EP3729201B1 - Balancier pour piece d'horlogerie et procede de fabrication d'un tel balancier - Google Patents

Balancier pour piece d'horlogerie et procede de fabrication d'un tel balancier

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EP3729201B1
EP3729201B1 EP18808035.2A EP18808035A EP3729201B1 EP 3729201 B1 EP3729201 B1 EP 3729201B1 EP 18808035 A EP18808035 A EP 18808035A EP 3729201 B1 EP3729201 B1 EP 3729201B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
balance
metal alloy
partially amorphous
amorphous metal
zirconium
Prior art date
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Active
Application number
EP18808035.2A
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German (de)
English (en)
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EP3729201A1 (fr
Inventor
Alexandre Haemmerli
François Gueissaz
Jean-Claude Martin
Lionel Paratte
Yves Winkler
Gianni Di Domenico
Pascal Winkler
Jean-Luc Helfer
Lionel TOMBEZ
Baptiste Hinaux
Donald William Corson
Michel Willemin
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Swatch Group Research and Development SA
Original Assignee
Swatch Group Research and Development SA
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Filing date
Publication date
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Publication of EP3729201A1 publication Critical patent/EP3729201A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP3729201B1 publication Critical patent/EP3729201B1/fr
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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
    • G04B17/20—Compensation of mechanisms for stabilising frequency
    • G04B17/22—Compensation of mechanisms for stabilising frequency for the effect of variations of temperature
    • G04B17/222—Compensation of mechanisms for stabilising frequency for the effect of variations of temperature with balances
    • 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
    • G04B17/20—Compensation of mechanisms for stabilising frequency
    • G04B17/22—Compensation of mechanisms for stabilising frequency for the effect of variations of temperature
    • G04B17/227—Compensation of mechanisms for stabilising frequency for the effect of variations of temperature composition and manufacture of the material used

Definitions

  • the invention relates to a balance for a timepiece comprising a rim, a hub and at least one arm connecting the hub to said rim, at least part of the balance being made of a partially or totally amorphous metal alloy.
  • the present invention also relates to a method of manufacturing such a balance as well as a resonator comprising such a balance.
  • Such an amorphous metal alloy balance wheel is described for example in the published application EP 2 466 396 .
  • the balance wheel is associated with a steel balance spring and an amorphous iron-based metal alloy is used for the balance wheel, for its ferromagnetic properties.
  • the problem that the invention which is the subject of the application seeks to solve EP 2 466 396 therefore concerns the protection of the hairspring against external disturbing magnetic fields which are likely to affect the frequency stability of the resonator.
  • the present invention relates to another parameter that may affect the frequency stability of the resonator, and not addressed in the application EP 2 466 396 , namely thermal variations.
  • thermal variations vary the stiffness of the hairspring, as well as the geometries of the hairspring and the balance wheel, which modifies the spring constant and the inertia, and therefore the oscillation frequency.
  • Watchmakers have worked hard to have temperature-stable oscillators and several avenues have been explored/exploited, one of which earned a Nobel Prize for Charles-Edouard Council for the development of the Elinvar alloy whose modulus of elasticity increases with temperature and compensates for the increase in inertia of the balance wheel.
  • a resonator comprising a balance spring formed in a single-crystal quartz crystal and cooperating with a balance wheel in which the coefficient of expansion of the balance wheel is between +6 ppm.°C -1 and +12 ppm.°C -1 and the cutting angle of the balance wheel relative to the z axis of said single-crystal quartz crystal is between -5° and +5° in order to pair the balance wheel with the balance spring.
  • the balance wheel according to this document comprises titanium and/or durimphy and/or platinum.
  • the invention relates firstly to balance wheels for timepieces as defined in independent claims 1 and 2.
  • the elastic properties characteristic of at least partially amorphous metals are used to overmould or integrate functional and/or decorative elements in the rim and/or at the arms and/or at the hub, for example by means of corresponding inserts placed in the mould before the introduction of the metal alloy heated between its glass transition temperature and its crystallisation temperature to be at least partially amorphous.
  • the method of the invention may comprise a step of overmolding the first inertia adjustment elements 10 in the felloe 2, by means of inserts placed in the mold before the introduction of the metal alloy heated between its glass transition temperature and its crystallization temperature to be at least partially amorphous and overmolded.
  • the method of the invention may also comprise a step of overmolding the flexible centering elements 16, 17 on the hub 4, on its inner periphery or on its surface.
  • the method of the invention may also comprise a step of overmolding the third flexible inertia adjustment elements 19, 20, 22a, 22b in the arm 8.
  • the molding process also allows for the provision of a mold that has microstructures forming a decoration or a photonic network so as to obtain the structured surface states on the arms and/or the hub and/or the rim as described above. It is also possible to add a logo to the mold.
  • the present invention also relates to a resonator comprising a balance wheel as defined above and a monocrystalline quartz hairspring.

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Description

    Domaine de l'invention
  • L'invention concerne un balancier pour pièce d'horlogerie comprenant une serge, un moyeu et au moins un bras reliant le moyeu à ladite serge, au moins une partie du balancier étant réalisée dans un alliage métallique partiellement ou totalement amorphe. La présente invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel balancier ainsi qu'un résonateur comprenant un tel balancier.
    • Arrière-plan de l'invention
  • Un tel balancier en alliage métallique amorphe est décrit par exemple dans la demande publiée EP 2 466 396 . Dans cette demande, le balancier est associé à un spiral en acier et on utilise pour le balancier un alliage métallique amorphe à base de fer, pour ses propriétés ferromagnétiques. Le problème que cherche à résoudre l'invention objet de la demande EP 2 466 396 concerne donc la protection du spiral contre des champs magnétiques perturbateurs extérieurs qui sont susceptibles d'affecter la stabilité de fréquence du résonateur.
  • La présente invention concerne un autre paramètre susceptible d'affecter la stabilité de fréquence du résonateur, et non abordé dans la demande EP 2 466 396 , à savoir les variations thermiques. De telles variations thermiques font varier la rigidité du spiral, ainsi que les géométries du spiral et du balancier, ce qui modifie la constante de ressort et l'inertie, et donc la fréquence d'oscillation. Les horlogers ont beaucoup travaillé pour avoir des oscillateurs stables en température et plusieurs voies ont été explorées/exploitées dont une qui a valu un Prix Nobel à Charles-Edouard Guillaume pour le développement de l'alliage Elinvar dont le module d'élasticité augmente avec la température et compense l'augmentation d'inertie du balancier. Par la suite, le développement du silicium oxydé, donc compensé thermiquement, a surpassé les performances de l'Elinvar et a pour avantage d'être moins sensible aux champs magnétiques. De même le spiral en quartz monocristallin permet une compensation thermique du changement d'inertie du balancier. Mais contrairement au silicium oxydé dont l'épaisseur d'oxyde peut être variée suivant le matériau de balancier utilisé, le quartz est limité aux matériaux ayant un coefficient de dilatation thermique de l'ordre de 10 ppm/°C, ce qui correspond par exemple au titane et au platine. Le problème principal de ces matériaux est l'usinabilité et la maîtrise de structure fine et/ou d'une finition parfaite (poli miroir par exemple). Dans le cas du titane, sa relativement faible densité limite son utilisation pour des grands balanciers et dans le cas du platine son prix élevé limite son utilisation à des produits de prestige et de luxe.
  • On connait du document brevet EP2703909 un résonateur comportant un spiral formé dans un cristal de quartz monocristallin et coopérant avec un balancier dans lequel le coefficient de dilatation du balancier est compris entre +6 ppm.°C -1 et +12 ppm.°C -1 et l'angle de coupe du spiral par rapport à l'axe z dudit cristal de quartz monocristallin est compris entre -5° et +5° afin d'appairer le balancier avec le spiral. Le balancier selon ce document comporte du titane et/ou du durimphy et/ou du platine.
    • Résumé de l'invention
  • La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un balancier réalisé dans de nouveaux matériaux permettant d'appairer ledit balancier à un spiral de préférence en quartz monocristallin, mais également en silicium.
  • Un autre but de la présente invention est de proposer un balancier réalisé dans de nouveaux matériaux permettant une fabrication plus simple et plus précise, de manière à réduire par exemple la dispersion d'inertie et/ou de balourd au sein d'un même lot de production.
  • A cet effet, l'invention se rapporte tout d'abord à des balanciers pour pièce d'horlogerie tels que définis dans les revendications indépendantes 1 et 2.
  • La présente invention concerne des procédés de fabrication de tels balanciers, ces procédés étant définis dans les revendications indépendantes 16 et 17.
  • La présente invention concerne également un résonateur comprenant un balancier tel que défini ci-dessus et un spiral en quartz monocristallin.
  • Un tel alliage métallique au moins partiellement amorphe à base de platine, de titane ou de zirconium permet de réaliser un balancier pouvant être appairé à un spiral en quartz monocristallin.
  • Grâce aux propriétés des métaux amorphes, un balancier en alliage métallique au moins partiellement amorphe à base de platine, de zirconium ou de titane peut être réalisé en utilisant un procédé de fabrication simplifié tel qu'un procédé de coulée ou un procédé de formage à chaud. En outre, l'alliage métallique au moins partiellement amorphe à base de platine, de zirconium ou de titane a pour propriété d'avoir une plage élastique bien plus grande que son équivalent cristallin, grâce à l'absence de dislocation. Cette propriété permet de surmouler ou d'intégrer au balancier des éléments permettant d'améliorer le centrage ainsi que de régler l'inertie et/ou le balourd.
    • Description sommaire des dessins
  • D'autres particularités et avantages ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
    • la figure 1 est une vue en perspective d'un balancier selon l'invention ;
    • la figure 2 est une vue de dessus partielle d'une variante de réalisation d'un balancier selon l'invention ;
    • la figure 3 est une vue de dessus partielle d'une autre variante de réalisation d'un balancier selon l'invention ;
    • la figure 4 est une vue en coupe selon l'axe A-A de la figure 3 ; et
    • les figures 5 à 10 sont des vues de dessus partielles d'autres variantes de réalisation d'un balancier selon l'invention.
    Description détaillée des modes de réalisation préférés
  • En référence à la figure 1, il est représenté un balancier 1 pour pièce d'horlogerie. Un tel balancier 1 comprend d'une manière traditionnelle une serge 2, continue ou non, définissant le diamètre extérieur du balancier 1, un moyeu 4, formant sa partie centrale et muni d'un trou 6 destiné à recevoir un arbre (non représenté) définissant l'axe de pivotement du balancier 1. Le moyeu 4 est relié solidairement à la serge 2 par des bras 8. Les bras 8 sont ici au nombre de quatre et sont disposés à 90°. On trouve aussi usuellement des balanciers avec deux ou trois bras, disposés respectivement à 180° ou 120°.
  • Au moins une partie du balancier 1 est réalisée dans un alliage métallique partiellement ou totalement amorphe. On comprendra par matériau au moins partiellement amorphe que le matériau est apte à être déformé plastiquement lorsqu'il est chauffé à une température comprise entre sa température de transition vitreuse et sa température de cristallisation et apte à se solidifier en phase au moins partiellement amorphe.
  • Selon l'invention, ledit alliage métallique au moins partiellement amorphe est à base d'un élément choisi parmi le groupe constitué du platine, du zirconium et du titane, et présente un coefficient de dilatation thermique compris entre 7 ppm/°C et 12 ppm/°C.
  • Dans la présente description, l'expression «à base d'un élément » signifie que ledit alliage métallique contient au moins 50% en poids dudit élément.
  • Ledit alliage métallique au moins partiellement amorphe utilisé dans la présente invention peut être à base de platine et présente un coefficient de dilatation thermique compris entre 8 ppm/°C et 12 ppm/°C.
  • Un tel alliage métallique au moins partiellement amorphe à base de platine peut être constitué, en valeurs en % atomique, de
    • une base de platine dont la teneur constitue la balance,
    • 13 à 17% de cuivre
    • 3 à 7% de nickel
    • 20 à 25% de phosphore.
  • L'alliage métallique au moins partiellement amorphe utilisé dans la présente invention peut aussi être à base de zirconium et présente un coefficient de dilatation thermique compris entre 8 ppm/°C et 11 ppm/°C.
  • Un tel alliage métallique au moins partiellement amorphe à base de zirconium peut être constitué, en valeurs en % atomique, de
    • une base de zirconium dont la teneur constitue la balance,
    • 14 à 20% de cuivre
    • 12 à 13% de nickel
    • 9 à 11% d'aluminium
    • 2 à 4 % de niobium.
  • L'alliage métallique au moins partiellement amorphe utilisé dans la présente invention peut aussi être à base de titane et présente un coefficient de dilatation thermique compris entre 8 ppm/°C et 11 ppm/°C.
  • Un tel alliage métallique au moins partiellement amorphe à base de titane peut être constitué, en valeurs en % atomique, de
    • une base de titane, dont la teneur constitue la balance,
    • 5 à 45% de Cu
    • 2 à 25% de Ni
    • 2 à 30% de Zr
    • 2 à 15% de Sn
    • 0 à 5% de Si
    • 0 à 5% de Hf.
  • Idéalement, les alliages utilisés dans l'invention ne contiennent aucune impureté. Toutefois, ils peuvent comprendre des traces d'impuretés qui peuvent résulter, de manière souvent inévitable, de l'élaboration desdits alliages.
  • Ces alliages à base de platine, de titane et de zirconium utilisés dans la présente invention présentent l'avantage d'avoir un coefficient de dilatation thermique inférieur à 12 ppm/°C et supérieur à 7 ppm/°C. Ils peuvent donc être utilisés pour réaliser au moins une partie d'un balancier qui sera appairé à un spiral en quartz monocristallin.
  • Plus préférentiellement, ledit alliage métallique au moins partiellement amorphe utilisé dans la présente invention à base de platine est constitué, en valeurs en % atomique, de :
    57.5% Pt, 14.7% Cu, 5.3% Ni, 22.5% P
  • Un tel alliage présente un coefficient de dilatation thermique compris entre 11 et 12 ppm/°C.
  • Plus préférentiellement, ledit alliage métallique au moins partiellement amorphe utilisé dans la présente invention à base de zirconium est constitué, en valeurs en % atomique, de :
    58.5% Zr, 15.6% Cu, 12.8% Ni, 10.3% Al, 2.8% Nb
  • Un tel alliage présente un coefficient de dilatation thermique compris entre 10.5 et 11 ppm/°C.
  • Plus préférentiellement, ledit alliage métallique au moins partiellement amorphe utilisé dans la présente invention à base de titane est constitué, en valeurs en % atomique, de :
    42.5 % Ti, 7.5% Zr, 40% Cu, 5% Ni, 5% Sn
  • Un tel alliage présente un coefficient de dilatation thermique compris entre 8 et 11 ppm/°C.
  • Selon un premier mode de réalisation de l'invention, la serge 2, le moyeu 4 et les bras 8 sont réalisés dans le même alliage métallique au moins partiellement amorphe à base de platine, de zirconium ou de titane tel que défini ci-dessus. D'une manière avantageuse, le balancier 1 est monobloc, c'est-à-dire réalisé d'une seule pièce.
  • Le balancier 1 peut par exemple être réalisé entièrement dans l'alliage à base de platine tel que défini ci-dessus. Le platine présentant une grande masse volumique (21000 kg/m3), l'alliage à base de platine au moins partiellement amorphe utilisé dans l'invention présente également une masse volumique élevée (15.5 g/cm3), de sorte que l'ajout d'éléments en matériau dense pour augmenter l'inertie du balancier ne sera pas forcément nécessaire.
  • Le balancier 1 peut également être réalisé entièrement dans l'alliage à base de zirconium ou de titane au moins partiellement amorphe tel que défini ci-dessus. Le zirconium ou le titane présentant une masse volumique plus faible, l'alliage à base de zirconium ou de titane au moins partiellement amorphe utilisé dans l'invention présente également une masse volumique plus faible (6.5 g/cm3 pour le zirconium et 5.5 g/cm3 pour le titane), de sorte que l'ajout d'éléments en matériau plus dense pour augmenter l'inertie du balancier est recommandé, notamment si l'on souhaite réaliser un balancier de petite taille pour de petits mouvements. Ces éléments permettent d'augmenter l'inertie du balancier tout en gardant une géométrie de serge esthétique et avec de bonnes propriétés aérodynamiques.
  • Ainsi, selon une première variante représentée sur la figure 2, la serge 2 peut comprendre des premiers éléments de réglage de l'inertie 10 surmoulés, lesdits premiers éléments de réglage de l'inertie 10 étant réalisés dans un matériau présentant une masse volumique supérieure à la masse volumique dudit alliage métallique au moins partiellement amorphe. Ces premiers éléments de réglage de l'inertie 10 peuvent par exemple être en tungstène ou carbure de tungstène, et sont obtenus par surmoulage.
  • Selon une deuxième variante représentée sur la figure 3, la serge 2 peut comprendre des logements 12 destinés à recevoir des deuxièmes éléments de réglage de l'inertie et/ou de balourd 14, 15. Ces logements 12 peuvent avantageusement être prévus lors de la fabrication du balancier 1 par moulage, comme on le verra ci-après. Les deuxièmes éléments de réglage de l'inertie et/ou de balourd 14, 15 peuvent être par exemple des masselottes, des masselottes fendues, des goupilles 14, des goupilles fendues, ou des goupilles avec balourd 15, qui font office de masselottes. Ces éléments sont chassés ou clippés dans les logements correspondants 12. Sur la figure 3 sont représentées une goupille 14 insérée dans son logement 12, ainsi qu'une goupille avec balourd 15 insérée dans son logement 12. La figure 4 montre une vue en coupe selon la ligne A-A de la figure 3 représentant la goupille avec balourd 15 insérée dans le logement 12 prévu dans la serge 2.
  • Il est bien évident que ces éléments pour augmenter l'inertie du balancier sont utilisés préférentiellement avec une serge à base de zirconium ou de titane au moins partiellement amorphe mais peuvent être aussi utilisés avec une serge dans un autre matériau dans un balancier selon l'invention.
  • Pour augmenter l'inertie du balancier, il est également possible de prévoir une serge plus épaisse ou plus large, notamment dans le cas de balanciers plus grands.
  • Les logements 12 représentés sur la figure 3 peuvent également constituer des logements destinés à recevoir des éléments décoratifs et/ ou luminescents, tels que des tubes de tritium (non représentés).
  • Selon une autre variante de l'invention, le moyeu 4 peut comprendre des éléments de centrage flexibles intégrés, qui permettent un auto-centrage du balancer lors de son montage sur un axe grâce à la déformation élastique desdits éléments de centrage flexibles.
  • Selon la figure 5, lesdits éléments de centrage flexibles intégrés 16 sont des lames élastiques prévues sur le pourtour intérieur du moyeu 4 de manière à être positionnées dans le trou 6. Selon la figure 6, lesdits éléments de centrage flexibles intégrés 17 sont prévus sur la surface du moyeu 4 et sont répartis autour du trou 6. Les éléments de centrage flexibles 16 et 17 peuvent avantageusement être mis en place lors de la fabrication du balancier 1 par moulage, comme on le verra ci-après.
  • Selon une autre variante de l'invention, au moins l'un des bras 8 porte des troisièmes éléments de réglage de l'inertie flexibles intégrés.
  • Selon la figure 7, l'extrémité du bras 8 du côté de la serge 2 se termine en deux branches 8a, 8b formant entre elles un logement 18 dans lequel est intégré un troisième élément de réglage de l'inertie 19 flexible bistable en « V » pour le réglage de la fréquence.
  • Selon la figure 8, il est prévu dans le logement 18 un troisième élément de réglage de l'inertie 20 flexible en flambage pour le réglage de la fréquence. A cet effet, le troisième élément de réglage de l'inertie 20 est réalisé dans un matériau présentant des propriétés de dilatation différentes de l'alliage métallique au moins partiellement amorphe à base de platine, de zirconium ou de titane du balancier de l'invention, tel que le silicium ou l'oxyde de silicium.
  • Selon la figure 9, l'extrémité du bras 8 du côté de la serge 2 se termine en trois branches 8a, 8b, 8c formant entre elles deux logements 18a, 18b dans lesquels sont intégrés des troisièmes éléments de réglage de l'inertie 22a, 22b flexibles multi-stables à cliquet pour le réglage de la fréquence.
  • Ces troisièmes éléments de réglage de l'inertie flexibles 19, 20, 22a, 22b pour le réglage de la fréquence peuvent avantageusement être mis en place lors de la fabrication du balancier 1 par moulage, comme on le verra ci-après.
  • Ces troisièmes éléments de réglage de l'inertie flexibles 19, 20, 22a, 22b pour le réglage de la fréquence peuvent être aussi bien utilisés lorsque l'ensemble du balancier est en alliage métallique au moins partiellement amorphe à base de zirconium, de titane ou de platine selon l'invention que lorsque les bras sont en alliage métallique au moins partiellement amorphe à base de zirconium, de titane ou de platine selon l'invention, le reste du balancier, et notamment la serge, étant dans un autre matériau.
  • Selon une autre variante de l'invention, l'un du bras 8, de la serge 2 et du moyeu 4 présente un état de surface structuré. Seul l'un des éléments peut présenter un état de surface structuré ou tous les éléments du balancier peuvent présenter un état de surface structuré, cet état de surface structuré pouvant être identique ou différent. La figure 10 représente un balancier de l'invention pour lequel la serge 2 présente un état de surface structuré différent de l'état de surface structuré présenté par le bras 8. Cet état de surface structuré peut être un état poli, satiné, sablé, perlé, ensoleillé, etc. Il est possible de prévoir également dans le moule pour la fabrication du balancier des microstructures formant un réseau photonique afin de répliquer ces microstructures à la surface du balancier. Ces microstructures peuvent permettre de créer un cristal photonique donnant à la pièce une certaine couleur, un hologramme, ou un réseau de diffraction pouvant constituer un élément anti-contrefaçon. Les structures sont directement introduites dans le moule, et sont répliquées lors de la fabrication des balanciers par formage à chaud, ce qui ne nécessite plus d'opérations de terminaison.
  • Selon un second mode de réalisation de l'invention, les bras et le moyeu du balancier sont réalisés dans l'alliage métallique au moins partiellement amorphe à base de zirconium, de titane ou de platine défini ci-dessus, la serge étant réalisée dans un matériau présentant une masse volumique supérieure à la masse volumique dudit alliage métallique au moins partiellement amorphe utilisé pour les bras et le moyeu. Ce matériau peut être lui-même l'alliage métallique au moins partiellement amorphe à base de platine tel que défini ci-dessus ou un autre matériau. Par exemple, les bras et le moyeu du balancier sont réalisés dans l'alliage métallique au moins partiellement amorphe à base de zirconium ou de titane tel que défini ci-dessus pour permettre d'appairer le balancier avec un spiral en quartz monocristallin, et la serge est réalisée dans un autre matériau présentant une masse volumique supérieure à la masse volumique de l'alliage métallique au moins partiellement amorphe à base de zirconium ou de titane utilisé pour les bras et le moyeu afin d'améliorer l'inertie du balancier.
  • Il est bien évident que dans ce second mode de réalisation de l'invention, la serge peut comprendre les mêmes premiers éléments de réglage de l'inertie ou les mêmes logements pour recevoir les deuxièmes éléments de réglage de l'inertie et/ou du balourd ou des éléments décoratifs et/ou luminescents que ceux décrits ci-dessus pour le premier mode de réalisation de l'invention. De même, le moyeu peut comprendre les mêmes éléments de centrage flexibles intégrés ceux décrits ci-dessus pour le premier mode de réalisation de l'invention. De même, le bras peut comprendre les mêmes troisièmes éléments de réglage de l'inertie flexibles intégrés que ceux décrits ci-dessus pour le premier mode de réalisation de l'invention. De même, les éléments du balancier peuvent présenter des états de surface structurés comme décrits ci-dessus pour le premier mode de réalisation de l'invention.
  • La présente invention concerne également un procédé de fabrication d'un balancier 1 pour lequel la serge 2, le moyeu 4 et les bras 8 sont réalisés dans ledit alliage métallique partiellement ou totalement amorphe à base de platine, de zirconium ou de titane tel que défini ci-dessus, comprenant les étapes suivantes:
    1. a) réaliser un moule ayant la forme négative du balancier, en prévoyant éventuellement les microstructures formant un décor ou un réseau photonique de surface
    2. b) introduire dans le moule ledit alliage métallique au moins partiellement amorphe à base d'un élément choisi parmi le groupe constitué du platine, du zirconium et du titane, l'alliage métallique étant chauffé à une température comprise entre sa température de transition vitreuse et sa température de cristallisation pour être formé à chaud dans le moule de balancier
    3. c) refroidir ledit alliage métallique à une vitesse de refroidissement choisie pour obtenir un balancier dans ledit alliage métallique partiellement ou totalement amorphe à base d'un élément choisi parmi le groupe constitué du platine, du zirconium et du titane
    4. d) libérer le balancier obtenu à l'étape c) de son moule.
  • De plus, comme indiqué dans la revendication 16, les premiers éléments (10) de réglage de l'inertie sont surmoulés dans la serge.
  • Pour réaliser un balancier en alliage métallique partiellement ou totalement amorphe à base de platine, de zirconium ou de titane, il est avantageux d'utiliser les propriétés du métal se trouvant dans un état au moins partiellement amorphe pour le mettre en forme.
  • En effet, le métal au moins partiellement amorphe permet une grande facilité dans la mise en forme permettant la fabrication de pièces aux formes compliquées avec une plus grande précision. Cela est dû aux caractéristiques particulières du métal amorphe qui peut se ramollir tout en restant au moins partiellement amorphe durant un certain temps dans un intervalle de température [Tg - Tx] donné propre à chaque alliage (par exemple pour l'alliage à base de Zr : Tg=440°C et Tx=520°C). Il est ainsi possible de le mettre en forme sous une contrainte relativement faible et à une température peu élevée permettant alors l'utilisation d'un procédé simplifié tel que le formage à chaud. L'utilisation d'un tel matériau permet en outre de reproduire très précisément des géométries fines car la viscosité de l'alliage diminue fortement en fonction de la température dans l'intervalle de température [Tg - Tx] et l'alliage épouse ainsi tous les détails du négatif. Par exemple, pour un matériau à base de platine tel que défini ci-dessus, la mise en forme se fait aux alentours de 300°C pour une viscosité atteignant 103 Pa.s pour une contrainte de 1MPa, au lieu d'une viscosité de 1012 Pa.s à la température Tg. L'utilisation de matrices a pour avantage la création de pièces en trois dimensions de grande précision, ce que le découpage ou l'étampage ne permettent pas d'obtenir.
  • Un procédé utilisé est le formage à chaud d'une préforme amorphe. Cette préforme est obtenue par fusion des éléments métalliques destinés à constituer l'alliage métallique partiellement ou totalement amorphe à base de platine, de zirconium ou de titane dans un four. Cette fusion est faite sous atmosphère contrôlée avec pour but d'obtenir une contamination de l'alliage en oxygène aussi faible que possible. Une fois ces éléments fondus, ils sont coulés sous forme de produit semi-fini, puis refroidis rapidement afin de conserver l'état partiellement ou totalement amorphe. Une fois la préforme réalisée, le formage à chaud est effectué dans le but d'obtenir une pièce définitive. Ce formage à chaud est réalisé par pressage dans une gamme de température comprise entre la température de transition vitreuse Tg et la température de cristallisation Tx de l'alliage métallique durant un temps déterminé pour conserver une structure au moins partiellement amorphe. Ceci est fait dans le but de conserver les propriétés élastiques caractéristiques des métaux amorphes.
  • Typiquement pour l'alliage à base de Zr et pour une température de 440°C, le temps de pressage ne devra pas dépasser 120 secondes environ. Ainsi, le formage à chaud permet de conserver l'état au moins partiellement amorphe initial de la préforme. Les différentes étapes de mise en forme définitive du balancier monobloc selon l'invention sont alors :
    1. 1) chauffage des matrices ayant la forme négative du balancier jusqu'à une température choisie
    2. 2) introduction de la préforme en métal au moins partiellement amorphe entre les matrices chaudes,
    3. 3) application d'une force de fermeture sur les matrices afin de répliquer la géométrie de ces dernières sur la préforme en métal au moins partiellement amorphe,
    4. 4) attente durant un temps maximal choisi,
    5. 5) ouverture des matrices,
    6. 6) refroidissement rapide du balancier en dessous de Tg de sorte que le matériau garde son état au moins partiellement amorphe, et
    7. 7) sortie du balancier des matrices.
  • Bien entendu, le balancier peut être réalisé par coulée ou par injection. Ce procédé consiste à couler ou injecter l'alliage métallique chauffé à une température comprise entre sa température de transition vitreuse et sa température de cristallisation pour être au moins partiellement amorphe dans un moule possédant la forme de la pièce définitive. Une fois le moule rempli, celui-ci est refroidi rapidement jusqu'à une température inférieure à Tg afin d'éviter la cristallisation de l'alliage et ainsi obtenir un balancier en métal au moins partiellement amorphe tel que défini ci-dessus.
  • Le moule peut être réutilisé ou dissout pour libérer les pièces. Le procédé par moulage présente l'avantage de répliquer parfaitement la géométrie du balancier, y compris d'éventuels décors ou structuration de surface. On obtient une moins grande dispersion d'inertie et un meilleur centrage sur un lot de production de balanciers. Le procédé par moulage permet d'obtenir un balancier à la géométrie esthétique, avec des angles intérieurs vifs, un profil de serge et/ou de bras bombé, et une finition parfaite. Il est également possible de prévoir une serge non continue. Pour une qualité maximale, le moule sera réalisé dans du silicium par un procédé DRIE. Il est bien évident que le moule peut également être réalisé par usinage par fraisage, laser, électroérosion ou tout autre type d'usinage.
  • Les propriétés élastiques caractéristiques des métaux au moins partiellement amorphes sont utilisées pour surmouler ou intégrer des éléments fonctionnels et/ou décoratifs dans la serge et/ou au niveau des bras et/ou au niveau du moyeu par exemple au moyen d'inserts correspondants placés dans le moule avant l'introduction de l'alliage métallique chauffé entre sa température de transition vitreuse et sa température de cristallisation pour être au moins partiellement amorphe.
  • Plus particulièrement, le procédé de l'invention peut comprendre une étape de surmoulage des premiers éléments de réglage de l'inertie 10 dans la serge 2, au moyen d'inserts placés dans le moule avant l'introduction de l'alliage métallique chauffé entre sa température de transition vitreuse et sa température de cristallisation pour être au moins partiellement amorphe et surmoulés.
  • Le procédé de l'invention peut également comprendre une étape de surmoulage des éléments de centrage flexibles 16, 17 sur le moyeu 4, sur son pourtour intérieur ou à sa surface.
  • Le procédé de l'invention peut également comprendre une étape de surmoulage des troisièmes éléments de réglage de l'inertie flexibles 19, 20, 22a, 22b dans le bras 8.
  • Le procédé de moulage permet aussi de prévoir un moule qui présente des microstructures formant un décor ou un réseau photonique de manière à obtenir les états de surface structurés sur les bras et/ou le moyeu et/ou la serge tels que décrits ci-dessus. Il est également possible d'ajouter un logo au moule.
  • La présente invention concerne également un procédé de fabrication d'un balancier pour lequel le moyeu et au moins un bras sont réalisés dans l'alliage métallique au moins partiellement amorphe à base de zirconium, de titane ou de platine défini ci-dessus, la serge étant réalisée dans un matériau présentant une masse volumique supérieure à la masse volumique dudit alliage métallique au moins partiellement amorphe utilisé pour les bras et le moyeu, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
    • a) réaliser un moule ayant la forme négative du balancier
    • a') insérer dans le moule une serge ou des éléments de serge réalisés dans un matériau présentant une masse volumique supérieure à la masse volumique de l'alliage métallique au moins partiellement amorphe à base de platine, de zirconium ou de titane utilisé pour les bras et le moyeu
    • b) introduire dans le moule ledit alliage métallique au moins partiellement amorphe à base d'un élément choisi parmi le groupe constitué du platine, du zirconium et du titane, cet alliage métallique étant chauffé à une température comprise entre sa température de transition vitreuse et sa température de cristallisation pour être formé à chaud dans le moule de balancier
    • c) refroidir ledit alliage métallique à une vitesse de refroidissement choisie pour obtenir un balancier en alliage métallique au moins partiellement amorphe à base d'un élément choisi parmi le groupe constitué du platine, du zirconium et du titane
    • d) libérer le balancier obtenu à l'étape c) de son moule.
  • La présente invention concerne également un résonateur comprenant un balancier tel que défini ci-dessus et un spiral en quartz monocristallin.
  • Ainsi, le balancier selon l'invention est réalisé dans un matériau permettant d'utiliser un procédé de fabrication simple tout en présentant un coefficient de dilatation thermique permettant de l'appairer à un spiral en quartz monocristallin. Le balancier selon l'invention permet également d'avoir au moins des bras présentant un coefficient de dilatation thermique permettant de l'appairer à un spiral en quartz monocristallin, tout en ayant une grande inertie en gardant une géométrie de serge compacte et esthétique, de petit volume, à l'aide d'une serge adéquate, soit comprenant des éléments réalisés dans un matériau de plus grande densité, soit étant elle-même réalisée dans un matériau de plus grande densité.
  • Il est aussi possible de réaliser un traitement thermique permettant d'ajuster le coefficient de dilatation du matériau partiellement amorphe dans sa forme finale par relaxation de la structure amorphe (sans cristallisation).
  • On peut également prévoir de faire un ajustement du coefficient de dilatation par cristallisation partielle et contrôlée du matériau partiellement amorphe dans sa forme finale.

Claims (21)

  1. Balancier (1) pour pièce d'horlogerie comprenant une serge (2), un moyeu (4) et au moins un bras (8) reliant le moyeu (4) à ladite serge (2), au moins une partie du balancier (1) étant réalisée dans un alliage métallique au moins partiellement amorphe, ledit alliage métallique au moins partiellement amorphe étant à base d'un élément choisi parmi le groupe constitué du platine, du zirconium et du titane, et présentant un coefficient de dilatation thermique compris entre 7 ppm/°C et 12 ppm/°C, balancier dans lequel le moyeu (4) et le bras (8) sont réalisés dans ledit alliage métallique au moins partiellement amorphe, la serge (2) étant réalisée dans un premier matériau présentant une masse volumique supérieure à la masse volumique dudit alliage métallique au moins partiellement amorphe dans lequel le moyeu (4) et le bras (8) sont réalisés.
  2. Balancier (1) pour pièce d'horlogerie comprenant une serge (2), un moyeu (4) et au moins un bras (8) reliant le moyeu (4) à ladite serge (2), au moins une partie du balancier (1) étant réalisée dans un alliage métallique au moins partiellement amorphe, ledit alliage métallique au moins partiellement amorphe étant à base d'un élément choisi parmi le groupe constitué du platine, du zirconium et du titane, et présentant un coefficient de dilatation thermique compris entre 7 ppm/°C et 12 ppm/°C, balancier dans lequel la serge (2), le moyeu (4) et le bras (8) sont réalisés dans ledit alliage métallique au moins partiellement amorphe et la serge (2) comprend des premiers éléments de réglage de l'inertie (10) surmoulés, lesdits premiers éléments de réglage de l'inertie (10) étant réalisés dans un second matériau présentant une masse volumique supérieure à la masse volumique dudit alliage métallique au moins partiellement amorphe
  3. Balancier (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la serge (2) comprend des premiers éléments de réglage de l'inertie (10) surmoulés, lesdits premiers éléments de réglage de l'inertie (10) étant réalisés dans un second matériau présentant une masse volumique supérieure à la masse volumique dudit alliage métallique au moins partiellement amorphe.
  4. Balancier (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la serge (2) comprend des logements (12) destinés à recevoir des deuxièmes éléments de réglage de l'inertie et/ou de balourd (14, 15).
  5. Balancier (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la serge (2) comprend des logements (12) destinés à recevoir des éléments décoratifs et/ou luminescents.
  6. Balancier (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyeu (4) comprend des éléments de centrage flexibles (16, 17) intégrés.
  7. Balancier (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que lesdits éléments de centrage flexibles (16) intégrés sont prévus sur le pourtour intérieur du moyeu (4).
  8. Balancier (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bras (8) porte des troisièmes éléments de réglage de l'inertie flexibles (19, 20, 22a, 22b) intégrés.
  9. Balancier (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'un du bras (8), de la serge (2) et du moyeu (4) présente un état de surface structuré.
  10. Balancier (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit alliage métallique au moins partiellement amorphe est à base de platine et présente un coefficient de dilatation thermique compris entre 8 ppm/°C et 12 ppm/°C.
  11. Balancier (1) selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'alliage métallique au moins partiellement amorphe à base de platine est constitué, en valeurs en % atomique, de
    - une base de platine dont la teneur constitue la balance,
    - 13 à 17% de cuivre
    - 3 à 7% de nickel
    - 20 à 25% de phosphore.
  12. Balancier (1) selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ledit alliage métallique au moins partiellement amorphe est à base de zirconium et présente un coefficient de dilatation thermique compris entre 8 ppm/°C et 11 ppm/°C.
  13. Balancier (1) selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'alliage métallique au moins partiellement amorphe à base de zirconium est constitué, en valeurs en % atomique, de
    - une base de zirconium dont la teneur constitue la balance,
    - 14 à 20% de cuivre
    - 12 à 13% de nickel
    - 9 à 11% d'aluminium
    - 2 à 4 % de niobium.
  14. Balancier (1) selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ledit alliage métallique au moins partiellement amorphe est à base de titane et présente un coefficient de dilatation thermique compris entre 8 ppm/°C et 11 ppm/°C.
  15. Balancier (1) selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'alliage métallique au moins partiellement amorphe à base de titane est constitué, en valeurs en % atomique, de
    - une base de titane dont la teneur constitue la balance,
    - 5 à 45% de Cu
    - 2 à 25% de Ni
    - 2 à 30% de Zr
    - 2 à 15% de Sn
    - 0 à 5% de Si
    - 0 à 5% de Hf.
  16. Procédé de fabrication d'un balancier (1) comprenant une serge (2), un moyeu (4) et au moins un bras (8) réalisés dans un alliage métallique au moins partiellement amorphe à base d'un élément choisi parmi le groupe constitué du platine, du zirconium et du titane selon la revendication 2, comprenant les étapes suivantes:
    a) réaliser un moule ayant la forme négative du balancier (1)
    b) introduire dans le moule ledit alliage métallique au moins partiellement amorphe à base d'un élément choisi parmi le groupe constitué du platine, du zirconium et du titane, ledit alliage métallique étant chauffé à une température comprise entre sa température de transition vitreuse et sa température de cristallisation pour être formé à chaud
    c) refroidir ledit alliage métallique à une vitesse de refroidissement choisie pour obtenir un balancier (1) dans ledit alliage métallique au moins partiellement amorphe à base d'un élément choisi parmi le groupe constitué du platine, du zirconium et du titane
    d) libérer le balancier (1) obtenu à l'étape c) de son moule, le procédé comprenant également une étape de surmoulage de premiers éléments de réglage de l'inertie (10) dans la serge (2).
  17. Procédé de fabrication d'un balancier comprenant un moyeu et au moins un bras réalisés dans un alliage métallique au moins partiellement amorphe à base d'un élément choisi parmi le groupe constitué du platine, du zirconium et du titane selon la revendication 1, comprenant les étapes suivantes:
    a) réaliser un moule ayant la forme négative du balancier
    a') insérer dans le moule une serge ou des éléments de serge réalisés dans un matériau présentant une masse volumique supérieure à la masse volumique dudit alliage métallique au moins partiellement amorphe à base d'un élément choisi parmi le groupe constitué du platine, du zirconium et du titane
    b) introduire dans le moule ledit alliage métallique au moins partiellement amorphe à base d'un élément choisi parmi le groupe constitué du platine, du zirconium et du titane, ledit alliage métallique étant chauffé à une température comprise entre sa température de transition vitreuse et sa température de cristallisation pour être formé à chaud
    c) refroidir ledit alliage métallique à une vitesse de refroidissement choisie pour obtenir un balancier dans ledit alliage métallique au moins partiellement amorphe à base d'un élément choisi parmi le groupe constitué du platine, du zirconium et du titane
    d) libérer le balancier obtenu à l'étape c) de son moule
  18. Procédé selon l'une des revendications 16 ou 17, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de surmoulage d'éléments de centrage flexibles (16, 17) sur le moyeu (4).
  19. Procédé selon l'une des revendications 16 à 18, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de surmoulage de troisièmes éléments de réglage de l'inertie (19, 20, 22a, 22b) flexibles dans le bras (8).
  20. Procédé selon l'une des revendications 16 à 19, caractérisé en ce que le moule présente des microstructures formant un décor ou un réseau photonique.
  21. Résonateur comprenant un balancier selon l'une des revendications 1 à 15 et un spiral en quartz monocristallin.
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