[0001] La présente invention concerne un spiral pour oscillateur mécanique balancier-spiral de mouvement d'horlogerie ou autre instrument de précision. Plus particulièrement, la présente invention concerne un ressort spiral autocompensé.
Etat de la technique
[0002] L'organe régulateur des montres mécaniques est conventionnellement composé d'un volant d'inertie, appelé balancier et d'un ressort en spirale, appelé spiral ou ressort spiral, fixé par une extrémité sur l'axe du balancier et par l'autre extrémité sur un pont, appelé coq, dans lequel pivote l'axe du balancier. Plus précisément, le ressort spiral équipant, à ce jour, les mouvements de montres mécaniques est une lame métallique élastique de section rectangulaire enroulée sur elle-même en spirale d'Archimède et comportant de 12 à 15 tours.
[0003] Le balancier-spiral oscille autour de sa position d'équilibre (ou point mort). Lorsque le balancier quitte cette position, il arme le spiral. Cela crée un couple de rappel qui, lorsque le balancier est libéré, le fait revenir à sa position d'équilibre. Comme il a acquis une certaine vitesse, donc une énergie cinétique, il dépasse son point mort jusqu'à ce que le couple contraire du spiral l'arrête et l'oblige à tourner dans l'autre sens. Ainsi, le spiral régule la période d'oscillation du balancier.
[0004] 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.
[0005] La plupart des méthodes proposées pour compenser ces variations de fréquence sont basées sur la considération que cette fréquence propre dépend exclusivement du rapport entre la constante du couple de rappel exercé par le spiral sur le balancier et le moment d'inertie de ce dernier, comme indiqué dans la relation suivante:
F = 1/2[pi] (C/l)<0><.><5>(1)
où:
F = la fréquence propre de l'oscillateur,
C = la constante du couple de rappel exercé par le spiral de l'oscillateur, et
I = le moment d'inertie du balancier de l'oscillateur.
[0006] Par exemple, depuis la découverte des alliages à base de Fe-Ni possédant un coefficient thermique du module de Young (ci-après CTE) positif, la compensation thermique de l'oscillateur mécanique est obtenue en ajustant le CTE du spiral en fonction des coefficients de dilatation thermique du spiral et du balancier. En effet, en exprimant le couple et l'inertie à partir des caractéristiques du spiral et du balancier, puis en dérivant l'équation (1) par rapport à la température, on obtient la variation thermique de la fréquence propre:
1/F dF/dT = <1>/2 (1/E dE/dT + 3cs- 2cb) (2)
où:
1/E dE/dT = CTE: est le coefficient thermique du module de Young du spiral,
cs= le coefficient de dilatation thermique du spiral, et
cb = le coefficient de dilatation thermique du balancier.
[0007] En ajustant le terme d'autocompensation A = [1/2] (CTE + 3cs) à la valeur du coefficient de dilatation thermique du balancier o,, il est possible d'annuler l'équation (2). Ainsi, la variation thermique de la fréquence propre de l'oscillateur mécanique peut être éliminée. Dans l'équation (2), le CTE du spiral est en pratique beaucoup plus élevé que son coefficient de dilatation thermique, et ce dernier peut être négligé.
[0008] Actuellement, on utilise des alliages complexes, tant par le nombre des composants que par les procédés métallurgiques utilisés dans le but d'obtenir une autocompensation des variations du module d'élasticité du métal en combinant deux influences contraires: celle de la température et celle de la magnétoconstriction (contraction des corps magnétiques sous l'effet de l'aimantation).
[0009] Cependant, les spiraux composés de ces alliages sont difficiles à fabriquer. Tout d'abord, en raison de la complexité des procédés utilisés pour réaliser les alliages, les propriétés mécaniques intrinsèques du métal ne sont pas constantes d'une production à l'autre. Ensuite, le réglage de l'organe régulateur, qui est la technique permettant de faire en sorte que la montre indique en tout temps l'heure la plus juste, est fastidieux et long. Cette opération nécessite de nombreuses interventions manuelles et beaucoup de pièces défectueuses doivent être éliminées. Pour ces raisons, la production est coûteuse et le maintien d'une qualité constante est un défi permanent.
[0010] Dans le document JP6 117 470, un ressort en forme de spiral est réalisé en silicium monocristallin. Il est dimensionné de manière à avoir un couple de rappel constant, pour fournir un appareil de mesure électrique de grande précision. Toutefois, ce document est muet quant à la stabilité thermique de la constante du couple de rappel de ce ressort. Il ne peut donc être utilisé directement comme ressort spiral dans une pièce d'horlogerie.
[0011] Dans le document DE10 127 733, un ressort spiral est fabriqué en silicium monocristallin revêtu de dioxyde de silicium de sorte à obtenir une bonne stabilité de la forme du spiral avec des variations de température. La stabilité thermique de la constante du couple de rappel de ce ressort n'est non plus pas mentionnée dans ce document.
[0012] Le CTE du silicium est fortement influencé par la température et une compensation de cet effet est nécessaire pour son utilisation dans des applications horlogères. En effet, le CTE du silicium est de l'ordre de -60 * 10<-><6>/[deg.]C et la dérive thermique d'un ressort spiral en silicium est ainsi d'environ 155 secondes/jour, pour une variation de température de 23[deg.]C +/-15[deg.]C. Cela le rend incompatible avec les exigences horlogères qui sont de l'ordre de 8 secondes/jour.
[0013] Le document EP1 422 436 décrit un ressort spiral découpé dans une plaque {001} de silicium monocristallin. Le spiral comporte une couche de SiO2, présentant un CTE opposé à celui du silicium et formée autour de la surface extérieure du spiral, afin de minimiser la dérive thermique de l'ensemble balancier-spiral.
[0014] Cependant, la présence d'une couche relativement épaisse, autour de 6% la largeur du ressort spiral, résulte dans un spiral avec un état de surface foncé et mat, ayant un aspect inesthétique.
Bref résumé de l'invention
[0015] Un but de la présente invention est de proposer un dispositif de ressort spiral exempt des limitations de l'état de la technique.
[0016] Un autre but de l'invention est de proposer un ressort spiral destiné à équiper un oscillateur mécanique balancier-spiral de mouvement d'horlogerie ou autre instrument de précision, formé d'un ressort spiral en silicium comportant une surface extérieure et ayant un premier coefficient thermique du module de Young (CTE) compensé.
[0017] Selon l'invention, ces buts sont atteints notamment par l'ajout de matière pour compenser au moins partiellement le premier CTE du silicium.
[0018] Selon un mode de réalisation de l'invention, la matière est ajoutée sous la forme d'un revêtement métallique, par exemple, un revêtement en Invar<(R)> ou Elinvar, recouvrant au moins partiellement la surface extérieure du ressort spiral.
[0019] Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la matière est ajoutée sous la forme d'une ou plusieurs couches d'oxyde, par exemple du SiO2, à l'intérieur de la surface extérieure de silicium du ressort spiral.
[0020] Encore selon un autre mode de réalisation de l'invention, la matière est ajoutée sous la forme d'une ou plusieurs couches de silicium dopé, à l'intérieur de la surface extérieure de silicium du ressort spiral.
[0021] Encore selon un autre mode de réalisation de l'invention, le ressort spiral compensé comporte un revêtement de diamant ou DLC couvrant au moins partiellement sa surface extérieure.
[0022] Cette solution présente notamment l'avantage par rapport à l'art antérieur d'obtenir un spiral en silicium dont la sensibilité aux variations thermiques et aux champs magnétiques est minimisée. De plus, les spiraux en silicium sont facilement usinables et conformables, et permettent des coûts de fabrication faibles. Le ressort spiral de l'invention ne nécessite pas la présence d'une couche relativement épaisse d'oxyde sur sa surface extérieure peut avoir un aspect de surface esthétique.
Brève description des figures
[0023] Des exemples de mise en oeuvre de l'invention sont indiqués dans la description illustrée par les figures annexées dans lesquelles:
[0024] la fig. 1 illustre un ressort spiral selon l'invention;
[0025] la fig. 2a montre un segment du ressort spiral en coupe longitudinale selon un mode de réalisation de l'invention;
[0026] la fig. 2b montre un segment du ressort spiral en coupe transversale selon un mode de réalisation de l'invention;
[0027] la fig. 3 montre un segment du ressort spiral selon un autre mode de réalisation de l'invention; et
[0028] la fig. 4 représente un segment du ressort spiral encore selon un autre mode de réalisation de l'invention.
Exemple(s) de mode de réalisation de l'invention
[0029] Le spiral de l'invention, représenté aux fig. 1 à 4, comporte un barreau 2 comprenant une surface extérieure 3, et découpé en spiral dans une plaque en silicium à l'aide d'un procédé d'usinage humide ou sec, tel que l'usinage par plasma ou par le procédé DRIE (Deep Reaction Ion Etching). Le silicium peut être monocristallin, avec une orientation telle que {001}, {111} ou autre, ou encore être polycristallin. Le silicium possède un premier coefficient thermique du module de Young (CTE) négatif et est amagnétique. Le barreau a de préférence une section rectangulaire.
[0030] Selon un mode de réalisation de l'invention illustré dans les fig. 2a et 2b, qui montrent un segment du ressort spiral 1 en coupe longitudinale et transversale, respectivement, de la matière est ajoutée sous la forme d'un revêtement 4 composé d'un métal ou d'un alliage métallique, et couvrant au moins partiellement la surface extérieure 3 du ressort spiral 1. Dans cet exemple, le revêtement 4 est composé d'un alliage Fe- 36%Ni possédant un deuxième CTE sensiblement positif de manière à compenser le premier CTE du silicium. Préférablement, l'alliage est de type Invar<(R)>et contient certaines impuretés telles que, par exemple, le carbone et le chrome. Le revêtement 4 possède un deuxième CTE de signe opposé au premier CTE du silicium de manière à compenser, au moins partiellement, le premier CTE du silicium.
[0031] Le revêtement 4 peut également être composé d'autres types d'alliages. Par exemple, un alliage de type Elinvar (Fe- 36%Ni- 12%Cr), ou encore de type Kovar (Fe- 28%Ni- 18%Co) peuvent être employés, dans la mesure où le revêtement 4, composé d'un de ces alliages, permet de compenser au moins partiellement le premier CTE su silicium.
[0032] Dans une variante du mode de réalisation, le ressort spiral 1 en silicium est revêtu au moins partiellement sur sa surface extérieure 3 d'un alliage à base de niobium et de zirconium, par exemple, Nb- 5%-25%Zr.
[0033] Dans une autre variante du mode de réalisation, le ressort spiral 1 est revêtu au moins partiellement sur sa surface extérieure 3 d'un revêtement 4 en métal inoxydable et amagnétique tel que l'or, le platine, le rhodium, le palladium, etc., ayant un deuxième CTE sensiblement positif.
[0034] L'alliage ou le métal peut être réalisé par un procédé de déposition en phase vapeur tel que la déposition PVD, mais peut également être effectué au moyen de divers procédés connus, tels que le sputtering, l'implantation ionique ou le dépôt électrolytique.
[0035] Dans un autre mode de réalisation de l'invention illustré à la fig. 3, qui montre un segment du ressort spiral 1 en coupe longitudinale, le ressort spiral 1 comporte de la matière ajoutée sous la forme d'une ou plusieurs couches métalliques 5, deux dans l'exemple de la fig. 3, située dans le volume du ressort spiral 1, à l'intérieur de la surface extérieure 3 de silicium. Dans cette configuration, chacune des couches métalliques 5 est séparée de l'autre par du silicium 6. Les couches métalliques 5 possèdent un deuxième CTE de signe contraire à celui du CTE du silicium de sorte à compenser au moins partiellement le premier CTE du silicium. Le nombre et l'épaisseur des couches métalliques 5 peuvent être déterminés de manière à compenser au moins partiellement le premier CTE du silicium.
[0036] Encore dans un autre mode de réalisation de l'invention, le ressort spiral 1 comporte de la matière ajoutée sous la forme d'une ou plusieurs couches d'oxyde 7 selon la configuration de la fig. 3. Chacune des couches d'oxyde 7 a un deuxième CTE de signe opposé au premier CTE du silicium, de manière à compenser, au moins partiellement, le premier CTE du silicium. Dans cette configuration, l'oxyde se trouve à l'intérieur de la surface extérieure 3, permettant au ressort spiral 1 de présenter une surface 3 en silicium libre d'une couche d'oxyde épaisse et inesthétique.
[0037] De façon alternative, un revêtement d'oxyde 8 peut également être ajouté de manière à couvrir au moins partiellement la surface extérieure du ressort spiral 1.
[0038] L'oxyde peut être du SiO2, nitrure de silicium, carbure de silicium, oxyde de zirconium, ou tout autre oxyde permettant d'obtenir une ou des couches 7 ou un revêtement 8 apte à compenser au moins partiellement le premier CTE du silicium.
[0039] L'oxyde peut être formé à l'aide de diverses techniques connues comprenant, par exemple, l'oxydation thermique, la déposition en phase vapeur, l'implantation ionique, l'hydrolyse à la flamme, etc.
[0040] Par exemple, le ressort spiral 1 ayant la configuration de la fig. 3 peut être formé en déposant, alternativement, le silicium avec un procédé LPCVD, et l'oxyde avec un procédé PECVD. Le silicium peut également être formé par un procédé PVD.
[0041] Dans une variante du mode de réalisation, l'oxyde est dopé de sorte à modifier le deuxième CTE de l'oxyde, en ajustant le niveau de dopage de celui-ci. L'élément de dopage peut comprendre un élément non métallique comme le bore, le phosphore, l'azote, le carbone, etc., ou un élément métallique, ou encore une mixture de ces éléments. Le dopage peut être réalisé par un procédé de diffusion chimique ou par implantation ionique. Une étape de recuit peut être réalisée afin de densifier la couche 7 ou le revêtement 8 d'oxyde dopé.
[0042] Encore dans un autre mode de réalisation de l'invention, le ressort spiral 1 comporte de la matière ajoutée sous la forme d'un élément de dopage de sorte à produire une ou plusieurs couches de silicium dopé 9 selon la configuration de la fig. 3. Le niveau de dopage du silicium peut être ajusté de manière à modifier le deuxième CTE du silicium dopé de manière à compenser, au moins partiellement, le premier CTE du silicium.
[0043] Dans une variante du mode de réalisation, le silicium peut également être dopé dans une région couvrant au moins partiellement la surface extérieure du ressort spiral 1.
[0044] Dans une autre variante du mode de réalisation, la totalité du silicium du ressort spiral 1 est dopé.
[0045] Le silicium peut être dopé avec un élément non métallique comprenant, par exemple, le bore, le phosphore, l'azote, le carbone, etc., ou un élément métallique, tel que le Fe, Ni, Co, Zr, ou autres, ou encore une mixture de ces éléments. Le dopage peut être réalisé par un procédé de diffusion chimique ou par implantation ionique.
[0046] Encore dans un autre mode de réalisation illustré à la fig. 4, qui montre un segment du ressort spiral 1 en coupe longitudinale, le ressort spiral 1 est fabriqué, dans une première étape, en usinant une première couche de silicium (non représentée) par une technique connue de sorte à créer une ou plusieurs cavités (non représentées), par exemple non traversantes, dans l'épaisseur de cette première couche. Dans une deuxième étape, les cavités sont remplies d'un métal ou alliage, d'un d'oxyde ou de silicium dopé, de sorte à produire des structures 10 ayant un deuxième CTE de signe opposé au premier CTE du silicium. Dans une troisième étape, une deuxième couche de silicium (non représentée) est déposée sur la première couche de silicium comportant les structures 10.
Les cavités peuvent être usinées avec une forme rectangulaire, sphérique ou autre, à l'aide d'un procédé d'usinage connu. Les étapes ci-dessus peuvent être répétées plus d'une fois, de manière à produire un ressort spiral 1 composite comportant plusieurs structures 10, deux rangées de plusieurs structures 10 dans l'exemple de la fig. 4, dans une matrice de silicium, capables de compenser, au moins partiellement, le premier CTE du silicium. Les structures 10 sont disposées à l'intérieur de la surface extérieure 3 du ressort spiral 1.
[0047] Encore dans un autre mode de réalisation non représenté, le ressort spiral 1 comporte des couches 5, 7, 9 composée de matériaux différents, par exemple, une alternance de couches 7 composées d'un oxyde de nature différente d'une couche à l'autre, ou des couches d'oxydes 7 alternées avec des couches métalliques 5, etc.
[0048] Le ressort spiral 1 de l'invention peut également comporter un revêtement de diamant ou de DLC (non représenté) couvrant au moins partiellement la surface extérieure 3 ou le revêtement 4, 8. Un tel revêtement de diamant ou de DLC est avantageux pour ses propriétés mécaniques telles que dureté, faible coefficient de frottement, résistance aux chocs, ainsi qu'à des fins décoratives. Par exemple, le ressort revêtu de diamant ou de DLC sera ainsi moins cassant. La surface du revêtement en diamant ou en DLC peut être oxygénée, hydrogénée ou fluorée, ou encore dopée avec l'un ou une mixture des éléments déjà cités ci-dessus. Le revêtement en diamant ou en DLC peut être déposé directement sur le silicium ou sur une couche intermédiaire d'oxyde, par exemple de SiO2.
[0049] Il va de soi que la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit et que diverses modifications et variantes simples peuvent être envisagées par l'homme de métier sans sortir du cadre de la présente invention.
[0050] Par exemple, d'autres matériaux que ceux mentionnés ci-dessus peuvent également être ajoutés sous les formes et configurations décrites ci-dessus ou encore selon d'autres configurations; dans la mesure ou ces matériaux et configurations soient capables de compenser au moins partiellement le premier CTE du silicium.
[0051] Encore dans un autre mode de réalisation de l'invention non représenté, le ressort spiral 1 est fabriqué dans un matériau composite comportant au moins deux matériaux ayant un premier et deuxième CTE opposés, respectivement où la matière ajoutée prend, par exemple, la forme d'une trame dans la matrice de silicium.
[0052] Le ressort spiral 1 peut également être composé d'une matrice métallique constituée d'un alliage tel que l'Invar<(R)>, l'Elinvar ou le Kovar, et comprenant des particules de silicium et/ou d'un oxyde, tel que le SiO2, le nitrure de silicium ou le carbure de silicium. Les particules, ayant un CTE sensiblement opposé à celui de la matrice, peuvent prendre la forme de sphères, lamelles ou avoir toutes autres formes.
Numéros de référence employés sur les figures
[0053]
<tb>1<sep>spiral
<tb>2<sep>barreau
<tb>3<sep>surface extérieure du barreau
<tb>4<sep>revêtement métallique
<tb>5<sep>couche métallique
<tb>6<sep>silicium
<tb>7<sep>couche d'oxyde
<tb>8<sep>revêtement d'oxyde
<tb>9<sep>couche de silicium dopé
<tb>10<sep>structure
<tb>CTE<sep>coefficient thermique du module de Young
The present invention relates to a spiral for mechanical oscillator balance-spiral watch movement or other precision instrument. More particularly, the present invention relates to an autocompensated spiral spring.
State of the art
The regulating organ of the mechanical watches is conventionally composed of a flywheel, called balance and a spiral spring, called spiral or spiral spring, fixed by one end on the axis of the balance and by the another end on a bridge, called cock, in which pivots the axis of the balance. More specifically, the spiral spring equipping, to date, the movements of mechanical watches is an elastic metal blade of rectangular section wound on itself spiral Archimedes and comprising from 12 to 15 turns.
The sprung balance oscillates around its equilibrium position (or dead point). When the pendulum leaves this position, it arms the hairspring. This creates a return torque which, when the balance is released, returns it to its equilibrium position. As he has acquired a certain speed, therefore a kinetic energy, he exceeds his dead point until the opposite pair of the hairspring stops him and forces him to turn in the other direction. Thus, the spiral regulates the period of oscillation of the balance.
The accuracy of the mechanical watches depends on the stability of the natural frequency of the oscillator formed of the sprung balance. When the temperature varies, the thermal expansions of the balance spring and balance, as well as the variation of the Young's modulus of the spiral, modify the natural frequency of this oscillating assembly, disturbing the accuracy of the watch.
Most of the methods proposed to compensate for these frequency variations are based on the consideration that this natural frequency depends exclusively on the ratio between the constant of the return torque exerted by the balance spring on the balance and the moment of inertia of the latter. , as shown in the following relation:
F = 1/2 [ft] (C / 1) <0> <.> <5> (1)
or:
F = the natural frequency of the oscillator,
C = the constant of the restoring moment exerted by the spiral of the oscillator, and
I = the moment of inertia of the pendulum of the oscillator.
For example, since the discovery of Fe-Ni based alloys having a thermal coefficient of Young's modulus (hereinafter CTE) positive, the thermal compensation of the mechanical oscillator is obtained by adjusting the CTE of the spiral in function of the coefficients of thermal expansion of the spiral and the balance. Indeed, by expressing the torque and the inertia from the characteristics of the balance spring and the balance, then by deriving the equation (1) with respect to the temperature, one obtains the thermal variation of the natural frequency:
1 / F dF / dT = <1> / 2 (1 / E dE / dT + 3cs-2cb) (2)
or:
1 / E dE / dT = CTE: is the thermal coefficient of the Young's modulus of the hairspring,
cs = the coefficient of thermal expansion of the hairspring, and
cb = the coefficient of thermal expansion of the pendulum.
By adjusting the self-compensation term A = [1/2] (CTE + 3cs) to the value of the coefficient of thermal expansion of the pendulum o ,, it is possible to cancel equation (2). Thus, the thermal variation of the natural frequency of the mechanical oscillator can be eliminated. In equation (2), the CTE of the hairspring is in practice much higher than its coefficient of thermal expansion, and this coefficient can be neglected.
Currently, complex alloys are used, both by the number of components and by the metallurgical processes used for the purpose of obtaining a self-compensation of the variations of the modulus of elasticity of the metal by combining two contrary influences: that of the temperature. and that of magnetoconstriction (contraction of magnetic bodies under the effect of magnetization).
[0009] However, the spirals made of these alloys are difficult to manufacture. First of all, because of the complexity of the processes used to make the alloys, the intrinsic mechanical properties of the metal are not constant from one production to another. Then, the setting of the regulating organ, which is the technique to ensure that the watch indicates at all times the most accurate time, is tedious and long. This operation requires many manual interventions and many defective parts must be eliminated. For these reasons, production is expensive and maintaining consistent quality is an ongoing challenge.
In JP6 117 470, a spring-shaped spiral is made of monocrystalline silicon. It is dimensioned to have a constant return torque, to provide a very accurate electrical measuring device. However, this document is silent as to the thermal stability of the constant of the return torque of this spring. It can not be used directly as a spiral spring in a timepiece.
In DE10 127 733, a spiral spring is made of monocrystalline silicon coated with silicon dioxide so as to obtain good stability of the spiral shape with temperature variations. The thermal stability of the constant of the return torque of this spring is also not mentioned in this document.
The silicon CTE is strongly influenced by the temperature and a compensation of this effect is necessary for its use in horological applications. Indeed, the CTE silicon is of the order of -60 * 10 <-> <6> / [deg.] C and the thermal drift of a spiral spring silicon is thus about 155 seconds / day, for a temperature variation of 23 [deg.] C +/- 15 [deg.] C. This makes it incompatible with watchmaking requirements which are of the order of 8 seconds / day.
EP1 422 436 discloses a spiral spring cut into a plate {001} of monocrystalline silicon. The hairspring comprises a layer of SiO 2, having a CTE opposite to that of silicon and formed around the outer surface of the hairspring, in order to minimize the thermal drift of the hairspring assembly.
However, the presence of a relatively thick layer, around 6% the width of the spiral spring, results in a spiral with a dark and matte surface state, having an unsightly appearance.
Brief summary of the invention
An object of the present invention is to provide a spiral spring device without limitations of the state of the art.
Another object of the invention is to provide a spiral spring for equipping a mechanical oscillator balance-spiral watch movement or other precision instrument, formed of a spiral spring silicon having an outer surface and having a first temperature coefficient of Young's modulus (CTE) compensated.
According to the invention, these objects are achieved in particular by the addition of material to at least partially compensate for the first CTE of silicon.
According to one embodiment of the invention, the material is added in the form of a metal coating, for example, an Invar <(R)> or Elinvar coating, at least partially covering the outer surface of the spring. spiral.
According to another embodiment of the invention, the material is added in the form of one or more oxide layers, for example SiO 2, inside the outer silicon surface of the spiral spring.
According to another embodiment of the invention, the material is added in the form of one or more layers of doped silicon, inside the outer silicon surface of the spiral spring.
According to another embodiment of the invention, the compensated spiral spring comprises a diamond coating or DLC covering at least partially its outer surface.
This solution has the advantage over the prior art to obtain a silicon spiral whose sensitivity to thermal variations and magnetic fields is minimized. In addition, the silicon spirals are easily machinable and conformable, and allow low manufacturing costs. The spiral spring of the invention does not require the presence of a relatively thick layer of oxide on its outer surface can have an aesthetic surface appearance.
Brief description of the figures
Examples of implementation of the invention are indicated in the description illustrated by the appended figures in which:
FIG. 1 illustrates a spiral spring according to the invention;
FIG. 2a shows a segment of the spiral spring in longitudinal section according to one embodiment of the invention;
FIG. 2b shows a segment of the spiral spring in cross-section according to one embodiment of the invention;
FIG. 3 shows a segment of the spiral spring according to another embodiment of the invention; and
FIG. 4 shows a segment of the spiral spring still according to another embodiment of the invention.
Example (s) of embodiment of the invention
The spiral of the invention, shown in Figs. 1 to 4, comprises a bar 2 comprising an outer surface 3, and spirally cut in a silicon wafer using a wet or dry machining method, such as plasma machining or by the DRIE method. (Deep Reaction Ion Etching). The silicon may be monocrystalline, with an orientation such as {001}, {111} or else, or else be polycrystalline. Silicon has a negative first thermal coefficient of Young's modulus (CTE) and is non-magnetic. The bar preferably has a rectangular section.
According to one embodiment of the invention illustrated in FIGS. 2a and 2b, which show a segment of the spiral spring 1 in longitudinal and transverse section, respectively, of the material is added in the form of a coating 4 composed of a metal or a metal alloy, and covering at least partially the outer surface 3 of the spiral spring 1. In this example, the coating 4 is composed of a Fe-36% Ni alloy having a second CTE substantially positive so as to compensate for the first CTE of the silicon. Preferably, the alloy is of the Invar <(R)> type and contains certain impurities such as, for example, carbon and chromium. The coating 4 has a second CTE of opposite sign to the first CTE of the silicon so as to compensate, at least partially, the first CTE of the silicon.
The coating 4 may also be composed of other types of alloys. For example, an alloy of the Elinvar type (Fe-36% Ni-12% Cr), or Kovar type (Fe-28% Ni-18% Co) can be used, insofar as the coating 4, consisting of one of these alloys makes it possible to at least partially compensate for the first silicon CTE.
In one variant of the embodiment, the spiral spring 1 of silicon is coated at least partially on its outer surface 3 of an alloy based on niobium and zirconium, for example, Nb-5% -25% Zr .
In another variant of the embodiment, the spiral spring 1 is coated at least partially on its outer surface 3 with a coating 4 of stainless metal and non-magnetic such as gold, platinum, rhodium, palladium , etc., having a second substantially positive CTE.
The alloy or the metal can be made by a vapor deposition process such as PVD deposition, but can also be carried out using various known methods, such as sputtering, ion implantation or deposition. electrolytic.
In another embodiment of the invention illustrated in FIG. 3, which shows a segment of the spiral spring 1 in longitudinal section, the spiral spring 1 comprises added material in the form of one or more metal layers 5, two in the example of FIG. 3, located in the volume of the spiral spring 1, inside the outer surface 3 of silicon. In this configuration, each of the metal layers 5 is separated from the other by silicon 6. The metal layers 5 have a second CTE of opposite sign to that of the silicon CTE so as to at least partially compensate for the first CTE of the silicon. The number and thickness of the metal layers 5 can be determined so as to at least partially compensate for the first CTE of the silicon.
In yet another embodiment of the invention, the spiral spring 1 comprises added material in the form of one or more oxide layers 7 according to the configuration of FIG. 3. Each of the oxide layers 7 has a second CTE of opposite sign to the first CTE of the silicon, so as to compensate, at least partially, the first CTE of the silicon. In this configuration, the oxide is inside the outer surface 3, allowing the spiral spring 1 to have a free silicon surface 3 of a thick and unsightly oxide layer.
Alternatively, an oxide coating 8 may also be added so as to at least partially cover the outer surface of the spiral spring 1.
The oxide may be SiO 2, silicon nitride, silicon carbide, zirconium oxide, or any other oxide making it possible to obtain one or more layers 7 or a coating 8 capable of compensating at least partially the first CTE of the silicon.
The oxide may be formed using various known techniques including, for example, thermal oxidation, vapor deposition, ion implantation, flame hydrolysis, and the like.
For example, the spiral spring 1 having the configuration of FIG. 3 can be formed by alternately depositing silicon with an LPCVD process, and oxidizing with a PECVD process. Silicon can also be formed by a PVD process.
In one variant of the embodiment, the oxide is doped so as to modify the second CTE of the oxide, by adjusting the doping level thereof. The doping element may comprise a non-metallic element such as boron, phosphorus, nitrogen, carbon, etc., or a metal element, or a mixture of these elements. The doping can be carried out by a chemical diffusion process or by ion implantation. An annealing step may be performed to densify the layer 7 or doped oxide coating 8.
In yet another embodiment of the invention, the spiral spring 1 comprises added material in the form of a doping element so as to produce one or more doped silicon layers 9 according to the configuration of the invention. fig. 3. The doping level of the silicon can be adjusted to modify the second CTE of the doped silicon so as to compensate, at least partially, the first CTE of the silicon.
In one variant of the embodiment, the silicon may also be doped in a region at least partially covering the outer surface of the spiral spring 1.
In another variant of the embodiment, all the silicon of the spiral spring 1 is doped.
The silicon may be doped with a non-metallic element comprising, for example, boron, phosphorus, nitrogen, carbon, etc., or a metal element, such as Fe, Ni, Co, Zr, or others, or a mixture of these elements. The doping can be carried out by a chemical diffusion process or by ion implantation.
Still in another embodiment illustrated in FIG. 4, which shows a segment of the spiral spring 1 in longitudinal section, the spiral spring 1 is manufactured, in a first step, by machining a first silicon layer (not shown) by a known technique so as to create one or more cavities ( not shown), for example non-through, in the thickness of this first layer. In a second step, the cavities are filled with a doped metal or alloy, oxide or silicon, so as to produce structures having a second CTE of opposite sign to the first CTE of the silicon. In a third step, a second silicon layer (not shown) is deposited on the first silicon layer comprising the structures 10.
The cavities can be machined with a rectangular shape, spherical or otherwise, using a known machining process. The above steps can be repeated more than once, so as to produce a composite spiral spring 1 having several structures 10, two rows of several structures 10 in the example of FIG. 4, in a silicon matrix, capable of compensating, at least partially, the first CTE of silicon. The structures 10 are disposed inside the outer surface 3 of the spiral spring 1.
In yet another embodiment not shown, the spiral spring 1 comprises layers 5, 7, 9 made of different materials, for example, an alternation of layers 7 composed of an oxide of different nature of a layer. to the other, or layers of oxides 7 alternated with metal layers 5, etc.
The spiral spring 1 of the invention may also comprise a coating of diamond or DLC (not shown) at least partially covering the outer surface 3 or the coating 4, 8. Such diamond coating or DLC is advantageous for its mechanical properties such as hardness, low coefficient of friction, impact resistance, as well as for decorative purposes. For example, the diamond-coated or DLC-coated spring will thus be less brittle. The surface of the diamond coating or DLC can be oxygenated, hydrogenated or fluorinated, or doped with one or a mixture of the elements already mentioned above. The diamond or DLC coating may be deposited directly on the silicon or on an intermediate layer of oxide, for example SiO 2.
It goes without saying that the present invention is not limited to the embodiment which has just been described and that various modifications and simple variants can be envisaged by the skilled person without departing from the scope of the present invention. .
For example, other materials than those mentioned above can also be added in the forms and configurations described above or according to other configurations; to the extent that these materials and configurations are capable of at least partially compensating for the first silicon CTE.
In yet another embodiment of the invention not shown, the spiral spring 1 is made of a composite material comprising at least two materials having a first and second CTE opposed, respectively where the added material takes, for example, the shape of a frame in the silicon matrix.
The spiral spring 1 may also be composed of a metal matrix consisting of an alloy such as Invar <(R)>, Elinvar or Kovar, and comprising particles of silicon and / or of an oxide, such as SiO2, silicon nitride or silicon carbide. The particles, having a CTE substantially opposite that of the matrix, can take the form of spheres, lamellae or have any other forms.
Reference numbers used in the figures
[0053]
<Tb> 1 <September> spiral
<Tb> 2 <September> Bar
<tb> 3 <sep> outer surface of the bar
<tb> 4 <sep> metal coating
<tb> 5 <sep> metal layer
<Tb> 6 <September> silicon
<tb> 7 <sep> oxide layer
<tb> 8 <sep> oxide coating
<tb> 9 <sep> doped silicon layer
<Tb> 10 <September> structure
<tb> CTE <sep> Young's modulus thermal coefficient