Mécanisme d'échappement flexible

Domaine de l'invention

L'invention concerne un mécanisme d'échappement pour mouvement ou pièce d'horlogerie comportant au moins un balancier et au moins une roue d'échappement.

L'invention concerne encore un mouvement d'horlogerie comportant une structure fixe et au moins un tel mécanisme.

L'invention concerne une pièce d'horlogerie comportant une structure fixe et au moins un tel mécanisme, ou/et au moins un tel mouvement d'horlogerie.

L'invention concerne le domaine des mécanismes d'horlogerie, et en particulier des mécanismes d'échappement.

Arrière-plan de l'invention

La performance horlogère requiert des mouvements de haute précision, avec un encombrement minimal, et un nombre réduit de composants, de façon à maîtriser les coûts de production, d'assemblage et de réglage. Les technologies « LIGA » ou « DRIE » permettent de réaliser des composants souples et précis, et de remettre complètement en question les architectures traditionnelles, caractérisées par un grand nombre de composants et par des réglages délicats.

Résumé de l'invention

L'invention ce propose de pallier les limites des architectures connues, en proposant des mécanismes compacts, de faible épaisseur, et économiques à produire.

A cet effet, l'invention concerne un mécanisme d'échappement pour mouvement ou pièce d'horlogerie comportant au moins un balancier et au moins une roue d'échappement, caractérisé en ce que la transmission d'impulsions entre ledit au moins un balancier et ladite au moins une roue d'échappement est réalisée par un mécanisme flexible monobloc comportant au moins un palpeur de coopération avec ladite au moins une roue d'échappement ou respectivement ledit au moins un balancier, et en ce que ledit mécanisme flexible monobloc est relié par au moins une lame flexible à une structure fixe de ladite pièce d'horlogerie, ou respectivement à ladite au moins une roue d'échappement. L'invention concerne encore un mouvement d'horlogerie comportant une structure fixe et au moins un tel mécanisme.

L'invention concerne une pièce d'horlogerie comportant une structure fixe et au moins un tel mécanisme, ou/et au moins un tel mouvement d'horlogerie.

Description sommaire des dessins

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés, où :

• les figures 1 à 4 représentent, de façon schématisée et en élévation, des guidages flexibles, linéaires sur les figures 1 et 2, angulaires sur les figures 3 et 4, et représentés successivement à l'état au repos et dans un état excité par un effort d'impulsion ;
• - la figure 5 représente, de façon analogue, un pivot flexible bistable ;
• - la figure 6 représente, de façon schématisée et en plan, un moyen de centrage 60
• les figures 7 à 10 illustrent une ancre suisse flexible à force constante, bistable en flambage, et la figure 10 est un graphique descriptif de la variation d'énergie potentielle du mécanisme, selon les différents états intermédiaires représentés sur la figure 9 ;
• - la figure 11 illustre un mécanisme d'échappement110 avec un guidage à rigidité nulle ;
• la figure 12 représente un mécanisme d'échappement au spiral, et la figure 13 est un détail de la roue d'échappement associée;
• les figures 14 et 15 illustrent un échappement sans ancre ;
• les figures 16 à 25 illustrent différentes variantes utilisables pour la réalisation de tels mécanismes flexibles :

  • la structure de la figure 16 comporte deux lames-ressort dans deux plans orthogonaux, et reliant deux structures en équerre;
  • la structure de la figure 17 est une structure de type RCC (Remote Center Compliance) avec une masse suspendue par deux lames-ressort en équerre par rapport à une structure fixe comportant des faces d'ancrage perpendiculaires ;
  • la première structure de la figure 18 comporte une masse mobile reliée à un ancrage fixe par deux lames-ressort parallèles, et la deuxième structure comporte une masse mobile reliée à un ancrage fixe par deux lames-ressort à l'équerre l'une de l'autre ;
  • la structure de la figure 19, similaire à la première structure de la figure 18, fait apparaître une translation de type parabolique sous l'effet d'une masse latérale additionnelle en équerre avec la masse mobile;
  • la structure de la figure 20 comporte des lames parallèles avec des charnières de type circulaire ;
  • la figure 21 illustre la déformée de la deuxième structure de la figure 18 ;
  • la structure de la figure 22 comporte une masse mobile par rapport à un ancrage fixe, auquel elle est reliée par deux lames-ressort constituant ensemble une structure en croix ;
  • la figure 23 est une variante de la figure 17, où la masse mobile est en équerre, sensiblement parallèle aux faces d'ancrage perpendiculaires ;
  • les figures 24 et 25 illustrent un système bistable avec pré-contrainte par un ressort de charge qui contraint fortement en flambage le système flexible, la figure 25 étant une courbe de rigidité relative en fonction de l'effort appliqué ;
  • la figure 26 représente, sous forme d'un schéma-blocs, une pièce d'horlogerie avec un mouvement comportant un tel mécanisme.

Description détaillée des modes de réalisation préférés

De nombreux mécanismes horlogers peuvent être réalisés, avec un nombre réduit de composants, et de préférence en utilisant des composants réalisés en silicium, ou par un procédé LIGA ou DRIE, en comportant des zones flexibles.

Ces zones flexibles peuvent être utilisées pour réaliser des guidages, notamment en pivotement, ou/et pour réaliser des moyens de rappel élastique.

On appelle dans la suite de l'exposé «guidages flexibles» des guidages linéaires ou rotatifs comportant une ou plusieurs lames flexibles. Leurs avantages sont nombreux, et on citera en particulier: précision, absence de friction, absence d'hystérèse, absence d'usure, aucun besoin de lubrification, absence de grippage, fabrication monolithique. Les limitations les plus fréquentes sont : limitation des déplacements, faible intensité des forces ou couples de rappel, cinématique parfois complexe, limitation de la charge supportée.

Les figures 1 à 4 illustrent de tels guidages flexibles. Ils sont linéaires sur les figures 1 et 2 où une masse mobile 11 est suspendue par rapport à un ancrage fixe 12 par l'intermédiaire d'un jeu de lames-ressort 13 sensiblement parallèles entre elles interposées, d'une part entre l'ancrage fixe 12 et une masse intermédiaire 14, et d'autre part entre la masse intermédiaire 14 et la masse mobile 11 , la figure 1 représente le système au repos, et la figure 2 sous contrainte exercée sur la masse mobile ; le déplacement linéaire de la masse intermédiaire 14 est ici la moitié du déplacement de la masse mobile 11. De façon analogue, les figures 3 et 4, au repos et sous contrainte, illustrent un guidage rotatif construit de façon similaire, mais où les lames 33 se développent de façon radiale autour d'un axe de pivotement virtuel A; le déplacement angulaire de la masse intermédiaire 34 est la moitié du déplacement de la masse mobile 31.

Les guidages flexibles peuvent être modifiés afin d'avoir une rigidité nulle ou pour présenter un état bistable dans le cas d'un composant travaillant en flambage sous l'action d'efforts exercés de part et d'autre d'une direction moyenne, de part et d'autre de laquelle ce composant peut occuper deux états stables différents.

Les figures 24 et 25 illustrent un tel système bistable qui peut être:

• soit rigide en l'absence de ressort de charge ;
• bistable si un ressort de charge R contraint fortement en flambage le système flexible ;
• de rigidité nulle si un ressort de charge R contraint d'une valeur intermédiaire le guidage, tel que visible sur la figure 25 où la courbe de rigidité relative passe par la valeur zéro pour une valeur de charge correspondant à celle de la pré-contrainte due au ressort R.

Une première application horlogère concerne un pivot flexible bistable 50, tel que visible sur la figure 5, et qui peut être implémenté comme guidage d'une ancre, ou ancre suisse, ou d'un autre élément horloger. L'application d'une force F sur le pivot flexible 50, au niveau d'une masse mobile 51, crée un comportement bistable. Cette force peut être créée par un ressort flexible. Comme sur les figures 3 et 4, des jeux de lames-ressort radiales 53 relient deux à deux un ancrage fixe 52, une masse intermédiaire 54, et la masse mobile 51. On voit que l'axe de pivotement virtuel A et la masse mobile 51 peuvent, selon le besoin, soit être du même côté de l'ancrage fixe comme sur la figure 3, soit de part et d'autre de celui-ci comme sur la figure 5.

Une autre application visible sur la figure 6 concerne un moyen de centrage 60, notamment en silicium ou similaire, faisant fonction de pierre pour le centrage d'un axe 61, avec une pluralité de doigts élastiques 62. Un tel élément flexible permet de pallier le problème des ébats dans les pivots. De tels doigts de centrage flexibles 62, notamment en silicium, ne sont pas à proprement parler des guidages flexibles car ils sont en constant frottement avec l'axe 61 dont ils assurent le centrage . L'intégration de butées 63 permet d'éviter toute casse des éléments flexibles 62.

De façon particulièrement avantageuse, l'invention est applicable à un mécanisme d'échappement 100 pour mouvement 900 ou pièce d'horlogerie 1000 comportant au moins un balancier 300 et au moins une roue d'échappement 400.

Selon l'invention, la transmission d'impulsions entre ledit au moins un balancier 300 et ladite au moins une roue d'échappement 400 est réalisée par un mécanisme flexible monobloc 500. Ce mécanisme flexible monobloc 500 comporte au moins un palpeur 600 de coopération avec ladite au moins une roue d'échappement 400 ou respectivement ledit au moins un balancier 300. Ce mécanisme flexible monobloc 500 est relié par au moins une lame flexible 700, ou de préférence par une pluralité de lames flexibles constituant des moyens de rappel élastique, à une structure fixe 800 de ladite pièce d'horlogerie 1000, ou respectivement à ladite au moins une roue d'échappement 400.

Une application intéressante concerne une ancre, en particulier une ancre suisse flexible à force constante, tel qu'illustré par les figures 7 à 10, qui fonctionne selon le principe bistable en flambage. L'ancre 70 comporte une baguette 71 munie d'une fourchette 72 avec dard (non représenté sur les figures) similaire à une ancre suisse. L'ancre 70 comporte une tige flexible 73 qui pivote en 74 et qui est guidée en 75 (rotation et translation verticale). Un déplacement Δx du guidage en 75 induit un état bistable permanent. L'ancre 70 coopère avec une roue d'échappement à deux niveaux, représentée ici uniquement par des chevilles 77, 78, qu'elle comporte sur ces deux niveaux respectifs.

Une cheville 76, sur un deuxième niveau de l'ancre 70, permet à la roue d'échappement, de déplacer l'ancre 70 proche de son point de basculement.

La course de l'ancre 70 est limitée par des goupilles ou butées de limitation 79, 80.

Le balancier et les petit et grand plateaux, non représentés, sont similaires à ceux d'une ancre suisse classique.

La figure 10 est un graphique descriptif de la variation d'énergie potentielle du mécanisme, où l'ancre flexible 70 est représentée par une bille 81 qui roule sur une bosse d'énergie potentielle 82. La course est limitée par les goupilles 79 et 80. Le fonctionnement est expliqué pour un mouvement dans le sens S1 de la fourchette 72, correspondant au sens S2 de la tige flexible 73, selon les différents états intermédiaires représentés sur la figure 9 et symbolisés sur la figure 10.

L'étape P1 correspond à la recharge de la force constante. Cet état est de très courte durée, car la roue d'échappement pousse, par l'intermédiaire de ses chevilles, vers la position P2, où l'ancre 70 est juste avant le point de basculement bistable.

Le passage de la position P2 à la position P3 correspond au dégagement de l'ancre 70. La cheville de plateau du balancier fait basculer l'ancre 70 de l'autre côté de l'état bistable.

Le passage de la position P3 à la position P4 correspond à la phase d'impulsion de l'ancre 70 sur le balancier : la tige 73 de l'ancre 70 effectue l'impulsion avec une force constante ; en effet, seule l'énergie emmagasinée dans la tige 73 est restituée.

Dans la position P4, le balancier est libre, la cheville de plateau quitte la fourchette 72, et l'oscillateur est totalement libre.

Le passage de la position P4 à la position P5 correspond au dégagement de la roue d'échappement : la tige d'ancre 73 finit de se courber, et elle se dégage de la roue d'échappement, ceci sans influencer le mouvement du balancier qui est déjà libre.

Le passage de la position P5 à la position P6 correspond au retour : la roue d'échappement avance d'un pas de dent, et amène l'ancre 70 dans la position P6, où l'ancre 70 est prête à accueillir la cheville de plateau pour un nouveau cycle.

Le système ne peut pas créer une impulsion lors d'un choc car le dard, non représenté sur les figures, empêche tout renversement. Le système présente toutes les sécurités d'un échappement à ancre suisse.

Une autre application est illustrée à la figure 11, et concerne un mécanisme d'échappement110 avec un guidage à rigidité nulle. Ce mécanisme 110 comporte un cadre mobile 111 articulé par des lames souples 113 par rapport à des ancrages fixes 112. Le cadre mobile 111 comporte un ressort de charge lui donnant une rigidité nulle, tel qu'exposé plus haut. Ce cadre mobile 111, qui est l'équivalent d'une ancre, porte une fourchette 114 avec des cornes 115 et un dard 116. Cette fourchette 114 est analogue à celle d'une ancre suisse, avec toutes les sécurités anti-rebat et anti-galop. Une roue d'échappement 118 comporte des dents 118A,B,C,D, disposées à 90° les unes des autres, qui peuvent coopérer avec des dents119A,B,C,D, du cadre mobile 111, également disposées à 90° les unes des autres. Le balancier et les petit et grand plateaux sont similaires à ceux d'une ancre suisse classique.

Lorsque la cheville de plateau 117 entre en contact avec la corne d'entrée, une dent 119A du cadre mobile 111 libère sans recul la roue d'échappement 118, et la dent 118B de la roue d'échappement 118, sensiblement à l'équerre de la dent 119A, effectue une impulsion tangentielle sur le cadre mobile 111 de l'ancre au niveau d'une dent 119B. A la fin de l'impulsion, la dent 118C de la roue d'échappement est stoppée par la dent correspondante 119C sur l'ancre. Le cycle d'impulsion se reproduit de manière similaire avec les dents 118D et 119D.

De manière similaire au système précédent, une charge plus importante des lames flexibles 113 peut créer un système bistable. La position de la dent d'impulsion 118B par rapport à la dent 119A peut amener l'ancre près de l'instabilité, de manière similaire à la position P2 sur la figure 9. Il en résulte que l'ancre 111 fournit une impulsion via la roue d'échappement 118 et l'énergie stockée dans les lames flexibles 113.

Le système présente toutes les sécurités de l'échappement à ancre suisse.

La figure 12 représente un mécanisme d'échappement au spiral 120.

Le principe de l'entretien et régulation de l'oscillateur de cet échappement est très différent de l'approche classique. Le balancier n'est plus muni de plateaux et l'entretien de l'oscillation est effectué via le piton et le spiral.

Le ressort-spiral 121 spiral se termine par un piton 122, qui est mobile durant le fonctionnement. Ce piton 122 est guidé par un guidage flexible 123, avec lames souples 124, et dont le centre de rotation 125 correspond à l'axe du balancier. Sur ce piton 122 est fixée une cheville 127.

La roue d'échappement 126 ne possède pas de dents mais un parcours 128, ou came, où vient se loger la cheville 127 de piton, tel que visible sur la figure 13. Ce parcours 128 comporte une succession de rampes 128A, 128B, obliques par rapport aux radiales de la roue d'échappement, séparées par des positions de repos, et présentant l'aspect d'une roue dentée centrée sur l'axe de la roue d'échappement, les rampes 128A et 128B étant en alternance croissantes et décroissantes quand on parcourt la périphérie de la roue d'échappement 126.

Le balancier ne possède plus de plateau, et est donc considérablement simplifié.

Si on imagine le comportement du mécanisme sans cheville de piton et sans roue d'échappement: dans ce cas, lors des oscillations, le piton 122 se déplace par rapport à sa position de repos sous l'action de la force qu'exerce le spiral 121 sur lui. Toutefois, le système s'arrête faute d'entretien. Dans le cas du système complet, la cheville de piton 127, guidée dans le profil 128, remplit la fonction d'entretien et de régulation de l'oscillation de la manière suivante, décrite lors d'un déplacement horaire du balancier en mouvement:

• quand le balancier est dans la position qui correspond aux figures 12 et 13, le balancier débutant son mouvement horaire, la cheville de piton 127 bloque le pivotement de la roue d'échappement 126. La cheville 127 ne peut se déplacer dans le sens SD, car le spiral 121 la retient vers la gauche ;
• quand le balancier et la cheville sont en position de repos, lors de la rotation horaire du balancier, juste après le passage par la position de repos du spiral121, le piton 122 est entrainé par le balancier. La cheville 127 se dégage de son repos 129 dans la roue d'échappement 126, et une impulsion antihoraire recharge le spiral 121 ;
• - quand le balancier est en fin de course horaire, la cheville de piton 127, une fois arrivée dans son prochain point de repos 129A sur la roue d'échappement 126, ne va pas en sortir, car le balancier continue de la retenir dans le sens opposé.

Les figures 14 et 15 illustrent un échappement sans ancre 140. Le balancier 141 comporte un plateau avec une cheville 142. La platine comporte deux chevilles/butées 143 et 144. Une roue d'échappement 145 comporte une pluralité de dents 146. Chaque dent 146 remplit la fonction d'une petite ancre, et comporte une mini-ancre 147: Chaque mini-ancre 147 comporte une cheville d'ancre 148 guidée par lames flexibles 149. Cette cheville d'ancre148 peut être actionnée par un petit levier 150. Chaque dent 146 comporte également un plan d'impulsion 151. Le mécanisme de roue d'échappement est à deux niveaux : un niveau bas porte les chevilles d'ancre 148, et correspond au niveau où sont disposées les chevilles/butées de platine 143 et 144, tandis qu'un niveau haut porte la structure de roue d'échappement 145 et les leviers 150.

Le fonctionnement est expliqué sur une dent 146 de la roue d'échappement 145 juste après une impulsion, le balancier 141 commençant un déplacement horaire. Lors de la rotation du balancier 141 dans le sens horaire, la cheville de plateau 142 fait pivoter la mini-ancre 147, qui passe de la position PB à la position PA de la figure 15, et se dégage de la première cheville/butée de platine 143. La roue d'échappement 146 avance d'un très faible angle jusqu'à ce que la cheville d'ancre148 de la mini-ancre 147 bute contre la deuxième cheville/butée de platine 144.

Quand le balancier 141 pivote en sens anti-horaire, la cheville de plateau 142 fait pivoter la mini-ancre 147 qui lui fait face, amenant le levier 150 en position PC, et la cheville d'ancre 148 contourne la deuxième cheville/butée de platine 144. La roue d'échappement 145 tourne jusqu'à la prochaine dent. Dans ce mouvement, le plan d'impulsion 151 de la roue d'échappement 145 effectue une impulsion sur la cheville de plateau 142.

La forme spéciale des chevilles/butées 143 et 144 solidaires de la platine évitent le galop.

Les figures 16 à 25 illustrent différentes variantes utilisables pour la réalisation de tels mécanismes flexibles :

• la structure 160 de la figure 16 comporte deux lames-ressort 161 et 162 dans deux plans orthogonaux, et reliant deux structures en équerre 163 et 164 ;
• la structure 170 de la figure 17 est une structure de type RCC (Remote Center Compliance) avec une masse 171 suspendue par deux lames-ressort 172 et 173 en équerre par rapport à une structure fixe 174 comportant des faces d'ancrage 175 et 176 perpendiculaires ;
• la première structure 180 de la figure 18 comporte une masse mobile 181 reliée à un ancrage fixe 182 par deux lames-ressort parallèles 183 et 184, et la deuxième structure 185 comporte une masse mobile 186 reliée à un ancrage fixe 187 par deux lames-ressort 188 et 189 à l'équerre l'une de l'autre ; la structure 180 de la figure 19, similaire à la première structure 180 de la figure 18, fait apparaître une translation de type parabolique sous l'effet d'une masse latérale additionnelle 181A en équerre avec la masse mobile 181, avec une valeur λ=0,6 X²/L ;
• la structure 200 de la figure 20 comporte des lames parallèles avec des charnières de type circulaire, si le dimensionnement du rayon R est inférieur à 5 fois la valeur de l'épaisseur minimale Hmin, les effets de concentration de contraintes sont négligeables ;
• la figure 21 illustre la déformée de la deuxième structure 185 de la figure 18 ;
• la structure 220 de la figure 22 comporte une masse mobile 221 par rapport à un ancrage fixe 222, auquel elle est reliée par deux lames-ressort 223 et 224 constituant ensemble une structure en croix ;
• la figure 23 est une variante de la figure 17, où la masse mobile 171 est en équerre, sensiblement parallèle aux faces d'ancrage 175 et 176 perpendiculaires ;
• les figures 24 et 25 illustrent un système bistable avec pré-contrainte par un ressort de charge R qui contraint fortement en flambage le système flexible, la figure 25 étant une courbe de rigidité relative en fonction de l'effort appliqué.

L'invention concerne encore un mouvement d'horlogerie 900 comportant au moins un des mécanismes flexibles décrits ci-dessus, et notamment comportant une structure fixe 800 et au moins un tel mécanisme 100.

L'invention concerne encore une pièce d'horlogerie 1000, notamment une montre, comportant au moins un tel mouvement d'horlogerie 900, ou/et au moins un des mécanismes flexibles décrits ci-dessus, notamment comportant une structure fixe 800 et au moins un tel mécanisme 100.