EP4310598A1 - Method for monitoring and manufacturing timepiece hairsprings - Google Patents
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- EP4310598A1 EP4310598A1 EP22185552.1A EP22185552A EP4310598A1 EP 4310598 A1 EP4310598 A1 EP 4310598A1 EP 22185552 A EP22185552 A EP 22185552A EP 4310598 A1 EP4310598 A1 EP 4310598A1
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- G04B—MECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
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- G04D7/10—Measuring, counting, calibrating, testing or regulating apparatus for hairsprings of balances
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- G04D7/1257—Timing devices for clocks or watches for comparing the rate of the oscillating member with a standard wherein further adjustment devices are present
- G04D7/1271—Timing devices for clocks or watches for comparing the rate of the oscillating member with a standard wherein further adjustment devices are present for the control mechanism only (from outside the clockwork)
Definitions
- the present invention relates to the field of control and manufacturing of parts for watchmaking.
- the invention relates more particularly to a method for controlling and manufacturing watch spiral springs, otherwise called resonators.
- the movements of mechanical watches are regulated by means of a mechanical regulator or oscillator comprising a resonator, that is to say an elastically deformable component whose oscillations determine the running of the watch.
- a mechanical regulator or oscillator comprising a resonator, that is to say an elastically deformable component whose oscillations determine the running of the watch.
- Many watches include, for example, an oscillator comprising a hairspring as a resonator, mounted on the axis of a balance wheel and set into oscillation thanks to an escapement.
- the natural frequency of the balance-spring couple makes it possible to regulate the movement of the watch and depends on several parameters, in particular the stiffness of the balance-spring and the operating temperature.
- the stiffness of the hairspring also defines its intrinsic vibrational characteristics, such as the natural frequency and resonance frequencies.
- the natural frequency of an elastic system is the frequency at which this system oscillates when it is in free evolution, that is to say without an exciting force.
- a resonance frequency of an elastic system is a frequency at which a local maximum of displacement amplitude can be measured for a given point of the system elastic.
- the displacement amplitude follows an upward slope before this resonance frequency, and follows a downward slope after, in all point which does not correspond to a vibration node.
- the recording of the displacement amplitude as a function of the excitation frequency presents a displacement amplitude peak or resonance peak which is associated with or which characterizes the resonance frequency.
- the natural frequency of the regulating member formed by the hairspring of stiffness R coupled to a balance wheel of inertia I is in particular proportional to the square root of the stiffness of the hairspring.
- the main specification of a spiral spring is its stiffness, which must be within a well-defined interval to be able to be paired with a balance wheel, which forms the inertial element of the oscillator. This pairing operation is essential to precisely adjust the frequency of a mechanical oscillator.
- silicon spirals can be manufactured on a single wafer using micro-manufacturing technologies. It is particularly known to produce a plurality of silicon resonators with very high precision using photolithography and machining/etching processes in a silicon wafer.
- the methods for producing these mechanical resonators generally use monocrystalline silicon wafers, but wafers made of other materials can also be used, for example polycrystalline or amorphous silicon, other semiconductor materials, glass, ceramic, carbon, carbon nanotubes or a composite comprising these materials.
- monocrystalline silicon belongs to the cubic crystal class m3m whose thermal expansion coefficient (alpha) is isotropic.
- the characteristics of the oscillator are as stable as possible, in order to have a rate of the watch which is also stable, with in particular as few differences in rate as possible depending on the operating temperature (summer -winter, wristwatch worn or not worn).
- Silicon has a very negative value of the first thermoelastic coefficient, and consequently, the stiffness of a silicon resonator, and therefore its natural frequency, varies greatly depending on the temperature.
- the documents EP1422436 , EP2215531 And WO2016128694 describe a spiral type mechanical resonator made from a core (or two cores in the case of WO2016128694 ) in monocrystalline silicon and whose temperature variations in Young's modulus are compensated by a layer of amorphous silicon oxide (SiO2) surrounding the core (or cores), the latter being one of the rare materials presenting a positive thermoelastic coefficient .
- SiO2 amorphous silicon oxide
- thermal coefficient CT which depends in particular on the thermal coefficient of Young's modulus, the thermal coefficient of expansion of the hairspring and the thermal coefficient of expansion of the balance wheel.
- the silicon hairsprings and their thermo-compensation therefore make it possible to adjust the terms of equation 5 relating to the hairspring to obtain a thermal coefficient CT of the oscillator.
- the final functional yield will be given by the number of hairsprings whose stiffness corresponds to the pairing interval, divided by the total number of hairsprings. spirals on the plate.
- the micro-fabrication and more particularly etching steps used in the manufacture of hairsprings on a wafer typically result in a significant geometric dispersion between the dimensions of the hairsprings on the same wafer, and therefore in a significant dispersion between their stiffness, notwithstanding that the engraving pattern is the same for each hairspring.
- the measured stiffness dispersion normally follows a Gaussian distribution. In order to optimize manufacturing yield, we are therefore interested in centering the average of the Gaussian distribution on a nominal stiffness value and also in reducing the standard deviation of this Gaussian.
- the documents WO2015113973 And EP3181938 propose to remedy this problem by forming a hairspring with dimensions greater than the dimensions necessary to obtain a hairspring of a predetermined stiffness, by measuring the stiffness of this hairspring formed by coupling it with a balance wheel equipped with a predetermined inertia, by calculating the thickness of material to be removed to obtain the dimensions necessary to obtain the hairspring with the predetermined stiffness, and by removing this thickness from the hairspring.
- the document EP3181939 proposes to remedy this same problem by forming a hairspring according to dimensions smaller than the dimensions necessary to obtain a hairspring of a predetermined stiffness, by determining the stiffness of this hairspring formed by coupling it with a balance wheel equipped with a predetermined inertia, by calculating the thickness of material to be added to obtain the dimensions necessary to obtain the hairspring with the predetermined stiffness, and by adding this thickness of material to the hairspring.
- the stiffness dispersion curve Rd1, Rd2, etc. can be refocused in relation to a nominal stiffness value Rnom.
- the present invention aims to propose an approach free from the above drawbacks, which allows a faster production flow and/or with less risk of pollution(s), and/or greater sampling, and/or a more precise measurement of the thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or of the thermal coefficient (CT) of a watch system including the hairspring, and therefore a more individualized correction of the hairsprings of the plate to obtain watch systems including walking is little or not disturbed by temperature variations.
- CTE Young's modulus
- CT thermal coefficient
- the method according to the implementation above comprises a step of vibratory excitation of the hairspring or the hairspring blank and the measurement of a characteristic of a resonance frequency, to then deduce by prediction a thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or a thermal coefficient (CT) of a watch system including the hairspring.
- CTE Young's modulus
- CT thermal coefficient
- the vibration excitation is applied to the part or the unitary blank, not coupled to any balance, weight or oscillating system.
- the process makes it possible to control unitary and free parts (that is to say with at least one free end, not attached to any mechanism or balance), which provides at least the advantages of productivity gains (no assembly with an oscillating system), gains in quality (no pollution of parts, no breakage, and more parts can be tested within the same budget), gains in precision (no errors linked to other components of 'an oscillating system).
- the determination of the thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring or of the hairspring blank by the method according to the invention is well suited for oxidized parts for which the thickness of the balance is not precisely known. oxide layer at this stage of the manufacturing process.
- CTE Young's modulus
- the vibration excitation can be carried out with a shock device which applies excitation to the part to be tested in a relatively short time.
- a shock device which applies excitation to the part to be tested in a very short time (over a period of less than a second, less than 500 ms, less than 100 ms, less than 10 ms).
- the shock device can apply a shock to the balance spring or to its support to make the parts vibrate.
- An impact hammer or any device with a moving mass can be used.
- provision can be made to apply the shock to the plate, or to a fixture supporting the plate.
- the parts begin to vibrate and we can record the vibration response over time, to extract resonance peaks and their frequencies from this measurement, for example with a Fourrier transform.
- the vibration excitation is applied to the hairspring or to the hairspring blank having a free end (typically the central ferrule) and another end fixed to the plate or to a clamp.
- a free end typically the central ferrule
- the vibratory excitation is applied to a mass (located at the center of gravity of the hairspring) connected to a frame of reference (a gripping pliers for a hairspring alone, or the rest of a substrate or a plate for a blank, for example made of silicon and not detached) by a spring (the elastic part of the hairspring).
- the vibrational excitation sets the suspended mass in motion.
- the method according to the implementation above therefore makes it possible to test spiral blanks during manufacture while limiting the risks of pollution or assembly errors. A dimensional correction (section, height and/or thickness) and/or additional treatment(s) are then possible.
- the method according to the implementation above also makes it possible to test completed hairsprings for example to carry out a classification by increments of stiffness, or to plan a pairing with a particular balance wheel.
- the first resonant frequency is used to determine a parameter different from the thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or the thermal coefficient (CT) of a watch system comprising the hairspring , such as for example stiffness or a defect in the hairspring or the hairspring blank.
- the second resonance frequency is used to determine the thermal coefficient of Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or the thermal coefficient (CT) of a watch system comprising the hairspring.
- the first vibrational excitation step makes it possible to determine a stiffness or the presence of a defect
- the second vibrational excitation step makes it possible to determine the thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or the thermal coefficient (CT) of a watch system.
- CTE Young's modulus
- CT thermal coefficient
- a planar resonance mode is a resonance mode in which the different parts of the hairspring or the hairspring blank move mainly in the plane of the part at rest. If this plane is defined by directions X and Y, with a direction Z normal to the plane, then the displacements in X or Y are greater than or equal to the displacements in Z. In an out-of-plane resonance mode, the displacements in Z are greater than or equal to the displacements in X or Y, and preferably the displacements in Z are two to three times greater than the displacements in It is seen that an oxidized part can present significantly different frequencies of out-of-plane resonance modes compared to the same non-oxidized parts. Consequently, to predict a thermal coefficient of Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or a thermal coefficient (CT) of a watch system including the hairspring precisely, it may be preferable to take into account a resonance mode out of plan.
- CTE Young's modulus
- CT thermal coefficient
- step b. may consist of identifying a characteristic of a resonance frequency sensitive to the thermal coefficient of the hairspring or the hairspring blank.
- the frequency range of the spectrum obtained does not only depend on the source of vibration excitation but also on the sensor of the measuring instrument used.
- the frequency range is linked both to the excitation frequency range and to the frequency range over which the measurement instrument the amplitude of oscillation (vibrometer or other) is sensitive.
- the excitation frequency range will be chosen so as to include at least one resonance frequency of the hairspring or blank tested.
- the predetermined resonance frequency that the hairspring must present once finished can be a target natural frequency or a target resonance frequency, or a target natural frequency range, or a target resonance frequency range defined by a tolerance around a target value.
- the characteristic of a resonance frequency is a characteristic of the oscillatory response measured over a predetermined frequency range, comprising at least one resonance frequency.
- a characteristic is typically identified after processing a raw measurement signal (for example measurement of the amplitudes or speeds or accelerations of movement of certain points of the hairspring or of the hairspring blank), the processing being able to include for example a transform of Fourier to identify resonance peaks and therefore resonance frequencies.
- the method can determine a thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or a thermal coefficient (CT) of a watch system comprising the hairspring to classify the part, and/or to predict a pairing with other particular components and/or to then calculate/deduce a dimensional correction and/or additional treatment(s) to be applied to obtain a thermal coefficient of the target Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or a coefficient thermal (CT) target of a watch system including the hairspring.
- CTE Young's modulus
- CT coefficient thermal
- the frequency range is applied simultaneously to a plurality of hairsprings or hairspring blanks.
- the speed is improved, because it is typically possible to impose the vibrational excitation on a plate supporting several hundred hairspring blanks, which would for example still be attached to the plate.
- the hairspring can have at least two expected predetermined resonance frequencies, and the frequency range is predetermined to cover at least the two expected predetermined resonance frequencies. By covering or sweeping a wide frequency range, multiple resonance peaks (or resonant frequencies) can be measured, which can provide greater accuracy.
- step a comprises the use of a source, such as a piezoelectric source, making it possible to induce or impose acoustic excitation on a edge of a plate supporting the spiral blank , or preferably on, or even under the hairspring or the hairspring blank to be specifically excited.
- a source such as a piezoelectric source
- the acoustic source can be coupled to an excitation cone chosen to excite at least one hairspring or a hairspring blank.
- the acoustic source can be coupled to an excitation cone chosen to excite at least part and preferably all of the spiral blanks.
- step b comprises the use of an optical measuring means, such as a laser Doppler effect vibrometer.
- step b can be based on a measurement over time of an amplitude or a speed or an acceleration of movement of at least one point of the balance spring or of the blank of spiral, preferably carried out at least partially during step a.
- the characteristic of the resonant frequency can be identified based on the width of the resonance peak, at half height of the maximum value of the resonance peak.
- step b comprises a step of processing the measurement signal with for example a Fourier transform, to identify resonance peaks of displacement amplitude or speed or acceleration, and/or of phase, depending on the excitation frequency.
- the thermal coefficient prediction machine can be a calculation machine for predicting or calculating from the frequency characteristics the thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or the thermal coefficient (CT) of a watch system including the hairspring.
- the prediction machine is not a regulated or self-regulated or feedback loop system for adjusting a resonant frequency in response to measurement and comparison with a target value.
- the thermal coefficient prediction machine can implement a classification carried out for example by a neural network to predict the thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or the thermal coefficient (CT) of a watch system including the hairspring.
- CTE Young's modulus
- CT thermal coefficient
- the thermal coefficient prediction machine can implement a regression method, for example a linear regression to predict the thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or the thermal coefficient (CT) of a watch system including the hairspring.
- a regression method for example a linear regression to predict the thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or the thermal coefficient (CT) of a watch system including the hairspring.
- the thermal coefficient prediction machine can implement a classification based on partitioning into k-means or k-medians to predict the thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or or the thermal coefficient (CT) of a watch system including the hairspring.
- CTE Young's modulus
- CT thermal coefficient
- control method may comprise a preliminary step consisting of taking into account the material of the hairspring or the hairspring blank, and of adjusting a maximum amplitude of the vibrational excitation and/or a frequency range of the predetermined frequency range depending on the material of the hairspring or the hairspring blank.
- step c. determines that the thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or the thermal coefficient (CT) of a watch system comprising the hairspring is outside a range of expected values
- the method may comprise at least one step consisting of identifying or isolating or retouching or discarding the hairspring or the hairspring blank.
- step c. determines that the thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or the thermal coefficient (CT) of a watch system comprising the hairspring is outside a range of expected values
- the method may comprise at least one step consisting of defining a step of processing the hairspring or the hairspring blank, such as a thermo-compensation, oxidation or deoxidation step, to obtain the thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring and /or the thermal coefficient (CT) of a watch system including the hairspring in the range of expected values
- step a. is carried out for a plurality of hairsprings or hairspring blanks attached to a plate, and if step c. determines that the thermal coefficient of Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or the thermal coefficient (CT) of a watch system comprising the hairspring is outside a range of expected values for first hairsprings or first blanks of hairsprings and included in the range of expected values for second hairsprings or second hairspring blanks, then we can plan to detach only the second hairsprings or second hairspring blanks and provide a step of processing the first hairsprings or first hairsprings of hairspring blanks, such as a thermo-compensation, oxidation or deoxidation step, to obtain the thermal coefficient of Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or the thermal coefficient (CT) of a system watchmaker including the hairspring within the range of expected values.
- CTE Young's modulus
- CT thermal coefficient
- step a and step b are repeated at least several times for the same measuring point of the hairspring or the hairspring blank.
- step a and step b are synchronized.
- Such synchronization provides the possibility of detecting a phase shift, or an attenuation, or a coupling whose taking into account can improve the precision of the prediction, or make it possible to adjust or realign the source of vibration excitation.
- the manufacturing process may comprise a step consisting of: C/ identify or isolate or retouch or discard the hairspring or the hairspring blank formed during step A/, if step c. determines that the thermal coefficient of Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or the thermal coefficient (CT) of a watch system including the hairspring is outside a range of expected values.
- CTE Young's modulus
- CT thermal coefficient
- the hairspring blank can be formed on a plate, with a plurality of other hairspring blanks.
- THE figures 3A-3F are a simplified representation of a method of manufacturing a mechanical resonator 100 on a plate 10.
- the resonator is in particular intended to equip a regulating member of a timepiece and, according to this example, is in the shape of a silicon spiral spring 100 which is intended to equip a balance wheel with a mechanical watch movement.
- Plate 10 is illustrated in Figure 3A as an SOI wafer (“silicon on insulator”) and comprises a substrate or “handler” 20 carrying a sacrificial layer of silicon oxide (SiO 2 ) 30 and a layer of monocrystalline silicon 40.
- the substrate 20 may have a thickness of 500 ⁇ m
- sacrificial layer 30 may have a thickness of 2 ⁇ m
- silicon layer 40 may have a thickness of 120 ⁇ m.
- the monocrystalline silicon layer 40 can have any crystalline orientation.
- lithography we mean all the operations making it possible to transfer an image or pattern on or above the wafer 10 to the latter.
- the layer 40 is covered with a protective layer 50, for example made of a polymerizable resin.
- This layer 50 is structured, typically by a photolithography step using an ultraviolet light source as well as, for example, a photo mask (or another type of exposure mask) or a stepper and reticle system. This structuring by lithography forms the patterns for the plurality of resonators in layer 50, as illustrated in Figure 3C .
- the patterns are machined, in particular engraved, to form the plurality of resonators 100 in the layer 40.
- the etching can be carried out by a deep reactive ion etching technique (also known by the acronym DRIE for “Deep Reactive Ion Etching”). . After etching, the remaining part of the protective layer 50 is subsequently eliminated.
- the resonators are released from the substrate 20 by locally removing the sacrificial layer 30 or even by etching all or part of the silicon from the substrate or handler 20. Smoothing (not illustrated) of the etched surfaces can also take place before the release step, for example example by one step thermal oxidation followed by a deoxidation step, consisting for example of wet etching based on hydrofluoric acid (HF).
- HF hydrofluoric acid
- the turns 110 of the silicon resonator 100 are covered with a layer 120 of silicon oxide (SiO2), typically by a thermal oxidation step to produce a thermo-compensated resonator.
- This layer 120 which generally has a thickness of 2-5 ⁇ m, also affects the final stiffness of the resonator and therefore must be taken into account during the previous steps to obtain vibrational characteristics of the hairspring leading to obtaining a particular natural frequency of the hairspring-balance couple in a given watch mechanism.
- the different resonators formed in the wafer generally have a significant geometric dispersion between them and therefore a significant dispersion between their stiffnesses, notwithstanding that the stages of formation of the patterns and the machining/engraving through these patterns are the same for all resonators.
- the above description relates to silicon resonators 100, but we can consider making the resonators in glass, ceramic, carbon nanotubes, or even metal.
- the metal hairspring or detached from the plate is pinched or taken as a reference by a tool which positions it opposite the emission source and the displacement measuring device.
- the stiffness of the hairspring can be measured in a so-called static manner, that is to say without putting the hairspring into oscillation, but by determining its torque.
- An alternative to the method described in this last document consists of carrying out a torque measurement using a rheometer, as marketed by the company Anton Paar.
- a device provided for this purpose is illustrated on the Figure 4 .
- the spring 200 it makes it possible to arrange the spring 200 to be evaluated on a mounting 202, and to position it so that it can be fixed at the level of its last turn by a holding member 204. Once the last turn fixed, the installation 202 is distant from the hairspring 200 which is thus completely free from any elastic constraint.
- the head of the rheometer 206 is then positioned opposite the ferrule of the hairspring.
- the present invention proposes to determine at least one characteristic of a resonance frequency of a sample of resonators 100 on the wafer in step 3F, to deduce a thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or a thermal coefficient (CT) of a watch system comprising the hairspring and possibly in step 3E, to deduce a stiffness and/or a structural defect.
- CTE Young's modulus
- CT thermal coefficient
- the invention proposes to determine at least one characteristic of a resonance frequency of a sample of resonators by vibration measurement and apply a predictive method (for example a digital model or a classification or categorization method) to connect the result of said vibration measurement to the identification of the thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or the thermal coefficient (CT) of a watch system comprising the hairspring.
- a predictive method for example a digital model or a classification or categorization method
- the result of the prediction can be used to validate produced parts, and/or decide on additional processing to correct the thermal coefficient of Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or the thermal coefficient (CT) of a watch system comprising the hairspring and/or scrapping non-compliant parts in terms of thermal coefficient of Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or thermal coefficient (CT) of a watch system including the hairspring.
- CTE Young's modulus
- CT thermal coefficient
- control process into a manufacturing process to obtain parts capable of reaching, maintaining, generating a particular and predetermined natural oscillation frequency and independent of temperature variations, once the resonators are each coupled to a balance wheel of a given watch mechanism.
- the measurements can be carried out following a particular sampling, for example according to a sampling range of 4, 2 or 1 Hz.
- a sampling range of 4, 2 or 1 Hz for example, the resolution for processing the acquisition data according to for example a Fourier transform depends directly from the duration of this acquisition.
- a signal sampling frequency of at least 600 kHz if the frequency range extends up to 300 kHz for example.
- FIG. 5 schematically represents a silicon wafer 25 on which a plurality of spiral blanks 200 are formed.
- a source of vibration excitation 400 is coupled to the wafer 25, so as to be able to impose vibration excitation. Consequently, each hairspring blank 200 will begin to vibrate, and a laser vibrometer 300, here focused on a point of the right-hand hairspring blank 200, will be able to measure the vibration amplitudes of the measuring point over time.
- a laser vibrometer 300 here focused on a point of the right-hand hairspring blank 200, will be able to measure the vibration amplitudes of the measuring point over time.
- the laser vibrometer 300 can be moved to another measuring point on the balance spring blank 200, or move to another balance spring blank 200 on the plate 25. Of course, one can alternatively move the balance spring blank 200. 'spring blank 200 compared to the laser vibrometer.
- FIG. 6 represents an example of vibrational excitation over time.
- the excitation frequency varies over time, between 0 Hz and 50 kHz (but we can plan to go up to 300 kHz), and we can impose a succession of rising edges, each spaced of a period of rest without excitement.
- we can impose a plurality of rising edges between 2 rising edges and 60 rising edges, each lasting between 0.5 s and 2 s for example.
- a step can be provided consisting of identifying points of the resonator for which the vibration response is significant. Indeed, in the case of a hairspring to which a vibration is imposed, especially if the frequency varies over time, the vibration response will cause nodes to appear on the hairspring, that is to say particular points of the hairspring whose amplitude of movement is small or zero. If a displacement measurement is made at a point on the hairspring that turns out to be a node at a particular frequency(ies), the identification of resonant frequency characteristics will be negatively affected.
- a preliminary step of measuring displacement on a plurality of predetermined points of the hairspring for example at least ten predetermined points, preferably at least twenty predetermined points, and very preferably at least thirty of predetermined points.
- this preliminary step of measuring amplitude on the predetermined points we can plan to identify resonance frequencies for each measurement point, and then a step of selecting reference points for which the measurement of amplitude of displacement during excitation shows that they are not nodes at these resonant frequencies.
- the identified nodes present, at at least one resonant frequency, a displacement amplitude of zero or less than a first threshold peak value, and these points forming nodes are separated from the reference points to be considered for subsequent measurements.
- the reference points are different depending on the position of the balance spring blank 200 on the plate 25.
- the ferrule can be considered non-deformable during vibrational excitation and all the points of the ferrule exhibit similar displacements/movements/vibrations. Consequently, a small error in locating the measuring point on the ferrule will have little impact on the final result.
- a step can be provided consisting of giving a particular orientation to the direction of excitation and/or the direction of measurement.
- a measurement direction or an axial direction of a laser beam from the measuring device perpendicular to the part to be tested to maximize the precision of measurement of displacements perpendicular to the plane formed by the part at rest.
- a measurement direction or an axial direction of a laser beam from the measuring device inclined relative to the part to be tested to maximize the precision of measuring the displacements contained in the plane formed by the part at rest.
- this preliminary sampling makes it possible to test single parts in good conditions (measurement errors and interference are limited) to choose the best test conditions for the parts that remain attached to the substrate.
- the area of the curve located between 25% and 75% of the maximum amplitude value of the resonance peak has better precision than the part above 75% (typically the peak), which offers better precision on the exact frequency of determined resonance. For example, we can take the middle of the segment connecting the two points halfway up the resonance peak to determine the resonance frequency associated with the peak in question.
- FIG. 7 represents an example of a vibration spectrum for a point of a balance spring 200 of the Figure 5 free of defects, reconstructed from measurements of the displacement amplitude of the measuring point considered in response to the vibratory excitation of the Figure 6 , between 10 kHz and 15 kHz.
- between 10 and 250 amplitude peaks can typically be identified if the vibrational excitation sweeps over a frequency range between 0 Hz and 300 kHz. Each peak amplitude has a resonant frequency, and peak amplitudes vary greatly.
- FIG 8 represents in detail the processing that can be done on an amplitude peak for a part free of defects, that at 11 kHz for example.
- the goal is to find the resonant frequency and give it as precise a value as possible. Instead of basing this treatment on the maximum value of the peak, the applicant realized that better precision could be achieved by determining the length of the segment connecting the rising part and the falling part of the curve, halfway up the peak.
- the resonant frequency typically being the value in the middle of this segment.
- FIG. 9 represents, for the example of an amplitude peak at approximately 10 kHz, the amplitude peaks constructed for around ten hairspring blanks 200 tested. It can be noted that from one spiral blank to another, the frequency position of the amplitude peak varies (from approximately 9.8 kHz to 10.02 kHz), and that the maximum displacement amplitude varies in a ratio of 1 to 5 approximately. Since the tops of amplitude peaks are not truly symmetrical, it may be wise to determine the resonant frequency based on the width of the peak at half height. We can also use the width of the peak at half height to determine damping, and compare this damping to a reference value.
- an optional first measurement can be carried out on the parts described Figure 3E to estimate the stiffness of non-oxidized parts, to determine whether dimensional correction is required or not.
- the invention proposes to make a second measurement to determine a thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or a coefficient thermal (CT) of a watch system including the hairspring.
- CTE Young's modulus
- CT coefficient thermal
- Two alternatives can be implemented.
- a predetermined balance directly to the resonator still attached to the plate, and measure a natural frequency of oscillation of the resonator - balance wheel couple to compare this natural frequency with an expected natural frequency and above all calculate the real stiffness or actual dimensions based on equations 1 to 3 above.
- a second alternative we can finish manufacturing the resonators tested, in order to mount or couple them with a balance wheel individually to measure here again a natural frequency of oscillation of the resonator - balance wheel couple.
- the stiffness can also be deduced from a measurement of reaction torque at the shell using a rheometer.
- the acquired signal represents the evolution of the torque as a function of the amplitude. Analysis of the slope of this curve for low amplitudes (linear part) makes it possible to deduce the stiffness, and then the dimensions of the resonator bar. We can then determine the dimensions of the hairspring bar.
- a high-resolution 3D X-ray tomography approach would make it possible to extract point clouds giving the 3D material density of the hairsprings, and, through appropriate image reconstruction, a map of the hairspring section.
- These different types of data make it possible to deduce the dimensions of the bar from the bar and to estimate the stiffness of the hairspring using a geometric approach.
- Another approach consists of analyzing the forced oscillations of a hairspring on a reference balance wheel with an escapement.
- a laser measurement of the passage times of the balance arms (point clouds), as presented above, makes it possible to measure the frequency and deduce the stiffness.
- An alternative can be considered based on an acoustic acquisition (Witschi type microphone) which records the shocks of the different operating phases of the escapement/anchor system.
- the measured data are either point clouds of the moments of passage of the balance arms, or the temporal evolution of the sound pressure level.
- reference data To be able to predict the stiffness, reference data must first be established or constructed, such as a reference spectrum.
- oscillation amplitude measurements are carried out on physical resonators, and resonance frequencies are identified.
- this database can be constructed from numerical simulations on a finite element model of a hairspring. These simulations make it possible to generate reference spectra or oscillation periods associated with stiffnesses.
- This database can also be supplemented by experimental measurements by measuring vibration spectra, oscillation periods and the positions of hairsprings on the plate as well as their associated stiffnesses.
- One of the advantages of this approach lies in the fact that the training database is enriched as the tests are carried out. This can make it possible to have an adaptive model depending on the plates and hairsprings and contributes to the reduction of the standard deviation in stiffness on the plates.
- This database can be used to build a prediction model, and several solutions are offered.
- a digital model for example polynomial, to calculate, as a function of a resonant frequency value, a real thickness, a dimensional correction or a real stiffness.
- a neural network for example a perceptron
- a classification according to stiffness or dimensions of the bar, the classes being able to be defined by increments of values.
- the learning phase includes a test phase (excitation of resonators with measurement of vibration characteristics to reconstruct a vibration spectrum and identify resonance frequencies).
- a phase of measuring the stiffness and/or dimensions of the resonator bar is also carried out.
- the established prediction model has good sensitivity, that is to say that for two different input values, the model gives two distinct output values.
- the sensitivity of the prediction model was not the same for all the resonance peaks.
- the slope coefficient is 0.0015 10 -7 N.mm/Hz.
- the leading coefficient could be larger for high resonance frequencies, which provides better prediction sensitivity, to predict distinct stiffness or dimensional correction values, even from close resonance frequency values.
- the resonance modes in particular the modes of deformation and/or movement of the resonators
- the resonance modes could differ significantly, which can also affect the sensitivity of the prediction of stiffness and/or dimensional correction. It is advantageous to provide, during the learning phase, a step of comparing the sensitivity of the prediction to choose to subsequently consider this or that resonance frequency and not another to predict as precisely as possible a stiffness and /or a dimensional correction depending on the vibration response.
- the learning phase makes it possible to choose either resonance peaks at high frequencies and/or resonance peaks which correspond to particular resonance modes making it possible to predict precise and reliable values, and the frequency range will be predetermined. to include at least one resonance peak and preferably several, to be able to make either a a single prediction as precise as possible, or several predictions (one per resonance peak deemed interesting) to then carry out cross-checking, averages or even adjustments of the predicted values.
- the control process can typically be carried out on hairspring blanks made on a plate and still attached to this plate, so as to estimate the stiffness and/or the dimensions of the bar of the hairsprings of the sample, in order to determine whether a correction dimension is to be provided.
- the correction step then consists of adding material, as for example described in the document EP3181939 aforementioned.
- the method consisting of identifying resonant frequencies by imposing vibratory excitation on the hairspring blanks alone, makes it possible to quickly obtain measurement data, without having to, for example, carry out assembly operations on a balance wheel, while limiting measurement errors. measure because only the hairspring blank is tested (there are no errors that could be linked to the balance, such as its mass, its mounting position, etc.).
- the resonant frequency was significantly affected by different oxidation values (implying variations in the thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring and therefore variations in the thermal coefficient (CT) of a watch system including the hairspring) for certain resonance modes only.
- Step 3 can be carried out by detaching the parts measured in step 1 and mounting them in a reference movement, and the progress of these movements can be measured according to the three temperatures 8°C, 23°C, 38° vs.
- a thermal coefficient prediction machine can use it to predict, for example from resonance frequency data for an out-of-plane resonance mode having a high resonance frequency, the thermal coefficient of Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or the thermal coefficient (CT) of a watch system including the hairspring.
- CTE Young's modulus
- CT thermal coefficient
- the thermal coefficient prediction machine can receive as input the reference of the watch device in question, or its value or contribution to the thermal coefficient.
- the different parameters which intervene in the CT of the movement are constant and do not constitute adjustment variables.
- CT thermal coefficient
- thermo-compensation step oxidation and/or deoxidation
- the data taken from the vibration response and used for these predictions of stiffness or presence of defects are not necessarily the same as those for the prediction of thermal coefficient and we can even consider that in a preferred manner, the data taken from the vibration response and used are different and distinct from those for the prediction of the thermal coefficient.
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Abstract
Procédé de contrôle d'un spiral ou d'une ébauche de spiral agencée pour former un spiral, le procédé de contrôle comportant les étapes suivantes :a. appliquer au spiral ou à l'ébauche de spiral une excitation vibratoire variable au cours du temps pour couvrir une plage fréquentielle prédéterminée,b. identifier au moins une caractéristique d'une fréquence de résonance du spiral ou de l'ébauche de spiral, telle qu'un pic de résonance, lors de ou en réponse à l'excitation vibratoire sur la plage fréquentielle prédéterminée,c. soumettre à une machine de prédiction de coefficient thermique la caractéristique de fréquence de résonance identifiée à l'étape b. pour déterminer un coefficient thermique du module de Young (CTE) du spiral et/ou un coefficient thermique (CT) d'un système horloger comprenant le spiral.Method for controlling a hairspring or a hairspring blank arranged to form a hairspring, the control method comprising the following steps: a. apply to the hairspring or the hairspring blank a vibrational excitation which varies over time to cover a predetermined frequency range,b. identify at least one characteristic of a resonance frequency of the hairspring or the hairspring blank, such as a resonance peak, during or in response to the vibrational excitation over the predetermined frequency range,c. submitting to a thermal coefficient prediction machine the resonant frequency characteristic identified in step b. to determine a thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or a thermal coefficient (CT) of a watch system comprising the hairspring.
Description
La présente invention se rapporte au domaine du contrôle et de la fabrication de pièces pour l'horlogerie. L'invention concerne plus particulièrement un procédé de contrôle et de fabrication de ressorts spiraux d'horlogerie, autrement appelés résonateurs.The present invention relates to the field of control and manufacturing of parts for watchmaking. The invention relates more particularly to a method for controlling and manufacturing watch spiral springs, otherwise called resonators.
Les mouvements de montres mécaniques sont régulés au moyen d'un régulateur ou oscillateur mécanique comprenant un résonateur, c'est-à-dire un composant déformable élastiquement et dont les oscillations déterminent la marche de la montre. De nombreuses montres comportent par exemple un oscillateur comprenant un spiral comme résonateur, monté sur l'axe d'un balancier et mis en oscillation grâce à un échappement. La fréquence propre du couple balancier-spiral permet de réguler la marche de la montre et dépend de plusieurs paramètres, notamment la raideur du spiral et la température de fonctionnement.The movements of mechanical watches are regulated by means of a mechanical regulator or oscillator comprising a resonator, that is to say an elastically deformable component whose oscillations determine the running of the watch. Many watches include, for example, an oscillator comprising a hairspring as a resonator, mounted on the axis of a balance wheel and set into oscillation thanks to an escapement. The natural frequency of the balance-spring couple makes it possible to regulate the movement of the watch and depends on several parameters, in particular the stiffness of the balance-spring and the operating temperature.
En effet, la fréquence f de l'organe régulateur formé par le spiral de raideur R accouplé à un balancier d'inertie I est donnée par la formule :
La raideur du spiral définit également ses caractéristiques vibratoires intrinsèques, comme la fréquence propre et les fréquences de résonance. Dans la présente demande, la fréquence propre d'un système élastique (un résonateur seul ou un couple résonateur - balancier) est la fréquence à laquelle oscille ce système lorsqu'il est en évolution libre, c'est-à-dire sans force excitatrice. Par ailleurs, une fréquence de résonance d'un système élastique (par exemple le résonnateur seul) soumis à une force excitatrice est une fréquence à laquelle on peut mesurer un maximum local d'amplitude de déplacement pour un point donné du système élastique. En d'autres termes, si le système élastique est excité avec une source d'excitation de fréquence variable au cours du temps, l'amplitude de déplacement suit une pente ascendante avant cette fréquence de résonance, et suit une pente descendante après, en tout point qui ne correspond pas à un noeud de vibration. Typiquement, lors d'un tel essai, l'enregistrement de l'amplitude de déplacement en fonction de la fréquence d'excitation présente un pic d'amplitude de déplacement ou pic de résonance qui est associé ou qui caractérise la fréquence de résonance.The stiffness of the hairspring also defines its intrinsic vibrational characteristics, such as the natural frequency and resonance frequencies. In the present application, the natural frequency of an elastic system (a single resonator or a resonator - balance wheel pair) is the frequency at which this system oscillates when it is in free evolution, that is to say without an exciting force. . Furthermore, a resonance frequency of an elastic system (for example the resonator alone) subjected to an exciting force is a frequency at which a local maximum of displacement amplitude can be measured for a given point of the system elastic. In other words, if the elastic system is excited with an excitation source of variable frequency over time, the displacement amplitude follows an upward slope before this resonance frequency, and follows a downward slope after, in all point which does not correspond to a vibration node. Typically, during such a test, the recording of the displacement amplitude as a function of the excitation frequency presents a displacement amplitude peak or resonance peak which is associated with or which characterizes the resonance frequency.
La raideur d'un résonateur de type spiral dépend typiquement des caractéristiques du matériau dans lequel il est réalisé, ainsi que de ses dimensions et en particulier de l'épaisseur (c'est-à-dire de la largeur) de ses spires le long de son barreau. La raideur est donnée plus spécifiquement par :
- ϕ, l'angle de torsion du ressort, et
- M, le couple de rappel du ressort spiral,
- où M, pour un barreau de section constante constitué d'un matériau spécifique, est donné par :
- E, le module d'Young du matériau employé pour le barreau,
- L, la longueur du barreau,
- h, la hauteur du barreau, et
- e, l'épaisseur ou la largeur du barreau.
- ϕ , the twist angle of the spring, and
- M, the return torque of the spiral spring,
- where M, for a bar of constant section made of a specific material, is given by:
- E , the Young's modulus of the material used for the bar,
- L , the length of the bar,
- h, the height of the bar, and
- e, the thickness or width of the bar.
Comme cela sera expliqué plus en détail ci-dessous, la température de fonctionnement est un paramètre influent sur la marche de l'organe régulateur, on peut dériver l'équation 1 par rapport à la température T, et on trouve :
- T, la température courante,
- T0, une température de référence,
- αS, le coefficient de dilatation thermique du spiral
- αB , le coefficient de dilatation thermique de la serge de balancier.
- T , the current temperature,
- T 0 , a reference temperature,
- α S , the coefficient of thermal expansion of the hairspring
- α B , the coefficient of thermal expansion of the balance rim.
On peut réécrire cette équation 4 comme ci-dessous :
- CT : le coefficient thermique de l'oscillateur (secondes par jour et par degré),
- CTE : le coefficient thermique de module de Young (K-1), ou autrement appelé coefficient thermo-élastique.
- CT: the thermal coefficient of the oscillator (seconds per day and per degree),
- CTE: Young's thermal modulus coefficient (K -1 ), or otherwise called thermo-elastic coefficient.
La fréquence propre de l'organe régulateur formé par le spiral de raideur R accouplé à un balancier d'inertie I est notamment proportionnelle à la racine carrée de la raideur du spiral. La spécification principale d'un ressort spiral est sa raideur, qui doit se trouver dans un intervalle bien défini pour pouvoir être appairé avec un balancier, qui forme l'élément inertiel de l'oscillateur. Cette opération d'appairage est indispensable pour régler précisément la fréquence d'un oscillateur mécanique.The natural frequency of the regulating member formed by the hairspring of stiffness R coupled to a balance wheel of inertia I is in particular proportional to the square root of the stiffness of the hairspring. The main specification of a spiral spring is its stiffness, which must be within a well-defined interval to be able to be paired with a balance wheel, which forms the inertial element of the oscillator. This pairing operation is essential to precisely adjust the frequency of a mechanical oscillator.
L'importance des champs magnétiques dans l'environnement moderne, a poussé les horlogers à utiliser depuis quelques années, des spiraux en silicium, moins sensible aux perturbations magnétiques que des spiraux métalliques.The importance of magnetic fields in the modern environment has pushed watchmakers to use silicon hairsprings in recent years, which are less sensitive to magnetic disturbances than metal hairsprings.
Très avantageusement, on peut fabriquer plusieurs centaines de spiraux en silicium sur une seule plaquette (en anglais « wafer ») en utilisant les technologies de micro-fabrication. Il est notamment connu de réaliser une pluralité de résonateurs en silicium avec une très haute précision en utilisant des procédés de photolithographie et d'usinage / gravure dans une plaquette en silicium. Les procédés de réalisation de ces résonateurs mécaniques utilisent généralement des plaquettes de silicium monocristallin, mais des plaquettes en d'autres matériaux sont également utilisables, par exemple en silicium polycristallin ou amorphe, en d'autres matériaux semi-conducteurs, en verre, en céramique, en carbone, en nanotubes de carbone ou en un composite comprenant ces matériaux. Pour sa part, le silicium monocristallin appartient à la classe cristalline cubique m3m dont le coefficient d'expansion thermique (alpha) est isotrope.Very advantageously, several hundred silicon spirals can be manufactured on a single wafer using micro-manufacturing technologies. It is particularly known to produce a plurality of silicon resonators with very high precision using photolithography and machining/etching processes in a silicon wafer. The methods for producing these mechanical resonators generally use monocrystalline silicon wafers, but wafers made of other materials can also be used, for example polycrystalline or amorphous silicon, other semiconductor materials, glass, ceramic, carbon, carbon nanotubes or a composite comprising these materials. For its part, monocrystalline silicon belongs to the cubic crystal class m3m whose thermal expansion coefficient (alpha) is isotropic.
Il est très important que les caractéristiques de l'oscillateur soient aussi stables que possible, afin d'avoir une marche de la montre qui soit également stable, avec en particulier le moins de différences de marche possibles en fonction de la température de fonctionnement (été-hiver, montre bracelet portée ou non portée).It is very important that the characteristics of the oscillator are as stable as possible, in order to have a rate of the watch which is also stable, with in particular as few differences in rate as possible depending on the operating temperature (summer -winter, wristwatch worn or not worn).
Le silicium présente une valeur du premier coefficient thermoélastique très négative, et par conséquent, la raideur d'un résonateur en silicium, et donc sa fréquence propre, varie fortement selon la température. Afin de compenser au moins partiellement cet inconvénient, les documents
Lorsque l'on réalise des spiraux en silicium ou en un autre matériau par fabrication collective sur une plaquette, le rendement fonctionnel final sera donné par le nombre de spiraux dont la raideur correspond à l'intervalle d'appairage, divisé par le nombre total de spiraux sur la plaquette.When hairsprings are made from silicon or another material by collective manufacturing on a wafer, the final functional yield will be given by the number of hairsprings whose stiffness corresponds to the pairing interval, divided by the total number of hairsprings. spirals on the plate.
Cependant, les étapes de micro-fabrication et plus particulièrement de gravure, employées dans la fabrication de spiraux sur une plaquette résultent typiquement en une dispersion géométrique importante entre les dimensions des spiraux d'une même plaquette, et donc d'une dispersion importante entre leurs raideurs, nonobstant que le motif de gravure est le même pour chaque spiral. La dispersion de raideur mesurée suit normalement une distribution gaussienne. Afin d'optimiser le rendement de fabrication, on s'intéresse donc à centrer la moyenne de la distribution gaussienne sur une valeur de raideur nominale et également à réduire l'écart-type de cette gaussienne.However, the micro-fabrication and more particularly etching steps used in the manufacture of hairsprings on a wafer typically result in a significant geometric dispersion between the dimensions of the hairsprings on the same wafer, and therefore in a significant dispersion between their stiffness, notwithstanding that the engraving pattern is the same for each hairspring. The measured stiffness dispersion normally follows a Gaussian distribution. In order to optimize manufacturing yield, we are therefore interested in centering the average of the Gaussian distribution on a nominal stiffness value and also in reducing the standard deviation of this Gaussian.
De plus, la dispersion de raideurs est encore plus grande entre des spiraux de deux plaquettes gravées à des moments différents suivant les mêmes spécifications de procédé. Ce phénomène est montré à la
Les documents
De cette manière, comme le démontre la
Cette approche nécessite une grande précision au niveau de la mesure de la fréquence du spiral pour déterminer sa raideur. En particulier, des erreurs de mesure peuvent être causées par le balancier d'inertie prédéterminée, ou par le montage effectué. On doit ensuite réaliser une étape de calcul de l'épaisseur à retirer pour, à nouveau, retirer avec une grande précision l'épaisseur calculée. De plus, on peut noter que l'accouplement du spiral avec le balancier doté d'une inertie prédéterminée nécessite des opérations minutieuses et requérant un temps de préparation élevé. Enfin, on peut également noter que toute opération d'assemblage sur des pièces ou ébauches encore présentes sur une plaquette augmente significativement le risque de pollution (par exemple présence des fines particules de silicium (débris) produits lors des manipulations).This approach requires great precision in measuring the frequency of the hairspring to determine its stiffness. In particular, measurement errors can be caused by the balance of predetermined inertia, or by the assembly carried out. We must then carry out a step of calculating the thickness to be removed in order, once again, to remove the calculated thickness with great precision. In addition, it can be noted that the coupling of the hairspring with the balance having a predetermined inertia requires careful operations requiring a lot of preparation time. Finally, we can also note that any assembly operation on parts or blanks still present on a wafer significantly increases the risk of pollution (for example presence of fine silicon particles (debris) produced during handling).
La présente invention a pour but de proposer une approche exempte des inconvénients ci-dessus, qui permette un flux de production plus rapide et/ou avec moins de risques de pollution(s), et/ou un échantillonnage plus important, et/ou une mesure plus précise du coefficient thermique du module de Young (CTE) du spiral et/ou du coefficient thermique (CT) d'un système horloger comprenant le spiral, et donc une correction plus individualisée des spiraux de la plaquette pour obtenir des systèmes horlogers dont la marche est peu ou pas perturbée par des variations de température.The present invention aims to propose an approach free from the above drawbacks, which allows a faster production flow and/or with less risk of pollution(s), and/or greater sampling, and/or a more precise measurement of the thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or of the thermal coefficient (CT) of a watch system including the hairspring, and therefore a more individualized correction of the hairsprings of the plate to obtain watch systems including walking is little or not disturbed by temperature variations.
De façon plus précise, un premier aspect de l'invention concerne un procédé de contrôle d'un spiral ou d'une ébauche de spiral agencée pour former un spiral, le procédé de contrôle comportant les étapes suivantes :
- a. appliquer au spiral ou à l'ébauche de spiral une excitation vibratoire variable au cours du temps pour couvrir une plage fréquentielle prédéterminée,
- b. identifier au moins une caractéristique d'une fréquence de résonance du spiral ou de l'ébauche de spiral, telle qu'un pic de résonance, lors de ou en réponse à l'excitation vibratoire sur la plage fréquentielle prédéterminée,
- c. soumettre à une machine de prédiction de coefficient thermique la caractéristique de fréquence de résonance identifiée à l'étape b. pour déterminer un coefficient thermique du module de Young (CTE) du spiral et/ou un coefficient thermique (CT) d'un système horloger comprenant le spiral.
- has. apply to the hairspring or the hairspring blank a vibrational excitation which varies over time to cover a predetermined frequency range,
- b. identify at least one characteristic of a resonance frequency of the hairspring or the hairspring blank, such as a resonance peak, during or in response to vibrational excitation over the predetermined frequency range,
- vs. submitting to a thermal coefficient prediction machine the resonant frequency characteristic identified in step b. to determine a thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or a thermal coefficient (CT) of a watch system comprising the hairspring.
Le procédé selon la mise en oeuvre ci-dessus comprend une étape d'excitation vibratoire du spiral ou de l'ébauche de spiral et la mesure d'une caractéristique d'une fréquence de résonance, pour en déduire ensuite par prédiction un coefficient thermique du module de Young (CTE) du spiral et/ou un coefficient thermique (CT) d'un système horloger comprenant le spiral. Il n'y a pas de montage avec un balancier ou un autre composant, ce qui permet de gagner du temps. De plus, la mesure est effectuée sur les spiraux ou les ébauches seul(es), ce qui limite les erreurs induites par d'autres composants ou leur montage, ainsi que des pollutions éventuelles. La précision de mesure est améliorée car il y a moins de sources de variabilité dues à d'autres composants ou à des pollutions. Autrement dit, le spiral ou l'ébauche de spiral est testé(e) seul(e). L'excitation vibratoire est appliquée à la pièce ou à l'ébauche unitaire, non accouplée à un quelconque balancier, poids ou système oscillant. Le procédé permet de contrôler les pièces unitaires et libres (c'est-à-dire avec au moins une extrémité libre, non attachée à un quelconque mécanisme ou balancier), ce qui apporte au moins des avantages de gains de productivité (pas de montage avec un système oscillant), des gains de qualité (pas de pollution des pièces, ni de casse, et plus de pièces peuvent être testées dans le même budget), un gain de précision (pas d'erreur liée à d'autres composants d'un système oscillant).The method according to the implementation above comprises a step of vibratory excitation of the hairspring or the hairspring blank and the measurement of a characteristic of a resonance frequency, to then deduce by prediction a thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or a thermal coefficient (CT) of a watch system including the hairspring. There is no assembly with a balancer or other component, which saves time. In addition, the measurement is carried out on the hairsprings or blanks alone, which limits errors induced by other components or their assembly, as well as possible pollution. Measurement accuracy is improved because there are fewer sources of variability due to other components or pollution. In other words, the hairspring or the hairspring blank is tested alone. The vibration excitation is applied to the part or the unitary blank, not coupled to any balance, weight or oscillating system. The process makes it possible to control unitary and free parts (that is to say with at least one free end, not attached to any mechanism or balance), which provides at least the advantages of productivity gains (no assembly with an oscillating system), gains in quality (no pollution of parts, no breakage, and more parts can be tested within the same budget), gains in precision (no errors linked to other components of 'an oscillating system).
On notera que la détermination du coefficient thermique du module de Young (CTE) du spiral ou de l'ébauche de spiral par le procédé selon l'invention est bien adaptée pour des pièces oxydées pour lesquelles on ne connaît pas précisément l'épaisseur de la couche d'oxyde à ce stade du procédé de fabrication. Avec la présente invention, on peut aisément obtenir le coefficient thermique du module de Young (CTE) du spiral oxydé ou de l'ébauche de spiral oxydée, qui sont en quelque sorte des pièces composites (cœur ou âme en silicium, avec une coque en oxyde de silicium).It will be noted that the determination of the thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring or of the hairspring blank by the method according to the invention is well suited for oxidized parts for which the thickness of the balance is not precisely known. oxide layer at this stage of the manufacturing process. With the present invention, one can easily obtain the thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the oxidized hairspring or the oxidized hairspring blank, which are in a way composite parts (heart or soul in silicon, with a shell in silicon oxide).
Selon un mode de réalisation, l'excitation vibratoire peut être effectuée avec un dispositif à choc qui applique dans un temps assez bref une excitation à la pièce à tester. Autrement dit, on peut prévoir d'imposer un déplacement ou une accélération aux pièces à tester dans un temps très bref (sur une durée de moins d'une seconde, moins de 500 ms, moins de 100 ms, moins de 10 ms). En particulier, le dispositif à choc peut appliquer un choc au spiral ou à son support pour faire vibrer les pièces. On peut utiliser un marteau à choc ou tout dispositif avec une masse mobile. Dans le cas de pièces attachées à une plaquette, on peut prévoir d'appliquer le choc sur la plaquette, ou sur un posage supportant la plaquette. En fonction de la pièce à tester et de sa position sur la plaquette, on peut prévoir d'appliquer le choc à une endroit particulier sur la plaquette et/ou selon une direction particulière. Les pièces entrent en vibration et on peut enregistrer au cours du temps la réponse vibratoire, pour extraire de cette mesure des pics de résonance et leurs fréquences, avec par exemple une transformée de Fourrier.According to one embodiment, the vibration excitation can be carried out with a shock device which applies excitation to the part to be tested in a relatively short time. In other words, we can plan to impose a movement or acceleration on the parts to be tested in a very short time (over a period of less than a second, less than 500 ms, less than 100 ms, less than 10 ms). In particular, the shock device can apply a shock to the balance spring or to its support to make the parts vibrate. An impact hammer or any device with a moving mass can be used. In the case of parts attached to a plate, provision can be made to apply the shock to the plate, or to a fixture supporting the plate. Depending on the part to be tested and its position on the wafer, it is possible to plan to apply the shock to a particular location on the wafer and/or in a particular direction. The parts begin to vibrate and we can record the vibration response over time, to extract resonance peaks and their frequencies from this measurement, for example with a Fourrier transform.
Selon un mode de réalisation, le système horloger comprenant le spiral peut comprendre :
- le spiral, et un balancier,
- le spiral, un balancier, et un dispositif d'échappement, comme un échappement à ancre,
- le spiral, un balancier, un dispositif d'échappement, et un rouage, comme un rouage de finissage,
- l'intégralité du mouvement de la montre, y-compris le spiral.
- the hairspring, and a balance wheel,
- the hairspring, a balance wheel, and an escapement device, such as an anchor escapement,
- the hairspring, a balance wheel, an escapement device, and a gear train, like a finishing gear train,
- the entire movement of the watch, including the hairspring.
Selon un mode de réalisation, l'excitation vibratoire est appliquée au spiral ou à l'ébauche de spiral ayant une extrémité libre (typiquement la virole centrale) et une autre extrémité fixée à la plaquette ou à une pince. D'un point de vue mécanique, on peut considérer schématiquement que l'excitation vibratoire est appliquée à une masse (située au centre de gravité du spiral) reliée à un référentiel (une pince de préhension pour un spiral seul, ou le reste d'un substrat ou d'une plaque pour une ébauche par exemple en silicium et pas détachée) par un ressort (la partie élastique du spiral). L'excitation vibratoire met en mouvement la masse suspendue.According to one embodiment, the vibration excitation is applied to the hairspring or to the hairspring blank having a free end (typically the central ferrule) and another end fixed to the plate or to a clamp. From a mechanical point of view, we can consider schematically that the vibratory excitation is applied to a mass (located at the center of gravity of the hairspring) connected to a frame of reference (a gripping pliers for a hairspring alone, or the rest of a substrate or a plate for a blank, for example made of silicon and not detached) by a spring (the elastic part of the hairspring). The vibrational excitation sets the suspended mass in motion.
On peut aussi noter que s'il est déterminé qu'il faut apporter une correction dimensionnelle et/ou un traitement supplémentaire(s) à la pièce testée (ou à l'ensemble des pièces unitaires attachées à une même plaquette, ou encore aux pièces unitaires attachées à une zone d'une plaquette, incluant ou non la pièce testée), cela peut se faire sur la (ou les) pièce(s) unitaire(s) sans redémonter quoi que ce soit (on peut prévoir par exemple d'appliquer directement en sortie de test une oxydation sur une pièce en silicium). On peut donc prévoir d'apporter ou d'enlever de la matière sur la (ou les) pièce(s) unitaire(s), de faire un dopage pour faire varier des valeurs intrinsèques (raideur, coefficient thermique du module de Young (CTE) du spiral). Autrement dit, la correction dimensionnelle et/ou le traitement supplémentaire(s) sont effectués sur la (ou les) pièce(s) unitaire(s).It can also be noted that if it is determined that it is necessary to make a dimensional correction and/or additional treatment(s) to the part tested (or to all the unit parts attached to the same wafer, or even to the parts units attached to an area of a wafer, including or not the part tested), this can be done on the unitary part(s) without dismantling anything (for example, we can provide apply oxidation directly on a silicon part at the test output). We can therefore plan to add or remove material from the unitary part(s), to do doping to vary intrinsic values (stiffness, thermal coefficient of Young's modulus (CTE ) of the hairspring). In other words, the dimensional correction and/or additional treatment(s) are carried out on the unit part(s).
Le procédé selon la mise en oeuvre ci-dessus permet donc de tester des ébauches de spiraux en cours de fabrication en limitant les risques de pollution ou d'erreurs de montage. Une correction dimensionnelle (de section, de hauteur et/ou d'épaisseur) et/ou un traitement supplémentaire(s) sont alors possibles. Le procédé selon la mise en oeuvre ci-dessus permet tout aussi bien de tester des spiraux terminés pour par exemple effectuer un classement par incréments de raideur, ou pour prévoir un appairage avec un balancier particulier.The method according to the implementation above therefore makes it possible to test spiral blanks during manufacture while limiting the risks of pollution or assembly errors. A dimensional correction (section, height and/or thickness) and/or additional treatment(s) are then possible. The method according to the implementation above also makes it possible to test completed hairsprings for example to carry out a classification by increments of stiffness, or to plan a pairing with a particular balance wheel.
Selon un mode de réalisation,
- l'étape b. peut comprendre :
- b1. une première étape d'identification pouvant comprendre l'identification d'une première caractéristique d'une première fréquence de résonance telle qu'un premier pic de résonance,
- b2. une deuxième étape d'identification pouvant comprendre l'identification d'une deuxième caractéristique d'une deuxième fréquence de résonance telle qu'un deuxième pic de résonance, la deuxième fréquence de résonance étant différente de la première fréquence de résonance,
- et l'étape c. peut comprendre :
- c1. une première étape de prédiction pouvant consister à soumettre à une autre machine de prédiction la première caractéristique de la première fréquence de résonance pour déterminer un paramètre différent du coefficient thermique du module de Young (CTE) du spiral et/ou du coefficient thermique (CT) d'un système horloger comprenant le spiral, tel qu'une raideur ou un défaut du spiral ou de l'ébauche de spiral,
- c2. une deuxième étape de prédiction pouvant consister à soumettre à la machine de prédiction de coefficient thermique la deuxième caractéristique de la deuxième fréquence de résonance pour déterminer le coefficient thermique du module de Young (CTE) du spiral et/ou le coefficient thermique (CT) d'un système horloger comprenant le spiral.
- step b. may include:
- b1. a first identification step which may include the identification of a first characteristic of a first resonance frequency such as a first resonance peak,
- b2. a second identification step which may include the identification of a second characteristic of a second resonance frequency such as a second resonance peak, the second resonance frequency being different from the first resonance frequency,
- and step c. may include:
- c1. a first prediction step which may consist of submitting the first characteristic of the first resonance frequency to another prediction machine to determine a parameter different from the thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or the thermal coefficient (CT) of a watch system comprising the hairspring, such as stiffness or a defect in the hairspring or the hairspring blank,
- c2. a second prediction step which may consist of submitting to the thermal coefficient prediction machine the second characteristic of the second resonance frequency to determine the thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or the thermal coefficient (CT) d 'a watchmaking system including the hairspring.
Selon le mode de réalisation ci-dessus, la première fréquence de résonance est utilisée pour déterminer un paramètre différent du coefficient thermique du module de Young (CTE) du spiral et/ou du coefficient thermique (CT) d'un système horloger comprenant le spiral, comme par exemple une raideur ou un défaut du spiral ou de l'ébauche de spiral. La deuxième fréquence de résonance est utilisée quant à elle pour déterminer le coefficient thermique du module de Young (CTE) du spiral et/ou le coefficient thermique (CT) d'un système horloger comprenant le spiral. Autrement dit, deux fréquences différentes sont retenues ou identifiées pour prédire ou calculer deux paramètres distincts (raideur ou présence d'un défaut d'une part, le coefficient thermique du module de Young (CTE) du spiral et/ou le coefficient thermique (CT) d'un système horloger d'autre part).According to the above embodiment, the first resonant frequency is used to determine a parameter different from the thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or the thermal coefficient (CT) of a watch system comprising the hairspring , such as for example stiffness or a defect in the hairspring or the hairspring blank. The second resonance frequency is used to determine the thermal coefficient of Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or the thermal coefficient (CT) of a watch system comprising the hairspring. In other words, two different frequencies are retained or identified to predict or calculate two distinct parameters (stiffness or presence of a defect on the one hand, the thermal coefficient of Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or the thermal coefficient (CT ) of a watchmaking system on the other hand).
Selon un mode de réalisation, les étapes b1 et b2 peuvent être séparées par une étape de thermo-compensation telle qu'une étape d'oxydation, et l'étape a. peut comprendre :
- a1. une première étape d'excitation vibratoire, pouvant être effectuée avant l'étape b1. et consistant à appliquer au spiral ou à l'ébauche de spiral une première excitation vibratoire variable au cours du temps pour couvrir une première plage fréquentielle prédéterminée,
- a2. une deuxième étape d'excitation vibratoire, pouvant être effectuée avant l'étape b2. et consistant à appliquer au spiral oxydé ou à l'ébauche de spiral oxydée une deuxième excitation vibratoire variable au cours du temps pour couvrir la première plage fréquentielle prédéterminée ou une deuxième plage fréquentielle prédéterminée.
- a1. a first vibrational excitation step, which can be carried out before step b1. and consisting of applying to the hairspring or the hairspring blank a first vibrational excitation variable over time to cover a first predetermined frequency range,
- a2. a second vibrational excitation step, which can be carried out before step b2. and consisting of applying to the oxidized hairspring or to the oxidized hairspring blank a second vibrational excitation which varies over time to cover the first predetermined frequency range or a second predetermined frequency range.
Selon la mise en oeuvre ci-dessus, la première étape d'excitation vibratoire permet de déterminer une raideur ou la présence d'un défaut, et la deuxième étape d'excitation vibratoire permet de déterminer le coefficient thermique du module de Young (CTE) du spiral et/ou le coefficient thermique (CT) d'un système horloger. On peut imposer des excitations vibratoires différentes entre les étapes a1 et a2.According to the implementation above, the first vibrational excitation step makes it possible to determine a stiffness or the presence of a defect, and the second vibrational excitation step makes it possible to determine the thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or the thermal coefficient (CT) of a watch system. Different vibrational excitations can be imposed between stages a1 and a2.
Selon un mode de réalisation,
- l'étape a. peut être mise en œuvre après une étape d'oxydation,
- et les étapes b1. et b2. peuvent prendre en compte ou peuvent se baser sur la même réponse vibratoire du spiral ou de l'ébauche de spiral. Autrement dit, une première partie de la réponse vibratoire est exploitée pour identifier la première fréquence de résonance et une deuxième partie de la même réponse vibratoire est exploitée pour identifier la deuxième fréquence de résonance.
- step a. can be implemented after an oxidation step,
- and steps b1. and b2. can take into account or can be based on the same vibration response of the hairspring or the hairspring blank. In other words, a first part of the vibration response is used to identify the first resonance frequency and a second part of the same vibration response is used to identify the second resonance frequency.
Selon un mode de réalisation :
- la première fréquence de résonance peut être choisie pour être une fréquence de résonance d'un mode de résonance plan, de préférence pour des fréquences de résonance élevées, par exemple supérieures à 40 kHz, ou supérieures à 60 kHz, et/ou
- la deuxième fréquence de résonance peut être choisie pour être une fréquence de résonance d'un mode de résonance hors plan.
- the first resonance frequency can be chosen to be a resonance frequency of a planar resonance mode, preferably for high resonance frequencies, for example greater than 40 kHz, or greater than 60 kHz, and/or
- the second resonance frequency may be chosen to be a resonance frequency of an out-of-plane resonance mode.
Selon la mise en œuvre ci-dessus, on peut considérer qu'un mode de résonance plan est un mode de résonance dans lequel les différentes parties du spiral ou de l'ébauche de spiral se déplacent principalement dans le plan de pièce au repos. Si ce plan est défini par des directions X et Y, avec une direction Z normale au plan, alors les déplacements en X ou Y sont supérieurs ou égaux aux déplacements en Z. Dans un mode de résonance hors plan, les déplacements en Z sont supérieurs ou égaux aux déplacements en X ou Y, et de préférence les déplacements en Z sont deux à trois fois supérieurs aux déplacements en X ou Y. La demanderesse s'est aperçue qu'une pièce oxydée peut présenter des fréquences de modes de résonnance hors plan significativement différentes comparativement aux mêmes pièces non oxydées. En conséquence, pour prédire un coefficient thermique du module de Young (CTE) du spiral et/ou un coefficient thermique (CT) d'un système horloger comprenant le spiral de manière précise, il peut être préférable de prendre en compte un mode de résonance hors plan.According to the implementation above, we can consider that a planar resonance mode is a resonance mode in which the different parts of the hairspring or the hairspring blank move mainly in the plane of the part at rest. If this plane is defined by directions X and Y, with a direction Z normal to the plane, then the displacements in X or Y are greater than or equal to the displacements in Z. In an out-of-plane resonance mode, the displacements in Z are greater than or equal to the displacements in X or Y, and preferably the displacements in Z are two to three times greater than the displacements in It is seen that an oxidized part can present significantly different frequencies of out-of-plane resonance modes compared to the same non-oxidized parts. Consequently, to predict a thermal coefficient of Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or a thermal coefficient (CT) of a watch system including the hairspring precisely, it may be preferable to take into account a resonance mode out of plan.
Selon un mode de réalisation,la première fréquence de résonance peut être inférieure à la deuxième fréquence de résonance et/ou :
- la première fréquence de résonance peut être choisie dans une plage de valeurs allant de 0 Hz à 100 kHz, de préférence de 0 Hz à 50 kHz, plus préférentiellement de 0 Hz à 40 kHz, et très préférentiellement de 10 kHz à 35 kHz, et/ou
- la deuxième fréquence de résonance peut être choisie dans une plage de valeurs allant de 0 Hz à 300 kHz, de préférence de 50 kHz à 250 kHz, plus préférentiellement de 60 kHz à 200 kHz, et très préférentiellement de 100 kHz à 200 kHz. La demanderesse s'est aperçue qu'une pièce oxydée peut présenter des fréquences de modes de résonnance significativement différentes comparativement aux mêmes pièces non oxydées pour des fréquences de résonance supérieures à 40 kHz, de préférence supérieures à 50 kHz et très préférentiellement supérieures à 60 kHz. En conséquence, pour prédire un coefficient thermique du module de Young (CTE) du spiral et/ou un coefficient thermique (CT) d'un système horloger comprenant le spiral de manière précise, il peut être préférable de prendre en compte des modes de résonance avec des fréquences de résonnance élevées.
- the first resonance frequency can be chosen in a range of values going from 0 Hz to 100 kHz, preferably from 0 Hz to 50 kHz, more preferably from 0 Hz to 40 kHz, and very preferably from 10 kHz to 35 kHz, and /Or
- the second resonant frequency can be chosen in a range of values going from 0 Hz to 300 kHz, preferably from 50 kHz to 250 kHz, more preferably from 60 kHz to 200 kHz, and very preferably from 100 kHz to 200 kHz. The applicant has noticed that an oxidized part can present significantly different resonance mode frequencies compared to the same non-oxidized parts for resonance frequencies greater than 40 kHz, preferably greater than 50 kHz and very preferably greater than 60 kHz . Consequently, to predict a thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or a thermal coefficient (CT) of a watch system including the hairspring precisely, it may be preferable to take into account resonance modes with high resonance frequencies.
Selon un mode de réalisation, l'étape b. peut consister à identifier une caractéristique d'une fréquence de résonance sensible au coefficient thermique du spiral ou de l'ébauche de spiral.According to one embodiment, step b. may consist of identifying a characteristic of a resonance frequency sensitive to the thermal coefficient of the hairspring or the hairspring blank.
Bien entendu, la plage fréquentielle du spectre obtenu ne dépend pas que de la source d'excitation vibratoire mais aussi du capteur de l'instrument de mesure utilisé. Ainsi, la plage fréquentielle est liée à la fois à la plage fréquentielle d'excitation et à la plage fréquentielle sur laquelle l'instrument de mesure de l'amplitude d'oscillation (vibromètre ou autre) est sensible. Cependant, la plage fréquentielle d'excitation sera choisie de sorte à inclure au moins une fréquence de résonance du spiral ou de l'ébauche testé(e).Of course, the frequency range of the spectrum obtained does not only depend on the source of vibration excitation but also on the sensor of the measuring instrument used. Thus, the frequency range is linked both to the excitation frequency range and to the frequency range over which the measurement instrument the amplitude of oscillation (vibrometer or other) is sensitive. However, the excitation frequency range will be chosen so as to include at least one resonance frequency of the hairspring or blank tested.
La fréquence de résonance prédéterminée que doit présenter le spiral une fois fini peut être une fréquence propre cible ou une fréquence de résonance cible, ou une plage de fréquence propre cible, ou une plage de fréquence de résonance cible définies par une tolérance autour d'une valeur cible.The predetermined resonance frequency that the hairspring must present once finished can be a target natural frequency or a target resonance frequency, or a target natural frequency range, or a target resonance frequency range defined by a tolerance around a target value.
Dans le procédé ci-dessus, la caractéristique d'une fréquence de résonance est une caractéristique de la réponse oscillatoire mesurée sur une plage fréquentielle prédéterminée, comprenant au moins une fréquence de résonance. Une telle caractéristique est typiquement identifiée après traitement d'un signal brut de mesure (par exemple mesure des amplitudes ou vitesses ou accélérations de déplacement de certains points du spiral ou de l'ébauche de spiral), le traitement pouvant inclure par exemple une transformée de Fourier pour identifier des pics de résonance et donc des fréquences de résonance.In the above method, the characteristic of a resonance frequency is a characteristic of the oscillatory response measured over a predetermined frequency range, comprising at least one resonance frequency. Such a characteristic is typically identified after processing a raw measurement signal (for example measurement of the amplitudes or speeds or accelerations of movement of certain points of the hairspring or of the hairspring blank), the processing being able to include for example a transform of Fourier to identify resonance peaks and therefore resonance frequencies.
On peut noter que le procédé peut déterminer un coefficient thermique du module de Young (CTE) du spiral et/ou un coefficient thermique (CT) d'un système horloger comprenant le spiral pour opérer un classement de la pièce, et/ou pour prévoir un appairage avec d'autres composants particuliers et/ou pour ensuite calculer / déduire une correction dimensionnelle et/ou un traitement supplémentaire(s) à appliquer pour obtenir un coefficient thermique du module de Young (CTE) cible du spiral et/ou un coefficient thermique (CT) cible d'un système horloger comprenant le spiral. On peut toutefois prendre uniquement en compte la fréquence de résonance identifiée pour directement calculer / déduire une correction dimensionnelle et/ou un traitement supplémentaire(s) à appliquer pour obtenir un coefficient thermique du module de Young (CTE) cible du spiral et/ou un coefficient thermique (CT) cible d'un système horloger comprenant le spiral.It can be noted that the method can determine a thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or a thermal coefficient (CT) of a watch system comprising the hairspring to classify the part, and/or to predict a pairing with other particular components and/or to then calculate/deduce a dimensional correction and/or additional treatment(s) to be applied to obtain a thermal coefficient of the target Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or a coefficient thermal (CT) target of a watch system including the hairspring. However, we can only take into account the identified resonance frequency to directly calculate/deduce a dimensional correction and/or additional treatment(s) to be applied to obtain a thermal coefficient of Young's modulus (CTE) target for the hairspring and/or a target thermal coefficient (CT) of a watch system including the hairspring.
Selon un mode de réalisation, à l'étape a, la plage fréquentielle est appliquée simultanément à une pluralité de spiraux ou d'ébauches de spiraux. La rapidité est améliorée, car on peut typiquement imposer l'excitation vibratoire à une plaquette supportant plusieurs centaines d'ébauches de spiral, qui seraient par exemple encore attachées à la plaquette.According to one embodiment, in step a, the frequency range is applied simultaneously to a plurality of hairsprings or hairspring blanks. The speed is improved, because it is typically possible to impose the vibrational excitation on a plate supporting several hundred hairspring blanks, which would for example still be attached to the plate.
Selon un mode de réalisation, la plage fréquentielle est prédéterminée pour englober au moins une plage de fréquences :
- centrée sur la fréquence de résonance prédéterminée, et
- d'une étendue d'au moins 30% de la fréquence de résonance prédéterminée, c'est-à-dire ±15% de la fréquence de résonance prédéterminée. Par exemple, si la fréquence de résonance prédéterminée est de 1 kHz, alors la plage fréquentielle ira de 850 Hz à 1150 Hz.
- centered on the predetermined resonance frequency, and
- with an extent of at least 30% of the predetermined resonance frequency, that is to say ±15% of the predetermined resonance frequency. For example, if the predetermined resonance frequency is 1 kHz, then the frequency range will be from 850 Hz to 1150 Hz.
Selon un mode de réalisation, le spiral peut présenter au moins deux fréquences de résonance prédéterminées attendues, et la plage fréquentielle est prédéterminée pour couvrir au moins les deux fréquences de résonance prédéterminées attendues. En couvrant ou balayant une large plage de fréquences, on peut mesurer plusieurs pics de résonance (ou fréquences de résonance), ce qui peut apporter une meilleure précision.According to one embodiment, the hairspring can have at least two expected predetermined resonance frequencies, and the frequency range is predetermined to cover at least the two expected predetermined resonance frequencies. By covering or sweeping a wide frequency range, multiple resonance peaks (or resonant frequencies) can be measured, which can provide greater accuracy.
Selon un mode de réalisation, l'étape a comprend l'utilisation d'une source, telle qu'une source piézo-électrique, permettant d'induire ou imposer une excitation acoustique sur une tranche d'une plaquette supportant l'ébauche de spiral, ou de manière préférée sur, ou encore sous le spiral ou l'ébauche de spiral à exciter spécifiquement.According to one embodiment, step a comprises the use of a source, such as a piezoelectric source, making it possible to induce or impose acoustic excitation on a edge of a plate supporting the spiral blank , or preferably on, or even under the hairspring or the hairspring blank to be specifically excited.
Selon un mode de réalisation, la source acoustique peut être accouplée à un cône d'excitation choisi pour exciter au moins un spiral ou une ébauche de spiral. Préférentiellement, si une plaquette supporte plusieurs ébauches de spiraux, alors la source acoustique peut être accouplée à un cône d'excitation choisi pour exciter au moins une partie et de préférence la totalité des ébauches de spiraux.According to one embodiment, the acoustic source can be coupled to an excitation cone chosen to excite at least one hairspring or a hairspring blank. Preferably, if a plate supports several spiral blanks, then the acoustic source can be coupled to an excitation cone chosen to excite at least part and preferably all of the spiral blanks.
Selon un mode de réalisation, la source acoustique peut être choisie et/ou réglée pour générer l'excitation vibratoire variable au cours du temps pour couvrir la plage fréquentielle prédéterminée :
- avec une amplitude suffisante pour générer des vibrations du spiral ou de l'ébauche de spiral d'amplitude suffisante pour être détectées par le moyen de mesure d'amplitude ou de vitesse ou d'accélération de déplacement d'au moins un point du spiral ou de l'ébauche de spiral et/ou
- pendant une durée suffisante pour en déduire des spectres vibratoires du spiral ou de l'ébauche de spiral.
- with an amplitude sufficient to generate vibrations of the hairspring or of the hairspring blank of sufficient amplitude to be detected by the means for measuring the amplitude or speed or acceleration of movement of at least one point of the hairspring or of the spiral blank and/or
- for a sufficient duration to deduce vibrational spectra of the hairspring or the hairspring blank.
Selon un mode de réalisation, l'étape b comprend l'utilisation d'un moyen de mesure optique, tel qu'un vibromètre laser par effet Doppler.According to one embodiment, step b comprises the use of an optical measuring means, such as a laser Doppler effect vibrometer.
Selon un mode de réalisation, l'étape b peut être basée sur une mesure au cours du temps d'une amplitude ou d'une vitesse ou d'une accélération de déplacement d'au moins un point du spiral ou de l'ébauche de spiral, effectuée de préférence au moins partiellement pendant l'étape a.According to one embodiment, step b can be based on a measurement over time of an amplitude or a speed or an acceleration of movement of at least one point of the balance spring or of the blank of spiral, preferably carried out at least partially during step a.
Selon un mode de réalisation, l'étape b comprend :
- une étape d'identification d'une fréquence de résonance du spiral ou de l'ébauche de spiral en fonction d'une déformée opérationnelle ou modale d'au moins un point du spiral ou de l'ébauche de spiral. Une déformée opérationnelle ou modale est typiquement définie par une amplitude ou vitesse de déplacement ou encore d'une accélération et une direction d'oscillation (hors ou dans un plan particulier) en fonction de la fréquence d'excitation.
- a step of identifying a resonance frequency of the hairspring or the hairspring blank as a function of an operational or modal deformation of at least one point of the hairspring or the hairspring blank. An operational or modal shape is typically defined by an amplitude or speed of movement or even an acceleration and a direction of oscillation (outside or in a particular plane) as a function of the excitation frequency.
Selon un mode de réalisation, le spiral ou l'ébauche de spiral peut être contenue dans un plan de base, et l'étape b peut comprendre :
- une étape b" de mesure d'une amplitude ou d'une vitesse ou d'une accélération de déplacement d'au moins un point du spiral ou de l'ébauche de spiral selon une direction normale au plan de base, et/ou
- une étape b'" de mesure d'une amplitude ou d'une vitesse ou d'une accélération de déplacement d'au moins un point du spiral ou de l'ébauche de spiral selon une direction contenue dans le plan de base.
- a step b" of measuring an amplitude or a speed or an acceleration of movement of at least one point of the hairspring or of the hairspring blank in a direction normal to the base plane, and/or
- a step b'" of measuring an amplitude or a speed or an acceleration of movement of at least one point of the hairspring or of the hairspring blank in a direction contained in the base plane.
Les mesures de déplacements ou de vitesses selon plusieurs directions permettent de mieux identifier les pics et fréquences de résonance.Measurements of displacement or speed in several directions make it possible to better identify resonance peaks and frequencies.
Selon un mode de réalisation, l'étape b. peut comprendre :
- une étape d'identification d'un pic de résonance du spiral ou de l'ébauche de spiral en fonction d'une amplitude ou d'une vitesse de déplacement d'au moins un point du spiral ou de l'ébauche de spiral.
- a step of identifying a resonance peak of the hairspring or the hairspring blank as a function of an amplitude or a speed of movement of at least one point of the hairspring or the hairspring blank.
Selon un mode de réalisation, la caractéristique de la fréquence de résonance peut être identifiée sur la base de la largeur du pic de résonance, à mi-hauteur de la valeur maximale du pic de résonance. Cette méthode de traitement permet de limiter les erreurs de calcul qui pourraient être effectuées en se basant uniquement sur l'identification de la position fréquentielle du pic défini par sa valeur maximale.According to one embodiment, the characteristic of the resonant frequency can be identified based on the width of the resonance peak, at half height of the maximum value of the resonance peak. This processing method makes it possible to limit calculation errors that could be made based solely on the identification of the frequency position of the peak defined by its maximum value.
Selon un mode de réalisation, l'étape b comprend une étape de traitement du signal de mesure avec par exemple une transformée de Fourier, pour identifier des pics de résonance d'amplitude de déplacement ou de vitesse ou d'accélération, et/ou de phase, en fonction de la fréquence d'excitation.According to one embodiment, step b comprises a step of processing the measurement signal with for example a Fourier transform, to identify resonance peaks of displacement amplitude or speed or acceleration, and/or of phase, depending on the excitation frequency.
Selon un mode de réalisation, la machine de prédiction de coefficient thermique peut être une machine de calcul pour prédire ou calculer à partir des caractéristiques de fréquence le coefficient thermique du module de Young (CTE) du spiral et/ou le coefficient thermique (CT) d'un système horloger comprenant le spiral. Autrement dit, la machine de prédiction n'est pas un système régulé ou autorégulé ou à boucle de rétroaction pour ajuster une fréquence de résonance en réponse à une mesure et à une comparaison avec une valeur cible.According to one embodiment, the thermal coefficient prediction machine can be a calculation machine for predicting or calculating from the frequency characteristics the thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or the thermal coefficient (CT) of a watch system including the hairspring. In other words, the prediction machine is not a regulated or self-regulated or feedback loop system for adjusting a resonant frequency in response to measurement and comparison with a target value.
Selon un mode de réalisation, la machine de prédiction de coefficient thermique peut mettre en œuvre une classification effectuée par exemple par un réseau de neurones pour prédire le coefficient thermique du module de Young (CTE) du spiral et/ou le coefficient thermique (CT) d'un système horloger comprenant le spiral.According to one embodiment, the thermal coefficient prediction machine can implement a classification carried out for example by a neural network to predict the thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or the thermal coefficient (CT) of a watch system including the hairspring.
Selon un mode de réalisation, la machine de prédiction de coefficient thermique peut mettre en œuvre une méthode de régression, par exemple une régression linéaire pour prédire le coefficient thermique du module de Young (CTE) du spiral et/ou le coefficient thermique (CT) d'un système horloger comprenant le spiral.According to one embodiment, the thermal coefficient prediction machine can implement a regression method, for example a linear regression to predict the thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or the thermal coefficient (CT) of a watch system including the hairspring.
Selon un mode de réalisation, la machine de prédiction de coefficient thermique peut mettre en œuvre une classification basée sur un partitionnement en k-moyennes ou en k-médianes pour prédire pour prédire le coefficient thermique du module de Young (CTE) du spiral et/ou le coefficient thermique (CT) d'un système horloger comprenant le spiral.According to one embodiment, the thermal coefficient prediction machine can implement a classification based on partitioning into k-means or k-medians to predict the thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or or the thermal coefficient (CT) of a watch system including the hairspring.
Selon un mode de réalisation, le procédé de contrôle peut comprendre une étape préliminaire consistant à prendre en compte la matière du spiral ou de l'ébauche de spiral, et à ajuster une amplitude maximale de l'excitation vibratoire et/ou une plage de fréquence de la plage fréquentielle prédéterminée en fonction de la matière du spiral ou de l'ébauche de spiral.According to one embodiment, the control method may comprise a preliminary step consisting of taking into account the material of the hairspring or the hairspring blank, and of adjusting a maximum amplitude of the vibrational excitation and/or a frequency range of the predetermined frequency range depending on the material of the hairspring or the hairspring blank.
Selon un mode de réalisation, si l'étape c. détermine que le coefficient thermique du module de Young (CTE) du spiral et/ou le coefficient thermique (CT) d'un système horloger comprenant le spiral est en dehors d'une plage de valeurs attendues, alors le procédé peut comprendre au moins une étape consistant à identifier ou isoler ou retoucher ou mettre au rebut le spiral ou l'ébauche de spiral.According to one embodiment, if step c. determines that the thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or the thermal coefficient (CT) of a watch system comprising the hairspring is outside a range of expected values, then the method may comprise at least one step consisting of identifying or isolating or retouching or discarding the hairspring or the hairspring blank.
Selon un mode de réalisation, si l'étape c. détermine que le coefficient thermique du module de Young (CTE) du spiral et/ou le coefficient thermique (CT) d'un système horloger comprenant le spiral est en dehors d'une plage de valeurs attendues, alors le procédé peut comprendre au moins une étape consistant à définir une étape de traitement du spiral ou de l'ébauche de spiral, telle qu'une étape de thermo-compensation, d'oxydation ou de désoxydation, pour obtenir le coefficient thermique du module de Young (CTE) du spiral et/ou le coefficient thermique (CT) d'un système horloger comprenant le spiral dans la plage de valeurs attenduesAccording to one embodiment, if step c. determines that the thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or the thermal coefficient (CT) of a watch system comprising the hairspring is outside a range of expected values, then the method may comprise at least one step consisting of defining a step of processing the hairspring or the hairspring blank, such as a thermo-compensation, oxidation or deoxidation step, to obtain the thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring and /or the thermal coefficient (CT) of a watch system including the hairspring in the range of expected values
Selon un mode de réalisation, l'étape a. est effectuée pour une pluralité de spiraux ou d'ébauches de spiraux attachés à une plaquette, et si l'étape c. détermine que le coefficient thermique du module de Young (CTE) du spiral et/ou le coefficient thermique (CT) d'un système horloger comprenant le spiral est en dehors d'une plage de valeurs attendues pour des premiers spiraux ou premières d'ébauches de spiraux et compris dans la plage de valeurs attendues pour des deuxièmes spiraux ou deuxièmes d'ébauches de spiraux, alors on peut prévoir de détacher uniquement les deuxièmes spiraux ou deuxièmes d'ébauches de spiraux et prévoir une étape de traitement des premiers spiraux ou premières d'ébauches de spiraux, telle qu'une étape de thermo-compensation, d'oxydation ou de désoxydation, pour obtenir le coefficient thermique du module de Young (CTE) du spiral et/ou le coefficient thermique (CT) d'un système horloger comprenant le spiral dans la plage de valeurs attendues. On peut prévoir de réitérer ces étapes, en répétant ou non les étapes a. et b.According to one embodiment, step a. is carried out for a plurality of hairsprings or hairspring blanks attached to a plate, and if step c. determines that the thermal coefficient of Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or the thermal coefficient (CT) of a watch system comprising the hairspring is outside a range of expected values for first hairsprings or first blanks of hairsprings and included in the range of expected values for second hairsprings or second hairspring blanks, then we can plan to detach only the second hairsprings or second hairspring blanks and provide a step of processing the first hairsprings or first hairsprings of hairspring blanks, such as a thermo-compensation, oxidation or deoxidation step, to obtain the thermal coefficient of Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or the thermal coefficient (CT) of a system watchmaker including the hairspring within the range of expected values. We can plan to repeat these steps, repeating steps a or not. and B.
Selon un mode de réalisation, l'étape a et l'étape b sont répétées au moins plusieurs fois pour un même point de mesure du spiral ou de l'ébauche de spiral.According to one embodiment, step a and step b are repeated at least several times for the same measuring point of the hairspring or the hairspring blank.
Selon un mode de réalisation, l'étape a et l'étape b sont synchronisées. Une telle synchronisation procure la possibilité de détecter un déphasage, ou une atténuation, ou un couplage dont la prise en compte peut améliorer la précision de la prédiction, ou permettre de régler ou recaler la source d'excitation vibratoire.According to one embodiment, step a and step b are synchronized. Such synchronization provides the possibility of detecting a phase shift, or an attenuation, or a coupling whose taking into account can improve the precision of the prediction, or make it possible to adjust or realign the source of vibration excitation.
Un deuxième aspect de l'invention peut se rapporter à un procédé de fabrication d'un spiral présentant au moins une fréquence de résonance prédéterminée attendue comprenant les étapes consistant à :
- A/ former au moins un spiral ou une ébauche de spiral ayant des dimensions comprises dans des tolérances prédéterminées nécessaires pour obtenir la fréquence de résonance prédéterminée attendue,
- B/ contrôler le spiral ou l'ébauche de spiral selon le procédé de contrôle du premier aspect.
- A/ form at least one hairspring or a hairspring blank having dimensions within predetermined tolerances necessary to obtain the expected predetermined resonance frequency,
- B/ check the hairspring or the hairspring blank according to the first aspect control method.
Selon un mode de réalisation, le procédé de fabrication peut comprendre une étape consistant à :
C/ identifier ou isoler ou retoucher ou mettre au rebut le spiral ou l'ébauche de spiral formée lors de l'étape A/, si l'étape c. détermine que le coefficient thermique du module de Young (CTE) du spiral et/ou le coefficient thermique (CT) d'un système horloger comprenant le spiral est en dehors d'une plage de valeurs attendues.According to one embodiment, the manufacturing process may comprise a step consisting of:
C/ identify or isolate or retouch or discard the hairspring or the hairspring blank formed during step A/, if step c. determines that the thermal coefficient of Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or the thermal coefficient (CT) of a watch system including the hairspring is outside a range of expected values.
Selon un mode de réalisation, l'ébauche de spiral peut être formée sur une plaquette, avec une pluralité d'autres ébauches de spiral.According to one embodiment, the hairspring blank can be formed on a plate, with a plurality of other hairspring blanks.
Un troisième aspect de l'invention peut concerner un procédé d'apprentissage d'une machine de prédiction pour mettre en œuvre l'étape c. du procédé de contrôle selon le premier aspect, comprenant les étapes consistant à :
- i- former des spiraux ou des ébauches de spiraux et leur appliquer une étape de thermo-compensation,
- ii- appliquer à chacun des spiraux ou chacune des ébauches de spiral une excitation vibratoire variable au cours du temps pour couvrir une plage fréquentielle prédéterminée,
- iii- identifier au moins une caractéristique d'une fréquence de résonance de chaque spiral ou chaque ébauche de spiral lors de l'application de la plage fréquentielle prédéterminée et enregistrer la température des pièces lors de l'étape ii- et/ou iii-,
- iv'- monter une pluralité de spiraux ou d'ébauches de spiral dans un mécanisme oscillant présentant une inertie prédéterminée de sorte à mesurer pour chaque spiral ou ébauche de spiral une fréquence entretenue d'oscillation, et/ou une marche du système horloger formé par, ou comprenant, le mécanisme oscillant à au moins une température prédéterminée et de préférence à au moins deux températures prédéterminées,
et/ou - iv"- modéliser dans un outil de simulation une pluralité de spiraux ou d'ébauches de spiral dans un mécanisme oscillant présentant une inertie prédéterminée de sorte à calculer pour chaque spiral ou ébauche de spiral une fréquence entretenue d'oscillation et/ou coefficient thermique d'un système horloger comprenant le spiral et/ou la marche du système horloger comprenant le spiral à au moins une température prédéterminée et de préférence à au moins deux températures prédéterminées,
- iv'- monter une pluralité de spiraux ou d'ébauches de spiral dans un mécanisme oscillant présentant une inertie prédéterminée de sorte à mesurer pour chaque spiral ou ébauche de spiral une fréquence entretenue d'oscillation, et/ou une marche du système horloger formé par, ou comprenant, le mécanisme oscillant à au moins une température prédéterminée et de préférence à au moins deux températures prédéterminées,
- v- optionnellement, déduire au moins une fréquence de résonance attendue de la fréquence de résonance identifiée à l'étape iii-, et/ou de la fréquence entretenue d'oscillation et/ou de la marche du système horloger mesurée à l'étape iv'- et/ou calculée à l'étape iv"-
- vi- déduire un coefficient thermique du module de Young (CTE) du spiral et/ou le coefficient thermique (CT) d'un système horloger comprenant le spiral à partir des mesures de l'étape iv'- et/ou des calculs de l'étape iv"-
- vii- fournir à la machine de prédiction, et pour chaque spiral ou ébauche de spiral :
- la caractéristique de la fréquence de résonance identifiée à l'étape iii- ;
- optionnellement, la même caractéristique de la fréquence de résonance attendue ;
- la température enregistrée lors de l'étape ii- et/ou iii- ;
- le coefficient thermique du module de Young (CTE) du spiral et/ou le coefficient thermique (CT) d'un système horloger comprenant le spiral déduit à l'étape vi-.
- i- form hairsprings or blanks of hairsprings and apply a thermo-compensation step to them,
- ii- apply to each of the hairsprings or each of the hairspring blanks a vibrational excitation which varies over time to cover a predetermined frequency range,
- iii- identify at least one characteristic of a resonant frequency of each hairspring or each hairspring blank when applying the predetermined frequency range and record the temperature of the parts during step ii- and/or iii-,
- iv'- mount a plurality of hairsprings or hairspring blanks in an oscillating mechanism having a predetermined inertia so as to measure for each hairspring or hairspring blank a sustained oscillation frequency, and/or a rate of the watch system formed by , or comprising, the mechanism oscillating at at least one predetermined temperature and preferably at at least two predetermined temperatures,
and or - iv"- model in a simulation tool a plurality of hairsprings or hairspring blanks in an oscillating mechanism having a predetermined inertia so as to calculate for each hairspring or hairspring blank a sustained oscillation frequency and/or thermal coefficient d 'a watch system comprising the hairspring and/or the operation of the watch system comprising the hairspring at at least one predetermined temperature and preferably at at least two predetermined temperatures,
- iv'- mount a plurality of hairsprings or hairspring blanks in an oscillating mechanism having a predetermined inertia so as to measure for each hairspring or hairspring blank a sustained oscillation frequency, and/or a rate of the watch system formed by , or comprising, the mechanism oscillating at at least one predetermined temperature and preferably at at least two predetermined temperatures,
- v- optionally, deduce at least one expected resonance frequency from the resonance frequency identified in step iii-, and/or from the sustained oscillation frequency and/or from the operation of the watch system measured in step iv '- and/or calculated in step iv"-
- vi- deduce a thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or the thermal coefficient (CT) of a watch system including the hairspring from the measurements of step iv'- and/or the calculations of the 'step iv'-
- vii- provide the prediction machine, and for each hairspring or hairspring blank:
- the characteristic of the resonance frequency identified in step iii-;
- optionally, the same characteristic of the expected resonance frequency;
- the temperature recorded during step ii- and/or iii-;
- the thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or the thermal coefficient (CT) of a watch system comprising the hairspring deduced in step vi-.
D'autres détails de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la
figure 1 montre des courbes de dispersion de raideurs non corrigées pour les spiraux sur trois plaquettes différentes, - la
figure 2 montre le centrage de la moyenne des raideurs sur une plaquette autour d'une valeur nominale, - les
figures 3A-3F sont une représentation simplifiée d'un procédé de fabrication d'un résonateur mécanique, ici un spiral, sur une plaquette, - la
figure 4 représente un dispositif permettant l'évaluation du couple d'un spiral, - la
figure 5 représente schématiquement la mise en œuvre de l'évaluation de la raideur d'un spiral par analyse vibratoire, - la
figure 6 représente un exemple de fréquences appliquées à une plaquette de silicium supportant des ébauches de spiral, pour imposer une excitation vibratoire, - la
figure 7 représente un exemple de mesure des amplitudes de déplacement d'un point d'une ébauche de spiral, en réponse à la plage fréquentielle imposée de lafigure 6 , - la
figure 8 représente en détail un pic de résonance identifié à une fréquence particulière sur lafigure 7 , - la
figure 9 représente les pics de résonance mesurés et superposés pour la fréquence particulière de lafigure 8 pour des pièces testées, - la
figure 10 représente un exemple de modèle de prédiction construit à partir de données extraites de lafigure 9 , - la
figure 11 montre l'influence de la température sur la fréquence de résonance d'un mode de résonance particulier, - la
figure 12 montre la sensibilité de la fréquence de résonance à l'épaisseur d'oxyde d'un spiral en silicium.
- there
figure 1 shows uncorrected stiffness dispersion curves for the hairsprings on three different plates, - there
figure 2 shows the centering of the average stiffness on a plate around a nominal value, - THE
figures 3A-3F are a simplified representation of a process for manufacturing a mechanical resonator, here a hairspring, on a wafer, - there
Figure 4 represents a device allowing the evaluation of the torque of a hairspring, - there
figure 5 schematically represents the implementation of the evaluation of the stiffness of a hairspring by vibration analysis, - there
Figure 6 represents an example of frequencies applied to a silicon wafer supporting balance spring blanks, to impose vibrational excitation, - there
Figure 7 represents an example of measuring the amplitudes of displacement of a point of a spiral blank, in response to the imposed frequency range of theFigure 6 , - there
figure 8 depicts in detail a resonance peak identified at a particular frequency on theFigure 7 , - there
Figure 9 represents the measured and superimposed resonance peaks for the particular frequency of thefigure 8 for tested parts, - there
Figure 10 represents an example of a prediction model built from data extracted from theFigure 9 , - there
Figure 11 shows the influence of temperature on the resonance frequency of a particular resonance mode, - there
Figure 12 shows the sensitivity of the resonance frequency to the oxide thickness of a silicon hairspring.
Les
La plaquette 10 est illustrée à la
Une étape de lithographie est montrée aux
Par la suite, dans l'étape de la
A la
A la dernière étape du procédé de fabrication à la
Comme indiqué ci-dessus, au stade précédent la réalisation de la couche de thermo-compensation, les différents résonateurs formés dans la plaquette présentent généralement une dispersion géométrique importante entre eux et donc une dispersion importante entre leurs raideurs, nonobstant que les étapes de formation des motifs et de l'usinage/gravure à travers ces motifs sont les mêmes pour tous les résonateurs.As indicated above, at the stage preceding the production of the thermo-compensation layer, the different resonators formed in the wafer generally have a significant geometric dispersion between them and therefore a significant dispersion between their stiffnesses, notwithstanding that the stages of formation of the patterns and the machining/engraving through these patterns are the same for all resonators.
Par ailleurs, cette dispersion de raideurs est encore plus importante entre les spiraux de deux plaquettes gravées à des moments différents même si les mêmes spécifications de procédé sont utilisées.Furthermore, this dispersion of stiffness is even greater between the hairsprings of two plates engraved at different times even if the same process specifications are used.
Enfin, il faut noter que lors de la fabrication, des défauts de fabrication plus ponctuels peuvent apparaître. Par exemple, lors de l'étape d'usinage de la
La description ci-dessus est relative à des résonateurs 100 en silicium, mais on peut envisager de réaliser les résonateurs en verre, en céramique, en nano tubes de carbone, ou encore en métal. On peut en particulier tester des spiraux conventionnels en acier ou détachés de la plaquette. Dans ce cas, le spiral métallique ou détaché de la plaquette est pincé ou pris en référence par un outillage qui le positionne en regard de la source d'émission et de l'appareil de mesure de déplacement.The above description relates to
De manière connue, la mesure de raideur du spiral peut être effectuée de manière dite statique, c'est-à-dire sans mettre le spiral en oscillation, mais par détermination de son couple. On pourra par exemple se référer au document
Une alternative à la méthode décrite dans ce dernier document, consiste à effectuer une mesure de couple à l'aide d'un rhéomètre, tel que commercialisé par la société Anton Paar. Un dispositif prévu dans ce but est illustré sur la
La présente invention propose de déterminer au moins une caractéristique d'une fréquence de résonance d'un échantillon de résonateurs 100 sur la plaquette à l'étape 3F, pour déduire un coefficient thermique du module de Young (CTE) du spiral et/ou un coefficient thermique (CT) d'un système horloger comprenant le spiral et éventuellement à l'étape 3E, pour déduire une raideur et/ou un défaut structurel. En particulier, la présente invention propose d'identifier les paramètres ci dessus sans démontage de la plaquette ni mesure dans un sous-ensemble de test, selon une méthode plus performante que les méthodes de l'art antérieur.The present invention proposes to determine at least one characteristic of a resonance frequency of a sample of
Ainsi, l'invention propose de déterminer au moins une caractéristique d'une fréquence de résonance d'un échantillon de résonateurs par mesure vibratoire et appliquer une méthode prédictive (par exemple un modèle numérique ou une méthode de classification ou de catégorisation) pour relier le résultat de ladite mesure vibratoire à l'identification du coefficient thermique du module de Young (CTE) du spiral et/ou du coefficient thermique (CT) d'un système horloger comprenant le spiral.Thus, the invention proposes to determine at least one characteristic of a resonance frequency of a sample of resonators by vibration measurement and apply a predictive method (for example a digital model or a classification or categorization method) to connect the result of said vibration measurement to the identification of the thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or the thermal coefficient (CT) of a watch system comprising the hairspring.
On exploite ainsi les propriétés modales du spiral attaché à la plaquette. Lors d'une phase d'apprentissage, et par une approche analytique et numérique, il est possible de mettre en place une machine de prédiction en établissant un modèle prédictif reliant le coefficient thermique du module de Young (CTE) du spiral et/ou le coefficient thermique (CT) d'un système horloger comprenant le spiral à certaines fréquences (fréquence propre ou fréquences de résonance associées à un pic de résonance ou à une largeur à mi-hauteur) spécifiquement choisies.We thus exploit the modal properties of the hairspring attached to the plate. During a learning phase, and through an analytical and numerical approach, it is possible to set up a prediction machine by establishing a predictive model linking the thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or the thermal coefficient (CT) of a watch system comprising the hairspring at certain frequencies (natural frequency or resonance frequencies associated with a resonance peak or a width at half height) specifically chosen.
Une fois la phase d'apprentissage terminée (une fois les modes à exploiter ainsi que les fréquences d'excitation déterminées), il est possible de passer à une phase de prédiction et d'utiliser la machine de prédiction en exploitant le modèle prédictif pour contrôler les résonateurs d'une plaquette produite, afin de prédire le coefficient thermique du module de Young (CTE) du spiral et/ou le coefficient thermique (CT) d'un système horloger comprenant le spiral. Le résultat de la prédiction peut être utilisé pour valider des pièces produites, et/ou décider un traitement supplémentaire pour corriger le coefficient thermique du module de Young (CTE) du spiral et/ou le coefficient thermique (CT) d'un système horloger comprenant le spiral et/ou mettre au rebut des pièces non conformes en termes de coefficient thermique du module de Young (CTE) du spiral et/ou de coefficient thermique (CT) d'un système horloger comprenant le spiral.Once the learning phase is completed (once the modes to be used as well as the excitation frequencies have been determined), it is possible to move on to a prediction phase and use the prediction machine by exploiting the predictive model to control the resonators of a wafer produced, in order to predict the thermal coefficient of Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or the thermal coefficient (CT) of a watch system comprising the hairspring. The result of the prediction can be used to validate produced parts, and/or decide on additional processing to correct the thermal coefficient of Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or the thermal coefficient (CT) of a watch system comprising the hairspring and/or scrapping non-compliant parts in terms of thermal coefficient of Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or thermal coefficient (CT) of a watch system including the hairspring.
Ainsi, il est possible d'intégrer le procédé de contrôle dans un procédé de fabrication pour obtenir des pièces propres à atteindre, entretenir, générer une fréquence propre d'oscillation particulière et prédéterminée et indépendante des variations de température, une fois les résonateurs chacun accouplés à un balancier d'un mécanisme de montre donné.Thus, it is possible to integrate the control process into a manufacturing process to obtain parts capable of reaching, maintaining, generating a particular and predetermined natural oscillation frequency and independent of temperature variations, once the resonators are each coupled to a balance wheel of a given watch mechanism.
Il est à noter que la machine de prédiction est un dispositif qui permet de prédire, donc de donner ou calculer en avance, à partir d'une ou plusieurs fréquences de résonnance mesurées, des valeurs de coefficient thermique du module de Young (CTE) du spiral et/ou de coefficient thermique (CT) d'un système horloger comprenant le spiral, sans accoupler le spiral à un balancier, et sans faire de tests à plusieurs températures. On peut prévoir que la machine de prédiction :
- se base sur un modèle mathématique (par exemple une loi polynomiale reliant une ou plusieurs fréquences de résonance au coefficient thermique du module de Young (CTE) du spiral et/ou au coefficient thermique (CT) d'un système horloger comprenant le spiral),
- utilise un réseau de neurones pour recevoir en entrée des valeurs ou des graphes tirés des spectres de mesures vibratoires pour donner en sortie un coefficient thermique du module de Young (CTE) du spiral et/ou un coefficient thermique (CT) d'un système horloger comprenant le spiral,
- mette en œuvre un système utilisant de l'intelligence artificielle.
- is based on a mathematical model (for example a polynomial law linking one or more resonant frequencies to the thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or to the thermal coefficient (CT) of a watch system including the hairspring),
- uses a neural network to receive as input values or graphs taken from vibration measurement spectra to output a thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or a thermal coefficient (CT) of a watch system including the hairspring,
- implements a system using artificial intelligence.
La mesure de la réponse vibratoire des résonateurs permet de déduire au moins une caractéristique d'une fréquence de résonance, comme par exemple une valeur d'une fréquence de résonance. Dans le détail, on doit d'abord imposer une excitation vibratoire à la plaquette. Plusieurs options sont offertes :
- a. Mesures dans le domaine fréquentiel :
- 1- utiliser une source piézo-électrique (ou toute autre source permettant d'induire ou imposer une excitation acoustique) sur la tranche de la plaquette, sur, ou sous l'ébauche de spiral 200 à exciter spécifiquement (préférentiel) qui excite à une fréquence particulière f0 (excitation mono-fréquentielle continue). Dans cette variante, l'excitation est entretenue.
- 2- En variante, on peut aussi utiliser la source piézo-électrique (ou toute autre source permettant d'induire ou imposer une excitation acoustique) sur la tranche de la plaquette, sur, ou sous l'ébauche de spiral 200 à exciter spécifiquement (préférentiel) qui excite à une fréquence variable dans le temps pour couvrir une plage fréquentielle prédéterminée, allant par exemple de 0 à 300 kHz, de préférence de 0 à 275 kHz, de préférence de 0 à 250 kHz, de préférence de 5kHz à 250 kHz, et de préférence de 10 à 235 kHz. La totalité de la plage fréquentielle peut être balayée ou couverte dans un intervalle de temps pouvant aller d'une fraction de seconde à quelques secondes. Par exemple, on peut prévoir de balayer ou couvrir la plage de fréquences de la plage fréquentielle en moins de 0.5 s, moins de 1 s, ou moins de 1.5 s. Dans cette variante, la fréquence d'excitation change de manière continue.
- b. Mesures dans le domaine temporel : utiliser un marteau d'excitation (ou toute autre source permettant d'induire une excitation acoustique impulsionnelle) sur la tranche de la plaquette, sur, ou sous le spiral à exciter spécifiquement (préférentiel) qui donne une impulsion acoustique la plus courte possible (excitation impulsionnelle multi-fréquentielle). Dans cette variante, l'excitation est ponctuelle et non entretenue.
- has. Frequency domain measurements:
- 1- use a piezoelectric source (or any other source making it possible to induce or impose acoustic excitation) on the edge of the wafer, on, or under the
balance spring blank 200 to be specifically excited (preferential) which excites at a particular frequency f 0 (continuous single-frequency excitation). In this variation, the excitement is maintained. - 2- Alternatively, we can also use the piezoelectric source (or any other source making it possible to induce or impose acoustic excitation) on the edge of the wafer, on, or under the
balance spring blank 200 to be specifically excited ( preferential) which excites at a frequency variable over time to cover a predetermined frequency range, for example going from 0 to 300 kHz, preferably from 0 to 275 kHz, preferably from 0 to 250 kHz, preferably from 5kHz to 250 kHz , and preferably from 10 to 235 kHz. The entire frequency range can be scanned or covered in a time interval ranging from a fraction of a second to a few seconds. For example, we can plan to scan or cover the frequency range of the frequency range in less than 0.5 s, less than 1 s, or less than 1.5 s. In this variant, the excitation frequency changes continuously.
- 1- use a piezoelectric source (or any other source making it possible to induce or impose acoustic excitation) on the edge of the wafer, on, or under the
- b. Measurements in the time domain: use an excitation hammer (or any other source allowing pulsed acoustic excitation to be induced) on the edge of the wafer, on or under the hairspring to be specifically excited (preferential) which gives an acoustic pulse as short as possible (multi-frequency pulse excitation). In this variant, the excitement is punctual and not sustained.
Par ailleurs, les mesures peuvent être effectuées en suivant un échantillonnage particulier, par exemple selon une gamme d'échantillonnage de 4, 2 ou 1 Hz. En effet, la résolution pour traiter les données d'acquisition selon par exemple une transformée de Fourier dépend directement de la durée de cette acquisition.Furthermore, the measurements can be carried out following a particular sampling, for example according to a sampling range of 4, 2 or 1 Hz. Indeed, the resolution for processing the acquisition data according to for example a Fourier transform depends directly from the duration of this acquisition.
Par ailleurs, on peut choisir une fréquence d'échantillonnage du signal d'au moins 600 kHz si la plage fréquentielle s'étend jusqu'à 300 kHz par exemple. On peut généralement suivre le théorème de Shannon qui conseille de choisir une fréquence d'échantillonnage supérieure au double de la fréquence maximale présente dans le signal mesuré.Furthermore, we can choose a signal sampling frequency of at least 600 kHz if the frequency range extends up to 300 kHz for example. We can generally follow Shannon's theorem which advises choosing a sampling frequency greater than twice the maximum frequency present in the measured signal.
D'une manière générale, on peut prévoir enfin de changer la direction d'excitation, c'est-à-dire la direction des mouvements imposés par la source (on peut imposer des vibrations selon une ou plusieurs direction(s) axiale(s), et faire évoluer cette ou ces direction(s) dans le temps). Dans le cas où on excite une plaquette comprenant une pluralité de résonateurs, on peut prévoir de régler la direction des vibrations de sorte à pointer sur l'un ou l'autre des résonateurs, en fonctions des mesures d'amplitude de déplacement décrites ci-dessous.In general, we can finally plan to change the direction of excitation, that is to say the direction of the movements imposed by the source (we can impose vibrations in one or more axial direction(s). ), and make this or these direction(s) evolve over time). In the case where a plate comprising a plurality of resonators is excited, it is possible to adjust the direction of the vibrations so as to point towards one or the other of the resonators, depending on the displacement amplitude measurements described below. below.
Enfin, on peut prévoir d'accoupler la source acoustique à un cône divergent dirigé vers les résonateurs à exciter, et de régler la source acoustique pour émettre un signal d'excitation avec une amplitude suffisante pour imposer une excitation vibratoire du ou des résonateurs et ayant une amplitude suffisante pour être détectée et mesurée de manière précise par les instruments de mesure choisis.Finally, it is possible to couple the acoustic source to a divergent cone directed towards the resonators to be excited, and to adjust the acoustic source to emit an excitation signal with sufficient amplitude to impose vibrational excitation of the resonator(s) and having sufficient amplitude to be detected and measured precisely by the chosen measuring instruments.
Durant l'excitation, on enregistre, via un moyen de mesure adapté, l'amplitude et la phase (par rapport à la source excitatrice) d'oscillation dans les 3 directions X, Y (dans le plan) et Z (hors plan) du spiral excité spécifiquement. De manière non limitative, on peut citer les moyens de mesures possibles suivants :
- Méthodes optiques par interférométrie :
- a. Par effet Doppler 3D (vibromètre laser par effet Doppler),
- b. Holographique,
- Méthodes optiques stroboscopiques,
- Profilométrie confocale chromatique haute résolution temporelle,
- Réflectométrie optique :
- a. Analyse de vibration par déflection de faisceau sur détecteur multi-cadrans ou caméra,
- b. Analyse par analyse temporelle type TCSPC,
- Méthodes acoustiques par ultrason par effet Doppler.
- Optical methods by interferometry:
- has. By 3D Doppler effect (laser vibrometer by Doppler effect),
- b. Holographic,
- Stroboscopic optical methods,
- High temporal resolution chromatic confocal profilometry,
- Optical reflectometry:
- has. Vibration analysis by beam deflection on a multi-dial detector or camera,
- b. Analysis by TCSPC type temporal analysis,
- Acoustic methods using ultrasound using the Doppler effect.
La
Une fois un point particulier étudié, on peut déplacer le vibromètre laser 300 sur un autre point de mesure de l'ébauche de spiral 200, ou passer à une autre ébauche de spiral 200 de la plaquette 25. Bien entendu, on peut alternativement déplacer l'ébauche de spiral 200 par rapport au vibromètre laser.Once a particular point has been studied, the
La
En ce qui concerne la mesure d'amplitude de déplacement, pendant la phase d'apprentissage, on peut prévoir une étape consistant à identifier des points du résonateur pour lesquels la réponse vibratoire est significative. En effet, dans le cas d'un spiral auquel une vibration est imposée, surtout si la fréquence varie au cours du temps, la réponse vibratoire va faire apparaître sur le spiral des nœuds, c'est-à-dire des points particuliers du spiral dont l'amplitude de déplacement est faible ou nulle. Si une mesure de déplacement est effectuée sur un point du spiral qui s'avère être un nœud à une ou plusieurs fréquence(s) particulière(s), l'identification de caractéristiques de fréquences de résonance sera affectée négativement.Concerning the measurement of displacement amplitude, during the learning phase, a step can be provided consisting of identifying points of the resonator for which the vibration response is significant. Indeed, in the case of a hairspring to which a vibration is imposed, especially if the frequency varies over time, the vibration response will cause nodes to appear on the hairspring, that is to say particular points of the hairspring whose amplitude of movement is small or zero. If a displacement measurement is made at a point on the hairspring that turns out to be a node at a particular frequency(ies), the identification of resonant frequency characteristics will be negatively affected.
Ainsi, il est avantageux de prévoir une étape préliminaire de mesure de déplacement sur une pluralité de points prédéterminés du spiral, par exemple au moins une dizaine de points prédéterminés, de préférence au moins une vingtaine de points prédéterminés, et très préférentiellement au moins une trentaine de points prédéterminés. On peut prévoir de sélectionner les points prédéterminés agencés sur un repère orthonormé X-Y dans le plan du spiral.Thus, it is advantageous to provide a preliminary step of measuring displacement on a plurality of predetermined points of the hairspring, for example at least ten predetermined points, preferably at least twenty predetermined points, and very preferably at least thirty of predetermined points. We can plan to select the predetermined points arranged on an orthonormal X-Y reference frame in the plane of the hairspring.
A l'issue de cette étape préliminaire de mesure d'amplitude sur les points prédéterminés, on peut prévoir d'identifier pour chaque point de mesure des fréquences de résonance, et ensuite une étape de sélection de points de référence pour lesquels la mesure d'amplitude de déplacement au cours de l'excitation montre qu'ils ne sont pas des nœuds à ces fréquences de résonance. Autrement dit, les nœuds identifiés présentent, à au moins une fréquence de résonance, une amplitude de déplacement nulle ou inférieure à une première valeur de pic seuil, et ces points formant des nœuds sont écartés des points de référence à considérer pour les mesures ultérieures. On peut aussi noter que les points de référence sont différents en fonction de la position de l'ébauche de spiral 200 sur la plaquette 25.At the end of this preliminary step of measuring amplitude on the predetermined points, we can plan to identify resonance frequencies for each measurement point, and then a step of selecting reference points for which the measurement of amplitude of displacement during excitation shows that they are not nodes at these resonant frequencies. In other words, the identified nodes present, at at least one resonant frequency, a displacement amplitude of zero or less than a first threshold peak value, and these points forming nodes are separated from the reference points to be considered for subsequent measurements. It can also be noted that the reference points are different depending on the position of the
Typiquement, on peut considérer qu'au moins deux points de référence seront sélectionnés, et de préférence au moins quatre points de référence seront sélectionnés. Dans le cas où le résonateur présente un rayon Ra et se trouve ancré ou encastré sur la plaquette par son extrémité extérieure de pitonnage, on peut sélectionner de préférence quatre points de référence choisis et localisés :
- dans une première zone à moins de 0.20 × Ra (par exemple sur la virole centrale), ou
- dans une deuxième zone entre 0.05 × Ra et 0.30 × Ra (par exemple sur la deuxième spire en partant de la virole), ou
- dans une troisième zone entre 0.35 × Ra et 0.65 × Ra (par exemple sur une spire située au milieu du spiral), ou
- dans une quatrième zone entre 0.65 × Ra et 0.85 × Ra (par exemple sur une spire située aux trois quarts du spiral).
Ainsi, les points de référence sont éloignés de la partie ancrée sur la plaquette et présentent naturellement une capacité de déplacement oscillatoire importante, ce qui assure une meilleure précision de la mesure de déplacement.
- in a first zone less than 0.20 × Ra (for example on the central shell), or
- in a second zone between 0.05 × Ra and 0.30 × Ra (for example on the second turn starting from the shell), or
- in a third zone between 0.35 × Ra and 0.65 × Ra (for example on a turn located in the middle of the hairspring), or
- in a fourth zone between 0.65 × Ra and 0.85 × Ra (for example on a turn located three-quarters of the hairspring).
Thus, the reference points are far from the part anchored on the plate and naturally have a significant oscillatory displacement capacity, which ensures better precision of the displacement measurement.
Par ailleurs, on peut aussi mesurer les déplacements d'un point du corps de la plaquette, et/ou d'un point de la source d'excitation, pour identifier ou mesurer par exemple un décalage de phase ou une atténuation vibratoire, ou encore une résonance issue d'un couplage vibratoire ou bien de la plaquette. Ces mesures complémentaires permettent de s'assurer que les pics identifiés sont bien ceux du spiral seul. On peut également synchroniser la mesure d'amplitude de déplacement et l'excitation vibratoire.Furthermore, it is also possible to measure the displacements of a point of the body of the wafer, and/or of a point of the excitation source, to identify or measure for example a phase shift or a vibrational attenuation, or even a resonance resulting from a vibrational coupling or from the plate. These additional measurements make it possible to ensure that the peaks identified are indeed those of the hairspring alone. It is also possible to synchronize the measurement of displacement amplitude and the vibration excitation.
Alternativement, on peut prévoir de ne mesurer les déplacements / mouvements / vibrations que sur un point particulier situé de préférence sur une zone de la pièce qui ne se déforme pas. En particulier, on peut prévoir de pointer la mesure sur un point de la virole du spiral ou de l'ébauche de spiral. En effet, la virole peut être considérée indéformable lors de l'excitation vibratoire et tous les points de la virole présentent des déplacements / mouvements / vibrations similaires. En conséquence, une petite erreur de localisation du point de mesure sur la virole aura peu de conséquences sur le résultat final. Par ailleurs, en ayant choisi un point particulier de mesure sur la pièce, on peut identifier et choisir une plage de fréquence particulière pour conduire la prédiction de raideur.Alternatively, we can plan to measure the displacements/movements/vibrations only on a particular point preferably located in an area of the part which does not deform. In particular, it is possible to plan to point the measurement at a point on the ferrule of the hairspring or of the hairspring blank. Indeed, the ferrule can be considered non-deformable during vibrational excitation and all the points of the ferrule exhibit similar displacements/movements/vibrations. Consequently, a small error in locating the measuring point on the ferrule will have little impact on the final result. Furthermore, by having chosen a particular measurement point on the part, we can identify and choose a particular frequency range to conduct the stiffness prediction.
Selon un mode de réalisation dans lequel plusieurs pièces encore attachées à un substrat ou à un outillage sont à tester en série, on peut prévoir :
- une étape de capture d'image des pièces à tester,
- une étape d'analyse de l'image pour par exemple reconnaître chaque type de pièce, et/ou la position de chaque pièce,
- une étape de sélection d'un ou plusieurs points à mesurer pour chaque pièce, et/ou de sélection d'un spectre vibratoire d'excitation à imposer pour chaque pièce et/ou chaque point sélectionné,
- pour chaque pièce à tester, une étape de mise en position du substrat ou de l'outillage supportant les pièces à tester dans un appareil d'excitation vibratoire et de mesure. Selon cette mise en œuvre, on peut automatiser l'excitation et la mesure dans le cas d'une plaquette qui porte encore les ébauches de spiraux :
- une ou plusieurs images de la plaquette sont prises,
- une analyse automatique d'image est effectuée pour connaitre au moins la position X-Y de chaque pièce (on peut aussi faire une reconnaissance du type ou modèle de pièce),
- en fonction de la position et/ou du type de pièce reconnues, des points particuliers de mesure préétablis sont identifiés ou sélectionnés (par exemple sur la virole), on peut aussi sélectionner un cycle d'excitation particulier en fonction du type de pièce ou d'un point particulier,
- avec par exemple un outillage qui porte la plaquette et qui comprend une table mobile en X-Y, chaque ébauche de spiral est successivement placée automatiquement en regard de la source d'excitation et de l'appareil de mesure pour être testée en visant le bon point de mesure et en appliquant la bonne spécification d'excitation.
- a step of image capture of the parts to be tested,
- a step of analyzing the image to, for example, recognize each type of part, and/or the position of each part,
- a step of selecting one or more points to measure for each part, and/or selecting a vibrational excitation spectrum to impose for each part and/or each selected point,
- for each part to be tested, a step of positioning the substrate or the tooling supporting the parts to be tested in a vibration excitation and measuring device. According to this implementation, we can automate the excitation and the measurement in the case of a plate which still carries the hairspring blanks:
- one or more images of the plate are taken,
- an automatic image analysis is carried out to know at least the XY position of each part (we can also recognize the type or model of the part),
- depending on the position and/or type of part recognized, particular pre-established measurement points are identified or selected (for example on the ferrule), it is also possible to select a particular excitation cycle depending on the type of part or 'a particular point,
- with for example a tool which carries the wafer and which includes a movable table in XY, each balance spring blank is successively automatically placed opposite the excitation source and the measuring device to be tested by aiming at the right point of measurement and applying the correct excitation specification.
Selon un mode de réalisation, en fonction du point de mesure sélectionné sur la pièce à tester et/ou en fonction de la fréquence d'excitation, et/ou en fonction du modèle de pièce à tester, on peut prévoir une étape consistant à donner une orientation particulière à la direction d'excitation et/ou à la direction de mesure. A cet effet, on peut choisir une direction d'excitation (ou une direction axiale de la source d'excitation) perpendiculaire à la pièce à tester pour maximiser les déplacements perpendiculaires au plan formé par la pièce au repos. On peut choisir une direction d'excitation (ou une direction axiale de la source d'excitation) inclinée par rapport à la pièce à tester pour maximiser des déplacements contenus dans le plan formé par la pièce au repos. En ce qui concerne la mesure, on peut choisir une direction de mesure (ou une direction axiale d'un faisceau laser de l'appareil de mesure) perpendiculaire à la pièce à tester pour maximiser la précision de mesure des déplacements perpendiculaires au plan formé par la pièce au repos. On peut choisir une direction de mesure (ou une direction axiale d'un faisceau laser de l'appareil de mesure) inclinée par rapport à la pièce à tester pour maximiser la précision de mesure des déplacements contenus dans le plan formé par la pièce au repos.According to one embodiment, depending on the measurement point selected on the part to be tested and/or depending on the excitation frequency, and/or depending on the model of the part to be tested, a step can be provided consisting of giving a particular orientation to the direction of excitation and/or the direction of measurement. For this purpose, we can choose an excitation direction (or an axial direction of the excitation source) perpendicular to the part to be tested to maximize the movements perpendicular to the plane formed by the part at rest. We can choose an excitation direction (or an axial direction of the excitation source) inclined relative to the part to be tested to maximize displacements contained in the plane formed by the part at rest. Regarding the measurement, we can choose a measurement direction (or an axial direction of a laser beam from the measuring device) perpendicular to the part to be tested to maximize the precision of measurement of displacements perpendicular to the plane formed by the part at rest. We can choose a measurement direction (or an axial direction of a laser beam from the measuring device) inclined relative to the part to be tested to maximize the precision of measuring the displacements contained in the plane formed by the part at rest. .
Selon un mode de réalisation dans lequel plusieurs pièces sont attachées à un substrat tel qu'une plaquette, on peut prévoir d'effectuer un échantillonnage en détachant une ou quelques pièces pour les tester de manière unitaire, et en déduire une fréquence d'excitation particulière à appliquer, et/ou un point de mesure particulier à utiliser, et/ou un domaine particulier du spectre vibratoire à prendre en compte. Autrement dit, cet échantillonnage préliminaire permet de tester dans de bonnes conditions des pièces seules (les erreurs de mesure et parasitages sont limités) pour choisir les meilleures conditions de test pour les pièces restées solidaires du substrat.According to an embodiment in which several parts are attached to a substrate such as a wafer, it is possible to carry out sampling by detaching one or a few parts to test them individually, and to deduce a particular excitation frequency. to apply, and/or a particular measurement point to use, and/or a particular area of the vibration spectrum to take into account. In other words, this preliminary sampling makes it possible to test single parts in good conditions (measurement errors and interference are limited) to choose the best test conditions for the parts that remain attached to the substrate.
On a alors plusieurs scénarios en fonction du domaine choisi préalablement pour l'excitation :
- a. Mesures dans le domaine fréquentiel
- 1- variante avec excitation entretenue :
- i. Intégrer temporellement l'amplitude et la phase d'oscillation suffisamment longtemps pour avoir une bonne résolution spectrale à la fréquence d'excitation f0,
- ii. Décaler la fréquence d'oscillation de delta f pour exciter à la fréquence f0 + Δ f et répéter l'étape i d'intégration,
- iii. Reconstruire les spectres d'amplitude et de phase d'oscillation en fonction de la fréquence d'excitation (possiblement avec plusieurs pics à plusieurs fréquences).
- 2- variante avec excitation dont la fréquence varie au cours du temps :
- i. Enregistrer temporellement l'amplitude et la phase d'oscillation au cours du balayage fréquentiel de la plage fréquentielle,
- ii. Réitérer l'étape i- au moins une fois, de préférence au moins trois fois,
- iii. Reconstruire les spectres d'amplitude et de phase d'oscillation en fonction de la fréquence d'excitation (possiblement avec plusieurs pics à plusieurs fréquences).
- 1- variante avec excitation entretenue :
- b. Mesures dans le domaine temporel :
- i. Enregistrer le déplacement temporel de la spire selon X, Y et Z sur une durée suffisamment longue de manière à obtenir un signal suffisamment représentatif, comme par exemple quelques secondes.
- ii. On peut choisir d'enregistrer le signal pour en faire un signal de référence à comparer avec d'autres signaux mesurés sur d'autres pièces. On peut aussi choisir de faire un traitement du signal de type transformée de Fourier pour identifier des fréquences de résonance dans le signal enregistré.
- has. Frequency domain measurements
- 1- variant with maintained excitation:
- i. Integrate temporally the amplitude and the phase of oscillation long enough to have a good spectral resolution at the excitation frequency f 0 ,
- ii. Shift the oscillation frequency by delta f to excite at frequency f 0 + Δ f and repeat integration step i,
- iii. Reconstruct the oscillation amplitude and phase spectra as a function of the excitation frequency (possibly with multiple peaks at multiple frequencies).
- 2- variant with excitation whose frequency varies over time:
- i. Temporally record the amplitude and phase of oscillation during the frequency sweep of the frequency range,
- ii. Repeat step i- at least once, preferably at least three times,
- iii. Reconstruct the oscillation amplitude and phase spectra as a function of the excitation frequency (possibly with multiple peaks at multiple frequencies).
- 1- variant with maintained excitation:
- b. Time domain measurements:
- i. Record the temporal movement of the turn along X, Y and Z over a sufficiently long period so as to obtain a sufficiently representative signal, such as a few seconds for example.
- ii. You can choose to record the signal to make it a reference signal to compare with other signals measured on other parts. We can also choose to carry out Fourier transform type signal processing to identify resonant frequencies in the recorded signal.
En conséquence, on peut identifier au moins un pic de résonance pour chaque résonateur excité, et il est proposé de déterminer la fréquence de résonance non pas sur la base du sommet du pic de résonance, c'est-à-dire sur l'amplitude maximum, mais plutôt sur une zone de la courbe située entre 25% et 75% de la valeur d'amplitude maximale du pic de résonance, par exemple à partir de sa largeur à mi-hauteur. En effet, cette méthode de traitement qui se focalise sur une partie de la courbe entre 25% et 75% de la valeur d'amplitude maximale du pic de résonance permet de limiter les erreurs dues à la singularité du point d'amplitude maximum et aux calculs d'approximation pour reconstruire la partie sommitale du pic de résonance. La zone de la courbe située entre 25% et 75% de la valeur d'amplitude maximale du pic de résonance présente une meilleure précision que la partie supérieure à 75% (typiquement le pic), ce qui offre une meilleure précision sur la fréquence exacte de résonance déterminée. On peut prendre par exemple le milieu du segment reliant les deux points à mi-hauteur du pic de résonance pour déterminer la fréquence de résonance associée au pic en question.As a result, one can identify at least one resonance peak for each excited resonator, and it is proposed to determine the resonance frequency not on the basis of the top of the resonance peak, i.e. on the amplitude maximum, but rather on an area of the curve located between 25% and 75% of the maximum amplitude value of the resonance peak, for example from its width at half height. Indeed, this processing method which focuses on a part of the curve between 25% and 75% of the maximum amplitude value of the resonance peak makes it possible to limit errors due to the singularity of the maximum amplitude point and to the approximation calculations to reconstruct the summit part of the resonance peak. The area of the curve located between 25% and 75% of the maximum amplitude value of the resonance peak has better precision than the part above 75% (typically the peak), which offers better precision on the exact frequency of determined resonance. For example, we can take the middle of the segment connecting the two points halfway up the resonance peak to determine the resonance frequency associated with the peak in question.
La
La
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Pour ces essais de la
En référence au procédé de fabrication décrit aux
En conséquence, on décrira d'abord les étapes mises en œuvre pour déterminer la raideur des pièces.Consequently, we will first describe the steps implemented to determine the stiffness of the parts.
Pour établir un modèle de prédiction qui puisse recevoir en entrée les caractéristiques vibratoires (typiquement une fréquence de résonance) et donner en sortie une raideur et/ou une correction dimensionnelle, il faut, lors de la phase d'apprentissage, fournir les données relatives à la raideur et/ou les dimensions du barreau réelles des résonateurs testés. À cet effet, on peut prévoir de mesurer concrètement une fréquence propre d'un système spiral - balancier dans un environnement similaire à celui d'un mécanisme de montre particulier.To establish a prediction model that can receive the vibration characteristics as input (typically a resonant frequency) and output a stiffness and/or a dimensional correction, it is necessary, during the learning phase, to provide the data relating to the actual stiffness and/or bar dimensions of the resonators tested. To this end, we can plan to concretely measure a natural frequency of a spiral-balance system in an environment similar to that of a particular watch mechanism.
Deux alternatives peuvent être mises en œuvre. On peut selon une première alternative accoupler un balancier prédéterminé directement sur le résonateur encore attaché à la plaquette, et mesurer une fréquence propre d'oscillation du couple résonateur - balancier pour comparer cette fréquence propre avec une fréquence propre attendue et surtout calculer la raideur réelle ou les dimensions réelles en se basant sur les équations 1 à 3 ci-dessus. Selon une deuxième alternative, on peut finir de fabriquer les résonateurs testés, afin de les monter ou les accoupler avec un balancier de manière individuelle pour mesurer ici encore une fréquence propre d'oscillation du couple résonateur - balancier.Two alternatives can be implemented. According to a first alternative, we can couple a predetermined balance directly to the resonator still attached to the plate, and measure a natural frequency of oscillation of the resonator - balance wheel couple to compare this natural frequency with an expected natural frequency and above all calculate the real stiffness or actual dimensions based on
Dans les deux alternatives ci-dessus, on peut passer par une étape intermédiaire de détermination de la raideur de chaque résonateur, et ensuite déterminer les dimensions réelles du barreau des résonateurs testés. En d'autres termes, il est possible de déterminer la fréquence propre ou une fréquence de résonance et ensuite la raideur ou les dimensions du barreau du résonateur en analysant les oscillations libres d'un spiral couplé à un balancier de référence. Dans cette approche, un laser pointé sur les bras du balancier ou sur le porte-spiral enregistre les temps de passage des bras du balancier ou d'un détrompeur. On en déduit alors une estimation de la période, puis de la fréquence et enfin la raideur. Les données recueillies sont essentiellement des nuages de points des instants de passage.In the two alternatives above, we can go through an intermediate step of determining the stiffness of each resonator, and then determine the real dimensions of the bar of the resonators tested. In other words, it is possible to determine the natural frequency or a resonance frequency and then the stiffness or the dimensions of the resonator bar by analyzing the free oscillations of a hairspring coupled to a reference balance wheel. In this approach, a laser pointed at the balance arms or at the hairspring holder records the passage times of the balance arms or a key. We then deduce an estimate of the period, then the frequency and finally the stiffness. The data collected are essentially point clouds of passage times.
En effet, pour évaluer la raideur d'un spiral sur le wafer, plusieurs solutions sont offertes, comme notamment décrit par
De manière analogue, la raideur peut également être déduite d'une mesure de couple de réaction à la virole au moyen d'un rhéomètre. Le signal acquis représente l'évolution du couple en fonction de l'amplitude. L'analyse de la pente de cette courbe pour les faibles amplitudes (partie linéaire) permet de déduire la raideur, et ensuite les dimensions du barreau du résonateur. On peut ensuite déterminer les dimensions du barreau du spiral.Analogously, the stiffness can also be deduced from a measurement of reaction torque at the shell using a rheometer. The acquired signal represents the evolution of the torque as a function of the amplitude. Analysis of the slope of this curve for low amplitudes (linear part) makes it possible to deduce the stiffness, and then the dimensions of the resonator bar. We can then determine the dimensions of the hairspring bar.
D'autre part, on peut prévoir d'estimer par simulation une fréquence propre et/ou une fréquence de résonance et/ou la raideur pour chaque résonateur testé sur la plaquette. À cet effet, on peut effectuer des mesures dimensionnelles de chaque résonateur testé pour reconstruire par modélisation numérique le résonateur afin de simuler par calcul numérique sa réponse vibratoire au spectre imposé, et de trouver par ailleurs la raideur du résonateur.On the other hand, it is possible to estimate by simulation a natural frequency and/or a resonance frequency and/or the stiffness for each resonator tested on the wafer. To this end, dimensional measurements can be taken of each resonator tested to reconstruct the resonator by digital modeling in order to simulate by numerical calculation its vibrational response to the imposed spectrum, and to also find the stiffness of the resonator.
Une approche par tomographie 3D par rayon X à haute résolution permettrait d'extraire des nuages de points donnant la densité de matière 3D des spiraux, et, moyennant une reconstruction des images adaptée, une cartographie de la section du spiral. Ces différents types de données permettent de déduire les dimensions du barreau du barreau et d'estimer la raideur du spiral par une approche géométrique.A high-resolution 3D X-ray tomography approach would make it possible to extract point clouds giving the 3D material density of the hairsprings, and, through appropriate image reconstruction, a map of the hairspring section. These different types of data make it possible to deduce the dimensions of the bar from the bar and to estimate the stiffness of the hairspring using a geometric approach.
Une autre approche consiste à analyser les oscillations forcées d'un spiral sur un balancier de référence avec un échappement. Une mesure laser des temps de passage des bras du balancier (nuages de points), telle que présentée plus haut, permet de mesurer la fréquence et d'en déduire la raideur. Une alternative peut être envisagée à partir d'une acquisition acoustique (micro de type Witschi) qui enregistre les chocs des différentes phases de fonctionnement du système échappement/ancre. Les données mesurées sont soit des nuages de points des instants de passage des bras du balancier, soit l'évolution temporelle du niveau de pression acoustique. Ces types de données expérimentales permettent de déduire la période, puis la fréquence, ensuite la raideur et enfin les dimensions du barreau du résonateur.Another approach consists of analyzing the forced oscillations of a hairspring on a reference balance wheel with an escapement. A laser measurement of the passage times of the balance arms (point clouds), as presented above, makes it possible to measure the frequency and deduce the stiffness. An alternative can be considered based on an acoustic acquisition (Witschi type microphone) which records the shocks of the different operating phases of the escapement/anchor system. The measured data are either point clouds of the moments of passage of the balance arms, or the temporal evolution of the sound pressure level. These types of experimental data make it possible to deduce the period, then the frequency, then the stiffness and finally the dimensions of the resonator bar.
De retour aux essais discutés ci-dessus à la
Pour pouvoir effectuer la prédiction de la raideur, il faut préalablement établir ou construire des données de référence, comme par exemple un spectre de référence. Lors de la phase d'apprentissage, les mesures d'amplitudes d'oscillations sont effectuées sur des résonateurs physiques, et des fréquences de résonance sont identifiées. Afin de pouvoir ultérieurement relier les fréquences de résonance mesurées sur des résonateurs à des raideurs et/ou des corrections de dimension (d'épaisseur) à apporter, il faut prévoir une phase de corrélation au cours de laquelle un modèle prédictif est construit.To be able to predict the stiffness, reference data must first be established or constructed, such as a reference spectrum. During the learning phase, oscillation amplitude measurements are carried out on physical resonators, and resonance frequencies are identified. In order to subsequently be able to relate the resonance frequencies measured on resonators to stiffnesses and/or dimensional (thickness) corrections to be made, it is necessary to provide a correlation phase during which a predictive model is constructed.
Les opérations décrites ci-dessus (mesures vibratoire, identification des pics de résonance, largeur de bande à mi-hauteur et sa valeur milieu ou corrigée, détermination de la raideur et/ou des dimensions du barreau du barreau) permet d'alimenter une base de données pouvant mettre en relation la position du spiral sur le wafer, des spectres ou périodes d'oscillation ou largeur de bande à mi-hauteur et sa valeur milieu ou corrigée avec les raideurs et/ou dimensions du barreau effectives du spiral. Comme vu ci-dessus, cette base de données peut être construite à partir de simulations numériques sur un modèle par éléments finis de spiral. Ces simulations permettent de générer des spectres ou périodes d'oscillation de références associés à des raideurs. Cette base de données peut également être complétée par des mesures expérimentales en mesurant des spectres de vibrations, périodes d'oscillation et les positions de spiraux sur la plaquette ainsi que leurs raideurs associées. L'un des avantages de cette approche réside dans le fait que la base de données d'apprentissage s'enrichit au fur et à mesure des essais. Ceci peut permettre d'avoir un modèle adaptatif selon les plaquettes et les spiraux et contribue à la réduction de l'écart-type en raideur sur les plaquettes.The operations described above (vibration measurements, identification of resonance peaks, bandwidth at half height and its midpoint or corrected value, determination of the stiffness and/or dimensions of the bar of the bar) make it possible to supply a base data that can relate the position of the balance spring to the wafer, spectra or periods of oscillation or bandwidth at half height and its midpoint value or corrected with the stiffnesses and/or dimensions of the effective bar of the hairspring. As seen above, this database can be constructed from numerical simulations on a finite element model of a hairspring. These simulations make it possible to generate reference spectra or oscillation periods associated with stiffnesses. This database can also be supplemented by experimental measurements by measuring vibration spectra, oscillation periods and the positions of hairsprings on the plate as well as their associated stiffnesses. One of the advantages of this approach lies in the fact that the training database is enriched as the tests are carried out. This can make it possible to have an adaptive model depending on the plates and hairsprings and contributes to the reduction of the standard deviation in stiffness on the plates.
Cette base de données peut servir à bâtir un modèle de prédiction, et plusieurs solutions sont offertes.This database can be used to build a prediction model, and several solutions are offered.
On peut construire un modèle numérique, par exemple polynomial, pour calculer, en fonction d'une valeur de fréquence de résonance, une épaisseur réelle, une correction dimensionnelle ou une raideur réelle.We can construct a digital model, for example polynomial, to calculate, as a function of a resonant frequency value, a real thickness, a dimensional correction or a real stiffness.
On peut aussi effectuer une catégorisation en effectuant un partitionnement en k-moyennes des données d'entrée (les résultats des mesures vibratoires, typiquement la fréquence des pics de résonance) et des données de sortie (la raideur, et/ou les dimensions du barreau du résonateur) et de les relier entre elles pour établir une correspondance.We can also carry out a categorization by carrying out a k-means partitioning of the input data (the results of the vibration measurements, typically the frequency of the resonance peaks) and the output data (the stiffness, and/or the dimensions of the bar of the resonator) and connect them together to establish a correspondence.
On peut également prévoir de traiter les images des pics de résonance par un réseau de neurones, par exemple un perceptron, pour effectuer une classification selon des raideurs ou des dimensions du barreau, les classes pouvant être définies par des incréments de valeurs.It is also possible to process the images of the resonance peaks by a neural network, for example a perceptron, to carry out a classification according to stiffness or dimensions of the bar, the classes being able to be defined by increments of values.
En résumé, la phase d'apprentissage comprend une phase de test (excitation de résonateurs avec mesure des caractéristiques vibratoires pour reconstruire un spectre vibratoire et identifier des fréquences de résonance). Une phase de mesure des raideurs et/ou des dimensions du barreau des résonateurs est également effectuée. Une fois les données d'entrée (les fréquences de résonance) et les données de sortie (les raideurs et/ou les dimensions du barreau) pour un échantillon significatif disponibles, la phase de construction du modèle de prédiction peut être effectuée.In summary, the learning phase includes a test phase (excitation of resonators with measurement of vibration characteristics to reconstruct a vibration spectrum and identify resonance frequencies). A phase of measuring the stiffness and/or dimensions of the resonator bar is also carried out. Once the input data (the resonance frequencies) and the output data (the stiffness and/or the dimensions of the bar) for a significant sample available, the construction phase of the prediction model can be carried out.
Pour revenir à l'exemple traité et décrit en rapport avec la
R = 0.0015 F - 10.894,
Avec
- R pour la raideur en 10-7 N.mm
- F pour la fréquence de résonance en Hz.
R = 0.0015 F - 10.894,
With
- R for stiffness in 10 -7 N.mm
- F for the resonant frequency in Hz.
On peut noter qu'il est avantageux de vérifier que le modèle de prédiction établi présente une bonne sensibilité, c'est-à-dire que pour deux valeurs d'entrées différentes, le modèle donne deux valeurs de sortie distinctes. La demanderesse s'est aperçue que la sensibilité du modèle de prédiction n'était pas la même pour tous les pics de résonance. En particulier, si on se réfère à la formule de prédiction établie et représentée
D'autre part, la demanderesse s'est aussi aperçue que même pour des fréquences de résonance proches, les modes de résonance (notamment les modes de déformation et/ou de déplacement des résonateurs) pouvaient différer de manière significative, ce qui peut également affecter la sensibilité de la prédiction de raideur et/ou de correction dimensionnelle. Il est avantageux de prévoir, lors de la phase d'apprentissage, une étape de comparaison de la sensibilité de la prédiction pour choisir de considérer ultérieurement telle ou telle fréquence de résonance et pas une autre pour prédire de manière la plus précise possible une raideur et/ou une correction dimensionnelle en fonction de la réponse vibratoire.On the other hand, the applicant also noticed that even for close resonance frequencies, the resonance modes (in particular the modes of deformation and/or movement of the resonators) could differ significantly, which can also affect the sensitivity of the prediction of stiffness and/or dimensional correction. It is advantageous to provide, during the learning phase, a step of comparing the sensitivity of the prediction to choose to subsequently consider this or that resonance frequency and not another to predict as precisely as possible a stiffness and /or a dimensional correction depending on the vibration response.
Des remarques ci-dessus relatives à l'étude de la sensibilité de la prédiction, on peut prévoir, lors de la phase d'apprentissage, de classer les différents pics de résonance identifiés selon la sensibilité de prédiction de la raideur et/ou de la correction dimensionnelle. On peut prévoir ensuite de définir la plage fréquentielle d'excitation (qui sera appliquée pendant une phase de prédiction pure) pour inclure au moins un ou plusieurs pics ou fréquences de résonance qui donne(nt) la meilleure sensibilité. Ainsi, imposer une excitation vibratoire variable sur la plage fréquentielle ainsi prédéterminée va garantir de pouvoir faire une prédiction précise pour le pic de résonance identifié ou des prédictions pour chacun des pics de résonance identifiés, qui se recoupent ou se confortent.From the above remarks relating to the study of the sensitivity of the prediction, we can plan, during the learning phase, to classify the different resonance peaks identified according to the sensitivity of prediction of the stiffness and/or the dimensional correction. We can then plan to define the excitation frequency range (which will be applied during a pure prediction phase) to include at least one or more peaks or resonance frequencies which give(s) the best sensitivity. Thus, imposing a variable vibrational excitation on the frequency range thus predetermined will guarantee being able to make a precise prediction for the identified resonance peak or predictions for each of the identified resonance peaks, which overlap or reinforce each other.
De manière générale, la phase d'apprentissage permet de choisir soit des pics de résonance aux fréquences élevées et/ou des pics de résonance qui correspondent à des modes de résonance particuliers permettant de prédire des valeurs précises et fiables, et la plage fréquentielle sera prédéterminée pour inclure au moins un pic de résonance et de préférence plusieurs, pour pouvoir faire soit une seule prédiction aussi précise que possible, soit plusieurs prédictions (une par pic de résonance jugé intéressant) pour effectuer ensuite des recoupements, des moyennes ou encore des recalages des valeurs prédites.Generally speaking, the learning phase makes it possible to choose either resonance peaks at high frequencies and/or resonance peaks which correspond to particular resonance modes making it possible to predict precise and reliable values, and the frequency range will be predetermined. to include at least one resonance peak and preferably several, to be able to make either a a single prediction as precise as possible, or several predictions (one per resonance peak deemed interesting) to then carry out cross-checking, averages or even adjustments of the predicted values.
On peut par exemple prévoir de prédire plusieurs valeurs de raideur ou de corrections dimensionnelles à partir de plusieurs pics ou fréquences de résonances, et ensuite calculer une valeur définitive, en effectuant, à partir des valeurs prédites, une moyenne pondérée en attribuant des poids à chaque valeur prédite, chaque poids étant déterminé en fonction de la sensibilité identifiée pour chaque pic ou fréquence de résonance correspondant(e).We can for example plan to predict several values of stiffness or dimensional corrections from several peaks or resonance frequencies, and then calculate a final value, by carrying out, from the predicted values, a weighted average by assigning weights to each predicted value, each weight being determined based on the sensitivity identified for each corresponding peak or resonance frequency.
Alternativement et de manière préférée, on peut prévoir de n'avoir qu'un seul modèle qui prend tous les pics ou fréquences de résonance en entrée et qui renvoie la raideur ou la correction dimensionnelle, la phase d'apprentissage du modèle servant précisément à calculer les pondérations sur les pics ou fréquences de résonance d'entrée.Alternatively and preferably, we can plan to have only one model which takes all the peaks or resonant frequencies as input and which returns the stiffness or the dimensional correction, the learning phase of the model serving precisely to calculate the weightings on the peaks or input resonance frequencies.
Une fois la phase d'apprentissage terminée, on peut passer à une phase de prédiction, par exemple lors d'un procédé de contrôle de résonateurs. On peut typiquement effectuer le procédé de contrôle sur des ébauches de spiral réalisées sur une plaquette et encore attachées à cette plaquette, de sorte à estimer la raideur et/ou les dimensions du barreau des spiraux de l'échantillon, afin de déterminer si une correction dimensionnelle est à apporter.Once the learning phase is completed, we can move on to a prediction phase, for example during a resonator control process. The control process can typically be carried out on hairspring blanks made on a plate and still attached to this plate, so as to estimate the stiffness and/or the dimensions of the bar of the hairsprings of the sample, in order to determine whether a correction dimension is to be provided.
Une fois le modèle entrainé, la procédure de contrôle à déployer peut être la suivante :
- 1) Repérage de la position du spiral sur le wafer, mesure vibratoire des spectres ou période d'oscillation (comme décrit plus haut),
- 2) Prédiction de la raideur et/ou des dimensions du barreau du spiral par application du modèle prédictif,
- 3) Déterminer si une correction dimensionnelle est nécessaire pour atteindre la fréquence propre ou raideur cible.
- 1) Identification of the position of the hairspring on the wafer, vibration measurement of the spectra or oscillation period (as described above),
- 2) Prediction of the stiffness and/or dimensions of the hairspring bar by application of the predictive model,
- 3) Determine if a dimensional correction is necessary to achieve the target natural frequency or stiffness.
Lors du procédé de contrôle, il est possible aussi de quantifier la correction exacte à apporter, de sorte que le procédé de fabrication peut inclure, en plus du contrôle ci-dessus :
- 1) Connaissant la raideur effective du spiral estimée(s) selon le modèle et la raideur cible et/ou les dimensions du barreau cibles : appliquer la dose de correction nécessaire.
Réitérer l'étape 1) et l'étape 2) du procédé de contrôle pour contrôler la raideur / les dimensions du spiral et confirmer que les valeurs cibles sont atteintes, à un seuil de tolérance près, ou répéter ces étapes et la correction dimensionnelle jusqu'à ce que la raideur/dimension prédite par le modèle atteigne les valeurs cibles.
- 1) Knowing the effective stiffness of the hairspring estimated(s) according to the model and the target stiffness and/or the dimensions of the target bar: apply the necessary correction dose.
Repeat step 1) and step 2) of the control process to check the spring stiffness/dimensions and confirm that the target values are reached, within a tolerance threshold, or repeat these steps and the dimensional correction until until the stiffness/dimension predicted by the model reaches the target values.
On sait qu'on réalise plusieurs centaines de spiraux sur une plaquette et que les dimensions du barreau des spiraux réalisés peuvent varier selon les régions de la plaquette. Si l'évaluation de raideur peut être effectuée sur un seul spiral, en pratique, elle sera effectuée sur un échantillon de spiraux, répartis sur la plaquette.We know that several hundred spirals are made on a wafer and that the dimensions of the bar of the spirals produced can vary depending on the regions of the wafer. If the stiffness evaluation can be carried out on a single hairspring, in practice, it will be carried out on a sample of hairsprings, distributed over the plate.
A partir des évaluations effectuées, les corrections peuvent être effectuées pour toute la plaquette de manière homogène, ou bien différenciées par région, si les résultats obtenus varient d'un spiral à un autre. On peut ainsi réduire l'écart-type de la dispersion des raideurs. Par ailleurs, si on connait les raideurs de tous les spiraux par application du modèle, on peut déterminer la correction optimale permettant de réduire la dispersion globale.From the evaluations carried out, corrections can be made for the entire plate in a homogeneous manner, or differentiated by region, if the results obtained vary from one spiral to another. We can thus reduce the standard deviation of the dispersion of stiffnesses. Furthermore, if we know the stiffness of all the hairsprings by applying the model, we can determine the optimal correction to reduce the overall dispersion.
On peut même envisager d'aller jusqu'à une évaluation de tous les spiraux de la plaquette, notamment avec une évaluation vibratoire, car celle-ci est très rapide à effectuer et peut permettre une automatisation du procédé.We can even consider going as far as evaluating all the spirals of the plate, in particular with a vibration evaluation, because this is very quick to carry out and can allow automation of the process.
Bien que les exemples ci-dessus ont été donnés principalement sur la base d'une fabrication de spiraux présentant des dimensions du barreau initiales plus grandes que les dimensions du barreau cibles, on peut également prévoir de réaliser des spiraux présentant des dimensions du barreau initiales plus petites que les dimensions du barreau cibles. L'étape de correction consiste alors à ajouter de la matière, comme par exemple décrit dans le document
La méthode, consistant à identifier des fréquences de résonance en imposant une excitation vibratoire sur les ébauches de spiral seules permet de rapidement obtenir des données de mesure, sans devoir par exemple faire des opérations de montage d'un balancier, tout en limitant les erreurs de mesure car seule l'ébauche de spiral est testée (il n'y a pas d'erreur pouvant être liée au balancier, comme sa masse, sa position de montage, etc.).The method, consisting of identifying resonant frequencies by imposing vibratory excitation on the hairspring blanks alone, makes it possible to quickly obtain measurement data, without having to, for example, carry out assembly operations on a balance wheel, while limiting measurement errors. measure because only the hairspring blank is tested (there are no errors that could be linked to the balance, such as its mass, its mounting position, etc.).
Pour le volet relatif à la prédiction du coefficient thermique du module de Young (CTE) du spiral et/ou du coefficient thermique (CT) d'un système horloger comprenant le spiral, on peut procéder de la manière suivante :
- Étape 1 : mesures ou calculs des fréquences propres ou de résonance sur plaquette à plusieurs températures T (
par exemple 8°C, 23°C et 38°C) ; - Etape 2 : détacher les spiraux, les assembler avec un balancier et les monter dans des mouvements ;
- Etape 3 : mesurer les coefficients thermiques (CT) en mouvement selon la procédure du Contrôle officiel suisse des chronomètres (COSC) par exemple (24h à 8°C, 24h à 23°C et 24h à 38°C) ;
- Etape 4 : construire un modèle de prédiction entre les fréquences propres ou de résonance mesurées à l'étape 1 et les coefficients thermiques (CT) du mouvement mesurés à l'étape 4.
- Step 1: measurements or calculations of the natural or resonance frequencies on the wafer at several temperatures T (for example 8°C, 23°C and 38°C);
- Step 2: detach the hairsprings, assemble them with a balance wheel and mount them in movements;
- Step 3: measure the thermal coefficients (CT) in motion according to the Swiss Official Chronometer Control (COSC) procedure for example (24 hours at 8°C, 24 hours at 23°C and 24 hours at 38°C);
- Step 4: build a prediction model between the natural or resonance frequencies measured in
step 1 and the thermal coefficients (CT) of the movement measured instep 4.
Lors de l'étape 1, il peut être difficile de faire la mesure vibratoire pour plusieurs températures. On peut envisager de faire la mesure vibratoire pour une seule température (par exemple 23°C, température de la salle blanche) puis de construire un modèle numérique capable d'estimer l'évolution des fréquences propres avec la température selon la procédure suivante :
- Construire un modèle par éléments finis de spiral avec une couche d'oxyde de silicium ;
- Attribuer les paramètres matières pertinents et leurs évolutions avec la température ;
- Faire une analyse modale sur l'intervalle de température [8°C 38 °C] ;
- Tracer l'évolution des fréquences propres ou de résonance en fonction de la température et pour différentes épaisseurs de couche d'oxyde.
- Construct a finite element model of a hairspring with a layer of silicon oxide;
- Assign the relevant material parameters and their evolution with temperature;
- Carry out a modal analysis on the temperature interval [8°C 38°C];
- Trace the evolution of natural or resonance frequencies as a function of temperature and for different oxide layer thicknesses.
Avec ces lois d'évolution, il devient possible prédire les fréquences propres voulues à partir d'une unique mesure vibratoire expérimentale effectuée à 23°C. Toutefois, on pourrait imaginer différents systèmes de chauffage en étuve ou par conduction pour identifier ces lois de manières expérimentales.With these laws of evolution, it becomes possible to predict the desired natural frequencies from a single experimental vibration measurement carried out at 23°C. However, we could imagine different heating systems in an oven or by conduction to identify these laws experimentally.
Le résultat d'une telle prédiction peut être observé
Par ailleurs, la demanderesse s'est aperçue que la fréquence de résonance était significativement affectée par des valeurs d'oxydation différentes (impliquant des variations de coefficient thermique du module de Young (CTE) du spiral et donc des variations de coefficient thermique (CT) d'un système horloger comprenant le spiral) pour certains modes de résonance seulement.Furthermore, the applicant noticed that the resonant frequency was significantly affected by different oxidation values (implying variations in the thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring and therefore variations in the thermal coefficient (CT) of a watch system including the hairspring) for certain resonance modes only.
Dans le détail, une analyse de sensibilité de la fréquence de résonance à la valeur d'oxydation a été effectuée pour environ 240 modes de résonance identifiés avec l'équation ci-dessous :
La
Par ailleurs, la demanderesse s'est aperçue que pour les modes de résonance ayant une fréquence élevée, la sensibilité de la fréquence de résonance est particulièrement élevée pour les modes de résonance dits « hors plan », alors que les modes de résonance dits « plan » ne présentent pas de sensibilité particulière. On peut conclure qu'il est avantageux de prendre en compte les modes de résonance « hors plan » et qui ont des fréquences de résonance élevées pour prédire le coefficient thermique du module de Young (CTE) du spiral et/ou le coefficient thermique (CT) d'un système horloger comprenant le spiral. A l'inverse, il est avantageux de considérer les modes de résonance « plan » pour prédire la raideur des pièces.Furthermore, the applicant has noticed that for resonance modes having a high frequency, the sensitivity of the resonance frequency is particularly high for so-called "out-of-plane" resonance modes, while so-called "plane" resonance modes » do not present any particular sensitivity. We can conclude that it is advantageous to take into account “out-of-plane” resonance modes which have high resonance frequencies to predict the thermal coefficient of Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or the thermal coefficient (CT ) of a watchmaking system including the hairspring. Conversely, it is advantageous to consider the “plane” resonance modes to predict the stiffness of the parts.
L'étape 3 peut être réalisée en détachant les pièces mesurées à l'étape 1 et en les montant dans un mouvement de référence, et on peut mesurer la marche de ces mouvements selon les trois températures 8°C, 23°C, 38°C.
Pour établir un modèle de prédiction de coefficient thermique qui puisse recevoir en entrée les caractéristiques vibratoires et donner en sortie le coefficient thermique du module de Young (CTE) du spiral et/ou le coefficient thermique (CT) d'un système horloger comprenant le spiral, on peut donc utiliser les données de fréquence de résonance identifiées aux trois températures pour les pièces prises en compte, et les données de marche aux trois températures pour ces mêmes pièces.To establish a thermal coefficient prediction model which can receive the vibration characteristics as input and give as output the thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or the thermal coefficient (CT) of a watch system including the hairspring , we can therefore use the resonance frequency data identified at the three temperatures for the parts taken into account, and the operating data at the three temperatures for these same parts.
Une fois le modèle de prédiction de coefficient thermique établi, une machine de prédiction de coefficient thermique peut l'utiliser pour prédire, à partir par exemple des données de fréquence de résonance pour un mode de résonance hors plan ayant une fréquence de résonance élevée, le coefficient thermique du module de Young (CTE) du spiral et/ou le coefficient thermique (CT) d'un système horloger comprenant le spiral. Bien entendu, lorsqu'il s'agit de prédire le coefficient thermique (CT) d'un système horloger comprenant le spiral, la machine de prédiction de coefficient thermique peut recevoir en entrée la référence du dispositif horloger en question, ou sa valeur ou contribution au coefficient thermique. On peut en effet considérer que pour une référence de calibre donnée, les différents paramètres qui interviennent dans le CT du mouvement (sensibilité à la température du balancier, du rouage, des paliers, des lubrifiants...) sont constants et ne constituent pas des variables d'ajustement.Once the thermal coefficient prediction model is established, a thermal coefficient prediction machine can use it to predict, for example from resonance frequency data for an out-of-plane resonance mode having a high resonance frequency, the thermal coefficient of Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or the thermal coefficient (CT) of a watch system including the hairspring. Of course, when it comes to predicting the thermal coefficient (CT) of a watch system including the hairspring, the thermal coefficient prediction machine can receive as input the reference of the watch device in question, or its value or contribution to the thermal coefficient. We can in fact consider that for a given caliber reference, the different parameters which intervene in the CT of the movement (sensitivity to the temperature of the balance, of the cog, bearings, lubricants, etc.) are constant and do not constitute adjustment variables.
Il n'y a plus besoin d'assembler des mouvements pour mesurer le coefficient thermique (CT) d'un système horloger comprenant le spiral, cette étape chronophage et source de variabilité peut être supprimée.There is no longer any need to assemble movements to measure the thermal coefficient (CT) of a watch system including the hairspring; this time-consuming step and source of variability can be eliminated.
Il y aurait la possibilité de faire un traitement itératif sur des pièces d'une même plaquette : après prédiction du coefficient thermique du module de Young (CTE) du spiral et/ou du coefficient thermique (CT) d'un système horloger comprenant le spiral, on pourrait détacher uniquement les pièces ayant les performances voulues, et appliquer une nouvelle étape de thermo-compensation (oxydation et/ou désoxydation) aux pièces qui sont identifiées non compatible ou non conforme aux performances désirées.There would be the possibility of carrying out iterative processing on parts of the same wafer: after predicting the thermal coefficient of the Young's modulus (CTE) of the hairspring and/or the thermal coefficient (CT) of a watch system including the hairspring , we could detach only the parts having the desired performances, and apply a new thermo-compensation step (oxidation and/or deoxidation) to the parts which are identified as not compatible or not conforming to the desired performances.
En résumé, l'invention permet de simplifier les processus de fabrication et de contrôle de résonnateurs en silicium pour fabriquer des mouvements ayant une sensibilité aux variations de température faible ou nulle :
- en appliquant une excitation vibratoire particulière à des pièces oxydées,
- en fournissant la réponse vibratoire ou des fréquences de résonance ou des pics de résonance ou des données extraites de la réponse vibratoire à une machine de prédiction de coefficient thermique. Avec ce procédé, on peut vérifier simplement si les pièces ont une thermo-compensation adaptée au mouvement dans lequel elles seront montées.
- une ou plusieurs spires collée(s) ou pontée(s) à une spire adjacente, au reste de la plaquette, comme par exemple le support isolant,
- une porosité, locale ou non, du matériau ou de l'oxyde,
- une interface entre une âme en silicium et une couche d'oxyde avec un vide, un décollement, des irrégularités...,
- une épaisseur d'oxyde irrégulière ou interrompue...,
- un défaut ou manque local de matière, comme par exemple un défaut d'infiltration,
- un surplus de matière, lié par exemple à un défaut de masquage,
- une hétérogénéité de la matière (le silicium, l'oxyde de silicium),
- un défaut de planéité (lissage) des tranches latérales du barreau formant le spiral,
- un défaut de verticalité des tranches latérales du barreau formant le spiral (une dépouille ou une contre dépouille des faces),
- des spires déformées, ondulées ou décentrées par rapport à la position théorique...
- by applying a particular vibratory excitation to oxidized parts,
- by providing the vibration response or resonance frequencies or resonance peaks or data extracted from the vibration response to a thermal coefficient prediction machine. With this process, we can simply check whether the parts have thermo-compensation adapted to the movement in which they will be mounted.
- one or more turns glued or bridged to an adjacent turn, to the rest of the plate, such as for example the insulating support,
- porosity, local or not, of the material or oxide,
- an interface between a silicon core and an oxide layer with a void, separation, irregularities, etc.
- an irregular or interrupted oxide thickness...,
- a local defect or lack of material, such as for example an infiltration defect,
- a surplus of material, linked for example to a masking defect,
- heterogeneity of matter (silicon, silicon oxide),
- a lack of flatness (smoothing) of the lateral edges of the bar forming the hairspring,
- a lack of verticality of the lateral edges of the bar forming the hairspring (an undercut or an undercut of the faces),
- deformed, wavy or off-centered turns compared to the theoretical position...
Cependant, on peut noter que les données tirées de la réponse vibratoire et exploitées pour ces prédictions de raideur ou de présence défauts ne sont pas forcément les mêmes que celles pour la prédiction de coefficient thermique et on peut même considérer que de manière préférée, les données tirées de la réponse vibratoire et exploitées sont différentes et distinctes de celles pour la prédiction de coefficient thermique.However, it can be noted that the data taken from the vibration response and used for these predictions of stiffness or presence of defects are not necessarily the same as those for the prediction of thermal coefficient and we can even consider that in a preferred manner, the data taken from the vibration response and used are different and distinct from those for the prediction of the thermal coefficient.
Claims (16)
et/ou
and or
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