Nouveaux concepts en horlogerie traditionnelle

Nouveaux concepts en
horlogerie traditionnelle
Forum CADFEM, 13.09.2016
Instant-Lab
EPFL - STI - IMT
Ilan Vardi
La question que l’on me pose
Est-il encore possible d’inventer en horlogerie mécanique ?
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La question que l’on me pose
Est-il encore possible d’inventer en horlogerie mécanique ?
Une réponse :
“L’horlogerie ne produit plus de véritables
innovations.”
Ludwig Oechslin, Conservateur du Musée International
d’Horlogerie, La Chaux-de-Fonds (2001–2014).
Interview de Samuel Jaberg, swissinfo.ch, 27 février 2014.
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Mon point de vue (www.chronomaitre.org)
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Mon regard naı̈f
Les aiguilles “Mercedes” permettent de voir l’aiguille des heures
sous l’aiguille des minutes
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Mon idée naı̈ve
Mettre l’aiguille des heures sur l’aiguilles des minutes
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Le mythe de la montre suisse
You know, there are only two things more beautiful than
a good gun: a Swiss watch or a woman from anywhere.
Ever had a good... Swiss watch?
Red River (1948), film western (John Wayne, etc.)
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Préserver le mythe
De James Bond (1962) à nos jours
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Le business des montres
? La Suisse fabrique environ 2% des montres dans le monde.
? Mais a plus de 50% des revenus mondiaux
? Ceci grâce à la montre mécanique
? L’industrie horlogère suisse s’intéresse à la recherche sur les
montres mécaniques
? L’innovation horlogère doit respecter la tradition horlogère
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Le fonctionnement de la montre mécanique
ENERGIE ) Transmission ) Echappement ) Régulateur.
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La base de temps est l’oscillateur
? Les horloges et montres sont régulées par un oscillateur
? Pendule (1656), balancier-spiral (1675), diapason (1711)
? Ces oscillateurs ont leur propre temps (isochronisme).
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Le temps discrétisé
? Il faut entretenir et compter les oscillations
? Ceci ce fait par l’échappement qui arrête et redémarre la
transmission d’énergie en fonction de l’oscillateur
? L’échappement est le ”tic-tac” des horloges et montres
mécaniques
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Notre poster disponible chez Centredoc
INSTANT - LAB
Micromechanical and
Horological Design
Laboratory
PA N OR A MA DE S É C H A PP EME NT S H ORLOG E RS
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1900
2000
ca 1450
Montre
1656
Pendule
C. Huygens
ca 1250
Horloge
mécanique
ca 1600
Isochronisme
G. Galilée
1714
Longitude Act
1675
Balancier-spiral
C. Huygens et R. Hooke
1775
Montre Lépine
1765
Chronomètre
de marine
Cylindre
G. Graham
1720 ’ 1900
Roue de rencontre
1250 ’ 1900
1801
Tourbillon
A.-L. Breguet
1777
Remontage
automatique
1830
Formule d’Airy
G. B. Airy
ca 1822
Chronographe
Détente
P. LeRoy, J. Arnold,
T. Earnshaw
1782 ’ présent
Ancre anglais
T. Mudge, 1759
H
M
R
C
C
Duplex
P. LeRoy, 1750
1854
Big Ben
Ancre suisse
1815 ’ présent
M
M
1876
Horlogerie
industrielle
M
H
Robin
R. Robin, 1791
L
P
T
L
C
P
M
C
P
M
L
P
M
1960
Montre électronique
1974
COSC
L
L
M
Potter
A. H. Potter, 1887
Ingold
P. F. Ingold, ca 1840
Ancre à repos
G. Graham
1720 ’ présent
Grasshopper
J. Harrison, 1720
Mudge gravité
T. Mudge, 1767
MacDowall
C. MacDowall, 1850
1984
CSEM
ca 2004
Composants
silicium
1983
La Swatch
2012
Instant-Lab
EPFL
1985
ASRH
Echappement Constant
N. Déhon
1999 ’ présent
T
M
P
L
T
M
L
L
Denison trois pattes
E. B. Denison, 1851
Big Ben
E. B. Denison
1859 ’ présent
M
T
Dual Ulysse
L. Oechslin
2001 ’ présent
Audemars Piguet
P. Augereau
2001 ’ présent
F
L
T
M
Voutilainen
K. Voutilainen
2008 ’ présent
L
P
T
Double impulsion
primitive
O. Laesser, 2014
T
M
Ancre à recul
R. Hooke
1657 ’ présent
1978
FSRM
Coaxial
G. Daniels
1980 ’ présent
T
Melly Frères
R. & F. Melly, 1825
M
M
1920
Prix Nobel
Ch.-Ed. Guillaume
1967
Montre quartz
M
L
T
Naturel
A.-L. Breguet, 1808
1884
Fuseaux horaires
GMT
1921
LSRH
Ancre à chevilles (Roskopf)
L. Perron, 1867 ’ 1982
M
L
Virgule
J.-A. Lépine, 1766
1914-18
Montre bracelet
L
M
T
L
T
M
Arnfield
J. Arnfield, 1986
Riefler
S. Riefler, 1889 ’ 1965
L
T
Système Genequand
P. Genequand, 2014
H
C
H
H
C
H
H
F
H
H
H
F
B
C
G
M
R
C
C
G
C
C
C
G
F
F
P
B
H
HORLOGE
•
Isochronisme
La fréquence de l’oscillateur est indépendante de son amplitude.
L’isochronisme est la base de l’horlogerie de précision.
BASE
B
EXCITATION PAR LA
C
CONTACT PERMANENT
F
FORCE CONSTANTE
G
GRAVITÉ
L
LIBRE
P
COUP PERDU
R
RECUL
T
TIRAGE
1750 : date estimée d’invention
1720 ’ 1900 : durée estimée
d’exploitation
•
Plans d’impulsion
Echappement libre
L’oscillateur n’est en contact avec l’échappement que pendant le
dégagement et l’impulsion, ce qui réduit la perturbation de la fréquence
de l’oscillateur.
CONTACT PERMANENT
COUP PERDU
Phases
Bibliographie
MONTRE
R
Echappement à contact permanent
L’oscillateur est toujours en contact avec une pièce de l’échappement.
Le contact permanent est jugé nuisible à la précision des montres.
Tirage
Introduit par R. Pendleton aux environs de 1800, il sécurise le
fonctionnement de l’échappement par l’introduction d’un angle aux
repos des palettes.
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•
•
•
•
•
Echappement à force constante
L’échappement transmet à l’oscillateur, à chaque impulsion, une énergie
égale. L’oscillateur travaille à amplitude constante.
Sur palette
Dégagement d’entrée
Impulsion d’entrée
Dégagement de sortie
Impulsion de sortie
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Partagé
Sur dent
Auteurs
M
Concepts
Légende
H
C
Berner en ligne, Fédération horlogère suisse,
www.fhs.ch/berner
Paul M. Chamberlain, It’s About Time, The Holland
Press,
London, 1964
George Daniels, La Montre, troisième édition,
Watchprint.com, 2011
Léopold Defossez, Théorie générale de l’horlogerie,
La Chaux-de-Fonds, 1950
Charles Gros, Echappements d’horloges et de
montres,
Watchmakers Publishing, 2013
Tardy, La montre, les échappements recul, le spiral,
la compensation, Paris, 1968
Edmund Beckett Denison, A Rudimentary Treatise on
Clocks,Watches & Bells, 8th ed., London 1903,
www.gutenberg.org/files/17576
ROLAND BITTERLI, SIMON HENEIN, OLIVIER LAESSER, BILLY NUSSBAUMER,
ILAN VARDI
ILLUSTRATIONS : OLIVIER LAESSER
GRAPHISME : BEGONIA TORA
JUILLET 2015, INSTANTLAB.EPFL.CH
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Problèmes conceptuels de la montre mécanique (I)
Le facteur de qualité Q ⇡ nombre d’oscillations jusqu’à l’arrêt
Balancier–spiral montre
Balancier–spiral chronomètre de marine
Diapason pour montres
Pendule régulateur à pression normale1
Pendule régulateur à basse pression
Cristal de quartz
Horloge atomique au Césium
1
100 – 300
300 – 700
1000 – 2000
3000 – 15000
100,000– 200,000
100,000 – 1,000,000
50,000,000 – 200,000,000
Le Q du pendule de Big Ben a été évalué à 9300.
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La précision des garde-temps est liée à Q
The pendulum must have dominion over the clockwork
John Harrison, inventeur du chronomètre de marine (1693-1776)
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Mon article, Bulletin de la SSC (2014)
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Breaking the second barrier
? Le facteur Q du balancier spiral ⇡ 200 est très bas
? Précision ⌧ 1 seconde/jour ) remplacer le balancier-spiral
par un oscillateur Q
1000
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Problèmes conceptuels de la montre mécanique (II)
? L’échappement est complexe et inefficace,
? Rendement de moins de 40%
? Le mouvement d’une montre mécanique est arrêté 90% du
temps !
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Nouveau concept (problème I)
? Remplacer le balancier-spiral par un diapason.
? Augmente le facteur Q à 2000, donc la précision
? Déjà fait en 1960 par l’Accutron de Bulova
La montre la plus précise de l’époque, garantie à 2s/j
Remplacée par la montre à quartz, années 1970.
? L’Accutron dépend d’un transistor et d’une pile
? L’invention est une montre à diapason entièrement mécanique
? Un concept qui plait aux horlogers suisses, qui ont la nostalgie
de leurs Accutrons de jeunesse
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l’Accutron inventé par Max Hetzel
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Premier brevet
? Un échappement magnétique sans contact (25.12.2010)
? Précède l’annonce de la ”résonique” de Bethune
? Le magnétisme n’est pas de la mécanique traditionnelle
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Deuxième brevet
? Un échappement entièrement mécanique (29.09.2011)
? Respecte la tradition : il reprend l’échappement à ancre suisse
et l’adapte au petites oscillations rapides du diapason
? Le projet a été repris par l’industrie horlogère suisse
? Un démonstrateur à l’échelle montre a fonctionné
? Ne résout pas le problème II
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Un nouveau concept (I et II)
? Résoudre le problème de l’échappement en éliminant
l’échappement
) La mesure du temps redevient continue
? Les oscillateurs classiques ont un degré de liberté et ont un
mouvement de vas-et-vient.
Le maintien des oscillateurs classiques doit être intermittent
? La solution est de considérer des oscillateurs à deux degrés de
liberté
? Un oscillateur à deux degrés de liberté peut avoir des
trajectoires unidirectionnelles
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L’intérêt des oscillateurs à deux degrés de liberté
Les trajectoires unidirectionnelles sont maintenues et comptées par
une manivelle remplaçant l’échappement
Manivelle télescopique de notre brevet
S. Henein, I. Vardi et L. Rubbert, XY ISOTROPIC HARMONIC
OSCILLATOR AND ASSOCIATED TIME BASE WITHOUT
ESCAPEMENT OR WITH SIMPLIFIED ESCAPEMENT, brevet
européen EP2894521, 16 juillet, 2015.
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L’oscillateur : un nouveau concept traditionnel
? Trouver son inspiration de l’époque des découvertes des
oscillateurs, le 17e siècle
? En 1687, Isaac Newton a décrit un oscillateur à deux degrés
de liberté
? Newton a postulé un univers où la gravité est remplacée par la
loi du ressort
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L’oscillateur de Newton
? Par observation, Kepler a énoncé ses trois lois du mouvement
céleste, dont les orbites elliptiques des planètes.
? Newton cherchait une loi de gravitation produisant des ellipses
? Newton a trouvé deux solutions :
1. La loi de gravitation où la force est inversement
proportionnelle au carré de la distance
Les orbites sont des ellipses avec le Soleil à un foyer de l’ellipse
L’année est proportionnelle à (distance du Soleil)3/2
2. La loi de Hooke où la force est proportionnelle à la distance
Les orbites sont des ellipses avec le Soleil au centre de l’ellipse
L’année est la même pour toutes les orbites
? J. Bertrand a démontré que ce sont les seules lois produisant
des orbites fermées.
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La première loi de Kepler
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La troisième loi de Kepler
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Trajectoire, loi de Hooke
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Loi de Hooke : orbites isochrones
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Principia Mathematica, Livre I, Proposition X
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The clock that Newton (and everyone) missed
? Qui dit isochronisme dit base de temps horlogère
? La vitesse change, mais la période reste la même
? Précédemment, tout le monde s’est fixé sur le fait qu’il faut
un régulateur de vitesse où la vitesse reste constante
? Les remarques sur le pendule conique, etc, font toujours
l’hypothèse d’une vitesse constante
? Ceci peut expliquer pourquoi cet oscillateur n’a jamais été
considéré depuis 1687
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Cahier des charges IsoSpring
IsoSpring = mécanisation de l’univers isochrone de Newton
1
Une force de rappel linéaire sur la planète.
2
Un centre de force unique.
3
Une force de rappel isotrope.
4
Une masse se comportant comme une planète ponctuelle.
5
Une insensibilité à la gravité terrestre.
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Première mécanisation
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Premier démonstrateur
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La masse ne doit pas tourner sur elle-même
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Force linéaire centrale par ressorts orthogonaux
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Réalisation d’un ressort isotrope
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Publication du ressort isotrope
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Construction monolithique par lames flexibles
Le facteur de qualité est élevé (solution du problème I)
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Horloge démonstrateur IsoSpring
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Publication IsoSpring
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Une nouvelle famille d’oscillateurs à 2 DOF
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IsoSpring: une révolution traditionnelle
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