Cas 2841

CAPTEUR DE PRESSION AYANT UNE MEMBRANE COMPRENANT UN MATERIAU AMORPHE

La présente invention concerne un capteur de pression utilisant une membrane flexible. Cette membrane coopère avec un dispositif de transmission permettant à partir de la déformation de ladite membrane de fournir une valeur représentative de la pression.

ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE

II est connu dans l'art antérieur une montre de plongée comprenant un boîtier qui porte un capteur de pression comprenant une membrane et un dispositif de transmission. La membrane est capable de se déformer mécaniquement sous l'effet de la pression extérieure agissant alors sur le dispositif de transmission. Ce dispositif transfert ainsi ledit mouvement de déformation représentatif de la pression afin d'être, par exemple, amplifié dans le but d'afficher la valeur de la pression détectée par le capteur.

Généralement la membrane de ce capteur est réalisée en matériau cristallin tel que, par exemple, un alliage composé de Cuivre et de Béryllium (Cu-Be).

Chaque matériau se caractérise par son module d'Young E également appelé module d'élasticité (exprimé généralement en GPa), caractérisant sa résistance à la déformation. De plus, chaque matériau est aussi caractérisé par sa limite élastique σ _θ (exprimée généralement en GPa) qui représente la contrainte au-delà de laquelle le matériau se déforme plastiquement. Ainsi, il est possible, pour une épaisseur donnée, de comparer les matériaux en établissant pour chacun le rapport de leur limite élastique sur leur module d'Young a JE, ledit rapport étant représentatif de la déformation élastique de chaque matériau. Ainsi plus ce rapport est élevé plus la déformation élastique du matériau est élevée. Or les matériaux cristallins tels qu'utilisés dans l'art antérieur, par exemple, l'alliage Cu-Be, dont le module d'Young E est égal à 130 GPa et ayant une

limite d'élasticité σ _θ valant typiquement 1 GPa, donne un rapport σ _θ /E faible c'est-à-dire de l'ordre de 0,007. Ces membranes en alliage cristallin possèdent, par conséquent, une déformation élastique limitée. Dans le cas de la membrane d'un capteur de pression, cela implique une plage de mesure qui est limitée.

De plus du fait de cette limite élastique qui est basse, la membrane lorsqu'elle se déforme, approche sa région de déformation plastique sous faibles contraintes avec le risque qu'elle ne puisse reprendre sa forme initiale. Pour éviter de telle déformation, une limitation de la déformation de la membrane est réalisée, c'est-à-dire que l'amplitude du mouvement de la membrane est volontairement bornée. On comprend alors qu'il soit nécessaire d'amplifier le mouvement de transfert. Cela entraîne alors un bruit qui est néfaste au capteur de pression et, incidemment, à l'affichage de la valeur de pression. Par ailleurs, l'utilisation de métaux précieux cristallins pour la fabrication d'une telle membrane de capteur de pression, ou tout autre élément actif d'une pièce d'horlogerie, n'est pas envisageable compte tenu des caractéristiques mécaniques insuffisantes de ces métaux. En effet, ces métaux précieux présentent notamment une limite élastique faible, de l'ordre de 0.5 GPa pour les alliages d'Au, de Pt, de Pd et d'Ag, contre environ 1 GPa pour les alliages cristallins classiquement utilisés dans la fabrication de membranes de pression. Etant donné le module élastique de ces métaux précieux, qui est de l'ordre de 120 GPa, on arrive à un rapport σ _θ /E d'environ 0.004. Or un rapport σ _θ /E élevée est nécessaire pour la réalisation d'une telle membrane comme expliqué précédemment.

Par conséquent, l'homme du métier n'est pas incité à utiliser ces métaux précieux pour la réalisation d'une telle membrane.

RESUME DE L'INVENTION L'invention concerne un capteur de pression qui pallie les inconvénients susmentionnés de l'art antérieur en proposant une membrane plus fiable ayant une marge de sécurité par rapport à la

contrainte maximale appliquée mais aussi d'avoir une possibilité d'amplitude de déformation plus importante. Alternativement, l'invention propose une membrane permettant une amplitude de déformation équivalente pour des dimensions qui sont plus faibles. A cet effet, l'invention concerne le capteur de pression cité ci-dessus dont la membrane (1 1 ) est réalisée en matériau au moins partiellement amorphe afin d'optimiser les dimensions dudit capteur et caractérisé en ce que le matériau comporte au moins un élément métallique qui est du type précieux ou un des ces alliages compris dans la liste comportant l'or, le platine, le palladium, le rhénium, le ruthénium, le rhodium, l'argent, l'iridium ou l'osmium.

Des modes de réalisation avantageux de ce capteur font l'objet des revendications dépendantes 2 à 8.

De façon surprenante, les métaux précieux sous forme amorphe présentent un rapport σ _θ /E élevé permettant la réalisation de pièces comme la membrane selon la présente invention.

Un premier avantage de la membrane selon la présente invention est qu'elle possède des caractéristiques élastiques plus intéressantes. En effet, dans le cas d'un matériau amorphe, le rapport σ _θ /E est augmenté par élévation de la limite élastique σ _θ . Ainsi, le matériau voit donc la contrainte, au-delà de laquelle il ne reprend pas sa forme initiale, augmenter. Cette amélioration du rapport σ _θ /E permet alors une déformation plus importante. Cela permet d'optimiser les dimensions de la membrane selon que l'on veuille augmenter la plage de mesure de la membrane ou alors réduire la taille de ladite membrane pour une plage de mesure équivalente.

Un autre avantage de ces matériaux amorphes est qu'ils ouvrent de nouvelles perspectives de mise en forme permettant l'élaboration de pièces aux formes compliquées avec une plus grande précision. En effet, les métaux amorphes ont la caractéristique particulière de se ramollir tout en restant amorphe dans un intervalle de température [Tx - Tg] donné propre à chaque alliage (avec Tx : température de cristallisation et Tg : température de transition vitreuse). Il est ainsi possible de les mettre en forme sous une

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contrainte relativement faible et à une température peu élevée. Cela permet alors de reproduire très précisément des géométhes fines car la viscosité de l'alliage diminue fortement et ce dernier épouse ainsi tous les détails du moule. De plus, l'invention concerne également une montre qui se caractérise en ce qu'elle comprend un capteur de pression dont la membrane est conforme à l'explication ci-dessus. Un mode de réalisation avantageux de cette montre fait l'objet de la revendication dépendante 10.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

Les buts, avantages et caractéristiques de la montre selon la présente invention apparaîtront plus clairement dans la description détaillée suivante d'au moins une forme de réalisation de l'invention donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les dessins annexés sur lesquels : la figure 1 représente de manière schématique une vue en coupe d'une montre comprenant la membrane selon la présente invention ; la figure 2 représente de manière schématique une vue en coupe d'une montre comprenant la membrane selon la présente invention lorsque celle-ci subit une pression extérieure ; la figure 3 représente de manière schématique un mode de réalisation préféré de la membrane selon la présente invention ; la figure 4 représente une montre comprenant la membrane selon ledit mode de réalisation préféré; et la figure 5 représente les courbes de déformation pour un matériau cristallin et pour un matériau amorphe.

DESCRIPTION DETAILLEE Les figures 1 et 2 représentent une vue en coupe d'une montre de plongée 1 composée d'une carrure 2 sur laquelle est fixée une lunette 3

portant la glace 4 de la montre 1. En dessous de la glace 4 est agencé un dispositif d'affichage 5 également fixé à la carrure 2.

La montre 1 est fermée par un fond 7 fixé de façon étanche sur une pièce intermédiaire 8 elle-même fixée de façon étanche sur la carrure 2, formant ainsi un boîtier. La montre comprend également un capteur de pression 6 situé préférentiellement à l'intérieur de ce boîtier 21.

Le capteur de pression 6 comprend un dispositif de transmission 10 ainsi qu'une membrane 1 1 montée de sorte à former une cavité étanche 9. La membrane 1 1 est située à l'intérieur du boîtier 21 de montre 1 et fixée sur un support 12 au niveau de sa périphérie. Cela permet d'assurer une bonne déformation de la membrane 1 1. Le support 12 est, dans notre exemple, fixé à la pièce intermédiaire 8. Afin que la membrane 1 1 soit au contact de l'environnement extérieur, il est prévu que le fond 7 du boîtier 21 soit percé de plusieurs orifices 13. Ces orifices 13 permettent de déformer la membrane si la pression de part et d'autre de la membrane 1 1 est différente, comme représenté à la figure 2.

Par ailleurs, il peut être prévu que le fond 7 du boîtier 21 soit muni d'un capot amovible 14 pouvant être fixé par encliquetage afin d'obstruer les orifices 13 lorsqu'une mesure de pression n'est pas demandée. Cela permet une protection du capteur de pression 6.

Pour le fonctionnement du capteur de pression 6, le dispositif de transmission 10 est utilisé de concert avec ladite membrane 1 1. Ainsi sous l'effet de la différence de pression entre la cavité étanche 9 et l'environnement extérieur, la membrane 1 1 va se déformer plus ou moins. En effet, si la pression extérieure est plus importante que la pression à l'intérieur de la cavité étanche 9, alors la membrane 1 1 va se déformer de sorte à rétrécir le volume de la cavité étanche 9 comme visible à la figure 2.

Cette déformation de la membrane 1 1 va agir sur le dispositif de transmission 10 qui va détecter la position de la membrane 1 1 par rapport à sa position initiale. La position initiale est préférentiellement celle dans laquelle les pressions de part et d'autre de la membrane 1 1 sont égales. Une fois que la détection est réalisée, le dispositif de transmission 10 va

transmettre cette déformation de la membrane 1 1 , par exemple, par un mouvement mécanique.

Ce mouvement représentatif de la pression, transmis par le dispositif 10, peut alors être éventuellement amplifié puis utilisé par le dispositif d'affichage 5. Ce dernier va alors utiliser un moyen de conversion de ce mouvement représentatif de la déformation, et donc de la pression, en une valeur de profondeur. Ensuite, ce dispositif 5 va afficher la profondeur mesurée par ledit capteur de pression 6. Bien entendu, il peut être prévu que la détection de la pression soit effectuée par tout autre moyen tel qu'un dispositif transducteur à effet piézo-électrique. De plus, d'autres fonctions qui utilisent la pression telle qu'une fonction altimètre ou météo peuvent être envisagées.

Les éléments du capteur 6 sont donc calibrés selon un cahier des charges prédéterminé définissant la plage de mesure souhaitée à la course de la membrane 1 1. La plage de mesure souhaitée représente la valeur maximale de la pression que l'on veut pouvoir détecter et afficher, par exemple une profondeur de 100 mètres. La course de la membrane 1 1 définit la déformation maximale que peut prendre ladite membrane 1 1.

Ainsi, à partir de ces deux valeurs, les caractéristiques de la membrane 1 1 sont alors définies. Celle-ci se caractérise par ses dimensions (diamètre et épaisseur dans le cas d'une membrane 1 1 circulaire du présent exemple) et par le matériau dont elle est constituée.

Avantageusement selon l'invention, la membrane 1 1 comporte un matériau amorphe ou partiellement amorphe. En particulier, on utilise des verres métalliques c'est-à-dire des alliages métalliques amorphes pour la réalisation de la membrane 1 1.

En effet, l'avantage, en termes de déformation de ces alliages métalliques amorphes, vient du fait que lors de leur fabrication, les atomes composant ce matériau amorphe ne s'arrangent pas selon une structure particulière comme c'est le cas pour les matériaux cristallins. Ainsi même si le module d'Young E d'un matériau cristallin et d'un matériau amorphe est identique, la limite élastique, σ _θ , est différente. En effet, le matériau

amorphe se différencie par une limite élastique σ _θa plus élevée que celle du matériau cristallin d'un rapport sensiblement égal à deux, comme représenté sur la figure 5. Cette figure représentant la courbe de la contrainte σ en fonction de la déformation ε pour un matériau amorphe (en pointillé) et pour un matériau cristallin. Cela permet aux matériaux amorphes de pouvoir subir une plus forte contrainte avant d'arriver à la limite élastique σ _θ .

En premier lieu, cette membrane 1 1 en matériau amorphe permet alors d'améliorer la fiabilité du capteur de pression 6 par rapport à une membrane 1 1 en matériau cristallin. En effet, la limite élastique σ _θa est plus élevée ce qui rend la région plastique plus éloignée et donc diminue le risque de déformer plastiquement la membrane.

De plus, cette aptitude à supporter élastiquement une plus forte contrainte permet d'envisager une plage de mesure supérieure. De plus, de manière avantageuse, on constate qu'une membrane 1 1 en matériau amorphe permet également pour une même contrainte appliquée centralement, l'optimisation de son dimensionnement afin de couvrir une course équivalente. En effet, les dimensions de la membrane 1 1 modifient sa déformation. Ainsi, si le diamètre augmente alors la course théorique de la membrane 1 1 augmente. De plus, si l'épaisseur augmente, la course théorique de la membrane 1 1 diminue. Avantageusement, avec une limite élastique qui augmente, la contrainte pouvant être appliquée à la membrane 1 1 , sans déformation plastique, augmente. Il devient alors possible de garder la même amplitude de mouvement en réduisant son diamètre et son épaisseur.

Concernant le matériau en lui-même, on peut tout d'abord considérer que plus le rapport σ _θ /E est élevé, plus le capteur est efficace. Avantageusement, les matériaux dont le rapport σ _θ /E est supérieur à 0,01 sont les matériaux les plus appropriés pour réaliser une membrane 1 1 de capteur de pression. On peut également préciser que hormis le rapport σ _θ /E, la valeur de E peut être également choisie afin d'être supérieure à une certaine limite, ceci afin que le capteur de pression puisse

être contenu dans un volume acceptable. Préférentiellement, cette limite est fixée à 50 GPa.

Ensuite un certain nombre de caractéristiques peuvent être pris en compte. Ainsi on peut considérer que les caractéristiques de résistance à la corrosion et d'amagnétisme sont intéressantes surtout pour une montre de plongée. On pourra alors citer comme exemples de matériaux amorphes pouvant être utilisé. Ainsi à titre d'exemple le Zr41 Ti14Cu12Ni10Be23 dont le module d'Young E vaut 105 GPa et la limite élastique vaut σ _θ = 1 ,9 GPa, comporte un rapport σ _θ /E = 0,018 et le Pt57.5Cu14.7Ni5.3P22.3 dont le module d'Young E vaut 98 GPa et la limite élastique vaut σ _θ = 1 ,4 GPa comporte un rapport σ _θ /E = 0,014.

Bien sûr, il existe d'autres caractéristiques qui peuvent être intéressantes telles que l'aspect allergène de l'alliage. En effet, on peut remarquer que les matériaux qu'ils soient cristallins ou amorphes utilisent souvent des alliages comprenant des éléments allergènes. Par exemple, de tels types d'alliages comportent du Cobalt, du Béryllium ou du Nickel. Ainsi, des variantes de la membrane 1 1 selon la présente invention peuvent être réalisées avec des alliages ne contenant pas ces éléments allergènes. On peut aussi prévoir que des éléments allergènes soient présents mais que ceux-ci ne provoquent pas de réaction allergène. Pour cela, on peut prévoir que la membrane 1 1 qui contient ces éléments allergènes ne les relâche pas lorsque la corrosion attaque la membrane 1 1.

Selon une autre variante de l'invention, il peut être prévu que la membrane 1 1 soit réalisée en matériau noble. Effectivement, à l'état cristallin, les matériaux nobles tels que l'or ou le platine sont trop mous pour permettre la réalisation d'une membrane 1 1 flexible et robuste. Mais dès lors qu'ils se présentent sous la forme de verre métallique, c'est-à-dire à l'état amorphe, ces métaux précieux sont alors dotés de caractéristiques telles que leur utilisation pour la fabrication d'une membrane 1 1 pour un capteur de pression devient possible tout en proposant un aspect précieux et esthétique. De façon préférentielle, le platine 850 (Pt 850) et l'or 750 (Au 750) sont les métaux précieux qui seront utilisés pour la réalisation de

ladite membrane 1 1. Bien sûr, d'autres métaux précieux pourront être utilisés tels que du palladium, rhénium, ruthénium, rhodium, argent, iridium et osmium.

On peut également constater que les alliages métalliques amorphes possèdent une facilité de mise en forme. En effet, les métaux amorphes ont la caractéristique particulière de se ramollir tout en restant amorphe dans un intervalle de température (Tx - Tg) donné propre à chaque alliage. Il est ainsi possible de les mettre en forme sous une contrainte relativement faible et à une température pas trop élevée. Ce procédé consiste en un formage à chaud d'une préforme amorphe. Cette préforme est obtenue par fusion des éléments métalliques constituant l'alliage amorphe dans un four. Cette fusion est faite sous contrôle avec pour but d'obtenir une contamination de l'alliage en oxygène aussi faible que possible. Une fois ces éléments fondus, ils sont coulés sous forme de semi produit, comme par exemple un disque de dimension proche de la membrane 1 1 , puis refroidis rapidement afin de conserver l'état amorphe. Une fois la préforme réalisée, le formage à chaud est réalisé dans le but d'obtenir une pièce définitive. Ce formage à chaud est réalisé par pressage dans une gamme de température comprise entre Tg et Tx durant un temps déterminé pour conserver une structure totalement ou partiellement amorphe. Ceci est fait dans le but de conserver les propriétés élastiques caractéristiques des métaux amorphes. Les différentes étapes de mise en forme définitive de la membrane 1 1 sont alors :

a) Chauffage des matrices ayant la forme négative de la membrane 1 1 jusqu'à une température choisie, b) Introduction de disque en métal amorphe entre les matrices chaudes, c) Application d'une force de fermeture sur les matrices afin de répliquer la géométrie de ces dernières sur le disque en métal amorphe, d) Attente durant un temps maximal choisi,

e) Ouverture des matrices, f) Refroidissement rapide de la membrane 1 1 en dessous de Tg, et g) Sortie de la membrane 1 1 des matrices.

Ce mode de mise en forme permet de reproduire très précisément des géométries fines car la viscosité de l'alliage diminue fortement, ce dernier épousant ainsi tous les détails du moule. L'avantage de cette méthode est qu'il n'y a pas de retrait de solidification ce qui permet d'avoir une pièce plus précise, réalisée à une température moins élevée que par injection.

Bien entendu, d'autres types de mise en forme sont possibles comme la mise en forme par injection. Ce procédé consiste à mouler l'alliage obtenu par fusion des éléments métalliques dans un four, sous la forme d'une pièce quelconque telle qu'un barreau et cela dans un état cristallin ou amorphe, peu importe. Puis cette pièce de forme quelconque en alliage est de nouveau fondue pour être injectée dans un moule possédant la forme de la pièce définitive. Une fois le moule rempli, celui-ci est refroidi rapidement jusqu'à une température inférieure à T ₉ afin d'éviter la cristallisation de l'alliage et ainsi obtenir une membrane 1 1 en métal amorphe ou semi-amorphe.

Ainsi, il est donc possible de former la membrane 1 1 selon la géométrie désirée. Par exemple, il est possible de modeler la section de la membrane 1 1 afin d'en modifier les propriétés au même titre que son épaisseur ou son diamètre. A titre d'exemple, il est possible de mouler la membrane 1 1 afin d'obtenir une section sinusoïdale comme représentée aux figures 3 et 4. Une telle forme permet l'augmentation de la surface de la membrane 1 1 mais aussi de sa rigidité. La membrane 1 1 est donc plus dure à déformer. Cette agencement de la section permet, avantageusement, également de linéariser la déformation élastique du matériau en fonction de la pression. Cette linéarisation est alors une aide

pour simplifier les moyens de conversion de la déformation de la membrane 1 1 en valeur de pression.

On comprendra que diverses modifications et/ou améliorations et/ou combinaisons évidentes pour l'homme du métier peuvent être apportées aux différents modes de réalisation de l'invention exposée ci-dessus sans sortir du cadre de l'invention définie par les revendications annexées. Par exemple, la membrane est de forme différente.