EP3557333A1 - Procede de fabrication d'un ressort moteur d'horlogerie - Google Patents

Procede de fabrication d'un ressort moteur d'horlogerie Download PDF

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EP3557333A1 EP18167501.8A EP18167501A EP3557333A1 EP 3557333 A1 EP3557333 A1 EP 3557333A1 EP 18167501 A EP18167501 A EP 18167501A EP 3557333 A1 EP3557333 A1 EP 3557333A1
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Frédéric Maier
Jean-Luc Bucaille
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Patek Philippe SA Geneve
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    • G04B21/06—Details of striking mechanisms, e.g. hammer, fan governor

Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing a motor spring for a timepiece.
  • Spring motor means any spring, other than a spring exerting a simple return function, capable of storing energy to power the operation of a mechanism.
  • a typical example of a mainspring is the mainspring.
  • the mainspring provides the energy to maintain the oscillator of the watch.
  • the barrel spring is housed in a barrel drum and provides its energy through a system of wheels and gears that meshes with the barrel drum.
  • the space available for storing energy namely the volume of the barrel drum, is limited, especially in wristwatches, all the more so when the watch is fine. From this available space depends the amount of energy stored. This amount of energy is used to ensure a certain duration of the watch.
  • the accuracy of the step is determined by the frequency and inertia of the oscillator. An oscillator with high frequency and high inertia will have a very good accuracy of operation but will require a consequent energy supply, which can penalize the duration of operation. A compromise must therefore be made between the running time and the accuracy of the oscillator.
  • the amount of energy stored is also related to the material in which the barrel spring is made.
  • Nivaflex® a Co, Ni, Cr and Fe-based alloy developed by Vacuumschmelze GmbH & Co. KG.
  • This alloy has the notable advantage of having a very high elastic limit of about 3.7 GPa, given by hardening and heat treatments, while retaining some ductility.
  • Some improvements (Nivaflex Plus, patent application DE 102009014442 ) or alternative materials (Bioflex®, patent CH 704471 ) are now proposed, but without allowing a significant gain in mechanical properties and the amount of energy stored.
  • metal glass barrel springs (patents CH 698962 and CH 704391 ) or a composite material comprising a support portion of a metallic material or a metalloid such as carbon, silicon or germanium, this support portion being covered by a second portion, diamond, withstand the main constraints deformation (patent CH 706020 of the plaintiff).
  • Silicon is a material that is increasingly used in watchmaking and has many advantages. However, its elastic limit and the ratio of its elastic limit squared on its modulus of elasticity ( ⁇ 2 / E) are too low to store enough energy to power the operation of a watch movement. That's why in the patent CH 706020 it is associated with diamond, but without this in practice gives complete satisfaction in terms of mechanical strength.
  • the present invention aims to overcome these disadvantages, at least in part, and proposes for this purpose a method according to claim 1 or claim 2.
  • a first step consists in etching in a silicon wafer, preferably by deep reactive ion etching (DRIE), a part having the desired shape, typically spiral, and substantially the desired dimensions of the mainspring.
  • DRIE deep reactive ion etching
  • the silicon may be monocrystalline, polycrystalline or amorphous. If it is monocrystalline, its crystalline orientation is preferably ⁇ 111 ⁇ so that its Young's modulus is isotropic. Polycrystalline silicon is preferred over silicon monocrystalline for its isotropy and greater mechanical strength.
  • the silicon used in the invention may also be doped or not.
  • a second step of the process consists in thermally oxidizing the part, typically at a temperature of between 600 ° C. and 1300 ° C., preferably between 800 ° C. and 1200 ° C., so as to cover it with a layer of silicon (SiO 2 ).
  • This silicon oxide layer is formed by consuming silicon, which makes the interface between the silicon and the silicon oxide back down and attenuates the surface defects of the silicon.
  • the silicon oxide layer is removed, for example by wet etching, vapor phase etching or dry etching.
  • the annealing treatment described in the patent application is applied to the part CH 702431 which is incorporated herein by reference.
  • This annealing treatment ("thermal annealing" in English) is carried out in a reducing atmosphere, preferably at a pressure strictly greater than 100 Torr and less than or equal to atmospheric pressure (760 Torr), but which may be of the order atmospheric pressure, and preferably at a temperature of between 800 ° C and 1300 ° C.
  • the duration of the annealing treatment can be from a few minutes to several hours.
  • the reducing atmosphere may consist mainly or entirely of hydrogen. It can also include argon or any other neutral gas.
  • the combination of the second, third and fourth stages gives the part remarkable mechanical properties for a mainspring. Chips and other defects likely to create break primers are greatly reduced or eliminated. The roughness of the surfaces is smoothed. The ripples created by the DRIE engraving on the flanks of the room are attenuated or suppressed. The edges are rounded, which decreases the stress concentrations. The limit at break of the silicon, corresponding to its elastic limit, is increased.
  • a silicon oxide (SiO 2 ) layer is formed on the part to increase its mechanical strength.
  • This layer of silicon oxide may be formed by thermal oxidation, in the same way as in the second step, or by deposition, in particular chemical or physical vapor deposition (CVD, PVD). It is preferably formed over all or almost the entire surface of the piece. Its thickness is for example a few micrometers.
  • said part is part of a batch of parts made in the same silicon wafer.
  • the part and the other parts of the batch are detached from the wafer.
  • the method according to the invention thanks to the surface treatments described above, makes it possible to obtain motor springs reaching elastic limits in flexion greater than 3 GPa and possibly even up to 6 GPa.
  • the energy storage capacity ( ⁇ 2 / E) is increased.
  • the motor spring (s) obtained according to the process according to the invention may comprise parts that perform additional functions with respect to the storage and the restitution of energy, for example parts serving as a plug or flange as described in the patent CH 705368 .
  • the fourth step is carried out before the second step (thermal oxidation).

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Abstract

Le procédé de fabrication d'un ressort moteur d'horlogerie selon l'invention comprend les étapes suivantes : réaliser en silicium une pièce ayant la forme souhaitée du ressort moteur ; oxyder thermiquement la pièce ; désoxyder la pièce ; effectuer un recuit de la pièce dans une atmosphère réductrice ; former une couche d'oxyde de silicium sur la pièce.

Description

  • La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un ressort moteur pour pièce d'horlogerie.
  • Par ressort moteur on entend tout ressort, autre qu'un ressort exerçant une simple fonction de rappel, capable d'emmagasiner de l'énergie pour alimenter le fonctionnement d'un mécanisme. Un exemple typique de ressort moteur est le ressort de barillet.
  • Dans l'horlogerie mécanique, le ressort de barillet apporte l'énergie permettant d'entretenir l'oscillateur de la montre. Le ressort de barillet est logé dans un tambour de barillet et fournit son énergie par l'intermédiaire d'un système de roues et pignons qui engrène avec le tambour de barillet. La place disponible pour stocker l'énergie, à savoir le volume du tambour de barillet, est limitée, surtout dans les montres-bracelets, ceci d'autant plus lorsque la montre est fine. De cette place disponible dépend la quantité d'énergie emmagasinable. Cette quantité d'énergie est utilisée pour garantir une certaine durée de marche de la montre. La précision de la marche est, elle, déterminée par la fréquence et l'inertie de l'oscillateur. Un oscillateur à haute fréquence et haute inertie aura une très bonne précision de marche mais nécessitera un apport d'énergie conséquent, ce qui peut pénaliser la durée de marche. Un compromis doit donc être opéré entre la durée de marche et la précision de l'oscillateur.
  • La quantité d'énergie emmagasinable est aussi liée au matériau dans lequel on fabrique le ressort de barillet. Depuis plusieurs années, des fabricants utilisent le Nivaflex®, un alliage à base de Co, Ni, Cr et Fe développé par la société Vacuumschmelze GmbH & Co. KG. Cet alliage a pour avantage notable de présenter une très haute limite élastique, d'environ 3,7 GPa, donnée par l'écrouissage et les traitements thermiques, tout en conservant une part de ductilité. Quelques améliorations (Nivaflex Plus, demande de brevet DE 102009014442 ) ou matériaux alternatifs (Bioflex®, brevet CH 704471 ) sont maintenant proposés, mais sans permettre un gain significatif des propriétés mécaniques et de la quantité d'énergie stockée. Il est également proposé de réaliser des ressorts de barillet en verre métallique (brevets CH 698962 et CH 704391 ) ou en un matériau composite comprenant une portion de support en un matériau métallique ou en un métalloïde tel que le carbone, le silicium ou le germanium, cette portion de support étant recouverte par une deuxième portion, en diamant, supportant l'essentiel des contraintes de déformation (brevet CH 706020 de la demanderesse).
  • Le silicium est un matériau de plus en plus utilisé dans l'horlogerie et qui présente de nombreux avantages. Cependant, sa limite élastique et le rapport de sa limite élastique au carré sur son module d'élasticité (σ2/E) sont trop bas pour pouvoir emmagasiner suffisamment d'énergie pour alimenter le fonctionnement d'un mouvement horloger. C'est pourquoi, dans le brevet CH 706020 , on l'associe avec du diamant, mais sans que cela donne en pratique entière satisfaction en termes de résistance mécanique.
  • La présente invention vise à remédier à ces inconvénients, au moins en partie, et propose à cette fin un procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2.
  • Un mode de réalisation particulier du procédé de fabrication d'un ressort moteur d'horlogerie, de préférence un ressort de barillet, selon l'invention va maintenant être décrit.
  • Une première étape consiste à graver dans une plaquette de silicium, de préférence par gravure ionique réactive profonde (DRIE), une pièce ayant la forme souhaitée, typiquement en spirale, et sensiblement les dimensions souhaitées du ressort moteur.
  • Le silicium peut être monocristallin, polycristallin ou amorphe. S'il est monocristallin, son orientation cristalline est de préférence {111} pour que son module de Young soit isotrope. Le silicium polycristallin est préféré au silicium monocristallin pour son isotropie et sa plus grande résistance mécanique. Le silicium utilisé dans l'invention peut en outre être dopé ou non.
  • Une deuxième étape du procédé consiste à oxyder thermiquement la pièce, typiquement à une température comprise entre 600°C et 1300°C, de préférence entre 800°C et 1200°C, de manière à la recouvrir d'une couche d'oxyde de silicium (SiO2). Cette couche d'oxyde de silicium se forme en consommant du silicium, ce qui fait reculer l'interface entre le silicium et l'oxyde de silicium et atténue les défauts de surface du silicium.
  • A une troisième étape, la couche d'oxyde de silicium est éliminée, par exemple par gravure humide, gravure en phase vapeur ou gravure sèche.
  • A une quatrième étape, on applique à la pièce le traitement de recuit décrit dans la demande de brevet CH 702431 , qui est incorporée dans la présente demande par renvoi. Ce traitement de recuit (« thermal annealing » en anglais) est effectué dans une atmosphère réductrice, de préférence à une pression strictement supérieure à 100 Torr et inférieure ou égale à la pression atmosphérique (760 Torr), mais qui peut être de l'ordre de la pression atmosphérique, et de préférence à une température comprise entre 800°C et 1300°C. La durée du traitement de recuit peut être de quelques minutes à plusieurs heures. L'atmosphère réductrice peut être constituée principalement ou totalement d'hydrogène. Elle peut comprendre aussi de l'argon ou tout autre gaz neutre.
  • La combinaison des deuxième, troisième et quatrième étapes (oxydation, désoxydation et recuit) confère à la pièce des propriétés mécaniques remarquables pour un ressort moteur. Les ébréchures et autres défauts susceptibles de créer des amorces de rupture sont fortement réduits voire supprimés. La rugosité des surfaces est lissée. Les vaguelettes que crée la gravure DRIE sur les flancs de la pièce sont atténuées voire supprimées. Les arêtes sont arrondies, ce qui diminue les concentrations de contraintes. La limite à la rupture du silicium, correspondant à sa limite élastique, est augmentée.
  • A une cinquième étape du procédé, on forme sur la pièce une couche d'oxyde de silicium (SiO2) permettant d'augmenter sa résistance mécanique. Cette couche d'oxyde de silicium peut être formée par oxydation thermique, de la même manière qu'à la deuxième étape, ou par dépôt, notamment dépôt chimique ou physique en phase vapeur (CVD, PVD). Elle est de préférence formée sur toute ou presque toute la surface de la pièce. Son épaisseur est par exemple de quelques micromètres.
  • Typiquement, ladite pièce fait partie d'un lot de pièces réalisées dans une même plaquette de silicium. A une dernière étape du procédé, la pièce et les autres pièces du lot sont détachées de la plaquette.
  • Le procédé selon l'invention, grâce aux traitements de surface décrits ci-dessus, permet l'obtention de ressorts moteurs atteignant des limites élastiques en flexion supérieures à 3 GPa et pouvant même aller jusqu'à 6 GPa. La capacité de stockage d'énergie (σ2/E) est augmentée.
  • Le(s) ressort(s) moteur(s) obtenu(s) selon le procédé selon l'invention peut(peuvent) comprendre des parties remplissant des fonctions supplémentaires par rapport au stockage et à la restitution d'énergie, par exemple des parties servant de bonde ou de bride comme décrit dans le brevet CH 705368 .
  • Dans une variante de l'invention, la quatrième étape (recuit) est mise en oeuvre avant la deuxième étape (oxydation thermique).

Claims (13)

  1. Procédé de fabrication d'un ressort moteur d'horlogerie comprenant les étapes suivantes :
    a) réaliser en silicium une pièce ayant la forme souhaitée du ressort moteur,
    b) oxyder thermiquement la pièce,
    c) désoxyder la pièce,
    d) effectuer un recuit de la pièce dans une atmosphère réductrice,
    e) former une couche d'oxyde de silicium sur la pièce.
  2. Procédé de fabrication d'un ressort moteur d'horlogerie comprenant les étapes suivantes :
    a) réaliser en silicium une pièce ayant la forme souhaitée du ressort moteur,
    b) effectuer un recuit de la pièce dans une atmosphère réductrice,
    c) oxyder thermiquement la pièce,
    d) désoxyder la pièce,
    e) former une couche d'oxyde de silicium sur la pièce.
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'étape a) comprend une opération de gravure, de préférence une opération de gravure ionique réactive profonde.
  4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel l'étape d'oxydation thermique est effectuée à une température comprise entre 600°C et 1300°C, de préférence entre 800°C et 1200°C.
  5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel l'étape de désoxydation comprend une opération de gravure, de préférence une opération de gravure humide, de gravure en phase vapeur ou de gravure sèche.
  6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel l'étape de recuit est effectuée à une pression strictement supérieure à 100 Torr.
  7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel l'étape de recuit est effectuée à une pression inférieure ou égale à la pression atmosphérique.
  8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel l'étape de recuit est effectuée à une température comprise entre 800°C et 1300°C.
  9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel ladite atmosphère réductrice comprend de l'hydrogène.
  10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel ladite atmosphère réductrice comprend également un gaz neutre, par exemple de l'argon.
  11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel l'étape e) est effectuée par oxydation thermique.
  12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11, dans lequel le silicium est monocristallin ou polycristallin.
  13. Procédé selon l'une des revendications 1 à 12, dans lequel le ressort moteur est un ressort de barillet.
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