EP4202576A1 - Method for monitoring and manufacturing timepiece hairsprings - Google Patents
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- EP4202576A1 EP4202576A1 EP21216760.5A EP21216760A EP4202576A1 EP 4202576 A1 EP4202576 A1 EP 4202576A1 EP 21216760 A EP21216760 A EP 21216760A EP 4202576 A1 EP4202576 A1 EP 4202576A1
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- G04D7/10—Measuring, counting, calibrating, testing or regulating apparatus for hairsprings of balances
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- G04D7/1257—Timing devices for clocks or watches for comparing the rate of the oscillating member with a standard wherein further adjustment devices are present
- G04D7/1271—Timing devices for clocks or watches for comparing the rate of the oscillating member with a standard wherein further adjustment devices are present for the control mechanism only (from outside the clockwork)
Definitions
- the present invention relates to the field of control and manufacture of parts for watchmaking.
- the invention relates more particularly to a method for checking and manufacturing clockwork spiral springs, otherwise known as resonators.
- the movements of mechanical watches are regulated by means of a mechanical regulator comprising a resonator, that is to say an elastically deformable component whose oscillations determine the rate of the watch.
- a mechanical regulator comprising a resonator, that is to say an elastically deformable component whose oscillations determine the rate of the watch.
- Many watches include, for example, a regulator comprising a hairspring as a resonator, mounted on the axis of a balance wheel and set in oscillation by means of an escapement.
- the natural frequency of the balance-spring couple makes it possible to regulate the watch and depends in particular on the stiffness of the balance-spring.
- the stiffness of the hairspring also defines its intrinsic vibratory characteristics, such as the natural frequency and the resonance frequencies.
- the natural frequency of an elastic system (a single resonator or a resonator-pendulum couple) is the frequency at which this system oscillates when it is in free evolution, that is to say without exciting force.
- a resonance frequency of an elastic system subjected to an exciting force is a frequency at which a local maximum of displacement amplitude can be measured for a given point of the elastic system.
- the displacement amplitude follows an upward slope before this resonant frequency, and follows a downward slope afterwards, at any point which does not correspond to a vibration node.
- the recording of the displacement amplitude as a function of the excitation frequency shows a displacement amplitude peak or resonance peak which is associated with or which characterizes the resonance frequency.
- the natural frequency of the regulator member formed by the balance spring of stiffness R coupled to a balance wheel of inertia I is in particular proportional to the square root of the stiffness of the balance spring.
- the main specification of a spiral spring is its stiffness, which must be within a well-defined range in order to be paired with a balance wheel, which forms the inertial element of the oscillator. This operation pairing is essential to precisely adjust the frequency of a mechanical oscillator.
- silicon hairsprings can be manufactured on a single wafer using micro-fabrication technologies. It is in particular known to produce a plurality of silicon resonators with very high precision by using photolithography and machining/etching processes in a silicon wafer.
- the methods for producing these mechanical resonators generally use monocrystalline silicon wafers, but wafers made of other materials can also be used, for example polycrystalline or amorphous silicon, other semiconductor materials, glass, ceramic , carbon, carbon nanotubes or a composite comprising these materials.
- monocrystalline silicon belongs to the cubic crystalline class m3m whose coefficient of thermal expansion (alpha) is isotropic.
- Silicon has a very negative value of the first thermoelastic coefficient, and consequently the stiffness of a silicon resonator, and therefore its natural frequency, varies greatly according to the temperature.
- the documents EP1422436 , EP2215531 And WO2016128694 describe a spiral-type mechanical resonator made from a core (or two cores in the case of WO2016128694 ) in monocrystalline silicon and whose variations in temperature of the Young's modulus are compensated by a layer of amorphous silicon oxide (SiO2) surrounding the core (or cores), the latter being one of the rare materials having a positive thermoelastic coefficient .
- SiO2 amorphous silicon oxide
- the final functional yield will be given by the number of hairsprings whose stiffness corresponds to the pairing interval, divided by the total number of hairsprings on the plate.
- the micro-manufacturing and more particularly etching steps used in the manufacture of hairsprings on a wafer typically result in a significant geometric dispersion between the dimensions of the hairsprings of the same wafer, and therefore a significant dispersion between their stiffness, notwithstanding that the engraving pattern is the same for each hairspring.
- the measured stiffness dispersion normally follows a Gaussian distribution. In order to optimize the manufacturing yield, it is therefore of interest to center the mean of the Gaussian distribution on a value of nominal stiffness and also to reduce the standard deviation of this Gaussian.
- the dispersion of stiffness is even greater between hairsprings of two wafers engraved at different times according to the same process specifications. This phenomenon is shown in figure 1 where the stiffness dispersion curves Rd1, Rd2 and Rd3 for hairsprings on three different pads are shown.
- the distribution of the stiffnesses R (relative to the number of hairsprings N with this stiffness) follows the normal or Gaussian law, each dispersion curve being centered on its respective mean value Rm1, Rm2 and Rm3.
- the documents WO2015113973 And EP3181938 propose to remedy this problem by forming a hairspring with dimensions greater than the dimensions necessary to obtain a hairspring of a predetermined stiffness, by measuring the stiffness of this hairspring formed by coupling it with a balance equipped with a predetermined inertia, by calculating the thickness of material to be removed to obtain the dimensions necessary to obtain the hairspring with the predetermined stiffness, and by removing this thickness from the hairspring.
- the document EP3181939 proposes to remedy this same problem by forming a hairspring with dimensions smaller than the dimensions necessary to obtain a hairspring of a predetermined stiffness, by determining the stiffness of this hairspring formed by coupling it with a balance equipped with a predetermined inertia, by calculating the thickness of material to be added to obtain the dimensions necessary to obtain the hairspring with the predetermined stiffness, and by adding this thickness of material to the hairspring.
- the manufacture of hairsprings on a wafer can generate defects on some hairsprings which lead to strong variations in vibratory behavior compared to a behavior normally expected. In particular, it may happen that turns remain in contact or are stuck together. It is also possible to note phenomena of bridging between turns by impurities, or even that parts of a hairspring remain in contact with other parts of the wafer. Obviously, these phenomena strongly affect the vibratory behavior and can be considered as manufacturing defects which render one or more hairsprings of the same wafer unsuitable for use in a watch mechanism. In addition, it should be noted that these defects are not easy to correct, and generally even lead to having to scrap the part in question. In particular, the fine corrections mentioned above (creation of an oxide layer, addition or removal of material over the entire part) cannot be used to correct such occasional defects of bonding, bridging of the part or of its turns between them or with the plate which supports them.
- the aim of the present invention is to propose an approach free from the above drawbacks, which allows a faster production flow and/or with less risk of pollution(s), and/or greater sampling, and/or a easier or faster detection of the hairsprings of the wafer which have redhibitory defects for use in a watch mechanism.
- the method according to the implementation above comprises a step consisting in identifying a characteristic indicative of a notable defect affecting the hairspring or the blank in question. For example, if a divergence identified in the spectrum of vibrational frequencies obtained is greater than a predetermined threshold, then it is determined that the hairspring or the blank in question is unusable in a watch mechanism.
- the method with a simple measurement of the vibration spectrum obtained in response to a vibration excitation, makes it possible to detect whether a defect affects the hairspring or the hairspring blank significantly to the point of rendering the part unusable and impossible to retouch.
- Such a measurement (carried out on finished parts or single or “bare” or “raw” rough-out parts, that is to say for example without finishing or surface treatment, and/or not yet assembled) makes it possible to identify defects on parts without doing aspect analysis, or unit measurement, even before detaching them from the wafer and/or mounting them in an oscillating mechanism, which saves time and resources .
- the hairsprings or blanks can be categorized into a first category of usable or possible parts to be retouched, and into a second category of defective parts to be scrapped, for example.
- the method according to the implementation above comprises a step of vibratory excitation of the hairspring or of the hairspring blank, the identification of a resonance frequency, to then deduce therefrom by prediction whether a defect affects the hairspring or the draft.
- There is no assembly with a pendulum or other component which saves time.
- the measurement is carried out on the hairsprings or the blanks alone, which limits the errors induced by other components or their assembly, as well as any pollution. Measurement accuracy is improved because there are fewer sources of variability due to other components or pollution. In other words, the hairspring or the hairspring blank is tested alone.
- the vibratory excitation is applied to the part or to the unit blank, not coupled to any pendulum, weight or oscillating system.
- the process makes it possible to control the unitary and free parts, which brings at least advantages of gain in productivity (no assembly with an oscillating system), gains in quality (no pollution of the parts), gain in precision (no error related to other components of an oscillating system).
- the vibratory excitation is applied to the hairspring or to the hairspring blank having a free end (typically the central ferrule).
- a free end typically the central ferrule.
- the vibratory excitation is applied to a mass (located at the center of gravity of the hairspring) connected to a reference frame (a gripper for a single hairspring, or the rest of a substrate or a plate for a blank, for example made of silicon and not detached) by a spring (the elastic part of the hairspring).
- the vibratory excitation sets the suspended mass in motion.
- the method according to the above implementation therefore makes it possible to test balance-spring blanks during manufacture while limiting the risks of pollution or assembly errors. Identification of defects at an advanced stage of manufacture is possible.
- the method according to the implementation above makes it possible just as well to test finished hairsprings in order, for example, to carry out a final conformity check.
- the frequency range of the spectrum obtained does not only depend on the source of vibratory excitation but also on the sensor of the measuring instrument used.
- the frequency range is linked both to the excitation frequency range and to the frequency range over which the instrument for measuring the amplitude of oscillation (vibrometer or other) is sensitive.
- the excitation frequency range will be chosen so as to include at least one resonance frequency of the hairspring or of the tested blank.
- the predetermined resonance frequency that the hairspring must present once finished can be a target natural frequency or a target resonance frequency, or a target natural frequency range, or a target resonant frequency range defined by a tolerance around a target value.
- the characteristic of a resonant frequency is a characteristic of the oscillatory response measured over a predetermined frequency range, comprising at least one resonant frequency.
- a characteristic is typically identified after processing a raw measurement signal (for example measuring the amplitudes or speeds or displacement accelerations of certain points of the hairspring or of the hairspring blank), the processing possibly including for example a transform of Fourier to identify resonance peaks and therefore resonance frequencies.
- step c. comprises at least one step of comparing a vibrational frequency spectrum of the hairspring or of the hairspring blank obtained in response to step a. with a reference spectrum, so as to determine whether the characteristic identified in step b. is an abnormal characteristic diverging by a predetermined difference with the same characteristic of the expected predetermined resonant frequency
- the measurement of a vibratory response of the hairspring or of the hairspring, and the detection of a abnormal characteristic of a frequency of resonance by comparing the spectrum of vibrational frequencies obtained with a reference spectrum then makes it possible to deduce by prediction whether a defect affects the hairspring or the blank.
- the frequency range is applied simultaneously to a plurality of balance-springs or balance-spring blanks.
- the speed is improved, because the vibratory excitation can typically be imposed on a wafer supporting several hundred balance-spring blanks, which would for example still be attached to the wafer.
- the hairspring has at least two expected predetermined resonance frequencies, and the frequency range is predetermined to cover at least the two expected predetermined resonance frequencies.
- the frequency range is predetermined to cover at least the two expected predetermined resonance frequencies.
- step a. comprises the use of a source, such as a piezoelectric source, making it possible to induce or impose an acoustic excitation on an edge of a wafer supporting the balance-spring blank, or preferably on, or even under the hairspring or the hairspring blank to be specifically excited.
- a source such as a piezoelectric source
- the acoustic source can be coupled to an excitation cone chosen to excite at least one balance spring or a balance spring blank.
- the acoustic source can be coupled to an excitation cone chosen to excite at least some and preferably all of the balance-spring blanks.
- the defect affecting the balance spring or the balance spring blank is a defect modifying expected resonance modes
- step c. includes a step of searching for an abnormal resonance peak between two expected and normally adjacent or consecutive resonance peaks.
- the applicant has noticed that defects in glued turns, lack of material, impurities linking the turns together, or others, can lead the balance spring or the blank to present resonance modes that are not observed. not on compliant hairsprings.
- the method is therefore interested in identifying the presence of resonance peaks normally absent from the expected frequency spectrum. If the defect causes the generation of new resonance modes, then the method will make it possible to detect it, even if the other resonance peaks are correct.
- the defect affecting the balance spring or the balance spring blank is a defect attenuating or amplifying the expected resonance modes
- step c. includes a step of searching for an abnormal resonance peak of an amplitude different by at least 30% of an expected amplitude from an expected resonance peak.
- the applicant has noticed that defects in glued turns, lack of material, impurities linking the turns together can lead the balance spring or the blank to present resonance modes that are significantly different from those that can be observed. on conforming hairsprings.
- the method is therefore interested in quantifying differences in amplitude of the resonance peaks in the frequency spectrum obtained with the same resonance peaks in the reference spectrum. Alternatively, one can calculate an area of the resonance peak obtained and compare it to an area of a resonance peak of the spectrum of reference and declare that there is a defect if the areas have a difference of for example 30%.
- the method comprises a step d. consisting in categorizing the defect identified in step c. For example, if the anomalous characteristic is the presence of an unexpected resonance peak, or if the anomalous characteristic is a strong attenuation of an expected resonance peak, then the prediction machine can identify and differentiate the defect from another to categorize defective parts.
- the categories of defects can be, for example, glued turns, a material defect, or even an unforeseen contact between the blank and the rest of the wafer.
- step b. is based on a measurement over time of an amplitude or of a speed or of an acceleration of displacement of at least one point of the hairspring or of the hairspring blank, preferably carried out at least partially during the step a.
- the mode of vibration in response to the vibratory excitation may vary.
- the characteristic of the resonant frequency is identified based on the width of the resonant peak, halfway up the maximum value of the resonant peak.
- the prediction machine implements a classification carried out for example by a neural network to predict whether a defect affects the hairspring or the hairspring blank.
- the method comprises a preliminary step consisting in taking into account the material of the hairspring or of the hairspring blank, and in adjusting a maximum amplitude of the vibratory excitation and/or a frequency range of the range predetermined frequency according to the material of the hairspring or of the hairspring blank.
- the frequency range extends over a frequency range ranging from 0 Hz to 100 kHz, preferably from 0 Hz to 50 kHz, more preferably from 0 Hz to 40 kHz, and very preferably from 10 kHz to 35kHz.
- the Applicant has noticed that the precision of the prediction was better for the peaks or resonance frequencies located in a range of high frequencies. Indeed, if we focus on the stiffness, its influence on the resonance frequency is stronger in high frequency ranges (for example between 10 kHz to 35 kHz), so that the sensitivity and precision are better on this particular beach.
- step a. and step b. are synchronized.
- Such synchronization provides the possibility of detecting a phase shift, or an attenuation, or a coupling, the taking into account of which can improve the precision of the prediction, or make it possible to adjust or recalibrate the vibratory excitation source.
- step c. determines that a defect affects the hairspring or the hairspring blank
- the method includes at least one step of identifying or isolating or refinishing or scrapping the hairspring or the hairspring blank.
- the manufacturing method comprises a step consisting in: C/ identify or isolate or rework or scrap the hairspring or the hairspring blank formed during step A/, according to the identification of the defect in step c. from the first look.
- the hairspring blank is formed on a wafer, with a plurality of other hairspring blanks.
- This learning phase makes it possible to build calibrated reference data for later comparison during a prediction/production phase with fault finding.
- learning makes it possible to obtain test data from reference parts or parts tested/simulated in parallel to construct, for example, a reference spectrum.
- FIGS. 3A-3F are a simplified representation of a method of manufacturing a mechanical resonator 100 on a plate 10.
- the resonator is intended in particular to equip a regulating member of a timepiece and, according to this example, is in the form of a spiral spring 100 in silicon which is intended to equip a balance of a mechanical clock movement.
- Plate 10 is illustrated in Figure 3A as an SOI (“silicon on insulator”) wafer and comprises a substrate or “handler” 20 bearing a sacrificial layer of silicon oxide (SiO 2 ) 30 and a layer of monocrystalline silicon 40.
- the substrate 20 can have a thickness of 500 ⁇ m
- the sacrificial layer 30 can have a thickness of 2 ⁇ m
- the layer in silicon 40 can have a thickness of 120 ⁇ m.
- the monocrystalline silicon layer 40 can have any crystalline orientation.
- a lithography step is shown to figure 3B And 3C .
- lithography is meant all the operations making it possible to transfer an image or pattern on or above the wafer 10 to the latter.
- the layer 40 is covered with a protective layer 50, for example of a polymerizable resin.
- This layer 50 is structured, typically by a photolithography step using an ultraviolet light source as well as, for example, a photo-mask (or another type of exposure mask) or a stepper and reticle system.
- This patterning by lithography forms the patterns for the plurality of resonators in layer 50, as illustrated in Fig. 3C .
- the patterns are machined, in particular etched, to form the plurality of resonators 100 in the layer 40.
- the etching can be performed by a deep reactive ion etching technique (also known by the acronym DRIE for “Deep Reactive Ion Etching”) .
- DRIE deep reactive ion etching technique
- the resonators are released from the substrate 20 by locally removing the sacrificial layer 30 or even by etching all or part of the silicon of the substrate or handler 20. Smoothing (not shown) of the etched surfaces can also take place before the release step, by for example by a thermal oxidation step followed by a deoxidation step, consisting for example of wet etching based on hydrofluoric acid (HF).
- HF hydrofluoric acid
- the turns 110 of the silicon resonator 100 are covered with a layer 120 of silicon oxide (SiO2), typically by a thermal oxidation step to produce a thermo-compensated resonator.
- This layer 120 which generally has a thickness of 2-5 ⁇ m, also affects the final stiffness of the resonator and therefore must be taken into account during the previous steps to obtain the vibratory characteristics of the hairspring leading to obtaining a particular natural frequency. of the balance-spring couple in a given watch mechanism.
- the various resonators formed in the wafer generally have a significant geometric dispersion between them and therefore a significant dispersion between their stiffnesses, notwithstanding that the steps of formation of the patterns and machining/etching through those patterns are the same for all resonators.
- this dispersion of stiffness is even greater between the hairsprings of two wafers engraved at different times even if the same process specifications are used.
- resonators 100 made of silicon, but it is possible to envisage making the resonators out of glass, ceramic, carbon nanotubes, or even metal.
- conventional steel hairsprings can be tested.
- the metal hairspring is pinched or referenced by a tool which positions it opposite the emission source and the displacement measuring device.
- the measurement of the stiffness of the hairspring can be carried out in a so-called static manner, that is to say without causing the hairspring to oscillate, but by determining its torque.
- static manner that is to say without causing the hairspring to oscillate, but by determining its torque.
- FIG. 4 An alternative to the method described in the latter document consists in carrying out a torque measurement using a rheometer, as marketed by the company Anton Paar.
- a device provided for this purpose is shown on the figure 4 .
- the hairspring 200 it makes it possible to place the hairspring 200 to be evaluated on a mounting 202, and to position it so that it can be fixed at the level of its last turn by a holding member 204. Once the last turn fixed, the mounting 202 is remote from the hairspring 200 which is thus completely free of any elastic constraint.
- the head of the rheometer 206 is then positioned opposite the ferrule of the hairspring.
- the present invention proposes to determine from at least one characteristic of a resonant frequency of a sample of resonators 100 on the wafer in step 3E and whether a defect is present on a part. If so, the present invention proposes to identify the part in question without disassembly or measurement in a test sub-assembly, according to a method that is more effective than the methods of the prior art.
- the invention proposes to determine at least one characteristic of a resonant frequency of a sample of resonators by vibration measurement and to apply a predictive method (for example a numerical model or a classification or categorization method) to link the result of said vibration measurement to the identification of any defects present.
- a predictive method for example a numerical model or a classification or categorization method
- the modal properties of the hairspring attached to the wafer are thus exploited.
- a prediction machine by establishing a predictive model linking manufacturing defects (sticking, bridging, pollution, etc.) to certain frequencies (natural frequency or resonance frequencies associated with a resonance peak or a width at mid-height) specifically chosen.
- control method into a manufacturing process to separate, if necessary, the defective parts from the parts free from defects and adequate to obtain a particular and predetermined natural frequency of oscillation, once the resonators each have been coupled to a balance wheel of a given watch mechanism.
- the measurements can be performed by following a particular sampling, for example according to a sampling range of 4, 2 or 1 Hz.
- a sampling range of 4, 2 or 1 Hz the resolution for processing the acquisition data according to for example a Fourier transform depends directly from the duration of this acquisition.
- provision may be made to couple the acoustic source to a divergent cone directed towards the resonators to be excited, and to adjust the acoustic source to emit an excitation signal with sufficient amplitude to impose vibratory excitation of the resonator(s) and having an amplitude sufficient to be detected and measured accurately by the chosen measuring instruments.
- FIG. 5 schematically represents a silicon wafer 25 on which are formed a plurality of balance-spring blanks 200.
- a vibratory excitation source 400 is coupled to the wafer 25, so as to be able to impose a vibratory excitation. Consequently, each hairspring blank 200 will begin to vibrate, and a laser vibrometer 300, here focused on a point of the hairspring blank 200 on the right, will be able to measure the vibration amplitudes of the measurement point over time. Provision can be made to measure the displacements in a direction normal to the plane of the wafer 25, but it is just as possible to measure the displacements in one or more directions contained in the plane of the wafer 25.
- the laser vibrometer 300 can be moved to another measurement point of the hairspring blank 200, or move on to another hairspring blank 200 of the wafer 25. Of course, one can alternatively move the draft of hairspring 200 with respect to the laser vibrometer.
- FIG 6 represents an example of vibratory excitation over time.
- the excitation frequency varies over time, between 0 Hz and 50 kHz, and a succession of rising edges can be imposed, each spaced by a rest period without excitation.
- a plurality of rising edges can be imposed (between 2 rising edges and 60 rising edges), each lasting between 0.5 s and 2 s for example.
- a step can be provided consisting in identifying points of the resonator for which the vibratory response is significant. Indeed, in the case of a hairspring on which a vibration is imposed, especially if the frequency varies over time, the vibratory response will cause nodes to appear on the hairspring, that is to say particular points of the hairspring whose displacement amplitude is low or zero. If a displacement measurement is made on a point of the hairspring which turns out to be a node at one or more particular frequency(ies), the identification of resonant frequency characteristics will be negatively affected.
- a preliminary step of measuring displacement on a plurality of predetermined points of the hairspring for example at least ten predetermined points, preferably at least twenty predetermined points, and very preferably at least thirty predetermined points. Provision can be made to select the predetermined points arranged on an X-Y orthonormal reference mark in the plane of the hairspring.
- this preliminary step of amplitude measurement on the predetermined points provision can be made to identify resonance frequencies for each measurement point, and then a step of selecting reference points for which the measurement of displacement amplitude during excitation shows that they are not nodes at these resonant frequencies.
- the identified nodes have, at at least one resonance frequency, a zero displacement amplitude or less than a first threshold peak value, and these points forming nodes are moved away from the reference points to be considered for subsequent measurements.
- the reference points are different depending on the position of the spiral blank 200 on the wafer 25.
- the reference points are far from the part anchored on the wafer and naturally have a high capacity for oscillatory displacement, which ensures better precision of the displacement measurement.
- the ferrule can be considered non-deformable during vibratory excitation and all the points of the ferrule present similar displacements/movements/vibrations. Consequently, a small error in the location of the measurement point on the ferrule will have little effect on the final result.
- having chosen a particular measurement point on the part it is possible to identify and choose a particular frequency range to conduct the stiffness prediction.
- a step can be provided consisting in giving an orientation particular to the direction of excitation and/or to the direction of measurement.
- an excitation direction or an axial direction of the excitation source
- an excitation direction or an axial direction of the excitation source
- inclined with respect to the part to be tested in order to maximize displacements contained in the plane formed by the part at rest.
- this preliminary sampling makes it possible to test single parts in good conditions (measurement errors and interference are limited) to choose the best test conditions for the parts that have remained attached to the substrate.
- the area of the curve between 25% and 75% of the maximum amplitude value of the resonance peak has better accuracy than the part above 75% (typically the peak), which offers better accuracy on the exact frequency of determined resonance.
- FIG 7 shows an example of a vibration spectrum for a point on a 200 balance-spring blank from the figure 5 free of defects, reconstructed from the displacement amplitude measurements of the measurement point considered in response to the vibratory excitation of the figure 6 , between 10 kHz and 15 kHz.
- FIG 8 shows in detail the processing that can be done on an amplitude peak for a defect-free part, that at 11 kHz for example.
- the goal is to find the resonant frequency and give it as accurate a value as possible.
- the applicant noticed that better accuracy could be achieved by determining the length of the segment connecting the rising part and the falling part of the curve, at mid-height of the peak.
- the resonance frequency being typically the value in the middle of this segment.
- FIG 9 represents, for the example of an amplitude peak at approximately 10 kHz, the amplitude peaks constructed for around ten balance spring blanks 200 tested and free from defects. It can be noted that from one balance-spring blank to another, the frequency position of the amplitude peak varies (from approximately 9.8 kHz to 10.02 kHz), and that the maximum displacement amplitude varies in a ratio of 1 to 5 approx. Since the tops of amplitude peaks are not truly symmetrical, it may be a good idea to determine the resonant frequency based on the width of the peak at half height. It is also possible to use the width of the peak at mid-height to determine a damping, and to compare this damping with a reference value.
- Two alternatives can be implemented. It is possible, according to a first alternative, to couple a predetermined balance directly to the resonator still attached to the wafer, and to measure a natural frequency of oscillation of the resonator-balance couple to compare this natural frequency with an expected natural frequency and above all to calculate the real stiffness or actual dimensions based on equations 1-3 above. According to one second alternative, we can finish manufacturing the resonators tested, in order to mount them or couple them with a pendulum individually to measure here again a natural frequency of oscillation of the couple resonator - pendulum.
- the stiffness can also be deduced from a reaction torque measurement at the ferrule using a rheometer.
- the acquired signal represents the evolution of the torque as a function of the amplitude.
- the analysis of the slope of this curve for the low amplitudes (linear part) makes it possible to deduce the stiffness, and then the dimensions of the bar of the resonator. The dimensions of the hairspring bar can then be determined.
- dimensional measurements can be made of each resonator tested to reconstruct the resonator by digital modeling. in order to simulate by numerical calculation its vibratory response to the imposed spectrum, and also to find the stiffness of the resonator.
- a high-resolution 3D X-ray tomography approach would make it possible to extract clouds of points giving the 3D material density of the balance-springs, and, subject to appropriate image reconstruction, a cartography of the section of the balance-spring.
- clouds of points giving the 3D material density of the balance-springs and, subject to appropriate image reconstruction, a cartography of the section of the balance-spring.
- These different types of data make it possible to deduce the dimensions of the bar from the bar and to estimate the stiffness of the hairspring using a geometric approach.
- Another approach consists in analyzing the forced oscillations of a hairspring on a reference balance wheel with an escapement.
- An alternative can be envisaged from an acoustic acquisition (Witschi type microphone) which records the shocks of the different operating phases of the escapement/anchor system. The data measured are either scatter plots of the passage times of the arms of the balance wheel, or the temporal evolution of the sound pressure level.
- reference data such as for example a reference spectrum.
- oscillation amplitude measurements are performed on physical resonators, and resonant frequencies are identified.
- a correlation phase must be provided during which a predictive model is constructed.
- This database can also be supplemented by experimental measurements by measuring vibration spectra, oscillation periods and the positions of hairsprings on the wafer as well as their associated stiffnesses.
- One of the advantages of this approach lies in the fact that the learning database is enriched as the trials progress. This can make it possible to have an adaptive model according to the pads and the hairsprings and contributes to the reduction of the standard deviation in stiffness on the pads.
- This database can be used to build a prediction model, and several solutions are available.
- a digital model for example polynomial, can be constructed to calculate, as a function of a resonance frequency value, a real thickness, a dimensional correction or a real stiffness.
- a neural network for example a perceptron
- the learning phase includes a test phase (excitation of resonators with measurement of the vibration characteristics to reconstruct a vibration spectrum and identify resonance frequencies).
- a phase of measuring the stiffnesses and/or the dimensions of the bar of the resonators is also carried out.
- the construction phase of the prediction model can be carried out.
- the stiffness can therefore be predicted and compared with the actual measured stiffness as shown in the table below, with for the first six lines the data used to build or train the linear regression, and for the last four lines, a prediction only: No. F(Hz) R (10 -7 N.mm) measured R (10 -7 N.mm) predicted gap 2 9824 3.89 3.84 -1.20% 9 9824 3.88 3.84 -1.10% 3 9840 3.92 3.87 -1.40% 8 9840 3.9 3.87 -0.90% 7 9848 3.91 3.88 -0.70% 4 9863 3.95 3.9 -1.20% Test 10 10020 4.111 4.136 0.60% 5 10121 4.135 4.288 3.70% 1 10129 4.119 4.3 4.40% 6 10148 4.196 4.328 3.20%
- the model gives two distinct output values.
- the resonance modes in particular the modes of deformation and/or displacement of the resonators
- the resonance modes could differ significantly, which can also affect the sensitivity of the stiffness and/or dimensional correction prediction. It is advantageous to provide, during the learning phase, a step of comparing the sensitivity of the prediction to choose to consider later such or such resonance frequency and not another to predict as accurately as possible a stiffness and /or a dimensional correction depending on the vibration response.
- the learning phase makes it possible to choose either resonance peaks at high frequencies and/or resonance peaks which correspond to particular resonance modes making it possible to predict precise and reliable values, and the frequency range will be predetermined to include at least one resonance peak and preferably several, to be able to make either a single prediction as precise as possible, i.e. several predictions (one per resonance peak judged to be of interest) to then carry out cross-checks, averages or even readjustments of the predicted values.
- the control process can typically be carried out on hairspring blanks made on a wafer and still attached to this wafer, so as to estimate the stiffness and/or the dimensions of the bar of the hairsprings of the sample, in order to determine whether a correction dimension is to be brought.
- step 1) and step 2) of the checking process to check the stiffness / dimensions of the hairspring and confirm that the target values are reached, within a tolerance threshold, or repeat these steps and the dimensional correction until until the stiffness/dimension predicted by the model reaches the target values.
- corrections can be made for the entire wafer in a homogeneous manner, or differentiated by region, if the results obtained vary from one hairspring to another. It is thus possible to reduce the standard deviation of the dispersion of the stiffnesses. Moreover, if the stiffnesses of all the hairsprings are known by applying the model, it is possible to determine the optimum correction making it possible to reduce the overall dispersion.
- the correction step then consists in adding material, as for example described in the document EP3181939 aforementioned.
- the method consisting in identifying resonance frequencies by imposing a vibratory excitation on the balance-spring blanks alone, makes it possible to quickly obtain measurement data, without having to carry out operations to mount a balance wheel, for example, while limiting the errors of measure because only the balance-spring blank is tested (there is no error that can be linked to the balance wheel, such as its mass, mounting position, etc.).
- the prediction phase can also or alternatively be a method for detecting significant defects on the parts, such as turns glued or bridged together or on the substrate.
- FIG 11 shows for example frequency spectra measured on blanks of a wafer, including correct parts (whose resonance peaks are surrounded by rectangles in dashed lines and marked "OK"), and incorrect parts marked P1, P2, P3, P4, P5 and P6.
- each frequency spectrum obtained in response to the vibratory excitation is linked to a particular part by traceability, and an inspection of each of the parts having generated one of the resonance peaks P1 to P6 proves to present a default. Consequently, the comparison of each of these frequency spectra with the reference spectrum previously established during the learning phase makes it possible to note a deviation or a significant divergence, which reveals a defect which allows the scrapping of the part. in question.
- the method comprises a step of searching for and identifying supernumerary resonance peaks with respect to an expected frequency spectrum.
- a supernumerary peak can be detected if it exceeds an expected level of noise by at least 30%.
- the presence of a resonance peak present between two normally adjacent or consecutive resonance peaks forms an abnormal characteristic of resonance frequency and makes it possible to identify a hairspring or a blank with a defect of stuck turns. Such defects cannot be easily corrected, so the part is identified and in principle scrapped.
- FIG 12 shows another example or type of anomalous characteristic compared to a reference spectrum. Indeed, on the expected resonance frequency around 24.1 kHz, among the curves with a single resonance peak (marked “OK"), we can note the presence of a curve represented in bold, with a "double peak” of resonance. In this case, to detect a fault, the method can search for two peaks or three points of change in slope in the part of the curve located at mid-height or above half of the maximum recorded value (instead of a single maximum or a single slope change for a part free of defects).
Abstract
Procédé de contrôle d'un spiral ou d'une ébauche de spiral agencée pour former un spiral, le spiral devant présenter au moins une fréquence de résonance prédéterminée attendue, le procédé de contrôle comportant les étapes suivantes :a. appliquer au spiral ou à l'ébauche de spiral une excitation vibratoire variable au cours du temps pour couvrir une plage fréquentielle prédéterminée,b. identifier au moins une caractéristique d'une fréquence de résonance du spiral ou de l'ébauche de spiral, telle qu'un pic de résonance, lors de, ou en réponse à l'excitation vibratoire sur la plage fréquentielle prédéterminée,c. soumettre à une machine de prédiction la caractéristique de fréquence de résonance identifiée à l'étape b. pour déterminer si un défaut affecte le spiral ou l'ébauche de spiral.Method for checking a hairspring or a blank hairspring arranged to form a hairspring, the hairspring having to exhibit at least one expected predetermined resonance frequency, the checking method comprising the following steps: a. applying to the hairspring or to the hairspring blank a vibratory excitation that varies over time to cover a predetermined frequency range,b. identifying at least one characteristic of a resonant frequency of the hairspring or of the hairspring blank, such as a resonance peak, during or in response to vibratory excitation over the predetermined frequency range,c. subjecting the resonant frequency characteristic identified in step b to a prediction machine. to determine if a defect affects the hairspring or the hairspring blank.
Description
La présente invention se rapporte au domaine du contrôle et de la fabrication de pièces pour l'horlogerie. L'invention concerne plus particulièrement un procédé de contrôle et de fabrication de ressorts spiraux d'horlogerie, autrement appelés résonateurs.The present invention relates to the field of control and manufacture of parts for watchmaking. The invention relates more particularly to a method for checking and manufacturing clockwork spiral springs, otherwise known as resonators.
Les mouvements de montres mécaniques sont régulés au moyen d'un régulateur mécanique comprenant un résonateur, c'est-à-dire un composant déformable élastiquement et dont les oscillations déterminent la marche de la montre. De nombreuses montres comportent par exemple un régulateur comprenant un spiral comme résonateur, monté sur l'axe d'un balancier et mis en oscillation grâce à un échappement. La fréquence propre du couple balancier-spiral permet de réguler la montre et dépend notamment de la raideur du spiral.The movements of mechanical watches are regulated by means of a mechanical regulator comprising a resonator, that is to say an elastically deformable component whose oscillations determine the rate of the watch. Many watches include, for example, a regulator comprising a hairspring as a resonator, mounted on the axis of a balance wheel and set in oscillation by means of an escapement. The natural frequency of the balance-spring couple makes it possible to regulate the watch and depends in particular on the stiffness of the balance-spring.
En effet, la fréquence f de l'organe régulateur formé par le spiral de raideur R accouplé à un balancier d'inertie I est donnée par la formule :
La raideur du spiral définit également ses caractéristiques vibratoires intrinsèques, comme la fréquence propre et les fréquences de résonance. Dans la présente demande, la fréquence propre d'un système élastique (un résonateur seul ou un couple résonateur - balancier) est la fréquence à laquelle oscille ce système lorsqu'il est en évolution libre, c'est-à-dire sans force excitatrice. Par ailleurs, une fréquence de résonance d'un système élastique soumis à une force excitatrice est une fréquence à laquelle on peut mesurer un maximum local d'amplitude de déplacement pour un point donné du système élastique. En d'autres termes, si le système élastique est excité avec une source d'excitation de fréquence variable au cours du temps, l'amplitude de déplacement suit une pente ascendante avant cette fréquence de résonance, et suit une pente descendante après, en tout point qui ne correspond pas à un nœud de vibration. Typiquement, lors d'un tel essai, l'enregistrement de l'amplitude de déplacement en fonction de la fréquence d'excitation présente un pic d'amplitude de déplacement ou pic de résonance qui est associé ou qui caractérise la fréquence de résonance.The stiffness of the hairspring also defines its intrinsic vibratory characteristics, such as the natural frequency and the resonance frequencies. In the present application, the natural frequency of an elastic system (a single resonator or a resonator-pendulum couple) is the frequency at which this system oscillates when it is in free evolution, that is to say without exciting force. . Furthermore, a resonance frequency of an elastic system subjected to an exciting force is a frequency at which a local maximum of displacement amplitude can be measured for a given point of the elastic system. In other words, if the elastic system is excited with a variable frequency excitation source at the Over time, the displacement amplitude follows an upward slope before this resonant frequency, and follows a downward slope afterwards, at any point which does not correspond to a vibration node. Typically, during such a test, the recording of the displacement amplitude as a function of the excitation frequency shows a displacement amplitude peak or resonance peak which is associated with or which characterizes the resonance frequency.
La raideur d'un résonateur de type spiral dépend typiquement des caractéristiques du matériau dans lequel il est réalisé, ainsi que de ses dimensions et en particulier de l'épaisseur (c'est-à-dire de la largeur) de ses spires le long de son barreau. La raideur est donnée plus spécifiquement par :
- ϕ, l'angle de torsion du ressort, et
- M, le couple de rappel du ressort spiral,
- où M, pour un barreau de section constante constitué d'un matériau spécifique, est donné par :
- E, le module d'Young du matériau employé pour le barreau,
- L, la longueur du barreau,
- h, la hauteur du barreau, et
- e, l'épaisseur ou la largeur du barreau.
- ϕ , the torsion angle of the spring, and
- M, the return torque of the spiral spring,
- where M, for a bar of constant section made of a specific material, is given by:
- E , the Young's modulus of the material used for the bar,
- L , the length of the bar,
- h, the height of the rung, and
- e, the thickness or width of the bar.
La fréquence propre de l'organe régulateur formé par le spiral de raideur R accouplé à un balancier d'inertie I est notamment proportionnelle à la racine carrée de la raideur du spiral. La spécification principale d'un ressort spiral est sa raideur, qui doit se trouver dans un intervalle bien défini pour pouvoir être appairé avec un balancier, qui forme l'élément inertiel de l'oscillateur. Cette opération d'appairage est indispensable pour régler précisément la fréquence d'un oscillateur mécanique.The natural frequency of the regulator member formed by the balance spring of stiffness R coupled to a balance wheel of inertia I is in particular proportional to the square root of the stiffness of the balance spring. The main specification of a spiral spring is its stiffness, which must be within a well-defined range in order to be paired with a balance wheel, which forms the inertial element of the oscillator. This operation pairing is essential to precisely adjust the frequency of a mechanical oscillator.
Il est très important que les caractéristiques de l'oscillateur soient aussi stables que possible, afin d'avoir une marche de la montre qui soit également stable. L'importance des champs magnétiques dans l'environnement moderne, a poussé les horlogers à utiliser depuis quelques années, des spiraux en silicium, moins sensible aux perturbations magnétiques que des spiraux métalliques.It is very important that the characteristics of the oscillator are as stable as possible, in order to have a rate of the watch which is also stable. The importance of magnetic fields in the modern environment has prompted watchmakers to use silicon hairsprings for several years, which are less sensitive to magnetic disturbances than metal hairsprings.
Très avantageusement, on peut fabriquer plusieurs centaines de spiraux en silicium sur une seule plaquette (en anglais « wafer ») en utilisant les technologies de micro-fabrication. Il est notamment connu de réaliser une pluralité de résonateurs en silicium avec une très haute précision en utilisant des procédés de photolithographie et d'usinage / gravure dans une plaquette en silicium. Les procédés de réalisation de ces résonateurs mécaniques utilisent généralement des plaquettes de silicium monocristallin, mais des plaquettes en d'autres matériaux sont également utilisables, par exemple en silicium polycristallin ou amorphe, en d'autres matériaux semi-conducteurs, en verre, en céramique, en carbone, en nanotubes de carbone ou en un composite comprenant ces matériaux. Pour sa part, le silicium monocristallin appartient à la classe cristalline cubique m3m dont le coefficient d'expansion thermique (alpha) est isotrope.Very advantageously, several hundred silicon hairsprings can be manufactured on a single wafer using micro-fabrication technologies. It is in particular known to produce a plurality of silicon resonators with very high precision by using photolithography and machining/etching processes in a silicon wafer. The methods for producing these mechanical resonators generally use monocrystalline silicon wafers, but wafers made of other materials can also be used, for example polycrystalline or amorphous silicon, other semiconductor materials, glass, ceramic , carbon, carbon nanotubes or a composite comprising these materials. For its part, monocrystalline silicon belongs to the cubic crystalline class m3m whose coefficient of thermal expansion (alpha) is isotropic.
Le silicium présente une valeur du premier coefficient thermoélastique très négative, et par conséquent, la raideur d'un résonateur en silicium, et donc sa fréquence propre, varie fortement selon la température. Afin de compenser au moins partiellement cet inconvénient, les documents
Lorsque l'on réalise des spiraux en silicium ou en un autre matériau par fabrication collective sur une plaquette, le rendement fonctionnel final sera donné par le nombre de spiraux dont la raideur correspond à l'intervalle d'appairage, divisé par le nombre total de spiraux sur la plaquette.When hairsprings are produced in silicon or in another material by mass production on a wafer, the final functional yield will be given by the number of hairsprings whose stiffness corresponds to the pairing interval, divided by the total number of hairsprings on the plate.
Cependant, les étapes de micro-fabrication et plus particulièrement de gravure, employées dans la fabrication de spiraux sur une plaquette résultent typiquement en une dispersion géométrique importante entre les dimensions des spiraux d'une même plaquette, et donc d'une dispersion importante entre leurs raideurs, nonobstant que le motif de gravure est le même pour chaque spiral. La dispersion de raideur mesurée suit normalement une distribution gaussienne. Afin d'optimiser le rendement de fabrication, on s'intéresse donc à centrer la moyenne de la distribution gaussienne sur une valeur de raideur nominale et également à réduire l'écart-type de cette gaussienne.However, the micro-manufacturing and more particularly etching steps used in the manufacture of hairsprings on a wafer typically result in a significant geometric dispersion between the dimensions of the hairsprings of the same wafer, and therefore a significant dispersion between their stiffness, notwithstanding that the engraving pattern is the same for each hairspring. The measured stiffness dispersion normally follows a Gaussian distribution. In order to optimize the manufacturing yield, it is therefore of interest to center the mean of the Gaussian distribution on a value of nominal stiffness and also to reduce the standard deviation of this Gaussian.
De plus, la dispersion de raideurs est encore plus grande entre des spiraux de deux plaquettes gravées à des moments différents suivant les mêmes spécifications de procédé. Ce phénomène est montré à la
Les documents
De cette manière, comme le démontre la
Par contre, on peut noter que la fabrication de spiraux sur une plaquette peut générer sur quelques spiraux des défauts qui entraînent de fortes variations de comportement vibratoire par rapport à un comportement normalement attendu. En particulier, il peut arriver que des spires restent en contact ou sont collées entre elles. On peut aussi noter des phénomènes de pontage entre spires par des impuretés, ou encore que des parties d'un spiral restent en contact avec d'autres parties de la plaquette. Bien évidemment, ces phénomènes affectent fortement le comportement vibratoire et peuvent être considérés comme des défauts de fabrication qui rendent un ou plusieurs spiraux d'une même plaquette, impropres à une utilisation dans un mécanisme de montre. De plus, il faut noter que ces défauts ne sont pas aisés à corriger, et mènent même généralement à devoir mettre au rebut la pièce en cause. En particulier, les corrections fines évoquées ci-dessus (création d'une couche d'oxyde, ajout ou retrait de matière sur toute la pièce) ne peuvent pas être utilisées pour corriger des tels défauts ponctuels de collage, de pontage de la pièce ou de ses spires entre elles ou avec la plaquette qui les supporte.On the other hand, it can be noted that the manufacture of hairsprings on a wafer can generate defects on some hairsprings which lead to strong variations in vibratory behavior compared to a behavior normally expected. In particular, it may happen that turns remain in contact or are stuck together. It is also possible to note phenomena of bridging between turns by impurities, or even that parts of a hairspring remain in contact with other parts of the wafer. Obviously, these phenomena strongly affect the vibratory behavior and can be considered as manufacturing defects which render one or more hairsprings of the same wafer unsuitable for use in a watch mechanism. In addition, it should be noted that these defects are not easy to correct, and generally even lead to having to scrap the part in question. In particular, the fine corrections mentioned above (creation of an oxide layer, addition or removal of material over the entire part) cannot be used to correct such occasional defects of bonding, bridging of the part or of its turns between them or with the plate which supports them.
La présente invention a pour but de proposer une approche exempte des inconvénients ci-dessus, qui permette un flux de production plus rapide et/ou avec moins de risques de pollution(s), et/ou un échantillonnage plus important, et/ou une détection plus aisée ou rapide des spiraux de la plaquette qui présentent des défauts rédhibitoires pour une utilisation dans un mécanisme de montre.The aim of the present invention is to propose an approach free from the above drawbacks, which allows a faster production flow and/or with less risk of pollution(s), and/or greater sampling, and/or a easier or faster detection of the hairsprings of the wafer which have redhibitory defects for use in a watch mechanism.
De façon plus précise, un premier aspect de l'invention concerne un procédé de contrôle d'un spiral ou d'une ébauche de spiral agencée pour former un spiral, le spiral devant présenter au moins une fréquence de résonance prédéterminée attendue, le procédé de contrôle comportant les étapes suivantes :
- a. appliquer au spiral ou à l'ébauche de spiral une excitation vibratoire variable au cours du temps pour couvrir une plage fréquentielle prédéterminée,
- b. identifier au moins une caractéristique d'une fréquence de résonance du spiral ou de l'ébauche de spiral, telle qu'un pic de résonance, lors de ou en réponse à l'excitation vibratoire sur la plage fréquentielle prédéterminée,
- c. soumettre à une machine de prédiction la caractéristique de fréquence de résonance identifiée à l'étape b. pour déterminer si un défaut affecte le spiral ou l'ébauche de spiral.
- To. applying to the hairspring or to the hairspring blank a vibratory excitation that varies over time to cover a predetermined frequency range,
- b. identifying at least one characteristic of a resonant frequency of the hairspring or of the hairspring blank, such as a resonance peak, during or in response to vibratory excitation over the predetermined frequency range,
- vs. subjecting the resonant frequency characteristic identified in step b to a prediction machine. to determine if a defect affects the hairspring or the hairspring blank.
Le procédé selon la mise en oeuvre ci-dessus comprend une étape consistant à identifier une caractéristique indicative d'un défaut notable affectant le spiral ou l'ébauche en cause. Par exemple, si une divergence identifiée dans le spectre de fréquences vibratoires obtenu est supérieure à un seuil prédéterminé, alors il est déterminé que le spiral ou l'ébauche en cause est inutilisable dans un mécanisme de montre. Ainsi, le procédé, avec une simple mesure de spectre vibratoire obtenu en réponse à une excitation vibratoire, permet de détecter si un défaut affecte le spiral ou l'ébauche de spiral de manière significative au point de rendre la pièce inutilisable et impossible à retoucher. Une telle mesure (effectuée sur des pièces finies ou d'ébauche unitaires ou « nues » ou « brutes », c'est-à-dire par exemple sans traitement de finition ou de surface, et/ou pas encore assemblées) permet d'identifier des défauts sur les pièces sans faire d'analyse d'aspect, ou de mesure unitaire, avant même de les détacher de la plaquette et/ou de les monter dans un mécanisme oscillant, ce qui permet d'économiser du temps et des ressources. Autrement dit, encore au stade du wafer, on peut catégoriser les spiraux ou les ébauches en une première catégorie de pièces utilisables ou possibles à retoucher, et en une deuxième catégorie de pièces défectueuses à mettre par exemple au rebut.The method according to the implementation above comprises a step consisting in identifying a characteristic indicative of a notable defect affecting the hairspring or the blank in question. For example, if a divergence identified in the spectrum of vibrational frequencies obtained is greater than a predetermined threshold, then it is determined that the hairspring or the blank in question is unusable in a watch mechanism. Thus, the method, with a simple measurement of the vibration spectrum obtained in response to a vibration excitation, makes it possible to detect whether a defect affects the hairspring or the hairspring blank significantly to the point of rendering the part unusable and impossible to retouch. Such a measurement (carried out on finished parts or single or “bare” or “raw” rough-out parts, that is to say for example without finishing or surface treatment, and/or not yet assembled) makes it possible to identify defects on parts without doing aspect analysis, or unit measurement, even before detaching them from the wafer and/or mounting them in an oscillating mechanism, which saves time and resources . In other words, still at the wafer stage, the hairsprings or blanks can be categorized into a first category of usable or possible parts to be retouched, and into a second category of defective parts to be scrapped, for example.
Le procédé selon la mise en oeuvre ci-dessus comprend une étape d'excitation vibratoire du spiral ou de l'ébauche de spiral, l'identification d'une fréquence de résonance, pour en déduire ensuite par prédiction si un défaut affecte le spiral ou l'ébauche. Il n'y a pas de montage avec un balancier ou un autre composant, ce qui permet de gagner du temps. De plus, la mesure est effectuée sur les spiraux ou les ébauches seul(es), ce qui limite les erreurs induites par d'autres composants ou leur montage, ainsi que des pollutions éventuelles. La précision de mesure est améliorée car il y a moins de sources de variabilité dues à d'autres composants ou à des pollutions. Autrement dit, le spiral ou l'ébauche de spiral est testé(e) seul(e). L'excitation vibratoire est appliquée à la pièce ou à l'ébauche unitaire, non accouplée à un quelconque balancier, poids ou système oscillant. Le procédé permet de contrôler les pièces unitaires et libres, ce qui apporte au moins des avantages de gain de productivité (pas de montage avec un système oscillant), des gains de qualité (pas de pollution des pièces), un gain de précision (pas d'erreur liée à d'autres composants d'un système oscillant).The method according to the implementation above comprises a step of vibratory excitation of the hairspring or of the hairspring blank, the identification of a resonance frequency, to then deduce therefrom by prediction whether a defect affects the hairspring or the draft. There is no assembly with a pendulum or other component, which saves time. In addition, the measurement is carried out on the hairsprings or the blanks alone, which limits the errors induced by other components or their assembly, as well as any pollution. Measurement accuracy is improved because there are fewer sources of variability due to other components or pollution. In other words, the hairspring or the hairspring blank is tested alone. The vibratory excitation is applied to the part or to the unit blank, not coupled to any pendulum, weight or oscillating system. The process makes it possible to control the unitary and free parts, which brings at least advantages of gain in productivity (no assembly with an oscillating system), gains in quality (no pollution of the parts), gain in precision (no error related to other components of an oscillating system).
Selon un mode de réalisation, l'excitation vibratoire est appliquée au spiral ou à l'ébauche de spiral ayant une extrémité libre (typiquement la virole centrale). D'un point de vue mécanique, on peut considérer schématiquement que l'excitation vibratoire est appliquée à une masse (située au centre de gravité du le spiral) reliée à un référentiel (une pince de préhension pour un spiral seul, ou le reste d'un substrat ou d'une plaque pour une ébauche par exemple en silicium et pas détachée) par un ressort (la partie élastique du spiral). L'excitation vibratoire met en mouvement la masse suspendue.According to one embodiment, the vibratory excitation is applied to the hairspring or to the hairspring blank having a free end (typically the central ferrule). From a mechanical point of view, we can schematically consider that the vibratory excitation is applied to a mass (located at the center of gravity of the hairspring) connected to a reference frame (a gripper for a single hairspring, or the rest of a substrate or a plate for a blank, for example made of silicon and not detached) by a spring (the elastic part of the hairspring). The vibratory excitation sets the suspended mass in motion.
On peut aussi noter que s'il est déterminé qu'il faut isoler ou mettre au rebut la pièce testée en raison d'un défaut, cela peut se faire sur la pièce unitaire sans redémonter quoique ce soit.It can also be noted that if it is determined that the tested part must be isolated or scrapped due to a defect, this can be done on the unitary part without dismantling anything.
Le procédé selon la mise en oeuvre ci-dessus permet donc de tester des ébauches de spiraux en cours de fabrication en limitant les risques de pollution ou d'erreurs de montage. Une identification des défauts à un stade avancé de la fabrication est possible. Le procédé selon la mise en œuvre ci-dessus permet tout aussi bien de tester des spiraux terminés pour par exemple effectuer une vérification finale de conformité.The method according to the above implementation therefore makes it possible to test balance-spring blanks during manufacture while limiting the risks of pollution or assembly errors. Identification of defects at an advanced stage of manufacture is possible. The method according to the implementation above makes it possible just as well to test finished hairsprings in order, for example, to carry out a final conformity check.
Bien entendu, la plage fréquentielle du spectre obtenu ne dépend pas que de la source d'excitation vibratoire mais aussi du capteur de l'instrument de mesure utilisé. Ainsi, la plage fréquentielle est liée à la fois à la plage fréquentielle d'excitation et à la plage fréquentielle sur laquelle l'instrument de mesure de l'amplitude d'oscillation (vibromètre ou autre) est sensible. Cependant, la plage fréquentielle d'excitation sera choisie de sorte à inclure au moins une fréquence de résonance du spiral ou de l'ébauche testé(e).Of course, the frequency range of the spectrum obtained does not only depend on the source of vibratory excitation but also on the sensor of the measuring instrument used. Thus, the frequency range is linked both to the excitation frequency range and to the frequency range over which the instrument for measuring the amplitude of oscillation (vibrometer or other) is sensitive. However, the excitation frequency range will be chosen so as to include at least one resonance frequency of the hairspring or of the tested blank.
La fréquence de résonance prédéterminée que doit présenter le spiral une fois fini peut être une fréquence propre cible ou une fréquence de résonance cible, ou une plage de fréquence propre cible, ou une plage de fréquence de résonance cible définies par une tolérance autour d'une valeur cible.The predetermined resonance frequency that the hairspring must present once finished can be a target natural frequency or a target resonance frequency, or a target natural frequency range, or a target resonant frequency range defined by a tolerance around a target value.
Dans le procédé ci-dessus, la caractéristique d'une fréquence de résonance est une caractéristique de la réponse oscillatoire mesurée sur une plage fréquentielle prédéterminée, comprenant au moins une fréquence de résonance. Une telle caractéristique est typiquement identifiée après traitement d'un signal brut de mesure (par exemple mesure des amplitudes ou vitesses ou accélérations de déplacement de certains points du spiral ou de l'ébauche de spiral), le traitement pouvant inclure par exemple une transformée de Fourier pour identifier des pics de résonance et donc des fréquences de résonance.In the above method, the characteristic of a resonant frequency is a characteristic of the oscillatory response measured over a predetermined frequency range, comprising at least one resonant frequency. Such a characteristic is typically identified after processing a raw measurement signal (for example measuring the amplitudes or speeds or displacement accelerations of certain points of the hairspring or of the hairspring blank), the processing possibly including for example a transform of Fourier to identify resonance peaks and therefore resonance frequencies.
En particulier, la caractéristique identifiée peut être une valeur de fréquence de résonance, une largeur d'un pic de résonance, une amplitude d'un pic de résonance, la présence ou l'absence d'un pic de résonance, la forme d'un pic de résonance (pics rapprochés, avec plusieurs inversions de pente...). L'identification du défaut se base donc sur la comparaison entre :
- une caractéristique (fréquence de résonance, largeur d'un pic de résonance, amplitude d'un pic de résonance, présence ou l'absence d'un pic de résonance, forme d'un pic de résonance ...) tirée du spectre de fréquences de vibrations du spiral ou de l'ébauche obtenu en réponse à l'excitation vibratoire,
- la même caractéristique (fréquence de résonance, largeur d'un pic de résonance, amplitude d'un pic de résonance, présence ou l'absence d'un pic de résonance, forme d'un pic de résonance ...) tirée d'un spectre de référence, qui peut être un spectre construit à partir de pièces étalonnées, de moyennes de tests, et/ou de simulations ou calculs numériques.
- a characteristic (resonance frequency, width of a resonance peak, amplitude of a resonance peak, presence or absence of a resonance peak, shape of a resonance peak, etc.) taken from the spectrum of vibration frequencies of the hairspring or the blank obtained in response to the vibratory excitation,
- the same characteristic (resonance frequency, width of a resonance peak, amplitude of a resonance peak, presence or absence of a resonance peak, shape of a resonance peak...) taken from a reference spectrum, which can be a spectrum constructed from calibrated parts, test averages, and/or simulations or digital calculations.
Selon un mode de réalisation, l'étape c. comprend au moins une étape de comparaison d'un spectre de fréquences vibratoires du spiral ou de l'ébauche de spiral obtenu en réponse de l'étape a. avec un spectre de référence, de sorte à déterminer si la caractéristique identifiée à l'étape b. est une caractéristique anormale divergeant d'une différence prédéterminée avec la même caractéristique de la fréquence de résonance prédéterminée attendueAccording to one embodiment, step c. comprises at least one step of comparing a vibrational frequency spectrum of the hairspring or of the hairspring blank obtained in response to step a. with a reference spectrum, so as to determine whether the characteristic identified in step b. is an abnormal characteristic diverging by a predetermined difference with the same characteristic of the expected predetermined resonant frequency
Selon la mise en œuvre ci-dessus, en réponse à l'étape d'excitation vibratoire du spiral ou de l'ébauche de spiral, la mesure d'une réponse vibratoire du spiral ou de l'ébauche, et la détection d'une caractéristique anormale d'une fréquence de résonance par comparaison du spectre de fréquences vibratoires obtenu avec un spectre de référence, permet de déduire ensuite par prédiction si un défaut affecte le spiral ou l'ébauche.According to the implementation above, in response to the vibratory excitation step of the hairspring or of the hairspring blank, the measurement of a vibratory response of the hairspring or of the hairspring, and the detection of a abnormal characteristic of a frequency of resonance by comparing the spectrum of vibrational frequencies obtained with a reference spectrum, then makes it possible to deduce by prediction whether a defect affects the hairspring or the blank.
Selon un mode de réalisation, à l'étape a., la plage fréquentielle est appliquée simultanément à une pluralité de spiraux ou d'ébauches de spiraux. La rapidité est améliorée, car on peut typiquement imposer l'excitation vibratoire à une plaquette supportant plusieurs centaines d'ébauches de spiral, qui seraient par exemple encore attachées à la plaquette.According to one embodiment, in step a., the frequency range is applied simultaneously to a plurality of balance-springs or balance-spring blanks. The speed is improved, because the vibratory excitation can typically be imposed on a wafer supporting several hundred balance-spring blanks, which would for example still be attached to the wafer.
Selon un mode de réalisation, la plage fréquentielle est prédéterminée pour englober au moins une plage de fréquences :
- centrée sur la fréquence de résonance prédéterminée, et
- d'une étendue d'au moins 30% de la fréquence de résonance prédéterminée, c'est-à-dire ±15% de la fréquence de résonance prédéterminée. Par exemple, si la fréquence de résonance prédéterminée est de 1 kHz, alors la plage fréquentielle ira de 850 Hz à 1150 Hz.
- centered on the predetermined resonant frequency, and
- of a range of at least 30% of the predetermined resonant frequency, i.e. ±15% of the predetermined resonant frequency. For example, if the predetermined resonant frequency is 1 kHz, then the frequency range will be 850 Hz to 1150 Hz.
Selon un mode de réalisation, le spiral présente au moins deux fréquences de résonance prédéterminées attendues, et la plage fréquentielle est prédéterminée pour couvrir au moins les deux fréquences de résonance prédéterminées attendues. En couvrant ou balayant une large plage de fréquences, on peut mesurer plusieurs pics de résonance (ou fréquences de résonance), ce qui peut apporter une meilleure précision.According to one embodiment, the hairspring has at least two expected predetermined resonance frequencies, and the frequency range is predetermined to cover at least the two expected predetermined resonance frequencies. By covering or sweeping a wide range of frequencies, one can measure multiple resonant peaks (or resonant frequencies), which can provide better accuracy.
Selon un mode de réalisation, l'étape a. comprend l'utilisation d'une source, telle qu'une source piézo-électrique, permettant d'induire ou imposer une excitation acoustique sur une tranche d'une plaquette supportant l'ébauche de spiral, ou de manière préférée sur, ou encore sous le spiral ou l'ébauche de spiral à exciter spécifiquement.According to one embodiment, step a. comprises the use of a source, such as a piezoelectric source, making it possible to induce or impose an acoustic excitation on an edge of a wafer supporting the balance-spring blank, or preferably on, or even under the hairspring or the hairspring blank to be specifically excited.
Selon un mode de réalisation, la source acoustique peut être accouplée à un cône d'excitation choisi pour exciter au moins un spiral ou une ébauche de spiral. Préférentiellement, si une plaquette supporte plusieurs ébauches de spiraux, alors la source acoustique peut être accouplée à un cône d'excitation choisi pour exciter au moins une partie et de préférence la totalité des ébauches de spiraux.According to one embodiment, the acoustic source can be coupled to an excitation cone chosen to excite at least one balance spring or a balance spring blank. Preferably, if a wafer supports several balance-spring blanks, then the acoustic source can be coupled to an excitation cone chosen to excite at least some and preferably all of the balance-spring blanks.
Selon un mode de réalisation, la source acoustique peut être choisie et/ou réglée pour générer l'excitation vibratoire variable au cours du temps pour couvrir la plage fréquentielle prédéterminée :
- avec une amplitude suffisante pour générer des vibrations du spiral ou de l'ébauche de spiral d'amplitude suffisante pour être détectées par le moyen de mesure d'amplitude ou de vitesse ou d'accélération de déplacement d'au moins un point du spiral ou de l'ébauche de spiral et/ou
- pendant une durée suffisante pour en déduire des spectres vibratoires du spiral ou de l'ébauche de spiral.
- with sufficient amplitude to generate vibrations of the hairspring or of the hairspring blank of sufficient amplitude to be detected by the means for measuring the amplitude or speed or displacement acceleration of at least one point of the hairspring or of the balance-spring blank and/or
- for a period sufficient to deduce therefrom the vibratory spectra of the hairspring or of the hairspring blank.
Selon un mode de réalisation, le défaut affectant le spiral ou l'ébauche de spiral est un défaut modifiant des modes de résonance attendus, et l'étape c. comprend une étape consistant à rechercher un pic de résonance anormal entre deux pics de résonance attendus et normalement adjacents ou consécutifs. La demanderesse s'est aperçue que des défauts de spires collées, de manque de matière, d'impuretés liant des spires entre elles, ou autres, peuvent conduire le spiral ou l'ébauche à présenter des modes de résonances que l'on ne constate pas sur des spiraux conformes. Le procédé s'intéresse donc à identifier la présence de pics de résonance normalement absents du spectre de fréquence attendu. Si le défaut provoque la génération de nouveaux modes de résonance, alors le procédé permettra de le détecter, même si les autres pics de résonance sont corrects.According to one embodiment, the defect affecting the balance spring or the balance spring blank is a defect modifying expected resonance modes, and step c. includes a step of searching for an abnormal resonance peak between two expected and normally adjacent or consecutive resonance peaks. The applicant has noticed that defects in glued turns, lack of material, impurities linking the turns together, or others, can lead the balance spring or the blank to present resonance modes that are not observed. not on compliant hairsprings. The method is therefore interested in identifying the presence of resonance peaks normally absent from the expected frequency spectrum. If the defect causes the generation of new resonance modes, then the method will make it possible to detect it, even if the other resonance peaks are correct.
Selon un mode de réalisation, le défaut affectant le spiral ou l'ébauche de spiral est un défaut atténuant ou amplifiant des modes de résonance attendus, et l'étape c. comprend une étape consistant à rechercher un pic de résonance anormal d'une amplitude différente d'au moins 30% d'une amplitude attendue d'un pic de résonance attendu. La demanderesse s'est aperçue que des défauts de spires collées, de manque de matière, d'impuretés liant des spires entre elles peuvent conduire le spiral ou l'ébauche à présenter des modes de résonances notablement différents de ceux que l'on peut constater sur des spiraux conformes. Le procédé s'intéresse donc à quantifier des différences d'amplitudes des pics de résonance dans le spectre de fréquence obtenu avec les mêmes pics de résonance dans le spectre de référence. Alternativement, on peut calculer une aire du pic de résonnance obtenu et la comparer à une aire d'un pic de résonnance du spectre de référence et déclarer qu'il y a un défaut si les aires présentent une différence de par exemple 30%.According to one embodiment, the defect affecting the balance spring or the balance spring blank is a defect attenuating or amplifying the expected resonance modes, and step c. includes a step of searching for an abnormal resonance peak of an amplitude different by at least 30% of an expected amplitude from an expected resonance peak. The applicant has noticed that defects in glued turns, lack of material, impurities linking the turns together can lead the balance spring or the blank to present resonance modes that are significantly different from those that can be observed. on conforming hairsprings. The method is therefore interested in quantifying differences in amplitude of the resonance peaks in the frequency spectrum obtained with the same resonance peaks in the reference spectrum. Alternatively, one can calculate an area of the resonance peak obtained and compare it to an area of a resonance peak of the spectrum of reference and declare that there is a defect if the areas have a difference of for example 30%.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend une étape d. consistant à catégoriser le défaut identifié à l'étape c. Par exemple, si la caractéristique anomale est la présence d'un pic de résonnance inattendu, ou si la caractéristique anomale est une forte atténuation d'un pic de résonance attendu, alors la machine de prédiction peut identifier et différencier le défaut d'un autre pour catégoriser les pièces défectueuses. Les catégories de défauts pouvant être par exemple des spires collées, un défaut de matière, ou encore un contact imprévu entre l'ébauche et le reste de la plaquette.According to one embodiment, the method comprises a step d. consisting in categorizing the defect identified in step c. For example, if the anomalous characteristic is the presence of an unexpected resonance peak, or if the anomalous characteristic is a strong attenuation of an expected resonance peak, then the prediction machine can identify and differentiate the defect from another to categorize defective parts. The categories of defects can be, for example, glued turns, a material defect, or even an unforeseen contact between the blank and the rest of the wafer.
Selon un mode de réalisation, l'étape b. est basée sur une mesure au cours du temps d'une amplitude ou d'une vitesse ou d'une accélération de déplacement d'au moins un point du spiral ou de l'ébauche de spiral, effectuée de préférence au moins partiellement pendant l'étape a.According to one embodiment, step b. is based on a measurement over time of an amplitude or of a speed or of an acceleration of displacement of at least one point of the hairspring or of the hairspring blank, preferably carried out at least partially during the step a.
Selon un mode de réalisation, l'étape b comprend :
- une étape d'identification d'une fréquence de résonance du spiral ou de l'ébauche de spiral en fonction d'une déformée opérationnelle ou modale d'au moins un point du spiral ou de l'ébauche de spiral. Une déformée opérationnelle ou modale est typiquement définie par une amplitude ou vitesse de déplacement ou encore d'une accélération et une direction d'oscillation (hors ou dans un plan particulier) en fonction de la fréquence d'excitation.
- a step of identifying a resonance frequency of the hairspring or of the hairspring blank as a function of an operational or modal deformation of at least one point of the hairspring or of the hairspring blank. An operational or modal deformation is typically defined by an amplitude or speed of displacement or else by an acceleration and a direction of oscillation (outside or in a particular plane) as a function of the excitation frequency.
Selon un mode de réalisation, le spiral ou l'ébauche de spiral est contenue dans un plan de base, et l'étape b comprend :
- une étape b' de mesure d'une amplitude ou d'une vitesse ou d'une accélération de déplacement d'au moins un point du spiral ou de l'ébauche de spiral selon une direction normale au plan de base, et/ou
- une étape b" de mesure d'une amplitude ou d'une vitesse ou d'une accélération de déplacement d'au moins un point du spiral ou de l'ébauche de spiral selon une direction contenue dans le plan de base.
- a step b' of measuring an amplitude or a speed or an acceleration of displacement of at least one point of the hairspring or of the hairspring blank in a direction normal to the base plane, and/or
- a step b" of measuring an amplitude or a speed or an acceleration of displacement of at least one point of the hairspring or of the hairspring blank in a direction contained in the base plane.
Les mesures de déplacements ou de vitesses selon plusieurs directions permettent de mieux identifier les pics et fréquences de résonance.Measurements of displacements or speeds in several directions make it possible to better identify peaks and resonance frequencies.
Selon un mode de réalisation :
- pour une première fréquence de résonance prédéterminée, seule l'étape b' de mesure d'un déplacement ou d'une vitesse d'au moins un point du spiral ou de l'ébauche de spiral selon une direction normale au plan de base est effectuée, et/ou
- pour une deuxième fréquence de résonance prédéterminée, seule l'étape b" de mesure d'un déplacement ou d'une vitesse d'au moins un point du spiral ou de l'ébauche de spiral selon une direction contenue dans le plan de base est effectuée.
- for a first predetermined resonant frequency, only step b' of measurement of a displacement or a speed of at least one point of the hairspring or of the hairspring blank in a direction normal to the base plane is carried out, and/or
- for a second predetermined resonant frequency, only step b" of measuring a displacement or a speed of at least one point of the hairspring or of the hairspring blank in a direction contained in the base plane is carried out.
Selon la fréquence de résonance, on peut choisir de mesurer dans une direction ou dans une autre, pour mesurer les plus grands déplacements ou vitesses possibles, de sorte à minimiser l'erreur de mesure. En effet, en fonction de la géométrie du spiral ou de l'ébauche de spiral, le mode de vibration (typiquement la direction de vibration) en réponse à l'excitation vibratoire peut varier.Depending on the resonance frequency, one can choose to measure in one direction or another, to measure the largest possible displacements or velocities, so as to minimize the measurement error. Indeed, depending on the geometry of the hairspring or of the hairspring blank, the mode of vibration (typically the direction of vibration) in response to the vibratory excitation may vary.
Selon un mode de réalisation, l'étape b. comprend :
- une étape d'identification d'un pic de résonance du spiral ou de l'ébauche de spiral en fonction d'une amplitude ou d'une vitesse de déplacement d'au moins un point du spiral ou de l'ébauche de spiral.
- a step of identifying a resonance peak of the hairspring or of the hairspring blank as a function of an amplitude or of a displacement speed of at least one point of the hairspring or of the hairspring blank.
Selon un mode de réalisation, la caractéristique de la fréquence de résonance est identifiée sur la base de la largeur du pic de résonance, à mi-hauteur de la valeur maximale du pic de résonance. Cette méthode de traitement permet de limiter les erreurs de calcul qui pourraient être effectuées en se basant uniquement sur l'identification de la position fréquentielle du pic défini par sa valeur maximale.According to one embodiment, the characteristic of the resonant frequency is identified based on the width of the resonant peak, halfway up the maximum value of the resonant peak. This processing method makes it possible to limit the calculation errors which could be made based solely on the identification of the frequency position of the peak defined by its maximum value.
Selon un mode de réalisation, la machine de prédiction met en œuvre une classification effectuée par exemple par un réseau de neurones pour prédire si un défaut affecte le spiral ou l'ébauche de spiral.According to one embodiment, the prediction machine implements a classification carried out for example by a neural network to predict whether a defect affects the hairspring or the hairspring blank.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend une étape préliminaire consistant à prendre en compte la matière du spiral ou de l'ébauche de spiral, et à ajuster une amplitude maximale de l'excitation vibratoire et/ou une plage de fréquence de la plage fréquentielle prédéterminée en fonction de la matière du spiral ou de l'ébauche de spiral.According to one embodiment, the method comprises a preliminary step consisting in taking into account the material of the hairspring or of the hairspring blank, and in adjusting a maximum amplitude of the vibratory excitation and/or a frequency range of the range predetermined frequency according to the material of the hairspring or of the hairspring blank.
Selon un mode de réalisation, la plage fréquentielle s'étend sur une plage de fréquence allant de 0 Hz à 100 kHz, de préférence de 0 Hz à 50 kHz, plus préférentiellement de 0 Hz à 40 kHz, et très préférentiellement de 10 kHz à 35 kHz. La demanderesse s'est aperçue que la précision de la prédiction était meilleure pour les pics ou fréquences de résonance situées sur une plage de fréquences élevées. En effet, si on s'attache à la raideur, son influence sur la fréquence de résonance est plus forte dans des gammes de fréquences hautes (par exemple entre 10 kHz à 35 kHz), si bien que la sensibilité et la précision sont meilleures sur cette plage particulière.According to one embodiment, the frequency range extends over a frequency range ranging from 0 Hz to 100 kHz, preferably from 0 Hz to 50 kHz, more preferably from 0 Hz to 40 kHz, and very preferably from 10 kHz to 35kHz. The Applicant has noticed that the precision of the prediction was better for the peaks or resonance frequencies located in a range of high frequencies. Indeed, if we focus on the stiffness, its influence on the resonance frequency is stronger in high frequency ranges (for example between 10 kHz to 35 kHz), so that the sensitivity and precision are better on this particular beach.
Selon un mode de réalisation, l'étape a. et l'étape b. sont synchronisées. Une telle synchronisation procure la possibilité de détecter un déphasage, ou une atténuation, ou un couplage dont la prise en compte peut améliorer la précision de la prédiction, ou permettre de régler ou recaler la source d'excitation vibratoire.According to one embodiment, step a. and step b. are synchronized. Such synchronization provides the possibility of detecting a phase shift, or an attenuation, or a coupling, the taking into account of which can improve the precision of the prediction, or make it possible to adjust or recalibrate the vibratory excitation source.
Selon un mode de réalisation, si l'étape c. détermine qu'un défaut affecte le spiral ou l'ébauche de spiral, alors le procédé comprend au moins une étape consistant à identifier ou isoler ou retoucher ou mettre au rebut le spiral ou l'ébauche de spiral.According to one embodiment, if step c. determines that a defect affects the hairspring or the hairspring blank, then the method includes at least one step of identifying or isolating or refinishing or scrapping the hairspring or the hairspring blank.
Un deuxième aspect de l'invention se rapporte à un procédé de fabrication d'un spiral présentant au moins une fréquence de résonance prédéterminée attendue, comprenant les étapes consistant à :
- A/ former au moins un spiral ou une ébauche de spiral ayant des dimensions comprises dans des tolérances prédéterminées nécessaires pour obtenir la fréquence de résonance prédéterminée attendue,
- B/ contrôler le spiral ou l'ébauche de spiral selon le procédé de contrôle du premier aspect.
- A/ forming at least one hairspring or a hairspring blank having dimensions within the predetermined tolerances necessary to obtain the expected predetermined resonant frequency,
- B/ check the balance spring or the balance spring blank according to the method for checking the first aspect.
Selon un mode de réalisation, le procédé de fabrication comprend une étape consistant à :
C/ identifier ou isoler ou retoucher ou mettre au rebut le spiral ou l'ébauche de spiral formé(e) lors de l'étape A/, selon l'identification de défaut de l'étape c. du premier aspect.According to one embodiment, the manufacturing method comprises a step consisting in:
C/ identify or isolate or rework or scrap the hairspring or the hairspring blank formed during step A/, according to the identification of the defect in step c. from the first look.
Selon un mode de réalisation, l'ébauche de spiral est formée sur une plaquette, avec une pluralité d'autres ébauches de spiral.According to one embodiment, the hairspring blank is formed on a wafer, with a plurality of other hairspring blanks.
Un troisième aspect de l'invention se rapporte à un procédé d'apprentissage d'une machine de prédiction pour mettre en œuvre l'étape c. du procédé de contrôle du premier aspect de l'invention, comprenant les étapes consistant à :
- i- former des spiraux ou des ébauches de spiraux,
- ii- appliquer à chacun des spiraux ou chacune des ébauches de spiral une excitation vibratoire variable au cours du temps pour couvrir une plage fréquentielle prédéterminée,
- iii- identifier au moins une caractéristique d'une fréquence de résonance de chaque spiral ou chaque ébauche de spiral lors de ou en réponse à l'application de la plage fréquentielle prédéterminée,
- iv'- monter une pluralité de spiraux ou d'ébauches de spiral dans un mécanisme oscillant présentant une inertie prédéterminée de sorte à mesurer pour chaque spiral ou ébauche de spiral une fréquence libre d'oscillation,
et/ou - iv"- modéliser dans un outil de simulation une pluralité de spiraux ou d'ébauches de spiral dans un mécanisme oscillant présentant une inertie prédéterminée de sorte à calculer pour chaque spiral ou ébauche de spiral une fréquence libre d'oscillation,
- v- déduire au moins une fréquence de résonance attendue de la fréquence de résonance identifiée à l'étape iii-, et/ou de la fréquence libre d'oscillation mesurée à l'étape iv'- et/ou calculée à l'étape iv"- ;
- vi- fournir à la machine de prédiction, et pour chaque spiral ou ébauche :
- la caractéristique de la fréquence de résonance identifiée à l'étape iii- ;
- la même caractéristique de la fréquence de résonance attendue.
- i- forming hairsprings or outlines of hairsprings,
- ii- apply to each of the hairsprings or each of the hairspring blanks an excitation variable vibration over time to cover a predetermined frequency range,
- iii- identifying at least one characteristic of a resonance frequency of each hairspring or each hairspring blank during or in response to the application of the predetermined frequency range,
- iv'- mounting a plurality of balance-springs or balance-spring blanks in an oscillating mechanism having a predetermined inertia so as to measure for each balance-spring or balance-spring blank a free oscillation frequency,
and or - iv"- modeling in a simulation tool a plurality of balance-springs or balance-spring blanks in an oscillating mechanism having a predetermined inertia so as to calculate for each balance-spring or balance-spring blank a free oscillation frequency,
- v- deduce at least one expected resonance frequency from the resonance frequency identified in step iii-, and/or from the free oscillation frequency measured in step iv'- and/or calculated in step iv "-;
- vi- provide the prediction machine, and for each hairspring or blank:
- the characteristic of the resonant frequency identified in step iii-;
- the same characteristic of the expected resonant frequency.
Cette phase d'apprentissage permet de bâtir des données de référence étalonnées pour une comparaison ultérieure lors d'une phase de prédiction / production avec recherche de défauts. En particulier, l'apprentissage permet d'obtenir des données de test de pièces de référence ou testées/simulées en parallèle pour construire par exemple un spectre de référence.This learning phase makes it possible to build calibrated reference data for later comparison during a prediction/production phase with fault finding. In particular, learning makes it possible to obtain test data from reference parts or parts tested/simulated in parallel to construct, for example, a reference spectrum.
D'autres détails de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la
figure 1 montre les courbes de dispersion de raideurs non corrigées pour les spiraux sur trois plaquettes différentes, - la
figure 2 montre le centrage de la moyenne des raideurs sur une plaquette autour d'une valeur nominale, - les
figures 3A-3F sont une représentation simplifiée d'un procédé de fabrication d'un résonateur mécanique, ici un spiral, sur une plaquette, - la
figure 4 représente un dispositif permettant l'évaluation du couple d'un spiral, - la
figure 5 représente schématiquement la mise en œuvre de l'évaluation de la raideur d'un spiral par analyse vibratoire, - la
figure 6 représente un exemple de fréquences appliquées à une plaquette de silicium supportant des ébauches de spiral, pour imposer une excitation vibratoire, - la
figure 7 représente un exemple de mesure des amplitudes de déplacement d'un point d'une ébauche de spiral, en réponse à la plage fréquentielle imposée de lafigure 6 , - la
figure 8 représente en détail un pic de résonance identifié à une fréquence particulière sur lafigure 7 , - la
figure 9 représente les pics de résonance mesurés et superposés pour la fréquence particulière de lafigure 8 pour des pièces exemptes de défauts, - la
figure 10 représente un exemple de modèle de prédiction construit à partir de données extraites de lafigure 9 , relatives à des pièces exemptes de défauts, - la
figure 11 représente un premier exemple de mesures effectuées pour un ensemble de pièces comprenant des pièces exemptes de défauts, et des pièces défectueuses, - la
figure 12 représente un deuxième exemple de mesures effectuées pour des pièces exemptes de défauts, et des pièces défectueuses.
- there
figure 1 shows the uncorrected stiffness dispersion curves for hairsprings on three different pads, - there
picture 2 shows the centering of the average stiffness on a plate around a nominal value, - THE
Figures 3A-3F are a simplified representation of a process for manufacturing a mechanical resonator, here a hairspring, on a wafer, - there
figure 4 represents a device for evaluating the torque of a hairspring, - there
figure 5 schematically represents the implementation of the evaluation of the stiffness of a hairspring by vibration analysis, - there
figure 6 represents an example of frequencies applied to a silicon wafer supporting balance-spring blanks, to impose vibratory excitation, - there
figure 7 represents an example of measurement of the displacement amplitudes of a point of a balance-spring blank, in response to the imposed frequency range of thefigure 6 , - there
figure 8 depicts in detail an identified resonance peak at a particular frequency on thefigure 7 , - there
figure 9 represents the measured and superimposed resonance peaks for the particular frequency of thefigure 8 for parts free of defects, - there
figure 10 represents an example of a prediction model built from data extracted from thefigure 9 , relating to parts free of defects, - there
figure 11 represents a first example of measurements carried out for a set of parts comprising parts free of defects, and defective parts, - there
figure 12 represents a second example of measurements carried out for parts free of defects, and defective parts.
Les
La plaquette 10 est illustrée à la
Une étape de lithographie est montrée aux
Par la suite, dans l'étape de la
A la
A la dernière étape du procédé de fabrication à la
Comme indiqué ci-dessus, au stade précédent la réalisation de la couche de thermo-compensation, les différents résonateurs formés dans la plaquette présentent généralement une dispersion géométrique importante entre eux et donc une dispersion importante entre leurs raideurs, nonobstant que les étapes de formation des motifs et de l'usinage/gravure à travers ces motifs sont les mêmes pour tous les résonateurs.As indicated above, at the stage preceding the production of the thermo-compensation layer, the various resonators formed in the wafer generally have a significant geometric dispersion between them and therefore a significant dispersion between their stiffnesses, notwithstanding that the steps of formation of the patterns and machining/etching through those patterns are the same for all resonators.
Par ailleurs, cette dispersion de raideurs est encore plus importante entre les spiraux de deux plaquettes gravées à des moments différents même si les mêmes spécifications de procédé sont utilisées.Moreover, this dispersion of stiffness is even greater between the hairsprings of two wafers engraved at different times even if the same process specifications are used.
Enfin, il faut noter que lors de la fabrication, des défauts de fabrication plus ponctuels peuvent apparaître. Par exemple, lors de l'étape d'usinage de la
La description ci-dessus est relative à des résonateurs 100 en silicium, mais on peut envisager de réaliser les résonateurs en verre, en céramique, en nano tubes de carbone, ou encore en métal. On peut en particulier tester des spiraux conventionnels en acier. Dans ce cas, le spiral métallique est pincé ou pris en référence par un outillage qui le positionne en regard de la source d'émission et de l'appareil de mesure de déplacement.The description above relates to
De manière connue, la mesure de raideur du spiral peut être effectuée de manière dite statique, c'est-à-dire sans mettre le spiral en oscillation, mais par détermination de son couple. On pourra par exemple se référer au document
Une alternative à la méthode décrite dans ce dernier document, consiste à effectuer une mesure de couple à l'aide d'un rhéomètre, tel que commercialisé par la société Anton Paar. Un dispositif prévu dans ce but est illustré sur la
La présente invention propose de déterminer à partir d'au moins une caractéristique d'une fréquence de résonance d'un échantillon de résonateurs 100 sur la plaquette à l'étape 3E et si un défaut est présent sur une pièce. Dans l'affirmative, la présente invention propose d'identifier la pièce en cause sans démontage ni mesure dans un sous-ensemble de test, selon une méthode plus performante que les méthodes de l'art antérieur.The present invention proposes to determine from at least one characteristic of a resonant frequency of a sample of
Ainsi, l'invention propose de déterminer au moins une caractéristique d'une fréquence de résonance d'un échantillon de résonateurs par mesure vibratoire et appliquer une méthode prédictive (par exemple un modèle numérique ou une méthode de classification ou de catégorisation) pour relier le résultat de ladite mesure vibratoire à l'identification de défauts éventuellement présents.Thus, the invention proposes to determine at least one characteristic of a resonant frequency of a sample of resonators by vibration measurement and to apply a predictive method (for example a numerical model or a classification or categorization method) to link the result of said vibration measurement to the identification of any defects present.
On exploite ainsi les propriétés modales du spiral attaché à la plaquette. Lors d'une phase d'apprentissage, et par une approche analytique et numérique, il est possible de mettre en place une machine de prédiction en établissant un modèle prédictif reliant des défauts de fabrication (collage, pontage, pollution...) à certaines fréquences (fréquence propre ou fréquences de résonance associées à un pic de résonance ou à une largeur à mi-hauteur) spécifiquement choisies.The modal properties of the hairspring attached to the wafer are thus exploited. During a learning phase, and through an analytical and numerical approach, it is possible to set up a prediction machine by establishing a predictive model linking manufacturing defects (sticking, bridging, pollution, etc.) to certain frequencies (natural frequency or resonance frequencies associated with a resonance peak or a width at mid-height) specifically chosen.
Une fois la phase d'apprentissage terminée (une fois les modes à exploiter ainsi que les fréquences d'excitation déterminées), il est possible de passer à une phase de prédiction et d'utiliser la machine de prédiction en exploitant le modèle prédictif pour contrôler les résonateurs d'une plaquette produite, afin de prédire si des pièces sont défectueuses, et le cas échéant, les identifier pour les mettre au rebut par exemple.Once the learning phase is complete (once the modes to be exploited as well as the excitation frequencies have been determined), it is possible to move on to a prediction phase and use the prediction machine by exploiting the predictive model to control the resonators of a produced wafer, in order to predict if parts are defective, and if so, identify them to scrap them for example.
Ainsi, il est possible d'intégrer le procédé de contrôle dans un procédé de fabrication pour séparer si nécessaire les pièces défectueuses des pièces exemptes de défauts et adéquates pour obtenir une fréquence propre d'oscillation particulière et prédéterminée, une fois les résonateurs chacun accouplés à un balancier d'un mécanisme de montre donné.Thus, it is possible to integrate the control method into a manufacturing process to separate, if necessary, the defective parts from the parts free from defects and adequate to obtain a particular and predetermined natural frequency of oscillation, once the resonators each have been coupled to a balance wheel of a given watch mechanism.
La mesure de la réponse vibratoire des résonateurs permet de déduire au moins une caractéristique d'une fréquence de résonance, comme par exemple une valeur d'une fréquence de résonance. Dans le détail, on doit d'abord imposer une excitation vibratoire à la plaquette. Plusieurs options sont offertes :
- a. Mesures dans le domaine fréquentiel :
- 1- utiliser une source piézo-électrique (ou toute autre source permettant d'induire ou imposer une excitation acoustique) sur la tranche de la plaquette, sur, ou sous l'ébauche de spiral 200 à exciter spécifiquement (préférentiel) qui excite à une fréquence particulière fo (excitation mono-fréquentielle continue). Dans cette variante, l'excitation est entretenue.
- 2- En variante, on peut aussi utiliser la source piézo-électrique (ou toute autre source permettant d'induire ou imposer une excitation acoustique) sur la tranche de la plaquette, sur, ou sous l'ébauche de spiral 200 à exciter spécifiquement (préférentiel) qui excite à une fréquence variable dans le temps pour couvrir une plage fréquentielle prédéterminée, allant par exemple de 0 à 100 kHz, de préférence de 0 à 75 kHz, de préférence de 0 à 50 kHz, de préférence de 5kHz à 50 kHz, et de préférence de 10 à 35 kHz. La totalité de la plage fréquentielle peut être balayée ou couverte dans un intervalle de temps pouvant aller d'une fraction de seconde à quelques secondes. Par exemple, on peut prévoir de balayer ou couvrir la plage de fréquences de la plage fréquentielle en moins de 0.5 s, moins de 1 s, ou moins de 1.5 s. Dans cette variante, la fréquence d'excitation change de manière continue.
- b. Mesures dans le domaine temporel : utiliser un marteau d'excitation (ou toute autre source permettant d'induire une excitation acoustique impulsionnelle) sur la tranche de la plaquette, sur, ou sous le spiral à exciter spécifiquement (préférentiel) qui donne une impulsion acoustique la plus courte possible (excitation impulsionnelle multi-fréquentielle). Dans cette variante, l'excitation est ponctuelle et non entretenue.
- To. Measurements in the frequency domain:
- 1- using a piezoelectric source (or any other source making it possible to induce or impose an acoustic excitation) on the edge of the wafer, on, or under the blank of the
hairspring 200 to be excited specifically (preferred) which excites at a particular frequency fo (continuous mono-frequency excitation). In this variant, the excitement is maintained. - 2- As a variant, one can also use the piezoelectric source (or any other source making it possible to induce or impose an acoustic excitation) on the edge of the wafer, on, or under the balance-
spring blank 200 to be excited specifically ( preferential) which excites at a variable frequency over time to cover a predetermined frequency range, ranging for example from 0 to 100 kHz, preferably from 0 to 75 kHz, preferably from 0 to 50 kHz, preferably from 5 kHz to 50 kHz , and preferably from 10 to 35 kHz. The entire frequency range can be swept or covered in a time interval that can range from a fraction of a second to a few seconds. For example, provision may be made to sweep or cover the frequency range of the frequency range in less than 0.5 s, less than 1 s, or less than 1.5 s. In this variant, the excitation frequency changes continuously.
- 1- using a piezoelectric source (or any other source making it possible to induce or impose an acoustic excitation) on the edge of the wafer, on, or under the blank of the
- b. Time domain measurements: use an excitation hammer (or any other source capable of inducing impulsive acoustic excitation) on the edge of the wafer, on or under the hairspring to be specifically excited (preferred) which gives the shortest possible acoustic impulse (multi-frequency impulse excitation). In this variant, the excitation is punctual and not maintained.
Par ailleurs, les mesures peuvent être effectuées en suivant un échantillonnage particulier, par exemple selon une gamme d'échantillonnage de 4, 2 ou 1 Hz. En effet, la résolution pour traiter les données d'acquisition selon par exemple une transformée de Fourier dépend directement de la durée de cette acquisition.Furthermore, the measurements can be performed by following a particular sampling, for example according to a sampling range of 4, 2 or 1 Hz. Indeed, the resolution for processing the acquisition data according to for example a Fourier transform depends directly from the duration of this acquisition.
Par ailleurs, on peut choisir une fréquence d'échantillonnage du signal d'au moins 100 kHz si la plage fréquentielle s'étend jusqu'à 50 kHz par exemple.Furthermore, it is possible to choose a signal sampling frequency of at least 100 kHz if the frequency range extends up to 50 kHz for example.
D'une manière générale, on peut prévoir enfin de changer la direction d'excitation, c'est-à-dire la direction des mouvements imposés par la source (on peut imposer des vibrations selon une ou plusieurs direction(s) axiale(s), et faire évoluer cette ou ces direction(s) dans le temps). Dans le cas où on excite une plaquette comprenant une pluralité de résonateurs, on peut prévoir de régler la direction des vibrations de sorte à pointer sur l'un ou l'autre des résonateurs, en fonctions des mesures d'amplitude de déplacement décrites ci-dessous.In general, we can finally plan to change the direction of excitation, that is to say the direction of the movements imposed by the source (we can impose vibrations according to one or more axial direction (s) ), and make this or these direction(s) evolve over time). In the case where a wafer comprising a plurality of resonators is excited, provision may be made to adjust the direction of the vibrations so as to point to one or the other of the resonators, depending on the displacement amplitude measurements described below. below.
Enfin, on peut prévoir d'accoupler la source acoustique à un cône divergent dirigé vers les résonateurs à exciter, et de régler la source acoustique pour émettre un signal d'excitation avec une amplitude suffisante pour imposer une excitation vibratoire du ou des résonateurs et ayant une amplitude suffisante pour être détectée et mesurée de manière précise par les instruments de mesure choisis.Finally, provision may be made to couple the acoustic source to a divergent cone directed towards the resonators to be excited, and to adjust the acoustic source to emit an excitation signal with sufficient amplitude to impose vibratory excitation of the resonator(s) and having an amplitude sufficient to be detected and measured accurately by the chosen measuring instruments.
Durant l'excitation, on enregistre, via un moyen de mesure adapté, l'amplitude et la phase (par rapport à la source excitatrice) d'oscillation dans les 3 directions X, Y (dans le plan) et Z (hors plan) du spiral excité spécifiquement. De manière non limitative, on peut citer les moyens de mesures possibles suivants :
- Méthodes optiques par interférométrie :
- a. Par effet Doppler 3D (vibromètre laser par effet Doppler),
- b. Holographique,
- Méthodes optiques stroboscopiques,
- Profilométrie confocale chromatique haute résolution temporelle,
- Réflectométrie optique :
- a. Analyse de vibration par déflection de faisceau sur détecteur multi-cadrans ou caméra,
- b. Analyse par analyse temporelle type TCSPC,
- Méthodes acoustiques par ultrason par effet Doppler.
- Optical methods by interferometry:
- To. By 3D Doppler effect (laser vibrometer by Doppler effect),
- b. Holographic,
- Strobe optical methods,
- High temporal resolution confocal chromatic profilometry,
- Optical reflectometry:
- To. Vibration analysis by beam deflection on multi-dial detector or camera,
- b. Analysis by TCSPC type temporal analysis,
- Acoustic methods by ultrasound by Doppler effect.
La
Une fois un point particulier étudié, on peut déplacer le vibromètre laser 300 sur un autre point de mesure de l'ébauche de spiral 200, ou passer à une autre ébauche de spiral 200 de la plaquette 25. Bien entendu, on peut alternativement déplacer l'ébauche de spiral 200 par rapport au vibromètre laser.Once a particular point has been studied, the
La
En ce qui concerne la mesure d'amplitude de déplacement, pendant la phase d'apprentissage, on peut prévoir une étape consistant à identifier des points du résonateur pour lesquels la réponse vibratoire est significative. En effet, dans le cas d'un spiral auquel une vibration est imposée, surtout si la fréquence varie au cours du temps, la réponse vibratoire va faire apparaître sur le spiral des nœuds, c'est-à-dire des points particuliers du spiral dont l'amplitude de déplacement est faible ou nulle. Si une mesure de déplacement est effectuée sur un point du spiral qui s'avère être un nœud à une ou plusieurs fréquence(s) particulière(s), l'identification de caractéristiques de fréquences de résonance sera affectée négativement.With regard to the displacement amplitude measurement, during the learning phase, a step can be provided consisting in identifying points of the resonator for which the vibratory response is significant. Indeed, in the case of a hairspring on which a vibration is imposed, especially if the frequency varies over time, the vibratory response will cause nodes to appear on the hairspring, that is to say particular points of the hairspring whose displacement amplitude is low or zero. If a displacement measurement is made on a point of the hairspring which turns out to be a node at one or more particular frequency(ies), the identification of resonant frequency characteristics will be negatively affected.
Ainsi, il est avantageux de prévoir une étape préliminaire de mesure de déplacement sur une pluralité de points prédéterminés du spiral, par exemple au moins une dizaine de points prédéterminés, de préférence au moins une vingtaine de points prédéterminés, et très préférentiellement au moins une trentaine de points prédéterminés. On peut prévoir de sélectionner les points prédéterminés agencés sur un repère orthonormé X-Y dans le plan du spiral.Thus, it is advantageous to provide a preliminary step of measuring displacement on a plurality of predetermined points of the hairspring, for example at least ten predetermined points, preferably at least twenty predetermined points, and very preferably at least thirty predetermined points. Provision can be made to select the predetermined points arranged on an X-Y orthonormal reference mark in the plane of the hairspring.
A l'issue de cette étape préliminaire de mesure d'amplitude sur les points prédéterminés, on peut prévoir d'identifier pour chaque point de mesure des fréquences de résonance, et ensuite une étape de sélection de points de référence pour lesquels la mesure d'amplitude de déplacement au cours de l'excitation montre qu'ils ne sont pas des nœuds à ces fréquences de résonance. Autrement dit, les nœuds identifiés présentent, à au moins une fréquence de résonance, une amplitude de déplacement nulle ou inférieure à une première valeur de pic seuil, et ces points formant des nœuds sont écartés des points de référence à considérer pour les mesures ultérieures. On peut aussi noter que les points de référence sont différents en fonction de la position de l'ébauche de spiral 200 sur la plaquette 25.At the end of this preliminary step of amplitude measurement on the predetermined points, provision can be made to identify resonance frequencies for each measurement point, and then a step of selecting reference points for which the measurement of displacement amplitude during excitation shows that they are not nodes at these resonant frequencies. In other words, the identified nodes have, at at least one resonance frequency, a zero displacement amplitude or less than a first threshold peak value, and these points forming nodes are moved away from the reference points to be considered for subsequent measurements. It can also be noted that the reference points are different depending on the position of the spiral blank 200 on the
Typiquement, on peut considérer qu'au moins deux points de référence seront sélectionnés, et de préférence au moins quatre points de référence seront sélectionnés. Dans le cas où le résonateur présente un rayon Ra et se trouve ancré ou encastré sur la plaquette par son extrémité extérieure de pitonnage, on peut sélectionner de préférence quatre points de référence choisis et localisés :
- dans une première zone à moins de 0.20 x Ra (par exemple sur la virole centrale), ou
- dans une deuxième zone entre 0.05 x Ra et 0.30 x Ra (par exemple sur la deuxième spire en partant de la virole), ou
- dans une troisième zone entre 0.35 x Ra et 0.65 x Ra (par exemple sur une spire située au milieu du spiral), ou
- dans une quatrième zone entre 0.65 x Ra et 0.85 x Ra (par exemple sur une spire située aux trois quarts du spiral).
- in a first zone at less than 0.20 x Ra (for example on the central shroud), or
- in a second zone between 0.05 x Ra and 0.30 x Ra (for example on the second turn starting from the ferrule), or
- in a third zone between 0.35 x Ra and 0.65 x Ra (for example on a coil located in the middle of the hairspring), or
- in a fourth zone between 0.65 x Ra and 0.85 x Ra (for example on a turn located at three quarters of the hairspring).
Ainsi, les points de référence sont éloignés de la partie ancrée sur la plaquette et présentent naturellement une capacité de déplacement oscillatoire importante, ce qui assure une meilleure précision de la mesure de déplacement.Thus, the reference points are far from the part anchored on the wafer and naturally have a high capacity for oscillatory displacement, which ensures better precision of the displacement measurement.
Par ailleurs, on peut aussi mesurer les déplacements d'un point du corps de la plaquette, et/ou d'un point de la source d'excitation, pour identifier ou mesurer par exemple un décalage de phase ou une atténuation vibratoire, ou encore une résonance issue d'un couplage vibratoire ou bien de la plaquette. Ces mesures complémentaires permettent de s'assurer que les pics identifiés sont bien ceux du spiral seul. On peut également synchroniser la mesure d'amplitude de déplacement et l'excitation vibratoire.Furthermore, it is also possible to measure the displacements of a point of the body of the wafer, and/or of a point of the excitation source, to identify or measure, for example, a phase shift or a vibration attenuation, or even a resonance resulting from a vibratory coupling or from the wafer. These additional measurements make it possible to ensure that the peaks identified are indeed those of the hairspring alone. It is also possible to synchronize the displacement amplitude measurement and the vibratory excitation.
Alternativement, on peut prévoir de ne mesurer les déplacements / mouvements / vibrations que sur un point particulier situé de préférence sur une zone de la pièce qui ne se déforme pas. En particulier, on peut prévoir de pointer la mesure sur un point de la virole du spiral ou de l'ébauche de spiral. En effet, la virole peut être considérée indéformable lors de l'excitation vibratoire et tous les points de la virole présentent des déplacements / mouvements / vibrations similaires. En conséquence, une petite erreur de localisation du point de mesure sur la virole aura peu de conséquences sur le résultat final. Par ailleurs, en ayant choisi un point particulier de mesure sur la pièce, on peut identifier et choisir une plage de fréquence particulière pour conduire la prédiction de raideur.Alternatively, provision can be made to measure the displacements/movements/vibrations only at a particular point preferably located in an area of the part that does not deform. In particular, provision may be made to point the measurement to a point on the ferrule of the hairspring or on the hairspring blank. Indeed, the ferrule can be considered non-deformable during vibratory excitation and all the points of the ferrule present similar displacements/movements/vibrations. Consequently, a small error in the location of the measurement point on the ferrule will have little effect on the final result. Furthermore, having chosen a particular measurement point on the part, it is possible to identify and choose a particular frequency range to conduct the stiffness prediction.
Selon un mode de réalisation dans lequel plusieurs pièces encore attachées à un substrat ou à un outillage sont à tester en série, on peut prévoir :
- une étape de capture d'image des pièces à tester,
- une étape d'analyse de l'image pour par exemple reconnaître chaque type de pièce, et/ou la position de chaque pièce,
- une étape de sélection d'un ou plusieurs points à mesurer pour chaque pièce, et/ou de sélection d'un spectre vibratoire d'excitation à imposer pour chaque pièce et/ou chaque point sélectionné,
- pour chaque pièce à tester, une étape de mise en position du substrat ou de l'outillage supportant les pièces à tester dans un appareil d'excitation vibratoire et de mesure. Selon cette mise en œuvre, on peut automatiser l'excitation et la mesure dans le cas d'une plaquette qui porte encore les ébauches de spiraux :
- une ou plusieurs images de la plaquette sont prises,
- une analyse automatique d'image est effectuée pour connaitre au moins la position X-Y de chaque pièce (on peut aussi faire une reconnaissance du type ou modèle de pièce),
- en fonction de la position et/ou du type de pièce reconnues, des points particuliers de mesure préétablis sont identifiés ou sélectionnés (par exemple sur la virole), on peut aussi sélectionner un cycle d'excitation particulier en fonction du type de pièce ou d'un point particulier,
- avec par exemple un outillage qui porte la plaquette et qui comprend une table mobile en X-Y, chaque ébauche de spiral est successivement placée automatiquement en regard de la source d'excitation et de l'appareil de mesure pour être testée en visant le bon point de mesure et en appliquant la bonne spécification d'excitation.
- an image capture step of the parts to be tested,
- an image analysis step for example to recognize each type of part, and/or the position of each part,
- a step of selecting one or more points to be measured for each part, and/or of selecting an excitation vibration spectrum to be imposed for each part and/or each point selected,
- for each part to be tested, a step of positioning the substrate or the tool supporting the parts to be tested in a vibratory excitation and measurement device. According to this implementation, it is possible to automate the excitation and the measurement in the case of a wafer which still carries the blanks of the hairsprings:
- one or more images of the wafer are taken,
- an automatic image analysis is carried out to know at least the XY position of each part (we can also do a recognition of the type or model of part),
- depending on the position and/or the type of part recognized, particular pre-established measurement points are identified or selected (for example on the ferrule), it is also possible to select a particular excitation cycle according to the type of part or a particular point,
- with, for example, a tool which carries the wafer and which comprises a mobile table in XY, each spiral blank is successively placed automatically opposite the source of excitation and the measuring device to be tested by aiming at the correct point of measurement and applying the correct excitation specification.
Selon un mode de réalisation, en fonction du point de mesure sélectionné sur la pièce à tester et/ou en fonction de la fréquence d'excitation, et/ou en fonction du modèle de pièce à tester, on peut prévoir une étape consistant à donner une orientation particulière à la direction d'excitation et/ou à la direction de mesure. A cet effet, on peut choisir une direction d'excitation (ou une direction axiale de la source d'excitation) perpendiculaire à la pièce à tester pour maximiser les déplacements perpendiculaires au plan formé par la pièce au repos. On peut choisir une direction d'excitation (ou une direction axiale de la source d'excitation) inclinée par rapport à la pièce à tester pour maximiser des déplacements contenus dans le plan formé par la pièce au repos. En ce qui concerne la mesure, on peut choisir une direction de mesure (ou une direction axiale d'un faisceau laser de l'appareil de mesure) perpendiculaire à la pièce à tester pour maximiser la précision de mesure des déplacements perpendiculaires au plan formé par la pièce au repos. On peut choisir une direction de mesure (ou une direction axiale d'un faisceau laser de l'appareil de mesure) inclinée par rapport à la pièce à tester pour maximiser la précision de mesure des déplacements contenus dans le plan formé par la pièce au repos.According to one embodiment, depending on the measurement point selected on the part to be tested and/or depending on the excitation frequency, and/or depending on the model of the part to be tested, a step can be provided consisting in giving an orientation particular to the direction of excitation and/or to the direction of measurement. For this purpose, it is possible to choose an excitation direction (or an axial direction of the excitation source) perpendicular to the part to be tested in order to maximize the displacements perpendicular to the plane formed by the part at rest. It is possible to choose an excitation direction (or an axial direction of the excitation source) inclined with respect to the part to be tested in order to maximize displacements contained in the plane formed by the part at rest. With regard to the measurement, one can choose a direction of measurement (or an axial direction of a laser beam of the measuring device) perpendicular to the part to be tested to maximize the precision of measurement of the displacements perpendicular to the plane formed by the piece at rest. One can choose a direction of measurement (or an axial direction of a laser beam of the measuring device) inclined with respect to the part to be tested to maximize the precision of measurement of the displacements contained in the plane formed by the part at rest .
Selon un mode de réalisation dans lequel plusieurs pièces sont attachées à un substrat tel qu'une plaquette, on peut prévoir d'effectuer un échantillonnage en détachant une ou quelques pièces pour les tester de manière unitaire, et en déduire une fréquence d'excitation particulière à appliquer, et/ou un point de mesure particulier à utiliser, et/ou un domaine particulier du spectre vibratoire à prendre en compte. Autrement dit, cet échantillonnage préliminaire permet de tester dans de bonnes conditions des pièces seules (les erreurs de mesure et parasitages sont limités) pour choisir les meilleures conditions de test pour les pièces restées solidaires du substrat.According to an embodiment in which several parts are attached to a substrate such as a wafer, it is possible to provide for sampling by detaching one or a few parts to test them individually, and to deduce a particular excitation frequency therefrom. to be applied, and/or a particular measurement point to be used, and/or a particular domain of the spectrum vibration to take into account. In other words, this preliminary sampling makes it possible to test single parts in good conditions (measurement errors and interference are limited) to choose the best test conditions for the parts that have remained attached to the substrate.
On a alors plusieurs scénarios en fonction du domaine choisi préalablement pour l'excitation :
- a. Mesures dans le domaine fréquentiel
- 1- variante avec excitation entretenue :
- i. Intégrer temporellement l'amplitude et la phase d'oscillation suffisamment longtemps pour avoir une bonne résolution spectrale à la fréquence d'excitation f0,
- ii. Décaler la fréquence d'oscillation de delta f pour exciter à la fréquence f0 + Δf et répéter l'étape i d'intégration,
- iii. Reconstruire les spectres d'amplitude et de phase d'oscillation en fonction de la fréquence d'excitation (possiblement avec plusieurs pics à plusieurs fréquences).
- 2- variante avec excitation dont la fréquence varie au cours du temps :
- i. Enregistrer temporellement l'amplitude et la phase d'oscillation au cours du balayage fréquentiel de la plage fréquentielle,
- ii. Réitérer l'étape i- au moins une fois, de préférence au moins trois fois,
- iii. Reconstruire les spectres d'amplitude et de phase d'oscillation en fonction de la fréquence d'excitation (possiblement avec plusieurs pics à plusieurs fréquences).
- 1- variante avec excitation entretenue :
- b. Mesures dans le domaine temporel :
- i. Enregistrer le déplacement temporel de la spire selon X, Y et Z sur une durée suffisamment longue de manière à obtenir un signal suffisamment représentatif, comme par exemple quelques secondes.
- ii. On peut choisir d'enregistrer le signal pour en faire un signal de référence à comparer avec d'autres signaux mesurés sur d'autres pièces. On peut aussi choisir de faire un traitement du signal de type transformée de Fourier pour identifier des fréquences de résonance dans le signal enregistré.
- To. Frequency Domain Measurements
- 1- variant with sustained excitation:
- i. Temporally integrate the amplitude and the phase of oscillation long enough to have a good spectral resolution at the excitation frequency f 0 ,
- ii. Shift the oscillation frequency by delta f to excite at frequency f 0 + Δf and repeat integration step i,
- iii. Reconstruct oscillation amplitude and phase spectra as a function of excitation frequency (possibly with multiple peaks at multiple frequencies).
- 2- variant with excitation whose frequency varies over time:
- i. Temporally record the amplitude and phase of oscillation during the frequency sweep of the frequency range,
- ii. Repeat step i- at least once, preferably at least three times,
- iii. Reconstruct oscillation amplitude and phase spectra as a function of excitation frequency (possibly with multiple peaks at multiple frequencies).
- 1- variant with sustained excitation:
- b. Time domain measurements:
- i. Record the temporal displacement of the turn along X, Y and Z over a sufficiently long period so as to obtain a sufficiently representative signal, such as for example a few seconds.
- ii. It is possible to choose to record the signal to make it a reference signal to be compared with other signals measured on other parts. It is also possible to choose to process the signal of the Fourier transform type to identify resonance frequencies in the recorded signal.
En conséquence, on peut identifier au moins un pic de résonance pour chaque résonateur excité, et il est proposé de déterminer la fréquence de résonance non pas sur la base du sommet du pic de résonance, c'est-à-dire sur l'amplitude maximum, mais plutôt sur une zone de la courbe située entre 25% et 75% de la valeur d'amplitude maximale du pic de résonance, par exemple à partir de sa largeur à mi-hauteur. En effet, cette méthode de traitement qui se focalise sur une partie de la courbe entre 25% et 75% de la valeur d'amplitude maximale du pic de résonance permet de limiter les erreurs dues à la singularité du point d'amplitude maximum et aux calculs d'approximation pour reconstruire la partie sommitale du pic de résonance. La zone de la courbe située entre 25% et 75% de la valeur d'amplitude maximale du pic de résonance présente une meilleure précision que la partie supérieure à 75% (typiquement le pic), ce qui offre une meilleure précision sur la fréquence exacte de résonance déterminée. On peut prendre par exemple le milieu du segment reliant les deux points à mi-hauteur du pic de résonance pour déterminer la fréquence de résonance associée au pic en question.As a result, one can identify at least one resonant peak for each excited resonator, and it is proposed to determine the resonant frequency not based on the apex of the resonance peak, i.e. on the maximum amplitude, but rather on an area of the curve between 25% and 75% of the maximum amplitude value of the peak of resonance, for example from its width to half height. Indeed, this processing method which focuses on a part of the curve between 25% and 75% of the maximum amplitude value of the resonance peak makes it possible to limit the errors due to the singularity of the point of maximum amplitude and to the approximation calculations to reconstruct the top part of the resonance peak. The area of the curve between 25% and 75% of the maximum amplitude value of the resonance peak has better accuracy than the part above 75% (typically the peak), which offers better accuracy on the exact frequency of determined resonance. One can take for example the middle of the segment connecting the two points at mid-height of the resonance peak to determine the resonance frequency associated with the peak in question.
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Pour ces essais de la
Détermination de la raideur et/ou des dimensions réelles du barreau des résonateurs testésDetermination of the stiffness and/or the real dimensions of the bar of the resonators tested
Pour établir un modèle de prédiction qui puisse recevoir en entrée les caractéristiques vibratoires (typiquement une fréquence de résonance) et donner en sortie une raideur et/ou une correction dimensionnelle, il faut, lors de la phase d'apprentissage, fournir les données relatives à la raideur et/ou les dimensions du barreau réelles des résonateurs testés. À cet effet, on peut prévoir de mesurer concrètement une fréquence propre d'un système spiral - balancier dans un environnement similaire à celui d'un mécanisme de montre particulier.To establish a prediction model that can receive the vibration characteristics as input (typically a resonance frequency) and output a stiffness and/or a dimensional correction, it is necessary, during the learning phase, to provide the data relating to the actual stiffness and/or bar dimensions of the tested resonators. To this end, provision can be made to concretely measure a natural frequency of a balance-spring system in an environment similar to that of a particular watch mechanism.
Deux alternatives peuvent être mises en œuvre. On peut selon une première alternative accoupler un balancier prédéterminé directement sur le résonateur encore attaché à la plaquette, et mesurer une fréquence propre d'oscillation du couple résonateur - balancier pour comparer cette fréquence propre avec une fréquence propre attendue et surtout calculer la raideur réelle ou les dimensions réelles en se basant sur les équations 1 à 3 ci-dessus. Selon une deuxième alternative, on peut finir de fabriquer les résonateurs testés, afin de les monter ou les accoupler avec un balancier de manière individuelle pour mesurer ici encore une fréquence propre d'oscillation du couple résonateur - balancier.Two alternatives can be implemented. It is possible, according to a first alternative, to couple a predetermined balance directly to the resonator still attached to the wafer, and to measure a natural frequency of oscillation of the resonator-balance couple to compare this natural frequency with an expected natural frequency and above all to calculate the real stiffness or actual dimensions based on equations 1-3 above. According to one second alternative, we can finish manufacturing the resonators tested, in order to mount them or couple them with a pendulum individually to measure here again a natural frequency of oscillation of the couple resonator - pendulum.
Dans les deux alternatives ci-dessus, on peut passer par une étape intermédiaire de détermination de la raideur de chaque résonateur, et ensuite déterminer les dimensions réelles du barreau des résonateurs testés. En d'autres termes, il est possible de déterminer la fréquence propre ou une fréquence de résonance et ensuite la raideur ou les dimensions du barreau du résonateur en analysant les oscillations libres d'un spiral couplé à un balancier de référence. Dans cette approche, un laser pointé sur les bras du balancier ou sur le porte-spiral enregistre les temps de passage des bras du balancier ou d'un détrompeur. On en déduit alors une estimation de la période, puis de la fréquence et enfin la raideur. Les données recueillies sont essentiellement des nuages de points des instants de passage.In the two alternatives above, it is possible to go through an intermediate step of determining the stiffness of each resonator, and then to determine the actual dimensions of the bar of the resonators tested. In other words, it is possible to determine the natural frequency or a resonance frequency and then the stiffness or the dimensions of the bar of the resonator by analyzing the free oscillations of a hairspring coupled to a reference balance wheel. In this approach, a laser pointed at the arms of the balance wheel or on the balance-spring holder records the passage times of the arms of the balance wheel or of a polarizer. We then deduce an estimate of the period, then of the frequency and finally of the stiffness. The data collected are essentially scatter plots of passage times.
En effet, pour évaluer la raideur d'un spiral sur le wafer, plusieurs solutions sont offertes, comme notamment décrit par
De manière analogue, la raideur peut également être déduite d'une mesure de couple de réaction à la virole au moyen d'un rhéomètre. Le signal acquis représente l'évolution du couple en fonction de l'amplitude. L'analyse de la pente de cette courbe pour les faibles amplitudes (partie linéaire) permet de déduire la raideur, et ensuite les dimensions du barreau du résonateur. On peut ensuite déterminer les dimensions du barreau du spiral.Similarly, the stiffness can also be deduced from a reaction torque measurement at the ferrule using a rheometer. The acquired signal represents the evolution of the torque as a function of the amplitude. The analysis of the slope of this curve for the low amplitudes (linear part) makes it possible to deduce the stiffness, and then the dimensions of the bar of the resonator. The dimensions of the hairspring bar can then be determined.
D'autre part, on peut prévoir d'estimer par simulation une fréquence propre et/ou une fréquence de résonance et/ou la raideur pour chaque résonateur testé sur la plaquette. À cet effet, on peut effectuer des mesures dimensionnelles de chaque résonateur testé pour reconstruire par modélisation numérique le résonateur afin de simuler par calcul numérique sa réponse vibratoire au spectre imposé, et de trouver par ailleurs la raideur du résonateur.On the other hand, provision can be made to estimate by simulation a natural frequency and/or a resonant frequency and/or the stiffness for each resonator tested on the wafer. To this end, dimensional measurements can be made of each resonator tested to reconstruct the resonator by digital modeling. in order to simulate by numerical calculation its vibratory response to the imposed spectrum, and also to find the stiffness of the resonator.
Une approche par tomographie 3D par rayon X à haute résolution permettrait d'extraire des nuages de points donnant la densité de matière 3D des spiraux, et, moyennant une reconstruction des images adaptée, une cartographie de la section du spiral. Ces différents types de données permettent de déduire les dimensions du barreau du barreau et d'estimer la raideur du spiral par une approche géométrique.A high-resolution 3D X-ray tomography approach would make it possible to extract clouds of points giving the 3D material density of the balance-springs, and, subject to appropriate image reconstruction, a cartography of the section of the balance-spring. These different types of data make it possible to deduce the dimensions of the bar from the bar and to estimate the stiffness of the hairspring using a geometric approach.
Une autre approche consiste à analyser les oscillations forcées d'un spiral sur un balancier de référence avec un échappement. Une mesure laser des temps de passage des bras du balancier (nuages de points), telle que présentée plus haut, permet de mesurer la fréquence et d'en déduire la raideur. Une alternative peut être envisagée à partir d'une acquisition acoustique (micro de type Witschi) qui enregistre les chocs des différentes phases de fonctionnement du système échappement/ancre. Les données mesurées sont soit des nuages de points des instants de passage des bras du balancier, soit l'évolution temporelle du niveau de pression acoustique. Ces types de données expérimentales permettent de déduire la période, puis la fréquence, ensuite la raideur et enfin les dimensions du barreau du résonateur.Another approach consists in analyzing the forced oscillations of a hairspring on a reference balance wheel with an escapement. A laser measurement of the passage times of the arms of the balance wheel (clouds of points), as presented above, makes it possible to measure the frequency and to deduce the stiffness therefrom. An alternative can be envisaged from an acoustic acquisition (Witschi type microphone) which records the shocks of the different operating phases of the escapement/anchor system. The data measured are either scatter plots of the passage times of the arms of the balance wheel, or the temporal evolution of the sound pressure level. These types of experimental data make it possible to deduce the period, then the frequency, then the stiffness and finally the dimensions of the bar of the resonator.
De retour aux essais discutés ci-dessus à la
Pour pouvoir effectuer la détection de défauts, il faut préalablement établir ou construire des données de référence, comme par exemple un spectre de référence. Lors de la phase d'apprentissage, les mesures d'amplitudes d'oscillations sont effectuées sur des résonateurs physiques, et des fréquences de résonance sont identifiées. Afin de pouvoir ultérieurement relier les fréquences de résonance mesurées sur des résonateurs à des raideurs et/ou des corrections de dimension (d'épaisseur) à apporter, il faut prévoir une phase de corrélation au cours de laquelle un modèle prédictif est construit.To be able to carry out the detection of defects, it is necessary beforehand to establish or construct reference data, such as for example a reference spectrum. During the learning phase, oscillation amplitude measurements are performed on physical resonators, and resonant frequencies are identified. In order to be able subsequently to link the resonance frequencies measured on resonators to stiffnesses and/or dimensional (thickness) corrections to be made, a correlation phase must be provided during which a predictive model is constructed.
Les opérations décrites ci-dessus (mesures vibratoire, identification des pics de résonance, largeur de bande à mi-hauteur et sa valeur milieu ou corrigée, détermination de la raideur et/ou des dimensions du barreau du barreau) permet d'alimenter une base de données pouvant mettre en relation la position du spiral sur le wafer, des spectres ou périodes d'oscillation ou largeur de bande à mi-hauteur et sa valeur milieu ou corrigée avec les raideurs et/ou dimensions du barreau effectives du spiral. Comme vu ci-dessus, cette base de données peut être construite à partir de simulations numériques sur un modèle par éléments finis de spiral. Ces simulations permettent de générer des spectres ou périodes d'oscillation de références associés à des raideurs. Cette base de données peut également être complétée par des mesures expérimentales en mesurant des spectres de vibrations, périodes d'oscillation et les positions de spiraux sur la plaquette ainsi que leurs raideurs associées. L'un des avantages de cette approche réside dans le fait que la base de données d'apprentissage s'enrichit au fur et à mesure des essais. Ceci peut permettre d'avoir un modèle adaptatif selon les plaquettes et les spiraux et contribue à la réduction de l'écart-type en raideur sur les plaquettes.The operations described above (vibration measurements, identification of resonance peaks, bandwidth at mid-height and its middle or corrected value, determination of the stiffness and/or dimensions of the bar of the bar) make it possible to supply a base of data that can relate the position of the hairspring on the wafer, spectra or periods of oscillation or bandwidth at mid-height and its middle value or corrected with the stiffnesses and/or dimensions of the effective bar of the hairspring. As seen above, this database can be built from numerical simulations on a finite element model of hairspring. These simulations make it possible to generate spectra or reference oscillation periods associated with stiffnesses. This database can also be supplemented by experimental measurements by measuring vibration spectra, oscillation periods and the positions of hairsprings on the wafer as well as their associated stiffnesses. One of the advantages of this approach lies in the fact that the learning database is enriched as the trials progress. This can make it possible to have an adaptive model according to the pads and the hairsprings and contributes to the reduction of the standard deviation in stiffness on the pads.
Cette base de données peut servir à bâtir un modèle de prédiction, et plusieurs solutions sont offertes.This database can be used to build a prediction model, and several solutions are available.
On peut construire un modèle numérique, par exemple polynomial, pour calculer, en fonction d'une valeur de fréquence de résonance, une épaisseur réelle, une correction dimensionnelle ou une raideur réelle.A digital model, for example polynomial, can be constructed to calculate, as a function of a resonance frequency value, a real thickness, a dimensional correction or a real stiffness.
On peut aussi effectuer une catégorisation en effectuant un partitionnement en k-moyennes des données d'entrée (les résultats des mesures vibratoires, typiquement la fréquence des pics de résonance) et des données de sortie (la raideur, et/ou les dimensions du barreau du résonateur) et de les relier entre elles pour établir une correspondance.It is also possible to carry out a categorization by carrying out a partitioning into k-means of the input data (the results of the vibration measurements, typically the frequency of the resonance peaks) and of the output data (the stiffness, and/or the dimensions of the bar of the resonator) and link them together to establish a correspondence.
On peut également prévoir de traiter les images des pics de résonance par un réseau de neurones, par exemple un perceptron, pour effectuer une classification selon des raideurs ou des dimensions du barreau, les classes pouvant être définies par des incréments de valeurs.Provision can also be made to process the images of the resonance peaks by a neural network, for example a perceptron, to carry out a classification according to stiffnesses or dimensions of the bar, the classes being able to be defined by value increments.
En résumé, la phase d'apprentissage comprend une phase de test (excitation de résonateurs avec mesure des caractéristiques vibratoires pour reconstruire un spectre vibratoire et identifier des fréquences de résonance). Une phase de mesure des raideurs et/ou des dimensions du barreau des résonateurs est également effectuée. Une fois les données d'entrée (les fréquences de résonance) et les données de sortie (les raideurs et/ou les dimensions du barreau) pour un échantillon significatif disponibles, la phase de construction du modèle de prédiction peut être effectuée.In summary, the learning phase includes a test phase (excitation of resonators with measurement of the vibration characteristics to reconstruct a vibration spectrum and identify resonance frequencies). A phase of measuring the stiffnesses and/or the dimensions of the bar of the resonators is also carried out. Once the input data (the resonance frequencies) and the output data (the stiffnesses and/or the dimensions of the bar) for a significant sample available, the construction phase of the prediction model can be carried out.
Pour revenir à l'exemple traité et décrit en rapport avec la
Une modélisation par régression linéaire a été effectuée sur les données ci-dessus pour les six premières lignes, et la relation ci-dessous a pu être établie :
- R pour la raideur en 10-7 N.mm
- F pour la fréquence de résonance en Hz.
- R for the stiffness in 10 -7 N.mm
- F for the resonant frequency in Hz.
La raideur peut donc être prédite et comparée avec la raideur réelle mesurée comme le montre le tableau ci-dessous, avec pour les six premières lignes les données utilisées pour bâtir ou entraîner la régression linéaire, et pour les quatre dernières lignes, une prédiction uniquement :
Une erreur maximale de 4.40% a pu être mesurée, et la
On peut noter qu'il est avantageux de vérifier que le modèle de prédiction établi présente une bonne sensibilité, c'est-à-dire que pour deux valeurs d'entrées différentes, le modèle donne deux valeurs de sortie distinctes. La demanderesse s'est aperçue que la sensibilité du modèle de prédiction n'était pas la même pour tous les pics de résonance. En particulier, si on se réfère à la formule de prédiction établie et représentée
D'autre part, la demanderesse s'est aussi aperçue que même pour des fréquences de résonance proches, les modes de résonance (notamment les modes de déformation et/ou de déplacement des résonateurs) pouvaient différer de manière significative, ce qui peut également affecter la sensibilité de la prédiction de raideur et/ou de correction dimensionnelle. Il est avantageux de prévoir, lors de la phase d'apprentissage, une étape de comparaison de la sensibilité de la prédiction pour choisir de considérer ultérieurement telle ou telle fréquence de résonance et pas une autre pour prédire de manière la plus précise possible une raideur et/ou une correction dimensionnelle en fonction de la réponse vibratoire.On the other hand, the applicant has also noticed that even for close resonance frequencies, the resonance modes (in particular the modes of deformation and/or displacement of the resonators) could differ significantly, which can also affect the sensitivity of the stiffness and/or dimensional correction prediction. It is advantageous to provide, during the learning phase, a step of comparing the sensitivity of the prediction to choose to consider later such or such resonance frequency and not another to predict as accurately as possible a stiffness and /or a dimensional correction depending on the vibration response.
Des remarques ci-dessus relatives à l'étude de la sensibilité de la prédiction, on peut prévoir, lors de la phase d'apprentissage, de classer les différents pics de résonance identifiés selon la sensibilité de prédiction de la raideur et/ou de la correction dimensionnelle. On peut prévoir ensuite de définir la plage fréquentielle d'excitation (qui sera appliquée pendant une phase de prédiction pure) pour inclure au moins un ou plusieurs pics ou fréquences de résonance qui donne(nt) la meilleure sensibilité. Ainsi, imposer une excitation vibratoire variable sur la plage fréquentielle ainsi prédéterminée va garantir de pouvoir faire une prédiction précise pour le pic de résonance identifié ou des prédictions pour chacun des pics de résonance identifiés, qui se recoupent ou se confortent.From the remarks above relating to the study of the sensitivity of the prediction, provision can be made, during the learning phase, to classify the various resonance peaks identified according to the prediction sensitivity of the stiffness and/or the dimensional correction. Provision can then be made to define the excitation frequency range (which will be applied during a pure prediction phase) to include at least one or more peaks or resonance frequencies which give(s) the best sensitivity. Thus, imposing a variable vibratory excitation on the thus predetermined frequency range will guarantee the ability to make an accurate prediction for the identified resonance peak or predictions for each of the identified resonance peaks, which overlap or reinforce each other.
De manière générale, la phase d'apprentissage permet de choisir soit des pics de résonance aux fréquences élevées et/ou des pics de résonance qui correspondent à des modes de résonance particuliers permettant de prédire des valeurs précises et fiables, et la plage fréquentielle sera prédéterminée pour inclure au moins un pic de résonance et de préférence plusieurs, pour pouvoir faire soit une seule prédiction aussi précise que possible, soit plusieurs prédictions (une par pic de résonance jugé intéressant) pour effectuer ensuite des recoupements, des moyennes ou encore des recalages des valeurs prédites.In general, the learning phase makes it possible to choose either resonance peaks at high frequencies and/or resonance peaks which correspond to particular resonance modes making it possible to predict precise and reliable values, and the frequency range will be predetermined to include at least one resonance peak and preferably several, to be able to make either a single prediction as precise as possible, i.e. several predictions (one per resonance peak judged to be of interest) to then carry out cross-checks, averages or even readjustments of the predicted values.
On peut par exemple prévoir de prédire plusieurs valeurs de raideur ou de corrections dimensionnelles à partir de plusieurs pics ou fréquences de résonances, et ensuite calculer une valeur définitive, en effectuant, à partir des valeurs prédites, une moyenne pondérée en attribuant des poids à chaque valeur prédite, chaque poids étant déterminé en fonction de la sensibilité identifiée pour chaque pic ou fréquence de résonance correspondant(e).For example, it is possible to predict several values of stiffness or dimensional corrections from several peaks or resonance frequencies, and then calculate a final value, by carrying out, from the predicted values, a weighted average by assigning weights to each predicted value, each weight being determined based on the sensitivity identified for each corresponding peak or resonant frequency.
Alternativement et de manière préférée, on peut prévoir de n'avoir qu'un seul modèle qui prend tous les pics ou fréquences de résonance en entrée et qui renvoie la raideur ou la correction dimensionnelle, la phase d'apprentissage du modèle servant précisément à calculer les pondérations sur les pics ou fréquences de résonance d'entrée.Alternatively and preferably, it is possible to have only one model which takes all the peaks or resonance frequencies as input and which returns the stiffness or the dimensional correction, the learning phase of the model being used precisely to calculate the weights on the input resonant peaks or frequencies.
Une fois la phase d'apprentissage terminée, on peut passer à une phase de prédiction, par exemple lors d'un procédé de contrôle de résonateurs. On peut typiquement effectuer le procédé de contrôle sur des ébauches de spiral réalisées sur une plaquette et encore attachées à cette plaquette, de sorte à estimer la raideur et/ou les dimensions du barreau des spiraux de l'échantillon, afin de déterminer si une correction dimensionnelle est à apporter.Once the learning phase is complete, it is possible to move on to a prediction phase, for example during a resonator control method. The control process can typically be carried out on hairspring blanks made on a wafer and still attached to this wafer, so as to estimate the stiffness and/or the dimensions of the bar of the hairsprings of the sample, in order to determine whether a correction dimension is to be brought.
Une fois le modèle entrainé, la procédure de contrôle à déployer peut être la suivante :
- 1) Repérage de la position du spiral sur le wafer, mesure vibratoire des spectres ou période d'oscillation (comme décrit plus haut),
- 2) Prédiction de la raideur et/ou des dimensions du barreau du spiral par application du modèle prédictif,
- 3) Déterminer si une correction dimensionnelle est nécessaire pour atteindre la fréquence propre ou raideur cible.
- 1) Identification of the position of the hairspring on the wafer, vibration measurement of the spectra or period of oscillation (as described above),
- 2) Prediction of the stiffness and/or dimensions of the hairspring bar by application of the predictive model,
- 3) Determine if a dimensional correction is necessary to reach the target natural frequency or stiffness.
Lors du procédé de contrôle, il est possible aussi de quantifier la correction exacte à apporter, de sorte que le procédé de fabrication peut inclure, en plus du contrôle ci-dessus :
- 1) Connaissant la raideur effective du spiral estimée(s) selon le modèle et la raideur cible et/ou les dimensions du barreau cibles : appliquer la dose de correction nécessaire.
- 1) Knowing the effective stiffness of the hairspring estimated according to the model and the target stiffness and/or the dimensions of the target bar: apply the necessary correction dose.
Réitérer l'étape 1) et l'étape 2) du procédé de contrôle pour contrôler la raideur / les dimensions du spiral et confirmer que les valeurs cibles sont atteintes, à un seuil de tolérance près, ou répéter ces étapes et la correction dimensionnelle jusqu'à ce que la raideur/dimension prédite par le modèle atteigne les valeurs cibles.Repeat step 1) and step 2) of the checking process to check the stiffness / dimensions of the hairspring and confirm that the target values are reached, within a tolerance threshold, or repeat these steps and the dimensional correction until until the stiffness/dimension predicted by the model reaches the target values.
On sait qu'on réalise plusieurs centaines de spiraux sur une plaquette et que les dimensions du barreau des spiraux réalisés peuvent varier selon les régions de la plaquette. Si l'évaluation de raideur peut être effectuée sur un seul spiral, en pratique, elle sera effectuée sur un échantillon de spiraux, répartis sur la plaquette.It is known that several hundred hairsprings are produced on a wafer and that the dimensions of the bar of the hairsprings produced can vary according to the regions of the wafer. Although the stiffness evaluation can be performed on a single hairspring, in practice, it will be performed on a sample of hairsprings, distributed over the wafer.
A partir des évaluations effectuées, les corrections peuvent être effectuées pour toute la plaquette de manière homogène, ou bien différenciées par région, si les résultats obtenus varient d'un spiral à un autre. On peut ainsi réduire l'écart-type de la dispersion des raideurs. Par ailleurs, si on connait les raideurs de tous les spiraux par application du modèle, on peut déterminer la correction optimale permettant de réduire la dispersion globale.Based on the evaluations carried out, corrections can be made for the entire wafer in a homogeneous manner, or differentiated by region, if the results obtained vary from one hairspring to another. It is thus possible to reduce the standard deviation of the dispersion of the stiffnesses. Moreover, if the stiffnesses of all the hairsprings are known by applying the model, it is possible to determine the optimum correction making it possible to reduce the overall dispersion.
On peut même envisager d'aller jusqu'à une évaluation de tous les spiraux de la plaquette, notamment avec une évaluation vibratoire, car celle-ci est très rapide à effectuer et peut permettre une automatisation du procédé.It is even possible to consider going as far as an evaluation of all the hairsprings of the wafer, in particular with a vibration evaluation, because this is very quick to perform and can allow automation of the process.
Bien que les exemples ci-dessus ont été donnés principalement sur la base d'une fabrication de spiraux présentant des dimensions du barreau initiales plus grandes que les dimensions du barreau cibles, on peut également prévoir de réaliser des spiraux présentant des dimensions du barreau initiales plus petites que les dimensions du barreau cibles. L'étape de correction consiste alors à ajouter de la matière, comme par exemple décrit dans le document
La méthode, consistant à identifier des fréquences de résonance en imposant une excitation vibratoire sur les ébauches de spiral seules permet de rapidement obtenir des données de mesure, sans devoir par exemple faire des opérations de montage d'un balancier, tout en limitant les erreurs de mesure car seule l'ébauche de spiral est testée (il n'y a pas d'erreur pouvant être liée au balancier, comme sa masse, sa position de montage, etc.).The method, consisting in identifying resonance frequencies by imposing a vibratory excitation on the balance-spring blanks alone, makes it possible to quickly obtain measurement data, without having to carry out operations to mount a balance wheel, for example, while limiting the errors of measure because only the balance-spring blank is tested (there is no error that can be linked to the balance wheel, such as its mass, mounting position, etc.).
La demanderesse s'est aussi aperçue que la phase de prédiction peut aussi ou alternativement être une méthode pour détecter des défauts significatifs sur les pièces, tels que des spires collées ou pontées entre elles ou sur le substrat. La
En effet, lors du test, chaque spectre de fréquence obtenu en réponse à l'excitation vibratoire est relié à une pièce particulière par traçabilité, et une inspection de chacune des pièces ayant généré un des pics de résonance P1 à P6 s'avère présenter un défaut. En conséquence, la comparaison de chacun de ces spectres de fréquence avec le spectre de référence préalablement établi lors de la phase d'apprentissage permet de constater une déviation ou une divergence significative, ce qui révèle un défaut qui permet la mise au rebut de la pièce en cause.Indeed, during the test, each frequency spectrum obtained in response to the vibratory excitation is linked to a particular part by traceability, and an inspection of each of the parts having generated one of the resonance peaks P1 to P6 proves to present a default. Consequently, the comparison of each of these frequency spectra with the reference spectrum previously established during the learning phase makes it possible to note a deviation or a significant divergence, which reveals a defect which allows the scrapping of the part. in question.
Dans cet exemple, la méthode comprend une étape de recherche et d'identification de pics de résonnance surnuméraires par rapport à un spectre de fréquence attendu. Un tel pic surnuméraire peut être détecté s'il dépasse un niveau attendu de bruit d'au moins 30%. En d'autres termes, la présence d'un pic de résonnance présent entre deux pics de résonance normalement adjacents ou consécutifs forme une caractéristique anormale de fréquence de résonance et permet d'identifier un spiral ou une ébauche avec un défaut de spires collées. De tels défauts ne peuvent pas être corrigés aisément, si bien que la pièce est identifiée et en principe mise au rebut.In this example, the method comprises a step of searching for and identifying supernumerary resonance peaks with respect to an expected frequency spectrum. Such a supernumerary peak can be detected if it exceeds an expected level of noise by at least 30%. In other words, the presence of a resonance peak present between two normally adjacent or consecutive resonance peaks forms an abnormal characteristic of resonance frequency and makes it possible to identify a hairspring or a blank with a defect of stuck turns. Such defects cannot be easily corrected, so the part is identified and in principle scrapped.
La
Ainsi, en recherchant des pics normalement absents du spectre de référence comme sur la
Claims (17)
C/ identifier ou isoler ou retoucher ou mettre au rebut le spiral ou l'ébauche de spiral formée lors de l'étape A/, selon l'identification de défaut de l'étape c. de la revendication 1.Manufacturing process according to the preceding claim, comprising a step consisting in:
C/ identify or isolate or rework or scrap the hairspring or the hairspring blank formed during step A/, according to the identification of the defect of step c. of claim 1.
et/ou
and or
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