EP1837722B1 - Pièce de micro-mécanique en matériau isolant et son procédé de fabrication - Google Patents

Pièce de micro-mécanique en matériau isolant et son procédé de fabrication Download PDF

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EP1837722B1
EP1837722B1 EP07104385.5A EP07104385A EP1837722B1 EP 1837722 B1 EP1837722 B1 EP 1837722B1 EP 07104385 A EP07104385 A EP 07104385A EP 1837722 B1 EP1837722 B1 EP 1837722B1
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silicon
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Thierry Conus
Marc Lippuner
Philippe Marmy
Benjamin Krähenbühl
Michael Reber
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    • G04B—MECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
    • G04B17/00—Mechanisms for stabilising frequency
    • G04B17/04—Oscillators acting by spring tension
    • G04B17/06—Oscillators with hairsprings, e.g. balance
    • G04B17/063—Balance construction
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    • G04B17/00—Mechanisms for stabilising frequency
    • G04B17/04—Oscillators acting by spring tension
    • G04B17/06—Oscillators with hairsprings, e.g. balance
    • G04B17/066—Manufacture of the spiral spring

Definitions

  • the present invention relates to a micro-mechanical part made of an insulating material, and more particularly to a fixed or mobile part of a watch movement whose proximity to other parts does not disturb the operation of a moving part, directly, or indirectly by the attraction of particles.
  • Insulating materials such as silicon and its compounds, quartz, diamond, glass, ceramics or others are increasingly used to make micro-mechanical parts, whether fixed parts , such as plates or bridges, or moving parts for example part of the drive train, or the control system such as the balance spring, balance or exhaust.
  • the document EP 1 422 436 discloses the manufacture of a spiral spring from the cutting of a monocrystalline silicon plate.
  • the coil spring has a silicon oxide coating to minimize thermal drift.
  • the document EP 1 482 282 discloses an electronic movement with a display means detecting means for automatically correcting undue movements of the display means.
  • the present invention therefore aims to provide a solution to the problem mentioned above by providing a fixed or mobile micro-mechanical part made of an insulating material whose surface treatment avoids the risk of bonding.
  • the invention relates to a micro-mechanical part made of an insulating material, such as silicon, and its compounds, diamond, glass, ceramic or other, all or part of its surface is coated with a thin deposit of an electrically conductive material such as a layer of a metallic material or a conductive non-metallic material.
  • the conductive deposit preferably has a thickness of less than 50 nm. This very thin deposit invisible to the naked eye, but detectable by the current means of analysis eliminates the risk of attraction and bonding by a neighboring room, this attraction may be due to may be due to friction or tension that can create electrostatic charges in the room.
  • This deposit may be performed on a piece of insulating material monoblock or composite, that is to say, at least the outer surface is of insulating material.
  • the stainless and amagnetic metals such as gold, platinum, rhodium and palladium are preferably chosen.
  • non-metallic conductive materials one will preferably choose one of the group comprising graphite, carbon, doped silicon, and conductive polymers. These metals can be deposited by known methods making it possible to control the thickness by adjusting the operating conditions, for example by sputtering, PVD, doping, ion implantation or by an electrolytic process. The same techniques can be used to deposit conductive non-metallic materials.
  • said micro-mechanical part is a part of the kinematic chain of a watch movement, such as a hairspring, an anchor, an escape wheel or a toothed wheel, or any which other fixed part may for example be the bearing of the axis of a mobile.
  • a hairspring which is the most sensitive part of a watch movement.
  • the invention also relates to a timepiece incorporating such a micro-mechanical part.
  • the invention will be more particularly illustrated by a sprung balance adjusting device shown in FIG. figure 1 , in which the spiral 1 is made, for example, of silicon, by adapting the micro-machining processes used in the manufacture of integrated circuits or accelerometers from a silicon wafer or other amorphous or crystalline insulating material.
  • wet chemical etching, plasma dry machining or reactive ion etching (RIE) can be carried out using masks appropriate to the desired contour for the hairspring.
  • the same silicon wafer makes it possible to manufacture a batch of spirals whose characteristics are determined by the thickness of the wafer and the shape of the masks, said characteristics being calculated for operation of the spiral in a plane.
  • the turns 11 deviate from their normal position shown in dotted lines by being attracted by the cock 9 and can even stick to it, which obviously disturbs the normal walking, that is to say to say a march having only movements of extension / contraction in a plane.
  • the material used is preferably a stainless and non-magnetic metal such as gold, platinum, rhodium, palladium, when it is a metallic conductive material.
  • This deposition can be carried out by means of various known methods, such as sputtering, PVD deposition, ion implantation or electroplating.
  • a gold deposit of 15 nm has been carried out by "sputtering", that is to say by performing a cathodic sputtering under vacuum, with a gold target, by applying a current of 60 mA for 15 seconds.
  • a non-metallic conductive material When a non-metallic conductive material is deposited, it will preferably be chosen from the group comprising graphite, carbon, doped silicon, and conducting polymers and deposition techniques and thicknesses as mentioned above will be used.
  • a silicon spiral has just been described, but other non-conductive amorphous or crystalline materials may also be used, as indicated above, and be treated with a surface metallization avoiding the risk of attraction or sticking.
  • a composite material to produce for example a hairspring having a silicon core and a thick coating of silicon dioxide on which the deposition of conductive material of small thickness will be performed.
  • a “composite material” may also include a metal core embedded in an insulating material.

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Description

    Domaine technique
  • La présente invention concerne une pièce de micro-mécanique réalisée en un matériau isolant, et plus particulièrement une pièce fixe ou mobile d'un mouvement horloger dont la proximité d'autres pièces ne perturbe pas le fonctionnement d'une pièce mobile, directement, ou indirectement par l'attraction de particules.
    • Arrière plan technologique
  • Les matériaux isolants, tels que le silicium et ses composés, le quartz, le diamant, le verre, la céramique ou autres sont de plus en plus utilisés pour réaliser des pièces de micro-mécanique horlogère, qu'il s'agisse de pièces fixes, telles que des platines ou des ponts, ou de pièces mobiles faisant par exemple partie de la chaîne cinématique, ou du système réglant telles que le spiral, le balancier ou l'échappement.
  • On a observé, en particulier sur un spiral totalement isolé des autres pièces par exemple par pitonnage et collage au moyen d'une colle non conductrice, que l'emploi du silicium avait un inconvénient. En effet au bout d'un certain temps de fonctionnement, un certain nombre de spires situées entre la courbe à l'extérieur et la courbe à l'intérieur du spiral a tendance à venir se coller au coq, ce qui nuit forcément à l'isochronisme du système réglant. Le même phénomène pourrait être observé avec d'autres pièces réalisées en silicium ou en un autre matériau isolant, ce qui aurait également au final un effet néfaste sur l'isochronisme.
  • Le document EP 1 422 436 divulgue la fabrication d'un ressort-spiral à partir du découpage d'une plaque en silicium monocristallin. Le ressort-spiral comporte un revêtement en oxyde de silicium afin de minimiser sa dérive thermique.
  • Le document US 2002/171150 divulgue la fabrication d'une structure mobile en silicium dont des faces sont revêtues de siliciure métallique afin de limiter l'influence induite par des charges électrostatiques.
  • Le document US 2002/0060954 divulgue un mouvement électronique dont la génératrice est freinée magnétiquement par une référence temporelle à quartz.
  • Le document EP 1 482 282 divulgue un mouvement électronique avec un dispositif de détection des moyens d'affichage afin de corriger automatiquement des déplacements indus des moyens d'affichage.
    • Résumé de l'invention
  • La présente invention vise donc à apporter une solution au problème évoqué ci-dessus en procurant une pièce de micro-mécanique fixe ou mobile réalisée en un matériau isolant dont un traitement de surface permet d'éviter le risque de collage.
  • A cet effet l'invention a pour objet une pièce de micro-mécanique réalisée en un matériau isolant, tel que le silicium, et ses composés, le diamant, le verre, la céramique ou autres, dont tout ou une partie de sa surface est revêtue d'un mince dépôt d'un matériau conducteur électrique tel qu'une couche d'un matériau métallique ou d'un matériau non métallique conducteur. Le dépôt conducteur présente de préférence une épaisseur inférieure à 50 nm. Ce très mince dépôt invisible à l'oeil nu, mais décelable par les moyens d'analyse actuels permet de supprimer les risques d'attraction et de collage par une pièce voisine, cette attraction pouvant être due à des pouvant être due à des frottements ou des tensions susceptible de créer dans la pièce des charges électrostatiques.
  • Ce dépôt peut être effectué sur une pièce en matériau isolant monobloc ou composite, c'est-à-dire dont au moins la surface extérieure est en matériau isolant.
  • Parmi les matériaux permettant d'atteindre le but sus-indiqué on choisit de préférence les métaux inoxydables et amagnétiques tels que l'or, le platine, le rhodium, le palladium.
  • Parmi les matériaux conducteurs non métalliques on choisira de préférence un matériau parmi l'ensemble comprenant le graphite, le carbone, le silicium dopé, et les polymères conducteurs.
    Ces métaux peuvent être déposés par des procédés connus permettant de contrôler l'épaisseur en ajustant les conditions opératoires, par exemple par sputtering, PVD, dopage, implantation ionique ou par un procédé électrolytique. Les mêmes techniques pourront être utilisées pour déposer les matériaux non métalliques conducteurs.
  • Dans un mode d'application préféré, ladite pièce de micro-mécanique est une pièce de la chaîne cinématique d'un mouvement horloger, telle qu'un spiral, une ancre, une roue d'échappement ou une roue dentée, ou n'importe quelle autre pièce fixe pouvant par exemple constituer le palier de l'axe d'un mobile. Dans la description détaillée qui va suivre, l'invention sera plus particulièrement illustrée par un spiral qui est la pièce la plus sensible d'un mouvement horloger.
  • L'invention concerne également une pièce d'horlogerie intégrant une telle pièce de micro-mécanique.
    • Brève description des dessins
  • D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement dans la description qui suit d'un exemple de réalisation, donné à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
    • la figure 1 représente en vue de dessus partiellement arrachée un balancier-spiral pourvu d'un spiral traité selon l'invention, et
    • la figure 2 est une représentation en coupe selon la ligne II-II de la figure 1, avec représentation de la partie arrachée.
    Description détaillée de l'invention
  • L'invention sera plus particulièrement illustrée par un dispositif réglant balancier-spiral représenté à la figure 1, dans lequel le spiral 1 est réalisé, à titre d'exemple, en silicium, en adaptant les procédés de micro-usinage employés dans la fabrication de circuits intégrés ou d'accéléromètres à partir d'une plaquette de silicium ou de tout autre matériau isolant amorphe ou cristallin. On peut par exemple effectuer une attaque chimique par voie humide, un usinage à sec par plasma ou une gravure ionique réactive (RIE) en utilisant des masques appropriés au contour souhaité pour le spiral.
  • Compte tenu des petites dimensions, une même plaquette de silicium permet de fabriquer un lot de spiraux dont les caractéristiques sont déterminées par l'épaisseur de la plaquette et la forme des masques, lesdites caractéristiques étant calculées pour un fonctionnement du spiral dans un plan.
  • En se référant maintenant à la figure 2, dont la représentation en coupe est limitée au spiral 1 et au coq 9, on a représenté dans la partie gauche le comportement des spires 11 au bout d'un certain temps de fonctionnement lorsque le spiral 1 n'a subi aucun traitement. Comme on peut le voir, les spires 11 s'écartent de leur position normale représentée en pointillés en étant attirées par le coq 9 et peuvent même venir coller à celui-ci, ce qui perturbe évidemment la marche normale, c'est-à-dire une marche n'ayant que des mouvements d'extension/contraction dans un plan.
  • Dans la partie droite on a représenté le spiral 1 après traitement, la ligne en pointillés représentant la position qu'occuperaient les spires 11 en absence de traitement. Comme on le voit le spiral reste parfaitement dans un plan. On s'est en effet aperçu de façon surprenante qu'en effectuant un traitement consistant en un très faible dépôt d'un matériau conducteur électrique tel qu'un matériau métallique sur tout ou partie de la surface des spires, on annihilait l'effet néfaste précédemment décrit, sans pour autant modifier les propriétés mécaniques intrinsèques du spiral. Par "très faible dépôt", on entend un dépôt ayant une épaisseur inférieure à 50 nm de préférence comprise entre 10 et 20nm. Lorsque le dépôt est inférieur à 50 nm, les propriétés mécaniques intrinsèques de la pièce ne sont pas modifiées et le dépôt est invisible à l'oeil nu, mais néanmoins décelable par les techniques actuelles d'analyse. Le matériau utilisé est de préférence un métal inoxydable et amagnétique tel que l'or, le platine, le rhodium, le palladium, lorsqu'il s'agit d'un matériau conducteur métallique. Ce dépôt peut être effectué au moyen de divers procédés connus, tels que le sputtering, le dépôt PVD, l'implantation ionique ou le dépôt électrolytique.
  • A titre d'exemple on a effectué un dépôt d'or de 15 nm par "sputtering", c'est-à-dire en effectuant une métallisation par pulvérisation cathodique sous vide, avec une cible en or, en appliquant un courant de 60 mA pendant 15 secondes.
  • Lorsque un matériau conducteur non métallique est déposé on le choisira de préférence parmi l'ensemble comprenant le graphite, le carbone, le silicium dopé, et les polymères conducteurs et on utilisera des techniques de dépôt et des épaisseurs comme mentionnées ci-dessus.
  • On vient de décrire un spiral en silicium, mais d'autres matériaux amorphes ou cristallins non conducteurs peuvent également être utilisés, tels qu'indiqués précédemment, et être traités avec une métallisation superficielle évitant les risques d'attraction ou de collage.
  • Il est également possible d'utiliser un matériau composite pour réaliser par exemple un spiral ayant une âme en silicium et un revêtement épais en dioxyde de silicium sur lequel sera effectué le dépôt de matériau conducteur de faible épaisseur.
  • Un "matériau composite" peut également comprendre une âme métallique noyée dans un matériau isolant.

Claims (8)

  1. Spiral réalisé en au moins un matériau isolant et destiné à être intégré dans un mouvement horloger, ledit matériau isolant comportant une âme en silicium sur laquelle est formé un revêtement de dioxyde de silicium ayant une épaisseur supérieure à 50 nm caractérisé en ce que le spiral est revêtu sur tout ou partie de sa surface d'un dépôt en un matériau électriquement conducteur.
  2. Spiral selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le matériau électriquement conducteur est un matériau métallique.
  3. Spiral selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le matériau métallique est choisi parmi l'or, le platine le rhodium et le palladium.
  4. Spiral selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau électriquement conducteur est un matériau non-métallique.
  5. Spiral selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le matériau non-métallique est choisi parmi le graphite, le carbone, le silicium dopé et les polymères conducteurs.
  6. Spiral selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dépôt de matériau électriquement conducteur a une épaisseur inférieure à 50 nm.
  7. Spiral selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dépôt de matériau électriquement conducteur a une épaisseur comprise entre 10 et 20 nm.
  8. Pièce d'horlogerie comportant un spiral selon une quelconque des revendications précédentes.
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