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Spiral guide de lumière, système de contrôle in-situ d'un mouvement
d'horlogerie équipé de ce
spiral, et dispositif portable de contrôle
La présente invention concerne un spiral pour mouvement d'horlogerie, conçu
pour
procurer, outre sa fonction initiale d'oscillateur mécanique, une fonction de
guide de lumière. Elle
vise également un système de contrôle in-situ d'un mouvement d'horlogerie
équipé de ce spiral,
ainsi qu'un dispositif portable de contrôle mis en oeuvre dans ce système.
On connaît dans l'art antérieur des tentatives de réaliser un spiral dans un
matériau différent
des matériaux à base d'alliages métalliques utilisés traditionnellement dans
l'industrie horlogère. On
peut ainsi citer le cas de spiraux réalisés en verre, pour exemple le spiral
en Zerodur de Cartier dans
sa montre ID-one ou bien encore le Spiromax de Patek. Il s'agissait notamment
de réduire la
sensibilité d'un spiral aux variations de température en vue d'atteindre une
parfaite isochronie.
Par ailleurs, les horlogers aspirent à disposer d'outils de contrôle et de
réglage du système
spiral-balancier qui soient plus performants que ceux actuellement
disponibles.
Un premier but de la présente invention est de proposer un concept nouveau de
spiral
permettant un contrôle de ses performances mécaniques et un réglage in situ.
Un autre but de l'invention est de proposer un système de contrôle et de
métrologie in-situ
pour des mouvements d'horlogerie pourvus de spiraux à double fonction
mécanique et optique.
Cet objectif est atteint avec un spiral pour équiper un mouvement
d'horlogerie, réalisé à
partir d'un matériau apte à guider de la lumière, caractérisé en ce qu'il est
adapté pour procurer un
contrôle in situ de performances mécaniques, notamment d'isochronie, dudit
mouvement
d'horlogerie, à partir d'une injection d'un faisceau optique dans ledit
spiral.
Ce spiral est avantageusement agencé pour coopérer avec un équipement de
contrôle
extérieur au mouvement d'horlogerie. Il peut comporter des zones de gradient
d'indice optique
sensibles à une déformation mécanique, et/ou, sur au moins une partie de sa
surface extérieure, un
revêtement procurant un ajustement de ses performances mécaniques.
Dans une forme particulière de mise en oeuvre de l'invention, ce spiral
comporte une structure
composite alliant un premier spiral dans un premier matériau translucide et un
second spiral dans un
second matériau présentant des caractéristiques mécaniques distinctes de
celles dudit premier
matériau, lesdits premier et second spiraux étant fixés intimement l'un à
l'autre.
Suivant un autre aspect de l'invention, il est proposé un système de contrôle
in-situ d'un spiral
selon l'invention, ce spiral étant en action au sein d'un mouvement
d'horlogerie et réalisé à partir
d'une fibre ou d'un ruban optique, ce système comprenant (i) des moyens de
mesure comportant
des moyens pour injecter dans ladite fibre ou le dit ruban optique un faisceau
lumineux incident de
contrôle, (ii) des moyens pour recevoir en retour un faisceau lumineux
réfléchi de contrôle, des
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moyens pour traiter lesdits faisceaux respectivement incident et réfléchi, de
façon à produire des
informations de mesure de performances mécaniques, notamment isochroniques,
dudit spiral.
Suivant encore un autre aspect de l'invention, il est proposé un dispositif de
contrôle intégrant
dans un boîtier les moyens de mesure d'un système de contrôle selon
l'invention.
Lorsque ce dispositif est mis en oeuvre pour le contrôle métrologique d'une
montre dont le
mouvement est équipé d'un spiral optique selon l'invention et pourvu de moyens
pour relier
optiquement ledit spiral à un hublot faisant fonction de port optique ménagé
sur la surface du boîtier
de ladite montre, il est alors agencé pour permettre un couplage optique de
son interface optique
avec ledit port optique.
Lorsque ce dispositif est mis en oeuvre pour le contrôle et le réglage d'un
mouvement
d'horlogerie équipé d'un spiral optique selon l'invention, ledit spiral
optique présentant une
extrémité optique externe fixe et une extrémité optique interne mobile liée à
un axe d'un ensemble
spiral-balancier, il est alors agencé pour permettre un couplage optique de
son interface optique
avec ladite extrémité optique interne.
Ce dispositif de contrôle peut être avantageusement agencé pour être portable
sous la forme
d'un outil tenu à la main.
On comprendra mieux la présente invention à travers une description détaillée
de divers modes
de réalisation en référence aux figures suivantes :
- Les figures 1 à 4 illustrent plusieurs formes de spiral réalisables
selon l'invention,
respectivement planes (spiral dit d'Archimède), cylindrique, conique et quasi-
sphériques ;
- La figure 5 illustre une mise en uvre d'un système de contrôle in-
situ selon l'invention ;
- La figure 6 représente en éclaté des composants d'un mouvement
d'horlogerie concernés
par une utilisation d'un système de contrôle in-situ selon l'invention ;
- La figure 6A illustre une mise en oeuvre particulière du système de
contrôle in-situ selon
l'invention ;
- La figure 7 illustre un exemple d'un exemple de réalisation d'un spiral à
guidage optique
selon l'invention, mettant en oeuvre un oeuvre un procédé de coulage ;
- La figure 8 illustre un spiral à guidage optique selon l'invention
présentant une section
rectangulaire ;
- La figure 9 représente le spiral de la figure 8 dont l'extrémité
extérieure a fait l'objet d'une
opération de cintrage a posteriori ;
- La figure 10 représente schématiquement des étape de réalisation
d'un spiral selon
l'invention pourvu d'un revêtement DLC ;
- La figure 11 illustre différentes configurations de spiraux selon
l'invention ;
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- La figure 12 représente schématiquement un premier exemple de procédé de
fabrication
selon l'invention, mettant en oeuvre une tour de fibrage et une fusée ;
- La figure 13 représente schématiquement un second exemple de procédé de
fabrication
selon l'invention, avec tour de fibrage et fusée ;
- La figure 14 illustre une préforme rectangulaire utilisée dans le procédé
de fabrication illustré
par la figure 13;
- La figure 15 illustre schématiquement une forme spiralée telle qu'obtenue
à partir de l'un
des procédés de fabrication mettant en oeuvre une fusée ;
- La figure 16 illustre schématiquement un processus d'aplatissement
de cette forme
spiralée ;
- La figure 17 représente un stade particulier de mise en forme du spiral à
guidage optique
ainsi obtenu ;
- La figure 18 illustre des exemples de préforme pour les fibres optiques
constituant un spiral
selon l'invention ;
- Les figures 19 à 22 illustrent des exemples d'outillages pouvant être mis
en oeuvre pour la
réalisation de fibres conformées destinées à constituer un spiral selon
l'invention ;
- La figure 23 illustre schématiquement un autre exemple de procédé de
fabrication selon
l'invention, mettant en oeuvre une préforme à trajectoire excentrique ; et
- La figure 24 représente la trajectoire de la préforme mise en oeuvre dans
le procédé de la
figure 23.
On va maintenant décrire, en référence aux figures précitées, des exemples de
réalisation de
procédés de fabrication de spiraux à guidage optique selon l'invention. On
peut réaliser, en référence
aux figures 1 à 1, plusieurs spiraux de formes différentes en mettant en
oeuvre le procédé de
fabrication selon l'invention. Ainsi, en référence à la figure 1, le procédé
selon l'invention peut
permettre la réalisation d'un spiral dit d'Archimède 1 à partir d'un ruban 1A
réalisé dans un matériau
présentant à la fois des propriétés mécaniques appropriées pour un oscillateur
mécanique et des
propriétés optiques procurant une fonction de guidage de la lumière. Il est
également possible de
réaliser un spiral 2 de forme hélicoïdale ou cylindrique, en référence à la
figure 3. Ce spiral peut aussi
être de forme conique (3, figure 3) ou quasi sphérique avec plusieurs lames
partant de la virole (4,
figure 4).
En référence à la figure 6, le spiral 1 à fonction optique peut être intégré
dans le mouvement
d'une montre 5 pourvue sur le bord extérieur 51 de son boîtier d'un hublot 50
en matériau
transparent auquel est fixée en interne une fibre optique reliée à l'extrémité
extérieure du spiral 1.
Un dispositif portable à la main 6, ayant par exemple la forme d'un stylo, est
prévu (i) pour injecter
depuis son extrémité un faisceau lumineux dans le spiral 1 via le hublot 50 et
la fibre optique interne
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au sein du mouvement et (ii) pour recevoir un faisceau lumineux renvoyé par le
spiral 1. Si la montre
est du type squelette ou est configurée de sorte que le spiral 1 est
visible de l'extérieur de la
montre, une action de commande sur le dispositif portable 6 a pour. effet de
produire un effet
lumineux 1' induit par la lumière diffusant du spiral 1.
5
La fibre optique mise en oeuvre dans la montre 5 peut être une nano-fibre, par
exemple d'un
diamètre de 30 à 50 nm, qui peut être réalisé par l'un des procédés
actuellement disponibles dans
l'industrie des fibres optiques ou dans les centres de recherche équipés de
tours de fibrage adaptées
pour la réalisation de nano-fibres. Des méthodes de type PCVD, MCVD, DRIE ou
de micro-usinage
chimique anisotrope peuvent être envisagées pour la réalisation de ces fibres.
Le dispositif portable 6 peut aussi être configuré pour permettre, sur un
mouvement d'horlogerie
directement accessible- par exemple extrait du boitier de la montre ou sur une
ligne de fabrication
ou en maintenance-, un contrôle in-situ des performances dynamiques du spiral
1 et un réglage de
l'ensemble spiral-balancier 53 par action sur une vis de réglage 52 au niveau
de la raquetterie 51
supportant la virole 54 de l'ensemble spiral-balancier 53, comme l'illustrent
les figures 6 et 6A.
L'extrémité active du dispositif portable 6 est alors posée au niveau de la
virole de sorte que le
faisceau lumineux émis par le dispositif portable 6 est injecté, via un guide
optique (non représenté)
ménagé au sein de l'arbre de l'ensemble spiral-balancier 53, dans l'extrémité
intérieure du spiral 1
fixée à l'arbre. La lumière est alors guidée à l'intérieur du ruban du spiral
1 et illumine des zones
optiquement actives 18 et l'extrémité externe 1A du spiral 1. Si le ruban du
spiral 1 a été traité pour
limiter la diffusion de lumière à travers ses parois latérales, les zones
optiquement actives 18
peuvent alors être des zones non traitées et donc diffusantes.
La fonction optique du spiral 1 associé au dispositif portable de
contrôle/réglage 6 permet
d'utiliser des techniques de stroboscopie ou d'interférence pour contrôler la
fréquence propre de
l'ensemble spiral-balancier 53 et les éventuelles dérives de fréquence. Le
dispositif portable 6 peut
par exemple être pourvu sur sa paroi de stries ou d'anneaux faisant fonction
d'indicateurs lumineux
de contrôle de fréquence. Ces stries ou anneaux procurent alors une fonction
de graduation
lumineuse permettant un réglage optique de l'isochronie.
On peut aussi prévoir que le spiral 1 ait été pourvu lors de sa fabrication de
zones de contrôle de
caractéristiques optiques distinctes de celles du corps principal du ruban
spiralé et que ces zones de
contrôle soient activées sélectivement en fonction de la fréquence effective
d'oscillation, procurant
ainsi des indications sur les dérives de fréquence. Le dispositif portable 6
peut avoir une extrémité
présentant une double fonction d'émetteur/récepteur optique et de tournevis de
précision pour
régler la raquetterie.
Il est à noter que la présente invention peut bénéficier des travaux les plus
avancés dans le
domaine des fibres optiques intégrant de l'électronique, en référence par
exemple à l'article la
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fibre optique devient électronique de Jean-Pierre Vernay, publié le 04 mai
2006 dans la revue
L'Usine Nouvelle n 3008.
En particulier, on peut envisager l'utilisation d'une fibre microstructurée.
La structure d'une telle
fibre est constituée d'un coeur en verre entouré de capillaires creux. Des
éléments semi-conducteurs
en silicium ou germanium aptes à réaliser des fonctions électroniques désirées
ont déjà été
implantées dans de telles fibres micro-structurées.
Le faisceau lumineux produit par le dispositif portable de contrôle 6 peut
être émis par une diode
laser ou une diode électroluminescente dont les caractéristiques optiques ont
été choisies en
fonction du type de mesure que l'on souhaite mettre en oeuvre.
On va maintenant décrire plusieurs exemples de réalisation pratique du procédé
de fabrication
selon l'invention. En référence à la figure 7, on prévoit un moule en deux
parties 7A, 7B pourvues de
plots et de parties creuses en correspondance, adapté pour des process de type
wafer . La partie
de moule inférieure 7B présente un sillon de forme spiralée adapté pour
recevoir un élément
malléable préalablement produit sous la forme d'un ruban ou d'une fibre 10.
Ce moule est prévu pour être disposé dans un four ou être lui-même équipé de
moyens de
chauffage intégrés. Il est ainsi possible de conformer le ruban ou la fibre en
le soumettant à des
conditions de température et de pression adaptées jusqu'à obtenir un spiral
conformé 1 à double
fonction mécanique et optique.
En référence à la figure 8, le procédé de fabrication selon l'invention est
adapté pour la
réalisation de spiraux à partir d'une fibre optique 8 de section rectangulaire
80 qui peut avoir été
obtenue à partir de techniques conventionnelles de fibrage mais en y ajoutant
un préformage au
moyen d'une filière rectangulaire au sein de la tour de fibrage. Au moyen du
moule représentée en
figure 7 et en référence à la figure 9, il est possible d'obtenir un cintrage
adapté 81 de l'extrémité
externe du spiral.
Le procédé de fabrication selon l'invention peut prendre en compte des
combinaisons de
matériaux pour obtenir les performances mécaniques attendues d'un spiral pour
un mouvement
d'horlogerie. Ainsi, en référence à la figure 10, l'étape de conformation peut
inclure une séquence
100a d'apposition d'une fibre optique 100 de section rectangulaire - portée à
une température la
rendant malléable- sur une semelle spiralée réalisée dans un matériau du type
DLC ( Diamond-Like
Carbon ). La fibre optique 100 est ensuite collée (100b) sur la semelle en
DLC au moyen d'un adhésif
adapté 102 ou par thermocollage. On peut aussi prévoir (100c) que l'ensemble
de la fibre 100
bénéficie d'un revêtement 103 en DLC d'une épaisseur de 10nm, de façon à
atteindre les
performances mécaniques requises tout en contrôlant la diffusion lumineuse sur
les parois latérales
de la fibre.
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La réalisation d'un spiral hybride , combinant un matériau à fonction
dominante optique et un
matériau à fonction dominante mécanique, entre pleinement dans le champ
d'application du
procédé de fabrication selon l'invention. Ainsi, en référence à la figure 11,
on peut prévoir, dans le
cadre de l'étape de conformation, différents assemblages de rubans spiralés
préalablement réalisés
avec l'un ou l'autre de ces matériaux optique ou mécanique . On peut, à
titre d'exemples non
limitatifs, réaliser une superposition d'un ruban optique 12A et d'un
ruban mécanique)> 11a, ou
réaliser un emboîtage d'un ruban optique 12a - présentant sur sa face
inférieure une rainure- sur
un ruban mécanique 11b présentant sur sa face supérieure une partie mâle
adaptée pour
intégrer la rainure du ruban 12b. On peut aussi prévoir la disposition inverse
dans laquelle c'est le
ruban optique 12c qui dispose d'une partie mâle qui est insérée dans une
rainure ménagée sur la
face supérieure du ruban mécanique 11c. Il est à noter que les rubans
optique et
mécanique peuvent être indifféremment situés en dessous ou dessus, dans la
mesure où l'on
attend d'une montre qu'elle puisse fonctionner dans n'importe quelle
configuration spatiale.
Avec ce concept de spiral hybride, on peut ainsi dépasser les limites
intrinsèques des fibres
ou rubans optiques en termes de performance mécanique en les associant à des
spiraux réalisés dans
des matériaux à base d'alliage venant pallier les déficiences mécaniques des
fibres ou rubans
optiques. Il s'agit alors de combiner des matériaux présentant des modules
d'Young sensiblement
différents : acier ressorts : 220 GPa, silice Si02 : 107 GPa, verre : 67 GPa.
On peut par ailleurs, lors de l'étape de production des éléments allongés et
malléables, prévoir
un préformage adapté pour procurer aux rubans optiques toutes sortes de formes
de section par
exemple une forme avec des faces latérales concaves 110.
On va maintenant décrire plus en détail, en référence aux figures 12 à 17, des
modes particuliers
de mise en oeuvre du procédé de fabrication selon l'invention, dans lesquelles
le spiral est obtenu par
enroulement sur un outil de conformation de forme sensiblement tronconique. Il
est à noter que la
forme de cet outil est directement inspirée des fusées utilisées dans
l'horlogerie. L'outil de
conformation peut par exemple être réalisé dans un matériau céramique, en
Nickel Alloy B, 800,825
ou encore en Hastelloy C22 qui a une température de fusion de 1399 C, ce qui
peut permettre
d'intégrer l'outil de conformation dans un four.
En référence à la figure 12, le système de fabrication 12 comprend une tour de
fibrage 120 ¨ qui
peut présenter typiquement des dimensions de l'ordre de la dizaine de
centimètres, bien différentes
de celles rencontrées dans les tours de fibrage utilisées pour produire des
fibres optiques pour les
télécommunications ¨ prévue pour produire une fibre 121, qui est amenée
verticalement sur un
dispositif de conformation 122 présentant outil mobile en rotation selon un
axe vertical et
présentant une configuration tronconique spiralée. La fibre 121 est tirée de
la tour de fibrage 120 par
un dispositif de tirage (non représenté) et guidée pour s'enrouler autour de
l'outil de conformation
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et réaliser une forme spiralée tridimensionnelle 10. On peut aussi prévoir, en
référence à la figure 13,
une configuration du système de fabrication dans laquelle l'outil de
conformation présente un axe
horizontal d'enroulement.
Il est à noter que la tour de fibrage peut être pourvue en sortie d'une fente
de préformage
rectangulaire adaptée pour produire un ruban 14 de matériau optique malléable
à ce stade de la
fabrication.
Le ruban conformé après enroulement 15 est alors dissocié de l'outil de
conformation et encore
malléable, en référence à la figure 15 et est ensuite soumis, en référence aux
figures 16 et 17, à une
pression verticale progressive par un mécanisme de pression (non représenté)
pour aboutir à un
spiral de forme appropriée pour être intégré dans un mouvement d'horlogerie.
Ce spiral est ensuite
soumis à un traitement thermique et des revêtements adaptés pour conduire à
des caractéristiques
mécaniques appropriées à la fonction d'oscillateur mécanique et à des
caractéristiques optiques
adaptées aux fonctions de contrôle recherchées. Les revêtements peuvent par
exemple mettre en
oeuvre de la résine epoxy, de l'or ou du diamant.
En référence à la figure 18, on peut prévoir en sortie de la tour de fibrage
un mécanisme de
préformage de fibre sortante, avec par exemple un plateau tournant 18
comportant des orifices de
préforme circulaire 18a de la fibre qui est ensuite guidée vers l'outil de
conformation. On peut aussi
envisager un plateau intégrant plusieurs préformes distinctes, par exemple une
préforme circulaire
18a, une préforme triangulaire 18b et une préforme rectangulaire 18c.
En référence aux figures 19 à 22, le procédé de fabrication selon l'invention
peut mettre en
oeuvre d'autres outils de conformation inspirés d'outils de mécanique, tels
que des forets de forme
sensiblement tronconique 19 ou de forme sensiblement hélicoïdale 20, une vis
sans fin 21 ou inspiré
d'une rampe hélicoïdale 22. Dans tous les cas, il s'agit de guider le ruban ou
la fibre optique de façon
à la disposer sous une forme spiralée avant traitement.
Pour assurer le guidage du ruban ou de la fibre optique en sortie de four et
de préformage,
on peut aussi prévoir, en référence aux figures 23 et 24, un mécanisme de
guidage 23 comprenant un
équipage mobile 23a tournant sur la périphérie interne du mécanisme de guidage
et comportant un
canal de guidage prévu pour recevoir le ruban ou la fibre 23c. Avec un
agencement particulier des
pièces mobiles de ce mécanisme de guidage, il est possible de faire suivre au
ruban ou à la fibre une
trajectoire spiralée adaptée 24.
Par ailleurs, on peut prévoir dans le cadre de l'étape de conformation une
mise en oeuvre
d'un dispositif de conformation directement inspiré du barillet utilisé
conventionnellement dans des
mouvements d'horlogerie. Ce barillet conformeur , qui peut être directement
dérivé d'un
véritable barillet, peut être utilisé pour bander et contraindre la fibre
optique dans une forme
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spiralée avant une étape de conformation mettant en oeuvre des techniques
telles que décrites
précédemment.
Le procédé de fabrication selon l'invention peut produire des spiraux à double
fonction
mécanique et optique à partir de nombreuses classes de matériaux tant minéraux
qu'organiques,
voire hybrides combinant organique et minéral. On pourrait par exemple
exploiter de nouveaux
concepts de matériaux récemment divulgués, tel que le matériau plastique à
base de polymère qui
est façonnable à chaud comme du verre, inventé par l'équipe de Ludwik Leibler
à l'ESPCI ou bien du
BK7 utilisé pour ses propriétés optiques.
Bien sûr la présente invention n'est pas limitée aux exemples de mise en
oeuvre qui viennent
d'être décrits et on peut envisager de nombreuses variantes. Ainsi, les
matériaux mis en oeuvre ne
sont pas limités à la silice ou à des plastiques façonnables comme du verre.
Par ailleurs, d'autres
outils de conformation que ceux décrits peuvent être employés.
