La présente invention à pour objet un résonateur balancier-spiral thermocompensé permettant de réduire l'écart thermique de marche diurne d'un mouvement horloger mécanique à un niveau comparable à celui d'une montre électronique à quartz.

Il est bien connu que l'écart de marche diurne d'un mouvement mécanique dépend essentiellement des organes réglants, et notamment du balancier-spiral dont la fréquence d'oscillation peut être influencée par des variations des facteurs extérieurs, tels qu'un changement de température ou la présence d'un champ magnétique. La température agit notamment à la fois sur le moment d'inertie du balancier et sur la constante élastique du spiral, et modifie la fréquence du balancier-spiral qui est en effet fonction de ces deux paramètres.

En ce qui concerne le balancier, il est généralement réalisé un alliage amagnétique tels que le glucydur, faisant que le mouvement oscillatoire du balancier ne peut pas être perturbé par la proximité de matériaux magnétiques. Pour minimiser l'influence de la température sur le moment d'inertie du balancier, c'est-à-dire en fait sur la variation de son rayon de giration, de très nombreux dispositifs ont été proposés dès les années 1900, ces dispositifs étant essentiellement basés sur le principe du balancier bimétallique coupé.

Ces dispositifs ne seront pas décrits plus avant, étant donné que l'invention ne concerne pas des caractéristiques géométriques du balancier en tant que tel.

En ce qui concerne le spiral, on a déjà depuis longtemps, d'une façon encore considérée comme satisfaisante, minimisé les écarts de marche dus aux variations de température en les fabriquant dans des alliages dont l'élasticité reste pratiquement constante dans la gamme de températures usuelles d'utilisation. Il s'agit notamment d'alliages fer-nickel contenant également du chrome et du titane comme durcissants ainsi que divers autres éléments (C, Mo, Be, etc). De tels alliages, bien connus sous les dénominations telles que l"'Elinvar" permettent, dans la meilleure qualité d'obtenir un écart de marche de ± 0,6 seconde par degré en 24h, mais peuvent encore être sensibles à l'effet d'un champs magnétique. De plus leur fabrication fait appel à des procédés métallurgiques complexes ne permettant pas de garantir une reproductibilité parfaite des caractéristiques recherchées, de sorte qu'il est encore nécessaire de procéder à l'appairage du balancier et du spiral lors du montage.

Le document EP 732 635 divulgue une pièce de micro-mécanique en silicium mono ou polycristallin et son procédé de fabrication qui permet de remplacer un matériau du type « Elinvar ». La pièce est photostructurée sur une plaque de silicium et peut comprendre un revêtement extérieur au moins partiel du type à structure de diamant destiné à s'exonérer de moyens de lubrification.

L'invention a pour but de pallier aux inconvénients de l'art antérieur précité en procurant un balancier-spiral présentant un écart de marche encore plus faible en raison notamment d'un spiral réalisé en un matériau amagnétique dont les coefficients de dilatation et la variation thermique du module d'élasticité permettent, lors de la fabrication, d'adapter la constante élastique dudit spiral au moment d'inertie du balancier.

On rappellera que la constante élastique du spiral, autrement désignée par "couple unitaire du spiral" répond à la formule I : $$C=\frac{{\mathit{Ehe}}^3}{12L}$$
dans laquelle E est le module d'élasticité, h la hauteur du spiral, e son épaisseur et L sa longueur développée. La fréquence du balancier-spiral peut être reliée à la formule I par la formule II : $$f=\frac{1}{2\pi }\sqrt{\frac{C}{I}}$$
dans laquelle I représente le moment d'inertie du balancier, correspondant à la formule III : $$l=m{r}^{\mathit{2}}$$
dans laquelle m représente la masse et r le rayon de giration qui dépend évidemment du coefficient de dilatation a du balancier.

A cet effet l'invention concerne un résonateur balancier-spiral pour mouvement horloger mécanique comportant un spiral de constante élastique C et un balancier de moment d'inertie I dans lequel le spiral est formé de spires de hauteur h réalisées à partir d'un monocristal de quartz d'axes cristallographiques x, y, z, l'axe x, étant l'axe électrique et l'axe y l'axe mécanique, la hauteur h des spires ayant sensiblement la même orientation que l'axe cristallographique z, la lame de quartz étant découpée selon un plan x, y' formant un angle θ avec le plan x, y perpendiculaire à l'axe cristallographique z. Plus précisément l'angle θ peut varier entre + 25° et - 25°, de préférence entre + 10° et - 15°, ce qui permet de faire varier la constante élastique du spiral sans en modifier la géométrie.

Grâce à cette conception du spiral, il est ainsi possible d'adapter très simplement la constante élastique dudit spiral (formule I) au coefficient de dilatation linéaire a du balancier, qui modifie le moment d'inertie (formule III) dudit balancier, afin que la fréquence (formule II) du résonateur balancier-spiral soit thermocompensée.

L'utilisation du quartz pour la fabrication d'un spiral offre également l'avantage, outre ses excellentes caractéristiques thermiques, de posséder aussi d'excellentes propriétés mécaniques et chimiques, en particulier au niveau du vieillissement, de l'oxydation et de la sensibilité aux champs magnétiques.

L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel spiral consistant à :

• découper dans un barreau de quartz d'axes cristallographiques x y z une lame dont l'épaisseur sera éventuellement amincie à une hauteur h désirée pour les spires ;
• former par photolithographie à la surface de la lame un masque dont le contour délimite la forme désirée pour le spiral,
• effectuer une gravure par voie humide ou par voie sèche pour éliminer le quartz se trouvant à l'extérieur du contour créé, et libérer le spiral.

La technique de photolithographie et gravure permet, d'une part de former dans la lame de quartz, en même temps que le spiral en tant que tel, son attache à l'extérieur et la virole de fixation au centre, d'autre part de choisir librement d'autres paramètres du spiral tels que l'épaisseur e des spires ou leur pas, en un point quelconque de son développement.

Pour modifier le couple élastique du spiral et l'adapter au coefficient de dilatation linéaire d'un balancier donné, la lame de quartz est découpée selon un plan formant un angle π/2 - θ par rapport à l'axe cristallographique z, soit de façon équivalente en formant par rotation autour de l'axe x, un angle θ par rapport à la direction de la hauteur h du spiral.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description qui suit, faite à titre illustratif et non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels :

• les figures 1 et 2 représentent les étapes essentielles du procédé de fabrication d'un spiral en quartz selon l'invention;
• la figure 3 est un graphique représentant l'écart de marche en fonction de la température d'un spiral en quartz selon l'invention, avec une courbe de comparaison, et
• la figure 4 est un graphique comparable à celui de la figure 3 dans lequel le spiral est réalisé à partir de lames de quartz découpées selon différents angles de coupe.

A la figure 1 on a représenté la première étape du procédé de fabrication d'un spiral selon l'invention. Cette étape consiste à prendre un barreau de quartz 1 ayant pour axes cristallographiques x y z, et à découper une lame 3 ayant pour épaisseur la hauteur h désirée pour la lame 3, par exemple de quelques dixièmes millimètres. La hauteur h désirée précise peut également être obtenue en découpant une ébauche qu'on soumet ensuite de façon connue à une opération d'usinage par des moyens chimiques, physiques ou physico-chimiques pour amincir la lame jusqu'à la hauteur h. Cette lame est découpée selon un plan x y' formant un angle θ avec le plan x y perpendiculaire à l'axe cristallographique z, c'est-à-dire par rotation du plan x y d'un angle θ autour de l'axe x.

Comme on peut le voir sur la figure 2 représentant une portion de cette même lame 3 à plat, la direction de la hauteur h selon l'axe z' forme un angle θ avec l'axe cristallographique z.

La figure 2 représente également schématiquement, pour une portion agrandie de spiral près de la courbe au centre, les étapes suivantes du procédé. Ces étapes consistent, selon des procédés connus pour la fabrication de micro-structures, à former par photolithographie un masque permettant de délimiter le contour 5 du spiral, et de définir à l'extérieur dudit contour des zones 7 devant être éliminées pour créer le spiral.

Le procédé de photolithographie et gravure permet, si on le souhaite, de former en même temps l'attache à l'extérieur et l'attache au centre, c'est-à-dire une virole venant de matière avec le spiral. Il permet aussi de choisir librement d'autres paramètres du spiral pour en améliorer ses performances, tels que l'épaisseur des spires et/ou leur pas, et ceci en un point quelconque du développement du spiral.

L'élimination des zones 7 situées à l'extérieur du contour peut être effectuée selon des procédés connus, par exemple pour la fabrication des diapasons des montres électroniques. On peut effectuer une attaque par voie humide en particulier une attaque chimique au moyen d'un mélange d'acide fluorhydrique et de fluorure d'ammonium (HF/NH₄F). On peut également effectuer une attaque par voie sèche, en faisant par exemple appel à la technique de gravure ionique réactive.

En se référant maintenant à la figure 3, on a représenté l'écart de marche en secondes par jour en fonction de la température pour un spiral en quartz (courbe a) lorsque le balancier est réalisé en un matériau ayant un coefficient de dilatation α = 14 10^-6 K^-1 et un diapason de montre électronique (courbe b), tous les deux fabriqués avec un angle θ = 2°. On a également représenté par des traits verticaux la gamme de températures à retenir à fin de comparaison selon les normes COSC (Contrôle Officiel Suisse des Chronomètres), à savoir entre + 8°C et + 38°C. On peut observer que les courbes a et b sont très proches l'une de l'autre dans la gamme COSC, l'écart maximum à partir du point de retournement 10 ayant respectivement pour valeurs Δa = 0,5s/j et Δb = 1,2s/j.

La figure 4 représente un faisceau de courbes donnant l'écart de marche en fonction de la température et montrant comment il est possible, par une simple variation de l'angle θ d'obtenir un écart de marche minimum avec des balanciers ayant différents coefficients de dilatation, comme indiqué dans le tableau 1 ci-après : coefficient de dilatation α Angle θ courbe d 5.10^-6 K^-1 - 14,6° courbe e 10.10^-6 K^-1 - 7° courbe f 15.10^-6 K^-1 + 7° La courbe g correspond au diapason d'une montre électronique pris comme référence.

On peut observer que, dans la gamme COSC couvrant 30°C, l'écart maximum est d'environ Δmax = -0,6s/j, soit encore de l'ordre de 0,02 seconde par degré en 24h, valeur très inférieure à celle qu'on peut obtenir avec un spiral métallique de la meilleure qualité.