Quantième Annuel Silicium, réf. 5250G

Patek Philippe fait sensation en présentant une innovation qui répond à une quête de l'horlogerie datant de plusieurs siècles

Innovation et tradition horlogère ne sont pas des notions contradictoires. Durant plusieurs décennies, l'art horloger s'est toujours situé à la pointe des avancées technologiques, dont certaines ont eu une influence majeure sur les développements scientifiques, économiques et industriels, qui ont profité à l'humanité toute entière.

Les points culminants de l'art horloger, tels que l'indication mécanique du temps, les premières montres mécaniques au porter, les chronomètres de marine, les montres électroniques ou les montres atomiques ont contribué de manière significative au développement de la civilisation.

Dans ce contexte, Patek Philippe présente une innovation dont on ne peut pas encore mesurer toute l'ampleur : la première roue d'ancre en silicium pour échappement à ancre suisse, une innovation qui offre une nouvelle dimension à l'horlogerie mécanique. Elle est légère, dure, amagnétique, hautement résistante à la corrosion, de forme plus parfaite et plus précise que toute roue en acier et surtout, elle ne nécessite aucune lubrification. La première mise en application de cette roue d'échappement en silicium est présentée dans le cadre d'un concept novateur nommé « Patek Philippe Advanced Research ». Ainsi, une série spéciale sera dotée pour la première fois du nouveau composant en silicium. Elle sera proposée à un cercle restreint de collectionneurs et amateurs passionnés d'exclusivités technologiques, afin de leur permettre d'être les premiers à profiter d'une innovation qui marquera un tournant dans l'histoire horlogère.

Patek Philippe : plus de 160 ans d'innovation

La tradition d'innovation est une règle de conduite qui guide Patek Philippe depuis sa création en 1839. Dernière manufacture horlogère genevoise indépendante au bénéfice d'une totale autonomie créative, Patek Philippe a toujours investi de manière significative dans le développement de nouveaux mécanismes, de nouvelles technologies, de méthodes de fabrication et de nouvelles matières.

L'effort constant d'innovation est un des fondements qui a permis à Patek Philippe de se maintenir à la tête de l'art horloger mécanique. Cette réputation, acquise en plus de 160 ans de succès, lui a également permis d'accéder à une position de leader incontesté dans le domaine des ventes aux enchères et de maintenir son indépendance financière et technique.

Le parcours de Patek Philippe est parsemé de développements et de découvertes majeurs, qui ont été couronnés par plus de 70 brevets d'invention, dont une vingtaine a marqué de manière décisive l'histoire de l'horlogerie.

Une sélection des plus importants brevets d'invention Patek Philippe

• 1845 et 1860 : Montres à remontoir incorporé, premières montres permettant le remontage et la mise à l'heure sans clé (Brevets 1317 et 46951). Invention développée par Jean Adrien Philippe.

• 1949-51 : Balancier Gyromax, permettant un réglage haute précision de la marche diurne de la montre, sans recours à la raquetterie traditionnelle (Brevets 261 431 et 280 067).

• 1953-79 : Vingt-deux brevets décisifs pour l'évolution de l'horlogerie électronique.

• 1996 : Quantième Annuel, prenant automatiquement en compte la longueur variable des mois de l'année sur un cycle allant de début mars à fin février (Brevet CH 685 585).

• 2000 : Mécanisme permettant, en actionnant un seul poussoir, la correction des 24 villes et fuseaux horaires, ainsi que l'Heure Universelle (Brevet CH 690 205).

Des innovations pour le futur proche et éloigné

Les domaines d'activités de Patek Philippe sont vastes. Ils s'étendent du maintien et de la préservation de l'art horloger traditionnel genevois, à la réalisation de pièces horlogères d'exception, en passant par le développement de nouvelles technologies. Ainsi, Patek Philippe s'engage, d'une part, à préserver et maintenir des techniques ancestrales menacées de disparition, telles que la peinture miniature sur émail ou le guillochage manuel et, d'autre part, à investir de manière intensive dans des projets de développement et des technologies futures.

Développement de nouvelles montres et nouveaux mécanismes

Une part importante des activités d'innovation à court et moyen termes est consacrée au développement de nouveaux modèles, c'est-à-dire de nouveaux mouvements et de nouveaux mécanismes, ainsi qu'à la réalisation de nouveaux designs de boîtiers de montres, bracelets, cadrans, etc. Réalisée dans la manufacture, cette activité occupe environ 40 personnes (ingénieurs, constructeurs, dessinateurs) dans le département de Développement Mouvements et Mécanismes et environ 15 personnes (dessinateurs, constructeurs) dans le département Développement Habillement. Dans ces départements, un à deux nouveaux mouvements mécaniques sont développés en moyenne par an, ainsi qu'une dizaine de nouveaux modèles de montres.

L'invention du futur

Afin d'assurer sa position de leader à long terme dans les domaines de haute technologie et des techniques de fabrication, indépendamment du développement de nouveaux modèles de montres et de collections, la Manufacture Patek Philippe est active depuis des dizaines d'années dans la recherche de nouvelles technologies et de nouvelles matières. Par exemple, des projets de recherche visant à développer des nouvelles matières ne nécessitant pas de lubrification ont été menés depuis plus de 15 ans. Patek Philippe possède aujourd'hui un département « Nouvelles Technologies », consacré à la recherche dans le domaine des technologies émergentes. Ce département travaille en étroite collaboration avec des instituts de recherche, des centres de développement, ainsi que des centres de formation externes.

1. Partenariat avec des centres de recherche de renommée mondiale

La recherche de base chez Patek Philippe est réalisée principalement en collaboration avec des instituts, qui comptent parmi les leaders mondiaux, à savoir :

- L'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)
- L'Institut de Microtechnique de l'Université de Neuchâtel (IMT)
- Le Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique (CSEM)
- Le COMLAB, laboratoire commun de recherche pour l'IMT et le CSEM.

2. Partenariat avec des centres de formation et d'études

Il n'est jamais trop tôt pour débuter la recherche. De ce fait, Patek Philippe collabore pour certains projets avec des écoles qui forment les ingénieurs et techniciens de demain, telles que :

- L'école d'ingénieurs de l'Arc jurassien.
- L'école d'ingénieurs de Genève, principalement avec le département acoustique.

3. Recherche commune de l'industrie horlogère

Un troisième axe comprend le travail effectué en partenariat avec l'ASRH (Association Suisse pour la Recherche Horlogère), dont Patek Philippe est membre.

Le silicium, un matériau d'avenir

Le silicium a déjà révolutionné les industries de l'information et de la télécommunication. En effet, il est utilisé comme matériau de base dans la fabrication des transistors, des circuits intégrés et des micropuces de l'industrie des semi-conducteurs, et par conséquent de la branche informatique. C'est du silicium que découle également le nom de la « Silicon Valley », qui reste aujourd'hui encore le coeur de la technologie informatique.

Dès à présent, le silicium part à la conquête du monde de la micromécanique.

Le silicium, la valeur de l'or au prix du verre

Le silicium, dont le symbole Si est le 14ème élément du tableau périodique, fait partie des semi-métaux. Le silicium monocristallin est d'une couleur grise anthracite avec un reflet bleu violet, typiquement métallique. Dans la nature, le silicium existe exclusivement sous forme d'oxyde, tel que la silice ou le dioxyde de silicium.

Constituant près de 28% de l'écorce terrestre, le silicium compte parmi les éléments les plus abondants dans la nature, existant en quantité pratiquement inépuisable sur terre.

Dans ce qui suit, nous allons parler de silicium sous sa forme monocristalline, tel qu'il est utilisé dans la fabrication de micropuces, après avoir été transformé à partir de silicium pur polycristallin, en utilisant le principe de fonte de Czochralski. Le silicium monocristallin (Single Crystal Silicon SCS) ainsi obtenu possède la même structure cristalline que le diamant.

Le silicium et ses plus importantes propriétés physiques

Le silicium monocristallin possède des propriétés physiques qui le prédestinent presque naturellement à une utilisation en micromécanique, particulièrement dans la branche horlogère.

Il est :
• amagnétique
• très dur (Silicium: 1100 Vickers; Acier: 700 Vickers; Diamant: 3000 Vickers: Rubis: 2000 Vickers)
• léger (densité du silicium = 2,33 g/cm3; de l'acier = 8 g/cm3)
• hautement résistant à la corrosion.

Les microstructures de silicium sont flexibles, malgré la dureté de la matière. On peut constater le même phénomène avec les fibres optiques, qui restent très souples malgré le fait qu'elles soient en verre.

Nouveauté mondiale Patek Philippe : première roue d'ancre en silicium pour échappement à ancre suisse

Une minuscule roue en silicium dans le rouage d'un mouvement horloger constitue un pas important dans l'histoire du développement de la mécanique horlogère. La première roue d'ancre en silicium monocristallin pour échappement à ancre suisse représente une véritable révolution dans le développement de l'art horloger.

La masse d'une roue en silicium, en raison de sa faible densité, est de deux tiers plus légère qu'une roue semblable en acier. Cette qualité physique est d'une importance majeure pour la roue d'échappement. En effet, la roue d'échappement d'une montre-bracelet est, selon sa fréquence, arrêtée, puis accélérée (demi-oscillation), 6 ou 8 fois par seconde. Cela représente, par exemple, 28 800 alternances par heure, 691 200 alternances par jour, ou 252 millions alternances par année, pour un mouvement qui bat à une fréquence de 4 Hertz.
Dans une montre traditionnelle à échappement à ancre suisse, 65% de l'énergie du mouvement est absorbée par le mécanisme d'échappement. Cela signifie que la masse de la roue d'échappement a une influence déterminante sur le fonctionnement du mouvement. Plus la masse de la roue est faible, plus l'accélération est importante, ce qui permet d'obtenir une meilleure transmission de l'énergie au balancier.

Cette nouvelle roue d'échappement en silicium répond parfaitement aux critères de l'art horloger traditionnel genevois, qui dans le règlement de son célèbre Poinçon de Genève édicte les plus sévères règles du monde. Il est inscrit dans l'article 3 alinéa 8 : « La roue d'échappement doit être légère, l'épaisseur de la matière ne doit pas dépasser 0,16 mm pour les grandes pièces et 0,13 mm pour les pièces d'un diamètre inférieur à 18 mm. Les repos doivent être polis. »

Une roue d'échappement en silicium répond parfaitement à ces règles. De plus, ses repos sont nettement plus lisses et plus polis que ceux d'une roue d'échappement en acier.

Les nombreux avantages de la roue d'ancre en silicium

Les avantages mentionnés ci-dessus ne sont de loin pas les seuls.

Les surfaces de contact des dents (plan de repos et plan d'impulsion) d'une roue d'échappement en silicium ne nécessitent pas de lubrification. Il y a plus de 200 ans, Abraham-Louis Breguet se plaignait en disant : « Donnez-moi une huile parfaite et je vous donnerai un mouvement parfait ». Depuis, de grands progrès ont été réalisés dans le développement de nouvelles huiles. Les huiles organiques ont été remplacées par des huiles minérales, la tenue de l'huile a été optimisée, la résistance a été améliorée, mais l'huile parfaite n'existe toujours pas. C'est pourquoi Patek Philippe dirige ses recherches vers des voies nouvelles de composants ne nécessitant aucune lubrification. Les tests menés dans différentes conditions ont démontré qu'à l'utilisation de roues d'échappement en silicium, les surfaces de contact des dents, ainsi que celles des palettes en rubis, restent parfaitement polies. C'est grâce aux propriétés physiques du silicium, telles que sa dureté, ses états de surface, sa faible densité et son excellent coefficient de frottement contre le rubis, qu'il est possible de faire fonctionner un mouvement doté d'une roue d'échappement en silicium sans lubrification, avec les mêmes performances qu'un mouvement traditionnel. Cela démontre clairement l'influence majeure que le silicium peut avoir dans l'amélioration des qualités fonctionnelles et de la fiabilité à long terme d'un mouvement mécanique.

La précision d'usinage que l'on peut obtenir sur des pièces en silicium par le procédé DRIE (Deep Reactive Ion Etching, voir annexe) est de l'ordre du micromètre (millième de millimètre). Cela permet d'avoir une meilleure concentricité, une plus grande précision sur le diamètre et une parfaite régularité du pas entre les dents.

Les bras de la roue d'ancre en silicium de Patek Philippe ont été spécialement étudiés pour permettre une fixation parfaite du pignon, en conservant son excellente concentricité.

La fabrication de roues d'échappement en acier répondant aux critères du Poinçon de Genève se fait par découpage, puis fraisage, suivi par le traitement thermique, l'anglage et le polissage. Ce procédé de fabrication requiert au moins 30 opérations différentes. En comparaison, la réalisation d'une roue d'échappement en silicium ne demande qu'une seule opération, résultant en une pièce de forme parfaite, centrée et équilibrée, avec des surfaces parfaitement lisses.

Le silicium est dur et résistant à l'usure. Sa dureté, de 1100 Vickers, permet à l'échappement équipé d'une roue d'ancre en silicium de fonctionner sans lubrification et sans l'apparition de signes d'usure.

Le silicium est entièrement amagnétique. La course d'une roue d'échappement en silicium n'est de ce fait pas perturbée par les champs magnétiques ou par des impulsions magnétiques.

Le silicium est hautement résistant à la corrosion, il ne s'altère pas lorsqu'il est en contact avec de l'eau. Cela permet aux surfaces de la roue d'ancre, en particulier aux repos, de rester lisses et sans marques, même si le pourcentage d'humidité de l'air est élevé.

Une première roue en silicium – Un pas important vers l'avenir de la mécanique horlogère

Cette première roue d'ancre en silicium de Patek Philippe est un indicateur important des futurs développements de l'art horloger mécanique. L'utilisation du silicium sera dédiée aux composants pour lesquels les qualités spécifiques de ce matériau, telles que la faible masse, la grande dureté, les propriétés amagnétiques, l'absence de lubrification et la résistance à la corrosion sont des avantages déterminants. Pour toutes les innovations Patek Philippe, en particulier pour la nouvelle technologie silicium, l'objectif est d'améliorer le fonctionnement de ses montres à long terme.

Nouveauté exclusive : « Patek Philippe Advanced Research »

Patek Philippe présente, en première mondiale, la roue d'ancre en silicium dans le cadre d'un nouveau concept unique et inédit « Patek Philippe Advanced Research ». Cela signifie qu'avant d'être introduite dans la production courante, la manufacture genevoise propose une série spéciale limitée, dont le mouvement sera doté, pour la première fois, du nouveau composant. Ainsi, un cercle restreint de collectionneurs et amateurs passionnés d'exclusivités technologiques auront l'opportunité d'être les premiers à profiter d'une innovation majeure.

La première montre Patek Philippe avec technologie silicium : le Quantième Annuel Réf. 5250 en édition spéciale limitée

L'introduction d'un développement révolutionnaire, tel que la technologie du silicium dans l'art horloger traditionnel, mérite un hommage particulier.

Ainsi, Patek Philippe dévoile la première série « Patek Philippe Advanced Research » à l'occasion du salon international Baselworld 2005. Il s'agit d'une exécution spéciale, en série limitée, d'une montre-bracelet automatique à Quantième Annuel, réf. 5250, présentée dans un nouveau boîtier de diamètre agrandi (39 mm), en or gris 18 carats.

Le choix s'est porté sur le Quantième Annuel, car ce mécanisme de calendrier breveté est un exemple éloquent de la philosophie d'innovation de la manufacture genevoise.

Le Quantième Annuel, réf. 5250, est doté du mouvement automatique Patek Philippe calibre 315, dans lequel tourne pour la première fois une roue d'échappement en silicium. Afin de la mettre en valeur et surtout de pouvoir en observer le fonctionnement, le pont de rouage finissage a été ajouré, permettant ainsi d'admirer la roue d'échappement avec sa couleur particulière grise anthracite aux reflets bleus violets. De plus, le fond saphir est doté d'une loupe permettant d'avoir une vue précise et détaillée sur la roue.

Afin de différencier cette première série spéciale intégrant le concept nouvelles technologies, le fond saphir de la montre porte l'inscription : « Patek Philippe Advanced Research ». Son mouvement est doté d'une autre nouveauté technique. En effet, la masse en or 21 carats est équipée, pour la première fois, d'un roulement à billes en zirconium, qui, comme la roue d'ancre en silicium, ne nécessite pas de lubrification.

L'autre face de la réf. 5250, côté cadran, présente un nouveau visage avec un cadran argenté satiné vertical, doté d'indexes et d'aiguilles de couleur nickel noir s'approchant de la couleur du silicium. Cette première série « Patek Philippe Advanced Research » est limitée à 100 exemplaires.

ANNEXE :

La technique de fabrication des composants micromécaniques en silicium monocristallin

La fabrication de la première roue en silicium pour échappement à ancre suisse de Patek Philippe est réalisée par l'Institut de microtechnique de l'Université de Neuchâtel.

L'Institut de microtechnique de l'Université de Neuchâtel (IMT – Uni NE)

L'Institut de microtechnique de l'Université de Neuchâtel a été créé en 1975 au sein de la Faculté des Sciences, dans le but de développer la formation universitaire et la recherche en microtechnique.

L'IMT Uni-NE a mis sur pied d'importantes infrastructures technologiques, notamment le COMLAB, géré conjointement par l'IMT Uni-NE et le CSEM SA. Ce laboratoire lourd est destiné à la recherche en microtechnique (microsytèmes, micro- et nano-technologies).

L'IMT Uni-NE compte environ 140 collaborateurs. Les collaborateurs scientifiques (dont une cinquantaine de doctorants) sont dirigés par les professeurs et responsables des groupes de recherche; ils travaillent principalement dans les domaines suivants:

1) Optique appliquée
2) Electronique et traitement du signal
3) Capteurs, actionneurs et microsystèmes
4) Silicium en couches minces / photovoltaïque
5) Reconnaissance des formes.

Depuis 1996, l'IMT Uni-NE a investi d'une manière importante dans la gravure profonde de silicium monocristallin (DRIE) par l'acquisition de plusieurs systèmes de gravure, ce qui a permis de développer un savoir-faire unique et de mettre au point des procédés spécifiques.

Ce développement a été très bénéficiaire pour la fabrication des roues d'échappement en silicium monocristallin pour la société Patek Philippe.

Superficiel : Reactive Ion Etching RIE

En plus des propriétés physiques mentionnées, le silicium est également ce que l'on appelle un semi-conducteur. Ce qui en fait le plus important matériau de base de l'industrie des micropuces. Pour cela, on découpe un cylindre de silicium monocristallin en très fines tranches (plaques appelées Wafers) dans lesquelles, au moyen de différents procédés de gravure, on usine les structures conductrices microscopiques des futures puces.

Par ces procédés, il a été possible à ce jour de réaliser des structures propres de quelques micromètres (millièmes de millimètres =1/1000 mm) de profondeur. Cette faible profondeur n'a permis que des applications dans le domaine de l'électronique.

Profond : Deep Reactive Ion Etching DRIE

Par contre, nous disposons aujourd'hui, avec le récent procédé de gravure ionique profonde, également appelé Deep Reactive Ion Etching (DRIE), d'une solution qui nous permet d'appliquer les avantages physiques du silicium à des composants de micromécanique.

Jusqu'à présent, le principal problème était d'obtenir des surfaces de flancs lisses et droites. Avec les procédés et équipements de gravure profonde de la 3ème génération, il est possible de réaliser des composants d'une épaisseur pouvant aller jusqu'à plusieurs centaines de micromètres, tout en préservant la qualité souhaitée des flancs. Alors que pour beaucoup de composants horlogers, une épaisseur de 120 micromètres suffit.

Procédé de réalisation d'une roue d'échappement en silicium

Le matériau de départ est une plaque Wafer de 100 mm de diamètre et 0,5 mm d'épaisseur. Celle-ci est composée de trois couches.

La couche supérieure est constituée de silicium monocristallin, dont l'épaisseur correspond à l'épaisseur de la pièce à réaliser. En dessous, se trouve une couche de séparation en oxyde de silicium. Le tout est posé sur une plaque porteuse en silicium monocristallin.

Avec la surface du Wafer de 100 mm de diamètre, il est possible de réaliser environ 250 roues d'ancre.

Pour commencer, on projette l'image photographique de la pièce à réaliser sur le Wafer.

Après le développement, on peut enlever la couche de laque des parties exposées par lavage, alors que la couche de laque des parties non exposées reste collée au Wafer. Les parties non laquées peuvent être alors gravées au plasma. Ce procédé est appliqué jusqu'à ce que la couche de séparation en oxyde de silicium soit atteinte.

On libère ensuite les pièces en silicium en attaquant la couche de séparation par gravage isotrope. Il ne reste alors plus qu'à nettoyer superficiellement les composants qui sont utilisables tels quels, sans équilibrage, ni centrage, ni polissage, etc.