Procédé de fabrication d'un composant mécanique, notamment horloger

Description

[0001] La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un composant mécanique, notamment horloger, et plus particulièrement un procédé de micro-fabrication d'un tel composant, c'est-à-dire un procédé dont la précision d'usinage est de l'ordre du micron ou inférieure au micron.

[0002] Dans le domaine horloger, des composants tels que des roues dentées, des échappements, des balanciers et des spiraux sont maintenant faits en silicium. Le silicium présente plusieurs avantages, notamment sa faible densité, son élasticité, son amagnétisme et son aptitude à être usiné par des techniques de gravure. Par contre, la résistance mécanique du silicium, en particulier sa résistance aux chocs, est faible car, d'une part, le silicium ne se déforme pas plastiquement et, d'autre part, les amorces de rupture se propagent très facilement le long de ses plans cristallins. Pour cette raison, il a été proposé dans la demande de brevet WO 2007/000271 de renforcer des pièces en silicium par un revêtement d'un matériau amorphe épais, tel que l'oxyde, le nitrure ou le carbure de silicium, le nitrure ou le carbure de titane, l'oxyde de silicium étant le matériau préféré et son épaisseur étant, dans ce cas, au moins cinq fois supérieure à l'épaisseur de l'oxyde de silicium formé naturellement à la surface du silicium au contact de l'air ambiant. Des composants horlogers comprenant une structure en silicium recouverte d'une couche de renfort en oxyde de silicium sont également décrits dans la demande de brevet WO 2008/135817 de la présente demanderesse. D'autres composants horlogers en silicium sont décrits dans les demandes de brevet EP 1722281 et EP 2145857.

[0003] Les techniques de micro-gravure utilisées pour la fabrication de pièces en silicium permettent la réalisation simultanée d'un lot de pièces à partir d'une même plaque de silicium. Ainsi, lors de la gravure, des parties en silicium sont laissées pour constituer des attaches ou ponts maintenant chacune des pièces attachée au reste de la plaque. Ces attaches seront plus tard cassées pour libérer les pièces de la plaque. Comme l'indique la demande de brevet précitée WO 2008/135817, les attaches peuvent n'être cassées qu'à la fin du procédé de fabrication, ce qui implique que la couche de renfort est formée, après la gravure, sur toute la plaque de silicium, y compris les pièces et les attaches. En pratique, après la libération des pièces de la plaque, s'il reste des parties d'attache sur les pièces, elles sont éliminées par usinage ou abrasion, pour des raisons esthétiques.

[0004] Les zones de la surface des pièces finales où se trouvaient les attaches sont en silicium. En d'autres termes, elles ne sont pas recouvertes par la couche de renfort en oxyde de silicium puisque cette couche a été formée avant la rupture des attaches. Une couche d'oxyde de silicium peut se former naturellement sur ces zones au contact de l'air ambiant mais cette couche, du fait de sa faible épaisseur, n'a pas d'effet sur la résistance mécanique des pièces. Ces zones constituent donc des zones de fragilité qui laisseront les éventuelles amorces de rupture consécutives à des chocs se propager à l'intérieur de la pièce et causer une rupture de celle-ci. De plus, la fragilité de ces zones est aggravée par le fait que leur état de surface est généralement moins bon que celui du reste de la pièce et qu'elles peuvent dès leur formation présenter des micro-fissures.

[0005] La présente invention vise à remédier ou au moins atténuer cet inconvénient et propose à cette fin un procédé de fabrication d'un composant mécanique destiné à être monté dans un mécanisme, notamment horloger, comprenant les étapes suivantes :

• graver une pièce ayant une forme souhaitée pour le composant dans une plaque d'un premier matériau en laissant des attaches entre la pièce et le reste de la plaque,
• couvrir la plaque d'un deuxième matériau destiné à augmenter la résistance mécanique du composant, le deuxième matériau couvrant ainsi la pièce et les attaches, et
• détacher la pièce de la plaque,

caractérisé en ce qu'au moins une partie d'au moins une attache est laissée sur le composant final prêt à être monté dans le mécanisme, et en ce que ladite au moins une partie d'au moins une attache fait saillie sur la tranche du composant final et présente au moins l'une des caractéristiques suivantes :

• une longueur au moins égale à sa largeur,
• une longueur au moins égale à son épaisseur,
• une longueur au moins égale à la moitié de la longueur qu'avait l'attache avant l'étape de détachement.

[0006] De manière surprenante, il a été constaté que les attaches, si elles sont laissées sur le composant final, ont un effet technique très avantageux en ce qu'elles augmentent significativement la résistance mécanique du composant. Cet effet s'explique selon les présents inventeurs par le fait que les attaches ou parties d'attache éloignent du reste de la surface extérieure du composant les surfaces non revêtues créées par le détachement de la structure. Cet éloignement limite la propagation des amorces de rupture.

[0007] De préférence, ladite au moins une partie d'au moins une attache consiste en au moins une partie de chaque attache.

[0008] L'étape de détachement est de préférence mise en oeuvre en coupant les attaches par des moyens d'usinage, par exemple par un laser.

[0009] Le premier matériau est par exemple du silicium.

[0010] Le deuxième matériau est par exemple de l'oxyde de silicium, du diamant ou du carbure de silicium.

[0011] Dans une application avantageuse, le composant mécanique consiste en une pièce composite comportant à sa périphérie au moins une partie de plus grande masse volumique que le reste de la pièce.

[0012] Le composant mécanique consiste par exemple en un balancier ou une masse oscillante pour un mécanisme horloger.

[0013] 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 une vue de dessus d'un balancier fabriqué par le procédé selon l'invention ;
• la figure 2 est une vue de profil, partiellement coupée suivant un demi-axe II-II, du balancier illustré à la figure 1 ;
• la figure 3 est une vue en perspective d'une partie de la périphérie du balancier illustré aux figures 1 et 2 comprenant un reste d'attache ;
• la figure 4 est une vue partielle de dessus du balancier à un stade de sa fabrication où il est encore attaché à la plaque dans laquelle il a été formé ; et
• la figure 5 est une vue de dessus d'une partie d'attache restant sur le balancier.

[0014] En référence aux figures 1 et 2, un composant mécanique fabriqué par le procédé selon l'invention est par exemple sous la forme d'un balancier 1 pour un organe régulateur de type balancier - spiral d'un mouvement d'horlogerie mécanique. Le balancier 1 comprend une structure 2 ayant une faible masse volumique et, à la périphérie de la structure 2, des parties métalliques 3 ayant une masse volumique élevée. La structure 2 comprend une planche 4 d'épaisseur e, typiquement constante. La planche 4 présente une partie centrale annulaire 5 à travers laquelle peut passer l'arbre sur lequel est destiné à être monté le balancier, une serge 6, par exemple annulaire, des bras 7 reliant la partie centrale 5 à la serge 6 et, dans la serge 6, des cavités 8 dans lesquelles sont situées les parties métalliques 3. La structure 2 comprend aussi des rebords 9 faisant saillie sur la surface supérieure de la planche 4. Ces rebords 9 prolongent en hauteur la paroi des cavités 8, permettant aux cavités 8 et donc aux parties métalliques 3 qui les remplissent d'avoir une plus grande hauteur ou épaisseur h que l'épaisseur e de la planche 4. Les cavités 8 et les parties métalliques 3 ont une forme allongée et courbe qui suit le contour circulaire de la structure 2 et sont régulièrement réparties le long de ce contour circulaire. Le nombre et les dimensions des parties métalliques 3 peuvent varier. Leur fonction est d'alourdir la serge 6 afin d'augmenter le rapport moment d'inertie sur masse du balancier. La structure 2 est en un matériau de base 10, par exemple du silicium, recouvert d'un revêtement 11 destiné à augmenter la résistance mécanique du composant, notamment sa résistance aux chocs. Le revêtement 11 est par exemple une couche d'oxyde de silicium ou une couche de diamant ou de carbure de silicium.

[0015] Le balancier 1 est fabriqué selon un procédé similaire à celui décrit dans la demande de brevet WO 2008/135817 de la présente demanderesse. Ainsi, une plaque du matériau de base est gravée, de préférence par gravure ionique réactive profonde DRIE (Deep Reactive Ion Etching), pour former un lot de pièces ayant chacune la forme de la structure 2, chacune de ces pièces étant attachée au reste de la plaque par des attaches ou ponts de matière laissés pendant la gravure. Ensuite, le revêtement 11 est formé sur toutes les surfaces de la plaque, y compris les surfaces des pièces et des attaches. Puis les parties métalliques 3 sont formées dans des cavités définies par les pièces revêtues, à savoir les cavités 8, par électro-formage (croissance galvanique). Enfin, les pièces sont détachées de la plaque.

[0016] Dans le cas d'un revêtement 11 d'oxyde de silicium sur un matériau de base 10 constitué de silicium, le revêtement 11 peut être formé en appliquant un traitement thermique à la plaque pour oxyder ses surfaces, comme dans la demande de brevet WO 2008/135817. Dans les autres cas, le revêtement 11 peut être formé par exemple par un dépôt chimique en phase vapeur ou un dépôt physique en phase vapeur.

[0017] Dans la présente invention, le détachement des pièces de la plaque est effectué d'une manière qui laisse des parties d'attache 12 sur les pièces, les pièces détachées avec leurs parties d'attache 12 constituant des composants finaux du type du balancier 1 prêts à être intégrés dans un mouvement. Comme montré aux figures 1 et 3, les parties d'attache 12 font saillie sur la tranche de chaque pièce. Ces parties d'attache 12 sont couvertes par le revêtement 11 sauf sur leur surface d'extrémité 13 créée par le détachement des pièces de la plaque.

[0018] La figure 4 montre partiellement une pièce 14 telle qu'obtenue juste avant son détachement de la plaque, désignée par le repère 15. La pièce 14 est attachée au reste de la plaque 15 par des attaches 16, dont une seule est représentée. Ailleurs qu'au niveau des attaches 16, la pièce 14 est séparée du reste de la plaque 15 par le trait de gravure 17 dont la largeur est typiquement constante. Dans la présente invention, le trait de gravure 17 forme un coude de chaque côté des attaches 16 de manière à définir des renfoncements 18 dans le reste de la plaque 15 qui permettent d'augmenter la longueur des attaches 16. Chaque attache 16 relie ainsi la pièce 14 au fond d'un renfoncement 18 et a donc pour longueur la somme de la largeur du trait de gravure 17 et de la profondeur du renfoncement 18. Le détachement de la pièce 14 est effectué en coupant les attaches 16 le long d'une ligne 19 située entre l'ouverture et le fond du renfoncement 18 par des moyens d'usinage tels qu'un laser. Ainsi, la partie 12 de l'attache 16 restant sur le composant final présente une grande longueur L, supérieure ou égale à sa largeur l et/ou à son épaisseur e mesurées au niveau de la surface d'extrémité 13 (cf. figures 2 et 5). Dans l'exemple représenté, la longueur L de la partie d'attache 12 restant sur le composant final est supérieure à la largeur l de ladite partie d'attache 12. De plus, la longueur L de la partie d'attache 12 est typiquement supérieure ou égale à la moitié de la longueur de l'attache 16.

[0019] Des expériences de résistance aux chocs réalisées par la présente demanderesse au moyen d'un appareil de type mouton pendule sur des mouvements d'horlogerie équipés de balanciers comportant des parties d'attache sur leur tranche et sur des mouvements d'horlogerie équipés des mêmes balanciers mais sans parties d'attaches sur leur tranche, ont montré que, dans le premier cas, les balanciers supportaient des chocs bien plus grands que dans le second cas. En référence à la figure 5, ces résultats peuvent s'expliquer selon les présents inventeurs par le fait que les surfaces du balancier 1 non recouvertes par le revêtement 11, à savoir les surfaces 13 formant les extrémités des parties d'attache 12, sont éloignées radialement de la tranche du balancier 1 et donc d'une certaine manière isolées du reste du balancier 1. Ainsi, si une amorce de rupture se produit en un point donné A d'une surface non recouverte et donc non protégée 13 à cause d'un choc subi par le mouvement dans lequel est monté le balancier 1, cette amorce ne pourra se propager dans le balancier 1 que si la ligne de contraintes est située dans un angle α qui est d'autant plus petit que la longueur de la partie d'attache 12 est grande. Si la ligne de contraintes est en dehors de l'angle a, comme c'est le cas pour la ligne B illustrée à la figure 5, alors l'amorce de rupture ne se propagera pas plus loin qu'un côté de la partie d'attache 12, de sorte que le reste du balancier 1 ne sera pas affecté. Au contraire, dans l'état de la technique où les parties d'attache 12 sont éliminées avant l'intégration du balancier dans le mouvement, la surface non recouverte 13 affleure la tranche du balancier et donc la propagation des amorces de rupture n'est pas limitée. Avec la présente invention, le risque de rupture ou d'endommagement majeur du balancier 1 lors de chocs est statistiquement significativement réduit.

[0020] La présente invention est particulièrement avantageuse dans l'exemple représenté où le balancier 1 est alourdi à sa périphérie par des parties de masse volumique élevée, à savoir les parties métalliques 3, et où sa partie intérieure constituée par la partie centrale annulaire 5 et les bras 7 est légère. Dans cet exemple, en effet, les contraintes reçues par la périphérie du balancier 1, là où se trouvent les surfaces non protégées 13, en cas de choc axial subi par le balancier 1 peuvent être très élevées.

[0021] Pour réduire encore les risques de rupture ou d'endommagement du balancier 1 en cas de choc, les attaches 16 peuvent être placées à des endroits dont on sait que les contraintes seront moins élevées. Dans l'exemple représenté, les attaches 16 sont situées, dans la direction circonférentielle, entre les parties métalliques 3.

[0022] Au lieu d'être coupées par des moyens d'usinage, les attaches 16 pourraient être rompues mécaniquement en leur appliquant une force ou un couple de torsion. Dans ce cas, pour s'assurer que les parties d'attache 12 présentent une longueur suffisante, les attaches 16 comporteraient une zone faible, c'est-à-dire de plus petite section, déterminant l'endroit où la rupture doit se produire. Dans une autre variante, les attaches 16 pourraient être coupées par gravure chimique.

[0023] Bien qu'il soit préférable qu'au moins une partie de chaque attache 16 soit laissée sur le composant final, la présente invention n'exclut pas d'éliminer certaines des attaches 16 si cela est souhaité.

[0024] Le revêtement 11 pourrait ne pas être formé sur toutes les surfaces de la plaque de matériau de base, mais par exemple uniquement sur sa surface supérieure ou inférieure.

[0025] Enfin, il va de soi que la présente invention pourrait s'appliquer à d'autres balanciers que celui représenté, par exemple des balanciers plus traditionnels ne comportant pas les parties métalliques 3, ainsi qu'à d'autres composants que des balanciers, notamment des composants tels que les masses oscillantes qui, comme les balanciers, ont généralement une périphérie plus lourde que leur partie intérieure.

Revendications

1. Procédé de fabrication d'un composant mécanique destiné à être monté dans un mécanisme, notamment horloger, comprenant les étapes suivantes :

- graver une pièce ayant une forme souhaitée pour le composant dans une plaque d'un premier matériau (10) en laissant des attaches entre la pièce et le reste de la plaque,

- couvrir la plaque d'un deuxième matériau (11) destiné à augmenter la résistance mécanique du composant, le deuxième matériau (11) couvrant ainsi la pièce et les attaches, et

- détacher la pièce (14) de la plaque (15),

caractérisé en ce qu'au moins une partie (12) d'au moins une attache (16) est laissée sur le composant final (1) prêt à être monté dans le mécanisme, et en ce que ladite au moins une partie (12) d'au moins une attache (16) fait saillie sur la tranche du composant final (1) et présente au moins l'une des caractéristiques suivantes :

- une longueur (L) au moins égale à sa largeur (l),

- une longueur (L) au moins égale à son épaisseur (e),

- une longueur (L) au moins égale à la moitié de la longueur qu'avait l'attache (16) avant l'étape de détachement.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite au moins une partie (12) d'au moins une attache (16) laissée sur le composant final (1) a une longueur (L) au moins égale à sa largeur (l).

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite au moins une partie (12) d'au moins une attache (16) laissée sur le composant final (1) a une longueur (L) au moins égale à son épaisseur (e).

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite au moins une partie (12) d'au moins une attache (16) laissée sur le composant final (1) a une longueur (L) au moins égale à la moitié de la longueur qu'avait l'attache (16) avant l'étape de détachement.

5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite au moins une partie (12) d'au moins une attache (16) consiste en au moins une partie (12) de chaque attache (16).

6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'étape de détachement est mise en oeuvre en coupant les attaches (16) par des moyens d'usinage.

7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'étape de détachement est mise en oeuvre en coupant les attaches (16) par un laser.

8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le premier matériau est du silicium.

9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le deuxième matériau est de l'oxyde de silicium, du diamant ou du carbure de silicium.

10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le composant mécanique consiste en une pièce composite (1) comportant à sa périphérie au moins une partie (3) de plus grande masse volumique que le reste de la pièce (1).

11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le composant mécanique consiste en un balancier (1) ou une masse oscillante pour un mécanisme horloger.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines mechanischen Bauteils, das dazu bestimmt ist, in einem Mechanismus montiert zu werden, insbesondere für Uhren, das die folgenden Schritte umfasst:

- Gravieren eines Teils, das eine gewünschte Form für das Bauteil aufweist, in einer Platte aus einem ersten Material (10) unter Bewahrung von Befestigungen zwischen dem Teil und dem Rest der Platte,

- Bedecken der Platte mit einem zweiten Material (11), das dazu bestimmt ist, die mechanische Festigkeit des Bauteils zu erhöhen, wobei das zweite Material (11) somit das Teil und die Befestigungen bedeckt, und

- Lösen des Teils (14) von der Platte (15),

dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Abschnitt (12) von mindestens einer Befestigung (16) auf dem Endbauteil (1) gelassen wird, das bereit ist, um in dem Mechanismus montiert zu werden, und dadurch, dass der mindestens eine Abschnitt (12) von mindestens einer Befestigung (16) auf dem Rand des Endbauteils (1) hervorsteht und mindestens eines der folgenden Merkmale aufweist:

- eine Länge (L), die mindestens gleich seiner Breite (l) ist,

- eine Länge (L), die mindestens gleich seiner Dicke (e) ist,

- eine Länge (L), die mindestens gleich der Hälfte der Länge ist, die die Befestigung (16) vor dem Schritt des Lösens aufwies.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens ein Abschnitt (12) von mindestens einer Befestigung (16), der auf dem Endbauteil (1) gelassen wird, eine Länge (L) aufweist, die mindestens gleich seiner Breite (l) ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Abschnitt (12) von mindestens einer Befestigung (16), der auf dem Endbauteil (1) gelassen wird, eine Länge (L) aufweist, die mindestens gleich seiner Dicke (e) ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Abschnitt (12) von mindestens einer Befestigung (16), der auf dem Endbauteil (1) gelassen wird, eine Länge (L) aufweist, die mindestens gleich der Hälfte der Länge ist, die die Befestigung (16) vor dem Schritt des Lösens aufwies.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Abschnitt (12) von mindestens einer Befestigung (16) aus mindestens einem Abschnitt (12) von jeder Befestigung (16) besteht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Lösens durch Schneiden der Befestigungen (16) durch Bearbeitungsmittel durchgeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Lösens durch Schneiden der Befestigungen (16) durch einen Laser durchgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material Silizium ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material Siliziumoxid, Diamant oder Siliziumcarbid ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Bauteil aus einem Verbundteil (1) besteht, das an seiner Peripherie mindestens einen Abschnitt (3) mit höherer Dichte aufweist als der Rest des Teils (1).

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Bauteil aus einer Unruh (1) oder einer Schwungmasse für einen Mechanismus für Uhren besteht.

Claims

1. Method for manufacturing a mechanical component intended to be mounted in a mechanism, in particular a timepiece mechanism, comprising the following steps:

- etching a piece having a desired shape for the component in a plate made from a first material (10) while leaving attachment portions between the piece and the rest of the plate,

- covering the plate with a second material (11) intended to increase the mechanical strength of the component, the second material (11) thus covering the piece and the attachment portions, and

- detaching the piece (14) from the plate (15),

characterised in that at least a part (12) of at least one attachment portion (16) is left on the final component (1) ready to be mounted into the mechanism, and in that said at least a part (12) of at least one attachment portion (16) projects from the edge of the final component (1) and has at least one of the following features:

- a length (L) at least equal to its width (I),

- a length (L) at least equal to its thickness (e),

- a length (L) at least equal to half the length that the attachment portion (16) had before the detaching step.

2. Method according to claim 1, characterised in that said at least a part (12) of at least one attachment portion (16) left on the final component (1) has a length (L) at least equal to its width (I).

3. Method according to claim 1 or 2, characterised in that said at least a part (12) of at least one attachment portion (16) left on the final component (1) has a length (L) at least equal to its thickness (e).

4. Method according to any of claims 1 to 3, characterised in that said at least a part (12) of at least one attachment portion (16) left on the final component (1) has a length (L) at least equal to half the length that the attachment portion (16) had before the detaching step.

5. Method according to any of claims 1 to 4, characterised in that that said at least a part (12) of at least one attachment portion (16) consists of at least a part (12) of each attachment portion (16).

6. Method according to any of claims 1 to 5, characterised in that the detaching step is performed by cutting the attachment portions (16) by means of machining means.

7. Method according to claim 6, characterised in that the detaching step is performed by cutting the attachment portions (16) by means of a laser.

8. Method according to any of claims 1 to 7, characterised in that the first material is silicon.

9. Method according to any of claims 1 to 8, characterised in that the second material is silicon oxide, diamond or silicon carbide.

10. Method according to any of claims 1 to 9, characterised in that the mechanical component consists of a composite piece (1) comprising at its periphery at least one part (3) of higher density than the rest of the piece (1).

11. Method according to any of claims 1 to 10, characterised in that the mechanical component consists of a balance (1) or an oscillating weight for a timepiece mechanism.

Dessins