CH706020B1 - Ressort-moteur pour barillet de mouvement d'horlogerie présentant une durée de marche accrue. - Google Patents

Abstract

L’invention concerne un ressort-moteur (10) pour barillet de mouvement d’horlogerie. Selon l’invention, le ressort-moteur de barillet comporte une structure composite comprenant une première portion (11) réalisée en matériau de support, recouvert, au moins en partie, par une deuxième portion (12) réalisée en diamant. Le matériau de support de la première portion peut être un métalloïde, tel que du carbone, du silicium ou du germanium, notamment du silicium cristallin ou polycristallin. Alternativement, la première portion de support peut être en matériau métallique, notamment un métal ou un alliage à base d’éléments Fe, Ni, Co, Cr, Mn, V, Ti, Se, W, C, Si, notamment un Invar ® , un alliage Fe-Ni ou Ni-Cr ou Ni-Co, un acier dur ou mi-dur, un acier trempable ou inoxydable, un acier spécial non ou faiblement allié, du titane ou alliage à base de Ti, du tungstène ou un alliage de W.

Description

[0001] La présente invention concerne le domaine des pièces d’horlogerie, et plus précisément un ressort-moteur 1 destiné à être monté dans un barillet 2 d’un mouvement d’horlogerie pour accumuler et restituer l’énergie nécessaire à la marche et à la réserve de marche du mouvement.

[0002] Un mécanisme de montre de type connu comporte un système de remontoir, un mouvement d’horlogerie et un cadran d’indication d’heure et de minute, sous lequel se trouve un barillet 2 qui forme un boîtier cylindrique dans lequel est logé un ressort-moteur 1 qui constitue le réservoir d’énergie mécanique de la montre.

[0003] Comme représenté sur la fig. 1A, le ressort-moteur 1 est enroulé sur lui-même en spirale à l’intérieur des parois cylindriques 3 du tambour de barillet et autour d’un arbre de barillet 4 indépendant en rotation du barillet 2.

[0004] L’arbre de barillet 4 est solidaire en rotation d’une roue à rochet qui fait partie du système de remontoir. Les dents du rochet coopèrent avec un système d’encliquetage pour former un mécanisme anti-retour, si bien que le remontoir entraîne l’arbre de barillet 4 en rotation uniquement dans le sens qui permet d’enrouler et d’armer le ressort-moteur 1.

[0005] Le barillet 2 comporte un disque de fond, des parois cylindriques formant le tambour 3 du barillet, et généralement un couvercle plat. Le barillet 2 porte à sa périphérie une denture qui entraîne les rouages du mouvement d’horlogerie proprement dit (non représenté).

[0006] Les fig. 1A, 1B et 2illustrent un type bien connu de ressort-moteur 1 dans des positions armée/désarmée dans un barillet et détendu hors de celui-ci. Le ressort-moteur 1 est formé d’un ruban d’acier enroulé sur lui-même en spirale autour de l’arbre de barillet 4, auquel il est accroché par une extrémité intérieure 6 munie d’une encoche. L’autre extrémité 7, extérieure, du ressort-moteur 1 est elle-même solidaire du tambour 3 du barillet (fixation par un crochet ou de préférence par l’intermédiaire d’une bride 8). Le barillet 2 est généralement doté d’un système limitant la force d’armement, tel qu’un dispositif d’arrêtage (non représenté -limitant le nombre de tours d’armement) ou un dispositif débrayable tel qu’une lame 9 de rappel élastique du ressort-moteur 1 pour éviter sa rupture.

[0007] L’inconvénient des montres à mouvement entièrement mécanique de type existant est que leur durée de marche est limitée à un ou quelques jours. Classiquement, les rubans métalliques de ressort-moteur sont calculés pour procurer une durée d’autonomie de marche fixée de 36 à 40 heures, soit une réserve de marche de 12 à 16 h. (Par convention, la réserve est égale à la durée de marche moins 24 h).

[0008] Maintenant, certaines montres de collection sont dotées d’une durée de marche (en anglais «Power Reserve») atteignant 58 h ou 60 heures, soit deux jours et demi d’autonomie et une réserve de marche d’un jour et demi maximum.

[0009] Un objectif constant en Horlogerie a été et demeure toujours d’augmenter la durée de marche (i.e. la durée d’autonomie du mouvement, sans remontage) et par suite la réserve de marche du mouvement (i.e. ladite durée d’autonomie moins 24 heures), sans augmenter l’encombrement du ressort de barillet.

[0010] Il apparaît que la durée de marche est déterminée essentiellement par la quantité maximale d’énergie élastique Wmaxque peut accumuler le ressort-moteur de barillet.

[0011] D’évidence, la limite maximale Wmax d’énergie accumulée par un ruban métallique usuel de ressort-moteur de dimensions limitées, est déterminée par l’apparition de phénomènes de fracturation et/ou l’apparition de déformations plastiques excessives dans certaines régions de ce ruban.

[0012] Les risques d’apparition de fractures se concentrent sur la portion d’extrémité intérieure 6 de l’enroulement spiral du ruban 5 du ressort-moteur 1 qui présente un rayon ρ de courbure minimal. Ceci conduit à augmenter le diamètre de l’arbre 4 de barillet, et plus précisément son rayon de bonde Rb correspondant.

[0013] Les risques de plastification se concentrent à l’autre extrémité 7, extérieure, du ressort-moteur 1, ainsi que sur la face externe X de la lame du ruban 5, régions les plus exposées aux contraintes d’élongation.

[0014] Le besoin de stocker un maximum d’énergie dans un ressort-moteur de barillet de dimensions limitées (par conception et miniaturisation du boîtier de montre), est tel qu’il conduit à faire travailler les rubans 5 usuels de ressort-moteur 1 de barillet 2 à des contraintes excessives, proches des limites d’élasticité, sans marge de sécurité, et même au-delà, dans le domaine de déformations permanentes, choses non conventionnelles en Mécanique.

[0015] La déformation permanente est telle qu’après avoir été introduit dans le barillet 2 à l’aide d’une estrapade et après quelques cycles journaliers d’usage (armement/désarmement), le ressort 1 atteint une forme qui ne correspond plus du tout à sa forme initiale (on dit que «le ressort est rendu»). Mais surtout, le ressort rendu perd de sa force élastique. Ceci diminue les impulsions de l’échappement et l’amplitude des oscillations du balancier. Or, une trop faible amplitude du balancier est nuisible à l’isochronisme des oscillations, donc préjudiciable aux qualités chronométriques du mouvement d’horlogerie.

[0016] Pour prévenir ces phénomènes, de façon connue, on donne initialement au ruban métallique 5 d’un ressort-moteur 1, un profil de spires excessivement déroulées par estrapadage. Comme illustré sur la fig. 2, les spires du ruban métallique 5 présentent une courbure initiale dont l’augmentation du rayon ρ s’accélère; le rayon ρ de courbure tend vers l’infini (portion droite: réf. X), puis le rayon ρ s’inverse (courbure de sens opposé) et enfin décroît pour donner un enroulement spiral renversé en forme de lettre S comme schématisé sur la fig. 2ou demi-renversé en forme de moitié de lettre S (non représenté). Le profil optimal (L) dans le plan transversal des spires d’un ressort-moteur détendu 1 de type conventionnel n’est donc pas un profil uniformément recourbé en spirale régulière.

[0017] Il reste que, pour en exploiter au maximum la quantité d’énergie stockable, les ressorts-moteurs métalliques de type existant travaillent au maximum de contraintes de déformation plastique voire au-delà, ce qui a l’inconvénient de limiter leur durée de vie à quelques centaines de cycles ou un millier de cycles.

[0018] La modélisation théorique et la confrontation à des expérimentations pratiques de ressorts-moteurs ont permis d’exprimer les propriétés générales d’un ruban de ressort de barillet. On peut se reporter à l’ouvrage de Léopold Defossez «Théorie générale de l’horlogerie», Tome premier, chapitre IV «La force Motrice» ou au recueil de «Techniques de construction horlogère pour l’ingénieur», classeur «Mécanique-Théorie», ch. 2 «Energie», publié sous la direction de Michel Vermot et édité par le Centre de Compétences en Technologie et Design Horlogers.

[0019] Il apparaît notamment que: – le couple ou moment élastique délivré par un ruban de ressort-moteur est donné par la formule: M = E (h.e<3>/12.L).α où E est le coefficient d’élasticité du matériau (ou Module de Young) exprimé en unité de force par unité de section (en Newton par mètre carré ou en Pascal et leurs multiples - N/mm<2>ou MPa); h est la hauteur de l’enroulement des spires du ressort-moteur; e est l’épaisseur du ruban; L la longueur du ruban et α l’angle d’armage du ressort; – la quantité maximale d’énergie élastique Wmax que peut accumuler un ressort-ruban réalisé dans un matériau ayant un coefficient d’élasticité E (module de Young) et une contrainte limite d’élasticité σmax (en N/mm<2>) ne dépend que de son volume V et de ces paramètres d’élasticité σmax et E: Wmax = (e.h.L/6).( σmax<2>/E) = (V/6).(σmax<2>/E) La modélisation montre que, pour atteindre un développement maximum, le ressort doit occuper un volume V = e.h.L qui correspond de façon optimale à peu près à la moitié du volume disponible Vo dans le barillet, soit: V = e.h.L = Vopt = Vo/2.

[0020] L’objet de la présente est d’accroître la durée de marche et la réserve de marche d’un mouvement d’horlogerie mécanique et de réaliser un ressort-moteur de barillet présentant une énergie de marche accrue par rapport aux ressorts-moteurs constitués d’un ruban métallique de type existant, ceci sans accroître le dimensionnement du barillet ni amoindrir le moment élastique maximal (Mo).

[0021] L’objectif premier de l’invention est donc de parvenir à fabriquer un ressort-moteur dans des matériaux offrant une quantité accrue d’énergie élastique et que cette quantité maximale d’énergie corresponde à l’énergie nécessaire à la marche d’un mouvement d’horlogerie sur plusieurs jours.

[0022] Un autre objectif de l’invention est de trouver un moyen pour fabriquer un tel ressort-moteur de barillet avec une forme spécifique d’enroulement de ressort ayant en particulier un profil de courbure de spires dans leur plan, ceci si possible, selon un procédé fiable, reproductible et à moindre coût.

[0023] Parmi d’autres objectifs, il conviendrait également de chercher à éliminer les inconvénients des ressorts-rubans connus de l’état de la technique, c’est-à-dire éviter ou au moins réduire: les frottements des spires entre elles à l’intérieur du ressort; les inconvénients de la lubrification; l’apparition de déformations plastiques limitant l’énergie du ressort; la perte de moment élastique au cours du temps; le travail délicat de trempe, recuit ou revenu des rubans d’acier; le travail de finition de surface des lames de ruban de ressorts; et, fournir un ressort-moteur de barillet permettant d’améliorer sesconditions d’utilisation avec des marges de sécurité pour offrir une durée de vie élevée.

[0024] Le problème premier est donc de trouver un matériau capable de stocker une énergie accrue ou au moins équivalente face aux matériaux existants, tels que les aciers spéciaux et surtout les alliages spéciaux, notamment les alliages non-ferreux, au cobalt, nickel, chrome ou au molybdène.

[0025] A cette fin, il est prévu d’après l’invention de réaliser un ressort-moteur de barillet composé de diamant et plus précisément d’une portion réalisé par dépôt de diamant polycristallin. Cependant, il apparaît un nouveau problème: les techniques disponibles à ce jour ne permettent pas de réaliser une portion brute de diamant ayant des dimensions compatibles avec la quantité d’énergie que doit stocker un ressort-moteur de barillet et une forme adéquate d’enroulement à profil recourbé en spirale de ressort de barillet.

[0026] Succinctement, ces objectifs sont atteints selon l’invention en réalisant un ressort-moteur pour barillet ayant une structure composite: le ressort-moteur est composé d’une première portion formant une lame de support et constituant l’âme ou le squelette du ressort, cette portion de support étant réalisée de préférence en silicium cristallin ou en métal, la surface de la première portion étant complètement, ou au moins partiellement, recouverte directement d’une deuxième portion réalisée en diamant, et formant de préférence une épaisse couche de gangue en diamant polycristallin.

[0027] Selon un premier mode de réalisation avantageux, le matériau de support est du silicium, de préférence du silicium cristallin ou polycristallin ou éventuellement du germanium ou plus généralement un matériau de support semi-conducteur, notamment un métalloïde haute température (HT) ou réfractaire (i.e. résistant à des températures supérieures à T1 = 500–600 °C ou de préférence plus de T2>800 °C), tels que les éléments de la colonne IVA et des colonnes voisines du tableau conventionnel des éléments chimiques dit Tableau de Mendeleiev (IVA: C, Si, Ge,... i.e. carbone, silicium, germanium etc.).

[0028] Alternativement, dans d’autres modes de réalisation avantageux, le matériau de support est un matériau métallique, HT ou réfractaire, notamment du titane ou un alliage à base de titane ou avantageusement une variété d’Invar<®>, c’est-à-dire un alliage à base de fer et de nickel. Plus généralement, le matériau métallique de support peut être choisi parmi les familles des métaux et des alliages métalliques à base majoritairement de fer (Fe) et/ou de nickel (Ni) et/ou de cobalt (Co) et/ou de chrome (Cr) et/ou de titane (Ti) et/ou de tungstène (W) et/ou de manganèse (Mn) et/ou de carbone (C) et/ou de silicium (Si) avec présence éventuelle d’oligoéléments (<1%), et comprenant notamment les alliages à base Fe-Ni, les alliages à base Fe-Cr, les alliages Fe-Ni-Cr et Fe-Ni-Co voire les alliages Fe-Co. Dans des formes de réalisations simplifiées le support peut être en acier, spécifiquement un acier choisi parmi les aciers durs ou mi-durs, les aciers spéciaux non ou faiblement alliés et/ou les aciers trempables ou inoxydables.

[0029] De façon avantageuse, d’après la présente invention, une telle structure de ressort-moteur permet de disposer d’un squelette métallique ou de silicium formant une ébauche de forme prédéfinie d’enroulement de ressort et présentant une section transversale, donc une surface externe (surface longitudinale) appréciable à partir de laquelle on dépose et on fait croître l’épaisseur de la couche extérieure en diamant, notamment par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ou plus exactement en phase plasma, ce qui évite de tailler dans le diamant et donne finalement un ressort-moteur à structure composite présentant une section et un volume de diamant appréciables, une telle coque en diamant supportant l’essentiel des contraintes de flexion et de traction du ressort avec une contrainte maximale d’élasticité σmax bien supérieure aux aciers usuels.

[0030] L’invention est réalisée avec un ressort-moteur pour barillet de mouvement d’horlogerie selon la revendication 1.

[0031] L’invention porte également sur une pièce d’horlogerie comprenant un tel ressort-moteur, d’après la revendication 18.

[0032] L’invention prévoit également un procédé de fabrication d’un tel ressort-moteur selon la revendication 19 ou selon la revendication 26.

[0033] D’autres objectifs, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront dans la description détaillée ci-après de modes de réalisation de l’invention, faite à titre d’exemple non-limitatif, en regard des figures de dessin annexées.

[0034] Sur les planches de dessin annexées: les fig. 1A et 1B<sep>représentent un ressort-moteur constitué par un ruban d’acier en position armée et désarmée dans un barillet, selon l’état de la technique; la fig. 2<sep>montre une forme optimale renversée en S des spires, en position détendue, d’un ressort-moteur selon l’état de la technique; les fig. 3A et 3B<sep>schématisent les contraintes à l’intérieur d’un ressort-moteur sur des vues en coupe radiale et transversale des spires du ruban métallique, d’après l’état de la technique; les fig. 4A et 4B<sep>illustrent des opérations de dépôt et de taille d’une plaque de diamant pour réaliser une pièce d’horlogerie minuscule, tel qu’un résonateur-spiral, d’après l’état de la technique; la fig. 5<sep>est un diagramme de paramètres d’élasticité d’un acier à ressort conventionnel (contrainte a 1 élongation e et module de Young E); la fig. 6<sep>est un diagramme d’élasticité de matériaux inusités, du diamant et du silicium, mis en œuvre dans un ressort-moteur selon l’invention; la fig. 7<sep>est un schéma en coupe radiale d’une spire de ressort-moteur à structure composite, selon une première réalisation de l’invention; la fig. 8A<sep>est une section radiale dimensionnée d’une spire de ressort-moteur à structure composite selon une autre réalisation de l’invention; la fig. 8B<sep>est une coupe transversale dimensionnée de la structure composite d’une spire d’un ressort-moteur réalisé selon l’invention; la fig. 9<sep>est un diagramme de couple en fonction de la durée de marche, développés par un ressort en acier standard et un ressort-moteur selon l’invention; les fig. 10A à 10E<sep>schématisent des étapes de procédé de fabrication d’un ressort-moteur à structure composite selon l’invention; la fig. 11<sep>est un schéma détaillé en coupe radiale de la première portion de la structure composite d’un ressort-moteur réalisé d’après l’invention; et, les fig. 12A et 12B<sep>schématisent d’autres étapes de procédé de fabrication de ressort-moteur de barillet selon l’invention.

[0035] Le problème premier a donc été de trouver un matériau capable de stocker une énergie accrue ou au moins équivalente par rapport aux matériaux existants (dits «aciers à ressort»), tels que les aciers spéciaux et les alliages spéciaux, notamment les alliages non-ferreux, au cobalt, nickel, chrome ou au molybdène.

[0036] Les fig. 5 et 6 montrent des diagrammes d’élasticité de divers matériaux, chaque courbe W indiquant le niveau de contraintes σ appliqué à une éprouvette du matériau pour obtenir une élongation ε (ε = ΔL/L), la pente linéaire de la courbe correspondant au module d’élasticité E (ou module de Young). La fig. 5représente une courbe d’élasticité Wo pour un matériau conventionnel, tel qu’un acier à ressort utilisé pour constituer un ruban métallique de ressort-moteur de type connu. La fig. 6montre les courbes d’élasticité W1 et W2pour des matériaux inusités, tels que le diamant W2et le silicium W1, qui seront utilisés pour former la structure composite d’un ressort-moteur selon l’invention.

[0037] Il apparaît, à première vue, que le diamant a un module de Young E2 élevé (de l’ordre de cinq ou six fois le module ou la constante d’élasticité E0 de l’acier), ce qui est contre-indiqué pour la réalisation d’un ressort de barillet (cf. recueil précité T.C.H. ch. 2.1.5 «La recherche d’une valeur élevée de E se révèle parfaitement inutile [...], non seulement inutile, mais nuisible»). Le diagramme permet toutefois de s’apercevoir que le diamant supporte une limite maximale de contraintes σ2 élevée par rapport aux autres matériaux et que le domaine d’élasticité W2du diamant reste étendu (énergie élastique maximale élevée).

[0038] On a envisagé de réaliser des pièces d’horlogerie en diamant, notamment des spiraux.

[0039] Le document WO2004/029 733 décrit de façon générale l’utilisation de diamant pour la réalisation de pièces mécaniques d’horlogerie, utilisation qui s’applique en fait de façon limitée à la réalisation d’un ressort-spiral constitué de diamant synthétique.

[0040] Maintenant, on sait réaliser des plaques de diamant polycristallin par dépôt et croissance épitaxiale de microcristaux de diamants (sur un substrat).

[0041] Malheureusement, la fabrication (croissance et obtention) d’une plaque épaisse en diamant est excessivement difficile, lente et coûteuse.

[0042] Les fig. 4A et 4B schématisent des étapes de réalisation d’un spiral constitué en diamant, d’après l’état de l’art. Les étapes de réalisation consistent à obtenir une telle plaque Q de diamant par croissance épitaxiale puis à découper ou tailler des spires concentriques dans la plaque brute Q de diamant obtenue.

[0043] Si les dimensions planes P de la pièce constituée d’un dépôt de diamant peuvent atteindre des dimensions atteignant moins d’un centimètre, tout au plus quelques centimètres, sa finesse f est limitée à quelques dizaines de micromètres.

[0044] En outre, les opérations d’incision et d’entaille en profondeur du diamant qui utilisent des techniques de structuration par plasma pour découper la forme d’une pièce, sont extrêmement dures et chères. Elles sont limitées à des surfaces minuscules.

[0045] Par suite, les opérations de dépôt et de croissance de plaque constituée en diamant polycristallin puis les techniques de gravure et de taille dans le diamant par plasma permettent de réaliser seulement des pièces minuscules, de volume insignifiant, d’épaisseur microscopique, ne dépassant pas une finesse de l’ordre d’un dixième de millimètre (volume ne dépassant guère un millimètre cube).

[0046] Ainsi, ces techniques d’élaboration d’une plaque monolithique constituée de diamant puis de sculpture ou de ciselage de pièce dans la plaque de diamant brute permettent de réaliser seulement des pièces minuscules destinées à ne stocker aucune énergie motrice et/ou à ne surtout pas absorber d’énergie mécanique, par exemple un résonateur spiral (en anglais «Hairspring», litt. Ressort-Cheveu).

[0047] Ces techniques ne conviennent pas pour la réalisation de ressorts-moteurs qui doivent tout de même stocker une énergie de l’ordre d’un dixième de Joule à quelques Joules et dont le volume (V) doit être conséquent pour stocker un maximum d’énergie (Wmax=V/6.σmax<2>/E), si bien que leurs dimensions doivent dépasser nettement le millimètre cube (typ. de plus d’un ordre de grandeur). Le volume Vo d’un barillet varie bien sûr selon le type de montre, sa surface et sa finesse, mais reste généralement de l’ordre d’une surface d’un centimètre carré et d’un volume d’une centaine de millimètres cubes. La hauteur h des ressorts de barillet est généralement de l’ordre d’un millimètre. L’épaisseur e est de l’ordre du dixième de millimètre. Mais surtout, quant à la dimension longitudinale d’un ressort-moteur, la longueur L des spires du ressort déployé atteint largement un ou plusieurs décimètres. Comment inscrire une telle longueur de ressort dans une plaque de dimensions millimétriques (tout au plus centimétrique)?

[0048] L’invention permet de résoudre ce problème de fabrication d’un ressort-moteur de barillet à partir d’un matériau permettant de stocker une énergie de marche élevée et de parvenir à réaliser un ressort-moteur pour barillet à partir d’un matériau tel que le diamant.

[0049] La fig. 7 montre que, selon l’invention, on obtient un ressort-moteur 10 de barillet permettant de stocker une énergie de marche accrue, à partir d’une première portion 11 de ressort réalisée dans un matériau de support autre que le diamant, ladite première portion 11 pouvant avantageusement prendre une forme tridimensionnelle correspondant à un squelette ou à une ébauche de la forme définitive du ressort, puis en recouvrant, complètement ou partiellement, ladite première portion 11 par une deuxième portion 12 réalisée en diamant.

[0050] Le matériau de support 11 peut être choisi parmi les matériaux résistant aux hautes températures (de l’ordre de 800–900 °C) auxquelles s’effectue un dépôt de diamant par des procédés de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ou plus exactement dans un plasma (CVD-plasma).

[0051] Le matériau de support est un corps, notamment un métal ou un métalloïde résistant à de telles températures. Le matériau de support peut être notamment un métal ou un alliage, un métalloïde, ou encore un corps composé chimique (p.ex. du carbure de silicium).

[0052] Selon une alternative de réalisation avantageuse, la portion de support est un ruban ou une ébauche de lame de ressort réalisée en métal ou en alliage métallique résistant à de hautes températures telles que des températures de plus de T1= 600 °C ou au minimum supérieures à T1= 500–600 °C, de préférence supérieure à T2 = 800 °C, environ. Le matériau métallique formant la portion de support est choisi de préférence parmi les métaux et alliages présentant un faible coefficient de dilatation thermique.

[0053] En effet le diamant a un coefficient de dilatation thermique αDia d’environ un micromètre par mètre et par degré à température ambiante (précisément entre αDia= 0.9.10<-><6> /K et 1,1.10<-><6>/K à T0 = 25 °C). Plus précisément, le coefficient d’expansion thermique du diamant αDias’élève avec la température dans la plage T0à T2 = 800 °C et demeure de l’ordre de: αDiA= 1 à 4. 10<-><6>/K

[0054] Un tel coefficient de dilatation est particulièrement faible. La réalisation d’un dépôt de diamant sur un support métallique risque d’induire un problème de cohésion entre le support métallique et la couche extérieure en diamant face aux contraintes de dilatation/contraction, après le dépôt de la couche de diamant à haute température T1/T2, lors du revenu à température ambiante T0. Pour réaliser un ressort composite comportant une portion extérieure en diamant déposée sur une portion de support métallique, selon l’invention, il est préférable de choisir des matériaux métalliques dont le coefficient de dilatation thermique s’approche le plus possible du très faible coefficient de dilatation du diamant αDiA, tout en résistant à de hautes températures T1 ou T2. Le matériau métallique est de préférence choisi parmi les familles de matériaux composées des matériaux suivants: – en premier lieu, les matériaux dénommés Invar<®>, qui sont des alliages ferriques de nickel, encore appelés aciers au nickel; on peut choisir par exemple un Invar tel que l’alliage Fe 36 Ni (64% de fer et 36% de nickel), l’Invar N42 (58%Fe 42%Ni), l’Invar N93 et tous autres alliages Fe-Ni en proportions quelconques, notamment les alliages Fe-Ni-Cr et Fe-Ni-Co, ainsi que les alliages Fe-Cr, voire les alliages Fe-Co; leur coefficient de dilatation est d’environ un à deux micromètres par mètre et par degré à température ambiante: αInv= 1,5 à 2. 10<-><6> /K à T0= 25 °C; – en second lieu, le titane ou les alliages à base de titane, ainsi que le tungstène ou les alliages à base de tungstène; – alternativement dans le cadre de réalisations simplifiées, la première portion en matériau de support peut être formée d’une ébauche de lame-ruban en acier, notamment un acier choisi dans les familles des aciers durs ou mi-durs, des aciers trempables ou inoxydables, et des aciers spéciaux considérés comme non alliés ou faiblement alliés (teneur en éléments non ferrique, notamment en manganèse inférieure à 1% ou inférieure à 5%).

[0055] Ainsi, dans de telles formes de réalisation, la première portion de support est formée de préférence de matériau métallique choisi parmi les familles des métaux et des alliages offrant de bonnes propriétés mécaniques, du point de vue de la flexibilité, de la résistance à l’extension, de tenue en température (point de fusion supérieur à T1 = 500 °C–600 °C, voire plus de T2 = 800 °C) et présentant un faible coefficient de dilatation a, pour éviter une délamination due à une contrainte de cisaillement à l’interface diamant/métal provoquée par des allongements différents du substrat en matériau de support métallique et la couche extérieure en diamant, lorsque la température revient à l’ambiante, après déposition. Il est préférable de choisir un matériau métallique ayant un coefficient de dilatation proche et aussi faible que celui du diamant. En effet le dépôt ultérieur de diamant sera effectué par CVD en phase vapeur ou plasma à des températures compatible avec la sublimation/condensation de particules carbonées, sous l’effet d’une torche à plasma, soit à des températures de l’ordre de T1 = 500 à 600 °C ou à T2 = 800 °C voire plus.

[0056] Avec une portion de support en métal ou en alliage métallique ayant un faible coefficient de dilatation thermique aussi proche que possible de celui du diamant, on peut obtenir avantageusement une structure de ressort composite selon l’invention ayant une bonne qualité de fabrication, une bonne cohésion et une bonne tenue mécanique à l’issue de la fabrication, une fois revenu à la température ambiante.

[0057] Dans l’autre forme de réalisation avantageuse, la portion de support est un ruban ou une lame tridimensionnelle réalisée en matériau semi-conducteur ou en métalloïde, HT ou réfractaire, permettant des opérations de taille ou de gravure profonde, notamment de gravure DRIE («Deep Reactive Ion Etching»), selon des techniques de lithogravure ou d’ablation chimique sur des matériaux semi-conducteurs (silicium ou germanium, voire carbone). Le silicium a un coefficient de dilatation d’environ: αSi = 2 à 3. 10<-><6>/K à T0 = 25 °C qui est particulièrement proche du coefficient de dilatation du diamant.

[0058] De préférence, le matériau de support est un matériau qui peut être mis en forme selon une forme tridimensionnelle de lame de ressort.

[0059] Mais surtout de préférence selon l’invention, le matériau de support est un matériau qui peut être, préalablement au dépôt de diamant, mis en forme d’enroulement de ressort recourbé en spirale.

[0060] On choisit de préférence un matériau qui permet d’usiner une préforme d’enroulement de ressort-moteur avec une précision compatible avec le dimensionnement et la précision du ressort souhaité.

[0061] Le matériau de support est de préférence du silicium, notamment du silicium cristallin et plus précisément du silicium monocristallin.

[0062] Le silicium offre l’intérêt de pouvoir être aisément gravé et taillé en forme tridimensionnelle dans des plaques de semi-conducteur de dimensions macroscopiques et pouvant atteindre des dimensions convenant largement à un ressort de montre ou de mouvement d’horlogerie. D’autres matériaux, notamment un métalloïde tel que le germanium pourraient convenir.

[0063] Le silicium cristallin présente également des paramètres d’élasticité intéressants, comme indiqué sur le diagramme d’élasticité de la fig. 6. Le silicium a une limite d’élongation ε1 élevée et supérieure aux valeurs limites d’élongation élastique ε2du diamant, ce qui en fait un matériau souple et étirable, sans enregistrer de déformation plastique permanente ni de fracturation.

[0064] De façon avantageuse, le silicium de la première portion 11 de support peut ainsi supporter toutes les déformations sous contrainte de la portion extérieure 12 en diamant, en restant dans son domaine élastique (sans rupture).

[0065] Le diagramme de la fig. 6indique cependant que le silicium supporte des contraintes maximales σ1 beaucoup moins élevées que les contraintes maximales σ2 du diamant.

[0066] Toutefois, comme le silicium forme la première portion 11 qui est disposée au cœur de la structure composite 10 ou sur la face interne 11.1 des spires 10 du ressort-moteur de barillet, selon l’invention, le silicium est exposé à des niveaux de contraintes (en traction) beaucoup moins élevés que la portion extérieure 12 en diamant, voire à des contraintes quasi-nulles (fibres neutres dans l’axe médian N-N des spires), ce qui correspond à ses aptitudes et ses limites d’élasticité.

[0067] Sur le schéma de la fig. 7qui montre une vue en coupe d’une spire de ressort 10 non dimensionnée, la première portion 11 en matériau de support apparaît au centre et concentrique à la deuxième portion 12 en diamant. La première portion 11 a de préférence une section rectangulaire h ́.t, comme schématisé sur ce plan de coupe transversal (radial par rapport aux spires). Longitudinalement, la première portion de support forme de préférence un lacet ou une lame de profil recourbé, suivant un enroulement spécifique en spirale de ressort-moteur comme décrit par la suite.

[0068] La lame de section rectangulaire en matériau de support qui forme la première portion, a une hauteur h ́ (supérieure à un ou deux dixièmes de millimètre) et une épaisseur t (supérieure à une dizaine de micromètres, éventuellement quelques micromètres).

[0069] De façon avantageuse, le volume et la surface développés par la première portion 11 offre un support tridimensionnel au dépôt et à la croissance du diamant, ce qui permet d’obtenir une portion extérieure 12 en diamant présentant une surface de section et un volume appréciables pour supporter les contraintes et l’énergie emmagasinées par le ressort.

[0070] En outre, la première portion de support 11 offre une ébauche ou une amorce de forme tridimensionnelle au dépôt de diamant, ce qui permet d’entrevoir la possibilité d’obtenir, après le dépôt du diamant, une forme achevée de ressort-moteur 10 composé de diamant, en évitant des opérations ultérieures de découpe ou de taille du diamant, extrêmement dures.

[0071] De préférence donc, la couche 12 d’épaisseur d en diamant recouvre toute la surface de la première portion de support 11 et forme une coque 12 autour du cœur en matériau de support. La coque 12 de diamant supporte l’essentiel des contraintes mécaniques et en protège le matériau de support 11. Selon le mode de réalisation de la fig. 7, la première portion 11 présente une section sensiblement rectangulaire (event. carrée) et la couche d’épaisseur 12 en diamant recouvre complètement les quatre faces transversales 11.1, 11.2, 11.3 et 11.4 de la première portion de support 11.

[0072] Alternativement, la couche 12 d’épaisseur en diamant peut couvrir seulement certaines faces de la première portion de support 11, notamment les faces interne 11.1 et externe 11.2 des spires du ressort-moteur 10 qui supportent l’essentiel des forces F et des contraintes de flexion, de traction et éventuellement de compression dans l’épaisseur du ressort-moteur 10, comme représenté sur la fig. 8B.

[0073] Selon une autre alternative (non représentée), la couche d’épaisseur 12 en diamant peut couvrir uniquement une face de la première portion de support, notamment tout ou partie de la face externe 11.2 des spires du ressort-moteur 10 qui supporte l’essentiel du travail et des contraintes en traction du ressort (la face extérieure des ressorts conventionnels est la plus exposée et la plus sujette aux phénomènes de plastification et d’apparition de fracturations, puis de rupture). La structure composite du ressort-moteur 10 selon l’invention apparaît alors formée d’une première lame de matériau support jointe à une lame extérieure 12 formée par un dépôt d’une couche épaisse de diamant polycristallin sur la face externe 11.2 de la première lame 11.

[0074] Ainsi, la première portion 11 forme un support qui permet d’obtenir une deuxième portion 12 en diamant dont la section et le volume effectifs peuvent être considérablement développés.

[0075] La structure composite permet alors d’atteindre une section efficace en diamant considérable dans les spires de ressort-moteur, selon l’invention. En effet la surface de section A en diamant atteint des valeurs d’environ: A = 2.(H.d+t.d) (ou au minimum une face A=h ́.d) où d est l’épaisseur de la couche de diamant cristallin déposée; H est la hauteur (hors tout) de la structure composite des spires du ressort, y compris l’épaisseur d de diamant aux bords d’extrémité (H=h ́+2.d); t est l’épaisseur (dimension horizontale ou radiale) de la première portion en matériau de support, h ́ étant la hauteur (verticale) de la première portion.

[0076] La structure composite selon l’invention permet de réaliser un ressort composé de diamant atteignant les dimensions macroscopiques compatibles avec les quantités d’énergie mécanique que doit stocker un ressort-moteur de barillet, comme le montre la suite.

[0077] La fig. 8A représente un exemple de réalisation dimensionné de ressort-moteur 10 de barillet ayant une structure composite, selon l’invention.

[0078] Les exemples de dimensionnement de ressort-moteur qui suivent sont donnés à titre indicatif et non-limitatif (notamment dans le cadre d’une application commune à un modèle de montre mécanique à barillet de type standard).

[0079] La hauteur h ́ de la première portion 11 en matériau de support peut atteindre une valeur de l’ordre d’un dixième de millimètre à quelques millimètres, rarement plus d’un centimètre, typiquement entre 0,5 mm et 1,5 mm.

[0080] L’épaisseur d du dépôt de diamant 12 est généralement supérieure à cinq micromètres et peut atteindre typiquement entre 10 µm et 60 µm.

[0081] L’épaisseur t de la première portion 11, mesurée perpendiculairement aux spires (dans un plan transversal à l’enroulement), est généralement de l’ordre de quelques micromètres à une centaine de micromètres. De préférence, l’épaisseur t est choisie du même ordre que l’épaisseur d de la couche de diamant 12, entre 10 µm et 60 µm.

[0082] Le ressort-moteur 10 de barillet obtenu selon l’invention est ainsi composé majoritairement de diamant 12, la proportion de diamant par rapport au volume du ressort variant de 17% à 99%, typiquement entre 33% et 67%, et de préférence supérieure à 50% (portion en diamant 12 majoritaire en volume par rapport au volume total du ressort-moteur 10 et diamant majoritaire en surface effective occupée par rapport à la section totale d’une spire).

[0083] La description qui va suivre donne quelques exemples de réalisation et de résultats de mise en œuvre de ressorts-moteurs correspondant à des barillets standards.

[0084] De telles réalisations de ressort-moteur 10 sont destinées à un barillet 2 dont les dimensions sont les suivantes: Hauteur du barillet:<sep>Hb = 0,7 mm Rayon de tambour de barillet:<sep>Rt = 5,25 mm Rayon de bonde:<sep>Rb = 1,2 mm = 58 mm<3> Soit un volume disponible dans le barillet:<sep>Vo; = 0,55 V = 32 mm<3> Le volume optimal du ressort sera de<sep>Vopt.

[0085] Pour de telles dimensions de barillet, à titre de référence de comparaison, un ruban 5 de ressort-moteur 1 en acier à ressort conventionnel a des dimensions optimales de valeurs suivantes: Epaisseur du ruban:<sep>e = 95 µm; Hauteur du ruban:<sep>h = 700 µm;

[0086] Longueur L du ruban pour obtenir un développement maximal et une durée de marche maximale: L = 480 mm.

[0087] Ce ressort-moteur 1 en ruban d’acier conventionnel fournit au mouvement d’horlogerie des paramètres dynamiques suivant: = 3,5.10<-3> Moment élastique maximum:<sep>M0 N.m (ou exact. 348 g.mm) = 2,9. 10<-3> Moment élastique à 24 heures:<sep>M24 N.m (Newton-mètre) Nombre de tours en 24 heures:<sep>Nb = 4,4 tours Soit une perte de moment en 24 heures:<sep>ΔM0–24/M0 = (M0–M24)/M0= 17%

[0088] Et pour le mouvement d’horlogerie considéré, ce ruban 5 de ressort-moteur 1 fournit une durée maximale de marche de 58 heures après N=10,5 tours (réserve de marche de 34 h).

[0089] Les calculs de réalisation d’après l’invention de ressorts-moteurs à structure composite destinés à un tel barillet, s’effectuent en conservant la hauteur H et surtout, en veillant à conserver le moment élastique maximum M0 (le couple de torsion appliqué au mouvement est limité pour éviter des phénomènes de rebattement, préjudiciables à l’isochronisme du mouvement et nuisibles à la tenue des pièces d’échappement).

[0090] Pour mémoire, le moment élastique maximal M0 d’un ressort est proportionnel au carré ou au cube de son épaisseur e. Plus précisément, M0 est proportionnel au module E et au cube de l’épaisseur e, mais M0 est aussi proportionnel à la limite de contrainte maximale a et au carré de l’épaisseur e, comme indiqué par la formulation classique suivante:

[0091] Or, le diamant a un module d’élasticité E2 et une limite d’élasticité σ2 considérablement plus élevés que les aciers à ressorts conventionnels (de l’ordre du double au décuple, typiquement quintuple ou sextuple). Il s’annonce déjà que l’épaisseur de diamant d/2d et l’épaisseur totale T des spires de ressort-moteur 10 à structure composite selon l’invention, peut être réduite (d’environ un quart à plus de la moitié, typiquement d’un tiers) par rapport à l’épaisseur e du ruban d’acier 5 de ressort-moteur conventionnel 1. Par conséquent, la section (S = H.T) des spires de ressort composite en diamant selon l’invention étant moins encombrante que la section (R = h.e) de ruban 5 d’acier à ressort conventionnel, on peut envisager augmenter la longueur L ́ et le nombre de tours Nb de l’enroulement dans les ressorts-moteurs conçus d’après l’invention et du coup accroître la durée de marche du mouvement.

[0092] Il s’agit donc de réaliser selon l’invention des ressorts-moteurs 10 pour un tel barillet 2 dont les spires doivent atteindre finalement des dimensions hors-tout fixées à une hauteur totale H de 700 micromètres et une épaisseur totale T réduite d’un tiers, soit une épaisseur totale T de 62 micromètres.

[0093] Dans les exemples ci-après de réalisation de ressort-moteur selon l’invention, la deuxième portion 12 est alors formée d’une épaisseur de diamant d variant entre 10 micromètres et 25 micromètres. La première portion 11 de support est formée d’un lacet ou d’une lame de section rectangulaire (h ́.t) dont l’épaisseur t varie de façon complémentaire entre 42 micromètres et 12 micromètres, de tels dimensionnements n’ayant aucune valeur limitative.

[0094] Ainsi, pour un tel barillet, avec le même moment élastique maximal M0 = 0,5 Nm et le même nombre de tours en 24 heures Nb = 4,4 tours, les exemples de ressorts-moteurs à structure composite 10 réalisés selon l’invention, peuvent prendre les dimensions suivantes: Avec une épaisseur de diamant d = 10 µm, la longueur de développement maximal du ressort atteint L ́ = 600 mm, et fournit une durée maximale de marche D-74 heures après N=13,5 tours. Avec une épaisseur de diamant d = 15 µm, la longueur de développement maximal du ressort atteint L ́ = 700 mm, et fournit une durée maximale de marche D-86 heures après N=15,7 tours. Avec une épaisseur de diamant d = 20 µm, la longueur de développement maximal du ressort atteint L ́ = 722 mm, et fournit une durée maximale de marche D-92 heures après N=16,7 tours. Avec une épaisseur de diamant d = 25 µm, la longueur de développement maximal du ressort atteint L ́ = 736 mm, et fournit une durée maximale de marche de D-94 heures après N=17 tours, (réserve de marche de 70 h.)

[0095] Ainsi, grâce à l’invention, un ressort-moteur à structure composite 10 comportant une deuxième portion 12 en diamant peut fournir une durée d’autonomie de marche nettement supérieure à celle d’un ruban 5 de ressort-moteur 1 en acier conventionnel: placé dans les mêmes conditions, un ressort-moteur composé de diamant selon l’invention, peut atteindre une durée de marche supérieure d’un tiers, de moitié, de deux tiers, voire près du double et éventuellement au-delà, un rapport supérieur au double, de la durée de marche d’un ruban 5 de ressort-moteur 1 en acier conventionnel.

[0096] Il faut remarquer que de façon avantageuse, plus l’épaisseur relative de diamant d/T et la proportion de diamant est élevée dans la structure composite du ressort-moteur selon l’invention, plus le gain de réserve de marche est important.

[0097] Globalement, dans les quatre réalisations précédentes de ressort-moteur, selon cet exemple indicatif de dimensions, la portion en diamant occupe, par rapport à la section totale d’une spire (S = H.T), une surface en diamant (A = 2d.H + 2d.t) supérieure à un sixième (17%), à un tiers (33%), à la moitié (50%) et aux deux tiers (67%) de la surface de section totale de la spire (première portion + deuxième portion).

[0098] De façon avantageuse, il apparaît donc que pour obtenir une même valeur de moment élastique maximal M0 (afin que le barillet applique le même couple de torsion maximal au mouvement et éviter le rebattement) en conservant le même barillet et le même mouvement, un ressort-moteur 10 à structure composite 11/12 selon l’invention nécessite des épaisseurs 2d de diamant et de spire T beaucoup moins élevées que l’épaisseur e d’un ruban d’acier 5 de ressort-moteur 1 conventionnel dans des conditions équivalentes.

[0099] Un tel affinement des spires composées de diamant, par rapport au ruban; en acier à ressort, peut permettre au choix selon l’invention: d’augmenter la longueur L ́, le nombre de tours Nb et la durée de marche D du ressort-moteur à structure composite, en considérant que son volume V doit atteindre la moitié du volume Vo du barillet fixé (V ≈ Vo/2); et/ou, de diminuer globalement l’encombrement V = T.H.L ́ de l’enroulement du ressort-moteur à structure composite par rapport aux ressorts existants et par conséquent diminuer l’encombrement V0 du barillet, donc les dimensions du mouvement et celles de la pièce d’horlogerie;

[0100] La fig. 9 montre et permet de comparer l’allure des courbes d’évolution, en fonction du temps, du moment élastique M des ressorts-moteurs précédents placés dans les mêmes conditions (même barillet standard, même mouvement). Le moment élastique M est équivalent au couple de torsion appliqué par le barillet au mouvement d’horlogerie. La courbe en trait plein représente l’évolution du moment délivré par le ressort-moteur en ruban d’acier conventionnel selon l’exemple de base de comparaison précédente, au cours de sa durée de marche D. La courbe en traitirés représente l’évolution du moment délivré par le ressort-moteur à structure composite selon le dernier exemple de réalisation, au cours de sa durée de marche D ́.

[0101] Il apparaît clairement que le ressort-moteur selon l’invention délivre initialement (pleinement armé) la même valeur de moment maximal M0 (qui a été plafonné pour éviter le rebattement), le même moment à 24 heures M24, donc sensiblement la même perte de moment ΔM0–24/M0au bout d’une journée J. Cependant, grâce à la diminution de l’épaisseur T, à l’augmentation de la longueur L ́ de ressort permises par l’invention, le développement α ́ (angle d’armage total) et la durée de marche D ́ du ressort-moteur à structure composite augmentent considérablement, par rapport à la durée de marche D du ressort-moteur en acier conventionnel, placé dans les mêmes conditions de fonctionnement (même dimensionnement de barillet standard, même mouvement).

[0102] De façon générale, lors de la construction d’un mouvement d’horlogerie, la fixation des paramètres du ressort-moteur de barillet s’effectue comme suit: Mo, la valeur du moment élastique maximum, ressort armé, est fixée (compte tenu du couple nécessaire au mouvement et des rapports des rouages); ΔM = (M0–M24)/M0, la variation du moment élastique en 24 heures est limitée en fonction de la marge tolérée de variation des oscillations.

[0103] Or, pour un ressort composite à structure composite, selon l’invention, le moment élastique maximum vaut:

[0104] Et la perte de moment en 24 heures vaut:

[0105] Ainsi, pour un moment d’élasticité maximum M0 donné initialement, vu le rapport entre les limites d’élasticité σ2 du diamant et celles σ0 des aciers conventionnels, un ressort-moteur de barillet composé de diamant selon l’invention, peut présenter une épaisseur totale de diamant 2d nettement inférieure à l’épaisseur e d’un ruban conventionnel placé dans des conditions équivalentes. Rapporté à cette épaisseur de référence e d’acier à ressort, l’épaisseur 2d de diamant peut diminuer d’un quart à une moitié et même mieux (2d<e/2); typiquement l’épaisseur de diamant 2d est inférieure d’environ un tiers par rapport à l’épaisseur e d’acier à ressort conventionnel.

[0106] Par suite, l’épaisseur totale T des spires du ressort-moteur selon l’invention est réduite, et comme, de façon optimale, un ressort-moteur occupe un volume Vopt d’environ la moitié du volume disponible V0 du barillet: V = T.H.L, = Vopt ≈ 0,5.V0

[0107] La longueur L ́ du ressort peut être augmentée consécutivement d’un allongement d’un tiers au double, voire plus; typiquement, la longueur L ́ du ressort-moteur composé de diamant peut être allongée d’une moitié par rapport à la longueur L ́ du ruban de ressort-moteur en acier conventionnel équivalent.

[0108] La réduction de l’épaisseur T et l’allongement de la longueur L ́ du ressort-moteur de barillet selon l’invention ouvre au moins deux axes d’amélioration des caractéristiques des mouvements d’horlogerie.

[0109] Premier axe, l’allongement de la longueur L ́ du ressort-moteur selon l’invention permet d’augmenter le nombre de tours du barillet (Nb) donc d’accroître le nombre d’heures de marche D ́ du mouvement, tous les autre paramètres du mouvement d’horlogerie et de dimensionnement du barillet restant inchangés par ailleurs.

[0110] L’invention permet ainsi d’accroître la durée de marche D ́ dans un même rapport et d’atteindre notamment une durée de marche accrue d’un tiers au double voire plus, typiquement moitié plus.

[0111] Autre axe, la réduction de l’épaisseur T (ainsi que l’accroissement de la durée de marche D ́) du ressort-moteur selon l’invention, peut permettre de réduire la perte de moment élastique en 24 heures:

[0112] Cependant l’augmentation de la longueur L ́ est généralement associée à une augmentation correspondante du nombre de spires ou du nombre de tours de développement Nb du ressort de barillet. Malgré tout, la réduction de l’épaisseur 2d de diamant, donc de l’épaisseur T, et l’accroissement de la durée de marche D ́ pourraient permettre de réduire la perte de moment élastique en 24 heures ΔM0–24/M0.

[0113] Or, la perte de moment en 24 heures détermine l’affaiblissement des impulsions de l’échappement et la variation d’amplitude du balancier. De façon avantageuse, la réduction de l’épaisseur T des spires du ressort-moteur composé de diamant jointe à l’accroissement de la durée de marche D ́ et de la longueur L ́ des spires du ressort-moteur de barillet selon l’invention, permet de conserver l’amplitude des oscillations du balancier et donc d’améliorer la précision chronométrique de la pièce d’horlogerie.

[0114] Pour sa fixation, le ressort-moteur selon l’invention est de préférence accroché dans le barillet correspondant par des crochets formés aux extrémités du ressort-moteur 10 qui sont bloqués dans des encoches du barillet 2.

[0115] Plus précisément, le ressort-moteur a des extrémités extérieure et intérieure coudées, les deux coudes étant fixés respectivement dans deux encoches aménagées dans l’arbre et le tambour du barillet, de manière classique en soi. Les coudes sont formés ou préformés lors d’opérations de gravure et de taille de la première portion dans une plaquette de silicium, comme exposé ci-dessous.

[0116] Par ailleurs, l’invention permet avantageusement de donner initialement à la première portion 11 ou lame de support, une forme tridimensionnelle d’enroulement de spires du ressort-moteur désiré ayant un profil de courbure spiralée ou une forme renversée.

[0117] Un profil (L) de courbure d’enroulement de ressort 1, tel que celui de la fig. 2, se développe dans le plan de l’enroulement (plan horizontal, transversal au ressort) sur une surface à deux dimensions et la forme du ressort s’étend dans l’espace à trois dimensions.

[0118] Pour obtenir une première portion 11 en matériau de support, présentant une forme initiale à trois dimensions avec un profil de courbure à deux dimensions, l’invention prévoit avantageusement de tailler la forme de la première portion 11 dans une plaque de matériau de support par des procédés de gravure, notamment des procédés dits de «lithogravure», comme décrit par la suite.

[0119] Comme déjà indiqué, le matériau de support est de préférence du silicium.

[0120] Le silicium offre des propriétés particulièrement avantageuses pour réaliser la première portion 11 qui forme le squelette de support d’un ressort-moteur 10 de barillet selon l’invention.

[0121] Une propriété intéressante du silicium est qu’il présente un point de fusion élevé, supérieur à 1400 °C, ce qui lui permet d’être compatible avec les hautes températures (de l’ordre de 800 °C à 1000 °C) auquel est soumis un support sur lequel croît un dépôt de diamant polycristallin par un procédé de dépôt en phase vapeur (CVD).

[0122] Et surtout, des opérations de gravure dans une plaque de substrat en silicium cristallin permettent d’obtenir simplement et à bas coût une première portion 11 de support constituant une ébauche de la forme finale du ressort-moteur 10 de barillet selon l’invention et présentant déjà une préforme tridimensionnelle spécifique de l’enroulement du ressort-moteur selon l’invention. Il est prévu en particulier de découper une première portion avec un profil de courbure spiralée ou une forme renversée.

[0123] L’invention fournit ainsi un procédé pour fabriquer un ressort-moteur 10 de barillet ayant une structure composite formée d’une première portion 11 réalisée dans un matériau support, avantageusement en silicium cristallin, recouvert au moins en partie d’une deuxième portion 12 en diamant polycristallin, la première portion 11 étant obtenue par des étapes de gravure verticale en profondeur (considéré ici comme la hauteur h ́) d’une plaque du matériau de support, de préférence un substrat de silicium, selon un profil plan de préforme de courbure de l’enroulement du ressort-moteur, suivi d’étapes de dépôt et de croissance de diamant polycristallin à partir de carbone (ou de composés carbonés) par des opérations de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ou plasma (CVD-plasma), pour réaliser la deuxième portion 12 en Diamant qui forme une couche épaisse sur tout ou partie de la surface de la première portion 11.

[0124] Les fig. 10A à 10E schématisent des étapes importantes d’un tel procédé de fabrication de ressort-moteur de barillet selon l’invention.

[0125] Au début de la fabrication, on dispose d’une plaque 100 ou plaquette de silicium (anglais «silicon wafer») formée d’une couche épaisse 101 de silicium cristallin (notamment monocristallin) déposée ou accolée sur une embase-support 102 appelé substrat, généralement avec interposition d’une strate 103 d’oxyde de silicium. De telles plaques 100 de substrat de silicium cristallin sont couramment disponibles auprès des fournisseurs et fondeurs de silicium pour les nécessités de la fabrication des circuits-intègres.

[0126] La hauteur h ́ (dimension verticale, perpendiculaire à la plaque, horizontale) de la couche utile 101 de silicium cristallin peut être choisie. Il convient dans le cas présent de choisir une hauteur h ́ correspondant à la hauteur H des spires des ressorts-moteurs 10 de barillet souhaitée. La hauteur h ́ atteint généralement de l’ordre d’une centaine de micromètres à quelques millimètres, par exemple h ́ = 500 µm ou h ́ = 700 µm ou h ́ = 1 mm ou h ́ = 1,2 mm, typiquement.

[0127] Pour découper un ou plusieurs échantillons de première portion 11 en silicium ayant une forme d’ébauche de ressort, on procède à des opérations de masquage et de gravure sensiblement verticale en profondeur (hauteur h ́) dans la plaque 100 de silicium.

[0128] Comme schématisé sur les fig. 10Aet 10B, on dépose une couche de masquage 104 à la surface de la plaque de silicium. La couche de masquage est notamment une couche 104 de résine photosensible. Il existe de multiples techniques de masquage et de gravure connues dans le domaine de la gravure des matériaux semi-conducteurs et d’autres techniques équivalentes peuvent être mises en œuvre. La couche de masquage 104 est exposée à travers un motif de nervure(s) et la couche 104 de résine photosensible est révélée puis traitée pour former le masque 105 de gravure. La révélation et le traitement de la résine exposée, supprime la couche de résine 104 aux endroits des ouvertures du masque et laisse une ou plusieurs nervures 105 en résine de masquage implantées selon le motif utilisé.

[0129] D’après l’invention, les nervures 105 ont un profil dans le plan de la plaque 100 (plan horizontal, transversal à l’enroulement de ressort projeté), le profil de chaque nervure 105 étant enroulé suivant une courbure spiralée ou une forme renversée.

[0130] Une forme d’enroulement à profil spirale, telle que celle représentée sur la fig. 10D, est avantageuse pour des questions d’encombrement par rapport à la surface de la plaque de silicium («wafer») et permet d’implanter une pluralité d’enroulement sur la plaque et d’obtenir une série de premières portions de ressorts-moteurs à partir d’une seule plaquette.

[0131] La fig. 10B montre les côtes 105 (plots) formées par une nervure enroulée en spirale, prise en coupe radiale par rapport à l’enroulement.

[0132] L’étape suivante, schématisée sur la fig. 10C, consiste à effectuer une gravure sensiblement verticale à travers les ouvertures du masque 105 de gravure en résine.

[0133] De préférence, on effectue une gravure ionique réactive profonde (en abrégé D.R.I.E. de l’anglais «Deep Reactive Ion Etching») à l’aide d’un flux de gaz excité (ionisé) par plasma (RF) ou d’un flux de plasma d’ions. Un tel procédé de gravure permet d’atteindre une profondeur de gravure correspondant à la hauteur h’ souhaitée des spires.

[0134] Une telle gravure creuse la couche 101 de silicium cristallin en profondeur dans la direction verticale h ́, en laissant, sous chaque nervure 105, un îlot 11 intact de silicium en forme de lacet ou de paroi enroulée en spirale, la paroi présentant des flancs offrant une bonne verticalité.

[0135] La gravure peut être arrêtée par une strate 103 d’oxyde de silicium intercalaire entre la couche 101 utile de silicium et le substrat 102 de la plaque 100, destiné à être éliminé.

[0136] Chaque portion 11 de support en silicium ainsi obtenue selon l’invention, est détachée du substrat 102.

[0137] Une telle portion 11 en silicium forme une lame de section sensiblement rectangulaire mais présente un profil enroulé suivant une courbure spiralée, comme illustré sur la fig. 10D ou une forme renversée. Cette lame de silicium enroulée en spirale qui forme la première portion 11 de la structure composite selon l’invention, est alors soumise à des opérations de dépôt et de croissance d’une couche épaisse 12 de diamant polycristallin.

[0138] La première portion 11 en silicium peut être soumise à un traitement de surface avant les opérations de dépôt pour favoriser la nucléation du diamant, c’est-à-dire la germination de cristaux de diamant. On peut effectuer notamment un dépôt d’un revêtement de diamant microcristallin ou nanocristallin de nucléation pour amorcer ensuite la croissance de diamant polycristallin, selon l’enseignement du document US-6 037 240.

[0139] La surface 11.1–11.2–11.3–11.4 du silicium cristallin, notamment monocristallin, est de préférence décapée et purgée de toute trace d’oxydation. Dans le cas où une couche d’oxyde de silicium (SiO2) s’est formée, elle est supprimée par exemple par décapage en bain d’acide ou par un traitement plasma dans une enceinte contenant 100% d’hydrogène gazeux H2 ou ionisé H<+> à faible pression, suivant l’enseignement de US-6 037 240 ou du document WO-94/08 076.

[0140] Alternativement, comme énoncé précédemment, la première portion de support peut être formée d’une lame-ruban métallique sur laquelle on va déposer une couche épaisse de diamant polycristallin, pour former la seconde portion extérieure en diamant. Il est préférable que le matériau de support métallique de la première portion ait un faible coefficient de dilatation thermique proche de celui du diamant afin d’assurer un bonne cohésion du ressort à structure composite selon l’invention. Le matériau métallique peut notamment être choisi parmi les familles des métaux et des alliages composé des Invars (alliages de fer et de nickel ou aciers au nickel), des alliages à base Fe-Ni, notamment Fe-Ni-Cr ou Fe-Ni-Co, des alliages à base Fe-Cr, des alliages Fe-Co, des alliages à base majoritairement de fer et minoritairement d’éléments tels que C, Si, Ni, Co, Mn, Cr, Va, Ti, Se, W des aciers durs ou mi-durs, des aciers trempables ou inoxydables et/ou des aciers spéciaux dits non alliés ou faiblement alliés, du titane du tungstène et de leurs alliages. Une telle portion de support métallique constituée d’une lame-ruban enroulée avantageusement en spirale en colimaçon ou bien renversée en forme de lettre S ou demi renversée en forme de moitié de lettre S (selon les propriétés d’élasticité de la couche extérieure: Module élastique et limite élastique), peut être obtenue de façon classique par des opérations de laminage et d’estrapadage avec, le cas échéant, des opérations de trempe,

[0141] Le dépôt de diamant s’effectue selon des techniques classées parmi les dépôt chimiques en phase vapeur (en abrégé CVD, de l’anglais Chemical Vapour Phase Déposition). En fait, il s’agit de dépôt de diamant polycristallin à partir de carbone ou plus exactement de composés carbonés (p. ex. acétylène, acétone, fluorure de carbone ou autres radicaux carbonés, méthane et ses radicaux hydrocarbonés CH4, CH2**, CH***, C****) généralement introduits dans un état gazeux puis ionisés sous forme de flux de plasma, émis par un filament surchauffé ou excité par des radiofréquences (microondes). Le carbone ionisé et surchauffé se dépose en cristallisant sous forme de diamant polycristallin, notamment de microcristaux ou de nanocristaux, sur la surface relativement froide (800°–1000° à 1400°) de chaque première portion 11 de support en silicium cristallin.

[0142] Il a été observé que plus la taille des cristaux est petite, plus la limite de contrainte maximale σ2 ́ du dépôt de diamant synthétique est élevée et tend à s’approcher de la limite maximale du diamant monocristallin (naturel ou artificiel).

[0143] Dans la présente, l’expression «diamant polycristallin» englobe le dépôt de diamant microcristallin, composé de cristaux de dimensions micrométriques et le diamant nanocristallin, composé de cristaux de dimensions nanométriques.

[0144] La portion extérieure du ressort selon l’invention peut être composé avantageusement de diamant microcristallin ou de préférence de diamant nanocristallin; voire de cristaux de taille en deçà du nanomètre, plus la taille des cristaux étant faible, plus le diamant résistant à des contraintes limites d’élasticité élevées σ2 ́.

[0145] De plus amples détails sur les opérations de dépôt et de croissance d’une couche d’épaisseur 12 de diamant par CVD figurent dans le brevet EP-0 732 635 déposé au nom de CSEM, auquel il convient de se référer.

[0146] Comme le montre les fig. 10Det 10E, le dépôt 12 de diamant polycristallin se forme sur toute la surface 11.1 à 11.4 de la première portion 11 et croît régulièrement jusqu’à former une couche extérieure 12 épaisse en diamant qui enrobe la première portion 11.

[0147] De façon avantageuse un tel procédé permet de former une couche extérieure 12 ou gangue de diamant d’épaisseur régulière et atteignant simplement une épaisseur supérieure à cinq ou dix micromètres et de préférence supérieure à 20 µm ou 30 µm.

[0148] La fig. 11 montre cependant, de façon détaillée, une vue en coupe transversale d’une première portion 11 en silicium telle qu’obtenue à l’issue de l’étape de gravure (fig. 10C) sur lequel il apparaît que les flancs latéraux 11.1 et 11.2 de la première portion 11 ne sont pas rigoureusement parallèles mais présentent un léger angle δ par rapport à la verticale, angle δ qui a été exagéré sur cette représentation. L’angle δ appelé «angle de dépouille», inhérent aux techniques de gravure, est très faible de l’ordre de 1°–2° et même souvent inférieur. Cependant sur une première portion 11 ayant une hauteur h ́ de l’ordre de 0,5 à 1,5 mm et une épaisseur initiale t de 30 µm au niveau de la nervure 105, il conduit à une épaisseur terminale t ́ amincie de moitié ou pire sans épaisseur (section triangulaire ou coupée en biseau). Pour éviter un tel défaut, il est proposé selon une forme de réalisation du procédé selon l’invention d’effectuer deux gravures quasiment verticales, à partir des deux faces opposées d’une plaque 100 de substrat en silicium et à travers deux masques de gravure 104 et 114 symétriques par rapport au plan médian 0–0 de la plaque 100, comme schématisé sur les fig. 12A et 12B. La portion de support 11 ́ ainsi obtenue présente une épaisseur transversale t qui diminue légèrement vers le plan médian 103, mais reste acceptable sur la hauteur h1+h2 de cette première portion 11.

[0149] Un tel procédé permet notamment d’utiliser des plaques conventionnelles de silicium formées d’une hauteur h1 de couche 101 de silicium déposée sur un substrat 102 de silicium (ayant lui-même une hauteur h2 de l’ordre d’une centaine de micromètre à quelques millimètres), la couche 101 et le substrat 102 étant séparés ou non par une strate intercalaire 103 d’oxyde de silicium.

[0150] Ainsi, selon une telle variante de procédé de fabrication d’un ressort-moteur 10 de barillet selon l’invention, on dépose deux couches de masquage 104 et 114 sur deux faces opposées d’une plaque 100 de substrat 102 comportant au moins une couche 101 de silicium cristallin (de hauteur supérieure à une centaine de micromètres); on découpe dans les couches de masquage 104 et 114, respectivement, deux masques de gravure comprenant au moins une paire de nervures 105/115 sensiblement symétriques par rapport à un plan médian 103 de la plaque et on effectue au moins une gravure quasi-verticale, de préférence par gravure ionique réactive profonde, à travers les deux masques opposés, sur la hauteur totale de la plaque 100 de substrat de silicium.

[0151] Les étapes suivantes consistent à extraire, au moins une première portion 11 en silicium ainsi obtenue, puis à déposer et faire croître sur au moins une partie de surface d’une telle première portion 11, une couche extérieure 12 épaisse de diamant polycristallin par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) de carbone ou de composé carbonés ou par décomposition plasma dans un champ radiofréquence (CVD-plasma) de gaz carbonés cristallisant en diamant polycristallin.

[0152] De façon avantageuse de telles opérations de dépôt et de croissance de diamant régularisent l’épaisseur totale T du ressort-moteur 10 obtenu finalement.

[0153] De façon générale, une caractéristique avantageuse de l’invention est de disposer d’une première portion 11 qui forme un support verticalement (par convention ici dans le sens de la hauteur h ́), ce qui permet de faire croître un dépôt de couche 12 épaisse de diamant dans le sens horizontal correspondant à l’épaisseur (T; d/t/d) des spires du ressort-moteur (i.e. dans les directions radiales), ceci sur toute la hauteur h ́ de la première portion-support 11 au lieu de chercher à faire croître conventionnellement un dépôt de diamant verticalement, en cherchant à atteindre une hauteur recherchée de spires de ressort-moteur de barillet.

[0154] De façon avantageuse, comme illustré sur la fig. 10E, la portion extérieure 12 en diamant polycristallin présente des bords 13 et 14 adoucis ou arrondis sans arête, avec un rayon de courbure r.

[0155] Plus généralement, le ressort-moteur 10 de barillet selon l’invention présente avantageusement, une surface extérieure en diamant qui offre une rugosité de surface (Ra<1 µm) et un coefficient de frottement faible. En outre, la rugosité peut être réduite par formation CVD de nanocristaux ou par un traitement de polissage au plasma, ce qui affaiblit encore toute source de frottement.

[0156] En alternative au polissage ou au dépôt de nanocristaux, il est possible de rajouter un revêtement extérieur de lubrification sèche, notamment un revêtement en téflon, déposé par exemple par CVD, ou un revêtement de bisulfure de molybdène, qui s’accroche bien sur les cristaux de surface de la portion en diamant.

[0157] De façon avantageuse, le ressort-moteur 10 obtenu selon l’invention, permet de quasiment supprimer les frottements existants auparavant entre un ressort-moteur conventionnel et le barillet 2. En outre, le ressort-moteur 10 de barillet selon l’invention ne présente quasiment plus de frottement interne entre ses spires lors de son déroulement. Ce point est particulièrement favorable à la régularité du couple délivré au mouvement d’horlogerie, donc à la régularité de l’amplitude du balancier et permet de mettre un terme au problème de lubrification (cf. l’ouvrage précité de L. Defossez «Théorie générale de l’horlogerie», ch. IV «Force motrice», Fig. 52 Facteurs influençant le rendement d’un ressort). Le ressort-moteur 10 à couche d’épaisseur extérieure 12 en diamant, selon l’invention, ne nécessite plus de graissage, ni de travail d’adoucissement ou d’arrondissement des bords (ni, bien sûr, de travail de recuit, de trempe, de revenu et d’étuvage comme les rubans métalliques en acier à ressort conventionnel).

[0158] Un avantage important du ressort-moteur 10 composé de diamant selon l’invention est qu’il ne perd quasiment pas de force élastique au cours du temps de fonctionnement, car le diamant ne connaît pas de déformation plastique. Ainsi le moment élastique et la quantité maximale d’énergie accumulée par le ressort-moteur de barillet selon l’invention reste constante au cours du temps et ne présente plus de problème de fatigue, ce qui contribue à assurer la durée de marche et la réserve de marche du mouvement d’horlogerie.

[0159] Et s’ajoutant à l’absence de déformation, la dureté du diamant lui permet de résister aux phénomènes d’usure, si bien que les ressorts-moteurs 10 composés de diamant selon l’invention promettent d’avoir une longue durée de vie, le diamant étant réputé pour sa longévité.

Claims (26)

1. Ressort-moteur (10) pour barillet de mouvement d’horlogerie, caractérisé en ce qu’il comporte une structure composite comprenant une première portion (11) réalisée en matériau de support, recouvert, au moins en partie, par une deuxième portion (12) réalisée en diamant.

2. Ressort-moteur de barillet selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau de support de la première portion (11) est un métalloïde, tel que du carbone, du silicium ou du germanium.

3. Ressort-moteur de barillet selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau de support de la première portion est du silicium cristallin.

4. Ressort-moteur de barillet selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau de support constituant la première portion (11) est un matériau métallique.

5. Ressort-moteur de barillet selon la revendication 1 ou 4, caractérisé en ce que la première portion (11) est dans un matériau de support choisi parmi les familles de métaux et d’alliages à base métallique, composés d’un ou de plusieurs éléments parmi les éléments Fe, Ni, Cr, Co, Cu, Mn, V, Ti, Se, W, avec addition éventuelle de C et/ou de Si, lesdites familles de matériaux métalliques comprenant notamment les alliages à base Fe-Ni, les alliages à base Fe-Cr, les alliages à base Fe-Co, les alliages à base Fe-Ni-Cr ou Fe-Ni-Co, les aciers durs ou mi-durs, les aciers trempables ou inoxydables, les aciers spéciaux classés non alliés ou faiblement alliés, ainsi que le titane et/ou les alliages de titane, le tungstène ou les alliages de tungstène.

6. Ressort-moteur de barillet selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la deuxième portion (12) est formée d’au moins une couche (12.2) en diamant polycristallin, d’épaisseur supérieure à dix micromètres.

7. Ressort-moteur de barillet selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la première portion (11) est disposée au cœur de la deuxième portion (12) en diamant.

8. Ressort-moteur de barillet selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la première portion (11) et la deuxième portion (12) présentent des sections sensiblement rectangulaires concentriques.

9. Ressort-moteur de barillet selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la deuxième portion (12) en diamant a une épaisseur (d) supérieure à un dixième de l’épaisseur (t) de la première portion (11).

10. Ressort-moteur de barillet selon l’une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la deuxième portion (12.2) couvre au moins un flanc (11.2) de la première portion (11).

11. Ressort-moteur de barillet selon l’une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la deuxième portion (12) présente, perpendiculairement à la surface (11.1–11.4) de la première portion (11), une épaisseur (d) de diamant supérieure à un sixième ou, de préférence, à un tiers de l’épaisseur (t) de la première portion (11).

12. Ressort-moteur de barillet selon l’une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que chaque spire du ressort-moteur présente une surface de section transversale en diamant supérieure à la surface de section transversale de la première portion (11).

13. Ressort-moteur de barillet selon l’une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu’il est composé majoritairement en volume de diamant par rapport au volume total du ressort-moteur.

14. Ressort-moteur de barillet selon l’une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu’il présente une épaisseur de spires (T) supérieure à une dizaine de micromètres et une hauteur de spires (H) supérieure à une centaine de micromètres.

15. Ressort-moteur de barillet selon l’une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que le ressort-moteur (10) détendu, présente une forme spiralée ou une forme renversée.

16. Ressort-moteur de barillet selon l’une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que la deuxième portion (12) est directement en contact de la surface (11.1–11.4) de la première portion (11).

17. Ressort-moteur de barillet selon l’une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce qu’un revêtement intercalaire de nucléation ou de germe de cristallisation est interposé entre la première portion (11) et la deuxième portion (12) en diamant.

18. Pièce d’horlogerie caractérisée en ce qu’elle comprend au moins un ressort-moteur (10) de barillet selon l’une des revendications précédentes, pour actionner un mouvement d’horlogerie.

19. Procédé de fabrication d’un ressort-moteur (10) de barillet présentant une structure composite comprenant une première portion (11) réalisée en matériau de support, recouvert, au moins en partie, par une deuxième portion (12) en diamant, le procédé comportant des étapes consistant à: – disposer d’une plaque (100) composée de matériau de support (101); – effectuer une gravure (106), sensiblement verticale (h ́), dans le matériau de support (101), à travers un masque (105) de gravure; – extraire au moins une première portion (11) obtenue en matériau de support; – déposer sur chaque première portion (11), une deuxième portion (12) en diamant.

20. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la plaque de matériau de support est une plaque (100) comportant au moins une couche (101) en silicium cristallin.

21. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la surface de chaque première portion (11) en silicium est préservée de toute oxydation, ou le cas échéant, une telle couche d’oxyde de silicium est décapée.

22. Procédé selon l’une des revendications 19 à 21, dans lequel la gravure (106) est effectuée par gravure ionique réactive profonde sensiblement verticale dans la hauteur (h ́) de la plaque (100).

23. Procédé selon l’une des revendications 19 à 22, dans lequel le masque de gravure comporte au moins une nervure (105) présentant, parallèlement au plan de la plaque, un profil d’enroulement formant une courbure spiralée ou renversée.

24. Procédé selon l’une des revendications 19 à 23, dans lequel la deuxième portion (12) est formée par dépôt d’au moins une couche (12.2) de diamant polycristallin, d’épaisseur (d) supérieure à une dizaine de micromètres.

25. Procédé selon la revendication 24, dans lequel le dépôt (12) de diamant formant la deuxième portion sur la première portion (11) est effectué perpendiculairement au plan formé par les spires (10) et/ou à la hauteur (h ́) de la première portion (11).

26. Procédé de fabrication d’un ressort-moteur (10) de barillet présentant une structure composite comprenant une première portion (11) réalisée en matériau de support, recouvert, au moins en partie, par une deuxième portion (12) en diamant, le procédé comportant des étapes consistant à: – disposer d’une plaque (100) composée de matériau de support (101) – effectuer deux gravures, sensiblement verticales, à travers deux masques (104, 114) de gravure symétriques (105, 115) disposés sur deux faces opposées de la plaque (100), les gravures étant effectuées sur la hauteur totale de la plaque (100); – extraire au moins une première portion (11) obtenue en matériau de support; – déposer sur chaque première portion (11) une deuxième portion (12) en diamant.