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EP1519250B1 - Résonateur balancier-spiral thermocompensé - Google Patents

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Publication number
EP1519250B1
EP1519250B1 EP03021787A EP03021787A EP1519250B1 EP 1519250 B1 EP1519250 B1 EP 1519250B1 EP 03021787 A EP03021787 A EP 03021787A EP 03021787 A EP03021787 A EP 03021787A EP 1519250 B1 EP1519250 B1 EP 1519250B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
balance
spring
quartz
axis
angle
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP03021787A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP1519250A1 (fr
Inventor
Thierry Hessler
Rudolf Dinger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Asulab AG
Original Assignee
Asulab AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Asulab AG filed Critical Asulab AG
Priority to DE60333191T priority Critical patent/DE60333191D1/de
Priority to EP03021787A priority patent/EP1519250B1/fr
Priority to TW093128448A priority patent/TWI372952B/zh
Priority to US10/943,855 priority patent/US7503688B2/en
Priority to KR1020040075712A priority patent/KR20050030558A/ko
Priority to CNB2004100801241A priority patent/CN100483271C/zh
Priority to JP2004279139A priority patent/JP4805560B2/ja
Publication of EP1519250A1 publication Critical patent/EP1519250A1/fr
Priority to HK05106159.9A priority patent/HK1073697A1/xx
Application granted granted Critical
Publication of EP1519250B1 publication Critical patent/EP1519250B1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04B—MECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
    • G04B17/00—Mechanisms for stabilising frequency
    • G04B17/20—Compensation of mechanisms for stabilising frequency
    • G04B17/22—Compensation of mechanisms for stabilising frequency for the effect of variations of temperature
    • G04B17/222—Compensation of mechanisms for stabilising frequency for the effect of variations of temperature with balances
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04B—MECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
    • G04B18/00—Mechanisms for setting frequency
    • G04B18/04—Adjusting the beat of the pendulum, balance, or the like, e.g. putting into beat

Definitions

  • the present invention relates to a thermocompensated balance spring-balance resonator for reducing the diurnal temperature deviation of a mechanical watch movement to a level comparable to that of a quartz electronic watch.
  • the diurnal gait of a mechanical movement depends essentially on the regulating members, and in particular on the balance spring whose frequency of oscillation can be influenced by variations in external factors, such as a change in temperature or the presence of a magnetic field.
  • the temperature acts in particular both on the moment of inertia of the balance and on the elastic constant of the spiral, and modifies the frequency of the sprung balance which is indeed a function of these two parameters.
  • the balance it is generally made a non-magnetic alloy such as glucydur, making the oscillatory movement of the pendulum can not be disturbed by the proximity of magnetic materials.
  • glucydur a non-magnetic alloy
  • the document EP 732 635 discloses a micro-mechanical part made of mono or polycrystalline silicon and its manufacturing process which makes it possible to replace a material of the "Elinvar" type.
  • the workpiece is photostructured on a silicon wafer and may comprise an at least partial outer coating of the diamond structure type for exonerating lubrication means.
  • the aim of the invention is to overcome the drawbacks of the aforementioned prior art by providing a spiral balance having an even smaller deviation of effort, particularly because of a spiral made of a non-magnetic material whose expansion coefficients and the variation thermal of the modulus of elasticity allow, during manufacture, to adapt the elastic constant of said spiral at the moment of inertia of the balance.
  • E the modulus of elasticity
  • h the height of the spiral
  • e its thickness
  • L its developed length.
  • the invention relates to a spring-balance resonator for a mechanical clockwork movement comprising a spring constant spring C and a momentum of inertia beam I in which the spring is formed of turns of height h made from a single crystal.
  • quartz for the manufacture of a spiral also offers the advantage, besides its excellent thermal characteristics, of also possessing excellent mechanical and chemical properties, in particular in terms of aging, oxidation and sensitivity. magnetic fields.
  • the photolithography and etching technique makes it possible, on the one hand, to form in the quartz plate, at the same time as the spiral as such, its attachment to the outside and the fixing ferrule in the center, on the other hand. freely choose other spiral parameters such as the thickness e of the turns or their pitch, at any point of its development.
  • the quartz blade is cut along a plane forming an angle ⁇ / 2 - ⁇ relative to the crystallographic axis z, that is to say equivalent way by forming by rotation around the x-axis, an angle ⁇ relative to the direction of the height h of the spiral.
  • This step consists in taking a quartz bar 1 having for crystallographic axes xyz, and in cutting a blade 3 having for thickness the height h desired for the blade 3, for example of a few tenths millimeters.
  • the desired height h can also be obtained by cutting a blank which is then subjected in a known manner to a machining operation by chemical, physical or physicochemical means to thin the blade up to the height h .
  • This blade is cut along a plane xy 'forming an angle ⁇ with the plane xy perpendicular to the crystallographic axis z, that is to say by rotation of the xy plane by an angle ⁇ about the x axis.
  • the figure 2 also shows schematically, for an enlarged portion of the hairspring near the center curve, the following steps of the method. These steps consist, according to known methods for the fabrication of microstructures, to form by photolithography a mask for delimiting the contour 5 of the spiral, and to define outside said contour zones 7 to be eliminated to create the spiral .
  • the photolithography and etching process allows, if desired, to form at the same time the attachment to the outside and the attachment to the center, that is to say a ferrule coming from material with the spiral. It also allows to freely choose other parameters of the spiral to improve its performance, such as the thickness of the turns and / or their pitch, and this at any point in the development of the spiral.
  • the elimination of the zones 7 situated outside the contour can be carried out according to known methods, for example for the manufacture of tuning forks of electronic watches.
  • a wet etching can be carried out, in particular etching by means of a mixture of hydrofluoric acid and ammonium fluoride (HF / NH 4 F). It is also possible to carry out a dry attack, for example using the technique of reactive ion etching.
  • the figure 4 represents a set of curves giving the operating gap as a function of the temperature and showing how it is possible, by a simple variation of the angle ⁇ to obtain a minimum difference in girth with rockers having different coefficients of expansion, as shown in Table 1 below: Table 1 coefficient of expansion ⁇ Angle ⁇ curve of 5.10 -6 K -1 - 14.6 ° curve e 10.10 -6 K -1 - 7 ° curve f 15.10 -6 K -1 + 7 °
  • the curve g corresponds to the tuning fork of an electronic watch taken as a reference.

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Description

  • La présente invention à pour objet un résonateur balancier-spiral thermocompensé permettant de réduire l'écart thermique de marche diurne d'un mouvement horloger mécanique à un niveau comparable à celui d'une montre électronique à quartz.
  • Il est bien connu que l'écart de marche diurne d'un mouvement mécanique dépend essentiellement des organes réglants, et notamment du balancier-spiral dont la fréquence d'oscillation peut être influencée par des variations des facteurs extérieurs, tels qu'un changement de température ou la présence d'un champ magnétique. La température agit notamment à la fois sur le moment d'inertie du balancier et sur la constante élastique du spiral, et modifie la fréquence du balancier-spiral qui est en effet fonction de ces deux paramètres.
  • En ce qui concerne le balancier, il est généralement réalisé un alliage amagnétique tels que le glucydur, faisant que le mouvement oscillatoire du balancier ne peut pas être perturbé par la proximité de matériaux magnétiques. Pour minimiser l'influence de la température sur le moment d'inertie du balancier, c'est-à-dire en fait sur la variation de son rayon de giration, de très nombreux dispositifs ont été proposés dès les années 1900, ces dispositifs étant essentiellement basés sur le principe du balancier bimétallique coupé.
  • Ces dispositifs ne seront pas décrits plus avant, étant donné que l'invention ne concerne pas des caractéristiques géométriques du balancier en tant que tel.
  • En ce qui concerne le spiral, on a déjà depuis longtemps, d'une façon encore considérée comme satisfaisante, minimisé les écarts de marche dus aux variations de température en les fabriquant dans des alliages dont l'élasticité reste pratiquement constante dans la gamme de températures usuelles d'utilisation. Il s'agit notamment d'alliages fer-nickel contenant également du chrome et du titane comme durcissants ainsi que divers autres éléments (C, Mo, Be, etc). De tels alliages, bien connus sous les dénominations telles que l"'Elinvar" permettent, dans la meilleure qualité d'obtenir un écart de marche de ± 0,6 seconde par degré en 24h, mais peuvent encore être sensibles à l'effet d'un champs magnétique. De plus leur fabrication fait appel à des procédés métallurgiques complexes ne permettant pas de garantir une reproductibilité parfaite des caractéristiques recherchées, de sorte qu'il est encore nécessaire de procéder à l'appairage du balancier et du spiral lors du montage.
  • Le document EP 732 635 divulgue une pièce de micro-mécanique en silicium mono ou polycristallin et son procédé de fabrication qui permet de remplacer un matériau du type « Elinvar ». La pièce est photostructurée sur une plaque de silicium et peut comprendre un revêtement extérieur au moins partiel du type à structure de diamant destiné à s'exonérer de moyens de lubrification.
  • L'invention a pour but de pallier aux inconvénients de l'art antérieur précité en procurant un balancier-spiral présentant un écart de marche encore plus faible en raison notamment d'un spiral réalisé en un matériau amagnétique dont les coefficients de dilatation et la variation thermique du module d'élasticité permettent, lors de la fabrication, d'adapter la constante élastique dudit spiral au moment d'inertie du balancier.
  • On rappellera que la constante élastique du spiral, autrement désignée par "couple unitaire du spiral" répond à la formule I : C = Ehe 3 12 ⁢ L
    Figure imgb0001
    dans laquelle E est le module d'élasticité, h la hauteur du spiral, e son épaisseur et L sa longueur développée. La fréquence du balancier-spiral peut être reliée à la formule I par la formule II : f = 1 2 ⁢ π ⁢ C I
    Figure imgb0002
    dans laquelle I représente le moment d'inertie du balancier, correspondant à la formule III : l = m ⁢ r 2
    Figure imgb0003
    dans laquelle m représente la masse et r le rayon de giration qui dépend évidemment du coefficient de dilatation a du balancier.
  • A cet effet l'invention concerne un résonateur balancier-spiral pour mouvement horloger mécanique comportant un spiral de constante élastique C et un balancier de moment d'inertie I dans lequel le spiral est formé de spires de hauteur h réalisées à partir d'un monocristal de quartz d'axes cristallographiques x, y, z, l'axe x, étant l'axe électrique et l'axe y l'axe mécanique, la hauteur h des spires ayant sensiblement la même orientation que l'axe cristallographique z, la lame de quartz étant découpée selon un plan x, y' formant un angle θ avec le plan x, y perpendiculaire à l'axe cristallographique z. Plus précisément l'angle θ peut varier entre + 25° et - 25°, de préférence entre + 10° et - 15°, ce qui permet de faire varier la constante élastique du spiral sans en modifier la géométrie.
  • Grâce à cette conception du spiral, il est ainsi possible d'adapter très simplement la constante élastique dudit spiral (formule I) au coefficient de dilatation linéaire a du balancier, qui modifie le moment d'inertie (formule III) dudit balancier, afin que la fréquence (formule II) du résonateur balancier-spiral soit thermocompensée.
  • L'utilisation du quartz pour la fabrication d'un spiral offre également l'avantage, outre ses excellentes caractéristiques thermiques, de posséder aussi d'excellentes propriétés mécaniques et chimiques, en particulier au niveau du vieillissement, de l'oxydation et de la sensibilité aux champs magnétiques.
  • L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel spiral consistant à :
    • découper dans un barreau de quartz d'axes cristallographiques x y z une lame dont l'épaisseur sera éventuellement amincie à une hauteur h désirée pour les spires ;
    • former par photolithographie à la surface de la lame un masque dont le contour délimite la forme désirée pour le spiral,
    • effectuer une gravure par voie humide ou par voie sèche pour éliminer le quartz se trouvant à l'extérieur du contour créé, et libérer le spiral.
  • La technique de photolithographie et gravure permet, d'une part de former dans la lame de quartz, en même temps que le spiral en tant que tel, son attache à l'extérieur et la virole de fixation au centre, d'autre part de choisir librement d'autres paramètres du spiral tels que l'épaisseur e des spires ou leur pas, en un point quelconque de son développement.
  • Pour modifier le couple élastique du spiral et l'adapter au coefficient de dilatation linéaire d'un balancier donné, la lame de quartz est découpée selon un plan formant un angle π/2 - θ par rapport à l'axe cristallographique z, soit de façon équivalente en formant par rotation autour de l'axe x, un angle θ par rapport à la direction de la hauteur h du spiral.
  • D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description qui suit, faite à titre illustratif et non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels :
    • les figures 1 et 2 représentent les étapes essentielles du procédé de fabrication d'un spiral en quartz selon l'invention;
    • la figure 3 est un graphique représentant l'écart de marche en fonction de la température d'un spiral en quartz selon l'invention, avec une courbe de comparaison, et
    • la figure 4 est un graphique comparable à celui de la figure 3 dans lequel le spiral est réalisé à partir de lames de quartz découpées selon différents angles de coupe.
  • A la figure 1 on a représenté la première étape du procédé de fabrication d'un spiral selon l'invention. Cette étape consiste à prendre un barreau de quartz 1 ayant pour axes cristallographiques x y z, et à découper une lame 3 ayant pour épaisseur la hauteur h désirée pour la lame 3, par exemple de quelques dixièmes millimètres. La hauteur h désirée précise peut également être obtenue en découpant une ébauche qu'on soumet ensuite de façon connue à une opération d'usinage par des moyens chimiques, physiques ou physico-chimiques pour amincir la lame jusqu'à la hauteur h. Cette lame est découpée selon un plan x y' formant un angle θ avec le plan x y perpendiculaire à l'axe cristallographique z, c'est-à-dire par rotation du plan x y d'un angle θ autour de l'axe x.
  • Comme on peut le voir sur la figure 2 représentant une portion de cette même lame 3 à plat, la direction de la hauteur h selon l'axe z' forme un angle θ avec l'axe cristallographique z.
  • La figure 2 représente également schématiquement, pour une portion agrandie de spiral près de la courbe au centre, les étapes suivantes du procédé. Ces étapes consistent, selon des procédés connus pour la fabrication de micro-structures, à former par photolithographie un masque permettant de délimiter le contour 5 du spiral, et de définir à l'extérieur dudit contour des zones 7 devant être éliminées pour créer le spiral.
  • Le procédé de photolithographie et gravure permet, si on le souhaite, de former en même temps l'attache à l'extérieur et l'attache au centre, c'est-à-dire une virole venant de matière avec le spiral. Il permet aussi de choisir librement d'autres paramètres du spiral pour en améliorer ses performances, tels que l'épaisseur des spires et/ou leur pas, et ceci en un point quelconque du développement du spiral.
  • L'élimination des zones 7 situées à l'extérieur du contour peut être effectuée selon des procédés connus, par exemple pour la fabrication des diapasons des montres électroniques. On peut effectuer une attaque par voie humide en particulier une attaque chimique au moyen d'un mélange d'acide fluorhydrique et de fluorure d'ammonium (HF/NH4F). On peut également effectuer une attaque par voie sèche, en faisant par exemple appel à la technique de gravure ionique réactive.
  • En se référant maintenant à la figure 3, on a représenté l'écart de marche en secondes par jour en fonction de la température pour un spiral en quartz (courbe a) lorsque le balancier est réalisé en un matériau ayant un coefficient de dilatation α = 14 10-6 K-1 et un diapason de montre électronique (courbe b), tous les deux fabriqués avec un angle θ = 2°. On a également représenté par des traits verticaux la gamme de températures à retenir à fin de comparaison selon les normes COSC (Contrôle Officiel Suisse des Chronomètres), à savoir entre + 8°C et + 38°C. On peut observer que les courbes a et b sont très proches l'une de l'autre dans la gamme COSC, l'écart maximum à partir du point de retournement 10 ayant respectivement pour valeurs Δa = 0,5s/j et Δb = 1,2s/j.
  • La figure 4 représente un faisceau de courbes donnant l'écart de marche en fonction de la température et montrant comment il est possible, par une simple variation de l'angle θ d'obtenir un écart de marche minimum avec des balanciers ayant différents coefficients de dilatation, comme indiqué dans le tableau 1 ci-après : Tableau 1
    coefficient de dilatation α Angle θ
    courbe d 5.10-6 K-1 - 14,6°
    courbe e 10.10-6 K-1 - 7°
    courbe f 15.10-6 K-1 + 7°
    La courbe g correspond au diapason d'une montre électronique pris comme référence.
  • On peut observer que, dans la gamme COSC couvrant 30°C, l'écart maximum est d'environ Δmax = -0,6s/j, soit encore de l'ordre de 0,02 seconde par degré en 24h, valeur très inférieure à celle qu'on peut obtenir avec un spiral métallique de la meilleure qualité.

Claims (13)

  1. Résonateur balancier-spiral comportant un spiral (5) de constante élastique C et un balancier de moment d'inertie I, le spiral (5) étant formé de spires de hauteur h réalisées dans une lame (3) de quartz découpée dans un monocristal de quartz cristallisé (1) selon des axes cristallographiques x, y et z, l'axe x étant l'axe électrique et y étant l'axe mécanique caractérisé en ce que la lame (3) de quartz est découpée selon un plan x, y' formant un angle θ avec le plan x, y perpendiculaire à l'axe cristallographique z, l'angle θ ayant une valeur comprise entre + 25° et - 25° afin de modifier le couple élastique du spiral (5) sans modifier sa géométrie.
  2. Résonateur balancier-spiral selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle θ a une valeur comprise entre +10° et -15° afin d'obtenir un écart de marche (Δa, Δb, Δmax) minimum.
  3. Résonateur balancier-spiral selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'attache extérieure et la virole du spiral sont réalisées dans la même lame (3) de quartz avec le spiral (5) afin de former une pièce unique.
  4. Mouvement horloger mécanique caractérisé en ce qu'il comporte un résonateur balancier-spiral conforme à l'une des revendications précédentes.
  5. Procédé de fabrication d'un résonateur balancier-spiral selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le spiral (5) de hauteur h est obtenu en effectuant les étapes consistant à :
    - découper dans un monocristal de quartz (1) d'axes cristallographiques x y z, l'axe x étant l'axe électrique et y l'axe mécanique, une lame (3) selon un plan x, y' formant un angle θ avec le plan x, y perpendiculaire à l'axe cristallographique z, l'angle θ ayant une valeur comprise entre + 25° et - 25° afin de modifier le couple élastique du spiral (5) sans modifier sa géométrie;
    - former par photolithographie à la surface de la lame (3) un masque permettant de délimiter le contour désiré pour le spiral (5) ; et
    - effectuer une gravure pour éliminer le quartz se trouvant à l'extérieur du contour du spiral (7), et libérer le spiral (5).
  6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'amincissement de la lame (3) avant l'étape de formation par photolithographie afin d'adapter l'épaisseur de ladite lame à la hauteur h voulue du spiral (5).
  7. Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que la gravure permettant d'éliminer le quartz situé à l'extérieur du contour du spiral (7) est effectuée par voie humide.
  8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite élimination du quartz est effectuée par attaque chimique au moyen d'un mélange HF/NH4F.
  9. Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que la gravure permettant d'éliminer le quartz situé à l'extérieur du contour du spiral (7) est effectuée par voie sèche.
  10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite élimination du quartz est effectuée par gravure ionique réactive.
  11. Procédé selon l'une des revendications 5 à 10, caractérisé en ce que les étapes de photolithographie et gravure permettent de former en même temps que le spiral son attache à l'extérieur, la virole de fixation au centre et de choisir d'autres paramètres de construction tels que l'épaisseur des spires ou leur pas.
  12. Procédé selon l'une des revendications 5 à 11, caractérisé en ce que les valeurs limites de l'angle de coupe θ permettent d'adapter la constante élastique du spiral obtenu au coefficient de dilatation d'un balancier.
  13. Procédé selon l'une des revendications 5 à 12, caractérisé en ce que l'appairage de la constante élastique C du spiral et du moment d'inertie I du balancier, en ce qui concerne leurs caractéristiques thermiques, est effectué en choisissant une valeur appropriée de l'angle θ.
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