RESSORT DE BARILLET A GRANDE CAPACITE DE STOCKAGE D'éNERGIE ET

SON PROCéDé DE FABRICATION

Domaine technique

[0001] La présente invention se rapporte à l'industrie horlogère en général et, notamment, aux ressorts de barillet équipant les montres mécaniques. Elle concerne plus particulièrement les barillets ayant une grande capacité de stockage d'énergie, ainsi que le procédé permettant d'accroître cette capacité.

Etat de la technique

[0002] De manière générale, le ressort de barillet est logé dans un tambour de barillet auquel, lorsqu'il est armé, il transmet un couple qui entraîne le mouvement de la montre. Le ressort de barillet constitue l'organe moteur de la montre mécanique et fonctionne comme un accumulateur d'énergie que l'utilisateur de la montre recharge lorsqu'il tourne la couronne de la tige de remontoir.

[0003] Le ressort de barillet est une lame de section rectangulaire réalisée en acier ou encore dans un alliage à base de cobalt, nickel et/ou chrome. Il pourrait aussi être réalisé en silicium. Ductile et de très haute résistance mécanique, elle doit résister à la corrosion et à de très fortes sollicitations sans casser. Le déroulement de la lame produit l'énergie nécessaire au fonctionnement de la montre. Sa forme a évolué jusqu'à une forme reconnue en S retourné (voir figure 1 et « Théorie d'horlogerie » par C-A Reymondin et al., édité par la Fédération des Ecoles Techniques, Suisse, 1998). Cette forme particulière permet de produire un couple relativement constant quel que soit l'état d'armement du ressort. L'énergie maximale est emmagasinée par le ressort

de barillet lorsque la proportion entre la surface occupée par ce dernier, lorsqu'il est armé, et celle qui reste libre dans le tambour est d'environ 50%.

[0004] Les manufacturiers horlogers ont cherché de tout temps à augmenter la capacité de stockage d'énergie des ressorts de barillet et, ainsi, la réserve de marche des montres mécaniques, sans pour autant accroître le volume, c'est-à-dire l'encombrement, des barillets. Les efforts ont principalement été dirigés vers la réduction des pertes d'énergie, notamment dues aux frottements. C'est ainsi qu'il a été proposé de revêtir le ressort de barillet d'une couche lubrifiante, par exemple en DLC («Diamond-Like Carbon»), pour limiter les frottements internes. Une telle couche avait une épaisseur typique de quelques dizaines de nanomètres.

[0005] La demande internationale WO 02/04836 A2 décrit un tel ressort de barillet qui est fabriqué dans un matériau élastique. Au moins une partie de la surface de ce ressort est revêtue d'une couche possédant une composition et des caractéristiques différentes du dit matériau élastique. Ladite couche est préférablement plus dure, et par conséquent plus rigide que le matériau élastique constituant le ressort de barillet et elle est réalisée, par exemple, en DLC. Elle peut être appliquée sur les deux côtés de la lame constituant le ressort de barillet ou seulement sur un des deux côtés. [0006] La demande de brevet japonaise JP 2007147329 A décrit également un ressort de barillet. Celui-ci consiste en un matériau ayant au moins une de ses surfaces revêtue d'une couche de DLC, NiP ou autre.

[0007] La demande internationale WO 2007/000271 A1 décrit plus généralement une pièce en silicium, tel qu'un spiral monté dans un mouvement horloger, dont toute ou partie de la surface est revêtue d'un matériau amorphe épais.

Ce dépôt amorphe épais est au moins partiellement revêtu d'un revêtement choisi pour ses propriétés tribologiques, tel que le DLC.

[0008] Les améliorations qui découlent d'un revêtement du ressort de barillet tel que décrit dans les documents précités ne sont, toutefois, pas suffisantes pour augmenter sensiblement la capacité de stockage d'énergie du ressort de barillet, de sorte que l'on est toujours en attente d'une vraie solution qui

permettrait d'accroître la réserve de marche des montres mécaniques de façon notable. De plus, l'adhésion de telles couches de revêtements appliquées aux surfaces du ressort de barillet s'avère insuffisante. Plus particulièrement, lorsqu'un ressort de barillet est notamment fortement plié, il arrive la plupart du temps que les couches de revêtements n'adhèrent pas à sa surface à cause des contraintes (principalement de cisaillement) générées à l'interface avec le matériau de base du ressort de barillet.

Divulgation de l'invention

[0009] Un objet de la présente invention consiste à proposer un ressort de barillet ayant une capacité de stockage d'énergie accrue par rapport aux dispositifs de l'art antérieur.

[0010] Un autre objet de l'invention consiste dans la réalisation d'un ressort de barillet présentant une capacité de stockage d'énergie accrue sans avoir recours à un volume supérieur du tambour de barillet. [0011] Encore un autre objet de l'invention consiste dans la réalisation d'un ressort de barillet présentant une meilleure résistance à l'usure.

[0012] Encore un autre objet de l'invention consiste dans la présentation d'un procédé de réalisation d'un ressort de barillet aux performances améliorées.

[0013] Dans le but d'augmenter la capacité de stockage d'énergie des ressorts de barillet, il est proposé d'en augmenter la rigidité par des implantations ioniques. De plus, il est proposé de revêtir les ressorts de barillet d'une couche dure afin d'augmenter leur résistance à l'usure. De manière avantageuse, la couche dure de revêtement est une couche de DLC. Si la couche dure est déposée sur une surface ayant une implantation ionique selon la présente invention, la rigidité du ressort de barillet et ainsi sa capacité de stockage d'énergie peuvent encore être augmentées.

[0014] L'augmentation de rigidité résultant de l'implantation ionique permet d'augmenter substantiellement la capacité de stockage d'énergie du ressort de barillet selon l'invention ou en d'autres termes d'augmenter l'énergie qu'il

est capable d'emmagasiner et ce, sans requérir un volume supplémentaire. La durée de vie du ressort de barillet est également substantiellement augmentée grâce à la couche dure déposée sur sa surface.

Brève description des dessins

[0015] D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description suivante d'un exemple de réalisation particulier, ladite description étant faite à titre purement illustratif et en relation avec les dessins joints dans lesquels :

- la figure 1 montre un exemple de ressort de barillet déroulé hors de son tambour, - la figure 2 illustre un ressort de barillet ayant des ions implantés et un revêtement d'une couche dure, et

- la figure 3 représente schématiquement un équipement de dépôt de DLC.

Mode(s) de réalisation de l'invention

[0016] Les auteurs de la présente invention ont découvert qu'il était possible d'augmenter la capacité de stockage d'énergie d'un ressort de barillet en augmentant sa rigidité. Celle-ci peut être augmentée par l'implantation ionique sur toute ou partie de la longueur et/ou de la section de la surface du ressort de barillet. La rigidité peut être encore être accrue par le dépôt d'une couche dure sur toute ou partie de sa surface.

[0017] Dans le contexte de la présente invention, le terme «implantation ionique» fait référence à un dépôt ou en d'autres termes une pénétration d'ions de, par exemple, Ti, Mo, Yb, Cr, Mn, C, N, Ar, O ou B, sous la surface du ressort de barillet. L'implantation peut être effectuée sur certaines faces et/ou sur

une partie de la longueur du ressort de barillet et à une profondeur variable bien contrôlée.

[0018] Lors de l'implantation ionique, une ou plusieurs sortes d'ions peuvent être implantées sous la surface du ressort. Ainsi, la rigidité du ressort de barillet sur une profondeur prédéfinie devient supérieure à celle du matériau de base utilisé pour réaliser le ressort de barillet. à titre d'exemple, le ressort de barillet peut être réalisé en acier, et plus particulièrement en acier à ressorts inoxydables, ou dans un alliage, tel qu'à base de cobalt, nickel, chrome, Nivaflex, bronze phosphoreux, cuivre, béryllium, laiton ou un alliage spécial. L'utilisation du Nivaflex est préférable, car celui-ci est à 100% inoxydable, amagnétique, infatigable, et possède un coefficient d'élasticité très élevé. [0019] Selon un mode d'exécution préféré de la présente invention, l'implantation ionique se fait à basse température, et de préférence à une température en dessous de 200 ⁰ C, par un bombardement des surfaces respectives du ressort de barillet par des ions accélérés avec une énergie d'environ 1 à

3000 KeV. Les doses d'implantation peuvent varier de 10 ¹⁵ à 10 ¹⁸ at/cm ² . Les ions accélérés pénètrent les surfaces respectives du ressort jusqu'à une profondeur de 1 à 20O00 nm. La profondeur exacte dépend de plusieurs facteurs, tel que par exemple le type de ion, leur énergie, le type de matériaux de ressort la température du ressort de barillet, la présence de canaux et des défauts d'irradiation.

[0020] L'implantation ionique et pénétration des ions/atomes sous la surface se réalise à l'aide de différents types de stimulation, notamment par bombardement des ions accélérés et son parcours à l'intérieur de matériaux. Leur diffusion est stimulée par la température ou « ion beam mixing » pour une diffusion et mélange des atomes à l'interface, stimulé par bombardement des ions « tiers » (« nock in surface atoms inside of ressort »).

[0021] Par l'implantation ionique, la rigidité de la surface du ressort de barillet jusqu'à une certaine profondeur du matériau utilisé pour sa réalisation peut avantageusement être augmentée, et devient alors supérieure à celle du matériau de base. Plus, la rigidité du ressort peut être augmentée d'un

facteur de 2 à 5 par l'implantation ionique générant des contraintes internes dans la zone de pénétration des ions implantés ou diffusés, ainsi qu'un stress résiduel par le changement de sa microstructure (amorphisation). Ce changement de microstructure pénétré au dessous de la zone implantée, induisant également une augmentation de dureté et de rigidité locales avec évanescence en profondeur. Comme l'implantation ionique est un processus bien contrôlable, elle n'entraîne pas un changement des dimensions du ressort de barillet, telle que son épaisseur.

[0022] La rigidité à la flexion du ressort de barillet selon l'invention varie approximativement comme six fois le produit de la rigidité relative des zones modifiées par la profondeur d'implantation des ions. Pour une efficacité maximale, il est recommandé d'effectuer l'implantation ionique sur toute la longueur du ressort et sur toutes ses surfaces. Toutefois, une implantation sur une partie de la surface est également envisageable. [0023] L'implantation ionique à profondeur différent par bombardement avec des ions possédant une énergie différente permet donc de réaliser des couples de marche de ressort de barillet plus constantes dans le temps.

[0024] La figure 2 illustre un ressort de barillet 4 ayant une surface 8. A titre d'exemple, des ions 9 sont implantés sous la surface 8, comme décrit ci- dessus. Afin de maximiser la rigidité du ressort de barillet 4, une couche dure

10 est déposée au moins sur une partie de la surface 8, selon un mode d'exécution préféré de la présente invention. La figure 2 représente des ions 9 implantés sous toute la surface 8 du ressort de barillet 4, tandis que la couche dure 10 est seulement déposée sur une partie de ladite surface. La zone d'évanescence 11 de dureté et de rigidité en dessous de la zone implantée est également représentée sur la figure 2.

[0025] De préférence, le matériau de la couche déposée 10 doit, non seulement, posséder une rigidité nettement supérieure à celle du matériau de base utilisé pour réaliser le ressort de barillet 4, mais aussi présenter des propriétés mécaniques propres à lui permettre de supporter les contraintes appliquées au ressort de barillet 4. Concernant le dépôt de la couche dure

10, il est recommandé qu'il soit effectué à une température inférieure à 100 ⁰ C et, si possible, à une température inférieure à 80 ⁰ C pour ne pas modifier les qualités intrinsèques du ressort 4.

[0026] Le matériau de dépôt préférentiel est le DLC. De préférence, la couche de DLC 10 possède un interface avec gradient de rigidité entre elle et la surface

8 du ressort 4. Sa rigidité peut atteindre des valeurs proches de 800 GPa, ce qui permet d'envisager une épaisseur de couche de l'ordre de 0.1 à 2 μm. Avec ce type de couche déposée sur la surface du ressort de barillet 4 et des ions implantés 9 tel que décrit ci-dessus, on peut s'attendre à une amélioration de la capacité de stockage d'énergie du ressort 4 de l'ordre de

100%.

[0027] Le dépôt des couches DLC à différent épaisseur sur la longueur de ressort de barillet permet de réaliser des couples de marche de ressort de barillet plus constantes dans le temps. [0028] Le DLC possède, en outre, l'avantage d'être amorphe, parfaitement inerte, amagnétique et hydrophobe et présente, de manière connue, des propriétés tribologiques. En plus, il présente de très faibles dérives élastiques en température et des effets de vieillissement négligeables. Toutefois, il convient de mentionner que, pour assurer les propriétés tribologiques, une épaisseur de quelques nanomètres est suffisante, alors que pour réaliser la présente invention il est nécessaire de déposer une épaisseur supérieure de

3 ordres de grandeur.

[0029] Comme mentionné précédemment, le procédé de dépôt doit être effectué à basse température pour ne pas modifier les propriétés du matériau de base. La figure 3 montre schématiquement un équipement permettant de satisfaire cette condition. Il utilise un principe amélioré de la méthode PVD («Physical Vapor Déposition») appelée VAD («Vacuum Arc Déposition» selon la terminologie anglo-saxonne).

[0030] L'équipement montré schématiquement dans la figure 3 illustre ce principe et comprend une source 3 d'émission d'ions de carbone et le ressort de barillet

4 de la figure 2, avant le revêtement de la surface 8 avec la couche dure 10.

La source 3 comprend une cathode 31 en graphite et une anode 32. Un champ électrique de typiquement 20 kV est appliqué entre l'anode et la cathode, constituant ainsi une sorte de condensateur chargé. L'émission d'ions de carbone est déclenchée par un signal de faible fréquence (environ 10 Hz).

[0031] C'est le fait d'avoir un bombardement ionique puisé et aussi le fait que ces impulsions soient à faible fréquence qui permet de maintenir le procédé de dépôt à faible température. Le contrôle de la fréquence des impulsions permet également de contrôler l'épaisseur de la couche déposée. Les parties de la cible qui ne doivent pas être revêtues auront été préalablement masquées par tout moyen approprié.

[0032] II est à noter, que l'implantation ionique fonctionne de manière similaire au bombardement ionique puisé décrit ci-dessus. La différence essentielle entre ces deux procédés est le fait que les ions sont accélérés et possèdent une énergie bien plus élevée lors de leur implantation.

[0033] A chaque impulsion lors du dépôt de la couche de DLC ₁ des ions de carbone sont extraits de la cathode 31 et dirigés vers le ressort de barillet 4 avec une énergie d'environ 100 eV. Toutefois, dans la réaction de décharge il peut arriver qu'un agglomérat d'ions soit extrait. Si un tel agglomérat atteignait le ressort de barillet 4, cela nuirait à l'homogénéité de la couche déposée. Afin de l'éviter, il est proposé d'inclure un filtre (non représenté) qui crée un champ magnétique destiné à dévier les agglomérats, ou macro particules, tandis que les ions individuels de carbone, de masse beaucoup plus faible, sont peu affectés et atteignent directement la surface du ressort 4. Ce filtrage permet de garantir une couche déposée très homogène.

[0034] Pour garantir une bonne adhésion de la couche de DLC au ressort de barillet 4, il convient que celui-ci soit en un matériau présentant une bonne affinité avec le carbone. Si tel n'est pas le cas, il peut être recommandé, avant le dépôt du DLC, de déposer une fine couche de titane (Ti) d'épaisseur comprise typiquement entre 20 et 200 nm sur toute ou une partie de la surface du ressort de barillet 4, même si l'implantation ionique améliore déjà

significativement l'adhésion de la couche de DLC au ressort 4. comme décrit plus haut. Cette couche de Ti peut être déposée à l'aide de l'équipement

VAD décrit ci-dessus ou par tout autre moyen connu approprié, pour autant toutefois, que ce dépôt soit effectué à basse température pour les raisons énoncées plus haut. En plus de favoriser l'adhésion du DLC sur le ressort 4, la couche de titane permet de lisser la surface du ressort de barillet 4 et, ainsi, de diminuer le risque de développement de microfissures dans la couche déposée.

[0035] Bien que le DLC soit, pour ses propriétés, le matériau de dépôt préférentiel, il est possible d'envisager l'utilisation d'autres matériaux durs, tels que le diamant cristallin, le carbure ou nitrure de titane etc. Le matériau utilisé devra, toutefois, être compressif.

[0036] Comme décrit plus haut, l'implantation ionique et le dépôt d'une couche dure augmentent la rigidité à la flexion du ressort de barillet et ont pour conséquence d'augmenter le couple appliqué au mouvement de la montre mécanique associé. Il est cependant envisageable de déposer une couche dure sur un ressort de section réduite tout en conservant un couple moteur identique de manière à disposer d'une longueur de ressort plus grande et par conséquent d'un temps de fonctionnement plus grand. [0037] Bien que la présente invention ait été décrite dans le cadre d'une application particulière, elle est susceptible de modifications ou adaptations sans sortir de son cadre.