CH695395A5 - Spiral de résonateur balancier-spiral. - Google Patents

Description

CH 695 395 A5

Description

[0001] La présente invention a pour objet un spiral plat de résonateur balancier-spiral obtenu par un procédé de fabrication permettant d'améliorer l'isochronisme en agissant d'une part sur des paramètres de construction du spiral mais surtout sur une nouvelle conception du mode de fixation sur l'axe de balancier permettant de réduire l'écart géométrique inhérent aux modes de fixation usuels entre le point d'origine de la spirale d'Archimède et l'axe de rotation du balancier. Dans la description qui suit, on entend par isochronisme, les écarts de marche en fonction des variations d'amplitude d'oscillation du balancier, ainsi que les écarts de marche entre la position horizontale et les positions verticales de la montre.

[0002] L'invention a donc pour objet un spiral plat dont l'extrémité de la courbe à l'intérieur comporte une rondelle auto-bloquante formant virole dont le contour de l'ouverture centrale permet d'assujettir ledit spiral à un axe de balancier. Cette rondelle est caractérisée en ce que le contour extérieur est fermé, et en ce que la paroi intérieure du contour de l'ouverture comporte une succession de zones élastiques discrètes et définies par des lumières formées à travers la rondelle au droit desdites zones élastiques.

[0003] Linvention offre l'avantage de pouvoir, en même temps que le spiral en tant que tel, fabriquer le moyen de fixation sur l'axe de balancier, ce moyen de fixation étant formé par une rondelle autoblocante ayant au centre, par exemple, un contour en étoile et comportant des évidements dans son pourtour pour lui conférer une élasticité suffisante au montage et éviter un écart entre le point d'origine de la spirale d'Archimède et l'axe de rotation du balancier.

[0004] Pour un spiral en métal ou alliage, le procédé de fabrication consiste fondamentalement à appliquer la technique LIGA pour former un moule correspondant au profil souhaité par le spiral. Compte-tenu des propriétés des photorésists actuellement disponibles sur le marché, il est possible d'ajuster l'épaisseur de la couche de photorésist pour obtenir toute la gamme des spiraux avec des hauteurs de lame allant jusqu'à quelques dixièmes de millimètre.

[0005] Pour un spiral en un matériau amorphe ou cristallin, le procédé consiste fondamentalement à effectuer une gravure d'une plaquette dudit matériau à travers des masques.

[0006] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description de différents exemples de réalisation donnés à titre illustratif et non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels:

- la fig. 1 représente un balancier-spiral de l'art antérieur;

- la fig. 2 est une représentation agrandie du spiral de la fig. 1 ;

- la fig. 3A correspond à un diagramme d'isochronisme obtenu avec le spiral représenté à la fig. 2;

- la fig. 3B correspond à un diagramme d'isochronisme obtenu avec un autre spiral de l'art antérieur;

- la fig. 4 représente un premier mode de réalisation d'un spiral selon l'invention;

- la fig. 5 correspond à un diagramme d'isochronisme obtenu avec le spiral de la fig. 4;

- la fig. 6 représente un deuxième mode de réalisation d'un spiral selon l'invention;

- la fig. 7 correspond à un diagramme d'isochronisme obtenu avec le spiral de la fig. 6;

- la fig. 8 représente un troisième mode de réalisation d'un spiral selon l'invention;

- la fig. 9 correspond à un diagramme d'isochronisme obtenu avec le spiral de la fig. 8;

- la fig. 10 représente un mode de fixation d'un spiral selon l'invention, et

- les fig. 10A à 10E représentent d'autres formes de fixation au centre.

[0007] La fig. 1, partiellement arrachée, représente un balancier-spiral de l'art antérieur évoqué en préambule. Ses caractéristiques serviront de référence pour montrer les progrès significatifs apportés par l'invention au niveau de l'isochronisme. Le spiral 10 a l'extrémité de sa courbe au centre 11 fixée de façon classique sur une virole 20 chassée sur l'axe 9 du balancier 8 pivoté entre la platine 7 et le coq 6. Le dispositif réglant comporte en outre de façon connue un porte-piton 5 permettant de fixer la courbe à l'extérieur 14 du spiral 10 et éventuellement une raquette 4 pourvue de goupilles 3 et d'une queue de raquette 2 en regard d'une graduation 1. Sur la fig. 2, qui est une représentation agrandie du spiral 10 seul, on voit que ledit spiral est formé de 14 spires ayant une section rectangulaire uniforme, par exemple de 0,05 x 0,30 mm depuis la courbe au centre 11 jusqu'à la courbe à l'extérieur 14, et que les spires présentent entre elles un pas constant p. Le point de fixation de la courbe au centre 11 est situé à une distance r du centre de pivotement du spiral, et celui de la courbe à l'extérieur 14, à une distance R, avant le coude 16. Dans cet exemple, r et R ont respectivement pour valeurs 0,57 mm et 2,46 mm. Ces valeurs de r et R, ainsi que nombre de spires, seront les mêmes dans la suite de la description, sauf indications contraires.

[0008] En se référant maintenant à la fig. 3A on a représenté le diagramme d'isochronisme d'un spiral ayant les caractéristiques sus-indiquées. On a porté en abscisses l'amplitude d'oscillation du balancier exprimée en degrés par rapport à sa position d'équilibre. En ordonnées on a reporté l'écart de marche exprimé en seconde par jour. Ce diagramme comporte cinq courbes correspondant aux positions usuelles de mesures avec le balancier-spiral, horizontal (courbe 1), puis vertical (courbes 2 à 5, par rotation de 90° d'une courbe à l'autre). Le tracé en pointillés correspond à l'enveloppe de toutes les positions les plus défavorables. Lappréciation de l'écart de marche s'effectue traditionnellement en prenant en considération l'écart maximum de l'enveloppe pour une amplitude comprise entre 200° et 300°. Sur le diagramme de la fig. 3A, on observe que cet écart maximum, avec ce spiral de référence de l'art antérieur, est de 4,7 s/j pour une amplitude de 236°.

[0009] A la fig. 3B on a représenté le diagramme obtenu avec un spiral (non représenté) ayant les caractéristiques mentionnées dans le brevet US 209 642 cité en préambule, à savoir avec une épaisseur de lame variant entre 0,046 mm pour la courbe à l'extérieur 14 et 0,036 mm pour la courbe à l'intérieur 11. Contrairement à ce qu'on peut attendre

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d'après l'enseignement dudit brevet on observera que l'écart maximum a augmenté jusqu'à 7,7 s/j pour une amplitude de 230°.

[0010] En se référant maintenant aux fig. 4 et 5 on décrit ci-après un premier mode de réalisation d'un spiral dont la fabrication par micro-usinage (photolithographie et croissance galvanique, ou gravure d'un matériau amorphe ou cristallin permet d'obtenir une géométrie favorable à l'isochronisme. Comme on peut le voir, le pas p. entre une spire et la suivante diminue au fur et à mesure qu'on se rapproche du centre du spiral. Inversement, la section augmente depuis la courbe à l'extérieur 14 jusqu'à la courbe à l'intérieur 11. Etant donné que les procédés de fabrication confèrent à la lame une hauteur constante, la variation de section correspond en fait à une variante de l'épaisseur qui passe de 0,036 mm pour la courbe à l'extérieur 14 à 0,046 mm pour la courbe à l'intérieur 11.

[0011] Sur le diagramme représenté à la fig. 5, on voit que l'écart maximum est abaissé à 2,8 s/j pour une amplitude de 242°. On obtiendrait encore un résultat favorable sur cet écart maximum en agissant uniquement, soit sur le pas p, soit sur l'épaisseur e de la lame.

[0012] Les fig. 6 et 7 correspondent à une deuxième mode de réalisation de type «Michel» pour la courbe à l'extérieur 14 et pour la courbe à l'intérieur 11. Les spires ont entre elles un pas constant et une section constante correspondant à une épaisseur constante de 0,042 mm, à l'exception de deux portions de spires pour lesquelles l'épaisseur est portée à 0,056 mm:

- une portion 12 de la courbe à l'intérieur 11 sur un secteur angulaire d'environ 80° dont la partie médiane se trouve sensiblement à -110° d'un axe de référence Ox, et

- une portion 15 de la courbe à l'extérieur 14 sur un secteur angulaire d'environ 20° dont la partie médiane se trouve sensiblement à + 115° de l'axe de référence Ox.

[0013] Sur le diagramme représenté à la fig. 7 on voit que l'écart maximum n'est plus que de 1,8 s/j. La valeur de la surépaisseur et les positionnements sur les spires ne sont donnés ci-dessus qu'à titre illustratif, et il est bien évident que l'homme de métier peut choisir d'avoir un plus grand nombre de zones de surépaisseur en différents endroits.

[0014] Les fig. 8 et 9 correspondent à un troisième mode de réalisation dans lequel la courbe à l'intérieur 11 est de type Grossmann 13, c'est-à-dire en ayant une géométrie telle que celle décrite dans l'ouvrage «Théorie générale de l'horlogerie» de L. Defossez. Une telle géométrie est très délicate à obtenir par déformation d'une lame métallique. Le procédé de fabrication selon l'invention permet par contre d'obtenir très facilement une telle configuration sans l'intervention d'un personnel hautement qualifié. Le diagramme représenté à la fig. 9 montre que l'écart maximum à 300° n'est que de 2,1 s/j.

[0015] Bien évidemment, compte tenu de la liberté de configuration que donnent les procédés de fabrication selon l'invention, il est possible de combiner les modes de réalisations précédemment décrits pour obtenir un spiral selon l'invention ayant un isochronisme amélioré.

[0016] A la fig. 10 on a représenté un spiral correspondant au premier mode de réalisation (fig. 4) dans lequel la virole 20 est remplacée par une rondelle autobloquante 17 formée en même temps que le spiral 10. Cette rondelle 17 présente en son centre un contour 19 tel qu'il permet de bloquer sans jeu l'axe 9 du balancier 8 en ayant une certaine élasticité procurée par des lumières 18 réparties autour du contour de blocage 19 représenté en étoile à la fig. 10. Les fig. 10A à 10E montrent d'autres conformations possibles de la rondelle autobloquante 17 avec un contour de blocage 19 en triangle, en carré, hexagonal, circulaire ou en ogive. Lorsqu'on réalise l'ensemble spiral-rondelle autobloquante par photolithographie et croissance galvanique on peut avantageusement, au moyen d'une étape supplémentaire, réaliser ladite rondelle autobloquante 17 avec une épaisseur supérieure à la hauteur de la lame pour obtenir une meilleure tenue du spiral 10 sur l'axe 9 du balancier.

[0017] Un spiral et la rondelle formant virole selon l'invention en un matériau amorphe ou cristallin, tel que du silicium, peuvent être fabriqués en adaptant les procédés de micro-usinage déjà utilisés par exemple pour la fabrication de circuits intégrés ou d'accéléromètres à partir d'une plaquette de silicium. On peut notamment se référer aux procédés décrits dans les brevets US 4 571 661 et US 5 576 250 concernant des accéléromètres. Le procédé consiste fondamentalement en les étapes suivantes:

- appliquer une plaquette de silicium sur un substrat en créant une interface en Si02 isolante;

- amincir la plaquette jusqu'à la hauteur «h» de lame désirée selon la méthode décrite par C. Harendt et al. («Wafer bonding and its application to silicon-on-insulator fabrication» Technical Digest MNE'90, 2nd Workshop, Berlin, November 90, p. 81-86);

- former par photolithographie un masquage correspondant au contour désiré du spiral et de la virole;

- effectuer la gravure de la plaquette de silicium jusqu'au substrat, selon des procédés connus, telle qu'une attaque chimique par voie humide, un usinage à sec par plasma, ou une combinaison des deux; et

- séparer le spiral du substrat.

[0018] Compte-tenu des très petites dimensions, il est évidemment possible et avantageux de les fabriquer par lot à partir d'une unique plaquette de silicium.

[0019] Pour fabriquer un spiral et la virole selon l'invention en métal ou en alliage, on fait appel à la technique LIGA connue depuis le milieu des années 70. Dans une première étape le procédé consiste fondamentalement à étaler sur un substrat préalablement revêtu d'une couche sacrificielle un photorésist positif ou négatif sur une épaisseur correspondant à la hauteur «h» de lame désirée et former au moyen d'un masque par photolithographie et attaque chimique

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une structure en creux correspondant au contour désiré pour le spiral. Dans une deuxième étape, on remplit ladite structure en creux d'un métal ou d'un alliage métallique soit par électrodéposition comme indiqué par exemple dans le brevet US 4 661 212, soit par compression et frittage de nanoparticules, comme indiqué par exemple dans la demande de brevet US 2001/0038803.

[0020] Dans une dernière étape on libère le spiral du substrat par élimination de la couche sacrificielle.

Claims (9)

Revendications

1. Spiral de résonateur balancier-spiral dont l'extrémité de la courbe à l'intérieur (11) comporte une rondelle autobloquante (17) formant virole dont le contour (19) de l'ouverture centrale permet d'assujettir ledit spiral à un axe de balancier, caractérisé en ce que le contour extérieur de ladite rondelle (17) est fermé, et en ce que la paroi intérieure du contour (19) de l'ouverture comporte une succession de zones élastiques discrètes et définies par des lumières (18) formées à travers la rondelle (17) au droit desdites zones élastiques.

2. Spiral selon la revendication 1, caractérisé en ce que le contour (19) de l'ouverture à la forme d'un polygone régulier.

3. Spiral selon la revendication 2, caractérisé en ce que le polygone régulier est choisi parmi le triangle, le carré et l'hexagone.

4. Spiral selon la revendication 2, caractérisé en ce que les lumières (18) ont une forme oblongue s'étendant suivant les côtés du polygone régulier.

5. Spiral selon la revendication 1, caractérisé en ce que le contour (19) de l'ouverture a une forme circulaire ou en étoile et en ce que les lumières (18) disposées de place en place ont une forme de secteurs annulaires.

6. Spiral selon la revendication 5, caractérisé en ce que des passages traversants font communiquer l'ouverture et la partie médiane des secteurs annulaires (18).

7. Spiral selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est réalisé avec la rondelle autobloquante (17)

8. Spiral selon une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en se qu'il est réalisé en un matériau amorphe ou cristallin, tel que le silicium.

9. Spiral selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est réalisé en métal ou alliage.

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