EP2175328B1 - Mouvement horloger comportant un spiral plat - Google Patents

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EP2175328B1
EP2175328B1 EP10151818.1A EP10151818A EP2175328B1 EP 2175328 B1 EP2175328 B1 EP 2175328B1 EP 10151818 A EP10151818 A EP 10151818A EP 2175328 B1 EP2175328 B1 EP 2175328B1
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EP
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spiral
curve
balance
spring
hairspring
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EP2175328A2 (fr
EP2175328A3 (fr
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Thierry Conus
Kaspar Trümpy
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ETA SA Manufacture Horlogere Suisse
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ETA SA Manufacture Horlogere Suisse
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    • 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
    • G04B17/32—Component parts or constructional details, e.g. collet, stud, virole or piton
    • G04B17/34—Component parts or constructional details, e.g. collet, stud, virole or piton for fastening the hairspring onto the balance
    • 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
    • G04B17/04—Oscillators acting by spring tension
    • G04B17/06—Oscillators with hairsprings, e.g. balance
    • G04B17/066—Manufacture of the spiral spring
    • 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
    • G04B17/32—Component parts or constructional details, e.g. collet, stud, virole or piton
    • G04B17/34—Component parts or constructional details, e.g. collet, stud, virole or piton for fastening the hairspring onto the balance
    • G04B17/345—Details of the spiral roll
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    • G04D—APPARATUS OR TOOLS SPECIALLY DESIGNED FOR MAKING OR MAINTAINING CLOCKS OR WATCHES
    • G04D3/00—Watchmakers' or watch-repairers' machines or tools for working materials
    • G04D3/0002—Watchmakers' or watch-repairers' machines or tools for working materials for mechanical working other than with a lathe
    • G04D3/0035—Watchmakers' or watch-repairers' machines or tools for working materials for mechanical working other than with a lathe for components of the regulating mechanism
    • G04D3/0041—Watchmakers' or watch-repairers' machines or tools for working materials for mechanical working other than with a lathe for components of the regulating mechanism for coil-springs
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04D—APPARATUS OR TOOLS SPECIALLY DESIGNED FOR MAKING OR MAINTAINING CLOCKS OR WATCHES
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    • G04D3/0069—Watchmakers' or watch-repairers' machines or tools for working materials for working with non-mechanical means, e.g. chemical, electrochemical, metallising, vapourising; with electron beams, laser beams

Definitions

  • the present invention relates to a spiral spring-balance spiral spring obtained by a manufacturing method for improving the isochronism by acting on the one hand on the construction parameters of the spiral as such, on the other hand on a method of attachment on the balance shaft to reduce the geometric difference inherent in the usual fastening modes between the point of origin of the Archimedes spiral and the axis of rotation of the balance.
  • isochronism is understood to mean the gait variations as a function of the oscillation amplitude variations of the balance wheel, as well as the gait deviations between the horizontal position and the vertical positions of the watch.
  • a spiral having turns of uniform section and pitch, allows, by a particular conformation of the curve inside and the curve outside in the plane of the spiral or, more often, in different planes. , to obtain a concentric development of the hairspring and to have a displacement of the center of mass of the hairspring and a variation of the spiral inertia during the development, minimizing the gait disturbances as a function of the amplitude and the positions of the hairspring compared to the gravity vector.
  • height congestion is a drawback for its use in wristwatches should have, for obvious reasons of aesthetics, as small a thickness as possible.
  • a flat hairspring such as that represented in FIG. figure 1 .
  • Such a hairspring is manufactured in known manner by strapping from a wire or a metal strip of constant section over its entire length, and has at rest a constant pitch between the turns.
  • the curve inside is fixed, for example by laser welding, on a shell 20, driven on the axis 9 of a balance 8.
  • CH327796 discloses a watch movement according to the preamble of claim 1 a flat hairspring and methods of manufacturing by micromachining or galvanic growth, to conveniently choose the most favorable construction parameters to improve the isochronism by the shape of the hairspring as well as by the fixing means.
  • the invention relates to a watch movement as defined in claim 1.
  • the method of manufacturing the spiral uses micro-techniques, such as photolithography and electrodeposition of a metal or an alloy, or the micromachining of a machine.
  • wafer thickness "h" made of an amorphous or crystalline material such as silicon in monocrystalline or polycrystalline form.
  • the spiral has a turn portion deviating from the curve of a perfect spiral, having a Grossmann type curve inside.
  • the manufacturing process basically consists of applying the LIGA technique to form a mold corresponding to the profile desired by the spiral. Given the properties of photoresists currently available on the market, it is possible to adjust the thickness of the photoresist layer to obtain the full range of spirals with blade heights of up to a few tenths of a millimeter.
  • the method basically consists in etching a wafer of said material through masks.
  • the figure 1 represents a sprung balance of the prior art mentioned in the preamble. Its characteristics will serve as a reference to show the significant progress made by the invention at the level of isochronism.
  • the hairspring 10 has the end of its curve in the center 11 fixed in a conventional manner on a shell 20 driven on the axis 9 of the balance 8 pivoted between the plate 7 and the cock 6.
  • the regulating device further comprises, in a known manner, a stud carrier 5 for fixing the curve to the outside 14 of the hairspring 10 and possibly a racket 4 provided with pins 3 and a racket tail 2 opposite a graduation 1.
  • said hairspring is formed of 14 turns having a uniform rectangular cross-section, for example 0.05 x 0.30 mm from the curve at the center 11 to the curve at the outside 14, and that the turns have between them a constant pitch p .
  • the point of attachment of the curve to the center 11 is situated at a distance r from the center of pivoting of the spiral, and that of the curve to the outside 14, at a distance R, before the bend 16.
  • r and R are respectively 0.57 mm and 2.46 mm.
  • the Figures 8 and 9 correspond to an embodiment in which the curve inside 11 is Grossmann type 13, that is to say having a geometry such as that described in the book "Theory General of Watchmaking” L. Defossez . Such a geometry is very delicate to obtain by deformation of a metal blade.
  • the manufacturing method according to the invention makes it possible to very easily obtain such a configuration without the intervention of highly qualified personnel.
  • the diagram shown in figure 9 shows that the maximum deviation at 300 ° is only 2.1 s / d.
  • the method basically consists in spreading on a substrate previously coated with a sacrificial layer a positive or negative photoresist on a thickness corresponding to the desired "h" height of the blade and forming by means of a mask by photolithography and etching a hollow structure corresponding to the desired contour for the hairspring.
  • said hollow structure is filled with a metal or a metal alloy either by electrodeposition as indicated for example in the patent US 4,661,212 or by compression and sintering nanoparticles, as indicated for example in the patent application US 2001/0038803 .
  • the hairspring is released from the substrate by elimination of the sacrificial layer.

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Description

  • 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 en tant que tel, d'autre part sur un 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.
  • De façon connue un spiral, ayant des spires de section et de pas uniformes, permet, par une conformation particulière de la courbe à l'intérieur et de la courbe à l'extérieur dans le plan du spiral ou le plus souvent dans des plans différents, d'obtenir un développement concentrique du spiral et d'avoir un déplacement du centre de masse du spiral et une variation de l'inertie du spiral au cours du développement minimisant les perturbations de marche en fonction de l'amplitude et des positions du spiral par rapport au vecteur gravité. Outre le fait que la réalisation d'un tel spiral exige une grande habilité, l'encombrement en hauteur constitue un inconvénient certain pour son utilisation dans des montres bracelets devant avoir, pour des raisons évidentes d'esthétique, une épaisseur la moins grande possible.
  • Pour cette raison on préfère encore utiliser un spiral plat, tel que celui représenté à la figure 1. Un tel spiral est fabriqué de façon connue par estrapadage à partir d'un fil ou d'une bande métallique de section constante sur toute sa longueur, et possède au repos un pas constant entre les spires. Comme on le voit sur la figure 1, la courbe à l'intérieur est fixée, par exemple par soudure laser, sur une virole 20, chassée sur l'axe 9 d'un balancier 8.
  • Par rapport à cet état de la technique, en ce qui concerne le pas entre les spires, il convient toutefois de mentionner le brevet CH 465 537, déposé en 1966 , dans lequel est décrit un procédé permettant de fabriquer à partir d'une bande ou d'un fil métallique de section constante, enroulé dans le sillon d'une matrice, puis recuit et trempé, des spiraux ayant une configuration quelconque, en particulier avec un pas variable. A la meilleure connaissance de la demanderesse, aucun produit de ce type n'a été mis sur le marché, ce qui permet de supposer que le procédé de fabrication n'était, techniquement ou économiquement, pas satisfaisant.
  • En ce qui concerne la variation de l'épaisseur d'une bande métallique enroulée, on peut mentionner le brevet GB 1020 456 qui décrit la fabrication d'un ressort de barillet par soudures bout à bout de lames ayant des sections croissantes depuis le centre jusqu'à la périphérie. Un tel ressort est conçu, à encombrement égal, pour augmenter la réserve de marche, mais il est bien évident qu'en appliquant ce procédé de fabrication à un spiral, la présence de soudures ne permettrait pas d'avoir un développement concentrique et d'obtenir un isochronisme reproductible d'un spiral à l'autre.
  • Ce même principe avait d'ailleurs déjà été proposé dans un brevet US 209 642 de 1878 pour améliorer l'isochronisme d'un spiral construit avec une spire à l'intérieur de plus faible section. Comme on le verra dans la description détaillée, l'expérience contredit cette affirmation.
  • L'invention concerne donc CH327796 décrit un mouvement horloger selon le préambule de la revendication 1 un spiral plat et des procédés de fabrication par micro-usinage ou croissance galvanique, permettant de choisir de façon commode les paramètres de construction les plus favorables en vue d'améliorer l'isochronisme par la forme du spiral ainsi que par les moyens de fixation.
  • A cet effet l'invention concerne un mouvement horloger tel que défini dans la revendication 1.
  • Comme cela sera expliqué plus loin dans la description détaillée, le procédé de fabrication du spiral fait appel aux micro-techniques, tel que la photolithographie et l'électrodéposition d'un métal ou d'un alliage, ou le micro-usinage d'une plaquette d'épaisseur "h" réalisé en un matériau amorphe ou cristallin tel que du silicium sous forme monocristalline ou polycristalline.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, il est possible de sélectionner une portion de spire déterminée et de faire localement varier la largeur de lame pour agir sur d'autres paramètres favorables à l'isochronisme. Cette augmentation est réalisée sur la courbe à l'extérieur du spiral.
  • Selon l'invention, le spiral a une portion de spire s'écartant de la courbe d'une spirale parfaite, en ayant une courbe à l'intérieur de type Grossmann.
  • 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.
  • 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.
  • 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 figure 1 représente un balancier-spiral de l'art antérieur;
    • la figure 2 est une représentation agrandie du spiral de la figure 1 ;
    • la figure 3A correspond à un diagramme d'isochronisme obtenu avec le spiral représenté à la figure 2;
    • la figure 3B correspond à un diagramme d'isochronisme obtenu avec un autre spiral de l'art antérieur;
    • la figure 4 représente un exemple de spiral plat qui ne fait pas partie de l'invention;
    • la figure 5 correspond à un diagramme d'isochronisme obtenu avec le spiral de la figure 4;
    • la figure 6 représente un spiral qui présente certaines caractéristiques utilisées également dans l'invention;
    • la figure 7 correspond à un diagramme d'isochronisme obtenu avec le spiral de la figure 6;
    • la figure 8 représente un spiral qui présente d'autres caractéristiques utilisées dans l'invention;
    • la figure 9 correspond à un diagramme d'isochronisme obtenu avec le spiral de la figure 8;
  • La figure 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 figure 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.
  • En se référant maintenant à la figure 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. L'appréciation 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 figure 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°.
  • A la figure 3B on a représenté le diagramme obtenu avec un spiral (non représenté) ayant les caractéristiques mentionnées dans le brevet US 209 642 , 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 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°.
  • En se référant maintenant aux figures 4 et 5 on décrit ci-après 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. Ce spiral ne fait pas partie de l'invention. 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.
  • Sur le diagramme représenté à la figure 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.
  • Les figures 6 et 7 concernent l'invention et correspondent à une 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. Cette portion de la courbe à l'extérieur fait partie de l'invention.
  • Sur le diagramme représenté à la figure 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.
  • Les figures 8 et 9 correspondent à une réalisation dans laquelle 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 figure 9 montre que l'écart maximum à 300° n'est que de 2,1 s/j.
  • Bien évidemment, compte tenu de la liberté de configuration que donnent les procédés de fabrication selon l'invention, il est possible de combiner les caractéristiques précédemment décrites pour obtenir un spiral selon l'invention ayant un isochronisme amélioré.
  • Un spiral selon l'invention en un matériau amorphe ou cristallin tel que du silicium peut être fabriqué 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 SiO2 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 de spiral désiré;
    • 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.
  • Compte-tenu des très petites dimensions d'un spiral, il est évidemment possible et avantageux de les fabriquer par lot à partir d'une unique plaquette de silicium.
  • Pour fabriquer un spiral 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 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 .
  • Dans une dernière étape on libère le spiral du substrat par élimination de la couche sacrificielle.

Claims (3)

  1. Mouvement horloger comprenant un résonateur balancier-spiral dont le spiral est monté sur un axe (9) de balancier (8) pivotant entre une platine (7) et un coq (6), ledit spiral (10) étant formé d'une lame composée d'une succession de spires ayant entre elles un pas "p", l'extrémité de la courbe à l'intérieur (11) étant rendue solidaire de l'axe (9) de balancier (8) et l'extrémité de la courbe à l'extérieur (14) étant fixée au coq (6) ou à une pièce solidaire de celui-ci, les spires étant formées d'une seule bande depuis la courbe à l'intérieur (11) jusqu'à la courbe à l'extérieur (14) ladite bande comportant une section « s » rectangulaire, de hauteur h et d'épaisseur e une portion de la courbe à l'extérieur (14) présentant une section plus grande que celle de la lame formant toutes les autres spires et caractérisé en ce que la courbe à l'intérieur a une conformation de type Grossmann.
  2. Mouvement selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le spiral est formé en silicium sous forme monocristalline ou polycristalline.
  3. Mouvement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le spiral est formé en un matériau métallique ou un alliage métallique.
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