WO2013045706A2 - Ensemble monolithique ressort spiral-virole - Google Patents

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WO2013045706A2
WO2013045706A2 PCT/EP2012/069372 EP2012069372W WO2013045706A2 WO 2013045706 A2 WO2013045706 A2 WO 2013045706A2 EP 2012069372 W EP2012069372 W EP 2012069372W WO 2013045706 A2 WO2013045706 A2 WO 2013045706A2
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ferrule
monolithic
spiral spring
balance shaft
assembly
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PCT/EP2012/069372
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Jérôme Daout
Richard Bossart
Jean-Marc Bonard
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Rolex S.A.
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Priority to EP12766973.7A priority patent/EP2761380B1/fr
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    • G04—HOROLOGY
    • G04B—MECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
    • G04B17/00—Mechanisms for stabilising frequency
    • G04B17/32—Component parts or constructional details, e.g. collet, stud, virole or piton
    • G04B17/34—Component parts or constructional details, e.g. collet, stud, virole or piton for fastening the hairspring onto the balance
    • G04B17/345—Details of the spiral roll
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04B—MECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
    • G04B1/00—Driving mechanisms
    • G04B1/10—Driving mechanisms with mainspring
    • G04B1/14—Mainsprings; Bridles therefor
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04B—MECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
    • G04B1/00—Driving mechanisms
    • G04B1/10—Driving mechanisms with mainspring
    • G04B1/14—Mainsprings; Bridles therefor
    • G04B1/145—Composition and manufacture of the springs
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    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49579—Watch or clock making

Definitions

  • the invention relates to a ferrule.
  • the invention also relates to a monolithic spring assembly spiral single or double - not split ferrule, intended to be driven on a balance shaft, including a monolithic assembly including a ferrule according to the invention.
  • the invention also relates to a monolithic spiral-ferrule spring assembly comprising at least two stages as well as to a method of manufacturing such an assembly.
  • One of the critical points for the use of a spiral spring in a high precision timepiece movement is the reliability of the fasteners (recesses) of the balance spring to the axis of the balance and to the balance bridge.
  • the attachment of the hairspring to the axis of the balance is usually made by a ferrule, which was originally a small split cylinder intended to be driven on the balance shaft and drilled laterally to receive the end inside the spiral spring itself.
  • micro-manufacturing techniques such as DRIE processes for silicon, quartz and diamond or UV-Liga for Ni and NiP, opens up possibilities for the shapes and geometries used.
  • Silicon is a very interesting material for making clockwork spirals, and microfabrication techniques make it possible to produce the ferrule in a monolithic manner and come from manufacture with the spiral.
  • a potential problem is that silicon does not have a plastic deformation domain.
  • the ferrule can quickly break if the constraints exceed the constraint permissible maximum and / or the elastic limit of the material. It is thus necessary to make sure to dimension the shell both to maintain the spiral spring on the axis of the balance during operation of the oscillator (minimum torque) and also to assemble the ferrule with axes whose diameters have fluctuations and this, without breaking or undergo plastic deformation if the diameter of the axis of the balance remains within a given tolerance range.
  • EP 1 826 634 proposes in its figure 4 in connection with the line 34 of column 3, a ferrule comprising elastic zones consisting of curved arms. This document does not indicate where the hairspring should be fixed.
  • EP 1 513 029 and EP 2 003 523 propose ferrules having a triangular opening.
  • the attachment of the spiral takes place at a point of attachment (reference 3 in the figures of these documents) located at one of the corners of the triangles.
  • the ferrule is formed of an external stiffening structure to which are attached flexible arms which deform to accomodate the balance shaft.
  • FIG. 10D a hairspring resonator spiral having a ferrule whose opening is circular.
  • the beam is fixed in this case using rounded arms.
  • the patent application WO2011026275 discloses a spiral-ferrule spring assembly with a ferrule having a bore provided with four bearing parts. circular to receive the balance shaft. The bearing portions are delimited by longitudinal grooves formed in the bore of the ferrule.
  • the aim of the invention is to propose new ferrule geometries giving full satisfaction, that is to say making it possible to obtain the highest possible tightening torque on the balance shaft and a stress in the most effective material. low possible.
  • these ferrules must be as balanced as possible so as not to cause unbalance, which would degrade the chronometric properties of the spiral.
  • the central opening of the ferrule for receiving a balance shaft is non-circular, - the contour of the central opening of the ferrule comprises at least two bearing surfaces for a balance shaft;
  • the shell is formed of at least two balance beam receiving parts located opposite, in particular 180 °, one of the other and one of which comprises at least the first of the bearing surfaces for the balance shaft and a point of attachment or embedment of the spiral spring, and the other at least the second of the bearing surfaces for the balance shaft,
  • these two balance shaft receiving parts being connected to one another by two connecting parts which have a lower rigidity than those of the receiving parts, so as to be able to deform elastically during the driving of a balance shaft.
  • the invention relates to a monolithic spiral spring unit single or double - ferrule, the latter may be split or not.
  • This set has the particularity of having at least two levels (or stages or parts), the spiral spring being located on a different level from that where the bearing surfaces of the ferrule for the balance shaft.
  • This characteristic is particularly advantageous because it makes it possible to optimally optimize the holding torque of the ferrule on the balance shaft without having to increase its bulk in the plane of the spiral.
  • this characteristic makes it possible to bring the point of attachment of the spiral spring closer to the axis of the balance, without being limited by the periphery of the ferrule.
  • the invention also relates to a method of manufacturing a spiral spring monolithic assembly slotted ferrule or not, wherein the spiral is made on a different level from that where the support surfaces of the ferrule for the balance shaft.
  • a ferrule according to the invention is defined by claim 1.
  • a monolithic assembly according to the invention is defined by claim 4.
  • a method of manufacturing an assembly is defined by claim 26.
  • a method of manufacturing an assembly is defined by claim 27.
  • a method of manufacturing a ferrule is defined by claim 28.
  • a method of manufacturing a shell is defined by claim 29.
  • a monolithic assembly according to the invention is defined by claim 30.
  • An oscillator according to the invention is defined by claim 46.
  • a watch movement or a timepiece according to the invention is defined by claim 47.
  • FIG. 1 a ferrule according to the prior art, EP 1 513 029 and EP 2 003 523;
  • FIG. 2 a ferrule of FIG. 10D of the prior art EP 1 655 642;
  • FIG. 3 a ferrule according to the prior art WO2011026725;
  • FIG. 4 a monolithic assembly with a double-spiral spring - closed-contour ferrule according to the invention
  • FIGS. 5 to 7 other monolithic assemblies spiral spring double-shell closed contour according to the invention.
  • Figure 8 the main steps of the process for obtaining a monolithic coil spring double-ferrule assembly according to a second aspect of the invention
  • Figures 9 to 11 a monolithic spring coil double-ferrule assembly according to a second aspect of the invention.
  • Figures 12 and 13 other monolithic assemblies spiral spring double - ferrule according to the second aspect of the invention.
  • FIG. 14 a graph showing the evolution of the holding torque M of the shells of the sets of FIGS. 12, 13 and 3 as a function of the diameter of the balance shaft;
  • FIG. 15 is a graph showing the evolution of the stress of the ferrules of the assemblies of FIGS. 12, 13 and 3 as a function of the diameter of the balance shaft;
  • FIGS. 16 to 17 a representation of the stresses within the ferrules of the sets Figures 12 and 13 once a balance shaft driven into the opening (black: very weak elastic deformation, stresses less than half of the maximum stress, in gray: significant elastic deformation, stresses greater than half of the maximum stress );
  • FIG. 18 a representation of the rigid (black) and flexible (gray) zones for the ferrule of FIG. 12;
  • Figure 19 a monolithic coil spring double-ferrule assembly according to an advantageous variant of the second aspect of the invention, wherein the attachment points of the blades of the double spiral are close to the central opening;
  • Figure 20 a sectional view of a ferrule according to an advantageous variant of the second aspect of the invention.
  • Figure 21 a monolithic coil spring double-ferrule assembly according to the first aspect of the invention with indication of the position of the embedding points;
  • Figure 22 a monolithic coil spring double-ferrule assembly according to the second aspect of the invention with indication of the position of the embedding points.
  • FIG. 1 shows the ferrule proposed in the above-mentioned European patent applications EP 1 513 029 and In Figure 2 is shown the ferrule described in Figure 10D of the aforementioned European patent application EP 1 655 642.
  • the invention applies to both sets with a single hairspring and those with a double hairspring. However, it is the latter that is best suited.
  • double spiral is meant here a spiral comprising two blades wound in the same direction, but with a 180 degree offset, as described in EP 2 151 722 Al.
  • the respective inner ends of these blades are integral with the ferrule and their respective attachment points are arranged symmetrically on opposite sides of the periphery of the ferrule.
  • the "point of attachment” or “embedding point” of the hairspring is generally well defined in the case of a hairspring assembled on a ferrule made of a material other than the hairspring.
  • the point of Recessing can be defined as the point where the local stiffness along the neutral fiber reaches a value that is 10x higher than the stiffness of the spiral blade. In the case of a spiral with variable blade thickness, the minimum value of the local stiffness along the blade will be considered.
  • the local stiffness is equivalent to the bending rigidity, determined during the bending of the blade or the operation of the hairspring, over a portion of a given length, for example lpm.
  • the embedding points 10,11 Corresponding examples are given as an example on the ferrule-spiral assemblies of FIGS. 21 and 22. In the case of FIG. 21 (which corresponds to the ferrule geometry of FIG. 12), it can be seen that the embedding point is located on the extension of the outer contour or periphery 32 of the ferrule. In the case of FIG. 22 (which corresponds to the ferrule geometry of FIG. 19), it can be seen that the embedding point is located in the immediate vicinity of the balance shaft, closer to the central opening of the beam. ferrule than is the contour 33 of the level of the ferrule which does not include the spiral.
  • the ferrules according to the invention are dimensioned both to maintain the balance spring on the balance axis during operation of the oscillator, and also to be assembled with axes whose diameter shows a certain dispersion (no breakage or plastic deformation when driving for a shaft diameter within a given tolerance range).
  • These shells normally have at least 2, and preferably 4, bearing surfaces for the balance shaft.
  • the precise shape of the connecting parts is not crucial, as long as they manage to deform elastically, especially in bending, when driving a balance shaft.
  • the receiving parts are therefore rigid or indeformable parts and the connecting parts, deformable parts, in particular deformable in bending or flexible.
  • the flexibility of the latter comes from the fact that they are thinned compared to the receiving parts.
  • the deformable parts have sections of smaller areas than the non-deformable parts. This thinning is performed, according to the invention, by providing the deformable parts narrower than the receiving portions.
  • width is meant here the thickness measured in the plane of the ferrule, in other words, the distance between the outline of the ferrule and the contour of its central opening (for example, the minimum width e or e 'or the width at mid-distance of the rigid receiving portions b or b' in Figures 12 and 13).
  • junctions between the receiving portions and the connecting portions are generally substantially at the base of a bearing surface (see below, and by way of example, Fig. 18, or Fig. 5 where they can be located each time on one side of the curved portion 14).
  • a bearing surface see below, and by way of example, Fig. 18, or Fig. 5 where they can be located each time on one side of the curved portion 14.
  • FIG. 4 represents the central part of an example of a monolithic assembly with a spiral spring which is not split according to the invention.
  • the shell 1, in particular the receiving portions 17, 18, has two pairs of bearing points 2, 3 and 4, located on substantially planar arms 6, 7 and 8. , 9 which are not elastic and are placed in pairs near the attachment points 10,11 of the blades 12,13 of the double spiral.
  • the non-elastic arms of the same pair protrude into the central opening of the ferrule and form between them an angle ⁇ which is preferably less than 170 degrees, more preferably greater than 90 degrees and less than 170 degrees, and is here about 120 degrees.
  • Each arm 6,7,8 or 9 has a free end.
  • the V-shape of the pairs of rigid arms has the effect of better wedge the axis of pendulum than would a single fulcrum.
  • the ferrule-axis embedding is as rigid as possible, so that the points of contact between the ferrule and the axis of the balance do not move under the effect of the torque developed by the spiral during operation in motion, that is to say during the oscillations of the sprung balance once the spiral spring assembly - ferrule chased or assembled on the axis of a pendulum.
  • the geometry with two receiving parts facing each other (in particular at 180 ° from each other) and each comprising a pair of bearing surfaces makes it possible to act as a vise held by the parts flexible connection. Under the effect of their elastic deformation, the connecting parts exert elastic return actions reminding the receiving portions towards each other and each in contact against the balance shaft.
  • a single fulcrum such as a plane, convex or concave contact surface with a radius of curvature greater than the radius that is provided for the axis. of the pendulum.
  • the arms 6, 7, 8 and 9 and the corresponding bearing surfaces 2, 3, 4 and 5 are planar, that is to say that their radius of curvature on the side of the central opening 26 is infinite.
  • the bearing surfaces may also be convex, that is to say that their radius of curvature may be negative on the side of the central opening 26, or concave, that is to say that their radius of curvature may be positive on the side of the central opening 26.
  • the positive radius of curvature is strictly greater than 0.51 times the diameter d max of the largest circle that can be drawn inside the contour of the central opening (when the shell is not deformed, especially when it is not mounted on the balance shaft) circle which is also called “registered circle” in the rest of the description.
  • the positive radius of curvature is greater than 0.62 times the diameter of maXf which allows to define a single point of contact between the bearing portion and the balance shaft.
  • a radius of curvature greater than 0.75 times, or even 1 times, the diameter d max of the inscribed circle is also adapted.
  • the diameter of the axis is slightly greater than d max , for example within a tolerance range between 1.01 and 1.02 d max .
  • the shell 1 has a symmetry of rotation of order 2, and has two axes of symmetry in reflection, one being formed by the bisector of the angle a, the other being perpendicular to the latter and located equidistant from the intersection of the arms. It can be considered that it comprises two rigid balance shaft receiving parts connected by two flexible connecting parts, as can be seen in Figure 18 which will be detailed below.
  • the rigid parts 17 and 18 are those from which both the arms 6.7 and 8.9 and the blades 12 and 13 of the double spiral start.
  • the flexible portions 15 and 16 are linking portions connecting symmetrically the rigid parts, so as to form the shell 1 with its central opening.
  • the symmetry of the geometry of the ferrule of FIG. 4 is aimed at obtaining a balance so as not to create an imbalance.
  • the central non-circular opening of the ferrule may be defined as comprising a central recess 26 for receiving the balance shaft, substantially delimited by the bearing surfaces 2,3,4 and 5, and two peripheral recesses 27,28 formed substantially and symmetrically between the arms 6,8, on the one hand and 7,9 on the other hand, and the elastic portions 15 and 16.
  • the recesses 27 and 28 are symmetrical to each other with respect to the angle bisector a.
  • the geometry makes it possible to precisely define the bearing points, of which there are four in the case of FIG. 4.
  • the arms 6 to 9 make it possible to precisely define the points of support of the shell on the balance shaft. while maximizing the length of the flexible elastic portions. By cons, these arms 6 to 9 do not bend or negligibly and can not be considered as elastic arms.
  • FIGS. 16 and 17 This is confirmed by numerical simulations reported in FIGS. 16 and 17, which indicate the levels of stresses present following the driving of a balance shaft with a nominal diameter of 0.503 mm in two ferrules of different geometry represented in FIGS. 12 and 13 (reference can also be made to FIGS. 14 and 15 which show the holding torques and the maximum stresses for these ferrules for different axle diameters).
  • the parts which are not or slightly elastically deformed, and which can be considered to be rigid, are indicated in black in FIGS. 16 and 17 (stress level less than half of the maximum stress attained as a result of driving the axis about 500 MPa in the case of Figures 16 and 17).
  • the ferrule is thus formed of two rigid balance shaft receiving parts 17, 18 symbolized in black in FIG. 18, connected to one another by two flexible or elastic connection parts 15, 16, symbolized in gray. in Figure 18.
  • the advantage of this arrangement is to maximize the length of the flexible connection parts, while ensuring a sufficient holding torque on the balance shaft, with a stress level significantly lower than the maximum allowable stress for the material.
  • the simulations show that the ferrule according to the invention makes it possible to obtain a holding torque (M) on the higher axis than with flexible arms located inside a closed contour (for the same size).
  • M holding torque
  • the flexible portions occupy about 70% of the total length of the contour.
  • the flexible portions occupy 50% or more of the total length of the contour, in particular between 50% and 90%, more preferably between 60 and 80%.
  • the angle sectors measured from the center of the shell (which corresponds to the center of the circle inscribed in the central opening) and occupied respectively by a rigid receiving portion and a flexible connecting portion are 54 ° and 126 ° ° approx.
  • the angle sector measured from the center of the shell and occupied by a flexible connection portion is greater than or equal to 50 °, in particular between 90 ° and 160 °, more preferably between 110 ° and 145 °.
  • This angle sector is for example defined as the smallest sector of continuous angle between two receiving parts where there is an area where the stress in the material is greater than 50% of the maximum stress reached following the driving of the axis.
  • the ferrule comprises only one pair of non-elastic arms 2,3.
  • a curved portion 14 intended to serve as a third bearing surface for the balance shaft.
  • the geometry contains only a symmetry of reflection around the bisector of the angle a (if you do not take into account the attachment point of the spiral blades).
  • the shape and dimensions of the convex portion 14 are chosen so as to balance the ferrule as much as possible.
  • the third bearing surface may also be flat or concave, with a radius of curvature strictly greater than 0.51 times, preferably greater than 0, 62, 0, 75 or 1 times the inscribed diameter d max .
  • the ferrule according to the invention is particularly suitable for fixing a double spiral to a balance shaft. Indeed, most of the ferrules known from the state of the art do not deform symmetrically with respect to the attachment points. With a ferrule such as that shown in Figure 1, one of the blades would be fixed at the same point as the blade of the simple spiral shown, or at the top of the triangle formed by the rigidifying structure. The second blade must have a point of attachment located 180 ° from the first, the opposite, in the middle of one side of the triangle. The displacement of the attachment points following the chase relative to the center of the hairspring and / or the external fasteners would therefore not be equivalent for the two attachment points, which would degrade chronometric performance. In addition, the embedding point of the second blade could be deformed during the expansion and contraction of the hairspring, which would also adversely affect the chronometric performance.
  • the invention in another aspect, relates to a ferrule having at least two levels or stages or parts.
  • the point of attachment or anchoring of the hairspring (or the points of attachment in the case of a double hairspring) is then located on a different level than the one where the major is located. part or all of the bearing surfaces. This is in particular applied to a monolithic spiral-ferrule spring assembly.
  • the inventors have in fact discovered that it is possible to maximize the torque resistance of the ferrule, while minimizing its bulk, by lengthening the ferrule in the plane perpendicular to the spiral. This makes it possible to dissociate the attachment function of the hairspring to the axis via the ferrule (first level, in the plane of the hairspring) of that of resistance to the axis, in particular of holding the ferrule on the axis (first and second level, and preferably exclusively on the second level, out of the plane of the hairspring), while distributing the elastic stress as evenly as possible along the flexible portions.
  • a monolithic spiral-ferrule spring assembly corresponding to that of FIG. 4 made on 2 levels is represented in front and rear perspectives in FIGS. 9 and 10.
  • flanks are not perfectly superimposed, they have a shift of a few microns between the first and the second layer.
  • FIG. 11 shows the totality of the spring-spiral assembly according to FIGS. 9 and 10, with the outer ends of the double-spiral blades which are integral with a fastening element intended to be connected to the movement of a piece of watchmaking.
  • the ferrule or the spiral-ferrule assembly can be manufactured according to known methods, such as that which is the subject of the patent application No. EP 1 655 642.
  • the ferrule or the spiral-ferrule spring assembly according to the second aspect of the invention can be manufactured according to known methods, such as those which are the subject of the patent applications No. EP 1 835 339 or EP 2 104 007.
  • the starting substrate used is a wafer ("wafer” in English) of the "SOI"("Silicon-on-Insulator") type, composed of two parts of monocrystalline Si separated by a thin layer of silicon oxide, SiC> 2 (FIG. 8a, with monocrystalline Si in white and SiC> 2 in oblique hatch).
  • the wafer is oxidized to form a surface SiC> 2 layer on either side of the substrate (FIG. 8b) which will serve as a mask for deep-reactive ion etching ("Deep Reactive Ion Etching"). "DRIE” in English).
  • a photolithography is then performed on a first face to define a first photoresist pattern (FIG.
  • the shell has at least two levels, and the point of attachment or embedment of the hairspring (or the points of attachment in the case a double spiral) is located on a different level from that where the bearing surfaces are and at a distance from the center of the ferrule less than the distance between the center of the ferrule and its contour or periphery.
  • the ferrule 100 comprises a bore 101 intended to receive the balance shaft, as well as at least a first portion 102 and a second portion 103. The first and second portions are separated by a plane 104 perpendicular to the axis 107 of the bore, this axis also representing the center of the ferrule.
  • the element (s) 105 for attaching the shell to a spiral spring are exclusively located on the first part.
  • the element 106 connecting the ferrule to the balance shaft, for example formed bearing surfaces, is essentially, preferably exclusively, located on the second part.
  • a connecting element of the ferrule to the axis of balance is essentially located on the second part, it is meant that more than half of the connection forces of the ferrule to the axis of balance are applied at the level of second part.
  • the bore 101 forms a central opening for receiving the balance shaft.
  • an SOI wafer is used to make such a ferrule or a monolithic ferrule-spiral assembly including such a ferrule, the first and the second portion being in silicon and separated by a silicon oxide layer.
  • SOI wafers where the inner layer of S1O 2 separating the two layers of Si is thick or very thick (for example 2-3 microns as usual, but preferably greater than 5 or even 10 microns) makes it possible to produce a flexible ferrule superimposing the turns as shown in FIG. 19, which shows such a monolithic spiral double - ferrule assembly made on 2 levels.
  • the flexible ferrule is in all respects similar to that of Figure 4.
  • the attachment points of the spiral are not located on the contour as in Figure 21, but the most possible near the central opening of the shell and therefore of the balance shaft, as in the example of Figure 22.
  • the blades of the spiral are thus partially superimposed on the shell, on a little less than 180 ° in the example of Figure 19 (corresponding to a little less than half a winding turn of the spiral blade).
  • the two-level manufacturing process makes it possible to produce this kind of structure, since the dissolution attack of Si0 2 (FIG. 8) will also attack the oxide which solidifies the blades with the ferrule if the attack time is sufficient. , thus freeing these.
  • the fastening element of the spiral to the ferrule or the embedding point 10, 11 is at a distance D1 from the axis of the bore 107 less than half the diameter D2 of a cylinder in which the second part, especially at a distance Dl less than or equal to the average of half the diameter D2 and half the diameter of the inscribed circle dmax.
  • D1 is 0.330 mm
  • D2 is 1.180 mm
  • the embedding point is closer of the central opening that is the contour 33 of the ferrule.
  • a ferrule as described above may in particular be included in a monolithic spiral-ferrule spring assembly.
  • this type of approach is not limited to a double spiral, but is also perfectly suited to a simple hairspring, and is not limited to a closed-sided ferrule, but is also suitable for a split ferrule. Any combination of ferrule and spiral can be obtained in this way, with the effect of a spiral - ferrule spring assembly with significantly improved chronometric properties. simulations
  • the spiral layer height (first part) is 150 microns and the layer height of the level bearing the bearing surfaces (second part) is 500 microns.
  • the balance shafts have a tolerated diameter of between 0.5 and 0.506 mm, with a nominal value of 0.503 mm.
  • the graph of FIG. 14 shows the evolution of the simulated holding torque M of the ferrule as a function of the diameter of the balance shaft for each of the spiral / ferrule assemblies of FIGS. 12, 13 and 3, respectively.
  • the minimum holding torque is indicated in FIG. 14 by the broken line.
  • the holding torque is greater than the minimum torque required, even for small diameters below the minimum tolerance.
  • the graph of FIG. 15 shows the evolution of the stress s of the ferrule as a function of the diameter of the balance shaft for each of the spiral / ferrule assemblies of FIGS. 12, 13 and 3, respectively.
  • the maximum allowable stress for the material is indicated by the broken line.
  • the advantage of the ferrule of FIG. 13 is that it is more flexible, that its stress level is lower and that the slope of the torque as a function of the diameter of the axis is smaller than for the ferrule of FIG. 12. As a corollary, the holding torque is lower.
  • the stress very quickly exceeds the maximum value allowed.
  • this type of ferrule is not suitable for assembly by driving. Indeed, such a geometry of the contour does not ensure both good performance and deformation without breakage of the ferrule following the driving of the balance shaft.
  • the inscribed diameter is only 0.2 micron smaller than the lower limit of the tolerance so that the stresses are less than the maximum allowable stress for the lower limit of the tolerance, which requires extremely precise manufacturing tolerances.
  • This example illustrates the advantage of a closed contour ferrule, with rigid receiving portions connected by flexible connecting portions.
  • This difference in rigidity can be estimated in first approximation by the theory of beams with small deformations: for a beam, the rigidity k of an element of width e, thickness h and length L is proportional to e 3 xh / L 3 .
  • a ratio k r / k f greater than 10 is chosen, more preferably greater than 50, even more preferably greater than 100.
  • the width difference between the rigid receiving portions and the flexible connecting portions is preferable to obtain lower rigidity on the connecting portions than on the receiving portions.
  • the average width of the connecting portions may be preferably less than the average width of the receiving portions, more preferably less than a factor of two to the average width of the receiving portions.
  • the two connecting portions have a minimum width and / or a width halfway between the receiving portions less than the maximum width of the receiving portions.
  • the minimum width e of the connecting portions is then preferably less than 0.5 ⁇ , more preferably equal to or less than 0.3 ⁇ a, where a is the maximum width of the receiving portions.
  • the width in the middle of the connecting portions, halfway between the receiving portions is preferably less than 0.7xa, even more preferably equal to or less than 0.5xa.
  • the thickness of the receiving parts and the connecting parts in particular by thinning the connecting parts relative to the receiving parts, but it is more favorable to vary the width than the thickness to vary the rigidity.
  • those skilled in the art will be able to adapt the dimensions of the casing of cases in case, according to the thickness of the hairspring, the space available, taking care to ensure a sufficient resistance to torque and to maintain the constraints well from here. the maximum allowable stress in order to remain in the elastic deformation range.
  • the height is determined by the dimensions of the spiral, among other things by the necessary torque and the size (diameter).
  • the height of the shell, and therefore arms carrying the bearing surfaces and flexible parts, will necessarily be fixed by the height of the spiral and can not be adjusted freely.
  • the holding torque values are lower by a ratio of 500/150 compared to a multilayer assembly provided with a spiral of the same height (150 microns), since the maintenance of performs on 150 microns instead of 500 microns. As a result, these holding torque values would be less than the minimum value (line interrupted in Fig. 14) required for axis diameters close to the minimum tolerance (0.5 micron).
  • the supporting parts also carried by the level comprising the hairspring, which would make it possible, in the example mentioned above, to increase the holding torque values to a ratio of 650: 150 with respect to a together at one level.
  • the tolerances of the manufacturing process make the production of continuous surfaces on two levels very delicate. It is therefore preferable to separate the fastening functions of the hairspring and connecting the ferrule to the balance shaft on two distinct levels, and not to provide support portions on the level which has the element (s) for attaching the ferrule to the spiral spring.
  • a way to increase the holding torque of a ferrule to a single layer or stage is to increase the torque developed by the flexible parts without increasing the stress, which implies a larger diameter of the ferrule. This has the consequence that the point of attachment of the blades of the spiral must be remote from the balance shaft, which degrades the chronometric properties.
  • a monolithic spiral / ferrule assembly at least two levels, for example two silicon stages separated by a silicon oxide layer, offers the possibility of maximizing the holding torque by optimizing its bulk. , that is to say by avoiding increasing the diameter of the ferrule.
  • a ferrule in which the second portion 103 extends, along the axis of the bore 107, over a length greater than once the thickness E of the spiral spring, or even greater than 3 times the thickness E of the spiral spring, is therefore particularly suitable, in particular to form a monolithic spiral-ferrule assembly.
  • Figures 6 and 7 show variants of the monolithic spiral / ferrule assembly according to the invention.
  • the monolithic spiral / ferrule assembly with two stages of FIG. 7 comprises flexible parts which are not symmetrical.
  • the heat compensation of the spiral of the spiral spring assembly single or double - ferrule is carried out by known means.
  • a layer of material may be used on the surface of the turns which compensates for the first thermal coefficient of the Young's modulus of the base material.
  • a suitable material for the layer is Si0 2 .
  • each connecting portion is mainly biased in bending, once the monolithic assembly mounted on the balance shaft.
  • mainly flexural biased it is meant that, in each connecting portion, it is possible to identify a neutral fiber oriented substantially in a direction along which the connecting portion extends and separating an area stressed in tension from an area solicited in compression.
  • each connecting portion has a portion remote from the balance axis of at least 0.5 times the radius of the balance axis, or even at least 0.9 times the radius of the balance shaft, once the assembly mounted on the balance shaft.
  • the receiving portions and the connecting portions form an element capable of continuously surrounding the balance axis, that is to say capable of seamlessly surrounding the axis axis balance. They thus form a closed ferrule, as opposed to a split ferrule.
  • Rigid part means a part not deforming or not substantially during operation or during mounting the monolithic assembly on the balance shaft or a part whose deformation is not sought and / or does not perform any function during operation or during assembly of the monolithic assembly.
  • the term "deformable part” means a part deforming elastically during operation or during assembly of the monolithic assembly on the balance shaft or a part whose elastic deformation is sought or performs a function during the operation or when mounting the monolithic assembly.
  • the monolithic spiral-ferrule spring assembly comprises:

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Abstract

L'invention concerne un ensemble monolithique ressort spiral simple ou double - virole non fendue, destiné à être chassé sur un axe de balancier et qui a ceci de particulier que : la virole (1) est formée de deux parties de réception d'axe de balancier situées en regard l'une de l'autre et dont l'une comprend au moins la première des surfaces d'appui (2 ou 3) pour l'axe de balancier ainsi qu'un point d'attache (10,11) du ressort spiral, et l'autre au moins la deuxième des surfaces d'appui (4, 5 ou 14) pour l'axe de balancier, ces deux parties de réception d'axe de balancier étant reliées l'une à l'autre par deux parties de liaison qui présentent une rigidité inférieure à celles des parties de réception, de façon à pouvoir se déformer élastiquement lors du chassage d'un axe de balancier. Selon un autre aspect, l'invention a également trait à un ensemble monolithique ressort spiral - virole comprenant au moins deux étages ainsi qu'à un procédé de fabrication d'un tel ensemble.

Description

ENSEMBLE MONOLITHIQUE RESSORT SPIRAL - VIROLE
L'invention concerne une virole. L'invention concerne aussi un ensemble monolithique ressort spiral simple ou double - virole non fendue, destiné à être chassé sur un axe de balancier, notamment un ensemble monolithique incluant une virole selon l'invention. Selon un autre aspect, l'invention a également trait à un ensemble monolithique ressort spiral - virole comprenant au moins deux étages ainsi qu'à un procédé de fabrication d'un tel ensemble.
Arrière-plan de l'invention
L'un des points critiques pour l'utilisation d'un ressort spiral dans un mouvement d'horlogerie de haute précision est la fiabilité des attaches (encastrements) du spiral à l'axe du balancier et au pont de balancier. En particulier, l'attache du spiral à l'axe du balancier se fait en général par une virole, qui était à l'origine un petit cylindre fendu destiné à être chassé sur l'axe de balancier et percé latéralement pour recevoir l'extrémité intérieure du ressort spiral proprement dit. Le développement de techniques de micro-fabrication, comme les procédés DRIE pour le silicium, le quartz et le diamant ou UV-Liga pour le Ni et NiP, ouvrent des possibilités au niveau des formes et géométries utilisées.
Le silicium est un matériau très intéressant pour réaliser des spiraux d'horlogerie, et les techniques de microfabrication permettent de réaliser la virole de façon monolithique et venue de fabrication avec le spiral. Un problème potentiel est que le silicium ne possède pas de domaine de déformation plastique. La virole peut ainsi rapidement casser si les contraintes dépassent la contrainte maximale admissible et/ou la limite élastique du matériau. Il faut ainsi veiller à dimensionner la virole à la fois pour maintenir le ressort spiral sur l'axe du balancier lors du fonctionnement de l'oscillateur (couple de serrage minimal) et aussi pour pouvoir assembler la virole avec des axes dont les diamètres présentent des fluctuations et ceci, sans se rompre ou subir de déformation plastique si le diamètre de l'axe du balancier reste à l'intérieur d'un intervalle de tolérance donné.
Ainsi, plusieurs documents dévoilent des géométries de viroles .
La demande de brevet européen publiée sous le n° EP 1 826 634 propose sur sa figure 4 en liaison avec la ligne 34 de la colonne 3, une virole comportant des zones élastiques constituées de bras courbés. Ce document n'indique pas l'endroit où doit être fixé le spiral.
Les demandes de brevet européen publiées sous les n° EP 1 513 029 et EP 2 003 523 proposent des viroles ayant une ouverture triangulaire. La fixation du spiral s'effectue en un point de rattachement (référence 3 sur les figures de ces documents) situé à l'un des sommets des triangles. La virole est formée d'une structure de rigidification externe à laquelle sont rattachés des bras flexibles qui se déforment pour accomoder l'axe de balancier.
La demande de brevet européen publiée sous le n° EP 1
655 642 décrit par sa figure 10D un spiral de résonateur balancier-spiral ayant une virole dont l'ouverture est circulaire. La fixation du balancier s'effectue dans ce cas à l'aide de bras arrondis.
On connaît encore de la demande de brevet WO2011026275 un ensemble ressort spiral-virole, avec une virole présentant un alésage muni de quatre parties d'appui circulaires pour recevoir l'axe de balancier. Les parties d'appui sont délimitées par des rainures longitudinales réalisées dans l'alésage de la virole.
Les géométries décrites dans ces documents ne donnent pas entièrement satisfaction, de sorte que nombre de spiraux (en silicium, diamant, quartz...) montés sur des mouvements sont munis d'une virole classique qui est ensuite chassée et/ou collée sur l'axe du balancier. Exposé sommaire de l'invention
L'invention a pour but de proposer de nouvelles géométries de viroles donnant pleinement satisfaction, c'est-à-dire permettant d'obtenir un couple de serrage le plus élevé possible sur l'axe de balancier et une contrainte dans le matériau la plus faible possible. De plus, ces viroles doivent être les plus équilibrées possible afin de ne pas provoquer de balourd, ce qui dégraderait les propriétés chronométriques du spiral.
Un tel but est atteint au moyen d'un ensemble monolithique ressort spiral simple ou double - virole non fendue, dans lequel :
- le contour de la virole est fermé,
- l'ouverture centrale de la virole destinée à recevoir un axe de balancier est non circulaire, - le contour de l'ouverture centrale de la virole comporte au moins deux surfaces d'appui pour un axe de balancier ;
cet ensemble monolithique se distinguant en ce que :
- la virole est formée d'au moins deux parties de réception d'axe de balancier situées en regard, notamment à 180°, l'une de l'autre et dont l'une comprend au moins la première des surfaces d'appui pour l'axe de balancier ainsi que un point d'attache ou d'encastrement du ressort spiral, et l'autre au moins la deuxième des surfaces d'appui pour l'axe de balancier,
- ces deux parties de réception d'axe de balancier étant reliées l'une à l'autre par deux parties de liaison qui présentent une rigidité inférieure à celles des parties de réception, de façon à pouvoir se déformer élastiquement lors du chassage d'un axe de balancier.
Ces caractéristiques ont notamment pour effet d'éviter que le point d'attache du spiral se déplace de façon significative par rapport aux points de contact (d'appui) avec l'axe de balancier suite au chassage de ce dernier. Il s'ensuit que le positionnement du spiral et son point d'encastrement peuvent être définis précisément.
Selon un autre aspect, l'invention concerne un ensemble monolithique ressort spiral simple ou double - virole, celle-ci pouvant être fendue ou non. Cet ensemble a la particularité de comporter au moins deux niveaux (ou étages ou parties), le ressort spiral étant situé sur un niveau différent de celui où se trouvent les surfaces d'appui de la virole pour l'axe de balancier. Cette caractéristique est particulièrement avantageuse car elle permet d'optimiser au mieux le couple de tenue de la virole sur l'axe de balancier sans devoir augmenter son encombrement dans le plan du spiral. Selon un autre aspect de l'invention, cette caractéristique permet de rapprocher le point d'attache du ressort spiral de l'axe du balancier, sans être limité par le pourtour de la virole.
L'invention se rapporte également à un procédé de fabrication d'un ensemble monolithique ressort spiral virole fendue ou non, dans lequel on réalise le spiral sur un niveau différent de celui où se trouvent les surfaces d'appui de la virole pour l'axe de balancier.
Une virole selon l'invention est définie par la revendication 1.
Différents modes de réalisation de viroles sont définis par les revendications 2 et 3.
Un ensemble monolithique selon l'invention est défini par la revendication 4.
Différents modes de réalisation d'ensembles sont définis par les revendications 5 à 25.
Un procédé de fabrication d'un ensemble est défini par la revendication 26.
Un mode d'exécution de procédé de fabrication d'un ensemble est défini par la revendication 27.
Un procédé de fabrication d'une virole est défini par la revendication 28.
Un mode d'exécution de procédé de fabrication d'une virole est défini par la revendication 29.
Un ensemble monolithique selon l'invention est défini par la revendication 30.
Différents modes de réalisation d'ensembles sont définis par les revendications 31 à 45.
Un oscillateur selon l'invention est défini par la revendication 46.
Un mouvement horloger ou une pièce d'horlogerie selon l'invention est défini par la revendication 47.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention vont maintenant être décrits en détail dans l'exposé suivant qui est donné en référence aux figures annexées, lesquelles représentent schématiquement : figure 1 : une virole selon l'art antérieur EP 1 513 029 et EP 2 003 523 ;
figure 2 : une virole de la figure 10D de l'art antérieur EP 1 655 642 ;
figure 3 : une virole selon l'art antérieur WO2011026725 ;
figure 4 : un ensemble monolithique ressort spiral double - virole à contour fermé selon 1 ' invention ;
figures 5 à 7 : d'autres ensembles monolithiques ressort spiral double - virole à contour fermé selon l'invention ;
figure 8 : les principales étapes du procédé d'obtention d'un ensemble monolithique ressort spiral double - virole selon un second aspect de 1 ' invention ;
figures 9 à 11 : un ensemble monolithique ressort spiral double - virole selon un second aspect de l'invention ;
figures 12 et 13 : d'autres ensembles monolithiques ressort spiral double - virole selon le second aspect de l'invention ;
figure 14 : un graphe montrant l'évolution du couple de maintien M des viroles des ensembles des figures 12, 13 et 3 en fonction du diamètre de l'axe de balancier ;
figure 15 : un graphe montrant l'évolution de la contrainte s des viroles des ensembles des figures 12, 13 et 3 en fonction du diamètre de l'axe de balancier ;
figures 16 à 17 : une représentation des contraintes au sein des viroles des ensembles des figures 12 et 13 une fois un axe de balancier chassé dans l'ouverture (noir : très faible déformation élastique, contraintes inférieures à la moitié de la contrainte maximale ; en gris : déformation élastique significative, contraintes supérieures à la moitié de la contrainte maximale) ;
figure 18 : une représentation des zones rigides (en noir) et flexibles (en gris) pour la virole de la figure 12 ;
figure 19 : un ensemble monolithique ressort spiral double - virole selon une variante avantageuse du second aspect de l'invention, dans lequel les points d'attache des lames du spiral double sont proches de l'ouverture centrale ;
figure 20 : une vue en coupe d'une virole selon une variante avantageuse du second aspect de 1 ' invention ;
figure 21 : un ensemble monolithique ressort spiral double - virole selon le premier aspect de l'invention avec indication de la position des points d'encastrement ; et
figure 22 : un ensemble monolithique ressort spiral double - virole selon le second aspect de l'invention avec indication de la position des points d'encastrement.
Exposé détaillé de l'invention
Sur la figure 1 est représentée la virole proposée dans demandes de brevet européens précitées EP 1 513 029 et Sur la figure 2 est représentée la virole décrite sur la figure 10D de la demande de brevet européen précitée EP 1 655 642.
Sur la figure 3 est représentée la virole proposée dans la demande de brevet WO2011026725.
L'invention s'applique tant à des ensembles avec un spiral simple qu'à ceux avec un spiral double. Cependant, c'est à ces derniers qu'elle convient le mieux.
Par « spiral double », il faut entendre ici un spiral comportant deux lames enroulées dans le même sens, mais avec un décalage de 180 degrés, comme décrit dans la demande EP 2 151 722 Al. Les extrémités internes respectives de ces lames sont solidaires de la virole et leurs points d'attache respectifs sont disposés symétriquement sur des côtés opposés du pourtour de la virole.
Le « point d'attache » ou « point d'encastrement » du spiral est généralement bien défini dans le cas d'un spiral assemblé sur une virole réalisée dans un autre matériau que le spiral. Dans le cas d'un ensemble virole-spiral monolithique pour lequel spiral et virole sont venus de fabrication, réalisés par exemple par une technique de microfabrication à partir d'un wafer en Silicium ou « Silicon-on-Insulator », le point d'encastrement peut être défini comme le point où la rigidité locale le long de la fibre neutre atteint une valeur qui est lOx plus élevée que la rigidité de la lame du spiral. Dans le cas d'un spiral à épaisseur de lame variable, on considérera la valeur minimale de la rigidité locale le long de la lame. La rigidité locale équivaut à la rigidité en flexion, déterminée lors de la flexion de la lame ou du fonctionnement du spiral, sur une portion de longueur donnée, par exemple lpm. Les points d'encastrement 10,11 correspondants sont indiqués à titre d'exemple sur les ensembles virole-spiral des figures 21 et 22. Dans le cas de la figure 21 (qui correspond à la géométrie de virole de la figure 12), on voit que le point d'encastrement se situe sur le prolongement du contour externe ou périphérie 32 de la virole. Dans le cas de la figure 22 (qui correspond à la géométrie de virole de la figure 19), on voit que le point d'encastrement est situé à proximité immédiate de l'axe de balancier, plus proche de l'ouverture centrale de la virole que ne l'est le contour 33 du niveau de la virole qui ne comprend pas le spiral .
Les viroles selon l'invention sont dimensionnées à la fois pour maintenir le spiral sur l'axe de balancier lors du fonctionnement de l'oscillateur, et aussi pour pouvoir être assemblées avec des axes dont le diamètre montre une certaine dispersion (pas de casse ou de déformation plastique au chassage pour un diamètre d'axe situé dans un intervalle de tolérance donné) . Ces viroles ont normalement au moins 2, et de préférence 4, surfaces d'appui pour l'axe de balancier.
Selon l'invention, la forme précise des parties de liaison n'est pas cruciale, du moment qu'elles parviennent à se déformer élastiquement , notamment en flexion, lors du chassage d'un axe de balancier. Dans les conditions normales d'utilisation de la virole, les parties de réception sont donc des parties rigides ou indéformables et les parties de liaison, des parties déformables, notamment déformables en flexion ou flexibles. La flexibilité de ces dernières provient du fait qu'elles sont amincies par rapport aux parties de réception. Les parties déformables présentent des sections de plus faibles aires que les parties indéformables. Cet amincissement est réalisé, selon l'invention, en prévoyant les parties déformables moins larges que les parties de réception. Par « largeur », il faut entendre ici l'épaisseur mesurée dans le plan de la virole, en d'autres termes, la distance entre le contour de la virole et le contour de son ouverture centrale (par exemple, la largeur minimale e ou e' ou la largeur à mi- distance des parties de réception rigides b ou b' sur les figures 12 et 13 ) .
Les jonctions entre les parties de réception et les parties de liaison se situent en général sensiblement à la base d'une surface d'appui (voir ci-dessous, ainsi qu'à titre d'exemples, la figure 18, ou la figure 5 où on peut les situer à chaque fois sur un côté de la partie bombée 14) . Préfèrentiellement , on cherche à maximiser la longueur des parties de liaison, donc à maximiser le secteur angulaire qu'elles occupent.
La figure 4 représente la partie centrale d'un exemple d'ensemble monolithique ressort spiral double - virole non fendue selon l'invention.
Comme on peut le voir sur la figure 4, la virole 1, en particulier les parties de réception 17,18, comporte deux paires de points d'appui 2,3 et 4,5 situés sur des bras sensiblement plans 6,7 et 8,9 qui ne sont pas élastiques et sont placés deux à deux à proximité des points d'attache 10,11 des lames 12,13 du spiral double. Les bras non élastiques d'une même paire font saillie dans l'ouverture centrale de la virole et ils forment entre eux un angle a qui est de préférence inférieur à 170 degrés, plus préfèrentiellement supérieur à 90 degrés et inférieur à 170 degrés, et est ici d'environ 120 degrés. Chaque bras 6,7,8 ou 9 présente une extrémité libre. La forme en V des paires de bras rigides a pour effet de mieux caler l'axe de balancier que ne le ferait un seul point d'appui. L'important est en effet que l'encastrement virole-axe soit le plus rigide possible, de façon à ce que les points de contact entre la virole et l'axe du balancier ne se déplacent pas sous l'effet du couple développé par le spiral lors du fonctionnement en mouvement, c'est-à-dire lors des oscillations du balancier-spiral une fois l'ensemble ressort spiral - virole chassé ou assemblé sur l'axe d'un balancier. La géométrie avec deux parties de réception en regard l'une de l'autre (notamment à 180° l'une de l'autre) et comportant chacune une paire de surfaces d'appui permet d'agir comme un étau maintenu par les parties de liaison flexibles. Sous l'effet de leur déformation élastique, les parties de liaison exercent des actions de rappel élastique rappelant les parties de réception l'une vers l'autre et chacune en contact contre l'axe de balancier. Néanmoins, il est aussi envisageable (mais moins favorable) d'utiliser un seul point d'appui, comme par exemple une surface de contact plane, convexe ou concave avec un rayon de courbure plus grand que le rayon qui est prévu pour l'axe du balancier.
Sur la figure 4, les bras 6,7,8 et 9 et les surfaces d'appui correspondantes 2,3,4 et 5 sont planes, c'est-à-dire que leur rayon de courbure du côté de l'ouverture centrale 26 est infini. Les surfaces d'appui peuvent aussi être convexes, c'est-à-dire que leur rayon de courbure peut être négatif du côté de l'ouverture centrale 26, ou concaves, c'est-à-dire que leur rayon de courbure peut être positif du côté de l'ouverture centrale 26.
Dans ce dernier cas cependant, le rayon de courbure positif est strictement supérieur à 0,51 fois le diamètre dmax du cercle le plus grand que l'on peut tracer à l'intérieur du contour de l'ouverture centrale (lorsque la virole n'est pas déformée, notamment lorsqu'elle n'est pas montée sur l'axe de balancier), cercle qui est aussi appelé « cercle inscrit » dans la suite de la description. De préférence, le rayon de courbure positif est supérieur à 0,62 fois le diamètre dmaXf ce qui permet de définir un seul point de contact entre la partie d'appui et l'axe de balancier. Un rayon de courbure supérieur à 0,75 fois, voire à 1 fois, le diamètre dmax du cercle inscrit est aussi adapté. Dans le cas d'un axe de balancier à section circulaire, le diamètre de l'axe est légèrement supérieur à dmax, par exemple compris dans un intervalle de tolérance entre 1.01 et 1.02 dmax .
II est important de prévoir qu'il n'y ait aucune partie flexible entre les points de contact virole/axe de balancier et le point d'attache du spiral, de façon à ce que la distance entre le point d'encastrement ou d'attache et les surfaces d'appui varie le moins possible et en particulier ne varie pas de façon substantielle suite au chassage.
La virole 1 présente une symétrie de rotation d'ordre 2, et présente deux axes de symétrie en réflexion, l'un étant formé par la bissectrice de l'angle a, l'autre étant perpendiculaire à ce dernier et situé à égale distance de l'intersection des bras. On peut considérer qu'elle comprend deux parties de réception d'axe de balancier rigides reliées par deux parties de liaison flexibles, comme on peut le voir sur la figure 18 qui sera détaillée ci-dessous. Les parties rigides 17 et 18 (en noir sur la figure 18) sont celles d'où partent à la fois les bras 6,7 et 8,9 et les lames 12 et 13 du spiral double. Les parties flexibles 15 et 16 (en gris sur la figure 18) sont des parties de liaison reliant symétriquement les parties rigides, de façon à former la virole 1 avec son ouverture centrale. Ces parties flexibles sont plus minces que les parties rigides et leur élasticité ou flexibilité permet d'assurer la déformation de la virole 1 lors du chassage sur l'axe de balancier tout en garantissant un couple de tenue minimal. De plus, l'ouverture centrale non circulaire permet d'excentrer les parties flexibles et de maximiser leur longueur.
La symétrie de la géométrie de la virole de la figure 4 vise à l'obtention d'un équilibrage pour ne pas créer de balourd. L'ouverture centrale non circulaire de la virole peut être définie comme comprenant un évidement central 26 de réception d'axe de balancier, sensiblement délimité par les 4 surfaces d'appui 2,3,4 et 5, et deux évidements périphériques 27,28 formés sensiblement et symétriquement entre les bras 6,8, d'une part et 7,9 d'autre part, et les parties élastiques 15 et 16. Les évidements 27 et 28 sont symétriques l'un de l'autre par rapport à la bissectrice de l'angle a.
Ainsi, la géométrie permet de définir précisément les points d'appui, au nombre de quatre dans le cas de la figure 4. Les bras 6 à 9 permettent de définir précisément les points d'appui de la virole sur l'axe de balancier, tout en maximisant la longueur des parties élastiques flexibles. Par contre, ces bras 6 à 9 ne fléchissent pas ou de façon négligeable et ne peuvent pas être considérés comme des bras élastiques .
Cela est confirmé par des simulations numériques reportées sur les figures 16 et 17, qui indiquent les niveaux de contraintes présentes suite au chassage d'un axe de balancier au diamètre nominal de 0, 503 mm dans deux viroles de géométrie différente représentées sur les figures 12 et 13 (on peut aussi se reporter aux figures 14 et 15 qui indiquent les couples de tenue et les contraintes maximales pour ces viroles pour différents diamètres d'axe) . Les parties qui ne sont pas ou peu déformées élastiquement , et qui peuvent être considérées comme étant rigides, sont indiquées en noir sur les figures 16 et 17 (niveau de contraintes inférieur à la moitié de la contrainte maximale atteinte suite au chassage de l'axe, soit environ 500 MPa dans le cas des figures 16 et 17) . Les parties qui sont déformées élastiquement , et qui peuvent être considérées comme étant flexibles, sont indiquées en gris aux mêmes figures (niveau de contraintes supérieur à la moitié de la contrainte maximale) . Ces simulations numériques montrent que les bras 6 à 9 portant les surfaces d'appui ne sont pas déformés élastiquement , contrairement aux parties flexibles 15,16. La distance entre les points d'appui et les points d'attache du spiral est ainsi toujours constante et parfaitement définie.
La virole est ainsi formée de deux parties de réception d'axe de balancier rigides 17,18 symbolisées en noir sur la figure 18, reliées l'une à l'autre par deux parties de liaison flexibles ou élastiques 15,16, symbolisées en gris sur la figure 18. L'avantage de cet agencement est de maximiser la longueur des parties de liaison flexibles, tout en garantissant un couple de tenue suffisant sur l'axe de balancier, avec un niveau de contrainte nettement inférieur à la contrainte maximale admissible pour le matériau. Les simulations montrent que la virole selon l'invention permet d'obtenir un couple de maintien (M) sur l'axe plus élevé qu'avec des bras flexibles situés à l'intérieur d'un contour fermé (pour un même encombrement) . Par la théorie des petites déformations appliquée au cas d'une poutre flexible, on peut montrer que le couple de tenue M dépend de la longueur des parties flexibles L, M étant proportionnel à L3. Plus les parties flexibles sont longues, plus le couple de maintien est élevé. L'avantage de la virole selon l'invention est de maximiser la longueur des parties flexibles. Sur l'exemple de la figure 18, les parties flexibles occupent environ 70% de la longueur totale du contour. Préfèrentiellement , les parties flexibles occupent 50% ou plus de la longueur totale du contour, notamment entre 50% et 90%, plus préférentiellement entre 60 et 80%. Alternativement, les secteurs d'angle mesurés depuis le centre de la virole (qui correspond au centre du cercle inscrit dans l'ouverture centrale) et occupés respectivement par une partie de réception rigide et par une partie de liaison flexible sont de 54° et 126° environ. Préférentiellement , le secteur d'angle mesuré depuis le centre de la virole et occupé par une partie de liaison flexible est supérieur ou égal à 50°, notamment compris entre 90° et 160°, plus préférentiellement entre 110° et 145°. Ce secteur d'angle est par exemple défini comme le plus petit secteur d'angle continu entre deux parties de réception où il existe une zone où la contrainte dans le matériau est supérieure à 50% de la contrainte maximale atteinte suite au chassage de l'axe.
Un autre exemple de réalisation de l'invention est représenté sur la figure 5. Sur cette figure, la virole ne comprend qu'une seule paire de bras non élastiques 2,3. En regard du V formé par ces derniers, de l'autre côté de l'ouverture centrale non circulaire, se trouve une partie bombée 14 destinée à servir de troisième surface d'appui pour l'axe de balancier. La géométrie ne comporte ici qu'une symétrie de réflexion autour de la bissectrice de l'angle a (si on ne tient pas compte du point d'attache des lames du spiral) . La forme et les dimensions de la partie bombée 14 sont choisies de façon à équilibrer au maximum la virole. Alternativement, la troisième surface d'appui peut aussi être plane ou encore concave, avec un rayon de courbure strictement supérieur à 0,51 fois, préfèrentiellement supérieur à 0, 62, 0, 75 ou 1 fois le diamètre inscrit dmax .
La virole selon l'invention est particulièrement adaptée pour venir fixer un double spiral à un axe de balancier. En effet, la plupart des viroles connues de l'état de l'art ne se déforment pas de façon symétrique par rapport aux points d'attache. Avec une virole comme celle montrée sur la figure 1, l'une des lames serait fixée au même point que la lame du simple spiral représenté, soit au sommet du triangle formé par la structure rigidificatrice . La deuxième lame doit avoir un point d'attache situé à 180° du premier, soit à l'opposé, au milieu d'un côté du triangle. Le déplacement des points d'attache suite au chassage par rapport au centre du spiral et/ou aux attaches externes ne serait donc pas équivalent pour les deux points d'attache, ce qui dégraderait les performances chronométriques . De plus, le point d'encastrement de la deuxième lame serait susceptible de se déformer lors de l'expansion et contraction du spiral, ce qui nuirait aussi aux performances chronométriques.
Second aspect de l'invention
Suivant un autre aspect, l'invention concerne une virole ayant au moins deux niveaux ou étages ou parties. Le point d'attache ou d'ancrage du spiral (ou les points d'attache dans le cas d'un spiral double) est alors situé sur un niveau différent de celui où se trouvent la majeure partie, voire la totalité des surfaces d'appui. Ceci est en particulier appliqué à un ensemble monolithique ressort spiral-virole .
Les inventeurs ont en effet découvert qu'il était possible de maximiser la tenue au couple de la virole, tout en minimisant son encombrement, en allongeant la virole dans le plan perpendiculaire au spiral. Ceci permet de dissocier la fonction d'attache du spiral à l'axe via la virole (premier niveau, dans le plan du spiral) de celle de tenue à l'axe, notamment de tenue de la virole sur l'axe (premier et deuxième niveau, et préférentiellement exclusivement sur le deuxième niveau, hors du plan du spiral), tout en répartissant la contrainte élastique de façon la plus équilibrée possible le long des parties flexibles.
Un ensemble monolithique ressort spiral-virole correspondant à celui de la figure 4 réalisé sur 2 niveaux est représenté en perspectives avant et arrière sur les figures 9 et 10.
Comme on peut le voir sur ces figures, les flancs ne sont pas parfaitement superposés, ils présentent un décalage de quelques microns entre la première et la deuxième couche.
La figure 11 représente la totalité de l'ensemble ressort-spiral selon les figures 9 et 10, avec les extrémités externes des lames du double-spiral qui sont solidaires d'un élément de fixation destiné à être relié au mouvement d'une pièce d'horlogerie.
Il est évident qu'un tel ensemble monolithique ressort spiral-virole réalisé sur 2 niveaux peut aussi être appliqué à d'autres types de viroles, notamment à des viroles fendues, et à d'autres types de spiraux, notamment à des spiraux simples. Procédé de fabrication
La virole ou l'ensemble spiral-virole peut être fabriqué suivant des procédés connus, tel que celui faisant l'objet de la demande de brevet n° EP 1 655 642. La virole ou l'ensemble ressort spiral-virole suivant le second aspect de l'invention peut être fabriqué suivant des procédés connus, tels que ceux faisant l'objet des demandes de brevet n° EP 1 835 339 ou EP 2 104 007.
Les étapes principales d'un procédé de fabrication d'une virole ou d'un ensemble monolithique ressort spiral- virole réalisé sur 2 niveaux, étages ou parties sont représentées sur la figure 8.
Le substrat de départ utilisé est une tranche (« wafer » en anglais) du type « SOI » (« Silicon-on- Insulator ») , composé de deux parties de Si monocristallin séparées par une fine couche d'oxyde de silicium, SiC>2 (figure 8a, avec le Si monocristallin en blanc et le SiC>2 en hachuré oblique) . Après un premier nettoyage, la tranche est oxydée pour former une couche de SiC>2 en surface de part et d'autre du substrat (figure 8b) qui servira de masque pour la gravure profonde par ions réactifs (« Deep Reactive Ion Etching », « DRIE » en anglais) . Une photolithographie est ensuite effectuée sur une première face pour définir un premier motif en résine photosensible (figure 8c, résine représentée en hachuré droit) et ce motif est reproduit dans la couche d'oxyde sous-jacente par gravure sèche (figure 8d) . Après un nettoyage (figure 8e) , les mêmes étapes sont reproduites sur la deuxième face avec un deuxième motif : une photolithographie permet de définir un deuxième motif en résine photosensible (figure 8f ) , qui est reproduit dans la couche d'oxyde sous-jacente par gravure sèche (figure 8g) . Une étape de gravure profonde par DRIE est ensuite réalisée sur la deuxième face pour graver le motif dans la deuxième couche de Si (figure 8h) . Puis, une gravure profonde DRIE est réalisée sur la première couche (figure 8i) . Les parties de Si02 exposées (couches externes et couche centrale) sont finalement dissoutes par attaque BHF (HF tamponné, soit un mélange de HF et de NH4F qui sert de tampon pour stabiliser la vitesse d'attaque ; figure 8j).
Différentes étapes additionnelles aux procédés exposés ci-dessus peuvent être prévues, comme par exemple (et de façon non-limitative) :
le dépôt de couches fonctionnelles (oxydes, nitrures, couches à base de carbone) sur tout ou une partie de la surface, par exemple par des techniques de type PVD, CVD, ou ALD ; le dépôt d'une couche d'oxyde S1O2 pour thermocompenser l'oscillateur balancier-spiral selon EP 1 422 436 ;
- la réalisation d'une partie de la structure, par exemple des bras 6,7,8 et 9, en métal ou alliage métallique par une technique d ' électroformage de type LiGA.
Variante avantageuse du second aspect de l'invention Suivant une variante avantageuse du second aspect de l'invention, la virole a moins deux niveaux, et le point d'attache ou d'encastrement du spiral (ou les points d'attache dans le cas d'un spiral double) est situé sur un niveau différent de celui où se trouvent les surfaces d'appui et à une distance du centre de la virole inférieure à la distance entre le centre de la virole et son contour ou périphérie . Comme illustré à la figure 20, la virole 100 comprend un alésage 101 destiné à recevoir l'axe de balancier, ainsi que au moins une première partie 102 et une deuxième partie 103. Les première et deuxième parties sont séparées par un plan 104 perpendiculaire à l'axe 107 de l'alésage, cet axe représentant également le centre de la virole. Le ou les élément (s) 105 d'attache de la virole à un ressort spiral sont exclusivement situé (s) sur la première partie. L'élément 106 de liaison de la virole à l'axe de balancier, par exemple formé des surfaces d'appui, est essentiellement, de façon préférentielle exclusivement, situé sur la deuxième partie. Par « un élément de liaison de la virole à l'axe de balancier est essentiellement situé sur la deuxième partie », on entend que plus de la moitié des efforts de liaison de la virole à l'axe de balancier sont appliqués au niveau de la deuxième partie. L'alésage 101 forme une ouverture centrale destinée à recevoir l'axe de balancier.
Préfèrentiellement , on utilise une tranche SOI pour réaliser une telle virole ou un ensemble monolithique virole-spiral incluant une telle virole, la première et la deuxième partie étant en Silicium et séparées par une couche d'oxyde de Silicium. En effet, l'utilisation de tranches SOI où la couche interne de S1O2 séparant les deux couches de Si est épaisse, voire très épaisse (par exemple 2-3 microns comme habituellement, mais préfèrentiellement d'épaisseur supérieure à 5, voire à 10 microns) permet de réaliser une virole flexible superposant les spires comme représenté sur la figure 19, qui montre un tel ensemble monolithique ressort spiral double - virole réalisé sur 2 niveaux. La virole flexible est en tout point semblable à celle de la figure 4. Par contre, les points d'attache du spiral ne sont pas situés sur le contour comme à la figure 21, mais le plus près possible de l'ouverture centrale de la virole et donc de l'axe de balancier, comme sur l'exemple de la figure 22. Les lames du spiral sont ainsi partiellement superposées à la virole, sur un peu moins de 180° dans l'exemple de la figure 19 (correspondant à un peu moins d'un demi-tour d'enroulement de la lame du spiral) . Le procédé de fabrication à deux niveaux permet de réaliser ce genre de structure, car l'attaque de dissolution du Si02 (figure 8 ) va venir aussi attaquer l'oxyde qui solidarise les lames à la virole si le temps d'attaque est suffisant, libérant ainsi ces dernières.
Ainsi, l'élément d'attache du spiral à la virole ou le point d'encastrement 10, 11 se trouve à une distance Dl de l'axe de l'alésage 107 inférieure à la moitié du diamètre D2 d'un cylindre dans lequel s'inscrit la deuxième partie, notamment à une distance Dl inférieure ou égale à la moyenne de la moitié du diamètre D2 et de la moitié du diamètre du cercle inscrit dmax . C'est le cas pour l'ensemble spiral- virole de la figure 22, pour lequel Dl vaut 0.330mm, alors que D2 vaut 1.180mm et que la moyenne de la moitié du diamètre D2 et de la moitié du diamètre du cercle inscrit dmax vaut ( 1.180mm/2+0.495mm/2 ) /2 = 0.41875mm. Cela équivaut à placer le point d'encastrement 10,11 à 85 microns de distance de l'axe dans le cas de la figure 22, contre 275 microns dans le cas de la figure 21. Alternativement, le point d'encastrement est plus proche de l'ouverture centrale que ne l'est le contour 33 de la virole.
Une virole telle que décrite plus haut peut en particulier être incluse dans un ensemble monolithique ressort spiral-virole.
Le fait de rapprocher le point d'attache de l'axe du balancier permet d'améliorer considérablement les propriétés chronométriques . De plus, ce type d'approche n'est pas limité à un double spiral, mais est aussi parfaitement adapté à un spiral simple, et n'est pas limité à une virole à contour fermé, mais convient aussi à une virole fendue. N'importe quelle combinaison de virole et de spiral peut être obtenue de cette façon, avec pour effet un ensemble ressort spiral - virole aux propriétés chronométriques nettement améliorées. Simulations
Des simulations par la technique des éléments finis ont été effectuées sur deux ensembles monolithiques ressort spiral double - virole non fendue à deux parties, du type représenté sur les figures 9 et 10.
Ces deux ensembles similaires A et B sont représentés sur les figures 12 et 13. Leurs dimensions sont comparables sur plusieurs points : l'encombrement est de 1.17mm selon le grand axe (dimension d sur les figures), la distance c est de 0,550mm, le diamètre inscrit au centre de l'ouverture est de 0, 495mm, l'angle a vaut 120°, le rayon de courbure du contour externe au niveau du sommet des parties de liaison flexibles est de 0,538mm. Seule l'épaisseur des parties de liaison flexibles diffère de façon significative : si on note b la largeur au niveau du sommet des parties de liaison (c'est-à-dire en leur milieu, à mi-distance des parties de réception) et e la largeur minimale des parties de liaison, b = 0,085mm et e = 0,050mm pour la virole de la figure 12 et b' = 0,070mm et e' = 0,050mm pour la virole de la figure 13. La largeur maximale des parties de réception rigides a diffère également: a = 0,224mm pour la virole de la figure 12 et a' = 0, 200mm pour la virole de la figure 13, mais la distance entre les points d'attache du spiral double est identique .
La hauteur de couche du spiral (première partie) est de 150 microns et la hauteur de couche du niveau portant les surfaces d'appui (deuxième partie) est de 500 microns.
Les axes de balancier ont un diamètre toléré compris entre 0,5 et 0,506 mm, avec une valeur nominale à 0,503 mm.
Le graphe de la figure 14 montre l'évolution du couple de tenue M simulé de la virole en fonction du diamètre de l'axe du balancier pour chacun des ensembles spiral/virole des figures 12, 13 et 3, respectivement. Le couple de tenue minimal est indiqué sur la figure 14 par la ligne interrompue .
On constate, pour chacun des ensembles que le couple de tenue est supérieur au couple minimal exigé, même pour les petits diamètres en dessous de la tolérance minimale.
Le graphe de la figure 15 montre l'évolution de la contrainte s de la virole en fonction du diamètre de l'axe du balancier pour chacun des ensembles spiral/virole des figures 12, 13 et 3, respectivement. La contrainte maximale admissible pour le matériau (limite élastique, avec un facteur de sécurité) est indiquée par la ligne interrompue.
On constate, pour chacun des ensembles selon l'invention, que les contraintes maximales sont bien en-deçà de la valeur maximale admise. L'avantage de la virole de la figure 13 est qu'elle est plus flexible, que son niveau de contraintes est moins élevé et que la pente du couple en fonction du diamètre de l'axe est plus faible que pour la virole de la figure 12. En corollaire, le couple de maintien est plus faible.
Pour l'ensemble selon l'art antérieur, par contre, la contrainte dépasse très rapidement la valeur maximale admise. On voit donc que ce type de virole n'est pas adéquat à un assemblage par chassage. En effet, une telle géométrie du contour ne permet pas d'assurer à la fois une bonne tenue et une déformation sans casse de la virole suite au chassage de l'axe de balancier. De plus, le diamètre inscrit est inférieur de seulement 0.2 micron à la borne inférieure de la tolérance afin que les contraintes soient inférieures à la contrainte maximale admissible pour la borne inférieure de la tolérance, ce qui requiert des tolérances de fabrication extrêmement précises.
Le même comportement est prédit pour d'autres viroles de l'art antérieur, comme celle représentée à la figure 10D du document EP 1 655 642. L'augmentation des contraintes avec le diamètre de l'axe est moins forte que pour le cas de la virole de la figure 3, mais la contrainte maximale admissible est néanmoins largement dépassée avant d'atteindre la borne supérieure de la tolérance.
Cet exemple illustre l'avantage d'une virole à contour fermé, avec des parties de réception rigides reliées par des parties de liaison flexibles. Cette différence de rigidité peut être estimée en première approximation par la théorie des poutres aux faibles déformations : pour une poutre, la rigidité k d'un élément de largeur e, d'épaisseur h et de longueur L est proportionnelle à e3 xh/L3. En faisant l'approximation que la largeur e est constante le long des parties, le rapport entre la rigidité d'une partie de réception, kr, et d'une partie de liaison, kf, vaut donc kr/kf = (er 3 xhr x Lf 3 ) / (ef 3 x hf x Lr 3 ) = (er 3 x Lf 3 ) / (ef 3 x Lr 3 ) , si l'épaisseur est identique. Diminuer la largeur moyenne des parties de liaison par rapport aux parties de réception et maximiser la longueur de ces mêmes parties de liaison permet ainsi de diminuer très significativement la rigidité des parties de liaison. Préfèrentiellement , on choisit un rapport kr/kf supérieur à 10, plus préfèrentiellement supérieur à 50, encore plus préfèrentiellement supérieur à 100.
Vu que la rigidité dépend de la largeur au cube, la différence de largeur entre les parties de réception rigides et les parties de liaison flexibles est préférable pour obtenir une rigidité plus faible sur les parties de liaison que sur les parties de réception.
Différentes possibilités existent pour obtenir une rigidité plus faible : ainsi, la largeur moyenne des parties de liaison peut être préfèrentiellement inférieure à la largeur moyenne des parties de réception, plus préfèrentiellement inférieure d'un facteur deux à la largeur moyenne des parties de réception.
Alternativement ou cumulâtivement , les deux parties de liaison présentent une largeur minimale et/ou une largeur à mi-distance des parties de réception inférieure ( s ) à la largeur maximale des parties de réception.
La largeur minimale e des parties de liaison est alors préfèrentiellement inférieure à 0,5xa, encore plus préfèrentiellement égale ou inférieure à 0,3xa, où a est la largeur maximale des parties de réception.
Alternativement ou cumulâtivement , la largeur au milieu des parties de liaison, à mi-distance des parties de réception, est préfèrentiellement inférieure à 0,7xa, encore plus préfèrentiellement égale ou inférieure à 0,5xa.
On peut aussi varier l'épaisseur des parties de réception et des parties de liaison, notamment en amincissant les parties de liaison par rapport aux parties de réception, mais il est plus favorable de varier la largeur que l'épaisseur pour varier la rigidité. Bien entendu, l'homme du métier saura adapter les dimensions de la virole de cas en cas, selon l'épaisseur du spiral, l'encombrement à disposition, en veillant à assurer une tenue au couple suffisante et à maintenir les contraintes bien de deçà de la contrainte maximale admissible afin de rester dans le domaine de déformation élastique .
L'intérêt pour un ensemble monolithique spiral/virole à au moins deux niveaux peut être expliqué de la manière suivante. Pour un ensemble spiral/virole à une seule couche, la hauteur est déterminée par les dimensions du spiral, entre autre par le couple nécessaire et l'encombrement (diamètre) . La hauteur de la virole, et donc des bras portant les surfaces d'appui et des parties flexibles, sera nécessairement fixée par la hauteur du spiral et ne pourra pas être ajustée librement. Pour un ensemble monocouche de 150 microns de hauteur, les valeurs de couple de maintien sont inférieures d'un rapport de 500/150 par rapport à un ensemble multicouche muni d'un spiral de même hauteur (150 microns), puisque le maintien s'effectue sur 150 microns au lieu de 500 microns. De ce fait, ces valeurs de couple de maintien seraient inférieures à la valeur minimale (ligne interrompue sur fig. 14) requise pour des diamètres d'axes proches du minimum de tolérance (0,5 micron) .
On peut aussi envisager de faire porter les parties d'appui également par le niveau comprenant le spiral, ce qui permettrait dans l'exemple évoqué ci-dessus d'augmenter les valeurs de couple de maintien à un rapport 650/150 par rapport à un ensemble à un seul niveau. Cependant, les tolérances du procédé de fabrication rendent la réalisation de surfaces continues sur deux niveaux très délicate. Il est donc préférable de séparer les fonctions d'attache du spiral et de liaison de la virole à l'axe de balancier sur deux niveaux distincts, et de ne pas prévoir de parties d'appui sur le niveau qui présente le ou les élément (s) d'attache de la virole au ressort spiral.
Ainsi, un moyen d'augmenter le couple de tenue d'une virole à une seule couche ou étage est d'augmenter le couple développé par les parties flexibles sans augmenter la contrainte, ce qui implique un diamètre plus important de la virole. Ceci a pour conséquence que le point d'attache des lames du spiral doit être éloigné de l'axe de balancier, ce qui dégrade les propriétés chronométriques .
Il ressort de ce qui précède qu'un ensemble monolithique spiral/virole à au moins deux niveaux, par exemple à deux étages de silicium séparés par une couche d'oxyde de silicium, offre la possibilité de maximiser le couple de maintien en optimisant son encombrement, c'est-à- dire en évitant d'augmenter le diamètre de la virole. Une virole dans laquelle la deuxième partie 103 s'étend, selon l'axe de l'alésage 107, sur une longueur supérieure à une fois l'épaisseur E du ressort spiral, voire supérieure à 3 fois l'épaisseur E du ressort spiral, est donc particulièrement adaptée, notamment pour former un ensemble monolithique spiral-virole.
Les figures 6 et 7 représentent des variantes de l'ensemble monolithique spiral/virole selon l'invention.
Sur la figure 6, on peut voir que les parties élastiques sont bombées en leur centre 30 vers l'intérieur des évidements périphériques.
L'ensemble monolithique spiral/virole à 2 étages de la figure 7 comporte des parties flexibles qui ne sont pas symétriques . La thermo-compensation du spiral de l'ensemble ressort spiral simple ou double - virole est réalisée par des moyens connus. On peut par exemple utiliser une couche de matériau à la surface des spires qui compense le premier coefficient thermique du module d 'Young du matériau de base. Dans le cas d'un spiral en Si, un matériau adéquat pour la couche est le Si02.
De préférence, dans les différentes variantes et modes de réalisation, chaque partie de liaison est principalement sollicitée en flexion, une fois l'ensemble monolithique monté sur l'axe de balancier.
Par « principalement sollicité en flexion », on entend que, dans chaque partie de liaison, on peut identifier une fibre neutre orientée sensiblement selon une direction selon laquelle s'étend la partie de liaison et séparant une zone sollicitée en traction, d'une zone sollicitée en compression .
De préférence, dans les différentes variantes et modes de réalisation, chaque partie de liaison présente une portion distante de l'axe de balancier d'au moins 0.5 fois le rayon de l'axe de balancier, voire d'au moins 0.9 fois le rayon de l'axe de balancier, une fois l'ensemble monté sur l'axe de balancier.
De préférence, dans les différentes variantes et modes de réalisation, les parties de réception et les parties de liaison forment un élément apte à entourer continûment l'axe de balancier, c'est-à-dire apte à entourer sans interruption topologique l'axe de balancier. Elles forment ainsi une virole fermée, par opposition à une virole fendue.
Dans ce document, par « partie indéformable » ou par
« partie rigide », on entend une partie ne se déformant pas ou sensiblement pas lors du fonctionnement ou lors du montage de l'ensemble monolithique sur l'axe de balancier ou une partie dont la déformation n'est pas recherchée et/ou n'exerce pas de fonction lors du fonctionnement ou lors du montage de l'ensemble monolithique.
Dans ce document, par « partie déformable », on entend une partie se déformant élastiquement lors du fonctionnement ou lors du montage de l'ensemble monolithique sur l'axe de balancier ou une partie dont la déformation élastique est recherchée ou exerce une fonction lors du fonctionnement ou lors du montage de l'ensemble monolithique.
Selon un aspect de l'invention, l'ensemble monolithique ressort spiral - virole comprend :
- une première partie de réception destinée à venir en appui contre un axe de balancier,
- une deuxième partie de réception destinée à venir en appui contre l'axe de balancier,
- une première partie de liaison destinée à relier les première et deuxième parties de réception, et
- une deuxième partie de liaison destiné à relier les première et deuxième parties de réception.
Ces différentes parties sont de préférence incluses dans une virole.

Claims

Revendications
1. Virole (100) comprenant un alésage (101) destiné à recevoir un axe de balancier, au moins une première partie (102) et une deuxième partie (103), les première et deuxième parties étant séparées par un plan (104) perpendiculaire à l'axe (107) de l'alésage, un élément
(105) d'attache de la virole à un ressort spiral étant exclusivement situé sur la première partie et un élément
(106) de liaison de la virole à l'axe de balancier étant essentiellement, voire exclusivement, situé sur la deuxième partie.
2. Virole selon la revendication 1, dans laquelle l'élément d'attache ou point d'attache se trouve à une distance (Dl) du centre de la virole (107) inférieure à la moitié du diamètre (D2) d'un cylindre dans lequel s'inscrit la deuxième partie, notamment à une distance (Dl) inférieure ou égale à la moyenne de la moitié du diamètre (D2) du cylindre dans lequel s'inscrit la deuxième partie et de la moitié du diamètre du cercle inscrit (dmax) dans une ouverture centrale de la virole.
3. Virole selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la deuxième partie s'étend, selon l'axe de l'alésage, sur une longueur supérieure à une fois l'épaisseur (E) du ressort spiral, voire supérieure à 3 fois l'épaisseur (E) du ressort spiral.
4. Ensemble monolithique ressort spiral - virole (1) comprenant : - une première partie de réception, notamment une première partie de réception indéformable, destinée à venir en appui contre un axe de balancier,
une deuxième partie de réception, notamment une deuxième partie de réception indéformable, destinée à venir en appui contre l'axe de balancier,
- une première partie de liaison, notamment une première partie de liaison déformable, destinée à relier les première et deuxième parties de réception,
- une deuxième partie de liaison, notamment une deuxième partie de liaison déformable, destiné à relier les première et deuxième parties de réception, et
un élément apte à entourer continûment l'axe de balancier et comprenant les parties de réception et les parties de liaison.
5. Ensemble monolithique selon la revendication 4, dans lequel les parties de liaison occupent 50% et plus, voire entre 50% et 90%, voire entre 60% et 80%, de la longueur totale du contour extérieur de la virole.
Ensemble monolithique selon la revendication 4 ou 5, dans lequel chaque partie de liaison occupe un secteur d'angle mesuré depuis le centre de la virole supérieur ou égal à 90°, voire compris entre 90° et 160°, voire compris entre 110° et 145°.
Ensemble monolithique selon l'une des revendications 4 à 6, dans lequel chaque partie de liaison présente une portion distante de l'axe de balancier d'au moins 0.5 fois le rayon de l'axe de balancier, voire d'au moins 0.9 fois le rayon de l'axe de balancier, une fois l'ensemble monté sur l'axe de balancier.
8. Ensemble monolithique selon l'une des revendications 4 à
7, dans lequel chaque partie de liaison est principalement sollicitée en flexion, une fois l'ensemble monolithique monté sur l'axe de balancier.
9. Ensemble monolithique selon l'une des revendications 4 à
8, dans lequel les parties de réception sont en regard l'une de l'autre, notamment à 180° l'une de l'autre par rapport au centre de la virole.
10. Ensemble monolithique selon l'une des revendications 4 à
9, dans lequel une lame du ressort spiral est attachée ou liée directement à une partie de réception, notamment, dans le cas d'un ensemble comportant un double spiral, dans lequel chaque lame est attachée à une partie de réception différente. 11. Ensemble monolithique selon l'une des revendications 4 à
10, dans lequel une ouverture centrale de la virole destinée à recevoir un axe de balancier est non circulaire . 12. Ensemble monolithique selon l'une des revendications 4 à
11, dans lequel le contour de l'ouverture centrale de la virole (1) comprend, sur une même partie de réception, au moins une surface d'appui (2,3 ; 4,5) pour l'axe de balancier .
13. Ensemble monolithique selon l'une des revendications 4 12, dans lequel le contour de l'ouverture centrale de virole (1) comprend, sur une même partie de réception, au moins une paire de surfaces d'appui (2,3 ; 4,5) pour l'axe de balancier, les tangentes aux surfaces d'appui (2,3) aux points d'appui de cette paire formant entre elles un angle (a) supérieur à 90 degrés et inférieur à 170 degrés.
Ensemble monolithique selon l'une des revendications 4 à 13, dans lequel le contour de l'ouverture centrale de la virole (1) comprend deux paires (2,3 ; 4,5) de surfaces d ' appui .
15. Ensemble monolithique selon l'une des revendications 4 à 14, dans lequel les surfaces d'appui (2,3 ; 4,5) sont au moins partiellement situées sur des bras (6,7 ; 8,9) ou extensions s 'étendant depuis le corps des parties de réception .
Ensemble monolithique selon l'une des revendications 13 à 15, dans lequel des surfaces d'appui sont planes ou à courbure négative ou à courbure positive avec un rayon supérieur à 0,51 fois le diamètre (dmax) du cercle inscrit dans une ouverture centrale de la virole.
Ensemble monolithique selon l'une des revendications 4 à 16, dans lequel deux parties de réception sont disposées à 180° l'une de l'autre par rapport à l'axe de la virole . 18. Ensemble monolithique selon l'une des revendications 4 à 17, dans lequel les différentes parties de liaison ont une géométrie identique et/ou les différentes parties de réception ont une géométrie identique.
Ensemble monolithique selon l'une des revendications 4 à
18, dans lequel le ressort spiral est un ressort spiral double comprenant une première lame dont le point d'attache (10) à la virole (1) est relié à une première partie de réception et une deuxième lame dont le point d'attache (11) à la virole (1) est relié à une deuxième partie de réception.
Ensemble monolithique selon l'une des revendications 4 à
19, dont la géométrie de la virole a une symétrie de réflexion d'ordre 2.
Ensemble monolithique selon l'une des revendications 4 20, dont la géométrie de la virole a une symétrie rotation d'ordre 2.
Ensemble monolithique selon l'une des revendications 4 à 21, l'ensemble étant en silicium, éventuellement avec une couche externe et/ou une couche interne en oxyde de silicium.
Ensemble monolithique selon l'une des revendications 4 à 22 dans lequel le ou les point (s) d'attache du spiral simple ou double est (sont) plus proche (s) de l'ouverture centrale de la virole que ne l'est le contour de la virole.
Ensemble monolithique selon l'une des revendications 4 à 23, l'ensemble étant réalisé en un matériau fragile ou en un matériau ne présentant pas de domaine déformation plastique.
25. Ensemble monolithique selon l'une des revendications 4 à 24, l'ensemble comprenant une virole selon l'une des revendications 1 à 3.
Procédé de fabrication d'un ensemble monolithique selon la revendication 25, dans lequel on réalise le ressort spiral sur une partie différente de celle où se trouvent les surfaces d'appui de la virole contre l'axe de balancier .
Procédé de fabrication selon la revendication 26, dans lequel on utilise comme matériau de départ une tranche SOI dont la couche de S1O2 a une épaisseur supérieure à 3 microns.
Procédé de fabrication d'une virole selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel on réalise un élément (105) d'attache de la virole à un ressort spiral sur une partie différente de celle où se trouve un élément (106) de liaison de la virole à l'axe de balancier.
Procédé de fabrication selon la revendication 28, dans lequel on utilise comme matériau de départ une tranche SOI dont la couche de S1O2 a une épaisseur supérieure à 3 microns.
30.- Ensemble monolithique ressort spiral - virole réalisé dans un matériau ne présentant pas de domaine déformation plastique, dans lequel : - le contour de la virole (1) est fermé, l'ouverture centrale de la virole (1) destinée à recevoir un axe de balancier est non circulaire,
le contour de l'ouverture centrale de la virole comporte au moins deux surfaces d'appui ( 2 , 3 ; 4 , 5 ; 14 ) pour un axe de balancier ;
caractérisé en ce que
la virole (1) est formée de deux parties de réception d'axe de balancier situées en regard l'une de l'autre et dont l'une comprend au moins la première des surfaces d'appui (2 ou 3) pour l'axe de balancier ainsi qu'un point d'attache (10,11) du ressort spiral, et l'autre au moins la deuxième des surfaces d'appui (4, 5 ou 14) pour l'axe de balancier,
ces deux parties de réception d'axe de balancier étant reliées l'une à l'autre par deux parties de liaison qui présentent une rigidité inférieure à celles des parties de réception, de façon à pouvoir se déformer élastiquement lors du chassage d'un axe de balancier.
31. - Ensemble monolithique ressort spiral - virole (1) selon la revendication 30, dans lequel les deux parties de liaison présentent une largeur moyenne inférieure à la largeur moyenne des parties de réception.
32. - Ensemble monolithique ressort spiral - virole (1) selon la revendication 30, dans lequel les deux parties de liaison présentent une largeur minimale et/ou une largeur à mi- distance des parties de réception, inférieure ( s ) à la largeur maximale des parties de réception.
33. - Ensemble monolithique ressort spiral - virole (1) selon l'une des revendications 30 à 32, dans lequel le contour de l'ouverture centrale de la virole (1) comprend, sur une même partie de réception, au moins une paire de surfaces d'appui (2,3 ; 4,5) pour l'axe de balancier, les surfaces d'appui (2,3) de cette paire formant entre elles un angle (a) supérieur à 90 degrés et inférieur à 170 degrés.
34. - Ensemble monolithique ressort spiral - virole (1) selon la revendication 33, dans lequel le contour de l'ouverture centrale de la virole (1) comprend deux paires (2,3 ; 4,5) de surfaces d'appui.
35. - Ensemble monolithique ressort spiral - virole (1) selon l'une des revendications 30 à 34, dans lequel les surfaces d'appui (2,3 ; 4,5) sont au moins partiellement situées sur des bras (6,7 ; 8,9).
36. - Ensemble monolithique ressort spiral - virole (1) selon l'une des revendications 30 à 35, dans lequel les parties de liaison ont une géométrie identique.
37. - Ensemble monolithique ressort spiral - virole (1) selon l'une des revendications 30 à 36, dans lequel le ressort spiral est un ressort spiral double comprenant une première lame (10) dont le point d'attache à la virole (1) est relié à une première partie de réception et une deuxième lame (11) dont le point d'attache à la virole (1) est relié à une deuxième partie de réception.
38.- Ensemble monolithique ressort spiral - virole (1) selon l'une des revendications 30 à 37, dont la géométrie de la virole a une symétrie de réflexion d'ordre 2. 39.- Ensemble monolithique ressort spiral - virole (1) selon l'une des revendications 30 à 38, dont la géométrie de la virole a une symétrie de rotation d'ordre 2.
40. - Ensemble monolithique ressort spiral - virole selon l'une des revendications 30 à 39, cet ensemble étant en silicium, éventuellement avec une couche externe et /ou un étage en oxyde de silicium.
41. - Ensemble monolithique ressort spiral - virole (1) selon l'une des revendications 30 à 40, formé sur deux niveaux, le ressort spiral étant situé sur un niveau différent de celui où se trouvent les surfaces d'appui (2,3 ; 4,5 ; 14) pour l'axe de balancier. 42. - Ensemble monolithique ressort spiral - virole ayant au moins deux niveaux, le ressort spiral étant situé sur un niveau différent de celui où se trouvent les surfaces d'appui de la virole pour un axe de balancier. 43. - Ensemble monolithique ressort spiral - virole selon la revendication 41 ou 42, dans lequel le ou les point (s) d'attache du spiral simple ou double est (sont) plus proche (s) de l'ouverture centrale de la virole que ne l'est le contour de la virole.
44.- Procédé de fabrication d'un ensemble monolithique ressort spiral - virole selon l'une des revendications 41 à 43, dans lequel on réalise le ressort spiral sur un niveau différent de celui où se trouvent les surfaces d'appui de la virole pour l'axe de balancier. 45.- Procédé de fabrication selon la revendication 44, dans lequel on utilise comme matériau de départ une tranche SOI dont la couche de S1O2 a une épaisseur supérieure à 3 microns . 46. Oscillateur comprenant un ensemble monolithique selon l'une des revendications 4 à 25 ou 30 à 45 et un axe de balancier à section circulaire.
Mouvement horloger ou pièce d'horlogerie comprenant un ensemble monolithique selon l'une des revendications 4 à 25 ou 30 à 45 ou comprenant un oscillateur selon la revendication précédente ou comprenant une virole selon l'une des revendications 1 à 3.
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