Brevet FR2842313A1 — publié le 20040116

l Description La présente invention se rapporte à un oscillateur mécanique composé d'un système balancier et spiral appliqué à un mouvement d'horlogerie ou à un autre instrument de précision. Le ressort spiral est réalisé à partir d'un matériau composite de fibres de carbone dans une matrice polymère, carbone ou céramique, et le balancier est en céramique. Cette combinaison de matériaux permet d'obtenir une précision élevée et stable pour trois raisons: 1. Insensibilité au magnétisme. 2. Maîtrise des variations dues aux changements de température. io 3. Possibilité d'augmenter le fréquence d'oscillateur. On sait que la précision des montres mécaniques dépend de la stabilité de la fréquence propre de l'oscillateur formé du balancier-spiral. Lorsque la température varie, les dilatations thermiques du spiral et du balancier, ainsi que la variation du module de Young du spiral, modifient la fréquence propre de cet ensemble oscillant, perturbant la précision de la montre. Toutes les méthodes proposées pour compenser ces variations sont basées sur la considération que cette fréquence propre dépend exclusivement du rapport entre le couple de rappel exercé par le spiral sur le balancier et le moment d'inertie de ce dernier, comme indiqué dans la relation suivante: T = 2zrJ [1] T: période d'oscillation, I: moment d'inertie du balancier, G: couple de rappel du spiral. Le moment d'inertie du balancier est fonction de la masse Met du rayon de giration r. Le couple de rappel du ressort spiral est fonction de ses dimensions: longueur 1, hauteur A5 h, épaisseur e, et de son module E. Le rapport [1] s'écrit ainsi: 12.M.r2 i T = 2 Ez. [2] Les variations de température agissent sur T (période d'oscillation) par les effets de dilatation du système (spiral et balancier): 1, h et e pour le spiral, et r pour le balancier dont la masse est constante. On sait compenser les effets de ces dilatations sur 1, h et e. N Par contre la période d'oscillation est encore soumise aux variations de r et E suivant le rapport: r [3] Ces deux termes ne sont pas en rapport linéaire. S Il est nécessaire que ce rapport soit aussi constant que possible. Les alliages métalliques de Fe-Ni donnent une solution approximative quand l'alliage est parfaitement démagnétisé. Quand ce n'est plus le cas, ce rapport n'est plus constant: XE évolue. Pour ces alliages métalliques couramment utilisés, E augmente (ce qui est anormal) et l aussi dans la plage de température ambiante. Les balanciers employés dans les montres lO de précision actuellement sont de l'alliage Au-Cu avec un coefficient ac de dilatation entre +14 et +17x10-6 /K_ pour compenser les effets de changements de module. Les alliages métalliques actuels (et cela malgré toutes les compensations) permettent d'obtenir une bonne stabilité de T (période d'oscillation) dans une plage de température étroite. l 5 Nous proposons de mettre en oeuvre des matériaux non-magnétique de très faible coefficient de dilatation (x. Le balancier est composé d'une céramique pour laquelle le coefficient de dilatation thermique est 2_0 Le ressort est de forme spirale ou hélicodale. Il est fabriqué à partir d'un composite de fibres de carbone continues de texture torsadée ou parallèle par rapport au sens axial de la fibre. Ces fibres, selon la raideur requise, sont obtenues à partir de précurseurs de 'PITCH' (une mélange complexe d'un grand nombre d'espèce d'hydrocarbones) ou polyacrilonitrile 'PAN'(issus d'une structure de carbone graphitique) enrobés dans une 2-5 matrice polymère thermodurcissable, thermoplastique ou céramique. Ce composite, qui travaille en flexion et dont le module d'élasticité E est situé entre 230 et 1000 Gpa, a un coefficient d'amortissement et une densité inférieurs à ceux de l'alliage métallique courant. Son coefficient de dilatation thermique oc se caractérise par une bonne stabilité jusqu'à 7000 Kelvin tout en étant négatif, -cE du ressort en composite est > -1 x10-6 K-l. Ce matériau élimine les effets négatifs de l'aimantation. Le coefficient oc du ressort est négatif et réagit de manière parallèle au module qui est aussi négatif (normal), suivant le rapport [3]. Les valeurs des coefficients de dilatation thermique du ressort et du balancier sont similaires, très petites et de signes opposés, ce qui participe à la compensation. Le coefficient oc du ressort est le même sur une grande plage de température, et la plage utilisée de 5 à 40'C ne représente que 5% de celle-ci. Ainsi, suivant le rapport [2], le numérateur n'augmente pas en valeur comme les métaux quand la température augmente parce que le coefficient (x de I est négatif, et donc il diminue. Le dénominateur diminue aussi quand la température augmente parce que le coefficient thermique d'élasticité (CTE) est négatif. Par cette combinaison de matériaux, il est possible d'obtenir une précision élevée et stable. Les effets d'amortissement du module d'élasticité sont réduits dans un facteur de dix, et le bilan énergique d à la faible densité des matériaux employés permet d'envisager une augmentation significative de la fréquence du système de l'oscillateur. Revendications 1. Système d'oscillateur mécanique concernant un mouvement d'horlogerie ou autre instrument de précision, le système étant composé d'un balancier et d'un ressort spiral ou hélicodal, le balancier étant en matériau céramique, et le ressort en matériau composite. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le ressort est un composite de fibres de carbone continues de texture torsadée ou parallèle par rapport au sens axial de la fibre selon la raideur requise. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les fibres selon le module d'élasticité requise, sont obtenues à partir d'un des précurseurs 'PITCH' ou polyacrilonitrile 'PAN'. 4. Système selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les fibres sont enrobées dans une matrice polymère thermodurcissable, thermoplastique ou céramique. 5. Système selon la revendication 4, caractérisé par le fait qu'il n'est pas sensible aux effets d'aimantation. 6. Système selon une des revendications 2 à 5, caractérisé par le fait que les fibres ont une structure de carbone graphitique dont le coefficient de dilatation thermique axial est négatif. 7. Système selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le composite du ressort a un coefficient de dilatation thermique qui est linéaire et négatif jusqu'à 7000 Kelvin. 8. Système selon une des revendications précédentes, caractérisé par un module d' amortissement d'élasticité qui est de l'ordre de 0,001 Pa. 9. Système selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le composite a une densité inférieure à 3g/cm3. 10. Système selon une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le ressort en forme de spiral travaille en flexion exclusivement. 11. Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le balancier consiste en une composition de céramique. 12. Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le balancier est fabriqué par une méthode d'injection de haute précision. 13. Système selon une des revendications 1 1 et 12, caractérisé par le fait que le balancier présente une coefficient de dilatation positif qui compense les effets du coefficient de dilatation négatif du ressort. 14. Système selon une des revendications il et 12, caractérisé par le fait que le balancier n'est pas sensible aux effets d'aimantation.