EP1519250B1 - Spiralfeder-Unruh-Resonator mit Thermokompensation - Google Patents

Spiralfeder-Unruh-Resonator mit Thermokompensation Download PDF

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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
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    • 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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Claims (13)

  1. Spiralunruh-Resonator, der eine Spirale (5) mit Elastizitätskonstante C und eine Unruh mit Trägheitsmoment I umfasst, wobei die Spirale (5) aus Windungen mit einer Höhe h gebildet ist, die in einem Quarzplättchen (3) verwirklicht sind, das in einem kristallisierten Quarzeinkristall (1) längs der Kristallachsen x, y und z verwirklicht ist, wobei die x-Achse die elektrische Achse ist und die y-Achse die mechanische Achse ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Quarzplättchen (3) in einer Ebene x, y' ausgeschnitten ist, die mit der Ebene x, y senkrecht zu der Kristallachse z einen Winkel θ bildet, wobei der Winkel θ einen Wert im Bereich von +25° bis -25° hat, um das elastische Drehmoment der Spirale (5) zu modifizieren, ohne ihre Geometrie zu modifizieren.
  2. Spiralunruh-Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel θ einen Wert im Bereich von +10° bis -15° hat, um einen minimalen Gangabstand (Δa, Δb, Δmax) zu erhalten.
  3. Spiralunruh-Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Befestigung und die Spiralrolle im selben Quarzplättchen (3) mit der Spirale (5) verwirklicht sind, um ein einziges Teil zu bilden.
  4. Mechanisches Uhrwerk, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Spiralunruh-Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche enthält.
  5. Verfahren zum Herstellen eines Spiralunruh-Resonators nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spirale (5) mit einer Höhe h dadurch erhalten wird, dass die Schritte ausgeführt werden, die darin bestehen:
    - in einem Quarzeinkristall (1) mit Kristallachsen x, y, z, wobei die x-Achse die elektrische Achse ist und die y-Achse die mechanische Achse ist, ein Plättchen (3) in einer Ebene x, y', die mit der Ebene x, y senkrecht zu der Kristallachse z einen Winkel θ bildet, auszuschneiden, wobei der Winkel θ einen Wert im Bereich von +25° bis -25° besitzt, um das elastische Drehmoment der Spirale (5) zu modifizieren, ohne ihre Geometrie zu modifizieren;
    - durch Photolithographie auf der Oberfläche des Plättchens (3) eine Maske zu bilden, die ermöglicht, den gewünschten Umriss der Spirale (5) zu begrenzen, und
    - eine Ätzung auszuführen, um den Quarz, der sich außerhalb des Umrisses der Spirale (7) befindet, zu entfernen und um die Spirale (5) freizugeben.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Schritt des Verdünnens des Plättchens (3) vor dem Photolithographiebildungsschritt umfasst, um die Dicke des Plättchens an die gewünschte Höhe h der Spirale (5) anzupassen.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzen, das das Entfernen des außerhalb des Umrisses der Spirale (7) vorhandenen Quarzes ermöglicht, auf feuchtem Weg ausgeführt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Entfernung des Quarzes durch chemischen Angriff mittels eines HF/NH4F-Gemisches erfolgt.
  9. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzen, das das Entfernen des außerhalb des Umrisses der Spirale (7) befindlichen Quarzes ermöglicht, auf trockenem Weg erfolgt.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen des Quarzes durch reaktives Ionenätzen erfolgt.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte der Photolithographie und des Ätzens ermöglichen, gleichzeitig mit der Spirale ihre äußere Befestigung und die Befestigung der Spiralrolle im Zentrum zu bilden und andere Konstruktionsparameter wie etwa die Dicke der Windungen oder ihre Schrittweite zu wählen.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzwerte des Schnittwinkels θ ermöglichen, die elastische Konstante der erhaltenen Spirale an den Dehnungskoeffizienten der Unruh anzupassen.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Paarung der elastischen Konstante C der Spirale und des Trägheitsmoments I der Unruh hinsichtlich ihrer thermischen Eigenschaften in der Weise ausgeführt wird, dass ein geeigneter Wert des Winkels θ gewählt wird.
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