EP3680731A1 - Procede de fabrication de composants horlogers en materiau fragile - Google Patents

Procede de fabrication de composants horlogers en materiau fragile Download PDF

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EP3680731A1 EP19150749.0A EP19150749A EP3680731A1 EP 3680731 A1 EP3680731 A1 EP 3680731A1 EP 19150749 A EP19150749 A EP 19150749A EP 3680731 A1 EP3680731 A1 EP 3680731A1
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Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing watch components made of fragile material.
  • fragile material is meant any material which, at ambient temperature (25 ° C.), does not have a plastic domain and is therefore not capable of deforming permanently. A fragile material breaks without prior plastic deformation.
  • fragile material mention may be made of glasses, silicon, graphite, carbon, quartz, sapphire and ceramics such as silicon nitride or silicon carbide.
  • the present invention aims to remedy these drawbacks or at least to mitigate them and proposes for this purpose a method according to claim 1, particular embodiments being defined in the dependent claims.
  • the figure 1 schematically illustrates a process for manufacturing watch components, in particular for wristwatches or pocket watches, according to the invention.
  • a first step in the process consists in etching a silicon wafer 10, preferably by deep reactive ion etching DRIE, in order to form therein a batch of horological components 11 ( figure 1 (a) ).
  • the silicon is monocrystalline or polycrystalline, preferably monocrystalline.
  • the watch components 11 are for example indicator hands as illustrated in the figure 2 .
  • Bridges of material 12 are left during the etching between the watch components 11 and the rest of the silicon wafer 10 to prevent the watch components 11 from coming loose.
  • the silicon wafer 10 with its watch components 11 is placed in an oven to be subjected to a heat treatment, at a temperature typically between 500 ° C and 1300 ° C, preferably between 800 ° C and 1200 ° C, more preferably between 1000 ° C and 1200 ° C. At these temperatures, the silicon becomes ductile and can therefore be permanently deformed.
  • the silicon wafer 10 rests by its underside on a hollow support 13 ( figure 1 (b) ).
  • the silicon wafer 10 can be fixed to the support 13 or simply positioned thereon.
  • a tool 14 is applied to the upper face of the silicon wafer 10 in the form of a wafer carrying projections 15 ( figure 1 (c) ).
  • the tool 14 is positioned so that the projections 15 are placed facing respective zones 16 of the watch components 11 to be deformed, these zones 16 to be deformed being themselves facing recesses 17 of the support 13 in order to be able to deform freely.
  • the projections 15 put the zones 16 under stress so as to deform them simultaneously and plastically ( figure 1 (d) ).
  • Each of the watch components 11 excluding its zone 16 is in abutment against the support 13 to prevent its detachment from the plate 10 during the application of the tool 14.
  • the projections 15 may be of any suitable shape.
  • the support 13 and the tool 14 are each made of a material which resists the temperatures of the heat treatment, for example quartz, fused silica, silicon carbide, a plastic based on polyimide such as Vespel (registered trademark). , a metal, an alloy or a ceramic. These materials also have the advantage of not sticking to the silicon of the wafer 10 during the heat treatment.
  • the silicon wafer 10 is extracted from the oven and cooled ( figure 1 (e) ), then the deformed horological components 11 are detached from the plate 10 by breaking or eliminating the material bridges 12.
  • the method according to the invention makes it possible to obtain needles whose ends are curved, as illustrated in FIG. figure 3 , to follow the curved profile of a dial or to improve the reading accuracy for, for example, a second hand which is distant from the dial by its position above the other hands.
  • Other types of horological components than hands can be produced by the process according to the invention, for example dials, springs, in particular rocking or lever springs, wheels, toothed or not, such as exhaust or gear wheels, anchors, flip-flops, levers, pawls, jumpers, etc.
  • the dials (cf. figure 4 ) can be curved, for example to be combined with needles of the type illustrated in the figure 3 .
  • the escape wheels (cf. figure 6 ) can be curved.
  • the gear wheels (cf. figure 7 ) may include curved tabs 18.
  • the deformation of the components may have a functional purpose, for example allowing the component to cooperate with a partner component located in another plane or reducing the friction surfaces between two partner components. It can also, in addition or as an alternative, have an aesthetic purpose.
  • various complementary treatments can be implemented to improve the characteristics of said components, for example their mechanical strength, their tribological properties, their aesthetic appearance, etc. It is thus possible in particular to provide for the formation of an oxide layer on the components.
  • the present invention can be applied to other fragile materials than silicon, in particular to other monocrystalline materials or to materials such as glasses, quartz, sapphire or ceramics.
  • the present invention offers an industrial solution for producing watch components in fragile three-dimensional material. having shapes which it is difficult or even impossible to obtain with known methods.

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Abstract

Le procédé de fabrication de composants horlogers en matériau fragile selon l'invention comprenant les étapes suivantes : a) réaliser des composants horlogers (11) dans une plaquette (10) de matériau fragile, les composants horlogers (11) restant attachés à la plaquette (10) par des ponts de matière (12) ; b) soumettre les composants horlogers (11) à un traitement thermique et, pendant ce traitement thermique, appliquer au moyen d'un outil (14) une contrainte sur au moins une zone (16) d'au moins un des composants horlogers (11) afin de la déformer de manière permanente, l'au moins un des composants horlogers (11), à l'exclusion de l'au moins une zone (16), étant en appui contre un support (13) pendant l'application de la contrainte ; c) après l'étape b), détacher les composants horlogers de la plaquette (10).

Description

  • La présente invention concerne un procédé de fabrication de composants horlogers en matériau fragile. Par « matériau fragile » on entend tout matériau qui, à température ambiante (25°C), ne présente pas de domaine plastique et n'est donc pas capable de se déformer de manière permanente. Un matériau fragile rompt sans déformation plastique préalable.
  • Comme exemples de matériau fragile, on peut citer les verres, le silicium, le graphite, le carbone, le quartz, le saphir et les céramiques telles que le nitrure de silicium ou le carbure de silicium.
  • En horlogerie, on utilise de plus en plus de tels matériaux, notamment le silicium, pour réaliser des composants tels que des roues d'échappement, des ancres, des ressorts spiraux, des balanciers ou des oscillateurs à guidage flexible.
  • Ces composants horlogers sont généralement fabriqués par une combinaison d'étapes de photolithographie et de gravure anisotrope. Les techniques existantes permettent de réaliser des composants étagés constitués de couches planaires superposées, chacune de ces couches étant structurée bidimensionnellement. Ces techniques sont toutefois compliquées à mettre en oeuvre. De plus, les composants obtenus présentent nécessairement des flancs sensiblement verticaux. On comprendra donc que ces techniques limitent drastiquement le choix des concepteurs en ce qui concerne la géométrie tridimensionnelle qu'ils peuvent donner aux composants.
  • La présente invention vise à remédier à ces inconvénients ou au moins à les atténuer et propose à cette fin un procédé selon la revendication 1, des modes de réalisation particuliers étant définis dans les revendications dépendantes.
  • D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée suivante faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :
    • la figure 1 est un schéma montrant différentes étapes du procédé selon l'invention ;
    • la figure 2 est une vue de dessus partielle d'une plaquette de matériau fragile dans laquelle ont été gravés des composants horlogers, en l'occurrence des aiguilles indicatrices ;
    • la figure 3 est une vue en perspective d'une aiguille indicatrice obtenue par le procédé selon l'invention ;
    • la figure 4 est une vue en perspective d'un cadran obtenu par le procédé selon l'invention ;
    • la figure 5 est une vue en perspective d'un ressort obtenu par le procédé selon l'invention ;
    • la figure 6 est une vue en perspective d'une roue d'échappement obtenue par le procédé selon l'invention ; et
    • la figure 7 est une vue en perspective d'une roue d'engrenage obtenue par le procédé selon l'invention ;
  • La figure 1 illustre schématiquement un procédé de fabrication de composants horlogers, notamment pour montres-bracelets ou montres de poche, selon l'invention. Une première étape du procédé consiste à graver une plaquette de silicium 10, de préférence par gravure ionique réactive profonde DRIE, afin d'y former un lot de composants horlogers 11 (figure 1(a)). Le silicium est monocristallin ou polycristallin, de préférence monocristallin. Les composants horlogers 11 sont par exemple des aiguilles indicatrices comme illustré à la figure 2. Des ponts de matière 12 sont laissés pendant la gravure entre les composants horlogers 11 et le reste de la plaquette de silicium 10 pour empêcher les composants horlogers 11 de se détacher.
  • Après la gravure, la plaquette de silicium 10 avec ses composants horlogers 11 est placée dans un four pour être soumise à un traitement thermique, à une température typiquement comprise entre 500°C et 1300°C, de préférence entre 800°C et 1200°C, de préférence encore entre 1000°C et 1200°C. A ces températures, le silicium devient ductile et peut donc se déformer de manière permanente. Dans le four, la plaquette de silicium 10 repose par sa face inférieure sur un support évidé 13 (figure 1(b)). La plaquette de silicium 10 peut être fixée au support 13 ou simplement positionnée sur celui-ci. Pendant le traitement thermique, on applique sur la face supérieure de la plaquette de silicium 10 un outil 14 se présentant sous la forme d'une plaquette portant des saillies 15 (figure 1(c)). L'outil 14 est positionné de telle sorte que les saillies 15 soient placées en regard de zones 16 respectives des composants horlogers 11 à déformer, ces zones 16 à déformer étant elles-mêmes en regard d'évidements 17 du support 13 pour pouvoir se déformer librement. Lors de l'application de l'outil 14 sur la plaquette de silicium 10, les saillies 15 mettent les zones 16 sous contrainte de manière à les déformer simultanément et plastiquement (figure 1(d)). Chacun des composants horlogers 11 à l'exclusion de sa zone 16 est en appui contre le support 13 pour empêcher son détachement de la plaquette 10 pendant l'application de l'outil 14. Les saillies 15 peuvent être de toute forme appropriée.
  • Le support 13 et l'outil 14 sont chacun faits dans un matériau qui résiste aux températures du traitement thermique, par exemple le quartz, la silice fondue, le carbure de silicium, un plastique à base de polyimide tel que le Vespel (marque déposée), un métal, un alliage ou une céramique. Ces matériaux présentent aussi l'avantage de ne pas coller au silicium de la plaquette 10 pendant le traitement thermique.
  • Une fois les composants horlogers 11 déformés par l'outil 14, la plaquette de silicium 10 est extraite du four et refroidie (figure 1(e)), puis les composants horlogers 11 déformés sont détachés de la plaquette 10 par rupture ou élimination des ponts de matière 12.
  • Dans des variantes de l'invention, seulement certains, voire un seul, des composants horlogers 11 sont déformés par l'outil 14 pendant le traitement thermique. En outre, pour le ou chacun des composants horlogers 11 à déformer on peut déformer plusieurs zones 16 du composant.
  • Dans le cas d'aiguilles indicatrices, le procédé selon l'invention permet d'obtenir des aiguilles dont l'extrémité est courbée, comme illustré à la figure 3, pour suivre le profil galbé d'un cadran ou pour améliorer la précision de lecture pour par exemple une aiguille de seconde qui est éloignée du cadran de par sa position au-dessus des autres aiguilles. D'autres types de composants horlogers que des aiguilles peuvent être fabriqués par le procédé selon l'invention, par exemple des cadrans, des ressorts, notamment ressorts de bascule ou de levier, des roues, dentées ou non, telles que des roues d'échappement ou des roues d'engrenage, des ancres, des bascules, des leviers, des cliquets, des sautoirs, etc. Les cadrans (cf. figure 4) peuvent être galbés, par exemple pour être associés avec des aiguilles du type illustré à la figure 3. Les ressorts (cf. figure 5) peuvent avoir leur extrémité courbée. Les roues d'échappement (cf. figure 6) peuvent être galbées. Les roues d'engrenage (cf. figure 7) peuvent comporter des pattes recourbées 18. La déformation des composants peut avoir un but fonctionnel, par exemple permettre au composant de coopérer avec un composant partenaire situé dans un autre plan ou diminuer les surfaces de frottement entre deux composants partenaires. Elle peut aussi, en complément ou en alternative, avoir un but esthétique.
  • Avant ou après la déformation des composants, divers traitements complémentaires peuvent être mis en oeuvre pour améliorer les caractéristiques desdits composants, par exemple leur résistance mécanique, leurs propriétés tribologiques, leur aspect esthétique, etc. On peut ainsi prévoir notamment la formation d'une couche d'oxyde sur les composants.
  • La présente invention peut s'appliquer à d'autres matériaux fragiles que le silicium, en particulier à d'autres matériaux monocristallins ou à des matériaux tels que les verres, le quartz, le saphir ou les céramiques.
  • On appréciera que la présente invention offre une solution industrielle pour produire des composants horlogers en matériau fragile tridimensionnels présentant des formes qu'il est difficile voire impossible d'obtenir avec les procédés connus.

Claims (11)

  1. Procédé de fabrication de composants horlogers en matériau fragile, comprenant les étapes suivantes :
    a) réaliser des composants horlogers (11) dans une plaquette (10) de matériau fragile, les composants horlogers (11) restant attachés à la plaquette (10) par des ponts de matière (12),
    b) soumettre les composants horlogers (11) à un traitement thermique et, pendant ce traitement thermique, appliquer au moyen d'un outil (14) une contrainte sur au moins une zone (16) d'au moins un des composants horlogers (11) afin de la déformer de manière permanente, l'au moins un des composants horlogers (11), à l'exclusion de l'au moins une zone (16), étant en appui contre un support (13) pendant l'application de la contrainte,
    c) après l'étape b), détacher les composants horlogers de la plaquette (10).
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape a) comprend une étape de gravure ionique réactive profonde.
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le traitement thermique à l'étape b) est effectué à une température comprise entre 500°C et 1300°C.
  4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'à l'étape b) la contrainte est appliquée au moyen de l'outil (14) simultanément sur les composants horlogers (11) ou plusieurs desdits composants horlogers (11) afin de les déformer de manière permanente.
  5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'à l'étape b) la contrainte est appliquée par au moins une saillie (15) que comprend l'outil (14).
  6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'outil (14) est en quartz, silice fondue, carbure de silicium, plastique à base de polyimide, métal, alliage ou céramique.
  7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le support (13) est en quartz, silice fondue, carbure de silicium, plastique à base de polyimide, métal, alliage ou céramique.
  8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le matériau fragile est du silicium, du verre, du quartz, du saphir ou une céramique.
  9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le matériau fragile est un matériau monocristallin.
  10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les composants horlogers (11) comprennent des aiguilles indicatrices, des cadrans, des ressorts, des roues, des ancres, des bascules, des leviers, des cliquets ou des sautoirs.
  11. Composant horloger en matériau fragile susceptible d'être obtenu et déformé par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10.
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