CH720338A2 - Ressort horloger à base de silicium et son procédé de fabrication - Google Patents

Abstract

Le ressort horloger selon l'invention est un ressort moteur, un ressort de marteau, un ressort de levier, un ressort de bascule, un ressort de râteau, un ressort de cliquet, un ressort sautoir ou un ressort de tirette. Il comprend une âme élastique (30) à base de silicium couverte d'un revêtement métallique (31). Le revêtement métallique (31) est présent au moins sur une ou des portions de l'âme élastique (30) où les contraintes sont les plus élevées lorsque le ressort horloger est déformé en utilisation normale, afin d'augmenter la résistance mécanique du ressort horloger.

Description

[0001] La présente invention concerne un ressort horloger à base de silicium, notamment pour montre-bracelet ou montre de poche.

[0002] Le silicium est un matériau très apprécié dans l'horlogerie mécanique pour ses propriétés avantageuses, notamment sa faible densité, sa grande résistance à la corrosion, son caractère amagnétique et son aptitude à être usiné par des techniques de micro-fabrication. On l'utilise ainsi pour fabriquer des ressorts spiraux, des balanciers, des oscillateurs à guidage flexible, des ancres d'échappement et des roues d'échappement.

[0003] Le silicium présente néanmoins l'inconvénient d'être un matériau fragile (matériau sans domaine de déformation plastique). Les composants en silicium peuvent facilement se rompre lors de leur manipulation en vue de leur montage dans un mouvement ou en cas de chocs subis par la montre. En outre, le mode de gravure généralement utilisé pour son usinage, la gravure ionique réactive profonde dite DRIE, diminue la résistance mécanique du silicium en laissant des arêtes vives et en créant des défauts de planéité en forme de vaguelettes (appelés „scalloping“ en anglais), ainsi que des défauts dans la maille cristalline, sur les flancs de la pièce. Pour atténuer ces problèmes, on peut renforcer les composants horlogers en silicium par un revêtement d'oxyde de silicium d'épaisseur très supérieure à celle de l'oxyde natif, comme décrit dans la demande de brevet WO 2007/000271. Selon l'enseignement de la demande de brevet EP 2277822, ce revêtement d'oxyde de silicium peut ensuite être éliminé sans affecter sensiblement la résistance mécanique.

[0004] Dans le cas des ressorts, la résistance mécanique doit être suffisante non seulement pour permettre leur manipulation mais également pour que le composant puisse se déformer élastiquement sans rupture pendant son fonctionnement afin d'exercer sa fonction. Pour un ressort spiral destiné à équiper un balancier ou pour le guidage flexible d'un oscillateur sans pivots, les contraintes en fonctionnement sont relativement peu élevées, de l'ordre de quelques centaines de MPa au maximum, si bien que la résistance mécanique apportée par la couche d'oxyde de silicium peut suffire. En revanche, pour d'autres ressorts comme les ressorts moteurs, notamment ressorts de barillet, ou certains ressorts de marteau ou de bascule, les contraintes subies pendant leur fonctionnement sont beaucoup plus élevées, de l'ordre de quelques GPa.

[0005] Des procédés permettant la réalisation de ressorts horlogers en silicium capables de supporter des contraintes élevées ont été proposés par la demanderesse dans les demandes de brevet WO 2019/202378 et WO 2021/186332. Le procédé selon la demande WO 2019/202378 comprend au moins une oxydation thermique et un recuit. Celui selon la demande WO 2021/186332 comprend plusieurs oxydations thermiques. Ces opérations s'effectuent à haute température. Or à haute température des contraintes peuvent apparaître dans le silicium et le déformer, surtout si le silicium est polycristallin. Il convient donc de limiter le nombre de telles opérations, ce qui empêche d'augmenter la résistance mécanique des ressorts au-delà d'un certain seuil. En outre, des structurations particulières ou des décors sur la surface du silicium peuvent être incompatibles avec les hautes températures.

[0006] La présente invention vise à proposer une nouvelle approche pour améliorer la résistance mécanique de ressorts horlogers, qui peut compléter des solutions de renforcement mécanique connues sans augmenter sensiblement le bilan thermique du processus complet de fabrication.

[0007] A cette fin, il est proposé un ressort horloger, à savoir un ressort moteur, un ressort de marteau, un ressort de levier, un ressort de bascule, un ressort de râteau, un ressort de cliquet, un ressort sautoir ou un ressort de tirette, comprenant une âme élastique à base de silicium couverte d'un revêtement métallique, le revêtement métallique étant présent au moins sur une ou des portions de l'âme élastique où les contraintes sont les plus élevées lorsque le ressort horloger est déformé en utilisation normale, afin d'augmenter la résistance mécanique du ressort horloger.

[0008] Les revêtements métalliques ont pour avantage de pouvoir être formés à basse température, par exemple par PVD ou ALD. Ils n'affectent donc pas le bilan thermique de la fabrication.

[0009] Il est connu dans l'état de la technique de couvrir un composant horloger en silicium d'un revêtement métallique. Cependant, la fonction du revêtement métallique dans l'état de la technique n'est pas d'augmenter la résistance mécanique mais de rendre la marche d'un spiral thermocompensé insensible aux variations climatiques (CH 707225), d'empêcher les spires d'un spiral d'être attirées vers le coq et de s'y coller (EP 1837722) ou de permettre la fixation du composant en silicium sur un axe par soudage ou brasage (EP 0732635, EP3309624 ou WO 2020/148626). De plus, les composants concernés ne sont pas des ressorts moteurs, des ressorts de marteau, des ressorts de levier, des ressorts de bascule, des ressorts de râteau, des ressorts de cliquet, des ressorts sautoirs, ni des ressorts de tirette.

[0010] La présente invention propose en outre une pièce d'horlogerie, notamment une montre, plus particulièrement une montre-bracelet ou une montre de poche, comprenant un ressort horloger tel que défini plus haut, ainsi qu'un procédé de fabrication du ressort horloger.

[0011] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée suivante faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : – la figure 1 est une vue de dessus d'un ressort de barillet selon l'invention, le ressort de barillet étant représenté à l'état détendu, avant son introduction dans le barillet ; – la figure 2 est une vue de dessus d'un ressort de marteau selon l'invention ; – la figure 3 est une vue en section transversale schématique d'une lame d'un ressort horloger selon l'invention ; – la figure 4 est un graphique montrant par des points et des boîtes à moustaches des valeurs de contrainte à la rupture obtenues dans quatre cas différents.

[0012] Dans le cadre de la présente invention, on entend par l'expression „revêtement métallique“ un revêtement fait d'un ou plusieurs métaux. Par le terme „métal“ on entend un métal proprement dit ou un alliage à base de métal.

[0013] Le ressort horloger selon l'invention est l'un quelconque parmi : – un ressort moteur, c'est-à-dire un ressort destiné à emmagasiner de l'énergie mécanique lors de son remontage et à la restituer progressivement pour alimenter le fonctionnement d'un rouage ou autre mécanisme horloger ; il s'agit typiquement d'un ressort de barillet ; – un ressort de marteau, c'est-à-dire (i) un ressort de rappel destiné, lors de sa détente, à déplacer brusquement un marteau pour qu'il frappe par exemple une came de remise à zéro (dans un chronographe) ou un timbre (dans un mécanisme de sonnerie), ou (ii) un contre-ressort destiné à agir contre le ressort de rappel pour permettre au marteau, par exemple, de s'éloigner d'un timbre immédiatement après l'avoir frappé pour que le timbre puisse vibrer librement ; – un ressort de levier, c'est-à-dire un ressort de rappel destiné à agir sur un levier, par exemple pour le ramener contre une butée ou pour le faire coopérer avec un organe mobile partenaire, par exemple une roue dentée ou une étoile; – un ressort de bascule, c'est-à-dire un ressort de rappel destiné à agir sur une bascule, par exemple pour la ramener contre une butée, pour la faire coopérer avec un organe mobile partenaire, par exemple une roue dentée ou une étoile, ou pour faire coopérer un pignon baladeur que porte la bascule avec un organe denté ; – un ressort de râteau, c'est-à-dire un ressort de rappel destiné à agir sur un râteau, par exemple pour le ramener contre une butée ou pour faire coopérer un palpeur qu'il porte avec une came, par exemple une came limaçon dans un mécanisme de sonnerie ; – un ressort de cliquet, c'est-à-dire un ressort de rappel destiné à agir sur un cliquet, par exemple pour le ramener dans un entre-dent d'un organe denté, par exemple un rochet de barillet, après déplacement de l'organe denté dans son sens de rotation autorisé ; – un ressort sautoir, c'est-à-dire un ressort destiné à positionner un organe mobile, par exemple une roue, une étoile, une tirette ou une navette, par exemple en s'engageant dans un entre-dent de l'organe mobile ou en coopérant avec une goupille portée par l'organe mobile ; – un ressort de tirette, c'est-à-dire un ressort destiné à agir sur une tirette pour la maintenir en prise avec une tige de remontoir et contre lequel on peut agir pour découpler la tirette de la tige de remontoir afin de permettre l'enlèvement de la tige de remontoir ; le ressort de tirette fait généralement partie de la même pièce que le ressort sautoir de tirette qui positionne angulairement la tirette.

[0014] Ces ressorts, et plus particulièrement les deux premiers, peuvent subir des contraintes très élevées lors de leur fonctionnement normal, supérieures à 2,5 GPa voire supérieures à 3 GPa. Les figures 1 et 2 montrent respectivement un ressort moteur 10 (ici un ressort destiné à être enroulé autour d'un arbre de barillet dans un tambour de barillet) et un ressort de marteau 20 dont l'extrémité 21 est destinée à agir sur une goupille portée par un marteau afin d'actionner ce dernier pour la remise à zéro d'un compteur de chronographe. Les contraintes maximales sont généralement près du ou des points d'encastrement, à savoir, dans le cas du ressort de marteau 20, le point P de jonction entre une lame élastique 22 du ressort et une base rigide 23 du ressort, la base rigide 23 servant à la fixation du ressort sur un support tel qu'une platine de mouvement horloger.

[0015] En référence à la figure 3, et de manière générale, le ressort horloger selon l'invention comprend, outre une ou plusieurs éventuelles parties rigides, une âme élastique 30 à base de silicium couverte d'un revêtement métallique 31 d'épaisseur e. L'âme élastique 30 et le revêtement métallique 31 forment ensemble une lame élastique du ressort, par exemple la lame 22 illustrée à la figure 2, le revêtement métallique 31 ayant pour fonction d'accroître la résistance mécanique de cette lame.

[0016] L'âme élastique 30 est par exemple en silicium monocristallin, quelle que soit son orientation cristalline, en silicium polycristallin ou en silicium amorphe. Dans tous les cas, le silicium peut être dopé ou non. L'âme élastique 30 peut être obtenue par gravure, typiquement par gravure ionique réactive profonde (DRIE), d'un substrat. A la place du silicium proprement dit, l'âme élastique 30 peut être réalisée dans un matériau composite comprenant des couches épaisses de silicium séparées par une ou plusieurs couches minces intermédiaires de dioxyde de silicium, par gravure dans un substrat silicium sur isolant (substrat SOI). L'âme élastique 30 peut aussi être constituée d'un noyau en silicium recouvert d'une couche de dioxyde de silicium.

[0017] Le revêtement métallique 31 est formé par exemple par PVD (dépôt physique en phase vapeur), y compris évaporation sous vide ou pulvérisation cathodique, ou par CVD (dépôt chimique en phase vapeur), y compris ALD (dépôt de couches atomiques) ou MVD (dépôt moléculaire en phase vapeur). L'épaisseur e du revêtement métallique 31 est de préférence d'au moins 20 nm, de préférence d'au moins 25 nm, de préférence d'au moins 30 nm, de préférence d'au moins 35 nm, de préférence d'au moins 40 nm, de préférence d'au moins 45 nm, de préférence d'au moins 50 nm, de préférence d'au moins 55 nm, de préférence d'au moins 60 nm, de préférence d'au moins 65 nm, de préférence d'au moins 70 nm, de préférence d'au moins 75 nm, et est de préférence d'au plus 10 µm, de préférence d'au plus 5 µm, de préférence d'au plus 1 µm, de préférence d'au plus 500 nm, de préférence d'au plus 400 nm, de préférence d'au plus 300 nm, de préférence d'au plus 200 nm, de préférence d'au plus 100 nm, de préférence d'au plus 90 nm, n'importe laquelle des limites inférieures précitées pouvant être combinée avec n'importe laquelle des limites supérieures précitées pour définir une plage d'épaisseurs pour le revêtement métallique 31 du ressort horloger selon l'invention.

[0018] Le revêtement métallique 31 peut comprendre une ou plusieurs couches métalliques, par exemple une ou plusieurs couches faites chacune dans l'un des métaux suivants : platine, or, cuivre, titane, chrome, tantale, nickel, aluminium, molybdène, tungstène, zinc, palladium, argent, étain, plomb, iridium, bismuth, alliage d'un ou plusieurs de ces métaux. Une couche mince, par exemple en titane, déposée sur l'âme élastique 30 peut constituer une couche d'accrochage améliorant l'adhérence d'une couche plus épaisse, par exemple en platine, déposée sur la couche mince.

[0019] Le revêtement métallique 31 peut couvrir entièrement la surface de l'âme élastique 30, ou peut la couvrir partiellement. Dans le second cas, le revêtement métallique 31 est formé au moins sur une ou plusieurs portions de l'âme élastique 30 où les contraintes sont les plus élevées lorsque le ressort horloger est déformé en utilisation normale (c'est-à-dire dans les conditions d'utilisation pour lesquelles il est prévu). Typiquement, cette ou ces portions de contraintes maximales sont des portions de jonction de l'âme élastique 30 à une ou des parties rigides du ressort horloger. Dans l'exemple de la figure 2, l'âme élastique comprend une seule portion de contraintes maximales, située dans la zone du point P et assurant la jonction de l'âme élastique avec la base rigide 23. Dans le cas de ressorts dont la section transversale de l'âme élastique varie sensiblement, la ou les portions de contraintes maximales peuvent être éloignées du ou des points d'encastrement et être par exemple situées au milieu de l'âme élastique.

[0020] De préférence, le revêtement métallique 31 entoure complètement l'âme élastique 30 au niveau de la ou des portions de contraintes maximales, comme cela est illustré à la figure 3. Le revêtement métallique 31 peut néanmoins être présent uniquement sur les flancs 32, ou sur l'un des flancs 32, de l'âme élastique 30 au niveau de cette ou ces portions de contraintes maximales.

[0021] Un dépôt localisé du revêtement métallique 31 sur l'âme élastique 30, en particulier un dépôt localisé uniquement sur la ou les portions de contraintes maximales, peut être obtenu de manière connue en soi au moyen d'un masque ou d'un pochoir. Un tel dépôt localisé est utile lorsque le revêtement métallique 31 n'est pas souhaité à d'autres endroits pour des raisons esthétiques (couleur) ou tribologiques, par exemple.

[0022] Dans une variante, le revêtement métallique 31 peut couvrir tout le ressort, partie(s) rigide(s) comprise(s).

[0023] Le revêtement métallique 31 peut être déposé immédiatement après la gravure de l'âme élastique 30 dans le substrat ou après un ou des traitements appliqués à l'âme élastique 30.

[0024] En plus du revêtement métallique 31, le ressort horloger selon l'invention peut comprendre un ou des revêtements supplémentaires, par exemple un revêtement extérieur ou un revêtement intermédiaire. Le parylène peut constituer le matériau d'un de ces revêtements.

[0025] Dans le but de tester l'invention, des éprouvettes de flexion ont été gravées par DRIE dans un même substrat de silicium, puis on a soumis ces éprouvettes à deux séquences d'oxydation-désoxydation selon le principe décrit dans la demande de brevet WO 2021/186332, à savoir une première oxydation thermique suivie d'une désoxydation pour retirer une épaisseur de 1 µm sur toute la surface des éprouvettes, puis une deuxième oxydation thermique suivie d'une désoxydation pour retirer une épaisseur supplémentaire de 1 µm sur toute la surface des éprouvettes. Ce traitement a permis de lisser les surfaces, en d'autres termes de réduire leurs défauts, y compris ceux de la maille cristalline dus à la gravure DRIE, donc d'améliorer déjà la résistance mécanique des éprouvettes. Après ce traitement, quatre lots ont été constitués : – lot 1 : des éprouvettes ayant subi uniquement ce traitement de lissage ; – lot 2 : des éprouvettes ayant subi, en plus du traitement de lissage, un traitement ALD pour les couvrir d'une couche de platine de 50 nm d'épaisseur ; – lot 3 : des éprouvettes ayant subi, en plus du traitement de lissage, un traitement ALD pour les couvrir d'une couche de platine de 80 nm d'épaisseur ; – lot 4 : des éprouvettes ayant subi, en plus du traitement de lissage, un traitement PVD pour les couvrir d'une couche d'accrochage en titane d'épaisseur 7 nm et pour couvrir la couche de titane d'une deuxième couche, en platine, de 80 nm d'épaisseur.

[0026] Les résultats de contrainte à la rupture pour chacun de ces lots sont présentés dans le graphique de la figure 4, où les boîtes rectangulaires représentent 50% des pièces, les deux segments verticaux de part et d'autre de chaque boîte représentent chacun 25% des pièces, le trait horizontal à l'intérieur de chaque boîte représente la valeur médiane et le point représente la valeur moyenne. On constate que le dépôt d'une couche métallique améliore encore la résistance mécanique, et que la contrainte à la rupture la plus basse dans les lots 3 et 4 est particulièrement élevée, étant bien supérieure à 3 GPa.

[0027] L'amélioration de la résistance mécanique obtenue par la présente invention permet de réduire la longueur/encombrement de ressorts horlogers ou d'augmenter leur capacité de stockage d'énergie. Le bilan thermique du processus de fabrication des ressorts est très peu affecté par le dépôt du revêtement métallique, puisque les traitements PVD et ALD, par exemple, s'effectuent à des températures inférieures à 100°C, voire inférieures à 80°C, à comparer aux températures de 800°C à 1200°C d'une oxydation thermique. L'invention est particulièrement avantageuse dans le cas du silicium polycristallin, qui résiste moins bien aux hautes températures que les autres formes de silicium.

[0028] Le ressort horloger selon l'invention peut être une pièce à part entière ou être monobloc avec le composant (marteau, levier, bascule, etc.) sur lequel il agit ou encore être monobloc avec un autre ressort ayant une fonction différente ou agissant sur un autre composant.

Claims (14)

1. Ressort horloger, à savoir ressort moteur (10), ressort de marteau (20), ressort de levier, ressort de bascule, ressort de râteau, ressort de cliquet, ressort sautoir ou ressort de tirette, comprenant une âme élastique (30) à base de silicium couverte d'un revêtement métallique (31), le revêtement métallique (31) étant présent au moins sur une ou des portions de l'âme élastique (30) où les contraintes sont les plus élevées lorsque le ressort horloger est déformé en utilisation normale, afin d'augmenter la résistance mécanique du ressort horloger.

2. Ressort horloger selon la revendication 1, caractérisé en ce que la ou chaque dite portion où les contraintes sont les plus élevées est une portion de jonction de l'âme élastique (30) à une partie rigide (23) du ressort horloger.

3. Ressort horloger selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le revêtement métallique (31) est présent au moins sur un flanc (32) de l'âme élastique (30) au niveau de la ou des dites portions où les contraintes sont les plus élevées.

4. Ressort horloger selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le revêtement métallique (31) entoure complètement l'âme élastique (30) au moins au niveau de la ou des dites portions où les contraintes sont les plus élevées.

5. Ressort horloger selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le revêtement métallique (31) est présent sur toute la surface de l'âme élastique (30).

6. Ressort horloger selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le revêtement métallique (31) est présent uniquement sur la ou les dites portions de l'âme élastique (30) où les contraintes sont les plus élevées.

7. Ressort horloger selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'épaisseur (e) du revêtement métallique (31) est d'au moins 20 nm, de préférence d'au moins 25 nm, de préférence d'au moins 30 nm, de préférence d'au moins 35 nm, de préférence d'au moins 40 nm, de préférence d'au moins 45 nm, de préférence d'au moins 50 nm, de préférence d'au moins 55 nm, de préférence d'au moins 60 nm, de préférence d'au moins 65 nm, de préférence d'au moins 70 nm, de préférence d'au moins 75 nm.

8. Ressort horloger selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le revêtement métallique (31) comprend au moins l'un des métaux suivants : platine, or, cuivre, titane, chrome, tantale, nickel, aluminium, molybdène, tungstène, zinc, palladium, argent, étain, plomb, iridium, bismuth, alliage d'un ou plusieurs de ces métaux.

9. Ressort horloger selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'âme élastique (30) comprend du silicium polycristallin.

10. Pièce d'horlogerie comprenant un ressort horloger selon l'une des revendications 1 à 9.

11. Pièce d'horlogerie selon la revendication 10, caractérisée en ce que le ressort horloger reçoit en fonctionnement normal des contraintes supérieures à 2,5 GPa, de préférence supérieures à 3 GPa.

12. Procédé de fabrication d'un ressort horloger, à savoir d'un ressort moteur (10), d'un ressort de marteau (20), d'un ressort de levier, d'un ressort de bascule, d'un ressort de râteau, d'un ressort de cliquet, d'un ressort sautoir ou d'un ressort de tirette, comprenant une étape consistant à réaliser une âme élastique (30) à base de silicium et une étape consistant à couvrir l'âme élastique (30) d'un revêtement métallique (31) de sorte que le revêtement métallique (31) soit présent au moins sur une ou des portions de l'âme élastique (30) où les contraintes seront les plus élevées lorsque le ressort horloger sera déformé en utilisation normale, afin d'augmenter la résistance mécanique du ressort horloger.

13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'étape consistant à couvrir l'âme élastique (30) d'un revêtement métallique (31) comprend une opération de ALD.

14. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'étape consistant à couvrir l'âme élastique (30) d'un revêtement métallique (31) comprend une opération de PVD.