenant au vocabulaire défini. La liaison pivot guide en rotation la forme M0 et ne permet qu'une rotation autour de l'axe de liaison, qui dans l'exemple illustré est l'axe y.
Le torseur cinématique C et le torseur des contraintesf dans l'exemple de la figure 1 ont la forme suivante
0 0 0 0 0 0
C T (1)
0 0 0 t . 0 qui indique que la forme M0 peut uniquement tourner autour de l'axe y. Les coefficients cy et ty peuvent être normalisés à 1.
Après la création du vocabulaire de formes géométriques simples, une grammaire est définie pour ce vocabulaire, c'est-à-dire un ensemble de règles qui gèrent les liaisons mécaniques dans une « phrase », c'est-à-dire un ensemble de mots composés par des formes géométriques simples.
Dans un organe réglant, un ressort spiral peut subir des déformations à cause de la force de gravité, de la température absolue ou des variations de température ou de ses propres oscillation : le ressort spiral se déforme donc cinématiquement et son centre de gravité O' se déplace par rapport à son extrémité interne O.
Selon l'invention la forme de la deuxième zone 20, visible sur la figure 3, est calculée en résolvant l'équation suivante : f(0, 0') = const[ (2) qui impose une distance constante entre le centre de gravité O' et le point d'attache à la virole dans le temps t, c'est-à-dire que la valeur de cette distance est la même dans le temps. La résolution de cette équation permet de définir la forme de la deuxième zone 20. En effet, selon l'invention, l'extrémité externe de l'élément oscillant, c'est-à-dire celle destinée à être liée à un piton dans le cas d'un ressort spiral, est liée à la platine fixe par l'intermédiaire de la zone déformable découpée dans un substrat et qui peut être modélisée par une phrase composée par des éléments ou formes M, , comme illustré sur la figure 2. Les formes Mi, M2 et M3 de la figure 2 forment en effet une phrase et sont liées par des liaisons mécaniques élémentaires. La figure 6 illustre un exemple d'une liaison mécanique entre les éléments 100 et 200, notamment des poutres, de la figure 5. La figure 4 illustre un autre exemple d'une liaison mécanique entre les poutres 100 et 200. Dans la figure 2 la forme Mi est liée directement à la première zone 10 comprenant l'élément oscillant, par exemple un ressort spiral, en correspondance du point P et les trois formes appartiennent à la même surface de la première zone 10 et constituent la deuxième zone.
En contraignant le point P, par exemple en le forçant à suivre une trajectoire idéale, grâce à la liaison avec la deuxième zone 20, les
déformations de la première zone 10 sont compensées par les déformations de la deuxième zone 20 de façon à ce que par exemple des variations de température n'affectent plus la position O du ressort spiral. L'isochronisme de l'organe réglant est ainsi garanti.
L'équation (2) permet une régulation de la compensation des déformations grâce à l'optimisation des surfaces de la deuxième zone 20 en calculant des gradients topologiques. En d'autres termes la régulation est réalisée par optimisation de surface.
La figure 3 illustre un mode de réalisation possible de l'élément oscillant 1 selon l'invention. Il comprend une première zone 10 en forme de ressort spiral, et une deuxième zone 20 liée à la première zone et ayant un volume plus grand que le volume de la première zone 10. La forme de la deuxième zone 20 est calculée afin de garantir l'isochronisme de l'organe réglant.
Les deux zones 10, 20 sont formées par évidement dans un substrat commun 2, par exemple une plaque : en effet les parties de la figure 3 qui ne sont pas blanches indiquent qu'elles sont découpées.
La deuxième zone 20 comprend un ou plusieurs trous 30 de positionnement et/ou de fixation qui coopèrent respectivement avec une ou plusieurs goupilles et/ou une ou plusieurs vis pour positionner
respectivement fixer la pièce 1 à une platine.
Le substrat commun 2 peut être réalisé en un seul matériau, par exemple en silicium ou dans n'importe quel matériau déformable dans l'espace et que l'homme du métier juge adapte pour cette application. Dans une autre variante le substrat comprend deux ou plusieurs couches de matériaux différents. Dans une autre variante encore le substrat est creux.
Dans une variante préférentielle le substrat est planaire, de façon à ce que la première et la deuxième zone appartiennent au même plan. Dans une autre variante le substrat n'est pas planaire et la première et la deuxième zone appartiennent à différents plans. Cette dernière variante est plus encombrante de la première, mais permet d'augmenter les degrés de liberté de la définition de la forme pour la deuxième zone 20. L'évidement dans un substrat commun peut être réalisé par des techniques photo-lithographiques.
Les formes de la zone 2 découpée dans le substrat sont avantageusement optimisées de façon à garantir une régulation efficace de la position du point externe du spiral constituant la zone 1, ainsi qu'une régulation efficace de la position du centre de gravité de ce spiral, de façon à garantir ainsi l'isochronisme. Une régulation efficace signifie que la zone 2 est capable de se déformer rapidement, avec une amplitude de
déformation suffisante, et sans dérive dans le temps, en fonction de la température et de la gravité par exemple. Le centre de masse du spiral est monté de manière
conventionnelle sur un axe sur lequel est également assemblé le balancier de l'organe oscillant. Dans une variante le balancier de l'organe réglant est intégré dans le substrat commun 2. Numéros de référence employés sur les figures
1 Elément oscillant
2 Substrat
10 Première zone
20 Deuxième zone
30 Trous
Mo,1,2,3 Formes géométriques simples
100 Première forme géométrique simple
200 Deuxième forme géométrique simple

Claims

Revendications
1. Elément oscillant pour organe réglant horloger comprenant
- une première zone (10) dont les oscillations déterminent la marche dudit organe réglant,
- une deuxième zone (20) liée à la première zone et ayant un volume plus grand que le volume de la première zone
caractérisé en ce que
ladite deuxième zone (20) a une forme agencée pour compenser les déformations dudit élément afin de garantir ledit isochronisme
ladite première zone (10) et ladite deuxième zone (20) étant formées par évidement dans un substrat commun (2) en forme de plaque.
2. L'élément oscillant selon la revendication 1 , ladite première zone constituant un ressort spiral.
3. L'élément oscillant selon l'une des revendications 1 à 2, ladite deuxième zone (20) étant arrangée pour compenser les déformations de ladite première zone (10) causées par la température, par des variations de température, par des champs magnétiques, par la gravité ou par les oscillations propres de ladite première zone.
4. L'élément oscillant selon l'une des revendications 1 à 3, ladite deuxième zone (20) étant agencée pour modifier dans le temps la position de l'extrémité externe dudit ressort spiral de manière à améliorer l'isochronisme.
5. L'élément oscillant selon l'une des revendications 1 à 4, ladite deuxième zone (20) étant agencée pour corriger dans le temps la distance entre le centre de gravité et le centre de rotation dudit ressort spiral de manière à améliorer l'isochronisme.
6. L'élément oscillant selon l'une des revendications 1 à 5, ladite deuxième zone (20) comprenant un ou plusieurs trous (30) de
positionnement et/ou de fixation pour la fixer à une platine.
7. L'élément oscillant selon l'une des revendications 2 à 6, ladite deuxième zone étant liée à l'extrémité externe dudit ressort spiral ; ledit élément comportant des moyens de fixation dudit substrat à l'axe d'un balancier d'une part et au mouvement d'autre part.
8. Procédé de fabrication d'un élément oscillant pour organe réglant horloger comprenant :
- formation par évidement dans un substrat commun (2) en forme de plaque d'une première zone (10) dont les oscillations déterminent la marche dudit organe réglant, et d'une deuxième zone (20) liée à la première zone et ayant un volume plus grand que le volume de la première zone, ladite deuxième zone (20) ayant une forme agencée pour compenser les déformations dudit élément afin de garantir l'isochronisme.
9. Le procédé de fabrication de la revendication 8, ledit évidement étant réalisé par des techniques photo-lithographiques et/ou par gravage par attaque chimique et/ou par découpage par laser.
10. Le procédé de l'une des revendications 8 ou 9, comprenant une étape de calcul mathématique d'une forme optimale de la deuxième zone (20).
1 1. Le procédé de la revendication 10, ledit calcul étant un calcul par éléments finis.
12. Le procédé de l'une des revendications 10 ou 1 1 , comprenant en outre les étapes suivantes
- création d'un vocabulaire de formes géométriques simples (M,),
- définition d'une grammaire pour ledit vocabulaire, -création de ladite forme de la deuxième zone en combinant lesdites formes géométriques simples (M,) en respectant ladite grammaire.
13. Le procédé de l'une des revendications 10 à 12, comprenant en outre l'étape suivante
- résolution d'une ou plusieurs équations mathématiques avec la contrainte que ledit élément oscillant soit isochrone.
14. Le procédé de l'une des revendications 10 à 13, comprenant en outre les étapes suivantes
- calcul d'un ou plusieurs gradients topologiques pour optimiser ladite forme.
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