EP3557333B1 - Procédé de fabrication d'un ressort moteur d'horlogerie - Google Patents

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

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EP3557333B1
EP3557333B1 EP18167501.8A EP18167501A EP3557333B1 EP 3557333 B1 EP3557333 B1 EP 3557333B1 EP 18167501 A EP18167501 A EP 18167501A EP 3557333 B1 EP3557333 B1 EP 3557333B1
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mainspring
silicon
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thermally
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Sylvain Jeanneret
Frédéric Maier
Jean-Luc Bucaille
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Patek Philippe SA Geneve
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Patek Philippe SA Geneve
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    • G04F7/08—Watches or clocks with stop devices, e.g. chronograph
    • G04F7/0804—Watches or clocks with stop devices, e.g. chronograph with reset mechanisms

Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing a mainspring for a timepiece.
  • mainspring any spring, other than a spring exercising a simple return function, capable of storing energy to supply the operation of a mechanism.
  • a typical example of a mainspring is the barrel spring.
  • the barrel spring 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 pinions which mesh 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 thin.
  • the amount of energy that can be stored depends on this available space. This amount of energy is used to guarantee a certain running time of the watch.
  • the precision of the rate is determined by the frequency and the inertia of the oscillator. A high frequency and high inertia oscillator will have very good running precision but will require a significant energy input, which can penalize the running time. A compromise must therefore be made between the running time and the precision of the oscillator.
  • the amount of energy that can be stored is also related to the material from which the mainspring is made.
  • Nivaflex® an alloy based on Co, Ni, Cr and Fe developed by the company Vacuumschmelze GmbH & Co. KG. This alloy has the notable advantage of having a very high elastic limit, of about 3.7 GPa, given by work hardening and heat treatments, while retaining a part of ductility.
  • Silicon is a material increasingly used in watchmaking and which has many advantages.
  • its elastic limit and the ratio of its elastic limit squared to its modulus of elasticity ( ⁇ 2 / E) are too low to be able to store enough energy to supply the operation of a watch movement. This is why, in the patent CH 706020 , it is associated with diamond, but in practice this does not give complete satisfaction in terms of mechanical resistance.
  • the present invention aims to remedy these drawbacks, at least in part, and to this end proposes a method according to claim 1 or claim 2.
  • a first step consists in etching in a silicon wafer, preferably by deep reactive ionic etching (DRIE), a part having the desired shape, typically spiral, and substantially the desired dimensions of the mainspring.
  • DRIE deep reactive ionic etching
  • Silicon can be monocrystalline, polycrystalline or amorphous. If it is single crystal, its crystal 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 can also be doped or not.
  • a second step of the process consists in thermally oxidizing the part, typically at a temperature between 600 ° C and 1300 ° C, preferably between 800 ° C and 1200 ° C, so as to cover it with a layer of oxide.
  • silicon SiO 2
  • This silicon oxide layer is formed by consuming silicon, which pushes back the interface between silicon and silicon oxide and attenuates silicon surface defects.
  • the silicon oxide layer is removed, for example by wet etching, vapor phase etching or dry etching.
  • annealing treatment 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 between 800 ° C and 1300 ° C.
  • the duration of the annealing treatment can be from a few minutes to several hours.
  • the reducing atmosphere can consist mainly or totally 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 liable to create the initiators of rupture are greatly reduced or even eliminated. The roughness of the surfaces is smoothed out. The wavelets created by the DRIE engraving on the sides of the part are attenuated or even eliminated. The edges are rounded, which decreases the stress concentrations. The tensile strength of silicon, corresponding to its elastic limit, is increased.
  • a silicon oxide layer (SiO 2 ) is formed on the part, making it possible to increase its mechanical strength.
  • This layer of silicon oxide can 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 part. Its thickness is for example a few micrometers.
  • said part is part of a batch of parts made from the same silicon wafer.
  • the part and the other parts of the batch are detached from the wafer.
  • the process according to the invention by virtue of the surface treatments described above, makes it possible to obtain motor springs reaching elastic limits in bending greater than 3 GPa and even being able to go up to 6 GPa.
  • the energy storage capacity ( ⁇ 2 / E) is increased.
  • the motor spring (s) obtained according to the method according to the invention can (can) comprise parts fulfilling additional functions with respect to the storage and return of energy, for example parts serving as a plug or flange as described in the patent CH 705368 .
  • the fourth step is implemented before the second step (thermal oxidation).

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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 . 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 œuvre 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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