EP3958066A1 - Method of manufacturing of a thermocompensated ceramic hairspring - Google Patents
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- G—PHYSICS
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- 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
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- G04B17/04—Oscillators acting by spring tension
- G04B17/06—Oscillators with hairsprings, e.g. balance
- G04B17/066—Manufacture of the spiral spring
Definitions
- the present invention relates to a heat-compensated spiral spring intended to equip a balance-spring resonator of a clock movement or other precision instrument.
- the invention also relates to a balance-hairspring resonator comprising the hairspring and a balance wheel and a method for adjusting the hairspring.
- the regulating organ of mechanical watches is conventionally composed of an inertia flywheel, called a balance wheel, and a spiral-shaped spring, called a hairspring or spiral spring, fixed by one end to the axis of the balance wheel and by the other end on a bridge, called cock, in which pivots the axis of the pendulum.
- a spiral-shaped spring called a hairspring or spiral spring
- the movements of mechanical watches is an elastic metallic blade of rectangular section wound on itself in the shape of an Archimedean spiral and comprising 12 to 15 turns.
- the balance-spring oscillates around its equilibrium position (or dead point). When the balance wheel leaves this position, it winds the hairspring. This creates a restoring torque which, when the pendulum is released, causes it to return to its equilibrium position. As it has acquired a certain speed, therefore a kinetic energy, it exceeds its dead point until the opposing torque of the hairspring stops it and forces it to turn in the other direction. Thus, the hairspring regulates the period of oscillation of the balance wheel.
- the precision of mechanical watches therefore depends on the stability of the fundamental natural frequency f o of the resonator formed by the balance-spring.
- ⁇ k S / ks is the variation of the stiffness of the spiral spring with respect to its nominal stiffness
- ⁇ J B / J B is the variation of the inertia of the balance with respect to its nominal inertia, which makes it possible to introduce for the thermal disturbances
- ⁇ s the linear thermoelastic coefficient of the spiral spring ⁇ S the linear expansion coefficient of the spiral spring
- ⁇ B the linear expansion coefficient of the balance wheel.
- the stiffness ks of a spiral spring must be as constant as possible, whatever, in particular, the temperature and the magnetic field.
- the thermal compensation of the mechanical oscillator is obtained by adjusting the thermoelastic coefficient ⁇ s of the hairspring as a function of the coefficients of thermal expansion of the hairspring ⁇ S and of the balance wheel ⁇ B , according to equation 5.
- the document EP1422436 describes a spiral spring cut from a ⁇ 001 ⁇ monocrystalline silicon wafer.
- the hairspring comprises a layer of SiO 2 , having a thermoelastic coefficient opposite to that of silicon and formed around the external surface of the hairspring, in order to minimize the thermal drift of the balance-hairspring assembly.
- the layer of silicon dioxide also allows an improvement in the mechanical properties of the silicon substrate.
- thermoelastic coefficient of silicon is strongly influenced by temperature and compensation for this effect is necessary for its use in watchmaking applications. Indeed, the thermoelastic coefficient of silicon is of the order of -60 ⁇ 10 -6 /°C and the thermal drift of a silicon spiral spring is thus about 2 minutes/day, for a temperature variation of 23°C +/-15°C. It makes it incompatible with watchmaking requirements which are of the order of 0.6 seconds/day/°C in the temperature range between 8°C and 38°C.
- the document EP2590325 describes a spiral spring whose ceramic body of the borosilicate glass or silicon carbide type is coated with a layer of SiO 2 , so that the resonator thus formed has an almost zero frequency variation as a function of temperature.
- the SiO 2 coating ensures quasi independence of the temperature on the Young's modulus of the material of the body of the resonator.
- the invention relates to the selection of ceramic materials comprising the element silicon in their formulation for horological applications.
- the invention relates to a spiral spring intended to equip a balance-spring resonator of a watch movement or other precision instrument, the spiral spring comprising a core made of a ceramic material containing the element silicon in its formulation and comprising a section, the web having a first stiffness and a first thermoelastic coefficient; and a coating of silicon dioxide of thickness and at least partially covering the core, the coating having a second stiffness and a second thermoelastic coefficient of opposite sign to the first thermoelastic coefficient; the section of the core and the thickness of the coating being independently adjustable so as to obtain (i) a thermoelastic coefficient of the spiral spring as a function of the first thermoelastic coefficient and of the second thermoelastic coefficient, and (ii) a stiffness of the spiral spring in function of the first stiffness and the second stiffness.
- the invention also relates to a balance-spring oscillator comprising the balance spring having a linear expansion coefficient of the balance spring, and a balance having a linear expansion coefficient of the balance; the section of the core and the thickness of the coating being adjusted so that the combination of the second thermoelastic coefficient and from the first thermoelastic coefficient results in a thermoelastic coefficient of the spiral spring compensating for a value corresponding to the difference between three times the linear expansion coefficient of the spiral spring and twice the linear expansion coefficient of the balance wheel; the cross-section of the core and the thickness of the coating also being adjusted so that the combination of the first stiffness and the second stiffness gives a stiffness of the spiral spring making it possible to obtain the fundamental natural setpoint frequency of the balance resonator- spiral.
- the spiral spring as well as the balance-spring resonator of the invention exhibit an invariance of the expansion and elasticity properties in a defined range of temperatures comprised, according to the COSC (Swiss Official Chronometer Testing Institute), between 8°C and 38°C. Such a resonator is also insensitive to external magnetic fields.
- the adjustment method makes it possible to adjust the section of the core and the thickness of the coating independently so as to obtain a desired value of the thermoelastic coefficient of the spiral spring and a desired value of the stiffness of the spiral spring.
- the ceramic material containing the silicon element in its formulation is advantageous in horological applications due to its mechanical properties of use and, in particular, to its toughness which is much greater than that of silicon. All of the expected properties being supported by prior performance of aging tests under controlled temperature and atmosphere.
- the figure 1 shows a top view of a spiral spring 1 and the figures 2a and 2b show a view in longitudinal and transverse section of the spiral spring 1 according to the invention.
- the spiral spring 1 comprises a core 2 formed in a ceramic material containing the element silicon in its composition (hereafter ceramic material) and a coating 4 of silicon dioxide covering at least partially the outer surface 3 of core 2.
- ceramic material containing the element silicon in its composition
- coating 4 of silicon dioxide covering at least partially the outer surface 3 of core 2.
- the coating 4 corresponds to a layer deposited superficially on the core, or body.
- the core has a helical shape and comprises at least one turn of rectangular section of thickness w and height h.
- the geometry of the core can be other than that illustrated in this example, for example, the core can have a circular cross section, or polygonal, or other.
- the spiral spring 1 can be seen as being formed of a composite structure of the "sandwich" type consisting of a central part, the core 2, and the coating 4 (see figure 2b ).
- Core 2 made of ceramic material has a first thermoelastic coefficient ⁇ A and a first stiffness k A .
- the SiO 2 coating has a second thermoelastic coefficient ⁇ R of opposite sign to the first thermoelastic coefficient ⁇ A , and a second stiffness k R .
- the most common ceramic materials with dielectric properties include aluminas (Al 2 O 3 ), aluminum nitrides (AIN), beryllium oxide (BeO), quartz, silicon nitride (Si 3 N 4 ), silicon aluminum oxynitride (SiAlON).
- the ceramic material comprises silicon nitride, silicon carbide, or silicon oxynitride. More particularly, the ceramic material may comprise one or a combination of the compounds: silicon nitride (Si 3 N 4 ), SiC or silicon and aluminum oxynitride (SiAlON), which comprise the element silicon in their composition.
- the ceramic material comprises at least one of the following composite structures: Si 3 N 4 -SiC, Si 3 N 4 -TiCN, Si 3 N 4 -SiAlON, Si 3 N 4 -AlN, Si 3 N 4 -Al 2 O 3 , Si 3 N 4 -ZrO 2 , SiC-SiAlON, Si-SiC, SiC-Si 3 N 4 -Si 2 N 2 O or SiAlON-TiN, or a composite comprising at least one of these compounds.
- the ceramic material can also comprise a composite of fiber type such as SiC fibers dispersed in a ceramic matrix (SiC for example) of SiC (composite SiC - SiC), or even a composite of acicular structure (example ⁇ Si 3 N 4 ) in a matrix of equiaxed structure (for example ⁇ Si 3 N 4 ) (composite Si 3 N 4 - Si 3 N 4 ).
- the ceramic material comprises at least one of the following composite structures: Si 3 N 4 -SiAlON or ⁇ -Si 3 N 4 - ⁇ -Si 3 N 4 .
- Table I reports values of density, open porosity, Young's modulus, maximum bending stress, Weibull's modulus, toughness and thermal conductivity for Si3N4, SiC and SiAlON. Table I - Characteristics If 3 N 4 SiC SiAlON Density 3.2 3.10 3.25 Open porosity (%) 0 ⁇ 3 0 to 5 Young's modulus (GPa) 300 410 300 Maximum bending stress (MPa) 750 (3 point tests) 410 (4 point tests) 450 Weibull modulus 15 10 ⁇ 10 Tenacity (MPa ⁇ m ) 6.5 3.2 ⁇ 4 Thermal conductivity (W/mK) at 20°C 22 110 20
- Examples of the ceramic material in the bulk state include Si 3 N 4 , supplied by the company HC STARCK CERAMICS under the reference SSN Star Ceram TM N700, or by the company UMICORE under the reference FRIALIT HP79; the SiC supplied by the company ESK CERAMICS for the SiC, under the reference EKASIC TM F SiC 100; and SiAlON by the company KENNAMETAL for SiAlON under the reference TK4. Table I compares the properties of these materials in the bulk state.
- the ceramic material has good properties both at room temperature and at high temperature. Such ceramic materials are conventionally used as constituent materials of motors, bearings, gas turbine elements, in particular because of their good thermal resistance, their low thermal expansion, their good mechanical properties and their good resistance to heat. the corrosion. Mention may also be made of their use in the semiconductor industry, for example for silicon nitride masks.
- the ceramic material is advantageous for horological applications since it has a low density and a linear expansion coefficient of the same order of magnitude as that of silicon. It also has a Young's modulus which is double or even triple that of silicon, a resistance to bending, a toughness much greater than that of silicon, as well as insensitivity to magnetic fields.
- the monolithic ceramic material is also advantageous due to its refractory properties and its good resistance to dry and wet corrosion.
- the production of the ceramic material can be carried out using a sintering process or any other suitable process. Unlike the manufacture of a spiral spring in silicon which requires its production from a machined plate of the "wafer" type, the core 2 in the ceramic material can be machined from any block in the ceramic material. so as to obtain a thickness (for example 150 ⁇ m) corresponding substantially to the desired height of the spiral spring 1.
- Preliminary machining of plates from industrial blocks can be carried out by cutting, grinding, lapping and then mechanical or chemical polishing. The machining itself can be done using a wet or dry etching process. For example, the machining can be carried out using a reactive ion etching process such as the DRIE (Deep Reaction Ion Etching) process.
- the DRIE process promotes deep engraving and good precision on the engraved shapes. It also promotes the formation of vertical walls on the core 2 thus etched.
- a pulsed laser beam with a diameter between 10 microns and 30 microns can be used.
- the thickness t R of the coating 4 can be adjusted so as to obtain a desired value of the thermoelastic coefficient of the spiral spring ⁇ s. Indeed, the thermoelastic coefficient of the spiral spring ⁇ s depends on the combination of the first thermoelastic coefficient ⁇ A and the second thermoelastic coefficient ⁇ R and can therefore be modified by modifying the thickness t R of the coating 4.
- the section of the core 2 can be adjusted so as to obtain a desired value for the stiffness of the spiral spring ks.
- the stiffness of the spiral spring ks is determined by a combination of the stiffness of the web k A and the stiffness of the coating k R .
- the section of the core 2 as well as the thickness t R of the coating 4 can be adjusted independently in order to modify independently the value of the stiffness of the spiral spring ks and the value of the thermoelastic coefficient of the spiral spring ⁇ s.
- the thickness of coating 4 will be between 0.1 ⁇ m and 10 ⁇ m, and preferably between 1 ⁇ m and 6 ⁇ m, or even more preferably between 2 ⁇ m and 5 ⁇ m.
- the invention also relates to the adjustment of the spiral spring 1 so as to adjust the stiffness ks of the spiral spring 1 and the minimization of the variations of the properties of expansion and elasticity of the spiral spring 1 so as to minimize the thermal variations of the spiral spring 1 .
- the adjustment of the section of the core 2 is carried out before the step of forming a coating of silicon dioxide.
- the section of the core 2 can be adjusted by removing material from the periphery of the core.
- the removal of the material on the core 2 formed of the ceramic material is carried out by means of an isotropic chemical attack of the core 2.
- the removal of the material can be carried out by an attack in a hot solution of phosphoric acid with or without nitric acid and water, to adjust the thickness of the silicon nitride core.
- the predetermined value of the first stiffness k A corresponds to the value that the first stiffness k A of the core 2 (without the coating) must have allowing the spiral spring 1 (the core with the coating) to have a desired value for the stiffness ks of the spiral spring 1.
- the stiffness ks of the spiral spring 1 corresponds to a combination of the first stiffness k A and the second stiffness k R .
- the predetermined value of the first stiffness k A can be calculated as a function of the second stiffness k R , which depends on the thickness t R of the coating 4 and on the desired value of the stiffness ks of the spiral spring 1.
- the calculation of the predetermined value of the first stiffness k A can be achieved using numerical simulations using finite elements depending on the desired stiffness of the spiral spring ks.
- the method comprises a step of measuring a first measured stiffness k Am , and a step of comparing the first measured stiffness k Am with a predetermined (desired) value of the first stiffness k A .
- the quantity of material to be removed for the adjustment of the section of the core 2 so as to obtain the predetermined value of the first stiffness k A can then be determined from the difference between the first measured stiffness k Am and the predetermined value of the first stiffness k A .
- Equation 4 The relationship between the first stiffness k A and the quantity of material to be removed is given by equation 4 in which the stiffness of the spiral spring ks is replaced by the first stiffness k A of the core 2 and where E is the Young's modulus of the core, w, h and L respectively the thickness, the height and the length of the soul 2.
- the measurement of the first stiffness k A can be carried out alternately with the step of adjusting the section of the web 2.
- the measurement of the first stiffness k Am can be carried out simultaneously with the step of adjusting of web section 2.
- the adjustment of the section of the core 2 includes a removal of material corresponding to a thickness of approximately 0.1 ⁇ m to 3 ⁇ m at the periphery of the core 2.
- the formation of the silicon dioxide coating 4 is carried out at least on a portion of the core 2.
- the coating 4 can cover all the faces 3 of the core 2, or only certain faces 3 of the core 2
- the coating 4 may cover only the three free faces of the core 2 but not the face integral with the substrate.
- the thickness t R of the coating 4 is determined so as to obtain a predetermined value of the second thermoelastic coefficient ⁇ R of the coating 4.
- the growth of the coating 4 in silicon dioxide can be carried out by thermo-oxidation in the presence of oxidizing agents or by rapid thermo-oxidation at temperatures between 800° C. and 1600° C., and preferably at temperatures between 1000°C and 1200°C.
- Oxidizing agents can include oxygen and/or water vapor (wet thermo-oxidation). Oxidizing agents may also include, for example and without being exhaustive, ozone, oxygen-nitrogen mixtures, or oxygen-helium.
- the growth of the silicon oxide layer can also be carried out by plasma oxidation at low temperature (between 300° C. and 600° C. and preferably between 400° C. and 500° C.) using an oxygen plasma.
- the core 2 can be placed in the anodic position so as to avoid sputtering effects in the oxide layer.
- the core 2 can be brought into contact with an oxygen plasma generated by a radiofrequency source, or by a microwave source, both positioned a few centimeters from the core 2.
- the surface of the soul 2 is mainly subjected to ionized species of the plasma (ions, electrons).
- a cathode is located several tens of centimeters from the core to be oxidized. It is also possible to produce the silicon oxide layer by plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) with a thickness varying between 0.2 and 10 micrometers and, preferably, between 2 and 5 micrometers. .
- PECVD plasma-enhanced chemical vapor deposition
- the partially covalent chemical bonds of the silicon-based ceramics comprising a silicon nitride, carbide or oxynitride promote the continuity of the structures at the interface between the ceramic material and the SiO 2 layer.
- the composition and the structure of the coating 4 of silicon dioxide depend on the production method of the monolithic ceramic material.
- the ceramic material comprises silicon nitride produced by solid phase sintering under hot isostatic pressure (HIP SN) or by chemical vapor deposition (CVD) technology, the two processes being carried out without adding material , the coating 4 essentially contains amorphous SiO 2 without disturbing the texture of the ceramic material.
- the coating 4 comprises compounds dispersed in the silica coating and the compound Si 2 N 2 O at the interface between the ceramic and the silica coating (for example the compound Y 2 Si 2 O 7 in the case of addition of Y 2 O 3 ).
- the oxidation reaction forming coating 4 can be expressed by equations 6 and 7: Yes 3 NOT 4 + 3 / 4 O 2 ⁇ 3 / 2 Yes 2 NOT 2 O + 1 / 2 NOT 2 Yes 3 NOT 4 + SiO 2 ⁇ 2 Yes 2 NOT 2 O + NOT 2
- the gaseous products of these reactions cause the formation of porosities (bubbles) in the coating 4.
- composition of the surface layer of the ceramic core 2 is also modified by different mechanisms of cationic diffusion of the elements of the additions.
- the presence of the silicon element in the substrate of ceramic material constituting the core 2 of the spiral spring 1 allows good adhesion of the coating 4 to the ceramic substrate. This good adhesion is due to a continuity on the atomic scale between the substrate and the coating 4 in an accommodation zone (also known according to the English expression "terrace region") of a few atomic distances from the surface of the substrate.
- the ceramic material containing the silicon element in its composition preferably has a resistivity which is typically very high (>10 12 ⁇ .m) and therefore can be considered as a dielectric material.
- a resistivity typically very high (>10 12 ⁇ .m) and therefore can be considered as a dielectric material.
- the figure 4a and 4b relate to micrographs obtained by scanning electron microscopy, showing a sectional view of the spiral spring 1 comprising the core 2 in the ceramic material and the coating 4 in silicon dioxide formed by the thermal oxidation process in air at 1200°C during two hours ( figure 4a ), and by the low temperature plasma oxidation process using an oxygen plasma ( figure 4b ), under conditions favoring the passive oxidation of the ceramic material.
- a coating protecting the coating 4 during the metallographic cutting operation is also visible to the figure 4a and 4b .
- the figure 5 and 6 show micrographs, obtained by scanning electron microscopy, of a section of the spiral spring comprising the coating 4 of silicon dioxide according to a view at an enlargement of ⁇ 5000 ( figure 5 ), at ⁇ 18000 magnification ( figure 6 ). Coating 4 is formed by a low temperature plasma oxidation process.
- the figure 7 shows another micrograph, also obtained by scanning electron microscopy, of a section of the spiral spring in which good adhesion between the core and the silicon dioxide coating can be seen, even in the areas with granular tearing (a such an area is represented on the figure 7 by number 8).
- the thickness of the silicon oxide layer can be estimated using parameters such as oxidation time; the degree of humidity and the temperature. Indeed, the kinetic laws of growth of the layers of oxides are known (parabolic laws, arctangent laws, or linear functions).
- the method comprises a step of reducing the thickness of the coating 4.
- This step in which a fraction of the thickness of the coating 4 is removed by chemical attack, makes it possible to adjust the stiffness ks more finely. of the spiral spring 1.
- This step which is carried out after the step of forming the silicon dioxide coating 4 on the core 2, also makes it possible to make a fine adjustment of the predetermined value of the second thermoelastic coefficient ⁇ R .
- An important aspect of the method of the invention is that the obtaining of the predetermined value of the first stiffness k A can be carried out in a single step.
- the adjustment of the section of the core by the removal of the material is typically carried out using a first step of growth of an oxide layer on the core and a second step of etching the oxide layer.
- the growth of the oxide layer takes place largely at the detriment of the silicon substrate, typically in a portion corresponding to approximately 44% of the total thickness of the layer.
- This two-step adjustment process is necessary to control the silicon removal with sufficient precision.
- the removal of the material from the core 2 of the invention in ceramic material can be carried out by chemical attack in an isotropic and controlled manner. Therefore, the adjustment of the section of the core 2 can be carried out before the step of forming a coating of silicon dioxide 4.
- the invention also relates to a balance-spring resonator (not shown) for a clockwork movement or other precision instrument comprising the spiral spring 1 cooperating with a balance.
- the value of the stiffness ks of the spiral spring 1 is determined so as to obtain a reference value within its tolerance for the fundamental natural frequency f o of the balance-spring resonator (see Equation 2).
- the value of the stiffness ks of the hairspring 1 is determined by the section of the core 2 and the thickness t R of the coating 4.
- the fundamental natural frequency f o of the balance wheel-hairspring resonator is typically comprised between 2 Hz and 20 Hz, or even between 2 Hz and 5 Hz.
- thermoelastic coefficient of the spiral spring ⁇ S can also be adjusted so as to compensate for the term (3 ⁇ S ⁇ 2 ⁇ B ) of equation 5.
- the core 2 of ceramic material containing the silicon element typically has a first negative thermoelastic coefficient ⁇ A which must be partially compensated by the silica coating 4 having a second positive thermoelastic coefficient ⁇ R of approximately 140 ⁇ 10 -6 / °C.
- the combination of the first thermoelastic coefficient ⁇ A and the second thermoelastic coefficient ⁇ R should result in a predetermined value of the thermoelastic coefficient ⁇ S of the spiral spring 1 around +18 ⁇ 10 -6 /°C.
- the predetermined value of the coefficient thermoelastic ⁇ S of the spiral spring 1 can be obtained by adjusting the section of the core 2 and the thickness t R of the coating 4.
- the balance-hairspring resonator may exhibit an invariance of the properties of expansion and elasticity of the hairspring 1 in a defined range of temperatures comprised, according to the COSC, between 8° C. and 38° C. Such a resonator is also insensitive to external magnetic fields.
- the picture 3 shows an example of a heat-compensated ceramic spiral spring 1 produced according to the method of the invention with a ferrule 5 and a stud 6 (the ferrule and the stud are produced concomitantly with the spiral spring 1).
- the present invention is also applicable to other types of resonators capable of regulating a mechanical watch movement, such as in particular a resonator in the form of a tuning fork.
- the thickness of the coating (4) is between 0.1 ⁇ m and 10 ⁇ m, and preferably between 1 ⁇ m and 3 ⁇ m.
- the ceramic material comprises a silicon nitride, carbide or oxynitride.
- the ceramic material comprises at least one of the following compounds: Si 3 N 4 or SiAlON.
- the ceramic material comprises at least one of the following composite structures: Si 3 N 4 -SiAlON, or ⁇ -Si 3 N 4 -O-Si 3 N 4 .
- Balance-spring resonator in which the set fundamental natural frequency (f o ) of the balance-spring resonator is between 2 Hz and 20 Hz and preferably between 2 Hz and 5 Hz.
- the method further comprising a step of measuring a first measured stiffness (k Am ) and comparing the first measured stiffness (k Am ) with the predetermined value of the first stiffness (k A ).
- the process in which the adjustment of the section of the core (2) comprises a removal of material corresponding to a thickness of about 0.1 ⁇ m to 3 ⁇ m at the periphery of the core (2).
- the method further comprising reducing the thickness of the coating (4) so as to adjust the stiffness (ks) of the spiral spring (1) and/or the predetermined value of the second thermoelastic coefficient ( ⁇ R ).
Abstract
L'invention concerne un procédé pour la production d'un ressort spiral (1) destiné à équiper un résonateur balancier-spiral de mouvement d'horlogerie ou autre instrument de précision, le ressort spiral (1) comprenant une âme (2) fabriquée dans un matériau céramique à base de silicium, l'âme (2) ayant une première raideur (k<sub>A</sub>) et un premier coefficient thermoélastique (β<sub>A</sub>); et un revêtement (4) de dioxyde de silicium d'épaisseur (t<sub>R</sub>) et couvrant au moins partiellement l'âme (2), le revêtement (4) ayant une seconde raideur (k<sub>R</sub>) et un second coefficient thermoélastique (β<sub>R</sub>) de signe opposé au premier coefficient thermoélastique (β<sub>A</sub>). Le procédé comporte une étape d'ajustement de la section de l'âme (2) et l'épaisseur (t<sub>R</sub>) du revêtement (4) de manière à obtenir une valeur souhaitée pour le coefficient thermoélastique du ressort spiral (β<sub>S</sub>) et une raideur du ressort spiral (k<sub>S</sub>). L'invention concerne également un résonateur balancier-spiral comprenant le ressort spiral et un balancier Le ressort spiral présente une invariance des propriétés de dilatation et d'élasticité.The invention relates to a process for the production of a spiral spring (1) intended to equip a balance-spring resonator of a watch movement or other precision instrument, the spiral spring (1) comprising a core (2) manufactured in a ceramic material based on silicon, the core (2) having a first stiffness (k<sub>A</sub>) and a first thermoelastic coefficient (β<sub>A</sub>); and a coating (4) of silicon dioxide of thickness (t<sub>R</sub>) and at least partially covering the core (2), the coating (4) having a second stiffness (k<sub> R</sub>) and a second thermoelastic coefficient (β<sub>R</sub>) of opposite sign to the first thermoelastic coefficient (β<sub>A</sub>). The method includes a step of adjusting the section of the core (2) and the thickness (t<sub>R</sub>) of the coating (4) so as to obtain a desired value for the thermoelastic coefficient of the spiral spring (β<sub>S</sub>) and a spiral spring stiffness (k<sub>S</sub>). The invention also relates to a balance-spring resonator comprising the spiral spring and a balance. The spiral spring has an invariance of the expansion and elasticity properties.
Description
La présente invention concerne un ressort spiral thermocompensé destiné à équiper un résonateur balancier-spiral de mouvement d'horlogerie ou autre instrument de précision. L'invention concerne également un résonateur balancier-spiral comprenant le ressort spiral et un balancier et un procédé de réglage du ressort spiral.The present invention relates to a heat-compensated spiral spring intended to equip a balance-spring resonator of a clock movement or other precision instrument. The invention also relates to a balance-hairspring resonator comprising the hairspring and a balance wheel and a method for adjusting the hairspring.
L'organe régulateur des montres mécaniques est conventionnellement composé d'un volant d'inertie, appelé balancier et d'un ressort en forme de 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 forme de spirale d'Archimède et comportant de 12 à 15 tours.The regulating organ of mechanical watches is conventionally composed of an inertia flywheel, called a balance wheel, and a spiral-shaped spring, called a hairspring or spiral spring, fixed by one end to the axis of the balance wheel and by the other end on a bridge, called cock, in which pivots the axis of the pendulum. More precisely, the spiral spring equipping, to date, the movements of mechanical watches is an elastic metallic blade of rectangular section wound on itself in the shape of an Archimedean spiral and comprising 12 to 15 turns.
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.The balance-spring oscillates around its equilibrium position (or dead point). When the balance wheel leaves this position, it winds the hairspring. This creates a restoring torque which, when the pendulum is released, causes it to return to its equilibrium position. As it has acquired a certain speed, therefore a kinetic energy, it exceeds its dead point until the opposing torque of the hairspring stops it and forces it to turn in the other direction. Thus, the hairspring regulates the period of oscillation of the balance wheel.
La précision des montres mécaniques dépend donc de la stabilité de la fréquence propre fondamentale fo du résonateur 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 fondamentale propre de cet ensemble oscillant, perturbant la précision de la montre. La fréquence propre fondamentale fo est liée aux variations Δf de fréquence via la marche M de l'ensemble oscillant selon l'équation 1:
Plus particulièrement, la fréquence propre fondamentale fo d'un résonateur mécanique balancier-spiral peut s'exprimer selon l'équation 2:
Pour une variation de la température de 1°C, la variation relative de la fréquence du résonateur balancier-spiral Δf par rapport à sa fréquence propre fondamentale fo correspond à:
On comprendra aisément que la raideur ks d'un ressort spiral doit être la plus constante possible, quels que soient, notamment, la température et le champ magnétique. Par exemple, depuis la découverte des alliages Elinvar à base principalement de Fe-Ni-Cr possédant un coefficient thermoélastique βS positif (βS égal à 30 à 40 × 10-6), la compensation thermique de l'oscillateur mécanique est obtenue en ajustant le coefficient thermoélastique βs du spiral en fonction des coefficients de dilatation thermique du spiral αS et du balancier αB, suivant la relation 5.It will easily be understood that the stiffness ks of a spiral spring must be as constant as possible, whatever, in particular, the temperature and the magnetic field. For example, since the discovery of Elinvar alloys based mainly on Fe-Ni-Cr with a positive thermoelastic coefficient β S (β S equal to 30 to 40 × 10 -6 ), the thermal compensation of the mechanical oscillator is obtained by adjusting the thermoelastic coefficient βs of the hairspring as a function of the coefficients of thermal expansion of the hairspring α S and of the balance wheel α B , according to
En ajustant le terme (βS +3αS) à un multiple de la valeur du coefficient de dilatation thermique du balancier soit 2αB, il est possible d'annuler l'équation 5. Ainsi, la variation thermique de la fréquence propre du résonateur peut être éliminée.By adjusting the term (β S +3α S ) to a multiple of the value of the thermal expansion coefficient of the balance wheel, i.e. 2α B , it is possible to cancel
Le document
Le coefficient thermoélastique 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 coefficient thermoélastique du silicium est de l'ordre de -60 × 10-6/°C et la dérive thermique d'un ressort spiral en silicium est ainsi d'environ 2 minutes/jour, pour une variation de température de 23°C +/-15°C. Cela le rend incompatible avec les exigences horlogères qui sont de l'ordre de 0.6 seconde/jour/°C dans la gamme de températures comprises entre 8°C et 38°C.The thermoelastic coefficient of silicon is strongly influenced by temperature and compensation for this effect is necessary for its use in watchmaking applications. Indeed, the thermoelastic coefficient of silicon is of the order of -60 × 10 -6 /°C and the thermal drift of a silicon spiral spring is thus about 2 minutes/day, for a temperature variation of 23°C +/-15°C. It makes it incompatible with watchmaking requirements which are of the order of 0.6 seconds/day/°C in the temperature range between 8°C and 38°C.
Le document
L'invention concerne la sélection de matériaux céramiques comprenant l'élément silicium dans leur formulation pour des applications horlogères. En particulier, l'invention concerne un ressort spiral destiné à équiper un résonateur balancier-spiral de mouvement d'horlogerie ou autre instrument de précision, le ressort spiral comprenant une âme fabriquée dans un matériau céramique contenant l'élément silicium dans sa formulation et comprenant une section, l'âme ayant une première raideur et un premier coefficient thermoélastique; et un revêtement de dioxyde de silicium d'épaisseur et couvrant au moins partiellement l'âme, le revêtement ayant une seconde raideur et un second coefficient thermoélastique de signe opposé au premier coefficient thermoélastique; la section de l'âme et l'épaisseur du revêtement étant ajustables indépendamment de manière à obtenir (i) un coefficient thermoélastique du ressort spiral en fonction du premier coefficient thermoélastique et du second coefficient thermoélastique, et (ii) une raideur du ressort spiral en fonction de la première raideur et la seconde raideur.The invention relates to the selection of ceramic materials comprising the element silicon in their formulation for horological applications. In particular, the invention relates to a spiral spring intended to equip a balance-spring resonator of a watch movement or other precision instrument, the spiral spring comprising a core made of a ceramic material containing the element silicon in its formulation and comprising a section, the web having a first stiffness and a first thermoelastic coefficient; and a coating of silicon dioxide of thickness and at least partially covering the core, the coating having a second stiffness and a second thermoelastic coefficient of opposite sign to the first thermoelastic coefficient; the section of the core and the thickness of the coating being independently adjustable so as to obtain (i) a thermoelastic coefficient of the spiral spring as a function of the first thermoelastic coefficient and of the second thermoelastic coefficient, and (ii) a stiffness of the spiral spring in function of the first stiffness and the second stiffness.
L'invention concerne également un oscillateur balancier-spiral comprenant le ressort spiral ayant un coefficient de dilatation linéaire du ressort spiral, et un balancier ayant un coefficient de dilatation linéaire du balancier; la section de l'âme et l'épaisseur du revêtement étant ajustées de manière à ce que la combinaison du second coefficient thermoélastique et du premier coefficient thermoélastique résulte dans un coefficient thermoélastique du ressort spiral compensant une valeur correspondant à la différence entre trois fois le coefficient de dilatation linéaire du ressort spiral et deux fois le coefficient de dilatation linéaire du balancier; la section de l'âme et l'épaisseur du revêtement étant également ajustées de manière à ce que la combinaison de la première raideur et la seconde raideur donne une raideur du ressort spiral permettant d'obtenir la fréquence propre fondamentale de consigne du résonateur balancier-spiral.The invention also relates to a balance-spring oscillator comprising the balance spring having a linear expansion coefficient of the balance spring, and a balance having a linear expansion coefficient of the balance; the section of the core and the thickness of the coating being adjusted so that the combination of the second thermoelastic coefficient and from the first thermoelastic coefficient results in a thermoelastic coefficient of the spiral spring compensating for a value corresponding to the difference between three times the linear expansion coefficient of the spiral spring and twice the linear expansion coefficient of the balance wheel; the cross-section of the core and the thickness of the coating also being adjusted so that the combination of the first stiffness and the second stiffness gives a stiffness of the spiral spring making it possible to obtain the fundamental natural setpoint frequency of the balance resonator- spiral.
Un procédé de réglage du ressort spiral est également présenté, le procédé comprenant:
- la formation du revêtement de dioxyde de silicium ayant une épaisseur prédéterminée sur au moins une portion de l'âme de manière à obtenir une valeur prédéterminée du second coefficient thermoélastique; et
- l'ajustement de la section de l'âme de manière à obtenir une valeur prédéterminée de la première raideur; l'ajustement de la section de l'âme étant réalisé avant l'étape de formation d'un revêtement de dioxyde de silicium.
- forming the silicon dioxide coating having a predetermined thickness on at least a portion of the core so as to obtain a predetermined value of the second thermoelastic coefficient; and
- adjusting the section of the web so as to obtain a predetermined value of the first stiffness; the adjustment of the section of the core being carried out before the step of forming a coating of silicon dioxide.
Le ressort spiral ainsi que le résonateur balancier-spiral de l'invention présente une invariance des propriétés de dilatation et d'élasticité dans une gamme définie de températures comprise, d'après le COSC (Contrôle Officiel Suisse des Chronomètres), entre 8°C et 38°C. Un tel résonateur est également insensible aux champs magnétiques extérieurs.The spiral spring as well as the balance-spring resonator of the invention exhibit an invariance of the expansion and elasticity properties in a defined range of temperatures comprised, according to the COSC (Swiss Official Chronometer Testing Institute), between 8°C and 38°C. Such a resonator is also insensitive to external magnetic fields.
Le procédé de réglage permet d'ajuster la section de l'âme et l'épaisseur du revêtement indépendamment de manière à obtenir une valeur souhaitée du coefficient thermoélastique du ressort spiral et une valeur souhaitée de la raideur du ressort spiral.The adjustment method makes it possible to adjust the section of the core and the thickness of the coating independently so as to obtain a desired value of the thermoelastic coefficient of the spiral spring and a desired value of the stiffness of the spiral spring.
Le matériau céramique contenant l'élément silicium dans sa formulation est avantageux dans les applications horlogères de par ses propriétés mécaniques d'usage et, en particulier, à sa ténacité très supérieure à celle du silicium. L'ensemble des propriétés attendues étant conforté par la réalisation préalable de tests de vieillissement sous température et atmosphère contrôlées.The ceramic material containing the silicon element in its formulation is advantageous in horological applications due to its mechanical properties of use and, in particular, to its toughness which is much greater than that of silicon. All of the expected properties being supported by prior performance of aging tests under controlled temperature and atmosphere.
Des exemples de mise en oeuvre de l'invention sont indiqués dans la description illustrée par les figures annexées dans lesquelles :
- la
figure 1 montre une vue du dessus d'un ressort spiral selon l'invention; - la
figure 2 montre une vue en coupe transversale droite (figure 2a ) et longitudinale (figure 2b ) du ressort spiral comprenant une âme et un revêtement, selon un mode de réalisation; - la
figure 3 montre un exemple de ressort spiral thermocompensé comprenant une virole et un piton, selon l'invention; - la
figure 4 montre des micrographies d'une coupe du ressort spiral comprenant un revêtement en dioxyde de silicium, selon un premier (figure 4a ) et second (figure 4b ) mode de réalisation; - les
figures 5 et6 montrent des micrographies d'une coupe du ressort spiral comprenant un revêtement en dioxyde de silicium selon une vue à un agrandissement de × 5000 (figure 5 ), à un agrandissement de × 18000 (figure 6 ); et - la
figure 7 est une micrographie d'une coupe du ressort spiral dans montrant une bonne adhérence entre l'âme et le revêtement en dioxyde de silicium.
- the
figure 1 shows a top view of a spiral spring according to the invention; - the
figure 2 shows a right cross-sectional view (figure 2a ) and longitudinal (figure 2b ) the spiral spring comprising a core and a coating, according to one embodiment; - the
picture 3 - the
figure 4 shows micrographs of a section of the spiral spring comprising a silicon dioxide coating, according to a first (figure 4a ) and second (figure 4b ) embodiment; - the
figure 5 and6 show micrographs of a cross-section of the coil spring including a silicon dioxide coating as viewed at a magnification of ×5000 (figure 5 ), at ×18000 magnification (figure 6 ); and - the
figure 7 is a micrograph of a cross section of the coil spring showing good adhesion between the core and the silicon dioxide coating.
La
L'âme 2 en matériau céramique a un premier coefficient thermoélastique βA et une première raideur kA. Le revêtement de SiO2 possède un second coefficient thermoélastique βR de signe opposé au premier coefficient thermoélastique βA, et une seconde raideur kR.
Les matériaux céramiques les plus courants, ayant des propriétés diélectriques, comprennent les alumines (Al2O3), les nitrures d'aluminium (AIN), l'oxyde de béryllium (BeO), le quartz, le nitrure de silicium (Si3N4), l'oxynitrure de silicium et d'aluminium (SiAlON). Dans une variante du mode de réalisation, le matériau céramique comprend un nitrure de silicium, un carbure de silicium, ou un oxynitrure de silicium. Plus particulièrement, le matériau céramique peut comprendre l'un ou une combinaison des composés: nitrure de silicium (Si3N4), SiC ou l'oxynitrure de silicium et d'aluminium (SiAlON), qui comportent l'élément silicium dans leur composition. De façon préférée, le matériau céramique comprend au moins l'une des structures composites suivantes: Si3N4-SiC, Si3N4-TiCN, Si3N4-SiAlON, Si3N4-AlN, Si3N4-Al2O3, Si3N4-ZrO2, SiC-SiAlON, Si-SiC, SiC-Si3N4-Si2N2O ou SiAlON-TiN, ou un composite comportant au moins l'un de ces composés. Le matériau céramique peut également comprendre un composite de type fibres telles que des fibres de SiC dispersées dans une matrice céramique (SiC par exemple) de SiC (composite SiC - SiC), ou encore un composite de structure aciculaire (exemple β Si3N4) dans une matrice de structure équiaxe (par exemple α Si3N4) (composite Si3N4 - Si3N4). Dans un mode de réalisation privilégié, le matériau céramique comprend au moins l'une des structures composites suivantes: Si3N4-SiAlON ou α-Si3N4 - β-Si3N4.The most common ceramic materials with dielectric properties include aluminas (Al 2 O 3 ), aluminum nitrides (AIN), beryllium oxide (BeO), quartz, silicon nitride (Si 3 N 4 ), silicon aluminum oxynitride (SiAlON). In an alternative embodiment, the ceramic material comprises silicon nitride, silicon carbide, or silicon oxynitride. More particularly, the ceramic material may comprise one or a combination of the compounds: silicon nitride (Si 3 N 4 ), SiC or silicon and aluminum oxynitride (SiAlON), which comprise the element silicon in their composition. Preferably, the ceramic material comprises at least one of the following composite structures: Si 3 N 4 -SiC, Si 3 N 4 -TiCN, Si 3 N 4 -SiAlON, Si 3 N 4 -AlN, Si 3 N 4 -Al 2 O 3 , Si 3 N 4 -ZrO 2 , SiC-SiAlON, Si-SiC, SiC-Si 3 N 4 -Si 2 N 2 O or SiAlON-TiN, or a composite comprising at least one of these compounds. The ceramic material can also comprise a composite of fiber type such as SiC fibers dispersed in a ceramic matrix (SiC for example) of SiC (composite SiC - SiC), or even a composite of acicular structure (example β Si 3 N 4 ) in a matrix of equiaxed structure (for example α Si 3 N 4 ) (composite Si 3 N 4 - Si 3 N 4 ). In one embodiment preferred, the ceramic material comprises at least one of the following composite structures: Si 3 N 4 -SiAlON or α-Si 3 N 4 -β-Si 3 N 4 .
La table I reporte des valeurs de densité, porosité ouverte, module de Young, contrainte maximale de flexion, module de Weibull, ténacité et de conductivité thermique pour le Si3N4, SiC et SiAlON.
Des exemples du matériau céramique à l'état massif comprennent le Si3N4, fourni par la société H.C. STARCK CERAMICS sous la référence SSN Star Ceram™ N700, ou par la société UMICORE sous la référence FRIALIT HP79; le SiC fourni par la société E.S.K. CERAMICS pour le SiC, sous la référence EKASIC™ F SiC 100; et le SiAlON par la société KENNAMETAL pour le SiAlON sous la référence TK4. Le tableau I compare les propriétés de ces matériaux à l'état massif.Examples of the ceramic material in the bulk state include Si 3 N 4 , supplied by the company HC STARCK CERAMICS under the reference SSN Star Ceram ™ N700, or by the company UMICORE under the reference FRIALIT HP79; the SiC supplied by the company ESK CERAMICS for the SiC, under the reference EKASIC ™ F SiC 100; and SiAlON by the company KENNAMETAL for SiAlON under the reference TK4. Table I compares the properties of these materials in the bulk state.
Le matériau céramique a de bonnes propriétés à la fois à température ambiante et à haute température. De tels matériaux céramiques sont classiquement utilisés comme matériaux constitutifs des moteurs, des paliers, des éléments de turbines à gaz, en particulier en raison de leur bonne résistance thermique, de leur faible dilatation thermique, de leurs bonnes propriétés mécaniques et de leur bonne résistance à la corrosion. On peut citer également leur utilisation dans l'industrie des semiconducteurs, par exemple pour les masques en nitrure de silicium. Le matériau céramique est avantageux pour les applications horlogères puisqu'il possède une densité faible et un coefficient de dilatation linéaire du même ordre de grandeur que celui du silicium. Il possède en outre un module de Young qui est du double voire du triple de celui du silicium, une résistance à la flexion, une ténacité très supérieure à celle du silicium, ainsi qu'une insensibilité aux champs magnétiques. Le matériau céramique monolithique est également avantageux de par ses propriétés réfractaires et sa bonne résistance à la corrosion sèche et humide.The ceramic material has good properties both at room temperature and at high temperature. Such ceramic materials are conventionally used as constituent materials of motors, bearings, gas turbine elements, in particular because of their good thermal resistance, their low thermal expansion, their good mechanical properties and their good resistance to heat. the corrosion. Mention may also be made of their use in the semiconductor industry, for example for silicon nitride masks. The ceramic material is advantageous for horological applications since it has a low density and a linear expansion coefficient of the same order of magnitude as that of silicon. It also has a Young's modulus which is double or even triple that of silicon, a resistance to bending, a toughness much greater than that of silicon, as well as insensitivity to magnetic fields. The monolithic ceramic material is also advantageous due to its refractory properties and its good resistance to dry and wet corrosion.
L'élaboration du matériau céramique peut être réalisée à l'aide d'un procédé de frittage ou tout autre procédé adapté. Contrairement à la fabrication d'un ressort spiral en silicium qui nécessite sa réalisation à partir d'une plaque usinée de type "wafer", l'âme 2 dans le matériau céramique peut être usinée à partir d'un bloc quelconque dans le matériau céramique de manière à obtenir une épaisseur (par exemple 150 µm) correspondant substantiellement à la hauteur souhaitée du ressort spiral 1. Des usinages préliminaires de plaques issues de blocs industriels peuvent être réalisés par découpe, meulage, rodage puis polissage mécanique ou chimique. L'usinage lui-même peut être réalisé à l'aide d'un procédé de gravure humide ou sèche. Par exemple, l'usinage peut être réalisé à l'aide d'un procédé de gravure ionique réactive tel que le procédé DRIE (Deep Reaction Ion Etching). Le procédé DRIE favorise la gravure profonde et une bonne précision sur les formes gravées. Il favorise également la formation de parois verticales sur l'âme 2 ainsi gravée.The production of the ceramic material can be carried out using a sintering process or any other suitable process. Unlike the manufacture of a spiral spring in silicon which requires its production from a machined plate of the "wafer" type, the
Il est également possible d'usiner l'âme 2 avec la forme spiralée à l'aide d'un procédé de découpe laser. Par exemple, un faisceau laser pulsé de diamètre compris en 10 microns et 30 microns peut être utilisé. La longueur d'onde sélectionnée peut être de λ = 532 nm, avec une durée des impulsions comprise entre 5 et 15 picosecondes, et ce, pour une cadence comprise dans l'intervalle 200 KHz à 1000 KHz. Il est également possible de réaliser la découpe avec des impulsions laser uniques ou des trains d'impulsions avec des énergies comprises entre 5 et 80 micro joules, , séparées par des intervalles de 1 à 5 microsecondes. Les trains d'impulsions peuvent être composés de 2 à 10 impulsions laser séparés de 10 à 50 ns.It is also possible to machine the
L'épaisseur tR du revêtement 4 peut être ajustée de manière à obtenir une valeur souhaitée du coefficient thermoélastique du ressort spiral βs. En effet, le coefficient thermoélastique du ressort spiral βs dépend de la combinaison du premier coefficient thermoélastique βA et du second coefficient thermoélastique βR et peut donc être modifié en modifiant l'épaisseur tR du revêtement 4.The thickness t R of the
De plus, la section de l'âme 2 peut être ajustée de manière à obtenir une valeur souhaitée de la raideur du ressort spiral ks. La raideur du ressort spiral ks est déterminée par une combinaison de la raideur de l'âme kA et de la raideur du revêtement kR.In addition, the section of the
En fait, selon l'invention, la section de l'âme 2 ainsi que l'épaisseur tR du revêtement 4 peuvent être ajustées de façon indépendante afin de modifier indépendamment la valeur de la raideur du ressort spiral ks et la valeur de coefficient thermoélastique du ressort spiral βs.In fact, according to the invention, the section of the
En pratique, l'épaisseur du revêtement 4 sera comprise entre 0.1 µm et 10 µm, et préférablement entre 1 µm et 6 µm, ou encore plus préférablement entre 2 µm et 5 µm.In practice, the thickness of
L'invention concerne également le réglage du ressort spiral 1 de manière à ajuster la raideur ks du ressort spiral 1 et la minimisation des variations des propriétés de dilatation et d'élasticité du ressort spiral 1 de façon à minimiser les variations thermiques du ressort spiral 1.The invention also relates to the adjustment of the
Selon un mode de réalisation, un procédé de réglage du ressort spiral 1 comprend:
- l'ajustement de la section de l'âme 2 de manière à obtenir une valeur prédéterminée de la première raideur kA; et
- la formation du revêtement de dioxyde de silicium 4 ayant une épaisseur prédéterminée tR sur au moins une portion de l'âme 2 de manière à obtenir une valeur prédéterminée du second coefficient thermoélastique βR.
- the adjustment of the section of the
core 2 so as to obtain a predetermined value of the first stiffness k A ; and - the formation of the
silicon dioxide coating 4 having a predetermined thickness t R on at least a portion of thecore 2 in such a way in obtaining a predetermined value of the second thermoelastic coefficient β R .
L'ajustement de la section de l'âme 2 est réalisé avant l'étape de formation d'un revêtement de dioxyde de silicium. L'ajustement de la section de l'âme 2 peut être réalisé par enlèvement de matière à la périphérie de l'âme. De préférence, l'enlèvement de la matière sur l'âme 2 formée du matériau céramique est réalisé au moyen d'une attaque chimique isotrope de l'âme 2. Par exemple, l'enlèvement de la matière peut être réalisé par une attaque dans une solution à chaud d'acide phosphorique avec ou sans acide nitrique et eau, pour ajuster l'épaisseur de l'âme en nitrure de silicium.The adjustment of the section of the
La valeur prédéterminée de la première raideur kA correspond à la valeur que doit avoir la première raideur kA de l'âme 2 (sans le revêtement) permettant au ressort spiral 1 (l'âme avec le revêtement) d'avoir une valeur souhaitée pour la raideur ks du ressort spiral 1. La raideur ks du ressort spiral 1 correspond à une combinaison de la première raideur kA et de la seconde raideur kR.The predetermined value of the first stiffness k A corresponds to the value that the first stiffness k A of the core 2 (without the coating) must have allowing the spiral spring 1 (the core with the coating) to have a desired value for the stiffness ks of the
La valeur prédéterminée de la première raideur kA peut être calculée en fonction de la seconde raideur kR, qui dépend de l'épaisseur tR du revêtement 4 et de la valeur souhaitée de la raideur ks du ressort spiral 1. Le calcul de la valeur prédéterminée de la première raideur kA peut être réalisé à l'aide de simulations numériques utilisant des éléments finis en fonction de la raideur du ressort spiral ks souhaitée.The predetermined value of the first stiffness k A can be calculated as a function of the second stiffness k R , which depends on the thickness t R of the
Dans un mode de réalisation, le procédé comprend une étape de mesure d'une première raideur mesurée kAm, et une étape de comparaison de la première raideur mesurée kAm par rapport à une valeur prédéterminée (souhaitée) de la première raideur kA. La quantité de matière à enlever pour l'ajustement de la section de l'âme 2 de sorte à obtenir la valeur prédéterminée de la première raideur kA peut alors être déterminée à partir de l'écart entre la première raideur mesurée kAm et la valeur prédéterminée de la première raideur kA. La relation entre la première raideur kA et la quantité de matière à enlever est donnée par l'équation 4 dans laquelle la raideur du ressort spiral ks est remplacée par la première raideur kA de l'âme 2 et où E est le module d'Young de l'âme, w, h et L respectivement l'épaisseur, la hauteur et la longueur de l'âme 2.In one embodiment, the method comprises a step of measuring a first measured stiffness k Am , and a step of comparing the first measured stiffness k Am with a predetermined (desired) value of the first stiffness k A . The quantity of material to be removed for the adjustment of the section of the
La mesure de la première raideur kA peut être réalisée en alternance avec l'étape d'ajustement de la section de l'âme 2. Alternativement, la mesure de la première raideur kAm peut être réalisée simultanément avec l'étape d'ajustement de la section de l'âme 2.The measurement of the first stiffness k A can be carried out alternately with the step of adjusting the section of the
De façon préférée, l'ajustement de la section de l'âme 2 comprend un enlèvement de matière correspondant à une épaisseur d'environ 0.1 µm à 3 µm à la périphérie de l'âme 2.Preferably, the adjustment of the section of the
La formation du revêtement de dioxyde de silicium 4 est réalisée au moins sur une portion de l'âme 2. Par exemple, le revêtement 4 peut couvrir toutes les faces 3 de l'âme 2, ou seulement certaines faces 3 de l'âme 2. Selon un mode de réalisation où l'âme est réalisée sur un substrat par gravure, le revêtement 4 peut ne couvrir que les trois faces libres de l'âme 2 mais pas la face solidaire au substrat. L'épaisseur tR du revêtement 4 est déterminée de sorte à obtenir une valeur prédéterminée du second coefficient thermoélastique βR du revêtement 4.The formation of the
La croissance du revêtement 4 en dioxyde de silicium, correspondant à une oxydation dite passive, peut être réalisée par thermo-oxydation en présence d'agents oxydants ou par thermo-oxydation rapide à des températures comprises entre 800°C et 1600°C, et préférentiellement à des températures comprises entre 1000°C et 1200°C. Les agents oxydants peuvent comprendre l'oxygène et/ou la vapeur d'eau (thermo-oxydation humide). Les agents oxydants peuvent également comprendre, par exemple et sans être exhaustif, l'ozone, des mélanges oxygène-azote, ou oxygène-hélium.The growth of the
La croissance de la couche d'oxyde de silicium peut encore être réalisée par oxydation plasma à basse température (entre 300°C à 600°C et préférablement entre 400°C et 500°C) à l'aide d'un plasma oxygène. Dans ce cas, l'âme 2 peut être mise en position anodique de façon à éviter des effets de pulvérisation dans la couche d'oxyde. A cette fin, l'âme 2 peut être mise en contact avec un plasma d'oxygène généré par une source radiofréquence, ou par une source micro-ondes, toutes deux positionnées à quelques centimètres de l'âme 2. La surface de l'âme 2 est principalement soumise aux espèces ionisées du plasma (ions, électrons). Une cathode est située à plusieurs dizaines de centimètres de l'âme à oxyder. On peut également réaliser la couche d'oxyde de silicium par dépôt chimique en phase vapeur assistée par plasma (plasma-enhanced chemical vapor déposition, PECVD) avec une épaisseur variant entre 0,2 et 10 micromètres et, préférentiellement, entre 2 et 5 micromètres.The growth of the silicon oxide layer can also be carried out by plasma oxidation at low temperature (between 300° C. and 600° C. and preferably between 400° C. and 500° C.) using an oxygen plasma. In this case, the
Avantageusement, les liaisons chimiques à caractère partiellement covalent des céramiques à base de silicium comprenant un nitrure, carbure ou oxynitrure de silicium favorisent la continuité des structures à l'interface entre le matériau céramiques et la couche de SiO2.Advantageously, the partially covalent chemical bonds of the silicon-based ceramics comprising a silicon nitride, carbide or oxynitride promote the continuity of the structures at the interface between the ceramic material and the SiO 2 layer.
La composition et la structure du revêtement 4 en dioxyde de silicium dépendent du mode d'élaboration du matériau céramique monolithique. Dans le cas où le matériau céramique comprend le nitrure de silicium élaboré par frittage en phase solide sous pression isostatique à chaud (HIP SN) ou par une technologie de déposition chimique en phase vapeur (CVD), les deux procédés se réalisant sans ajout de matière, le revêtement 4 contient essentiellement du SiO2 amorphe sans perturbation sur la texture du matériau céramique.The composition and the structure of the
Lorsque le matériau céramique est élaboré par un procédé de frittage en phase liquide en présence d'ajouts de types oxyde de magnésium (MgO), oxyde d'yttrium (Y2O3), oxydes de terres rares (Re2O3), le revêtement 4 comprend des composés dispersés dans le revêtement de silice et le composé Si2N2O à l'interface entre la céramique et le revêtement de silice (par exemple le composé Y2Si2O7 dans le cas d'ajout de Y2O3). En particulier, la réaction d'oxydation formant le revêtement 4 peut être exprimée par les équations 6 et 7:
La composition de la couche superficielle de l'âme 2 en céramique est en outre modifiée par différents mécanismes de diffusion cationique des éléments des ajouts.The composition of the surface layer of the
La présence de l'élément silicium dans le substrat de matériau céramique constituant l'âme 2 du ressort spiral 1 permet une bonne adhésion du revêtement 4 au substrat céramique. Cette bonne adhésion est due à une continuité à l'échelle atomique entre le substrat et le revêtement 4 dans une zone d'accommodation (aussi connue selon l'expression anglaise de "terrace région") de quelques distances atomiques à partir de la surface du substrat.The presence of the silicon element in the substrate of ceramic material constituting the
Le matériau céramique contenant l'élément silicium dans sa composition a de préférence une résistivité qui est typiquement très élevée (> 1012 Ω.m) et donc peut être considéré comme un matériau diélectrique. Lorsque le revêtement 4 de silice est réalisé sur un tel matériau céramique diélectrique, la strate silicique croît à partir de l'extrême surface du substrat, assurant une bonne adhérence du revêtement sur le substrat, et éliminant la diffusion de l'oxygène à l'intérieur de l'âme 2, comme cela est constaté lors des opérations d'oxydation de la silice.The ceramic material containing the silicon element in its composition preferably has a resistivity which is typically very high (>10 12 Ω.m) and therefore can be considered as a dielectric material. When the
Les
Les
L'épaisseur de la couche d'oxyde de silicium peut être estimée à l'aide de paramètres tels que le temps d'oxydation; le degré d'hygrométrie et la température. En effet, les lois cinétiques de croissance des couches d'oxydes sont connues (lois paraboliques, lois arc tangente, ou fonctions linéaires).The thickness of the silicon oxide layer can be estimated using parameters such as oxidation time; the degree of humidity and the temperature. Indeed, the kinetic laws of growth of the layers of oxides are known (parabolic laws, arctangent laws, or linear functions).
Encore dans un mode de réalisation, le procédé comprend une étape de réduction de l'épaisseur du revêtement 4. Cette étape dans laquelle une fraction de l'épaisseur du revêtement 4 est enlevée par attaque chimique, permet d'ajuster plus finement la raideur ks du ressort spiral 1. Cette étape qui est réalisée après l'étape de formation du revêtement de dioxyde de silicium 4 sur l'âme 2 permet également de faire un ajustement fin de la valeur prédéterminée du second coefficient thermoélastique βR.In another embodiment, the method comprises a step of reducing the thickness of the
Un aspect important du procédé de l'invention est que l'obtention de la valeur prédéterminée de la première raideur kA peut être réalisée en une seule étape.An important aspect of the method of the invention is that the obtaining of the predetermined value of the first stiffness k A can be carried out in a single step.
Dans le cas d'une âme en silicium de l'art d'antérieur, l'ajustement de la section de l'âme par l'enlèvement de la matière est typiquement réalisé à l'aide d'une première étape de croissance d'une couche d'oxyde sur l'âme et d'une seconde étape d'attaque de la couche d'oxyde. En effet, sur le silicium, la croissance de la couche d'oxyde se fait en bonne partie au détriment du substrat en silicium, typiquement dans une portion correspondant à environ 44% de l'épaisseur totale de la couche. Ce procédé d'ajustement en deux étapes est nécessaire pour contrôler avec une précision suffisante l'enlèvement du silicium. Au contraire, l'enlèvement de la matière de l'âme 2 de l'invention en matériau céramique peut être réalisé par une attaque chimique de façon isotrope et contrôlée. Par conséquent, l'ajustement de la section de l'âme 2 peut être réalisé avant l'étape de formation d'un revêtement de dioxyde de silicium 4.In the case of a silicon core of the prior art, the adjustment of the section of the core by the removal of the material is typically carried out using a first step of growth of an oxide layer on the core and a second step of etching the oxide layer. Indeed, on silicon, the growth of the oxide layer takes place largely at the detriment of the silicon substrate, typically in a portion corresponding to approximately 44% of the total thickness of the layer. This two-step adjustment process is necessary to control the silicon removal with sufficient precision. On the contrary, the removal of the material from the
L'invention concerne également un résonateur balancier-spiral (non illustré) pour un mouvement d'horlogerie ou autre instrument de précision comprenant le ressort spiral 1 coopérant avec un balancier.The invention also relates to a balance-spring resonator (not shown) for a clockwork movement or other precision instrument comprising the
Dans un tel résonateur, la valeur de la raideur ks du ressort spiral 1 est déterminée de manière à obtenir une valeur de consigne dans sa tolérance pour la fréquence propre fondamentale fo du résonateur balancier-spiral (voir Equation 2). Comme décrit ci-dessus, la valeur de la raideur ks du ressort spiral 1 est déterminée par la section de l'âme 2 et l'épaisseur tR du revêtement 4. La fréquence propre fondamentale fo du résonateur balancier-spiral est typiquement comprise entre 2 Hz et 20 Hz, ou encore entre 2 Hz et 5 Hz.In such a resonator, the value of the stiffness ks of the
La valeur prédéterminée du coefficient thermoélastique du ressort spiral βS peut également être ajustée de manière à compenser le terme (3αS ― 2αB) de l'équation 5.The predetermined value of the thermoelastic coefficient of the spiral spring β S can also be adjusted so as to compensate for the term (3α S ― 2α B ) of
L'âme 2 en matériau céramique contenant l'élément de silicium a typiquement un premier coefficient thermoélastique βA négatif qui doit être partiellement compensé par le revêtement de silice 4 ayant un second coefficient thermoélastique βR positif d'environ 140×10-6/°C. Dans le cas d'un balancier en cuivre-béryllium, la combinaison du premier coefficient thermoélastique βA et du second coefficient thermoélastique βR devrait résulter dans une valeur prédéterminée du coefficient thermoélastique βS du ressort spiral 1 autour de +18×10-6/°C. La valeur prédéterminée du coefficient thermoélastique βS du ressort spiral 1 peut être obtenue en ajustant la section de l'âme 2 et l'épaisseur tR du revêtement 4.The
La compensation du terme (3αS ― 2αB) de l'équation 5 par le coefficient thermoélastique du ressort spiral βS permet de minimiser la dérive thermique du résonateur balancier-spiral, et donc les variations de la marche diurne instantanée d'une montre comprenant un tel résonateur. Le résonateur balancier-spiral peut présenter une invariance des propriétés de dilatation et d'élasticité du ressort spiral 1 dans une gamme définie de températures comprise, d'après le COSC, entre 8°C et 38°C. Un tel résonateur est également insensible aux champs magnétiques extérieurs.Compensation of the term (3α S ― 2α B ) of
La
La présente invention est également applicable à d'autres types de résonateurs capables de réguler un mouvement horloger mécanique, tel que notamment un résonateur en forme de diapason.The present invention is also applicable to other types of resonators capable of regulating a mechanical watch movement, such as in particular a resonator in the form of a tuning fork.
L'invention se caractérise par l'un ou plusieurs des éléments suivants :The invention is characterized by one or more of the following elements:
Ressort spiral (1) destiné à équiper un résonateur mécanique balancier-spiral de mouvement d'horlogerie ou autre instrument de précision, le ressort spiral (1) comprenant :
- une âme (2) fabriquée dans un matériau céramique contenant l'élément silicium dans sa composition et comprenant une section, l'âme (2) ayant une première raideur (kA) et un premier coefficient thermoélastique (βA); et
- un revêtement (4) de dioxyde de silicium d'épaisseur (tR) et couvrant au moins partiellement l'âme (2), le revêtement (4) ayant une seconde raideur (kR) et un second coefficient thermoélastique (βR) de signe opposé au premier coefficient thermoélastique (βA);
- caractérisé en ce que la section de l'âme (2) et l'épaisseur (tR) du revêtement (4) sont ajustables indépendamment de manière à obtenir:
- un coefficient thermoélastique du ressort spiral (βS) en fonction du premier coefficient thermoélastique (βA) et du second coefficient thermoélastique (βR); et
- une raideur du ressort spiral (ks) en fonction de la première raideur (kA) et la seconde raideur (kR).
- a core (2) made of a ceramic material containing the element silicon in its composition and comprising a section, the core (2) having a first stiffness (k A ) and a first thermoelastic coefficient (β A ); and
- a coating (4) of silicon dioxide of thickness (t R ) and at least partially covering the core (2), the coating (4) having a second stiffness (k R ) and a second thermoelastic coefficient (β R ) of opposite sign to the first thermoelastic coefficient (β A );
- characterized in that the section of the core (2) and the thickness (t R ) of the coating (4) are independently adjustable so as to obtain:
- a thermoelastic coefficient of the coil spring (β S ) as a function of the first thermoelastic coefficient (β A ) and the second thermoelastic coefficient (β R ); and
- a stiffness of the spiral spring (ks) as a function of the first stiffness (k A ) and the second stiffness (k R ).
L'épaisseur du revêtement (4) est comprise entre 0.1 µm et 10 µm, et préférablement entre 1 µm et 3 µm.The thickness of the coating (4) is between 0.1 μm and 10 μm, and preferably between 1 μm and 3 μm.
Le matériau céramique comprend un nitrure, carbure ou oxynitrure de silicium.The ceramic material comprises a silicon nitride, carbide or oxynitride.
Le matériau céramique comprend au moins l'un des composés suivants: Si3N4 ou SiAlON.The ceramic material comprises at least one of the following compounds: Si 3 N 4 or SiAlON.
Le matériau céramique comprend au moins l'une des structures composites suivantes: Si3N4-SiAlON, ou α-Si3N4 - O-Si3N4.The ceramic material comprises at least one of the following composite structures: Si 3 N 4 -SiAlON, or α-Si 3 N 4 -O-Si 3 N 4 .
Résonateur balancier-spiral pour un mouvement d'horlogerie ou autre instrument de précision comprenant le ressort spiral (1) le ressort spiral (1) ayant un coefficient de dilatation linéaire du ressort spiral (αS), et un balancier ayant un coefficient de dilatation linéaire du balancier (αB);
- la section de l'âme (2) et l'épaisseur (tR) du revêtement (4) étant ajustées de manière à ce que la combinaison du second coefficient thermoélastique (βR) et du premier coefficient thermoélastique (βA) résulte dans un coefficient thermoélastique du ressort spiral (βS) compensant une valeur correspondant à la différence entre trois fois le coefficient de dilatation linéaire du ressort spiral (as) et deux fois le coefficient de dilatation linéaire du balancier (αB);
- caractérisé en ce que
- la section de l'âme (2) et l'épaisseur (tR) du revêtement (4) sont également ajustées de manière à ce que la combinaison de la première raideur (kA) et la seconde raideur (kR) donne une raideur du ressort spiral (ks) permettant d'obtenir la fréquence propre fondamentale de consigne (fo) du résonateur balancier-spiral.
- the section of the core (2) and the thickness (t R ) of the coating (4) being adjusted so that the combination of the second thermoelastic coefficient (β R ) and the first thermoelastic coefficient (β A ) results in a thermoelastic coefficient of the spiral spring (β S ) compensating for a value corresponding to the difference between three times the linear expansion coefficient of the spiral spring (as) and twice the linear expansion coefficient of the balance (α B );
- characterized in that
- the section of the core (2) and the thickness (t R ) of the coating (4) are also adjusted so that the combination of the first stiffness (k A ) and the second stiffness (k R ) gives a stiffness of the balance-spring (ks) making it possible to obtain the set fundamental natural frequency (f o ) of the balance-spring resonator.
Résonateur balancier-spiral dans lequel la fréquence propre fondamentale de consigne (fo) du résonateur balancier-spiral est comprise entre 2Hz et 20 Hz et de préférence entre 2 Hz et 5 Hz.Balance-spring resonator in which the set fundamental natural frequency (f o ) of the balance-spring resonator is between 2 Hz and 20 Hz and preferably between 2 Hz and 5 Hz.
Procédé de réglage d'un ressort spiral (1) comprenant:
- la formation du revêtement de dioxyde de silicium (4) ayant une épaisseur prédéterminée (tR) sur au moins une portion de l'âme (2) de manière à obtenir une valeur prédéterminée du second coefficient thermoélastique (βR);
caractérisé en ce que - la méthode comprend également l'ajustement de la section de l'âme (2) de manière à obtenir une valeur prédéterminée de la première raideur (kA); et
- en ce que l'ajustement de la section de l'âme (2) est réalisé avant l'étape de formation d'un revêtement de dioxyde de silicium (4).
- forming the silicon dioxide coating (4) having a predetermined thickness (t R ) on at least a portion of the core (2) so as to obtain a predetermined value of the second thermoelastic coefficient (β R );
characterized in that - the method also includes adjusting the section of the core (2) so as to obtain a predetermined value of the first stiffness (k A ); and
- in that the adjustment of the section of the core (2) is carried out before the step of forming a coating of silicon dioxide (4).
Le procédé où la valeur prédéterminée de la première raideur (kA) est calculée en fonction d'une raideur du ressort spiral (ks) déterminée par une combinaison de la première raideur (kA) et la seconde raideur (kR).The method where the predetermined value of the first stiffness (k A ) is calculated based on a stiffness of the spiral spring (ks) determined by a combination of the first stiffness (k A ) and the second stiffness (k R ).
Le procédé où le calcul de la valeur prédéterminée de la première raideur (kA) est réalisé à l'aide de simulations numériques utilisant des éléments finis en fonction de la raideur du ressort spiral (ks) souhaitée.The method where the calculation of the predetermined value of the first stiffness (k A ) is carried out using numerical simulations using finite elements according to the stiffness of the spiral spring (ks) desired.
Le procédé comprenant en outre une étape de mesure d'une première raideur mesurée (kAm) et de comparaison de la première raideur mesurée (kAm) avec la valeur prédéterminée de la première raideur (kA).The method further comprising a step of measuring a first measured stiffness (k Am ) and comparing the first measured stiffness (k Am ) with the predetermined value of the first stiffness (k A ).
Le procédé dans lequel l'ajustement de la section de l'âme (2) comprend un enlèvement de matière correspondant à une épaisseur d'environ 0.1 µm à 3 µm à la périphérie de l'âme (2).The process in which the adjustment of the section of the core (2) comprises a removal of material corresponding to a thickness of about 0.1 µm to 3 µm at the periphery of the core (2).
Le procédé dans lequel l'enlèvement de matière est déterminé à partir de l'écart entre la première raideur mesurée (kAm) et la valeur prédéterminée de la première raideur (kA).The method in which material removal is determined from the difference between the first measured stiffness (k Am ) and the predetermined value of the first stiffness (k A ).
Le procédé dans lequel l'enlèvement de matière est réalisé à l'aide d'une attaque chimique isotrope de l'âme (2).The process in which material removal is carried out using isotropic chemical attack of the core (2).
Le procédé dans lequel la mesure de la première raideur (kA) est réalisée en alternance avec l'étape d'ajustement de la section de l'âme (2).The method in which the measurement of the first stiffness (k A ) is carried out alternately with the step of adjusting the section of the core (2).
Le procédé dans lequel la mesure de la première raideur (kA) est réalisée simultanément avec l'étape d'ajustement de la section de l'âme (2).The method in which the measurement of the first stiffness (k A ) is carried out simultaneously with the step of adjusting the section of the web (2).
Le procédé comprenant en outre la réduction de l'épaisseur du revêtement (4) de manière à ajuster la raideur (ks) du ressort spiral (1) et/ou la valeur prédéterminée du second coefficient thermoélastique (βR).The method further comprising reducing the thickness of the coating (4) so as to adjust the stiffness (ks) of the spiral spring (1) and/or the predetermined value of the second thermoelastic coefficient (β R ).
- 11
- ressort spiralspiral spring
- 22
- âmesoul
- 33
- surface de l'âmecore surface
- 44
- revêtement d'oxyde de siliciumsilicon oxide coating
- 55
- viroleferrule
- 66
- pitonpiton
- 77
- enrobagecoating
- 88
- zone présentant des arrachements granulairesarea with granular pullouts
- αBαB
- coefficient de dilatation linéaire d'un balancierlinear expansion coefficient of a pendulum
- aSaS
- coefficient de dilatation linéaire d'un ressort spirallinear expansion coefficient of a spiral spring
- βAβA
- premier coefficient thermoélastique de-l'âme constitutive du spiralfirst thermoelastic coefficient of the core constituting the hairspring
- βRβR
- second coefficient thermoélastique d'un revêtementsecond thermoelastic coefficient of a coating
- βSβS
- coefficient thermoélastique du ressort spiral thermocompenséthermoelastic coefficient of the heat-compensated spiral spring
- ΔfΔf
- variation de la fréquence d'un résonateur balancier-spiralvariation of the frequency of a balance-spring resonator
- ΔJBΔJB
- variation du moment d'inertie du balanciervariation of the moment of inertia of the balance
- ΔkSΔkS
- variation de la raideur du ressort spiralvariation of the spiral spring stiffness
- tRr
- épaisseur du revêtementcoating thickness
- fofo
- fréquence propre fondamentale du résonateur balancier-spiralfundamental natural frequency of the balance wheel resonator
- JBJ.B.
- moment d'inertie du balancierbalance moment of inertia
- JBoJBo
- moment d'inertie nominal du balanciernominal moment of inertia of the balance
- kAkA
- première raideur de l'âmefirst stiffness of the soul
- kAmkm
- première raideur mesurée de l'âme constitutive du spiralfirst measured stiffness of the core constituting the hairspring
- kRkR
- seconde raideur du revêtementsecond coating stiffness
- kSkS
- raideur du ressort spiral thermocompenséstiffness of the thermally compensated spiral spring
- ww
- épaisseur du ressort spiralspiral spring thickness
- mm
- masse du balancierpendulum mass
- LI
- longueur du ressort spiralspiral spring length
- rBrB
- rayon du balancierpendulum radius
- hh
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