EP4224257A1 - Ensemble monolithique ressort spiral - virole - Google Patents

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EP4224257A1
EP4224257A1 EP23173087.0A EP23173087A EP4224257A1 EP 4224257 A1 EP4224257 A1 EP 4224257A1 EP 23173087 A EP23173087 A EP 23173087A EP 4224257 A1 EP4224257 A1 EP 4224257A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ferrule
balance shaft
monolithic
assembly
parts
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23173087.0A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jérôme Daout
Richard Bossart
Jean-Marc Bonard
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rolex SA
Original Assignee
Rolex SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rolex SA filed Critical Rolex SA
Publication of EP4224257A1 publication Critical patent/EP4224257A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04B—MECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
    • G04B17/00—Mechanisms for stabilising frequency
    • G04B17/32—Component parts or constructional details, e.g. collet, stud, virole or piton
    • G04B17/34—Component parts or constructional details, e.g. collet, stud, virole or piton for fastening the hairspring onto the balance
    • G04B17/345—Details of the spiral roll
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04B—MECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
    • G04B1/00—Driving mechanisms
    • G04B1/10—Driving mechanisms with mainspring
    • G04B1/14—Mainsprings; Bridles therefor
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04B—MECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
    • G04B1/00—Driving mechanisms
    • G04B1/10—Driving mechanisms with mainspring
    • G04B1/14—Mainsprings; Bridles therefor
    • G04B1/145—Composition and manufacture of the springs
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49579—Watch or clock making

Definitions

  • the invention relates to a ferrule.
  • the invention also relates to a monolithic single or double spiral spring assembly - unsplit ferrule, intended to be driven onto a balance shaft, in particular a monolithic assembly including a ferrule according to the invention.
  • the invention also relates to a monolithic spiral spring-shell assembly comprising at least two stages as well as to a method of manufacturing such an assembly.
  • One of the critical points for the use of a hairspring in a high-precision watch movement is the reliability of the attachments (embeddings) of the hairspring to the balance shaft and to the balance bridge.
  • the attachment of the hairspring to the balance shaft is generally done by a ferrule, which was originally a small split cylinder intended to be driven onto the balance shaft and pierced laterally to receive the end interior of the spiral spring itself.
  • micro-fabrication techniques such as DRIE processes for silicon, quartz and diamond or UV-Liga for Ni and NiP, open up possibilities in terms of the shapes and geometries used.
  • Silicon is a very interesting material for making watch hairsprings, and microfabrication techniques make it possible to make the ferrule monolithically and come from manufacture with the hairspring.
  • a potential problem is that silicon does not have a plastic deformation domain. The ferrule can thus quickly break if the stresses exceed the stress allowable maximum and/or the elastic limit of the material. It is thus necessary to take care to dimension the ferrule both to maintain the spiral spring on the axis of the balance during the operation of the oscillator (minimum tightening torque) and also to be able to assemble the ferrule with axes whose diameters present fluctuations and this, without breaking or undergoing plastic deformation if the diameter of the balance shaft remains within a given tolerance interval.
  • EP 1 826 634 offers on his figure 4 in connection with line 34 of column 3, a ferrule comprising elastic zones consisting of curved arms. This document does not indicate where the hairspring must be fixed.
  • EP 1 513 029 And EP 2 003 523 offer ferrules having a triangular opening.
  • the balance spring is fixed at a point of attachment (reference 3 in the figures of these documents) located at one of the vertices of the triangles.
  • the ferrule is made up of an external stiffening structure to which are attached flexible arms which deform to accommodate the balance shaft.
  • the object of the invention is to propose new shell geometries giving full satisfaction, that is to say making it possible to obtain the highest possible tightening torque on the balance shaft and a stress in the material the most possible low.
  • these ferrules must be as balanced as possible so as not to cause unbalance, which would degrade the chronometric properties of the hairspring.
  • the invention relates to a monolithic single or double spiral spring-shroud assembly, the latter possibly being split or not.
  • This assembly has the particularity of comprising at least two levels (or stages or parts), the spiral spring being located on a different level from that where the support surfaces of the ferrule for the balance shaft are located.
  • This feature is particularly advantageous because it makes it possible to best optimize the holding torque of the ferrule on the balance staff without having to increase its size in the plane of the hairspring.
  • this characteristic makes it possible to bring the point of attachment of the spiral spring closer to the axis of the balance wheel, without being limited by the periphery of the ferrule.
  • the invention also relates to a process for the manufacture of a monolithic spiral spring - ferrule, split or not, in which the balance spring is produced on a level different from that where the bearing surfaces of the ferrule are located for the balance shaft.
  • the invention applies both to assemblies with a single hairspring and to those with a double hairspring. However, it is for the latter that it is best suited.
  • double hairspring it is meant here a hairspring comprising two blades wound in the same direction, but with an offset of 180 degrees, as described in the application EP 2 151 722 A1 .
  • the respective inner ends of these blades are integral with the ferrule and their respective attachment points are arranged symmetrically on opposite sides of the periphery of the ferrule.
  • the "attachment point” or “embedding point” of the hairspring is generally well defined in the case of a hairspring assembled on a ferrule made of a material other than the hairspring.
  • the point of Embedment can be defined as the point where the local stiffness along the neutral fiber reaches a value which is 10x higher than the stiffness of the hairspring blade.
  • the minimum value of the local stiffness along the blade will be considered.
  • the local stiffness is equivalent to the bending stiffness, determined during the bending of the blade or the operation of the hairspring, over a portion of given length, for example 1 ⁇ m.
  • the corresponding embedding points 10,11 are indicated by way of example on the ferrule-spiral assemblies of the figures 21 and 22 . In the case of the figure 21 (which corresponds to the ferrule geometry of the figure 12 ), we see that the embedding point is located on the extension of the outer contour or periphery 32 of the ferrule.
  • the embedding point is located in the immediate vicinity of the balance shaft, closer to the central opening of the ferrule than is the contour 33 of the level of the ferrule which does not include the spiral.
  • the ferrules according to the invention are dimensioned both to hold the hairspring on the balance shaft during operation of the oscillator, and also to be able to be assembled with shafts whose diameter shows a certain dispersion (no breakage or plastic deformation on driving out for a shaft diameter within a given tolerance interval).
  • These shells normally have at least 2, and preferably 4, bearing surfaces for the balance shaft.
  • the precise shape of the connecting parts is not crucial, as long as they manage to deform elastically, in particular in bending, during the driving out of a balance shaft.
  • the receiving parts are therefore rigid or non-deformable parts and the connecting parts, deformable parts, in particular deformable in bending or flexible.
  • the flexibility of the latter comes from the fact that they are thinned with respect to the reception parts.
  • the deformable parts have sections with smaller areas than the non-deformable parts. This thinning is achieved, according to the invention, by providing the deformable parts less wide than the receiving parts.
  • width is meant here the thickness measured in the plane of the ferrule, in other words, the distance between the contour of the ferrule and the contour of its central opening (for example, the minimum width e or e' or the width halfway between the rigid receiving parts b or b' on the figures 12 and 13 ).
  • junctions between the receiving parts and the connecting parts are generally located substantially at the base of a support surface (see below, as well as at as examples, the figure 18 , or the figure 5 where they can be located each time on one side of the curved part 14).
  • it is sought to maximize the length of the connecting parts, therefore to maximize the angular sector that they occupy.
  • FIG. 4 represents the central part of an example of a monolithic double spiral spring/unsplit ferrule assembly according to the invention.
  • the shell 1, in particular the receiving parts 17,18 comprises two pairs of support points 2,3 and 4,5 located on substantially flat arms 6,7 and 8,9 which are not elastic and are placed two by two close to the attachment points 10,11 of the blades 12,13 of the double hairspring.
  • the non-elastic arms of the same pair protrude into the central opening of the ferrule and they form between them an angle ⁇ which is preferably less than 170 degrees, more preferably greater than 90 degrees and less than 170 degrees, and is here about 120 degrees.
  • Each arm 6,7,8 or 9 has a free end.
  • the V-shape of the pairs of rigid arms has the effect of better wedging the balance shaft than a single fulcrum would do.
  • the important thing is in fact that the ferrule-axle embedding is as rigid as possible, so that the points of contact between the ferrule and the balance shaft do not move under the effect of the torque developed by the balance spring during operation in motion, that is to say during oscillations of the balance-spring once the balance-spring assembly - ferrule has been driven out or assembled on the axis of a balance wheel.
  • the geometry with two reception parts facing each other (in particular at 180° from each other) and each comprising a pair of surfaces support can act as a vice held by the flexible connecting parts.
  • the connecting parts exert elastic return actions bringing the receiving parts towards each other and each in contact against the balance shaft.
  • a single point of support such as for example a flat, convex or concave contact surface with a radius of curvature greater than the radius which is provided for the axis of the balance.
  • the arms 6,7,8 and 9 and the corresponding support surfaces 2,3,4 and 5 are flat, that is to say that their radius of curvature on the side of the central opening 26 is infinite.
  • the support surfaces can also be convex, that is to say that their radius of curvature can be negative on the side of the central opening 26, or concave, that is to say that their radius of curvature can be positive on the side of the central opening 26.
  • the positive radius of curvature is strictly greater than 0.51 times the diameter d max of the largest circle that can be traced inside the contour of the central opening (when the ferrule n is not deformed, in particular when it is not mounted on the balance shaft), a circle which is also called an “inscribed circle” in the remainder of the description.
  • the positive radius of curvature is greater than 0.62 times the diameter d max , which makes it possible to define a single point of contact between the support part and the balance shaft.
  • a radius of curvature greater than 0.75 times, or even 1 time, the diameter d max of the inscribed circle is also suitable.
  • the shaft diameter is slightly greater than d max , for example included in a tolerance interval between 1.01 and 1.02 d max .
  • the shroud 1 has rotational symmetry of order 2, and has two axes of symmetry in reflection, one being formed by the bisector of the angle ⁇ , the other being perpendicular to the latter and located at an equal distance from the intersection of the arms. It can be considered that it comprises two rigid balance shaft receiving parts connected by two flexible connecting parts, as can be seen in the figure 18 which will be detailed below.
  • the rigid parts 17 and 18 are those from which leave both the arms 6.7 and 8.9 and the blades 12 and 13 of the double hairspring.
  • the flexible parts 15 and 16 (in gray on the figure 18 ) are connecting parts symmetrically connecting the rigid parts, so as to form the shell 1 with its central opening.
  • the symmetry of the geometry of the ferrule of the figure 4 aims to obtain a balance so as not to create any imbalance.
  • the non-circular central opening of the ferrule may be defined as including a central recess 26 for receiving the balance shaft, substantially delimited by the 4 bearing surfaces 2,3,4 and 5, and two peripheral recesses 27,28 formed substantially and symmetrically between the arms 6,8, on the one hand and 7, 9 on the other hand, and the elastic parts 15 and 16.
  • the recesses 27 and 28 are symmetrical to each other with respect to the bisector of the angle ⁇ .
  • the geometry makes it possible to precisely define the support points, four in number in the case of the figure 4 .
  • the arms 6 to 9 make it possible to precisely define the bearing points of the ferrule on the balance shaft, while maximizing the length of the flexible elastic parts. On the other hand, these arms 6 to 9 do not flex or flex negligibly and cannot be considered as elastic arms.
  • the ferrule is thus formed of two rigid balance shaft reception parts 17,18 symbolized in black on the figure 18 , connected to each other by two flexible or elastic connecting parts 15,16, symbolized in gray on the figure 18 .
  • the advantage of this arrangement is to maximize the length of the flexible connecting parts, while guaranteeing a sufficient holding torque on the balance shaft, with a level of stress clearly lower than the maximum allowable stress for the material.
  • the simulations show that the shroud according to the invention makes it possible to obtain a holding torque (M) on the axis that is higher than with flexible arms located inside a closed contour (for the same size).
  • M holding torque
  • the flexible parts occupy about 70% of the total length of the outline.
  • the flexible parts occupy 50% or more of the total length of the outline, in particular between 50% and 90%, more preferably between 60 and 80%.
  • the angle sectors measured from the center of the ferrule (which corresponds to the center of the circle inscribed in the central opening) and occupied respectively by a rigid receiving part and by a flexible connecting part are approximately 54° and 126°.
  • the angle sector measured from the center of the shroud and occupied by a flexible connecting part is greater than or equal to 50°, in particular between 90° and 160°, more preferably between 110° and 145°.
  • This angle sector is for example defined as the smallest continuous angle sector between two reception parts where there is a zone where the stress in the material is greater than 50% of the maximum stress reached following the driving out of the axis.
  • the shell comprises only one pair of non-elastic arms 2.3.
  • a domed part 14 Opposite the V formed by the latter, on the other side of the non-circular central opening, is a domed part 14 intended to serve as a third support surface for the balance staff.
  • the geometry here comprises only a symmetry of reflection around the bisector of the angle ⁇ (if the point of attachment of the blades of the hairspring is not taken into account).
  • the shape and dimensions of the domed part 14 are chosen so as to balance the ferrule as much as possible.
  • the third bearing surface can also be flat or even concave, with a radius of curvature strictly greater than 0.51 times, preferably greater than 0.62, 0.75 or 1 time the inscribed diameter d max .
  • the ferrule according to the invention is particularly suitable for attaching a double hairspring to a balance staff. Indeed, most of the ferrules known from the state of the art do not deform symmetrically with respect to the attachment points. With a ferrule like the one shown on the figure 1 , one of the blades would be fixed at the same point as the blade of the simple hairspring represented, ie at the top of the triangle formed by the stiffening structure. The second blade must have an attachment point located 180° from the first, or opposite, in the middle of one side of the triangle. The displacement of the attachment points following the driving in with respect to the center of the hairspring and/or to the external attachments would therefore not be equivalent for the two attachment points, which would degrade the chronometric performance. In addition, the embedding point of the second blade would be liable to deform during the expansion and contraction of the hairspring, which would also adversely affect chronometric performance.
  • the invention relates to a shell having at least two levels or stages or parts.
  • the point of attachment or anchoring of the hairspring (or the points of attachment in the case of a double hairspring) is then located on a level different from that where the major part, or even all of the surfaces of the spring are located. support. This is particularly applied to a monolithic spiral spring-shell assembly.
  • the inventors have in fact discovered that it was possible to maximize the torque resistance of the ferrule, while minimizing its bulk, by lengthening the ferrule in the plane perpendicular to the hairspring. This makes it possible to separate the function of attaching the hairspring to the shaft via the ferrule (first level, in the plane of the hairspring) from that of holding the shaft, in particular holding the ferrule on the shaft (first and second level, and preferably exclusively on the second level, outside the plane of the hairspring), while distributing the elastic stress in the most balanced way possible along the flexible parts.
  • a monolithic spiral spring-shell assembly corresponding to that of the figure 4 built on 2 levels is represented in front and rear perspectives on the figures 9 and 10 .
  • the sides are not perfectly superimposed, they have a shift of a few microns between the first and the second layer.
  • FIG 11 represents the entire spring-spring assembly according to the figures 9 and 10 , with the outer ends of the blades of the double hairspring which are integral with a fixing element intended to be connected to the movement of a timepiece.
  • the ferrule or the spiral-ferrule assembly can be manufactured according to known methods, such as that forming the subject of patent application no. EP 1 655 642 .
  • the ferrule or the spiral spring-ferrule assembly according to the second aspect of the invention can be manufactured according to known methods, such as those forming the subject of patent applications no. EP 1 835 339 Or EP 2 104 007 .
  • the starting substrate used is a slice (“wafer” in English) of the “SOI” (“Silicon-on-Insulator”) type, composed of two parts of monocrystalline Si separated by a thin layer of silicon oxide, SiO 2 ( figure 8a , with monocrystalline Si in white and SiO 2 in oblique hatching).
  • SOI Silicon-on-Insulator
  • the wafer is oxidized to form a layer of SiO 2 on the surface on either side of the substrate ( figure 8b ) which will serve as a mask for deep etching by reactive ions (“Deep Reactive Ion Etching”, “DRIE” in English).
  • a photolithography is then carried out on a first face to define a first pattern in photoresist ( figure 8c , resin shown in hatched right) and this pattern is reproduced in the underlying oxide layer by dry etching ( figure 8d ).
  • photolithography is used to define a second pattern in photosensitive resin ( figure 8f ), which is reproduced in the underlying oxide layer by dry etching ( figure 8g ).
  • a deep DRIE etching step is then performed on the second side to etch the pattern in the second Si layer ( figure 8 o'clock ). Then, a deep DRIE etch is performed on the first layer ( figure 8i ).
  • the exposed parts of SiO 2 (outer layers and central layer) are finally dissolved by BHF attack (buffered HF, ie a mixture of HF and NH 4 F which serves as a buffer to stabilize the attack rate; figure 8d ).
  • the ferrule has at least two levels, and the point of attachment or embedding of the hairspring (or the points of attachment in the case of a double hairspring) is located on a level different from that where the support surfaces are located and at a distance from the center of the ferrule less than the distance between the center of the ferrule and its contour or periphery.
  • the shell 100 comprises a bore 101 intended to receive the balance shaft, as well as at least a first part 102 and a second part 103.
  • the first and second parts are separated by a plane 104 perpendicular to the axis 107 of the bore, this axis also representing the center of the ferrule.
  • the element(s) 105 for attaching the ferrule to a spiral spring are located exclusively on the first part.
  • the element 106 for connecting the ferrule to the balance shaft for example formed from bearing surfaces, is essentially, preferably exclusively, located on the second part.
  • an element connecting the ferrule to the balance shaft is essentially located on the second part”, it is meant that more than half of the forces connecting the ferrule to the balance staff are applied at the level of the second part.
  • the bore 101 forms a central opening intended to receive the balance shaft.
  • an SOI wafer is used to produce such a ferrule or a monolithic ferrule-hairspring assembly including such a ferrule, the first and the second part being made of silicon and separated by a layer of silicon oxide.
  • the use of SOI wafers where the internal layer of SiO 2 separating the two layers of Si is thick, even very thick (for example 2-3 microns as usual, but preferentially of thickness greater than 5, even than 10 microns) makes it possible to produce a flexible shell superimposing the turns as shown in the figure 19 , which shows such a monolithic double spiral spring assembly - ferrule made on 2 levels.
  • the flexible shell is in all respects similar to that of the figure 4 .
  • the attachment points of the hairspring are not located on the contour as on the figure 21 , but as close as possible to the central opening of the ferrule and therefore to the balance staff, as in the example of the figure 22 .
  • the blades of the hairspring are thus partially superimposed on the ferrule, over a little less than 180° in the example of the figure 19 (corresponding to a little less than half a winding turn of the hairspring blade).
  • the two-level manufacturing process makes it possible to produce this kind of structure, because the dissolution attack of the SiO 2 ( figure 8j ) will also attack the oxide which secures the blades to the shell if the attack time is sufficient, thus releasing the latter.
  • the attachment element of the hairspring to the ferrule or the embedding point 10, 11 is at a distance D1 of the axis of the bore 107 less than half the diameter D2 of a cylinder in which the second part fits, in particular at a distance D1 less than or equal to the average of half the diameter D2 and half the diameter of the inscribed circle dmax.
  • D1 is 0.330mm
  • D2 is 1.180mm
  • the embedding point is closer to the central opening than is the outline 33 of the ferrule.
  • a ferrule as described above can in particular be included in a monolithic spiral spring-ferrule assembly.
  • this type of approach is not limited to a double hairspring, but is also perfectly suitable for a single hairspring, and is not limited to a closed contour ferrule, but is also suitable for a split ferrule. Any combination of ferrule and hairspring can be obtained in this way, resulting in a balance spring-ferrule assembly with significantly improved chronometric properties.
  • the layer height of the hairspring (first part) is 150 microns and the layer height of the level bearing the support surfaces (second part) is 500 microns.
  • the balance shafts have a tolerated diameter of between 0.5 and 0.506 mm, with a nominal value of 0.503 mm.
  • the graph of the figure 14 shows the evolution of the simulated holding torque M of the ferrule as a function of the diameter of the balance shaft for each of the hairspring/ferrule assemblies of the figures 12, 13 And 3 , respectively.
  • the minimum holding torque is indicated on the figure 14 through the interrupted line.
  • the graph of the figure 15 shows the evolution of the stress s of the ferrule as a function of the diameter of the balance shaft for each of the hairspring/ferrule assemblies of the figures 12, 13 And 3 , respectively.
  • the maximum allowable stress for the material is indicated by the broken line.
  • the advantage of the ferrule of the figure 13 is that it is more flexible, that its level of stresses is lower and that the slope of the couple according to the diameter of the axis is weaker than for the ferrule of the figure 12 . As a corollary, the holding torque is lower.
  • the stress very quickly exceeds the maximum allowed value. It can therefore be seen that this type of ferrule is not suitable for assembly by driving in. In fact, such a geometry of the contour does not make it possible to ensure both good hold and deformation without breakage of the ferrule following the driving in of the balance shaft.
  • the inscribed diameter is only 0.2 micron less than the lower limit of the tolerance so that the stresses are lower than the maximum allowable stress for the lower limit of the tolerance, which requires extremely precise manufacturing tolerances.
  • This example illustrates the advantage of a closed-contour ferrule, with rigid receiving parts connected by flexible connecting parts.
  • This difference in stiffness can be estimated as a first approximation by the theory of beams with small deformations: for a beam, the stiffness k of an element of width e, thickness h and length L is proportional to e 3 ⁇ h/ L 3 .
  • a k r /k f ratio greater than 10, more preferably greater than 50, even more preferably greater than 100 is chosen.
  • the difference in width between the rigid receiving parts and the flexible connecting parts is preferable to obtain a lower rigidity on the connecting parts than on the receiving parts.
  • the average width of the connecting parts can be preferentially lower than the average width of the receiving parts, more preferably less by a factor of two than the average width of the receiving parts.
  • the two connecting parts have a minimum width and/or a width at mid-distance of the receiving parts that is less than the maximum width of the receiving parts.
  • the minimum width e of the connecting parts is then preferably less than 0.5 ⁇ a, even more preferably equal to or less than 0.3 ⁇ a, where a is the maximum width of the receiving parts.
  • the width in the middle of the connecting parts, halfway between the receiving parts is preferably less than 0.7 ⁇ a, even more preferably equal to or less than 0.5 ⁇ a.
  • the height is determined by the dimensions of the hairspring, among other things by the torque required and the size (diameter).
  • the height of the ferrule, and therefore of the arms carrying the bearing surfaces and flexible parts, will necessarily be fixed by the height of the hairspring and cannot be freely adjusted.
  • the holding torque values are lower by a ratio of 500/150 compared to a multilayer assembly equipped with a hairspring of the same height (150 microns), since the holding is performs on 150 microns instead of 500 microns. As a result, these holding torque values would be lower than the minimum value (broken line on fig. 14 ) required for shaft diameters close to the minimum tolerance (0.5 micron).
  • one way of increasing the holding torque of a single layer or stage ferrule is to increase the torque developed by the flexible parts without increasing the stress, which implies a larger diameter of the ferrule. This has the consequence that the point of attachment of the blades of the hairspring must be far from the balance axis, which degrades the chronometric properties.
  • a monolithic hairspring/ferrule assembly with at least two levels offers the possibility of maximizing the holding torque by optimizing its size, that is to say by avoiding increasing the diameter of the ferrule.
  • a shroud in which the second part 103 extends, along the axis of the bore 107, over a length greater than once the thickness E of the spiral spring, or even greater than 3 times the thickness E of the spiral spring, is therefore particularly suitable, in particular for forming a monolithic hairspring-shell assembly.
  • the monolithic 2-stage hairspring/ferrule assembly of the figure 7 has flexible parts that are not symmetrical.
  • Thermo-compensation of the hairspring of the single or double hairspring-shroud assembly is carried out by known means. It is for example possible to use a layer of material on the surface of the turns which compensates for the first thermal coefficient of the Young's modulus of the base material. In the case of an Si hairspring, a suitable material for the layer is SiO 2 .
  • each connecting part is mainly stressed in bending, once the monolithic assembly is mounted on the balance shaft.
  • mainly stressed in bending it is meant that, in each connecting part, one can identify a neutral fiber oriented substantially in a direction along which extends the connecting part and separating a zone stressed in tension, from a zone stressed in compression.
  • each connecting part has a portion remote from the balance shaft by at least 0.5 times the radius of the balance shaft, or even by at least 0.9 times the radius of the balance shaft, once the assembly is mounted on the balance shaft.
  • the receiving parts and the connecting parts form an element capable of continuously surrounding the balance shaft, that is to say capable of surrounding the shaft without topological interruption. of pendulum. They thus form a closed ferrule, as opposed to a split ferrule.
  • non-deformable part or “rigid part” means a part which does not deform or substantially does not deform during operation or during assembly of the monolithic assembly on the balance shaft or a part whose deformation is not desired and/or does not perform any function during operation or during assembly of the monolithic assembly.
  • deformable part means a part that deforms elastically during operation or during mounting of the monolithic assembly on the balance shaft or a part whose elastic deformation is sought or performs a function during operation or during assembly of the monolithic assembly.

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Abstract

L'invention concerne un ensemble monolithique ressort spiral - virole (1) comprenant :- une première partie de réception ne se déformant pas ou sensiblement pas lors du fonctionnement ou lors du montage de l'ensemble monolithique sur l'axe de balancier et destinée à venir en appui contre un axe de balancier,- une deuxième partie de réception ne se déformant pas ou sensiblement pas lors du fonctionnement ou lors du montage de l'ensemble monolithique sur l'axe de balancier et destinée à venir en appui contre l'axe de balancier,- une première partie de liaison se déformant élastiquement lors du fonctionnement ou lors du montage de l'ensemble monolithique sur l'axe de balancier et destinée à relier les première et deuxième parties de réception,- une deuxième partie de liaison se déformant élastiquement lors du fonctionnement ou lors du montage de l'ensemble monolithique sur l'axe de balancier et destinée à relier les première et deuxième parties de réception, et- un élément apte à entourer continûment l'axe de balancier et comprenant les parties de réception et les parties de liaison.

Description

  • L'invention concerne une virole. L'invention concerne aussi un ensemble monolithique ressort spiral simple ou double - virole non fendue, destiné à être chassé sur un axe de balancier, notamment un ensemble monolithique incluant une virole selon l'invention. Selon un autre aspect, l'invention a également trait à un ensemble monolithique ressort spiral - virole comprenant au moins deux étages ainsi qu'à un procédé de fabrication d'un tel ensemble.
    • Arrière-plan de l'invention
  • L'un des points critiques pour l'utilisation d'un ressort spiral dans un mouvement d'horlogerie de haute précision est la fiabilité des attaches (encastrements) du spiral à l'axe du balancier et au pont de balancier. En particulier, l'attache du spiral à l'axe du balancier se fait en général par une virole, qui était à l'origine un petit cylindre fendu destiné à être chassé sur l'axe de balancier et percé latéralement pour recevoir l'extrémité intérieure du ressort spiral proprement dit. Le développement de techniques de micro-fabrication, comme les procédés DRIE pour le silicium, le quartz et le diamant ou UV-Liga pour le Ni et NiP, ouvrent des possibilités au niveau des formes et géométries utilisées.
  • Le silicium est un matériau très intéressant pour réaliser des spiraux d'horlogerie, et les techniques de microfabrication permettent de réaliser la virole de façon monolithique et venue de fabrication avec le spiral. Un problème potentiel est que le silicium ne possède pas de domaine de déformation plastique. La virole peut ainsi rapidement casser si les contraintes dépassent la contrainte maximale admissible et/ou la limite élastique du matériau. Il faut ainsi veiller à dimensionner la virole à la fois pour maintenir le ressort spiral sur l'axe du balancier lors du fonctionnement de l'oscillateur (couple de serrage minimal) et aussi pour pouvoir assembler la virole avec des axes dont les diamètres présentent des fluctuations et ceci, sans se rompre ou subir de déformation plastique si le diamètre de l'axe du balancier reste à l'intérieur d'un intervalle de tolérance donné.
  • Ainsi, plusieurs documents dévoilent des géométries de viroles.
  • La demande de brevet européen publiée sous le n° EP 1 826 634 propose sur sa figure 4 en liaison avec la ligne 34 de la colonne 3, une virole comportant des zones élastiques constituées de bras courbés. Ce document n'indique pas l'endroit où doit être fixé le spiral.
  • Les demandes de brevet européen publiées sous les n° EP 1 513 029 et EP 2 003 523 proposent des viroles ayant une ouverture triangulaire. La fixation du spiral s'effectue en un point de rattachement (référence 3 sur les figures de ces documents) situé à l'un des sommets des triangles. La virole est formée d'une structure de rigidification externe à laquelle sont rattachés des bras flexibles qui se déforment pour accomoder l'axe de balancier.
  • La demande de brevet européen publiée sous le n° EP 1 655 642 décrit par sa figure 10D un spiral de résonateur balancier-spiral ayant une virole dont l'ouverture est circulaire. La fixation du balancier s'effectue dans ce cas à l'aide de bras arrondis.
  • On connaît encore de la demande de brevet WO2011026275 un ensemble ressort spiral-virole, avec une virole présentant un alésage muni de quatre parties d'appui circulaires pour recevoir l'axe de balancier. Les parties d'appui sont délimitées par des rainures longitudinales réalisées dans l'alésage de la virole.
  • Les géométries décrites dans ces documents ne donnent pas entièrement satisfaction, de sorte que nombre de spiraux (en silicium, diamant, quartz...) montés sur des mouvements sont munis d'une virole classique qui est ensuite chassée et/ou collée sur l'axe du balancier.
    • Exposé sommaire de l'invention
  • L'invention a pour but de proposer de nouvelles géométries de viroles donnant pleinement satisfaction, c'est-à-dire permettant d'obtenir un couple de serrage le plus élevé possible sur l'axe de balancier et une contrainte dans le matériau la plus faible possible. De plus, ces viroles doivent être les plus équilibrées possible afin de ne pas provoquer de balourd, ce qui dégraderait les propriétés chronométriques du spiral.
  • Selon un aspect de l'invention, des objets sont définis par les revendications annexées.
  • Selon un autre aspect, l'invention porte sur un ensemble monolithique ressort spiral simple ou double - virole non fendue, dans lequel :
    • le contour de la virole est fermé,
    • l'ouverture centrale de la virole destinée à recevoir un axe de balancier est non circulaire,
    • le contour de l'ouverture centrale de la virole comporte au moins deux surfaces d'appui pour un axe de balancier ;
    cet ensemble monolithique se distinguant en ce que :
    • la virole est formée d'au moins deux parties de réception d'axe de balancier situées en regard, notamment à 180°, l'une de l'autre et dont l'une comprend au moins la première des surfaces d'appui pour l'axe de balancier ainsi que un point d'attache ou d'encastrement du ressort spiral, et l'autre au moins la deuxième des surfaces d'appui pour l'axe de balancier,
    • ces deux parties de réception d'axe de balancier étant reliées l'une à l'autre par deux parties de liaison qui présentent une rigidité inférieure à celles des parties de réception, de façon à pouvoir se déformer élastiquement lors du chassage d'un axe de balancier.
  • Ces caractéristiques ont notamment pour effet d'éviter que le point d'attache du spiral se déplace de façon significative par rapport aux points de contact (d'appui) avec l'axe de balancier suite au chassage de ce dernier. Il s'ensuit que le positionnement du spiral et son point d'encastrement peuvent être définis précisément.
  • Selon un autre aspect, l'invention concerne un ensemble monolithique ressort spiral simple ou double - virole, celle-ci pouvant être fendue ou non. Cet ensemble a la particularité de comporter au moins deux niveaux (ou étages ou parties), le ressort spiral étant situé sur un niveau différent de celui où se trouvent les surfaces d'appui de la virole pour l'axe de balancier. Cette caractéristique est particulièrement avantageuse car elle permet d'optimiser au mieux le couple de tenue de la virole sur l'axe de balancier sans devoir augmenter son encombrement dans le plan du spiral. Selon un autre aspect de l'invention, cette caractéristique permet de rapprocher le point d'attache du ressort spiral de l'axe du balancier, sans être limité par le pourtour de la virole.
  • L'invention se rapporte également à un procédé de fabrication d'un ensemble monolithique ressort spiral - virole fendue ou non, dans lequel on réalise le spiral sur un niveau différent de celui où se trouvent les surfaces d'appui de la virole pour l'axe de balancier.
  • Selon un autre aspect, l'invention est définie par les propositions qui suivent :
    • 1. Virole (100) comprenant un alésage (101) destiné à recevoir un axe de balancier, au moins une première partie (102) et une deuxième partie (103), les première et deuxième parties étant séparées par un plan (104) perpendiculaire à l'axe (107) de l'alésage, un élément (105) d'attache de la virole à un ressort spiral étant exclusivement situé sur la première partie et un élément (106) de liaison de la virole à l'axe de balancier étant essentiellement, voire exclusivement, situé sur la deuxième partie.
    • 2. Virole selon la proposition 1, dans laquelle l'élément d'attache ou point d'attache se trouve à une distance (D1) du centre de la virole (107) inférieure à la moitié du diamètre (D2) d'un cylindre dans lequel s'inscrit la deuxième partie, notamment à une distance (D1) inférieure ou égale à la moyenne de la moitié du diamètre (D2) du cylindre dans lequel s'inscrit la deuxième partie et de la moitié du diamètre du cercle inscrit (dmax) dans une ouverture centrale de la virole.
    • 3. Virole selon la proposition 1 ou 2, dans laquelle la deuxième partie s'étend, selon l'axe de l'alésage, sur une longueur supérieure à une fois l'épaisseur (E) du ressort spiral, voire supérieure à 3 fois l'épaisseur (E) du ressort spiral.
    • 4. Ensemble monolithique ressort spiral - virole (1) comprenant :
      • une première partie de réception, notamment une première partie de réception indéformable, destinée à venir en appui contre un axe de balancier,
      • une deuxième partie de réception, notamment une deuxième partie de réception indéformable, destinée à venir en appui contre l'axe de balancier,
      • une première partie de liaison, notamment une première partie de liaison déformable, destinée à relier les première et deuxième parties de réception,
      • une deuxième partie de liaison, notamment une deuxième partie de liaison déformable, destiné à relier les première et deuxième parties de réception, et
      • un élément apte à entourer continûment l'axe de balancier et comprenant les parties de réception et les parties de liaison.
    • 5. Ensemble monolithique selon la proposition 4, dans lequel les parties de liaison occupent 50% et plus, voire entre 50% et 90%, voire entre 60% et 80%, de la longueur totale du contour extérieur de la virole.
    • 6. Ensemble monolithique selon la proposition 4 ou 5, dans lequel chaque partie de liaison occupe un secteur d'angle mesuré depuis le centre de la virole supérieur ou égal à 90°, voire compris entre 90° et 160°, voire compris entre 110° et 145°.
    • 7. Ensemble monolithique selon l'une des propositions 4 à 6, dans lequel chaque partie de liaison présente une portion distante de l'axe de balancier d'au moins 0.5 fois le rayon de l'axe de balancier, voire d'au moins 0.9 fois le rayon de l'axe de balancier, une fois l'ensemble monté sur l'axe de balancier.
    • 8. Ensemble monolithique selon l'une des propositions 4 à 7, dans lequel chaque partie de liaison est principalement sollicitée en flexion, une fois l'ensemble monolithique monté sur l'axe de balancier.
    • 9. Ensemble monolithique selon l'une des propositions 4 à 8, dans lequel les parties de réception sont en regard l'une de l'autre, notamment à 180° l'une de l'autre par rapport au centre de la virole.
    • 10. Ensemble monolithique selon l'une des propositions 4 à 9, dans lequel une lame du ressort spiral est attachée ou liée directement à une partie de réception, notamment, dans le cas d'un ensemble comportant un double spiral, dans lequel chaque lame est attachée à une partie de réception différente.
    • 11. Ensemble monolithique selon l'une des propositions 4 à 10, dans lequel une ouverture centrale de la virole destinée à recevoir un axe de balancier est non circulaire.
    • 12. Ensemble monolithique selon l'une des propositions 4 à 11, dans lequel le contour de l'ouverture centrale de la virole (1) comprend, sur une même partie de réception, au moins une surface d'appui (2,3 ; 4,5) pour l'axe de balancier.
    • 13. Ensemble monolithique selon l'une des propositions 4 à 12, dans lequel le contour de l'ouverture centrale de la virole (1) comprend, sur une même partie de réception, au moins une paire de surfaces d'appui (2,3 ; 4,5) pour l'axe de balancier, les tangentes aux surfaces d'appui (2,3) aux points d'appui de cette paire formant entre elles un angle (α) supérieur à 90 degrés et inférieur à 170 degrés.
    • 14. Ensemble monolithique selon l'une des propositions 4 à 13, dans lequel le contour de l'ouverture centrale de la virole (1) comprend deux paires (2,3 ; 4,5) de surfaces d'appui.
    • 15. Ensemble monolithique selon l'une des propositions 4 à 14, dans lequel les surfaces d'appui (2,3 ; 4,5) sont au moins partiellement situées sur des bras (6,7 ; 8,9) ou extensions s'étendant depuis le corps des parties de réception.
    • 16. Ensemble monolithique selon l'une des propositions 13 à 15, dans lequel des surfaces d'appui sont planes ou à courbure négative ou à courbure positive avec un rayon supérieur à 0,51 fois le diamètre (dmax) du cercle inscrit dans une ouverture centrale de la virole.
    • 17. Ensemble monolithique selon l'une des propositions 4 à 16, dans lequel deux parties de réception sont disposées à 180° l'une de l'autre par rapport à l'axe de la virole.
    • 18. Ensemble monolithique selon l'une des propositions 4 à 17, dans lequel les différentes parties de liaison ont une géométrie identique et/ou les différentes parties de réception ont une géométrie identique.
    • 19. Ensemble monolithique selon l'une des propositions 4 à 18, dans lequel le ressort spiral est un ressort spiral double comprenant une première lame dont le point d'attache (10) à la virole (1) est relié à une première partie de réception et une deuxième lame dont le point d'attache (11) à la virole (1) est relié à une deuxième partie de réception.
    • 20. Ensemble monolithique selon l'une des propositions 4 à 19, dont la géométrie de la virole a une symétrie de réflexion d'ordre 2.
    • 21. Ensemble monolithique selon l'une des propositions 4 à 20, dont la géométrie de la virole a une symétrie de rotation d'ordre 2.
    • 22. Ensemble monolithique selon l'une des propositions 4 à 21, l'ensemble étant en silicium, éventuellement avec une couche externe et/ou une couche interne en oxyde de silicium.
    • 23. Ensemble monolithique selon l'une des propositions 4 à 22 dans lequel le ou les point(s) d'attache du spiral simple ou double est (sont) plus proche(s) de l'ouverture centrale de la virole que ne l'est le contour de la virole.
    • 24. Ensemble monolithique selon l'une des propositions 4 à 23, l'ensemble étant réalisé en un matériau fragile ou en un matériau ne présentant pas de domaine de déformation plastique.
    • 25. Ensemble monolithique selon l'une des propositions 4 à 24, l'ensemble comprenant une virole selon l'une des propositions 1 à 3.
    • 26. Procédé de fabrication d'un ensemble monolithique selon la proposition 25, dans lequel on réalise le ressort spiral sur une partie différente de celle où se trouvent les surfaces d'appui de la virole contre l'axe de balancier.
    • 27. Procédé de fabrication selon la proposition 26, dans lequel on utilise comme matériau de départ une tranche SOI dont la couche de SiO2 a une épaisseur supérieure à 3 microns.
    • 28. Procédé de fabrication d'une virole selon l'une des propositions 1 à 3, dans lequel on réalise un élément (105) d'attache de la virole à un ressort spiral sur une partie différente de celle où se trouve un élément (106) de liaison de la virole à l'axe de balancier.
    • 29. Procédé de fabrication selon la proposition 28, dans lequel on utilise comme matériau de départ une tranche SOI dont la couche de SiO2 a une épaisseur supérieure à 3 microns.
    • 30.- Ensemble monolithique ressort spiral - virole (1) réalisé dans un matériau ne présentant pas de domaine de déformation plastique, dans lequel :
      • le contour de la virole (1) est fermé,
      • l'ouverture centrale de la virole (1) destinée à recevoir un axe de balancier est non circulaire,
      • le contour de l'ouverture centrale de la virole comporte au moins deux surfaces d'appui (2,3;4,5;14) pour un axe de balancier ;
      caractérisé en ce que
      la virole (1) est formée de deux parties de réception d'axe de balancier situées en regard l'une de l'autre et dont l'une comprend au moins la première des surfaces d'appui (2 ou 3) pour l'axe de balancier ainsi qu'un point d'attache (10,11) du ressort spiral, et l'autre au moins la deuxième des surfaces d'appui (4, 5 ou 14) pour l'axe de balancier, ces deux parties de réception d'axe de balancier étant reliées l'une à l'autre par deux parties de liaison qui présentent une rigidité inférieure à celles des parties de réception, de façon à pouvoir se déformer élastiquement lors du chassage d'un axe de balancier.
    • 31.- Ensemble monolithique ressort spiral - virole (1) selon la proposition 30, dans lequel les deux parties de liaison présentent une largeur moyenne inférieure à la largeur moyenne des parties de réception.
    • 32.- Ensemble monolithique ressort spiral - virole (1) selon la proposition 30, dans lequel les deux parties de liaison présentent une largeur minimale et/ou une largeur à mi-distance des parties de réception, inférieure(s) à la largeur maximale des parties de réception.
    • 33.- Ensemble monolithique ressort spiral - virole (1) selon l'une des propositions 30 à 32, dans lequel le contour de l'ouverture centrale de la virole (1) comprend, sur une même partie de réception, au moins une paire de surfaces d'appui (2,3 ; 4,5) pour l'axe de balancier, les surfaces d'appui (2,3) de cette paire formant entre elles un angle (α) supérieur à 90 degrés et inférieur à 170 degrés.
    • 34.- Ensemble monolithique ressort spiral - virole (1) selon la proposition 33, dans lequel le contour de l'ouverture centrale de la virole (1) comprend deux paires (2,3 ; 4,5) de surfaces d'appui.
    • 35.- Ensemble monolithique ressort spiral - virole (1) selon l'une des propositions 30 à 34, dans lequel les surfaces d'appui (2,3 ; 4,5) sont au moins partiellement situées sur des bras (6,7 ; 8,9).
    • 36.- Ensemble monolithique ressort spiral - virole (1) selon l'une des propositions 30 à 35, dans lequel les parties de liaison ont une géométrie identique.
    • 37.- Ensemble monolithique ressort spiral - virole (1) selon l'une des propositions 30 à 36, dans lequel le ressort spiral est un ressort spiral double comprenant une première lame (10) dont le point d'attache à la virole (1) est relié à une première partie de réception et une deuxième lame (11) dont le point d'attache à la virole (1) est relié à une deuxième partie de réception.
    • 38.- Ensemble monolithique ressort spiral - virole (1) selon l'une des propositions 30 à 37, dont la géométrie de la virole a une symétrie de réflexion d'ordre 2.
    • 39.- Ensemble monolithique ressort spiral - virole (1) selon l'une des propositions 30 à 38, dont la géométrie de la virole a une symétrie de rotation d'ordre 2.
    • 40. - Ensemble monolithique ressort spiral - virole selon l'une des propositions 30 à 39, cet ensemble étant en silicium, éventuellement avec une couche externe et/ou un étage en oxyde de silicium.
    • 41.- Ensemble monolithique ressort spiral - virole (1) selon l'une des propositions 30 à 40, formé sur deux niveaux, le ressort spiral étant situé sur un niveau différent de celui où se trouvent les surfaces d'appui (2,3 ; 4,5 ; 14) pour l'axe de balancier.
    • 42.- Ensemble monolithique ressort spiral - virole ayant au moins deux niveaux, le ressort spiral étant situé sur un niveau différent de celui où se trouvent les surfaces d'appui de la virole pour un axe de balancier.
    • 43.- Ensemble monolithique ressort spiral - virole selon la proposition 41 ou 42, dans lequel le ou les point(s) d'attache du spiral simple ou double est (sont) plus proche (s) de l'ouverture centrale de la virole que ne l'est le contour de la virole.
    • 44.- Procédé de fabrication d'un ensemble monolithique ressort spiral - virole selon l'une des propositions 41 à 43, dans lequel on réalise le ressort spiral sur un niveau différent de celui où se trouvent les surfaces d'appui de la virole pour l'axe de balancier.
    • 45.- Procédé de fabrication selon la proposition 44, dans lequel on utilise comme matériau de départ une tranche SOI dont la couche de SiO2 a une épaisseur supérieure à 3 microns.
    • 46.- Oscillateur comprenant un ensemble monolithique selon l'une des propositions 4 à 25 ou 30 à 45 et un axe de balancier à section circulaire.
    • 47.- Mouvement horloger ou pièce d'horlogerie comprenant un ensemble monolithique selon l'une des propositions 4 à 25 ou 30 à 45 ou comprenant un oscillateur selon la proposition précédente ou comprenant une virole selon l'une des propositions 1 à 3.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention vont maintenant être décrits en détail dans l'exposé suivant qui est donné en référence aux figures annexées, lesquelles représentent schématiquement :
    • figure 1 : une virole selon l'art antérieur EP 1 513 029 et EP 2 003 523 ;
    • figure 2 : une virole de la figure 10D de l'art antérieur EP 1 655 642 ;
    • figure 3 : une virole selon l'art antérieur WO2011026725 ;
    • figure 4 : un ensemble monolithique ressort spiral double - virole à contour fermé selon l'invention ;
    • figures 5 à 7 : d'autres ensembles monolithiques ressort spiral double - virole à contour fermé selon l'invention ;
    • figure 8 : les principales étapes du procédé d'obtention d'un ensemble monolithique ressort spiral double - virole selon un second aspect de l'invention ;
    • figures 9 à 11 : un ensemble monolithique ressort spiral double - virole selon un second aspect de l'invention ;
    • figures 12 et 13 : d'autres ensembles monolithiques ressort spiral double - virole selon le second aspect de l'invention ;
    • figure 14 : un graphe montrant l'évolution du couple de maintien M des viroles des ensembles des figures 12, 13 et 3 en fonction du diamètre de l'axe de balancier ;
    • figure 15 : un graphe montrant l'évolution de la contrainte s des viroles des ensembles des figures 12, 13 et 3 en fonction du diamètre de l'axe de balancier ;
    • figures 16 à 17 : une représentation des contraintes au sein des viroles des ensembles des figures 12 et 13 une fois un axe de balancier chassé dans l'ouverture (noir : très faible déformation élastique, contraintes inférieures à la moitié de la contrainte maximale ; en gris : déformation élastique significative, contraintes supérieures à la moitié de la contrainte maximale);
    • figure 18 : une représentation des zones rigides (en noir) et flexibles (en gris) pour la virole de la figure 12 ;
    • figure 19 : un ensemble monolithique ressort spiral double - virole selon une variante avantageuse du second aspect de l'invention, dans lequel les points d'attache des lames du spiral double sont proches de l'ouverture centrale ;
    • figure 20 : une vue en coupe d'une virole selon une variante avantageuse du second aspect de l'invention ;
    • figure 21 : un ensemble monolithique ressort spiral double - virole selon le premier aspect de l'invention avec indication de la position des points d'encastrement ; et
    • figure 22 : un ensemble monolithique ressort spiral double - virole selon le second aspect de l'invention avec indication de la position des points d'encastrement.
    Exposé détaillé de l'invention
  • Sur la figure 1 est représentée la virole proposée dans les demandes de brevet européens précitées EP 1 513 029 et EP 2 003 523 .
  • Sur la figure 2 est représentée la virole décrite sur la figure 10D de la demande de brevet européen précitée EP 1 655 642 .
  • Sur la figure 3 est représentée la virole proposée dans la demande de brevet WO2011026725 .
  • L'invention s'applique tant à des ensembles avec un spiral simple qu'à ceux avec un spiral double. Cependant, c'est à ces derniers qu'elle convient le mieux.
  • Par « spiral double », il faut entendre ici un spiral comportant deux lames enroulées dans le même sens, mais avec un décalage de 180 degrés, comme décrit dans la demande EP 2 151 722 A1 . Les extrémités internes respectives de ces lames sont solidaires de la virole et leurs points d'attache respectifs sont disposés symétriquement sur des côtés opposés du pourtour de la virole.
  • Le « point d'attache » ou « point d'encastrement » du spiral est généralement bien défini dans le cas d'un spiral assemblé sur une virole réalisée dans un autre matériau que le spiral. Dans le cas d'un ensemble virole-spiral monolithique pour lequel spiral et virole sont venus de fabrication, réalisés par exemple par une technique de microfabrication à partir d'un wafer en Silicium ou « Silicon-on-Insulator », le point d'encastrement peut être défini comme le point où la rigidité locale le long de la fibre neutre atteint une valeur qui est 10x plus élevée que la rigidité de la lame du spiral. Dans le cas d'un spiral à épaisseur de lame variable, on considérera la valeur minimale de la rigidité locale le long de la lame. La rigidité locale équivaut à la rigidité en flexion, déterminée lors de la flexion de la lame ou du fonctionnement du spiral, sur une portion de longueur donnée, par exemple 1µm. Les points d'encastrement 10,11 correspondants sont indiqués à titre d'exemple sur les ensembles virole-spiral des figures 21 et 22. Dans le cas de la figure 21 (qui correspond à la géométrie de virole de la figure 12), on voit que le point d'encastrement se situe sur le prolongement du contour externe ou périphérie 32 de la virole. Dans le cas de la figure 22 (qui correspond à la géométrie de virole de la figure 19), on voit que le point d'encastrement est situé à proximité immédiate de l'axe de balancier, plus proche de l'ouverture centrale de la virole que ne l'est le contour 33 du niveau de la virole qui ne comprend pas le spiral.
  • Les viroles selon l'invention sont dimensionnées à la fois pour maintenir le spiral sur l'axe de balancier lors du fonctionnement de l'oscillateur, et aussi pour pouvoir être assemblées avec des axes dont le diamètre montre une certaine dispersion (pas de casse ou de déformation plastique au chassage pour un diamètre d'axe situé dans un intervalle de tolérance donné). Ces viroles ont normalement au moins 2, et de préférence 4, surfaces d'appui pour l'axe de balancier.
  • Selon l'invention, la forme précise des parties de liaison n'est pas cruciale, du moment qu'elles parviennent à se déformer élastiquement, notamment en flexion, lors du chassage d'un axe de balancier. Dans les conditions normales d'utilisation de la virole, les parties de réception sont donc des parties rigides ou indéformables et les parties de liaison, des parties déformables, notamment déformables en flexion ou flexibles. La flexibilité de ces dernières provient du fait qu'elles sont amincies par rapport aux parties de réception. Les parties déformables présentent des sections de plus faibles aires que les parties indéformables. Cet amincissement est réalisé, selon l'invention, en prévoyant les parties déformables moins larges que les parties de réception. Par « largeur », il faut entendre ici l'épaisseur mesurée dans le plan de la virole, en d'autres termes, la distance entre le contour de la virole et le contour de son ouverture centrale (par exemple, la largeur minimale e ou e' ou la largeur à mi-distance des parties de réception rigides b ou b' sur les figures 12 et 13).
  • Les jonctions entre les parties de réception et les parties de liaison se situent en général sensiblement à la base d'une surface d'appui (voir ci-dessous, ainsi qu'à titre d'exemples, la figure 18, ou la figure 5 où on peut les situer à chaque fois sur un côté de la partie bombée 14). Préférentiellement, on cherche à maximiser la longueur des parties de liaison, donc à maximiser le secteur angulaire qu'elles occupent.
  • La figure 4 représente la partie centrale d'un exemple d'ensemble monolithique ressort spiral double - virole non fendue selon l'invention.
  • Comme on peut le voir sur la figure 4, la virole 1, en particulier les parties de réception 17,18, comporte deux paires de points d'appui 2,3 et 4,5 situés sur des bras sensiblement plans 6,7 et 8,9 qui ne sont pas élastiques et sont placés deux à deux à proximité des points d'attache 10,11 des lames 12,13 du spiral double. Les bras non élastiques d'une même paire font saillie dans l'ouverture centrale de la virole et ils forment entre eux un angle α qui est de préférence inférieur à 170 degrés, plus préférentiellement supérieur à 90 degrés et inférieur à 170 degrés, et est ici d'environ 120 degrés. Chaque bras 6,7,8 ou 9 présente une extrémité libre.
  • La forme en V des paires de bras rigides a pour effet de mieux caler l'axe de balancier que ne le ferait un seul point d'appui. L'important est en effet que l'encastrement virole-axe soit le plus rigide possible, de façon à ce que les points de contact entre la virole et l'axe du balancier ne se déplacent pas sous l'effet du couple développé par le spiral lors du fonctionnement en mouvement, c'est-à-dire lors des oscillations du balancier-spiral une fois l'ensemble ressort spiral - virole chassé ou assemblé sur l'axe d'un balancier. La géométrie avec deux parties de réception en regard l'une de l'autre (notamment à 180° l'une de l'autre) et comportant chacune une paire de surfaces d'appui permet d'agir comme un étau maintenu par les parties de liaison flexibles. Sous l'effet de leur déformation élastique, les parties de liaison exercent des actions de rappel élastique rappelant les parties de réception l'une vers l'autre et chacune en contact contre l'axe de balancier. Néanmoins, il est aussi envisageable (mais moins favorable) d'utiliser un seul point d'appui, comme par exemple une surface de contact plane, convexe ou concave avec un rayon de courbure plus grand que le rayon qui est prévu pour l'axe du balancier.
  • Sur la figure 4, les bras 6,7,8 et 9 et les surfaces d'appui correspondantes 2,3,4 et 5 sont planes, c'est-à-dire que leur rayon de courbure du côté de l'ouverture centrale 26 est infini. Les surfaces d'appui peuvent aussi être convexes, c'est-à-dire que leur rayon de courbure peut être négatif du côté de l'ouverture centrale 26, ou concaves, c'est-à-dire que leur rayon de courbure peut être positif du côté de l'ouverture centrale 26.
  • Dans ce dernier cas cependant, le rayon de courbure positif est strictement supérieur à 0,51 fois le diamètre dmax du cercle le plus grand que l'on peut tracer à l'intérieur du contour de l'ouverture centrale (lorsque la virole n'est pas déformée, notamment lorsqu'elle n'est pas montée sur l'axe de balancier), cercle qui est aussi appelé « cercle inscrit » dans la suite de la description. De préférence, le rayon de courbure positif est supérieur à 0,62 fois le diamètre dmax, ce qui permet de définir un seul point de contact entre la partie d'appui et l'axe de balancier. Un rayon de courbure supérieur à 0,75 fois, voire à 1 fois, le diamètre dmax du cercle inscrit est aussi adapté. Dans le cas d'un axe de balancier à section circulaire, le diamètre de l'axe est légèrement supérieur à dmax, par exemple compris dans un intervalle de tolérance entre 1.01 et 1.02 dmax.
  • Il est important de prévoir qu'il n'y ait aucune partie flexible entre les points de contact virole/axe de balancier et le point d'attache du spiral, de façon à ce que la distance entre le point d'encastrement ou d'attache et les surfaces d'appui varie le moins possible et en particulier ne varie pas de façon substantielle suite au chassage.
  • La virole 1 présente une symétrie de rotation d'ordre 2, et présente deux axes de symétrie en réflexion, l'un étant formé par la bissectrice de l'angle α, l'autre étant perpendiculaire à ce dernier et situé à égale distance de l'intersection des bras. On peut considérer qu'elle comprend deux parties de réception d'axe de balancier rigides reliées par deux parties de liaison flexibles, comme on peut le voir sur la figure 18 qui sera détaillée ci-dessous. Les parties rigides 17 et 18 (en noir sur la figure 18) sont celles d'où partent à la fois les bras 6,7 et 8,9 et les lames 12 et 13 du spiral double. Les parties flexibles 15 et 16 (en gris sur la figure 18) sont des parties de liaison reliant symétriquement les parties rigides, de façon à former la virole 1 avec son ouverture centrale. Ces parties flexibles sont plus minces que les parties rigides et leur élasticité ou flexibilité permet d'assurer la déformation de la virole 1 lors du chassage sur l'axe de balancier tout en garantissant un couple de tenue minimal. De plus, l'ouverture centrale non circulaire permet d'excentrer les parties flexibles et de maximiser leur longueur.
  • La symétrie de la géométrie de la virole de la figure 4 vise à l'obtention d'un équilibrage pour ne pas créer de balourd. L'ouverture centrale non circulaire de la virole peut être définie comme comprenant un évidement central 26 de réception d'axe de balancier, sensiblement délimité par les 4 surfaces d'appui 2,3,4 et 5, et deux évidements périphériques 27,28 formés sensiblement et symétriquement entre les bras 6,8, d'une part et 7,9 d'autre part, et les parties élastiques 15 et 16. Les évidements 27 et 28 sont symétriques l'un de l'autre par rapport à la bissectrice de l'angle α.
  • Ainsi, la géométrie permet de définir précisément les points d'appui, au nombre de quatre dans le cas de la figure 4. Les bras 6 à 9 permettent de définir précisément les points d'appui de la virole sur l'axe de balancier, tout en maximisant la longueur des parties élastiques flexibles. Par contre, ces bras 6 à 9 ne fléchissent pas ou de façon négligeable et ne peuvent pas être considérés comme des bras élastiques.
  • Cela est confirmé par des simulations numériques reportées sur les figures 16 et 17, qui indiquent les niveaux de contraintes présentes suite au chassage d'un axe de balancier au diamètre nominal de 0,503 mm dans deux viroles de géométrie différente représentées sur les figures 12 et 13 (on peut aussi se reporter aux figures 14 et 15 qui indiquent les couples de tenue et les contraintes maximales pour ces viroles pour différents diamètres d'axe). Les parties qui ne sont pas ou peu déformées élastiquement, et qui peuvent être considérées comme étant rigides, sont indiquées en noir sur les figures 16 et 17 (niveau de contraintes inférieur à la moitié de la contrainte maximale atteinte suite au chassage de l'axe, soit environ 500 MPa dans le cas des figures 16 et 17). Les parties qui sont déformées élastiquement, et qui peuvent être considérées comme étant flexibles, sont indiquées en gris aux mêmes figures (niveau de contraintes supérieur à la moitié de la contrainte maximale). Ces simulations numériques montrent que les bras 6 à 9 portant les surfaces d'appui ne sont pas déformés élastiquement, contrairement aux parties flexibles 15,16. La distance entre les points d'appui et les points d'attache du spiral est ainsi toujours constante et parfaitement définie.
  • La virole est ainsi formée de deux parties de réception d'axe de balancier rigides 17,18 symbolisées en noir sur la figure 18, reliées l'une à l'autre par deux parties de liaison flexibles ou élastiques 15,16, symbolisées en gris sur la figure 18. L'avantage de cet agencement est de maximiser la longueur des parties de liaison flexibles, tout en garantissant un couple de tenue suffisant sur l'axe de balancier, avec un niveau de contrainte nettement inférieur à la contrainte maximale admissible pour le matériau. Les simulations montrent que la virole selon l'invention permet d'obtenir un couple de maintien (M) sur l'axe plus élevé qu'avec des bras flexibles situés à l'intérieur d'un contour fermé (pour un même encombrement). Par la théorie des petites déformations appliquée au cas d'une poutre flexible, on peut montrer que le couple de tenue M dépend de la longueur des parties flexibles L, M étant proportionnel à L3. Plus les parties flexibles sont longues, plus le couple de maintien est élevé. L'avantage de la virole selon l'invention est de maximiser la longueur des parties flexibles. Sur l'exemple de la figure 18, les parties flexibles occupent environ 70% de la longueur totale du contour. Préférentiellement, les parties flexibles occupent 50% ou plus de la longueur totale du contour, notamment entre 50% et 90%, plus préférentiellement entre 60 et 80%. Alternativement, les secteurs d'angle mesurés depuis le centre de la virole (qui correspond au centre du cercle inscrit dans l'ouverture centrale) et occupés respectivement par une partie de réception rigide et par une partie de liaison flexible sont de 54° et 126° environ. Préférentiellement, le secteur d'angle mesuré depuis le centre de la virole et occupé par une partie de liaison flexible est supérieur ou égal à 50°, notamment compris entre 90° et 160°, plus préférentiellement entre 110° et 145°. Ce secteur d'angle est par exemple défini comme le plus petit secteur d'angle continu entre deux parties de réception où il existe une zone où la contrainte dans le matériau est supérieure à 50% de la contrainte maximale atteinte suite au chassage de l'axe.
  • Un autre exemple de réalisation de l'invention est représenté sur la figure 5. Sur cette figure, la virole ne comprend qu'une seule paire de bras non élastiques 2,3. En regard du V formé par ces derniers, de l'autre côté de l'ouverture centrale non circulaire, se trouve une partie bombée 14 destinée à servir de troisième surface d'appui pour l'axe de balancier. La géométrie ne comporte ici qu'une symétrie de réflexion autour de la bissectrice de l'angle α (si on ne tient pas compte du point d'attache des lames du spiral) . La forme et les dimensions de la partie bombée 14 sont choisies de façon à équilibrer au maximum la virole. Alternativement, la troisième surface d'appui peut aussi être plane ou encore concave, avec un rayon de courbure strictement supérieur à 0,51 fois, préférentiellement supérieur à 0,62, 0,75 ou 1 fois le diamètre inscrit dmax.
  • La virole selon l'invention est particulièrement adaptée pour venir fixer un double spiral à un axe de balancier. En effet, la plupart des viroles connues de l'état de l'art ne se déforment pas de façon symétrique par rapport aux points d'attache. Avec une virole comme celle montrée sur la figure 1, l'une des lames serait fixée au même point que la lame du simple spiral représenté, soit au sommet du triangle formé par la structure rigidificatrice. La deuxième lame doit avoir un point d'attache situé à 180° du premier, soit à l'opposé, au milieu d'un côté du triangle. Le déplacement des points d'attache suite au chassage par rapport au centre du spiral et/ou aux attaches externes ne serait donc pas équivalent pour les deux points d'attache, ce qui dégraderait les performances chronométriques. De plus, le point d'encastrement de la deuxième lame serait susceptible de se déformer lors de l'expansion et contraction du spiral, ce qui nuirait aussi aux performances chronométriques.
    • Second aspect de l'invention
  • Suivant un autre aspect, l'invention concerne une virole ayant au moins deux niveaux ou étages ou parties. Le point d'attache ou d'ancrage du spiral (ou les points d'attache dans le cas d'un spiral double) est alors situé sur un niveau différent de celui où se trouvent la majeure partie, voire la totalité des surfaces d'appui. Ceci est en particulier appliqué à un ensemble monolithique ressort spiral-virole.
  • Les inventeurs ont en effet découvert qu'il était possible de maximiser la tenue au couple de la virole, tout en minimisant son encombrement, en allongeant la virole dans le plan perpendiculaire au spiral. Ceci permet de dissocier la fonction d'attache du spiral à l'axe via la virole (premier niveau, dans le plan du spiral) de celle de tenue à l'axe, notamment de tenue de la virole sur l'axe (premier et deuxième niveau, et préférentiellement exclusivement sur le deuxième niveau, hors du plan du spiral), tout en répartissant la contrainte élastique de façon la plus équilibrée possible le long des parties flexibles.
  • Un ensemble monolithique ressort spiral-virole correspondant à celui de la figure 4 réalisé sur 2 niveaux est représenté en perspectives avant et arrière sur les figures 9 et 10.
  • Comme on peut le voir sur ces figures, les flancs ne sont pas parfaitement superposés, ils présentent un décalage de quelques microns entre la première et la deuxième couche.
  • La figure 11 représente la totalité de l'ensemble ressort-spiral selon les figures 9 et 10, avec les extrémités externes des lames du double-spiral qui sont solidaires d'un élément de fixation destiné à être relié au mouvement d'une pièce d'horlogerie.
  • Il est évident qu'un tel ensemble monolithique ressort spiral-virole réalisé sur 2 niveaux peut aussi être appliqué à d'autres types de viroles, notamment à des viroles fendues, et à d'autres types de spiraux, notamment à des spiraux simples.
    • Procédé de fabrication
  • La virole ou l'ensemble spiral-virole peut être fabriqué suivant des procédés connus, tel que celui faisant l'objet de la demande de brevet n° EP 1 655 642 . La virole ou l'ensemble ressort spiral-virole suivant le second aspect de l'invention peut être fabriqué suivant des procédés connus, tels que ceux faisant l'objet des demandes de brevet n° EP 1 835 339 ou EP 2 104 007 .
  • Les étapes principales d'un procédé de fabrication d'une virole ou d'un ensemble monolithique ressort spiral-virole réalisé sur 2 niveaux, étages ou parties sont représentées sur la figure 8.
  • Le substrat de départ utilisé est une tranche (« wafer » en anglais) du type « SOI » (« Silicon-on-Insulator »), composé de deux parties de Si monocristallin séparées par une fine couche d'oxyde de silicium, SiO2 (figure 8a, avec le Si monocristallin en blanc et le SiO2 en hachuré oblique). Après un premier nettoyage, la tranche est oxydée pour former une couche de SiO2 en surface de part et d'autre du substrat (figure 8b) qui servira de masque pour la gravure profonde par ions réactifs (« Deep Reactive Ion Etching », « DRIE » en anglais). Une photolithographie est ensuite effectuée sur une première face pour définir un premier motif en résine photosensible (figure 8c, résine représentée en hachuré droit) et ce motif est reproduit dans la couche d'oxyde sous-jacente par gravure sèche (figure 8d). Après un nettoyage (figure 8e), les mêmes étapes sont reproduites sur la deuxième face avec un deuxième motif : une photolithographie permet de définir un deuxième motif en résine photosensible (figure 8f), qui est reproduit dans la couche d'oxyde sous-jacente par gravure sèche (figure 8g). Une étape de gravure profonde par DRIE est ensuite réalisée sur la deuxième face pour graver le motif dans la deuxième couche de Si (figure 8h). Puis, une gravure profonde DRIE est réalisée sur la première couche (figure 8i). Les parties de SiO2 exposées (couches externes et couche centrale) sont finalement dissoutes par attaque BHF (HF tamponné, soit un mélange de HF et de NH4F qui sert de tampon pour stabiliser la vitesse d'attaque ; figure 8j).
  • Différentes étapes additionnelles aux procédés exposés ci-dessus peuvent être prévues, comme par exemple (et de façon non-limitative) :
    • le dépôt de couches fonctionnelles (oxydes, nitrures, couches à base de carbone) sur tout ou une partie de la surface, par exemple par des techniques de type PVD, CVD, ou ALD ;
    • le dépôt d'une couche d'oxyde SiO2 pour thermocompenser l'oscillateur balancier-spiral selon EP 1 422 436 ;
    • la réalisation d'une partie de la structure, par exemple des bras 6,7,8 et 9, en métal ou alliage métallique par une technique d'électroformage de type LiGA.
    Variante avantageuse du second aspect de l'invention
  • Suivant une variante avantageuse du second aspect de l'invention, la virole a moins deux niveaux, et le point d'attache ou d'encastrement du spiral (ou les points d'attache dans le cas d'un spiral double) est situé sur un niveau différent de celui où se trouvent les surfaces d'appui et à une distance du centre de la virole inférieure à la distance entre le centre de la virole et son contour ou périphérie.
  • Comme illustré à la figure 20, la virole 100 comprend un alésage 101 destiné à recevoir l'axe de balancier, ainsi que au moins une première partie 102 et une deuxième partie 103. Les première et deuxième parties sont séparées par un plan 104 perpendiculaire à l'axe 107 de l'alésage, cet axe représentant également le centre de la virole. Le ou les élément(s) 105 d'attache de la virole à un ressort spiral sont exclusivement situé(s) sur la première partie. L'élément 106 de liaison de la virole à l'axe de balancier, par exemple formé des surfaces d'appui, est essentiellement, de façon préférentielle exclusivement, situé sur la deuxième partie. Par « un élément de liaison de la virole à l'axe de balancier est essentiellement situé sur la deuxième partie », on entend que plus de la moitié des efforts de liaison de la virole à l'axe de balancier sont appliqués au niveau de la deuxième partie. L'alésage 101 forme une ouverture centrale destinée à recevoir l'axe de balancier.
  • Préférentiellement, on utilise une tranche SOI pour réaliser une telle virole ou un ensemble monolithique virole-spiral incluant une telle virole, la première et la deuxième partie étant en Silicium et séparées par une couche d'oxyde de Silicium. En effet, l'utilisation de tranches SOI où la couche interne de SiO2 séparant les deux couches de Si est épaisse, voire très épaisse (par exemple 2-3 microns comme habituellement, mais préférentiellement d'épaisseur supérieure à 5, voire à 10 microns) permet de réaliser une virole flexible superposant les spires comme représenté sur la figure 19, qui montre un tel ensemble monolithique ressort spiral double - virole réalisé sur 2 niveaux. La virole flexible est en tout point semblable à celle de la figure 4. Par contre, les points d'attache du spiral ne sont pas situés sur le contour comme à la figure 21, mais le plus près possible de l'ouverture centrale de la virole et donc de l'axe de balancier, comme sur l'exemple de la figure 22. Les lames du spiral sont ainsi partiellement superposées à la virole, sur un peu moins de 180° dans l'exemple de la figure 19 (correspondant à un peu moins d'un demi-tour d'enroulement de la lame du spiral). Le procédé de fabrication à deux niveaux permet de réaliser ce genre de structure, car l'attaque de dissolution du SiO2 (figure 8j) va venir aussi attaquer l'oxyde qui solidarise les lames à la virole si le temps d'attaque est suffisant, libérant ainsi ces dernières.
  • Ainsi, l'élément d'attache du spiral à la virole ou le point d'encastrement 10, 11 se trouve à une distance D1 de l'axe de l'alésage 107 inférieure à la moitié du diamètre D2 d'un cylindre dans lequel s'inscrit la deuxième partie, notamment à une distance D1 inférieure ou égale à la moyenne de la moitié du diamètre D2 et de la moitié du diamètre du cercle inscrit dmax. C'est le cas pour l'ensemble spiral-virole de la figure 22, pour lequel D1 vaut 0.330mm, alors que D2 vaut 1.180mm et que la moyenne de la moitié du diamètre D2 et de la moitié du diamètre du cercle inscrit dmax vaut (1.180mm/2+0.495mm/2)/2 = 0.41875mm. Cela équivaut à placer le point d'encastrement 10,11 à 85 microns de distance de l'axe dans le cas de la figure 22, contre 275 microns dans le cas de la figure 21. Alternativement, le point d'encastrement est plus proche de l'ouverture centrale que ne l'est le contour 33 de la virole.
  • Une virole telle que décrite plus haut peut en particulier être incluse dans un ensemble monolithique ressort spiral-virole.
  • Le fait de rapprocher le point d'attache de l'axe du balancier permet d'améliorer considérablement les propriétés chronométriques. De plus, ce type d'approche n'est pas limité à un double spiral, mais est aussi parfaitement adapté à un spiral simple, et n'est pas limité à une virole à contour fermé, mais convient aussi à une virole fendue. N'importe quelle combinaison de virole et de spiral peut être obtenue de cette façon, avec pour effet un ensemble ressort spiral - virole aux propriétés chronométriques nettement améliorées.
    • Simulations
  • Des simulations par la technique des éléments finis ont été effectuées sur deux ensembles monolithiques ressort spiral double - virole non fendue à deux parties, du type représenté sur les figures 9 et 10.
  • Ces deux ensembles similaires A et B sont représentés sur les figures 12 et 13. Leurs dimensions sont comparables sur plusieurs points : l'encombrement est de 1.17mm selon le grand axe (dimension d sur les figures), la distance c est de 0,550mm, le diamètre inscrit au centre de l'ouverture est de 0,495mm, l'angle α vaut 120°, le rayon de courbure du contour externe au niveau du sommet des parties de liaison flexibles est de 0,538mm. Seule l'épaisseur des parties de liaison flexibles diffère de façon significative : si on note b la largeur au niveau du sommet des parties de liaison (c'est-à-dire en leur milieu, à mi-distance des parties de réception) et e la largeur minimale des parties de liaison, b = 0,085mm et e = 0,050mm pour la virole de la figure 12 et b' = 0,070mm et e' = 0,050mm pour la virole de la figure 13. La largeur maximale des parties de réception rigides a diffère également: a = 0,224mm pour la virole de la figure 12 et a' = 0,200mm pour la virole de la figure 13, mais la distance entre les points d'attache du spiral double est identique.
  • La hauteur de couche du spiral (première partie) est de 150 microns et la hauteur de couche du niveau portant les surfaces d'appui (deuxième partie) est de 500 microns.
  • Les axes de balancier ont un diamètre toléré compris entre 0,5 et 0,506 mm, avec une valeur nominale à 0,503 mm.
  • Le graphe de la figure 14 montre l'évolution du couple de tenue M simulé de la virole en fonction du diamètre de l'axe du balancier pour chacun des ensembles spiral/virole des figures 12, 13 et 3, respectivement. Le couple de tenue minimal est indiqué sur la figure 14 par la ligne interrompue.
  • On constate, pour chacun des ensembles que le couple de tenue est supérieur au couple minimal exigé, même pour les petits diamètres en dessous de la tolérance minimale.
  • Le graphe de la figure 15 montre l'évolution de la contrainte s de la virole en fonction du diamètre de l'axe du balancier pour chacun des ensembles spiral/virole des figures 12, 13 et 3, respectivement. La contrainte maximale admissible pour le matériau (limite élastique, avec un facteur de sécurité) est indiquée par la ligne interrompue.
  • On constate, pour chacun des ensembles selon l'invention, que les contraintes maximales sont bien en-deçà de la valeur maximale admise. L'avantage de la virole de la figure 13 est qu'elle est plus flexible, que son niveau de contraintes est moins élevé et que la pente du couple en fonction du diamètre de l'axe est plus faible que pour la virole de la figure 12. En corollaire, le couple de maintien est plus faible.
  • Pour l'ensemble selon l'art antérieur, par contre, la contrainte dépasse très rapidement la valeur maximale admise. On voit donc que ce type de virole n'est pas adéquat à un assemblage par chassage. En effet, une telle géométrie du contour ne permet pas d'assurer à la fois une bonne tenue et une déformation sans casse de la virole suite au chassage de l'axe de balancier. De plus, le diamètre inscrit est inférieur de seulement 0.2 micron à la borne inférieure de la tolérance afin que les contraintes soient inférieures à la contrainte maximale admissible pour la borne inférieure de la tolérance, ce qui requiert des tolérances de fabrication extrêmement précises.
  • Le même comportement est prédit pour d'autres viroles de l'art antérieur, comme celle représentée à la figure 10D du document EP 1 655 642 . L'augmentation des contraintes avec le diamètre de l'axe est moins forte que pour le cas de la virole de la figure 3, mais la contrainte maximale admissible est néanmoins largement dépassée avant d'atteindre la borne supérieure de la tolérance.
  • Cet exemple illustre l'avantage d'une virole à contour fermé, avec des parties de réception rigides reliées par des parties de liaison flexibles. Cette différence de rigidité peut être estimée en première approximation par la théorie des poutres aux faibles déformations : pour une poutre, la rigidité k d'un élément de largeur e, d'épaisseur h et de longueur L est proportionnelle à e3×h/L3. En faisant l'approximation que la largeur e est constante le long des parties, le rapport entre la rigidité d'une partie de réception, kr, et d'une partie de liaison, kf, vaut donc kr/kf = (er 3×hr×Lf 3) / (ef 3×hf×Lr 3) = (er 3×Lf 3) / (ef 3×Lr 3), si l'épaisseur est identique. Diminuer la largeur moyenne des parties de liaison par rapport aux parties de réception et maximiser la longueur de ces mêmes parties de liaison permet ainsi de diminuer très significativement la rigidité des parties de liaison. Préférentiellement, on choisit un rapport kr/kf supérieur à 10, plus préférentiellement supérieur à 50, encore plus préférentiellement supérieur à 100.
  • Vu que la rigidité dépend de la largeur au cube, la différence de largeur entre les parties de réception rigides et les parties de liaison flexibles est préférable pour obtenir une rigidité plus faible sur les parties de liaison que sur les parties de réception.
  • Différentes possibilités existent pour obtenir une rigidité plus faible : ainsi, la largeur moyenne des parties de liaison peut être préférentiellement inférieure à la largeur moyenne des parties de réception, plus préférentiellement inférieure d'un facteur deux à la largeur moyenne des parties de réception.
  • Alternativement ou cumulativement, les deux parties de liaison présentent une largeur minimale et/ou une largeur à mi-distance des parties de réception inférieure(s) à la largeur maximale des parties de réception.
  • La largeur minimale e des parties de liaison est alors préférentiellement inférieure à 0,5×a, encore plus préférentiellement égale ou inférieure à 0,3×a, où a est la largeur maximale des parties de réception.
  • Alternativement ou cumulativement, la largeur au milieu des parties de liaison, à mi-distance des parties de réception, est préférentiellement inférieure à 0,7×a, encore plus préférentiellement égale ou inférieure à 0,5×a.
  • On peut aussi varier l'épaisseur des parties de réception et des parties de liaison, notamment en amincissant les parties de liaison par rapport aux parties de réception, mais il est plus favorable de varier la largeur que l'épaisseur pour varier la rigidité.
  • Bien entendu, l'homme du métier saura adapter les dimensions de la virole de cas en cas, selon l'épaisseur du spiral, l'encombrement à disposition, en veillant à assurer une tenue au couple suffisante et à maintenir les contraintes bien de deçà de la contrainte maximale admissible afin de rester dans le domaine de déformation élastique.
  • L'intérêt pour un ensemble monolithique spiral/virole à au moins deux niveaux peut être expliqué de la manière suivante. Pour un ensemble spiral/virole à une seule couche, la hauteur est déterminée par les dimensions du spiral, entre autre par le couple nécessaire et l'encombrement (diamètre). La hauteur de la virole, et donc des bras portant les surfaces d'appui et des parties flexibles, sera nécessairement fixée par la hauteur du spiral et ne pourra pas être ajustée librement. Pour un ensemble monocouche de 150 microns de hauteur, les valeurs de couple de maintien sont inférieures d'un rapport de 500/150 par rapport à un ensemble multicouche muni d'un spiral de même hauteur (150 microns), puisque le maintien s'effectue sur 150 microns au lieu de 500 microns. De ce fait, ces valeurs de couple de maintien seraient inférieures à la valeur minimale (ligne interrompue sur fig. 14) requise pour des diamètres d'axes proches du minimum de tolérance (0,5 micron).
  • On peut aussi envisager de faire porter les parties d'appui également par le niveau comprenant le spiral, ce qui permettrait dans l'exemple évoqué ci-dessus d'augmenter les valeurs de couple de maintien à un rapport 650/150 par rapport à un ensemble à un seul niveau. Cependant, les tolérances du procédé de fabrication rendent la réalisation de surfaces continues sur deux niveaux très délicate. Il est donc préférable de séparer les fonctions d'attache du spiral et de liaison de la virole à l'axe de balancier sur deux niveaux distincts, et de ne pas prévoir de parties d'appui sur le niveau qui présente le ou les élément(s) d'attache de la virole au ressort spiral.
  • Ainsi, un moyen d'augmenter le couple de tenue d'une virole à une seule couche ou étage est d'augmenter le couple développé par les parties flexibles sans augmenter la contrainte, ce qui implique un diamètre plus important de la virole. Ceci a pour conséquence que le point d'attache des lames du spiral doit être éloigné de l'axe de balancier, ce qui dégrade les propriétés chronométriques.
  • Il ressort de ce qui précède qu'un ensemble monolithique spiral/virole à au moins deux niveaux, par exemple à deux étages de silicium séparés par une couche d'oxyde de silicium, offre la possibilité de maximiser le couple de maintien en optimisant son encombrement, c'est-à-dire en évitant d'augmenter le diamètre de la virole. Une virole dans laquelle la deuxième partie 103 s'étend, selon l'axe de l'alésage 107, sur une longueur supérieure à une fois l'épaisseur E du ressort spiral, voire supérieure à 3 fois l'épaisseur E du ressort spiral, est donc particulièrement adaptée, notamment pour former un ensemble monolithique spiral-virole.
  • Les figures 6 et 7 représentent des variantes de l'ensemble monolithique spiral/virole selon l'invention.
  • Sur la figure 6, on peut voir que les parties élastiques sont bombées en leur centre 30 vers l'intérieur des évidements périphériques.
  • L'ensemble monolithique spiral/virole à 2 étages de la figure 7 comporte des parties flexibles qui ne sont pas symétriques.
  • La thermo-compensation du spiral de l'ensemble ressort spiral simple ou double - virole est réalisée par des moyens connus. On peut par exemple utiliser une couche de matériau à la surface des spires qui compense le premier coefficient thermique du module d'Young du matériau de base. Dans le cas d'un spiral en Si, un matériau adéquat pour la couche est le SiO2.
  • De préférence, dans les différentes variantes et modes de réalisation, chaque partie de liaison est principalement sollicitée en flexion, une fois l'ensemble monolithique monté sur l'axe de balancier.
  • Par « principalement sollicité en flexion », on entend que, dans chaque partie de liaison, on peut identifier une fibre neutre orientée sensiblement selon une direction selon laquelle s'étend la partie de liaison et séparant une zone sollicitée en traction, d'une zone sollicitée en compression.
  • De préférence, dans les différentes variantes et modes de réalisation, chaque partie de liaison présente une portion distante de l'axe de balancier d'au moins 0.5 fois le rayon de l'axe de balancier, voire d'au moins 0.9 fois le rayon de l'axe de balancier, une fois l'ensemble monté sur l'axe de balancier.
  • De préférence, dans les différentes variantes et modes de réalisation, les parties de réception et les parties de liaison forment un élément apte à entourer continûment l'axe de balancier, c'est-à-dire apte à entourer sans interruption topologique l'axe de balancier. Elles forment ainsi une virole fermée, par opposition à une virole fendue.
  • Dans ce document, par « partie indéformable » ou par « partie rigide », on entend une partie ne se déformant pas ou sensiblement pas lors du fonctionnement ou lors du montage de l'ensemble monolithique sur l'axe de balancier ou une partie dont la déformation n'est pas recherchée et/ou n'exerce pas de fonction lors du fonctionnement ou lors du montage de l'ensemble monolithique.
  • Dans ce document, par « partie déformable », on entend une partie se déformant élastiquement lors du fonctionnement ou lors du montage de l'ensemble monolithique sur l'axe de balancier ou une partie dont la déformation élastique est recherchée ou exerce une fonction lors du fonctionnement ou lors du montage de l'ensemble monolithique.
  • Selon un aspect de l'invention, l'ensemble monolithique ressort spiral - virole comprend :
    • une première partie de réception destinée à venir en appui contre un axe de balancier,
    • une deuxième partie de réception destinée à venir en appui contre l'axe de balancier,
    • une première partie de liaison destinée à relier les première et deuxième parties de réception, et
    • une deuxième partie de liaison destiné à relier les première et deuxième parties de réception.
  • Ces différentes parties sont de préférence incluses dans une virole.

Claims (16)

  1. Ensemble monolithique ressort spiral - virole (1) comprenant :
    - une première partie de réception ne se déformant pas ou sensiblement pas lors du fonctionnement ou lors du montage de l'ensemble monolithique sur l'axe de balancier et destinée à venir en appui contre un axe de balancier,
    - une deuxième partie de réception ne se déformant pas ou sensiblement pas lors du fonctionnement ou lors du montage de l'ensemble monolithique sur l'axe de balancier et destinée à venir en appui contre l'axe de balancier,
    - une première partie de liaison se déformant élastiquement lors du fonctionnement ou lors du montage de l'ensemble monolithique sur l'axe de balancier et destinée à relier les première et deuxième parties de réception,
    - une deuxième partie de liaison se déformant élastiquement lors du fonctionnement ou lors du montage de l'ensemble monolithique sur l'axe de balancier et destinée à relier les première et deuxième parties de réception, et
    - un élément apte à entourer continûment l'axe de balancier et comprenant les parties de réception et les parties de liaison.
  2. Ensemble monolithique selon la revendication 1, dans lequel :
    - les parties de liaison occupent 50% et plus, voire entre 50% et 90%, voire entre 60% et 80%, de la longueur totale du contour extérieur de la virole, et/ou
    - chaque partie de liaison occupe un secteur d'angle mesuré depuis le centre de la virole supérieur ou égal à 90°, voire compris entre 90° et 160°, voire compris entre 110° et 145°, et/ou
    - chaque partie de liaison présente une portion distante de l'axe de balancier d'au moins 0.5 fois le rayon de l'axe de balancier, voire d'au moins 0.9 fois le rayon de l'axe de balancier, une fois l'ensemble monté sur l'axe de balancier, et/ou
    - les parties de réception sont en regard l'une de l'autre, notamment à 180° l'une de l'autre par rapport au centre de la virole, et/ou
    - chaque partie de liaison est principalement sollicitée en flexion, une fois l'ensemble monolithique monté sur l'axe de balancier.
  3. Ensemble monolithique selon l'une des revendications 1 à 2, dans lequel :
    - une lame du ressort spiral est attachée ou liée directement à une partie de réception, notamment, dans le cas d'un ensemble comportant un double spiral, dans lequel chaque lame est attachée à une partie de réception différente, et/ou
    - une ouverture centrale de la virole destinée à recevoir un axe de balancier est non circulaire, et/ou
    - le contour de l'ouverture centrale de la virole (1) comprend, sur une même partie de réception, au moins une surface d'appui (2,3 ; 4,5) pour l'axe de balancier.
  4. Ensemble monolithique selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le contour de l'ouverture centrale de la virole (1) comprend, sur une même partie de réception, au moins une paire de surfaces d'appui (2,3 ; 4,5) pour l'axe de balancier, les tangentes aux surfaces d'appui (2,3) aux points d'appui de cette paire formant entre elles un angle (α) supérieur à 90 degrés et inférieur à 170 degrés.
  5. Ensemble monolithique selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le contour de l'ouverture centrale de la virole (1) comprend deux paires (2,3 ; 4,5) de surfaces d'appui.
  6. Ensemble monolithique selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel les surfaces d'appui (2,3 ; 4,5) sont au moins partiellement situées sur des bras (6,7 ; 8,9) ou extensions s'étendant depuis le corps des parties de réception.
  7. Ensemble monolithique selon l'une des revendications 4 à 6, dans lequel des surfaces d'appui sont planes ou à courbure négative ou à courbure positive avec un rayon supérieur à 0,51 fois le diamètre (dmax) du cercle inscrit dans une ouverture centrale de la virole.
  8. Ensemble monolithique selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel :
    - deux parties de réception sont disposées à 180° l'une de l'autre par rapport à l'axe de la virole, et/ou
    - les différentes parties de liaison ont une géométrie identique et/ou les différentes parties de réception ont une géométrie identique.
  9. Ensemble monolithique selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel :
    - le ressort spiral est un ressort spiral double comprenant une première lame dont le point d'attache (10) à la virole (1) est relié à une première partie de réception et une deuxième lame dont le point d'attache (11) à la virole (1) est relié à une deuxième partie de réception, et/ou,
    - l'ensemble étant en silicium, éventuellement avec une couche externe et/ou une couche interne en oxyde de silicium, et/ou
    - l'ensemble étant réalisé en un matériau fragile ou en un matériau ne présentant pas de domaine de déformation plastique..
  10. Ensemble monolithique selon l'une des revendications 1 à 9, dont la géométrie de la virole a une symétrie de réflexion d'ordre 2 et/ou dont la géométrie de la virole a une symétrie de rotation d'ordre 2.
  11. Ensemble monolithique selon l'une des revendications 1 à 10 dans lequel le ou les point (s) d'attache du spiral simple ou double est (sont) plus proche(s) de l'ouverture centrale de la virole que ne l'est le contour de la virole.
  12. Ensemble monolithique selon l'une des revendications 1 à 11, l'ensemble comprenant une virole (100) comprenant un alésage (101) destiné à recevoir un axe de balancier, au moins une première partie (102) et une deuxième partie (103), les première et deuxième parties étant séparées par un plan (104) perpendiculaire à l'axe (107) de l'alésage, un élément (105) d'attache de la virole à un ressort spiral étant exclusivement situé sur la première partie et un élément (106) de liaison de la virole à l'axe de balancier étant essentiellement, voire exclusivement, situé sur la deuxième partie.
  13. Procédé de fabrication d'un ensemble monolithique selon la revendication 12, dans lequel on réalise le ressort spiral sur une partie différente de celle où se trouvent les surfaces d'appui de la virole contre l'axe de balancier.
  14. Procédé de fabrication selon la revendication 13, dans lequel on utilise comme matériau de départ une tranche SOI dont la couche de SiO2 a une épaisseur supérieure à 3 microns.
  15. Oscillateur comprenant un ensemble monolithique selon l'une des revendications 1 à 12 et un axe de balancier à section circulaire.
  16. Mouvement horloger ou pièce d'horlogerie comprenant un ensemble monolithique selon l'une des revendications 1 à 12 ou comprenant un oscillateur selon la revendication précédente.
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