CH702708B1 - Ensemble oscillateur balancier-spiral avec éléments détachables et procédé d'ajustement de sa fréquence d'oscillation. - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un ensemble oscillateur-balancier-spiral comportant un spiral (10) et un balancier (20), destiné en particulier à être utilisé dans une pièce d’horlogerie mécanique. Cet ensemble est caractérisé en ce qu’au moins l’un des composants, spiral (10) ou balancier (20), comporte au moins un élément détachable (13) réalisé lors de la même opération que l’opération de fabrication dudit composant. L’invention concerne en outre un procédé d’ajustement de la fréquence d’oscillation d’un tel ensemble. Ce procédé est caractérisé en ce qu’il comporte les étapes suivantes: détermination de la fréquence réelle d’oscillation de l’ensemble balanciers-spiral; détermination de la fréquence de consigne requise; comparaison de la fréquence réelle et de la fréquence de consigne; élimination d’au moins un élément détachable (13) sur au moins l’un des composants de l’ensemble oscillateur balancier-spiral; réitération de ces étapes jusqu’à obtention d’une fréquence réelle ayant une différence avec la fréquence de consigne inférieure à un seuil déterminé.
Description
Domaine technique
[0001] La présente invention concerne un oscillateur balancier-spiral, comportant un ressort spiral et un balancier tels qu’utilisés en particulier dans le domaine de l’horlogerie, dans les pièces d’horlogerie mécaniques.
[0002] L’invention concerne également un procédé d’ajustement de la fréquence d’oscillation de cet ensemble.
Technique antérieure
[0003] Les balanciers spiraux utilisés dans l’horlogerie sont traditionnellement fabriqués dans des matériaux tels que l’Elinvar pour le spiral et en alliage cuivreux pour le balancier. Ces derniers sont assemblés pour former un oscillateur ayant une fréquence déterminée. Les imprécisions d’usinage font que la fréquence d’oscillation de ces oscillateurs varient dans un spectre trop large pour les précisions demandées pour un mécanisme horloger ou tout autre mécanisme requérant un oscillateur balancier-spiral de précision. La solution actuelle consiste à réaliser, en fonction des fréquences, des classes de spiraux et des classes de balanciers et d’assembler ces derniers par classes correspondantes, ce qui permet d’obtenir la fréquence visée.
[0004] De nouvelles techniques de fabrication et d’usinage de certains matériaux telles que notamment la gravure du silicium permettent d’offrir une liberté totale dans le dessin des composants et en particulier des oscillateurs balancier-spiral. Ces techniques appliquées à ces matériaux ont la particularité de permettre de réaliser, dans une même pièce, des différences de sections importantes, ce qui permet une plus grande liberté de formes et une grande précision de fabrication. Toutefois, même si un calcul théorique permet de dimensionner des pièces de façon à avoir une fréquence d’oscillation parfaite, il est loin d’être garanti que, après réalisation concrète avec les procédés connus, la pièce fabriquée donne la fréquence souhaitée.
[0005] Il en résulte que les pièces qui ne correspondent pas à la fréquence d’oscillation souhaitée doivent être utilisées comme les pièces conventionnelles, c’est-à-dire classées en catégories et utilisées avec des balanciers de catégories correspondantes afin que l’ensemble produise la fréquence souhaitée.
[0006] Il est clair que la détermination d’un couple oscillateur balancier-spiral donnant la fréquence requise est une opération longue et fastidieuse, quelle que soit la manière de fabriquer le spiral.
Exposé de l’invention
[0007] La présente invention se propose de pallier les inconvénients des oscillateurs de l’art antérieur en réalisant un ensemble oscillateur balancier-spiral dont la fréquence d’oscillation peut être ajustée après fabrication.
[0008] Le but de l’invention est atteint par un ensemble oscillateur balancier-spiral comportant un spiral et un balancier, caractérisé en ce qu’au moins l’un des composants, spiral ou balancier, comporte au moins un élément détachable réalisé lors de la même opération que l’opération de fabrication dudit composant.
[0009] Le but de l’invention est également atteint par un procédé d’ajustement de la fréquence d’un ensemble oscillateur balancier-spiral dans lequel au moins l’un des composants, spiral ou balancier, comporte une pluralité d’éléments détachables réalisés conjointement à la réalisation dudit composant, caractérisé en ce qu’il comporte les étapes suivantes:
détermination de la fréquence réelle d’oscillation de l’ensemble balancier-spiral;
détermination de la fréquence de consigne requise;
comparaison de la fréquence réelle et de la fréquence de consigne;
élimination d’au moins un élément détachable sur au moins l’un des composants de l’ensemble oscillateur balancier-spiral;
réitération de ces étapes jusqu’à obtention d’une fréquence réelle ayant une différence avec la fréquence de consigne inférieure à un seuil déterminé.
[0010] Selon cette invention, la fréquence d’oscillation peut être ajustée soit au niveau du spiral, soit au niveau du balancier, soit encore au niveau des deux éléments à la fois. Cette fréquence d’oscillation peut être modifiée en agissant sur la masse du spiral et/ou du balancier et donc sur leur inertie ou également en agissant sur leur rigidité. De plus, grâce à l’invention, il est également possible d’équilibrer de façon très précise l’ensemble spiral balancier.
[0011] Grâce à l’invention, il est possible de fabriquer un spiral et un balancier ayant une fréquence propre comprise dans une plage de tolérance que le procédé de fabrication est en mesure de garantir. Ensuite, lorsque la fabrication est terminée, il est possible d’ajuster cette fréquence de façon très fine, de manière à correspondre à la fréquence requise, c’est-à-dire d’avoir une fréquence réelle qui se différentie d’une fréquence de consigne d’une valeur inférieure à une valeur de tolérance déterminée.
Description sommaire des dessins
[0012] La présente invention et ses avantages seront mieux compris en référence aux figures annexées et à la description détaillée d’un mode de réalisation particulier, dans lesquelles:
<tb>la fig. 1<sep>illustre le spiral selon l’invention, tel qu’il apparaît après sa fabrication;
<tb>la fig. 2<sep>illustre le spiral de la fig. 1, après réglage de la fréquence d’oscillation;
<tb>la fig. 3<sep>représente une variante du spiral de l’invention, après réglage de la fréquence; et
<tb>la fig. 4<sep>représente le balancier selon l’invention, tel qu’il apparaît après fabrication.
Manières de réaliser l’invention
[0013] En référence aux figures, l’ensemble oscillant selon la présente invention est formé d’un ressort spiral ou spiral 10 d’une part et d’un balancier 20 d’autre part. Le spiral est représenté par les fig. 1à 3 et le balancier par la fig. 4.
[0014] En référence à ces fig. 1à 3, le spiral comporte un certain nombre de spires 11 ainsi qu’une virole 12. Selon un mode de réalisation avantageux, le spiral est réalisé en silicium, bien que d’autres matières, en particulier des alliages métalliques ou des céramiques pourraient également être utilisés. Selon un mode de réalisation particulier, le spiral comme le balancier pourraient être fabriqués selon le procédé LIGA par exemple. Il est également possible de prévoir l’utilisation de plusieurs matériaux pour le même composant, par exemple sous forme d’alliages, sous la forme de noyau en une première matière, entouré d’un revêtement en une deuxième matière ou de parties réalisées dans des matières différentes et associées entre elles.
[0015] Le spiral comporte également des éléments détachables 13 réalisés sous la forme de petites masselottes reliées d’une part à la virole 12 et d’autre part à la spire intérieure 11 ́ du spiral. Ces masselottes sont maintenues par des attaches 14 qu’il est possible de casser. Ces attaches sont des zones de rupture préférentielle de sorte qu’une contrainte sur un élément détachable a pour effet de briser les attaches de cet élément. Afin de pouvoir casser ces attaches, la matière doit être choisie judicieusement. Dans le mode de réalisation préféré, les éléments détachables et les attaches sont réalisées en silicium.
[0016] Dans le mode de réalisation illustré par la fig. 1, les éléments détachables 13 sont représentés comme ayant une taille différente les uns des autres. Ceci permet de sélectionner la masse du ou des éléments détachables à éliminer lors de l’ajustement de la fréquence d’oscillation. Il est également possible de prévoir des éléments détachables 13 ayant tous la même taille/masse. Ces éléments détachables sont en principe réalisés dans la même matière que le composant spiral ou balancier auquel ils sont reliés. Il est également possible de réaliser ces éléments détachables dans l’une des matières formant le composant, dans le cas où celui-ci est formé de plusieurs matières. A titre d’exemple, si le spiral est formé d’un métal et de silicium, les éléments détachables pourraient être réalisés en silicium uniquement.
[0017] Afin d’ajuster la fréquence d’oscillation du spiral ou de l’ensemble spiral balancier, un ou plusieurs éléments détachable sont retirés. Ceci est illustré en particulier par la fig. 2. Les attaches 14 reliant les masselottes à la virole 12 et à la première spire 11 ́ ont pour effet de rigidifier le spiral. L’enlèvement d’un ou plusieurs éléments détachables permet d’une part de modifier la longueur de la zone élastique du spiral et d’autre part de diminuer sa masse totale. Ces deux facteurs ont pour effet de modifier la fréquence d’oscillation du spiral.
[0018] Dans la fig. 2, des éléments détachables ont été éliminés de façon consécutive, de l’extérieur de la spirale vers l’intérieur jusqu’à obtention de la fréquence d’oscillation désirée. Il est également possible d’éliminer des éléments détachables de façon non consécutive. Ceci a un intérêt en particulier lorsque la masse des éléments détachables varie d’un élément à l’autre.
[0019] En outre, la longueur de la zone élastique du spiral est essentiellement déterminée par la position du premier élément détachable restant, le premier étant celui rencontré en premier lieu lorsque l’on suit les spires du spiral depuis l’extérieur en direction de la virole.
[0020] La fig. 3 illustre une variante dans laquelle le spiral comporte un pont 15 reliant la virole 12 à l’une des spires. Dans cette variante, le pont reste en principe toujours en place de sorte que même si la masse du spiral change lors de l’élimination des éléments détachables, la longueur de la zone élastique du spiral n’est pas modifiée. Cette zone élastique est la zone comprise depuis l’extrémité extérieure du spiral jusqu’au pont.
[0021] Selon un mode de réalisation préféré, ce pont est flexible. Lorsque des éléments détachables sont enlevés, la première spire 11 ́ devient flexible, et la fréquence du spiral est modifiée. Toutefois, le point de départ du spiral est déterminé par la position du pont. Ce point de départ n’est donc pas modifié par l’élimination d’éléments détachables.
[0022] Selon un autre mode de réalisation, il est également possible de prévoir un pont plus rigide, la rigidité de ce pont étant essentiellement déterminée par sa forme et éventuellement par la matière qui le constitue.
[0023] La fig. 4 représente le balancier 20 de l’ensemble oscillant. Ce balancier est formé d’une virole 22, d’une serge 23 et de bras 24. Ce balancier est avantageusement réalisé en silicium, soit dans sa totalité soit partiellement. Il est toutefois clair que d’autres matériaux pourraient également être utilisés.
[0024] Le balancier de la fig. 4comporte également des éléments détachables 13, formés de micro-masses tenues par des attaches 14 qu’il est possible de casser. Ces éléments détachables peuvent être placés sur la virole 22 comme cela est illustré. Ils peuvent également être placés sur la serge 23 et/ou les bras 24. De façon bien connue, plus les éléments détachables sont placés loin de l’axe de rotation plus leur inertie sera grande, donc plus l’élimination d’un élément détachable aura un effet important.
[0025] L’élimination d’un ou plusieurs éléments détachables a pour effet de modifier l’inertie du balancier et donc sa fréquence d’oscillation. L’élimination d’éléments détachables 13 de manière symétrique change la fréquence sans changer l’équilibre du système. L’élimination non symétrique aura pour effet de modifier l’équilibre du balancier. Cette caractéristique peut être utilisée lorsque le balancier doit justement être équilibré.
[0026] Selon différentes variantes de balanciers, il est possible de le fabriquer avec des éléments détachables en plusieurs endroits, par exemple sur la virole, la serge et sur les bras. Les masses des éléments détachables peuvent également être différentes les unes des autres. A titre d’exemple, il est possible de fabriquer le balancier avec des éléments détachable identiques sur la virole 22 et des éléments détachables de taille variable le long des bras 24. Le choix judicieux des éléments détachables à éliminer permet d’optimiser à la fois la fréquence d’oscillation et l’équilibre du balancier.
[0027] Dans le procédé de fabrication du spiral et du balancier selon l’invention, les éléments détachables 13 et le spiral d’une part, et les éléments détachables et le balancier d’autre part sont réalisés simultanément dans une même opération. Cela signifie qu’il n’y a pas d’ajout d’un élément après la fabrication. Il en résulte une bonne solidité mécanique des pièces, en particulier des éléments détachables, malgré leur petite dimension.
[0028] Le procédé d’ajustement de la fréquence selon la présente invention fonctionne de la manière suivante. Si la fréquence propre d’oscillation de l’ensemble spiral balancier n’est pas connue, elle est déterminée par exemple expérimentalement, après la fabrication des pièces. Elle est comparée à la fréquence de consigne, c’est-à-dire à la fréquence propre que l’on cherche à obtenir pour l’ensemble en question. Si cette fréquence de consigne est différente de la fréquence réelle, on élimine un ou plusieurs éléments détachables, sur le spiral, sur le balancier ou sur les deux éléments à la fois. Le choix de l’élément ou des éléments à éliminer, la position de cet élément, le choix du composant spiral ou balancier sur lequel il doit être éliminé peut être déterminé empiriquement ou par calcul, par exemple au moyen d’une simulation informatique. Ces choix se font également en fonction de l’équilibrage souhaité.
[0029] Il est clair que du fait du mode de fabrication de l’invention, il n’est pas possible de rattacher un élément dont les attaches auraient été cassées. Il est par contre éventuellement possible d’ajouter un élément sur une zone du spiral ou du balancier, par exemple par collage.
[0030] L’élimination des éléments détachables se fait de telle manière que la fréquence propre réelle d’oscillation corresponde à la fréquence de consigne et que l’équilibre soit respecté. De cette manière, on peut utiliser pratiquement n’importe quel spiral avec n’importe quel balancier, sans devoir chercher quels sont les couples de pièces qui donnent la fréquence voulue et sans devoir éliminer de pièces inutilisables.
[0031] Dans les exemples illustrés, les éléments détachables du spiral sont liés à la virole. Selon une variante, il est également envisageable de relier ces éléments détachables entre deux spires consécutives du spiral ou par exemple d’avoir une pluralité d’éléments détachables qui s’étendent sur plus d’un tour.
[0032] Il est également envisageable de réaliser des éléments détachables sous forme de ponts 15, disposés en différents endroits du spiral. La rupture de certains d’entre eux permet alors de modifier la rigidité du spiral et par conséquent sa fréquence d’oscillation.
[0033] Certains ensembles oscillateurs balancier-spiral ont des systèmes permettant de maintenir la fréquence quand la température varie. Les spiraux sont par exemple réalisés en deux matériaux ayant des coefficients de dilatation et des coefficients thermo-élastiques différents. Dans le cas du balancier les différents coefficients thermiques des matériaux utilisés rapprochent ou éloignent les masses de l’axe de rotation et modifient donc l’inertie. La présente invention concerne également ces oscillateurs.
[0034] Selon une variante de l’invention, la première spire 11 ́ peut avoir une section différente des spires suivantes, voire une section variable. Dans la pratique, plus la rigidité de la première spire 11 ́ est grande, plus le réglage de la fréquence par enlèvement détachables sera précis.
Claims (15)
1. Ensemble oscillateur balancier-spiral comportant un spiral (10) et un balancier (20), caractérisé en ce qu’au moins l’un des composants, spiral (10) ou balancier (20), comporte au moins un élément détachable (13) réalisé lors de la même opération que l’opération de fabrication dudit composant.
2. Ensemble oscillateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le spiral (10) comporte une virole (12) reliée au dit spiral (10) et une pluralité d’éléments détachables réalisés lors de la même opération que l’opération de fabrication du spiral (10) et de la virole (12), lesdits éléments détachables (13) étant reliés à cette virole (12).
3. Ensemble oscillateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les éléments détachables (13) relient ladite virole (12) à une spire (11 ́) du spiral adjacente à cette virole.
4. Ensemble oscillateur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu’un pont (15) relie la virole (12) et la spire (11 ́) adjacente à cette virole, entre les éléments détachables (13) et le reste du spiral (10).
5. Ensemble oscillateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la spire (11 ́) adjacente à la virole a une section différente des spires suivantes.
6. Ensemble oscillateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la spire (11 ́) adjacente à la virole a une section variable.
7. Ensemble oscillateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit au moins un élément détachable (13) relie deux spires consécutives du spiral (10).
8. Ensemble oscillateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la position dudit au moins un élément détachable (13) est agencée pour définir la longueur de la zone élastique du spiral (10).
9. Ensemble oscillateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit balancier comporte une virole (22), une serge (23) et des bras (24) et en ce que les éléments détachables (13) sont fixés à au moins l’un des éléments parmi ladite virole (22), ladite serge (23) et lesdits bras (24).
10. Ensemble oscillateur selon la revendication 1, dans lequel au moins l’un des composants comporte une pluralité d’éléments détachables (13), caractérisé en ce que ces éléments détachables (13) n’ont pas tous la même masse.
11. Ensemble oscillateur selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit au moins un élément détachable (13) est réalisé dans une matière identique à au moins une matière formant ledit composant auquel est fixé ledit élément détachable (13).
12. Ensemble oscillateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’au moins l’un des composants, spiral (10) ou balancier (20), est au moins partiellement réalisé en silicium.
13. Ensemble oscillateur selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit au moins un élément détachable (13) est relié au composant spiral (10) ou balancier (20) par au moins une zone de rupture.
14. Procédé d’ajustement de la fréquence d’un ensemble oscillateur balancier-spiral selon l’une des revendications 1 à 13 dans lequel au moins l’un des composants, spiral (10) ou balancier (20), comporte une pluralité d’éléments détachables (13) réalisés lors de la même opération que l’opération de fabrication dudit composant, caractérisé en ce qu’il comporte les étapes suivantes:
– détermination de la fréquence réelle d’oscillation de l’ensemble balancier-spiral;
– détermination de la fréquence de consigne requise;
– comparaison de la fréquence réelle et de la fréquence de consigne;
– élimination d’au moins un élément détachable (13) sur au moins l’un des composants de l’ensemble oscillateur balancier-spiral;
– réitération de ces étapes jusqu’à obtention d’une fréquence réelle ayant une différence avec la fréquence de consigne inférieure à un seuil déterminé.
15. Procédé d’ajustement de la fréquence selon la revendication 14, caractérisé en ce que l’enlèvement dudit au moins un élément détachable (13) est réalisé sur l’un des éléments suivants: le spiral (10) uniquement; le balancier (20) uniquement; le spiral (10) et le balancier (20).
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