WO2007115985A1 - Resonateur couple pour systeme reglant - Google Patents

Resonateur couple pour systeme reglant Download PDF

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coupled
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Kaspar Trümpy
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    • G—PHYSICS
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    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a coupled resonator for a regulating system, that is to say an assembly formed of two resonators whose coupling makes it possible to stabilize a frequency and thus to make it more independent of external stresses.
  • the invention will be more particularly illustrated by the regulating system of a clockwork mechanical movement for which isochronism is a quality factor.
  • Patent GB 1,138,818 published in 1967 describes a coupling device in which the alternations of a first oscillator excite by shock a tuning fork, that is to say without direct mechanical connection.
  • the newer regulating devices essentially rely on devices associating a mechanical regulator, such as a sprung balance, associated by an electromagnetic coupling with an electronic regulator, said coupling being essentially carried out by means of magnets arranged in the arms or in the balance serge.
  • a mechanical regulator such as a sprung balance
  • an electromagnetic coupling with an electronic regulator
  • the present invention therefore aims to overcome the disadvantages of the aforementioned prior art by providing a coupled resonator of simpler and more reliable design.
  • the invention relates to a coupled resonator comprising a first low-frequency resonator for example of the order of a few hertz and a second resonator at higher frequency, for example of the order of 100 Hz.
  • the invention is characterized in that the first resonator and the second resonator comprise permanent mechanical coupling means, said coupling making it possible to stabilize the frequency in the event of external disturbances, for example in case of shocks.
  • the two resonators can be manufactured separately from identical or different materials, and then mechanically assembled by any means known to those skilled in the art, such as bonding, riveting, welding or interlocking.
  • Both resonators can also be made in one piece in a single material.
  • the materials used must have a certain elastic constant and may, for example, be chosen from metals or alloys, or amorphous, monocrystalline or polycrystalline materials, such as glass, quartz and silicon or its derivatives.
  • the invention will be more particularly illustrated by a coupled resonator formed by a hairspring and a tuning fork, such a resonator being able to be integrated into the regulating system of a timepiece, in particular a wristwatch capable of receiving shocks.
  • FIG. 2 is a partial representation of a second embodiment
  • FIG. 3 is a partial representation of a third embodiment
  • FIG. 4 corresponds to a graph representing the eigenfrequencies of the coupled system
  • FIG. 5 corresponds to a graph showing the influence of the coupling on the stabilization of the frequency.
  • the hairspring 1 basically comprises a first resonator consisting of a hairspring 1 typically having a frequency of the order of a few hertz and a second resonator consisting of a tuning fork 2 typically having a frequency of the order of one kilohertz.
  • the curve inside 3 of the hairspring 1 is fixed in a conventional manner on a ferrule 5 for securing to a balance shaft and the tuning fork 2 also includes two arms 4, 6 connected by a foot 8.
  • foot 8 of the tuning fork 2 is fixed in known manner to a fixed part of the watch movement, such as the rooster.
  • the hairspring 1 and the tuning fork 2 are mechanically connected permanently.
  • the arm 6 of the tuning fork 2 is extended by the curve on the outside 7 of the hairspring 1.
  • the two resonators are made in one piece, by known techniques that depend on the materials used. These materials are obviously materials having a certain elastic constant "k", such as metals and alloys, or amorphous materials, monocrystalline or polycrystalline, such as glass, quartz, silicon or its derivatives.
  • This basic embodiment will further illustrate an example of how such coupling has a favorable effect on the stabilization of the frequency.
  • the first resonator namely the hairspring 1
  • the second resonator namely the tuning fork 2
  • the arm 6 of the tuning fork 2 comprises a notch 10 in which the end of the curve outside the spiral 7 is engaged, possibly completing the mechanical connection by gluing.
  • the foot 8 of the tuning fork 2 further comprises a constriction 12 for fixing to a fixed part of the watch movement, and which can influence the coupling constant "k c " between the two resonators.
  • FIG. 3 represents other variants allowing a great freedom to adjust the coupling constant "k c " between the first and the second resonator and the natural frequency of the second resonator.
  • the foot 8 may comprise material recesses which will make it possible to modify the coupling constant "k c ". They could also be performed on any other part of the tuning fork 2, especially on the free arm 4 to modify the mass "m” and therefore the natural frequency of the tuning fork. Conversely, according to an embodiment not shown, it would be possible to add mass at any point in the second resonator.
  • FIG. 3 also shows another variant, which can be combined with the preceding variant, to modify the natural frequency of the first resonator.
  • the free arm 4 comprises in fact a counterweight 16, movable on said arm 4 and can be immobilized at a determined location, for example by means of a clamping screw 18.
  • the tuning fork 2 when the tuning fork 2 is made of quartz along crystallographic axes for obtaining a piezoelectric effect, electrodes may be provided on the arms 4, 6 to generate electrical energy. In the case of a wristwatch this energy may for example be used to illuminate the dial.

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Abstract

Le résonateur couplé comporte un premier résonateur à basse fréquence, tel qu'un spiral (1) et un deuxième résonateur à plus haute fréquence, tel qu'un diapason (2), les deux résonateurs (1, 2) comportant des moyens de couplage mécanique permanents. Application au système réglant d'une pièce d'horlogerie.

Description

Résonateu r couplé pou r système réglant
Domaine technique
La présente invention concerne un résonateur couplé pour un système réglant, c'est-à-dire un ensemble formé de deux résonateurs dont le couplage permet de stabiliser une fréquence et donc de la rendre plus indépendante des sollicitations extérieures. L'invention sera plus particulièrement illustrée par le système réglant d'un mouvement mécanique horloger pour lequel l'isochronisme est un facteur de qualité.
Arrière plan technologique Pour stabiliser la fréquence d'un système réglant balancier-spiral, de nombreux dispositif ont déjà été proposés. Le brevet GB 1 138 818 publié en 1967 décrit un dispositif de couplage dans lequel les alternances d'un premier oscillateur viennent exciter par chocs un diapason, c'est-à-dire sans liaison mécanique directe. Les dispositifs de régulation plus récents reposent essentiellement sur des dispositifs associant un régulateur mécanique, tel qu'un balancier-spiral, associé par un couplage électromagnétique à un régulateur électronique, ledit couplage étant essentiellement effectué au moyen d'aimants disposés dans les bras ou dans la serge de balancier. Un tel dispositif a, par exemple, été décrit dans le brevet US 3 937 001. De nombreux perfectionnements ont été apportés à ce dispositif de base, essentiellement au niveau de la conception ou de l'agencement des aimants, du circuit électronique et du deuxième résonateur, ainsi qu'au niveau de la source d'énergie nécessaire pour alimenter ledit circuit électronique. De tels perfectionnements sont par exemple décrit dans les brevets EP 0 679 968, EP 0 732 243, EP 0 806 710, EP 0 822 470, EP 0 848 306, EP 0 935 177 et EP 1 521 141.
Tous ces dispositifs de couplage ont l'inconvénient, soit d'être peu fiables, soit d'exiger l'assemblage d'un grand nombre de composants dont les fonctions propres doivent être ajustées les unes par rapport aux autres, ce qui contribue finalement à augmenter fortement le coût du produit final.
Résumé de l'invention
La présente invention vise donc à palier les inconvénients de l'art antérieur précité en procurant un résonateur couplé de conception plus simple et plus fiable. A cet effet l'invention concerne un résonateur couplé comportant un premier résonateur à basse fréquence par exemple de l'ordre de quelques hertz et un deuxième résonateur à plus haute fréquence, par exemple de l'ordre de 100 Hz. L'invention est caractérisée en ce que le premier résonateur et le deuxième résonateur comportent des moyens de couplage mécanique permanent, ledit couplage permettant de stabiliser la fréquence en cas de perturbations extérieures, par exemple en cas de chocs.
Les deux résonateurs peuvent être fabriqués séparément en des matériaux identiques ou différents, puis assemblés mécaniquement par tout moyen connu de l'homme de l'art, tel que le collage, le rivetage, le soudage ou l'emboîtement.
Les deux résonateurs peuvent également être fabriqués en une seule pièce dans un unique matériau.
Les matériaux utilisés doivent avoir une certaine constante élastique et peuvent par exemple être choisis parmi les métaux ou alliage, ou les matériaux amorphes, monocristallins ou polycristallins, tels que le verre, le quartz et le silicium ou ses dérivés. L'invention sera plus particulièrement illustrée par un résonateur couplé formé par un spiral et un diapason, un tel résonateur pouvant être intégré dans le système réglant d'une pièce d'horlogerie, en particulier une montre bracelet susceptible de recevoir des chocs.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description suivante d'un exemple de réalisation, concernant le système réglant d'un mouvement horloger mécanique, donné à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 représente un premier mode de réalisation;
- la figure 2 est une représentation partielle d'un deuxième mode de réalisation;
- la figure 3 est une représentation partielle d'un troisième mode de réalisation; - la figure 4 correspond à un graphe représentant les fréquences propres du système couplé, et
- la figure 5 correspond à un graphe montrant l'influence du couplage sur la stabilisation de la fréquence.
Description détaillée de l'invention L'invention sera plus particulièrement illustrée par le résonateur couplé représenté à la figure 1 pour maintenir l'isochronisme d'un mouvement mécanique horloger.
Il comporte fondamentalement un premier résonateur constitué par un spiral 1 ayant typiquement une fréquence de l'ordre de quelques hertz et un deuxième résonateur constitué par un diapason 2 ayant typiquement une fréquence de l'ordre du kilohertz. La courbe à l'intérieur 3 du spiral 1 est fixée de façon classique sur une virole 5 pour l'assujettissement à un axe de balancier et le diapason 2 comporte, de façon également connue deux bras 4, 6 reliés par un pied 8. Le pied 8 du diapason 2 est fixé de façon connue à une pièce fixe du mouvement horloger, tel que le coq.
Comme on peut le voir, le spiral 1 et le diapason 2 sont reliés mécaniquement en permanence. Dans ce mode de réalisation le bras 6 du diapason 2 est prolongé par la courbe à l'extérieur 7 du spiral 1.
En d'autres termes, les deux résonateurs sont réalisés en une seule pièce, par des techniques connues qui dépendent des matériaux utilisés. Ces matériaux sont évidemment des matériaux ayant une certaine constante élastique "k", tels que les métaux et alliages, ou les matériaux amorphes, monocristallins ou polycristallins, tels que le verre, le quartz, le silicium ou ses dérivés.
Les techniques de conformation de ces matériaux par étampage, technique LIGA, gravage, photolithographie, ou autres sont bien connues de l'homme de l'art et ne seront donc pas davantage décrites.
Ce mode de réalisation de base fera plus loin l'objet d'un exemple montrant comment un tel couplage a un effet favorable sur la stabilisation de la fréquence.
En se référant maintenant à la figure 2, on a représenté une variante de réalisation. Cette variante diffère du mode de réalisation précédent en ce que le premier résonateur, à savoir le spiral 1 , et le deuxième résonateur, à savoir le diapason 2, sont initialement deux pièces indépendantes pouvant être réalisées dans des matériaux différents. Entre ces deux pièces, il est créé une liaison mécanique. Dans l'exemple représenté, le bras 6 du diapason 2 comporte une encoche 10 dans laquelle on engage l'extrémité de la courbe à l'extérieur 7 du spiral, en complétant éventuellement la liaison mécanique par collage. D'autres modes de liaison mécanique, bien connus de l'homme de l'art, sont évidemment possibles. Dans le mode de réalisation représenté, le pied 8 du diapason 2 comporte en outre un rétrécissement 12 permettant la fixation à une partie fixe du mouvement horloger, et pouvant influencer la constante de couplage "kc" entre les deux résonateurs.
La figure 3 représente d'autres variantes permettant d'avoir une grande liberté pour ajuster la constante de couplage "kc" entre le premier et le deuxième résonateur et la fréquence propre du deuxième résonateur. Comme on peut le voir, le pied 8 peut comporter des évidements de matière qui vont permettre de modifier la constante de couplage "kc". Ils pourraient également être effectués sur toute autre partie du diapason 2, notamment sur le bras libre 4 pour en modifier la masse "m" et donc la fréquence propre du diapason. Inversement, selon un mode de réalisation non représenté, il serait possible d'ajouter de la masse en un endroit quelconque du deuxième résonateur.
La figure 3 montre également une autre variante, qui peut être combinée avec la variante précédente, pour modifier la fréquence propre du premier résonateur. Le bras libre 4 comporte en effet une masselotte 16, mobile sur ledit bras 4 et pouvant être immobilisée en un endroit déterminé, par exemple au moyen d'une vis de serrage 18.
Selon encore une autre variante non représentée, lorsque le diapason 2 est réalisé en quartz selon des axes cristallographiques permettant d'obtenir un effet piézoélectrique, des électrodes peuvent être prévues sur les bras 4, 6 pour générer de l'énergie électrique. Dans le cas d'une montre bracelet cette énergie pourra par exemple être utilisée pour éclairer le cadran.
En se référant maintenant aux figures 4 et 5, on donne ci-après un exemple correspondant à un résonateur couplé selon le mode de réalisation représenté à la figure 1. Le premier résonateur a une constante élastique ki = 5-10"6 N-m/rad et une inertie h = 16-10"10 kg-m2, ce qui correspond à une fréquence propre fi = 9.2 Hz. Le second résonateur a une constante élastique k2 = 1 -10"4 N-m/rad et une inertie I2 = 5-10"10 kg-m2, ce qui correspond à une fréquence propre f2 = 71 Hz. Lorsque les deux résonateurs sont couplés de façon mécanique, la valeur de la constante de couplage "kc" dépend de la forme du pied qui joint les deux résonateurs. On a fait varier cette fréquence de couplage kc entre les valeurs 1 -10"8 et 1 -10"4 et représenté à la figure 4 avec une échelle logarithmique les fréquences propres du système couplé. Comme on peut le voir, les fréquences fi etf2 sont influencées par la variation du coefficient de couplage kc. Le graphe de la figure 5 correspond, en fonction d'une variation du coefficient du couplage kc dans les limites sus-indiquées, à une étude de perturbation sur le premier résonateur par exemple due à un choc, c'est à dire à une comparaison de l'effet de la perturbation sur une variation de fréquence du premier résonateur lorsqu'il est seul et lorsqu'il est couplé avec le deuxième résonateur, supposé stable. Comme on peut le voir, pour un coefficient de couplage kc < 1.10"6 on obtient une stabilisation de plus de 20% ce qui montre l'intérêt d'un résonateur couplé selon rinvention pour stabiliser la fréquence, par exemple celle du système réglant d'une pièce d'horlogerie, par une conception simple et relativement moins coûteuse.

Claims

REVEN DICATIONS
1. Résonateur couplé comportant un premier résonateur à basse fréquence et un deuxième résonateur à plus haute fréquence, caractérisé en ce que le premier résonateur et le deuxième résonateur comportent des moyens de couplage mécanique permanents.
2. Résonateur couplé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le premier et le deuxième résonateur sont réalisés en des matériaux identiques ou différents en étant assemblés par collage, rivetage, soudage, emboîtement ou autre.
3. Résonateur couplé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le premier et le deuxième résonateur viennent de matière avec un même matériau.
4. Résonateur couplé selon les revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les matériaux utilisés pour les premier et deuxième résonateurs sont choisis parmi les métaux ou alliages, ou les matériaux amorphes, monocristallins ou polycristallins, tels que le verre, le quartz et le silicium ou ses dérivés.
5. Résonateur couplé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le premier résonateur est un spiral (1 ) et en ce que le deuxième résonateur est un diapason (2) comportant deux bras (4, 6) reliés par un pied, l'un des bras (6) étant solidaire de la courbe à l'extérieur (7) du spiral (1 ) et l'autre bras (4) étant libre.
6. Résonateur couplé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le bras libre (4) du diapason (2) comporte en outre une masselotte (16) pouvant être déplacée pour modifier sa fréquence propre et ajuster ainsi la fréquence du résonateur couplé.
7. Résonateur couplé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le bras libre (4) du diapason (2) comporte en outre des zones (14) facilement usinables permettant de modifier sa fréquence propre et ajuster ainsi la fréquence du résonateur couplé.
8. Résonateur couplé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le premier résonateur a une fréquence propre de l'ordre de quelques hertz et le deuxième résonateur une fréquence propre de l'ordre du kilohertz.
9. Résonateur couplé selon la revendication 4, caractérisé en ce que, lorsque le matériau est le quartz et lorsque la conformation dudit résonateur a été effectuée selon les orientations cristallographiques permettant d'obtenir un effet piézoélectrique, les bras (4, 6) du diapason (2) comportent en outre des électrodes permettant de générer de l'énergie électrique.
10. Pièce d'horlogerie à mouvement mécanique, caractérisée en ce qu'elle comporte comme système réglant un résonateur couplé selon une quelconque des revendications précédentes.
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