EP3958066B1 - Procédé de fabrication d'un ressort spiral thermocompensé - Google Patents
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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
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- G04B17/06—Oscillators with hairsprings, e.g. balance
- G04B17/066—Manufacture of the spiral spring
Definitions
- the present invention relates to a method of manufacturing a thermocompensated spiral spring intended to equip a balance-spring resonator of a watch movement or other precision instrument.
- the regulating organ of mechanical watches is conventionally composed of a flywheel, called a balance wheel and a spiral-shaped spring, called a hairspring or hairspring, fixed at one end to the axis of the balance wheel and by the other end on a bridge, called cock, in which the balance axis pivots.
- the spiral spring fitted, to date, to mechanical watch movements is an elastic metal 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 neutral point). When the balance leaves this position, it winds the hairspring. This creates a restoring torque which, when the balance is released, causes it to return to its equilibrium position. As it has acquired a certain speed, therefore kinetic energy, it exceeds its neutral point until the opposing torque of the hairspring stops it and forces it to turn in the other direction. Thus, the hairspring regulates the oscillation period 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 sprung balance.
- ⁇ ks / ks is the variation of the stiffness of the spiral spring compared to its nominal stiffness
- ⁇ J B / J B is the variation of the inertia of the balance wheel compared to its nominal inertia, which makes it possible to introduce for disturbances thermal
- ⁇ S the linear thermoelastic coefficient of the spiral spring, as the linear expansion coefficient of the spiral spring
- ⁇ B the linear expansion coefficient of the balance.
- the stiffness ks of a spiral spring must be as constant as possible, whatever the temperature and the magnetic field in particular.
- thermal compensation of the mechanical oscillator is obtained by adjusting the thermoelastic coefficient ⁇ S of the balance spring as a function of the thermal expansion coefficients of the balance spring as and of the balance ⁇ B , following relation 5.
- the document EP1422436 describes a spiral spring cut from a ⁇ 001 ⁇ plate of monocrystalline silicon.
- the hairspring comprises a layer of SiOz, having a thermoelastic coefficient opposite to that of silicon and formed around the outer surface of the hairspring, in order to minimize the thermal drift of the balance-spring assembly.
- the silicon dioxide layer 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 approximately 2 minutes/day, for a temperature variation of 23°C +/-15°C. This 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 virtual independence of the temperature on the Young's modulus of the resonator body material.
- the invention relates to a method of manufacturing a spiral spring as defined in the appended independent claim 1.
- the spiral spring 1 comprises a core 2 formed in a ceramic material containing the silicon element in its composition (hereinafter ceramic material) and a coating 4 of silicon dioxide covering at least partially the exterior surface 3 of the core 2.
- ceramic material containing the silicon element in its composition
- coating 4 silicon dioxide covering at least partially the exterior surface 3 of the core 2.
- the term “core” is used to describe a central part, or even the body, of the spiral spring.
- 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 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 covering 4 (see the figure 2b ).
- the 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 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 a silicon nitride, a silicon carbide, or a 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 aluminum oxynitride (SiAlON), which contain 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 (SiC - SiC composite), 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 modulus, toughness and thermal conductivity for Si3N4, SiC and SiAlON. Table I - Features 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; SiC supplied by the company ESK CERAMICS for 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.
- Ceramic material has good properties at both room temperature and high temperature. Such ceramic materials are conventionally used as constituent materials of engines, 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 corrosion. We can also cite their use in the semiconductor industry, for example for silicon nitride masks.
- the ceramic material is advantageous for watchmaking 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, resistance to bending, a toughness much higher 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.
- 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 then mechanical or chemical polishing.
- the machining itself can be done using a wet or dry etching process.
- 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.
- 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 of the stiffness of the spiral spring ks.
- the spiral spring stiffness ks is determined by a combination of the core stiffness k A and the coating stiffness 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 independently modify 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 the 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 variations in the expansion and elasticity properties of the spiral spring 1 so as to minimize the thermal variations of the spiral spring 1 .
- the section of the core 2 is adjusted before the step of forming a silicon dioxide coating.
- 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 from the ceramic material is carried out by means of an isotropic chemical attack on 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 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 carried out 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 relative to a predetermined (desired) value of the first stiffness k A.
- the quantity of material to be removed for adjusting 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 modulus d 'Young of the core, w, h and L respectively the thickness, height and length of the core 2.
- the measurement of the first stiffness k A can be carried out alternately with the step of adjusting the section of the core 2.
- the measurement of the first stiffness k Am can be carried out simultaneously with the adjustment step of soul 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 can only cover the three free faces of the core 2 but not the face secured to 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 may include oxygen and/or water vapor (wet thermo-oxidation).
- the 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 to 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 radio frequency source, or by a microwave source, both positioned a few centimeters from the core 2.
- the surface of the soul 2 is mainly subject to ionized plasma species (ions, electrons).
- a cathode is located several tens of centimeters from the core to be oxidized.
- the silicon oxide layer can also be produced by plasma-enhanced chemical vapor deposition. deposition, PECVD) with a thickness varying between 0.2 and 10 micrometers and, preferably, between 2 and 5 micrometers.
- the partially covalent chemical bonds of 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.
- composition and structure of the silicon dioxide coating 4 depend on the method of producing 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 the addition of material , coating 4 essentially contains amorphous SiO 2 without disturbance to the texture of the ceramic material.
- the coating 4 comprises compounds dispersed in the silica coating and the compound SizNzO 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: If 3 N 4 + 3/4 O 2 ⁇ 3/2 SizNzO + 1/2 N 2 (6) If 3 N 4 + SiO 2 ⁇ 2 SizNzO + N 2 (7) The gaseous products of these reactions (N 2 ) cause the formation of porosities (bubbles) in the coating 4.
- composition of the surface layer of the ceramic core 2 is further 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 continuity on the atomic scale between the substrate and the coating 4 in an accommodation zone (also known by 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 passive oxidation of the ceramic material.
- a coating protecting the coating 4 during the metallographic cutting operation is also visible at figures 4a And 4b .
- FIGS. 5 And 6 show micrographs, obtained by scanning electron microscopy, of a section of the spiral spring comprising the coating 4 in silicon dioxide in a view at an enlargement of ⁇ 5000 ( figure 5 ), at a magnification of ⁇ 18000 ( Figure 6 ).
- Coating 4 is formed by a low temperature plasma oxidation process.
- Figure 7 shows another micrograph, also obtained by scanning electron microscopy, of a section of the spiral spring in which good adhesion can be seen between the core and the silicon dioxide coating, even in areas with granular tear-offs (such an area is shown 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 oxide layers 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 obtaining 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 removing 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 occurs largely to 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 silicon removal with sufficient precision.
- the removal of the material from the core 2 of the invention made of ceramic material can be carried out by chemical attack in an isotropic and controlled manner. Consequently, the adjustment of the section of the core 2 can be carried out before the step of forming a silicon dioxide coating 4.
- the invention also relates to a balance-spiral resonator (not illustrated) for a watch 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 set 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 spiral spring 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-spring resonator is typically included between 2 Hz and 20 Hz, or 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 thermoelastic coefficient ⁇ 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.
- Compensating the term (3 ⁇ S - 2 ⁇ B ) of equation 5 by the thermoelastic coefficient of the spiral spring ⁇ S makes it possible to minimize the thermal drift of the balance-spring resonator, and therefore the variations in the instantaneous diurnal rate of a watch comprising such a resonator.
- the balance-spring resonator can exhibit invariance of the expansion and elasticity properties of the spiral spring 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.
- FIG. 3 shows an example of a thermocompensated ceramic spiral spring 1 produced according to the method of the invention with a ferrule 5 and a pin 6 (the ferrule and the pin are produced concomitantly with the spiral spring 1).
- the basic idea of 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.
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Description
- La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un ressort spiral thermocompensé destiné à équiper un résonateur balancier-spiral de mouvement d'horlogerie ou autre instrument de précision.
- 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.
- 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.
- 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 as et du balancier αB, suivant la relation 5.
- 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.
- Le document
EP1422436 décrit un ressort spiral découpé dans une plaque {001} de silicium monocristallin. Le spiral comporte une couche de SiOz, présentant un coefficient thermoélastique opposé à celui du silicium et formée autour de la surface extérieure du spiral, afin de minimiser la dérive thermique de l'ensemble balancier-spiral. La couche de dioxyde de silicium permet également une amélioration des propriétés mécaniques du substrat en silicium. - 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.
- Le document
EP2590325 décrit un ressort spiral dont le corps en céramique de type verres borosilicates ou carbure de silicium est revêtu d'une strate de SiO2, de façon à ce que le résonateur ainsi formé possède une variation de fréquence quasi nulle en fonction de la température. Par la valeur de son coefficient de thermocompensation, le revêtement de SiO2 assure une quasi indépendance de la température sur le module d'Young du matériau du corps du résonateur. - L'invention concerne un procédé de fabrication d'un ressort spiral tel que défini dans la revendication indépendante 1 annexée.
- Des réalisations préférées de ce procédé sont définies dans les revendications dépendantes.
- 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 x 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. - La
figure 1 montre une vue du dessus d'un ressort spiral 1 et lesfigures 2a et 2b montrent une vue en coupe longitudinale et transversale du ressort spiral 1 selon l'invention. Selon un mode de réalisation, le ressort spiral 1 comprend une âme 2 formée dans un matériau céramique contenant l'élément silicium dans sa composition (ci-après matériau céramique) et un revêtement 4 de dioxyde de silicium couvrant au moins partiellement la surface extérieure 3 de l'âme 2. Dans la présente description le terme "âme" est utilisé pour décrire une partie centrale, ou encore le corps, du ressort spiral. Le revêtement 4 correspond à une couche déposée superficiellement sur l'âme, ou corps. Dans l'exemple desfigures 1 et 2 , l'âme a une forme hélicoïdale et comprend au moins une spire de section rectangulaire d'épaisseur w et de hauteur h. On comprendra cependant que la géométrie de l'âme peut être autre que celle illustrée dans cet exemple, par exemple, l'âme peut avoir une section droite circulaire, ou polygonale, ou autre. Le ressort-spiral 1 peut être vu comme étant formé d'une structure composite de type « sandwich » constituée d'une partie centrale, l'âme 2, et le revêtement 4 (voir lafigure 2b ). - 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.
- 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.
Table I - Caractéristiques Si3N4 SiC SiAlON Densité 3,2 3,10 3,25 Porosité ouverte (%) 0 < 3 0 à 5 Module d'Young (GPa) 300 410 300 Contrainte maximale de flexion (MPa) 750 (tests 3 points) 410 (tests 4 points) 450 Module de Weibull 15 10 ≥ 10 Ténacité ( 6,5 3,2 ≥ 4 Conductivité thermique (W/m.K) à 20°C 22 110 20 - 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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 SizNzO 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:
Si3N4 + 3/4 O2 → 3/2 SizNzO + 1/2 N2 (6)
Si3N4 + SiO2 → 2 SizNzO + N2 (7)
Les produits gazeux de ces réactions (N2) provoquent la formation de porosités (bulles) dans le revêtement 4. - 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.
- 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.
- 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.
- Les
figure 4a et4b concernent des micrographies obtenues par microscopie électronique à balayage, montrant une vue en coupe du ressort spiral 1 comprenant l'âme 2 dans le matériau céramique et le revêtement 4 en dioxyde de silicium formé par le procédé d'oxydation thermique sous air à 1200°C pendant deux heures (figure 4a ), et par le procédé d'oxydation plasma à basse température à l'aide d'un plasma oxygène (figure 4b ), dans des conditions privilégiant l'oxydation passive du matériau céramique. Un enrobage protégeant le revêtement 4 lors de l'opération de coupe métallographique est également visible auxfigures 4a et4b . - Les
figures 5 et6 montrent des micrographies, obtenues par microscopie électronique à balayage, d'une coupe du ressort spiral comprenant le revêtement 4 en dioxyde de silicium selon une vue à un agrandissement de × 5000 (figure 5 ), à un agrandissement de × 18000 (figure 6 ). Le revêtement 4 est formé par un procédé d'oxydation plasma à basse température. Lafigure 7 montre une autre micrographie, également obtenue par microscopie électronique à balayage, d'une coupe du ressort spiral dans laquelle on peut voir une bonne adhérence entre l'âme et le revêtement en dioxyde de silicium, même dans les zones présentant des arrachements granulaires (une telle zone est représentée sur lafigure 7 par le numéro 8). - 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).
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- La
figure 3 montre un exemple d'un ressort spiral 1 thermocompensé en céramique réalisé selon la méthode de l'invention avec une virole 5 et un piton 6 (la virole et le piton sont réalisés concomitamment avec le ressort spiral 1). - Même si cela ne fait pas partie de l'objet revendiqué, l'idée de base de 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.
-
- 1
- ressort spiral
- 2
- âme
- 3
- surface de l'âme
- 4
- revêtement d'oxyde de silicium
- 5
- virole
- 6
- piton
- 7
- enrobage
- 8
- zone présentant des arrachements granulaires
- αB
- coefficient de dilatation linéaire d'un balancier
- αS
- coefficient de dilatation linéaire d'un ressort spiral
- βA
- premier coefficient thermoélastique de-l'âme constitutive du spiral
- βR
- second coefficient thermoélastique d'un revêtement
- βS
- coefficient thermoélastique du ressort spiral thermocompensé
- Δf
- variation de la fréquence d'un résonateur balancier-spiral
- ΔJB
- variation du moment d'inertie du balancier
- Δks
- variation de la raideur du ressort spiral
- tR
- épaisseur du revêtement
- fo
- fréquence propre fondamentale du résonateur balancier-spiral
- JB
- moment d'inertie du balancier
- JBo
- moment d'inertie nominal du balancier
- kA
- première raideur de l'âme
- kAm
- première raideur mesurée de l'âme constitutive du spiral
- kR
- seconde raideur du revêtement
- kS
- raideur du ressort spiral thermocompensé
- w
- épaisseur du ressort spiral
- m
- masse du balancier
- L
- longueur du ressort spiral
- rB
- rayon du balancier
- h
- hauteur du ressort spiral
Claims (11)
- Procédé de fabrication d'un ressort spiral (1) ayant une raideur souhaitée (Ks) et un coefficient thermique souhaité (βs), destiné à équiper un résonateur mécanique balancier-spiral de mouvement d'horlogerie ou autre instrument de précision, comprenant les étapes :de réaliser une âme (2) fabriquée dans un matériau céramique contenant l'élément silicium,de mesurer une première raideur (KAM) de l'âme (2) et de comparer la première raideur (KAM) mesurée, par rapport à une valeur prédéterminée (KA) de la raideur de l'âme adaptée à la raideur souhaitée (KS) du ressort spiral, l'âme ayant un premier coefficient thermoélastique (βA);d'ajuster la section de l'âme (2) de manière à obtenir ladite valeur prédéterminée (KA) de la première raideurde former un revêtement de dioxyde de silicium (4) sur au moins une portion de l'âme (2), ledit revêtement (4) ayant une épaisseur (tR), une seconde raideur (kR) et un second coefficient thermoélastique (βR) de signe opposé au premier coefficient thermoélastique (βA) ;la première raideur (KA) de l'âme et l'épaisseur (tR) du revêtement étant définies de manière à ce que le ressort présente la raideur souhaitée (Ks), et le premier coefficient thermoélastique (βA) de l'âme et le second coefficient thermoélastique (βR) du revêtement étant déterminés de manière à ce que le ressort présente le coefficient thermique souhaité (βs).
- Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape d'ajuster la section de l'âme est effectuée par enlèvement de matière, la quantité de matière à enlever est déterminée en fonction de la valeur prédéterminée (KA) de la première raideur selon l'équation 4' :KA désigne la valeur prédéterminée de la première raideur de l'âme (2) ;E désigne le module d'Young de l'âme (2) ;w désigne l'épaisseur de l'âme (2) ;h désigne la hauteur de l'âme (2) ; etL désigne la longueur de l'âme (2) ;
- Procédé selon la revendication 2, dans lequel la quantité de matière à enlever correspond à une épaisseur d'environ 0.1 µm à 3 µm à la périphérie de l'âme (2).
- Procédé selon l'une des revendications 2 ou 3, dans lequel les étapes de mesure d'une première raideur (KAM) mesurée et d'enlever une quantité de matière sont effectuées en alternance ou simultanément.
- Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la valeur prédéterminée (KA) de la première raideur est calculée en fonction de la seconde raideur (kR), dépendante de l'épaisseur (tR) du revêtement (4) et de la valeur souhaitée (KS) de la raideur du ressort.
- Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel la valeur prédéterminée (KA) de la première raideur est déterminée à l'aide de simulations numériques utilisant des éléments finis en fonction de la raideur du ressort spiral (ks) souhaitée.
- Procédé selon l'une des revendications 2 à 4 ou selon l'une des revendications 5 et 6 lorsqu'elles dépendent de la revendication 2, dans lequel l'étape d'enlever une quantité de matière est réalisée au moyen d'une attaque chimique isotrope de l'âme (2).
- Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel l'étape d'ajuster la section de l'âme (2) n'inclut pas de formation de revêtement de dioxyde de silicium.
- Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel l'étape de former le revêtement de dioxyde de silicium (4) est réalisée par thermo-oxydation en présence d'agents oxydants ou par thermo-oxydation rapide à des températures comprises entre 800°C et 1600°C ou par oxydation plasma à une température comprise entre 300°C et 600°C à l'aide d'un plasma oxygène, ou par dépôt chimique en phase vapeur assistée par plasma.
- Procédé selon la revendication 9, dans lequel l'épaisseur (tR) dudit revêtement (4) est estimée à partir de paramètres tels que temps d'oxydation, degré d'hygrométrie et température, d'après les lois cinétiques de croissance des couches d'oxyde.
- Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, comprenant en outre une étape de réduction de l'épaisseur du revêtement (4) de sorte à ajuster la raideur (Ks) du ressort et/ou la valeur prédéterminée du second coefficient thermoélastique (βR).
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-
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