EP2889702A2 - Palette d'ancre pour échappement de mouvement de montre, et procédé de fabrication adapté - Google Patents

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EP2889702A2
EP2889702A2 EP14196655.6A EP14196655A EP2889702A2 EP 2889702 A2 EP2889702 A2 EP 2889702A2 EP 14196655 A EP14196655 A EP 14196655A EP 2889702 A2 EP2889702 A2 EP 2889702A2
Authority
EP
European Patent Office
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diamond
pallet
monocrystalline
plane
anchor
Prior art date
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Granted
Application number
EP14196655.6A
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German (de)
English (en)
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EP2889702B1 (fr
EP2889702A3 (fr
Inventor
Serguei Mikhaïlov
Sergey Goloviatinski
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TGM Developpement SA
Original Assignee
TGM Developpement SA
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Publication date
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04B—MECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
    • G04B15/00—Escapements
    • G04B15/14—Component parts or constructional details, e.g. construction of the lever or the escape wheel

Definitions

  • the present invention relates to an exhaust anchor pallet, in particular an anchor pallet made of diamond.
  • the present invention also relates to a method of manufacturing such a pallet.
  • Mechanical parts for mechanical watch movements are most often made of metal.
  • the moving parts for example the axles, the wheels, the gears, the escape anchor, the escape wheel, the balance, the springs and the spiral are frequently made of steel, or steel elinvar for the spiral.
  • the plate and bridges are usually made of brass or steel. Other materials are used more marginally, eg ruby for bearings or pallets, or ceramics for some bearings.
  • EP732635A1 describes a micro-mechanical part, for example an anchor for a watch movement, cut in a silicon wafer by etching by means of a plasma gas around a mask formed previously on the face of the plate .
  • Silicon has the advantage of being easy to machine, reproducibly, with technologies perfectly mastered for the manufacture of integrated circuits or MEMS in particular.
  • it has certain disadvantages, including an insufficient tribological surface state and a relatively high coefficient of friction.
  • CH669109A1 (The Swatch Group R & D Ltd) suggests improving this surface condition by depositing a layer of DLC ("Diamond Like Carbon") carbon on the silicon.
  • DLC Diamond Like Carbon
  • US2002 / 114225 (Damasko) describes in particular a steel exhaust anchor coated with a layer DLC ("Diamond Like Carbon”).
  • US2012 / 0263909 (Diamaze Microtechnology SA et al.) Discloses another example of a diamond coated mechanical part or a DLC layer.
  • DLC coatings have some of the properties of natural diamond, although their crystalline structure is very different. In general, these coatings are produced using a method of carbon deposition by plasma, filtered arcs, ion beams, cathode sputtering, and the like. These fast, high energy processes do not allow the carbon atoms to be arranged according to the typical sp3 cubic disposition of the diamond; the arrangement of the atoms is globally amorphous, with an entanglement of crystalline micro-structures oriented differently from each other.
  • the known DLC coating deposition processes generate a material having large proportions, greater than 10%, of hydrogen, graphitic carbon or other components.
  • a piece of steel or silicon coated with a DLC layer thus has tribological surface conditions which are certainly improved, but still far from perfect.
  • the adhesion of the DLC coating to the substrate is also a weak point.
  • the additional step required for the deposition of this DLC layer complicates the manufacture.
  • the anchors in the escapement of the mechanical movements are in particular subjected to severe constraints. It is first of all desirable to reduce their mass and moment of inertia as much as possible in order to limit the energy required for the high frequency oscillation of these moving parts, and therefore increase the power reserve of the watch.
  • the anchor, in particular the anchor pallet is subjected to repeated shocks at each alternation, or during shocks of the watch, and must therefore have sufficient strength.
  • the anchor and in particular the pallets mounted on the anchor must both be able to receive a pulse of the escape wheel at each alternation, then to block the same escape wheel.
  • a coefficient of friction as small as possible between the pallet impulse plane and the teeth of the escape wheel makes it possible to increase the energy efficiency of the exhaust and therefore increase the running of the watch.
  • the tribological state of the pallet impulse plan must therefore be as good as possible.
  • the pallets must also be sufficiently hard to absorb shocks transmitted by the anchor wheel without deformation.
  • this anchor and / or in any case the pallets are made of diamond.
  • micromechanical diamond parts we already know micromechanical diamond parts. So, WO2004 / 029733A2 (Fore Eagle Co Ltd) describes watch components made at least partially in this material. This document lists various advantages of diamond, including its hardness, a low coefficient of friction, good impact resistance, high mechanical strength, a module high elasticity, low coefficient of thermal expansion, transparency and the ability not to scratch.
  • EP2407831A1 (Rolex SA) describes a watch oscillator hairspring that can be made of a low-density material such as silicon, diamond or quartz.
  • the spiral can be made by a process of chemical etching using a plasma ("DRIE, Deep Reactive Ion Etching").
  • CH701155B1 (Complitime SA) describes a balance for a timepiece including a board that can be diamond, quartz, silicon or corundum.
  • WO2005 / 017631 (Fore Eagle Co Ltd) describes another pendulum made of diamond and obtained by chemical etching using a plasma.
  • EP2107434A1 describes a mechanical part, in particular an anchor wheel for watchmaking, made of silicon or diamond.
  • EP2233989 (Ulysse Nardin Le Locle SA) describes a diamond spiral spring obtained by deep engraving.
  • CH701369 describes a diamond barrel spring.
  • the type of diamond used for the above parts is generally not specified in these documents. In practice, it is always polycrystalline synthetic diamond whose cost is 10 to 50% lower than that of natural diamond, and which can be produced in forms suitable for the intended use.
  • An object of the present invention is therefore to provide an anchor pallet for mechanical watch movement escapement which offers such a compromise between these different properties.
  • a pallet for escaping watch movement comprising a pulse plane as an active surface, made integrally of monocrystalline diamond with a pulse plane substantially parallel to the crystalline plane ⁇ 001 ⁇ or preferably on the ⁇ 011 ⁇ plane of the diamond.
  • the pallet is meant in this application the part at the interface between the regulating member and the exhaust, on the regulating member side, which receives from the exhaust energy intended to oscillate the regulating member and / or which makes it possible to block the escape with each alternation.
  • the pallet can be embedded in an arm of the anchor, for example a Swiss anchor.
  • the pallets often have a parallelepipedal shape, with an inclined plane on the side of the escape wheel and intended to receive the impulse of the escape wheel; other forms of pallets can however be imagined, including pallets with a curved face on the side of the escape wheel.
  • the pallet can also be an integral part of the anchor or another part of the exhaust, which in this case can be made monolithically monocrystalline diamond.
  • the pallet can be rigid or even flexible.
  • a pallet is said to be "made entirely of diamond” if it consists of a single diamond crystal, without a substrate in another material, without surface coating and generally without assembly.
  • Small quantities of impurities for example less than 3%, can at most be present, in particular in the case of natural diamonds, but also of synthetic diamonds.
  • the impurities may for example be constituted by doping.
  • a diamond is considered monocrystalline if it consists of a single crystal, or essentially a single crystal except for a limited number of distinct crystals, often smaller than the main crystal, which are unwanted but which result in example of the manufacturing process or imperfect crystallization around impurities or edges.
  • the invention notably starts from the observation that monocrystalline diamond has many advantages over more widespread polycrystalline diamond, and even more so compared to DLC coatings.
  • monocrystalline diamonds have the advantage over polycrystalline diamonds of being extremely strong; no split primer exists between the different grains. This strength allows to achieve with the same strength of the finer parts and therefore lighter.
  • monocrystalline diamond parts such as, without limitation, anchor wheels or anchors with a thickness less than 120 microns, preferably less than 100 microns, for example between 20 and 60 microns.
  • the thickness is advantageously between 100 and 400 microns, for example 320 microns, or between 100 and 160 microns, preferably between 100 and 120 microns.
  • Such thicknesses would not be practically achievable with steel, silicon or polycrystalline diamond parts, because these parts would be too fragile and very difficult to mount without breaking them.
  • monocrystalline diamonds generally have a smoother surface finish than polycrystalline diamonds or DLC coatings, whose grain structure does not provide an optimal tribological surface.
  • the polycrystalline diamonds known in the prior art for the manufacture of mechanical parts are extremely hard, harder than the usual natural monocrystalline diamonds.
  • a high degree of hardness is not always necessary or even advantageous for a watch component. This hardness results in a high polishing cost, and faster wear of the less hard parts in contact.
  • the invention also starts from the observation that the plane of impulse parallel to the ⁇ 001 ⁇ or preferably ⁇ 011 ⁇ crystalline plane makes it possible to obtain a better tribological state after polishing than a crystalline plane parallel to the ⁇ 111 ⁇ or oblique plane compared to these plans.
  • the pallet can be made by cutting from a flat plate.
  • the plates can be cut by laser from a non-flat diamond.
  • the laser can be tilted during cutting.
  • the direction of the laser can be changed by means of a mirror during cutting. Cutting can be done from both ends of the piece.
  • the cutting of the flat parts in a plate can be performed from a laser oriented perpendicularly to the plate.
  • the cutting path can be defined by means of laser path control software.
  • the trajectory can be optimized to minimize the risk of cracking in any direction other than the cutting direction.
  • the trajectory can be optimized by taking into account the shape and size of the laser beam. Polishing thickness indicators can be cut to control the depth to which the part should be polished later.
  • the pallet can be made of natural or synthetic monocrystalline diamond.
  • Natural monocrystalline diamonds of a size compatible with the manufacture of mechanical parts have the reputation of being very expensive, so that there was a very important prejudice against their use for the manufacture of such parts.
  • many natural monocrystalline diamonds are discovered each year with shapes that do not allow to cut them for use in jewelery, for example. Such diamonds are most often split to reduce them to usable smaller diamonds, or reduced to diamond powder for industrial applications. The value of such pieces is therefore much lower than that of diamonds usually used in watchmaking and jewelery.
  • Synthetic diamonds are in the vast majority of polycrystalline cases; it is generally considered difficult to produce monocrystalline synthetic diamonds, especially large diamonds. It has, however, been observed more recently that the evolution of technologies makes it possible to manufacture monocrystalline synthetic diamonds of more than 1 carat at relatively low costs.
  • monocrystalline synthetic diamonds can be obtained by growing carbon by CVD growth around a monocrystalline diamond primer.
  • the monocrystalline diamond primer can be reused to successively grow several monocrystalline synthetic diamonds. It is important that the primer is monocrystalline diamond so that the structure that is deposited is itself monocrystalline.
  • Carbon can be obtained from methane in a CVD reactor.
  • Monocrystalline synthetic diamond can also be obtained by compression of carbon at high pressure and high temperature. This solution, however, results in higher costs, especially for the manufacture of monocrystalline diamonds of large dimensions.
  • Polycrystalline diamonds are most often transparent or gray; because of the multiple interfaces between different crystal grains with different orientations, they produce little or no glare, and virtually no iridescence effects.
  • monocrystalline diamonds especially natural monocrystalline diamonds, exist in a wide variety of colors, including transparent, black, blue, yellow, red and so on.
  • the play of light that is reflected on different faces oriented in various ways produces very popular iridescence effects.
  • the synthetic monocrystalline diamond can be doped. Natural monocrystalline diamond can be doped.
  • the doped monocrystalline diamond is obtained by voluntarily introducing a doping element into the diamond, either during the growth of a synthetic diamond, or in a synthetic or natural diamond already formed.
  • the doping operation thus produces a diamond different from the diamonds found in nature, and different from undoped synthetic monocrystalline diamonds. The difference comes from the type of impurities, their distribution and / or their concentration.
  • the doping is chosen so as to modify the mechanical and tribological properties of the diamond piece.
  • the doping of the synthetic monocrystalline diamond can be obtained during its manufacture by adding impurities in the gas of the CVD reactor. This doping can be carried out practically without additional cost during the growth of a monocrystalline synthetic diamond.
  • the doping of synthetic or natural monocrystalline diamond can also be obtained by ion implantation using a high energy beam.
  • the doping can be homogeneous throughout the volume of the room.
  • Doping can be limited to the surface, or different in surface and depth. Doping may be chosen to control the hardness and / or color and / or elasticity and / or sensitivity of the Young's modulus to temperature. Different monocrystalline diamond pieces of the same movement can be doped differently.
  • the invention also relates to a clockwork movement comprising one or more functional mechanical parts in monocrystalline diamond.
  • Different mechanical parts of the same movement can be made in different varieties of monocrystalline diamond.
  • different mechanical parts of the same movement can be made in different colors of monocrystalline diamond.
  • the color of the monocrystalline diamond which is due to the impurities, influences its hardness.
  • transparent monocrystalline diamond is less hard than black monocrystalline diamond doped with boron ions.
  • the type or color of monocrystalline diamond chosen for different pieces of the same movement is therefore determined according to of the desired hardness, or depending on other mechanical properties depending on this color.
  • the pallets of the exhaust anchor, or the anchor complete if the pallets are integrated are harder than the anchor wheel with which they collaborate; an anchor wheel lasts less than the pallets makes it possible to absorb shocks.
  • the watch movement comprises, for example, an anchor or pallet of anchor in a hard monocrystalline diamond, and an anchor wheel in a less hard monocrystalline diamond.
  • the anchor or the pallets may be, for example boron-doped black monocrystalline diamond while the anchor wheel may be transparent or yellow monocrystalline diamond.
  • the impulse plane of the pallet is obtained by polishing the lateral surfaces of the pallet after its cutting in a monocrystalline diamond plate.
  • the polishing can be performed mechanically, for example with a grinding wheel in a direction parallel to the direction of impulse.
  • At least a portion of these lateral mechanical surfaces of the pallet may be polished or corrected, for example with a laser beam or an ion beam.
  • at least a portion of these surfaces is corrected in order to have a better tribological state than before the correction.
  • At least one portion may be corrected so that this portion is substantially perpendicular to the lower and upper faces of the part.
  • the pallet can be held by vacuum during polishing. It can thus be positioned very precisely in height, and inaccuracies in the thickness of the part which result from an unmaintained thickness of glue in the methods of polishing glued parts used in the prior art are avoided.
  • the pallet can be mounted in the anchor before polishing, the anchor then being used to hold the pallet during polishing.
  • At least one of the surfaces of the pallet may be heat treated, for example by exposing it to a temperature between 600 ° and 750 ° C, preferably between 650 and 680 ° C, in order to burn the carbon in the form of graphite produced by diamond cutting and which eventually remains on the surface.
  • This heat treatment also makes it possible to polish the diamond, by burning tips on the surface, without however degrading the surface state by a high temperature attack.
  • At least one of the surfaces can be rectified with a laser.
  • the state of at least one surface of the diamond is advantageously treated by both heat treatment, mechanical polishing and laser grinding.
  • the workpiece can be polished until the surface is level with previously polished polishing marks.
  • the workpiece can be ultrasonically polished. It can be cleaned with gasoline.
  • FIGS. 1A to 1E illustrate different successive steps of a method of manufacturing an exhaust anchor incorporating pallets according to the invention.
  • the figure 2 illustrates an exhaust anchor incorporating pallets according to the invention.
  • FIGS. 3A to 3B schematically illustrate an operation of polishing or grinding at least a portion of the side flanks of a pallet according to the invention.
  • the Figures 4A to 4C illustrate a method of laser cutting a flat surface in a diamond by means of a laser oriented in different directions.
  • the figure 5 illustrates a pallet made according to the method of the invention.
  • FIGS. 1 to 3 schematically illustrate a method of manufacturing a pallet according to the invention, here integrated with an exhaust anchor. A similar method can be implemented to manufacture a discrete pallet and separated from the anchor.
  • the Figure 1A illustrates an uncut monocrystalline diamond 1 used to manufacture one or more pieces according to the invention.
  • the monocrystalline diamond may be a natural diamond or a synthetic diamond, with a weight advantageously greater than 1 carat, preferably greater than 3 carats.
  • a natural diamond it may be a diamond having a shape or other properties rendering it unfit for recovery for use in jewelry.
  • a synthetic monocrystalline diamond can be produced for example by means of a filtered arc to deposit carbon on a monocrystalline diamond primer, without the addition of hydrogen or other materials. Another possibility is to make a CVD deposit of carbon produced from a hydrocarbon such as methane on a monocrystalline diamond primer.
  • the primer can be reused after cutting plates in the mass deposited above the primer.
  • a third, less desirable, possibility is to produce a synthetic monocrystalline diamond by subjecting a carbon source to a high temperature and a high simultaneous pressure. Other methods may be used.
  • the monocrystalline diamond thus formed can be doped.
  • the doping product can be introduced during the formation of the synthetic diamond, for example by adding traces of dopant in the filtered arc respectively in the CVD reactor.
  • the dopant is added after formation of the synthetic diamond, for example by means of a high energy ion beam.
  • the doping can be carried out homogeneously throughout the mass of the diamond, and / or only at the surface. A first doping may be carried out in the mass and a different doping, for example with another doping product and / or with another concentration, may be carried out on the surface.
  • Doping can be selected to modify the hardness of the pieces produced from this diamond; depending on the doping product, it is possible to increase or reduce this hardness. For example, the inclusion of nitrogen as a doping product makes it possible to reduce the hardness of a part, whereas the inclusion of boron ions makes it possible to increase it.
  • the hardness of the pallet is increased by doping, for example by including boron ions, while a monocrystalline diamond anchor wheel intended to collaborate with this pallet in the exhaust is undoped, or doped so as to reduce its hardness, for example with nitrogen, in order to obtain a hardness lower than that of the pallet.
  • a monocrystalline diamond anchor wheel intended to collaborate with this pallet in the exhaust is undoped, or doped so as to reduce its hardness, for example with nitrogen, in order to obtain a hardness lower than that of the pallet.
  • the anchor wheel is doped with a relatively high concentration of nitrogen, while the pallet is doped with a lower concentration of nitrogen. The inclusion of nitrogen during diamond manufacturing synthetic monocrystalline CVD growth makes it possible to increase the speed of manufacture, and thus reduce the cost, while obtaining pallets that remain harder than conventional ruby pallets.
  • Doping can also be selected to control the color of the diamond. Doping can be chosen to control the Young's modulus of the diamond. The doping can be chosen so as to reduce the sensitivity of the Young's modulus to the temperature, in order to produce parts whose rigidity is as independent as possible from the temperature. The doping can be chosen so as to reduce the coefficient of expansion of the diamond, in order to produce pieces whose dimensions are as independent as possible from the temperature.
  • the doping product and the concentration of this product are further selected so as not to interfere with or minimize the interference of the diamond's single crystal structure.
  • the diamond is doped with boron ions. Different diamonds used for the production of different pieces in the same watch can be doped differently depending on the desired properties.
  • the boron doping carried out during the organic growth of the synthetic diamond has the advantage of producing a non-radioactive black diamond, unlike doping processes by introduction of high energy ions.
  • the monocrystalline diamond 1 is then cut as shown in FIG. Figure 1B , for example by means of a diamond saw, or split with a hammer and a blade, an electric arc, an ion beam, or preferably cut by means of a laser to obtain a planar surface.
  • the laser is advantageously a pulsed laser, for example a pulsed laser at a frequency of 5 to 40 GHz.
  • the diamond is sliced from a first side by means of a first laser beam 20.
  • the laser beam is rotated by means of a movable mirror, so as to emit in a cone with an opening angle of less than 5 °.
  • the diamond is then attacked from the other side by means of another laser beam 21 rotated in a cone ( Figure 4B ).
  • This cone machining allows the ablation zone to be enlarged and to avoid poor surface conditions and the destruction of the crystalline structure which may occur if the ablation is performed in a narrow channel, causing a rise in excessive temperature.
  • the process is comparable, proportionately, to that of a lumberjack cutting a trunk by means of two notches sloping from each side of the trunk.
  • the convex surface thus produced by this cutting is then rectified or flattened, as illustrated in FIG. figure 4C , by means of a laser beam oriented parallel to the surface of the plate that it is desired to produce.
  • the pulsation frequency of this laser can be, for example, between 10 and 100 KHz, in order to obtain precise cutting without the problems of modifications of the crystalline structure caused by the high energy of the pulsed lasers more rapidly.
  • the section plane is determined in order to obtain an active surface of the workpiece oriented along the ⁇ 111 ⁇ crystalline plane, which is generally the hardest.
  • the plane of section is preferably distinct from the plane ⁇ 111 ⁇ and chosen so as to allow the cutting of pallets whose impulse surface, obtained in the slice of the cut plates, is parallel to the ⁇ 111 ⁇ crystalline orientation plane.
  • the section plane is determined in order to obtain an active surface of the workpiece oriented substantially in the ⁇ 001 ⁇ crystalline plane or preferably in the plane ⁇ 011 ⁇ which is particularly hard; these planes are indeed less sensitive to deviations from the ideal surface.
  • the cutting plane is preferably chosen so as to allow the cutting of pallets whose impulse surface, obtained in the edge of the cut plates, is substantially parallel to the ⁇ 001 ⁇ or preferably ⁇ 011 ⁇ crystalline orientation plane. Substantially parallel means here that the deflection after polishing is at most + 5 °.
  • the rough face 10 obtained at the end of this cut is then ground and / or polished so as to obtain a polished flat face 11 as illustrated on FIG. figure 1C .
  • the rectification of the face 11 can be performed, as indicated, by means of a laser, for example a pulsed laser between 10 and 100KHz.
  • the polishing of the face 11 can be performed on a rotary grinding wheel covered with synthetic diamond powder, for example polycrystalline diamond powder.
  • the roughness of the face 11 can also be reduced by means of a high energy ion beam parallel to the surface.
  • the diamond is then cut into a new cut parallel to the first cut, so as to obtain a thin plate 2 as illustrated on the drawing. figure 1D .
  • This delicate cut is advantageously performed by laser to avoid shocks that could break the plate.
  • this cutting can be performed according to the method illustrated on the Figures 4a to 4c i.e., by means of one or two laser beams deflected by a mirror to produce a conical ablation zone.
  • this process makes it possible to cut extremely thin plates in a monocrystalline diamond, for example plates with a thickness of less than 400 microns, for example plates with a thickness of between 100 and 400 microns, by 320 microns, or between 100 and 160 microns, ideally between 100 and 120 microns, in the case of plates for machining pallets, and plates with a thickness of between 20 and 120 microns, for example between 40 and 80 microns, for example 60 microns, in the case of manufacture of anchor wheels or anchors.
  • This characteristic makes it possible to manufacture extremely light parts and thus to reduce the energy necessary to put them in displacement.
  • the lower face 12 of the plate 2 is relatively crude. For many applications, especially in watchmaking, this aspect not perfectly polished is entirely satisfactory since this face is not visible. However, it is conceivable by producing a slightly thicker piece to also polish this face 12, for example by polishing mechanics on a grinding wheel and / or laser. In one embodiment, the part is held without glue during polishing, preferably by vacuum. It is thus possible to very precisely control the thickness of the piece after polishing, without this thickness depending on the thickness of the glue.
  • the plate 2 produced can be visually inspected to remove plates that have too many impurities or a non-monocrystalline structure.
  • this control is performed by illuminating the plate with a polarized light that highlights the imperfections.
  • the control can be manual or done by means of a camera and an image analysis software.
  • the pallet 3 (or an anchor integrating one or more pallets) is cut in the surface of the plate 2.
  • This cut is for example obtained by means of a laser beam perpendicular to one of the surfaces 11, 12 or the plane 2.
  • this cutting can be performed according to the method illustrated on the Figures 4a to 4c i.e., by means of one or two laser beams deflected by a mirror to produce a conical ablation zone.
  • the figure 5 illustrates an example of a possible trajectory of the laser beam 6 during the machining of a pallet in a plate 11.
  • the laser beam may have a relatively large dimension, for example a maximum diameter of the order of 20 microns.
  • the shape of this beam 6 is generally non-circular, for example elliptical.
  • the cutting trajectory is therefore advantageously determined by software designed to determine a trajectory of the light beam which takes into account the size, shape and orientation of this beam with respect to the piece to be cut, so as to obtain a piece after release whose dimensions correspond to the desired dimensions.
  • the path is preferably initiated at a distance from the part to be produced, on a portion 32 which does not belong to the part produced. This avoids the deformations due to the initial drilling.
  • the trajectory is further preferably optimized, taking into account the crystalline orientation of the diamond, so that any cracks that propagate from the point of ablation have a maximum chance of following the edge of the piece, or move away from this room. For example, on the figure 5 , the maximum risk of cracking occurs from the initial piercing point 32; the position of this point is therefore preferably chosen so that the most likely crack direction exactly follows the line followed by the beam.
  • the workpiece is oriented on the diamond plate 11 so that the active surface of the workpiece is in the ⁇ 111 ⁇ crystal plane.
  • the active surface 31 is constituted by the impulse surface (plane or non-plane) intended to be brought into contact with the anchor wheel. The pallet is thus cut in the plate 11 so that this surface 31 is precisely in the ⁇ 111 ⁇ plane.
  • the elements 33 on the figure 5 are cutting indicators used during the subsequent polishing step to define the ideal polishing depth. The polishing will be done precisely until the moment when these marks disappear completely.
  • the method of cutting into a plate 2 of the part 3 by means of a laser has the disadvantage of producing lateral flanks 13 that are not perpendicular to the faces 11, 12, as represented excessively on the figure 3A .
  • the diamond being more or less transparent, the cut is in fact obtained by the attack of the plasma produced by the interaction between the laser light and the air. This results in non-perpendicular flanks and little smooth. This surface quality is problematic in particular for a pallet 3 whose impulse surface, intended to come into contact with the anchor wheel, is formed by a portion of this slice.
  • an optional operation for grinding the flanks 13, or at least a portion of these flanks can be carried out by means of a grinding wheel so as to obtain flanks 14 which are smoother and perpendicular to the surfaces 11 , 12, as illustrated on the figure 3B .
  • a grinding wheel In the case of a pallet, at least the impulse surface 31 can be ground to the depth of the mark 33 by means of a grinding wheel coated with polycrystalline diamond powder.
  • the grinding is preferably carried out by orienting the grinding wheel with respect to the impulse surface so as to grind in a direction substantially parallel to the impulse direction, i.e. to the direction of travel of the impeller wheel. anchor in relation to the pallet.
  • Polishing of the active surface 31 by sandblasting, ion beam, ultrasound, pulsed laser (eg femtolaser), etc. can also be considered, in addition to or in replacement of polishing by grinding.
  • the surfaces of the piece 3 thus obtained are preferably not coated; the monocrystalline diamond has a surface state that is practically ideal both from an aesthetic point of view and with regard to the coefficient of friction or the impact resistance, for example.
  • the surfaces 11, 12, 13 or 14 may be covered with traces of graphitized carbon resulting from the destruction of the diamond structure during cutting or polishing operations.
  • the part 3 it is possible in the context of the invention to subject the part 3 to a heat treatment, for example by leaving it for a few seconds or a few minutes in a furnace between 600 ° and 750 ° C., preferably between 650 and 680 ° C, preferably with ambient air; this operation makes it possible to burn the residual graphite at the surface without affecting the carbon in the form of a diamond, and thus to improve the surface state of the part. It is also possible to use a lower temperature with a higher oxygen level, or to oxidize the non-crystalline carbon without attacking the diamond by using for example an oxygenated or fluorinated plasma.
  • This operation also polishes the pallet by burning tips on the surface.
  • the piece produced can also be polished by means of an ion beam ("ion etching"), for example an ion beam parallel to the surface to be polished, for example parallel to the pulse plane.
  • ion etching an ion beam parallel to the surface to be polished, for example parallel to the pulse plane.
  • this ionic polishing is performed after polishing by heat treatment.
  • the part produced can also be polished by means of ultrasound. It can be cleaned with gasoline to improve the appearance of the diamond.
  • a mechanical watch movement within the scope of the invention may comprise one or more monocrystalline diamond pieces. As mentioned, it is possible to choose the hardness of each piece 3 by selecting the diamond type and color.

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Abstract

Palette (3) d'échappement pour mouvement de montre mécanique, réalisée intégralement en diamant monocristallin.

Description

    Domaine technique
  • La présente invention concerne une palette d'ancre d'échappement, en particulier une palette d'ancre réalisée en diamant. La présente invention concerne aussi un procédé de fabrication d'une telle palette.
    • Etat de la technique
  • Les pièces mécaniques pour mouvements de montre mécaniques sont le plus souvent réalisées en métal. Les pièces mobiles, par exemple les axes, les roues, les pignons, l'ancre d'échappement, la roue d'échappement, le balancier, les ressorts et le spiral sont fréquemment réalisés en acier, ou en acier elinvar pour le spiral. La platine et les ponts sont généralement réalisés en laiton ou en acier. D'autres matériaux sont employés de manière plus marginale, par exemple le rubis pour les paliers ou les palettes, ou la céramique pour certains roulements.
  • Des recherches intensives ont été menées afin de remplacer ces matériaux conventionnels et d'éviter certains de leurs inconvénients. A titre d'exemple, le silicium est aujourd'hui utilisé de manière industrielle pour la fabrication des organes de l'échappement ou du spiral notamment. EP732635A1 (CSEM) décrit une pièce micro-mécanique, par exemple une ancre pour mouvement d'horlogerie, découpée dans une plaque en silicium par attaque au moyen d'un gaz plasma autour d'un masque de forme ménagé préalablement sur la face de la plaque.
  • Le silicium a l'avantage d'être facile à usiner, de manière reproductible, avec des technologies parfaitement maîtrisées pour la fabrication de circuits intégrés ou de MEMS notamment. Il présente cependant certains inconvénients, notamment un état de surface tribologique insuffisant et un coefficient de frottement relativement élevé.
  • CH669109A1 (The Swatch Group R&D Ltd) suggère d'améliorer cet état de surface en déposant une couche de carbone DLC (« Diamond Like Carbon ») sur le silicium. De manière similaire, US2002/114225 (Damasko) décrit notamment une ancre d'échappement en acier revêtu d'une couche DLC (« Diamond Like Carbon »). US2012/0263909 (Diamaze Microtechnology SA et al.) décrit un autre exemple de pièce mécanique revêtue de diamant ou d'une couche DLC.
  • Les revêtements DLC possèdent certaines des propriétés du diamant naturel, bien que leur structure cristalline soit très différente. De manière générale, ces revêtements sont produits à l'aide d'un procédé de déposition de carbone par plasma, par arcs filtrés, par faisceaux ioniques, par pulvérisation cathodique etc. Ces procédés rapides, à haute énergie, ne permettent pas aux atomes de carbones de s'arranger selon la disposition cubique sp3 typique du diamant ; l'arrangement des atomes est globalement amorphe, avec un enchevêtrement de micro-structures cristallines orientées différemment les unes des autres.
  • Par ailleurs, les procédés de déposition de revêtement DLC connus génèrent un matériau comportant des proportions importantes, supérieure à 10%, d'hydrogène, de carbone graphitique ou d'autres composants.
  • Une pièce en acier ou en silicium revêtue d'une couche DLC présente donc des états de surface tribologiques qui sont certes améliorés, mais encore loin d'être parfaits. L'adhésion du revêtement DLC sur le substrat constitue en outre un point de faiblesse. En tous les cas, l'étape supplémentaire nécessaire pour la déposition de cette couche DLC complique la fabrication. Par ailleurs, il est difficile de contrôler précisément la forme de la pièce après le dépôt du revêtement.
  • Les ancres dans l'échappement des mouvements mécaniques sont en particulier soumises à des contraintes sévères. Il est tout d'abord souhaitable de réduire leur masse et leur moment d'inertie au maximum afin de limiter l'énergie nécessaire à l'oscillation à fréquence élevée de ces pièces mobiles, et donc d'augmenter la réserve de marche de la montre. L'ancre, en particulier la palette d'ancre, est cependant soumise à des chocs répétés à chaque alternance, ou lors de chocs de la montre, et doit donc présenter une solidité suffisante. On désire en outre généralement une ancre rigide et qui ne se déforme pas à chaque alternance, ce qui limite également l'épaisseur minimale de la pièce.
  • D'autre part, l'ancre et en particulier les palettes montées sur l'ancre doivent à la fois être capables de recevoir une impulsion de la roue d'échappement à chaque alternance, puis de bloquer cette même roue d'échappement. Un coefficient de frottement aussi réduit que possible entre le plan d'impulsion de palettes et les dents de la roue d'échappement permet d'augmenter l'efficacité énergétique de l'échappement et donc d'augmenter la marche de la montre. L'état tribologique du plan d'impulsion des palettes doit donc être aussi bon que possible. Les palettes doivent en outre être suffisamment dures pour absorber les chocs transmis par la roue d'ancre sans déformation.
  • Dans ce but, l'usage de palettes en rubis est répandu. Par ailleurs, DE102008029429A1 suggère en relation avec la figure 20 une ancre en silicium qui intègre les palettes et qui peut être revêtue d'une couche de DLC. Cette ancre souffre cependant des défauts inhérents au silicium, à savoir une grande fragilité.
  • Il serait donc souhaitable de réaliser des ancres et des palettes d'ancres dans des matériaux plus solides, plus légers et présentant un meilleur coefficient de frottement que le rubis ou les revêtements DLC conventionnels. Selon un premier aspect de l'invention, cette ancre et/ou en tous cas les palettes sont réalisés en diamant. on connaît certes déjà des pièces micromécaniques en diamant. Ainsi, WO2004/029733A2 (Fore Eagle Co Ltd) décrit des composants horlogers réalisés au moins partiellement dans ce matériau. Ce document énumère différents avantages du diamant, notamment sa dureté, un faible coefficient de frottement, une bonne résistance aux chocs, une résistance mécanique élevée, un module d'élasticité élevé, un faible coefficient de dilatation thermique, la transparence et la capacité de ne pas se rayer.
  • EP2407831A1 (Rolex SA) décrit un spiral pour oscillateur horloger qui peut être réalisé dans un matériau à faible densité comme le silicium, le diamant ou le quartz. Le spiral peut être réalisé par un procédé de gravage chimique à l'aide d'un plasma (« DRIE, Deep Reactive Ion Etching »).
  • CH701155B1 (Complitime SA) décrit un balancier pour pièce d'horlogerie comportant une planche qui peut être en diamant, en quartz, en silicium ou en corindon.
  • WO2005/017631 (Fore Eagle Co Ltd) décrit un autre balancier constitué de diamant et obtenu par gravage chimique à l'aide d'un plasma.
  • EP2107434A1 décrit une pièce mécanique, notamment une roue d'ancre pour l'horlogerie, en silicium ou en diamant.
  • EP2233989 (Ulysse Nardin Le Locle SA) décrit un ressort spiral en diamant obtenu par gravure profonde.
  • CH701369 décrit un ressort de barillet en diamant.
  • Même si l'usage de diamant pour la fabrication de pièces mécaniques est connu, son usage est réservé à la fabrication de roues, de spiraux, de balanciers, ou comme revêtement DLC pour des ancres.
  • D'autre part, le type de diamant utilisé pour les pièces ci-dessus n'est généralement pas précisé dans ces documents. En pratique, il s'agit toujours de diamant synthétique polycristallin dont le coût est 10 à 50% plus bas que celui du diamant naturel, et qui peut être produit dans des formes convenant à l'usage prévu.
  • On connaît différentes méthodes de fabrication de diamant synthétique. US8088221 B2 (Z. Shapiro ) décrit un procédé de fabrication de diamant synthétique à basse température et relativement basse pression. EP2189555A2 (Appollo Diamond Inc) décrit un autre procédé de production de diamant synthétique. Des procédés par croissance CVD ou par détonation d'explosifs ont aussi été suggérés notamment dans US2003/205190 .
    • Bref résumé de l'invention
  • Il existe cependant un besoin, notamment dans l'horlogerie de moyen de gamme et de haut de gamme, pour des composants micromécaniques réalisés dans des matériaux offrant un meilleurs compromis entre les propriétés recherchées de dureté, résistance mécanique, légèreté, faible dilatation thermique, stabilité du module d'élasticité, et facilité d'usinage à haute précision.
  • En particulier, il existe un besoin pour des palettes d'ancres plus durables, plus légères et présentant un meilleur coefficient de frottement.
  • Un but de la présente invention est donc de proposer une palette d'ancre pour échappement de mouvement de montre mécanique qui offre un tel compromis entre ces différentes propriétés.
  • Selon l'invention, ces buts sont atteints notamment au moyen d'une palette pour échappement de mouvement de montre, comportant un plan d'impulsion comme surface active, réalisée intégralement en diamant monocristallin avec un plan d'impulsion sensiblement parallèle au plan cristallin {001} ou de préférence au plan {011} du diamant.
  • Par « palette », on entend dans la présente demande la pièce à l'interface entre l'organe réglant et l'échappement, du côté organe réglant, qui reçoit de l'échappement l'énergie destinée à faire osciller l'organe réglant et/ou qui permet de bloquer l'échappement à chaque alternance. La palette peut être encastrée dans un bras de l'ancre, par exemple une ancre suisse. Les palettes ont souvent une forme parallélépipédique, avec un plan incliné du côté de la roue d'échappement et destiné à recevoir l'impulsion de la roue d'échappement; d'autres formes de palettes peuvent cependant être imaginées, y compris des palettes avec une face courbe du côté de la roue d'échappement. La palette peut aussi faire partie intégrale de l'ancre ou d'une autre pièce de l'échappement, qui dans ce cas peut être réalisée de manière monolithique en diamant monocristalin. La palette peut être rigide ou même flexible.
  • Une palette est dite « réalisée intégralement en diamant » si elle est constituée par un seul cristal de diamant, sans substrat dans une autre matière, sans revêtement de surface et généralement sans assemblage. Des impuretés en faible quantité, par exemple moins de 3%, peuvent tout au plus être présentes notamment dans le cas de diamants naturels, mais aussi de diamants synthétiques. Les impuretés peuvent par exemple être constituées par un dopage.
  • Un diamant est considéré monocristallin s'il est constitué d'un seul cristal, ou essentiellement d'un seul cristal à l'exception d'un nombre limité de cristaux distincts, souvent plus petits que le cristal principal, non désirés mais qui résultent par exemple du processus de fabrication ou d'une cristallisation imparfaite autour des impuretés ou des bords.
  • L'invention part notamment de la constatation que le diamant monocristallin présente de nombreux avantages par rapport au diamant polycristallin plus répandu, et encore davantage par rapport aux revêtements DLC.
  • En particulier, les diamants monocristallins ont l'avantage par rapport aux diamants polycristallins d'être extrêmement solides; aucune amorce de fente n'existe en effet entre les différents grains. Cette solidité permet de réaliser avec la même solidité des pièces plus fines et donc plus légères. Par exemple, il est possible de réaliser en diamant monocristallin des pièces telles que, sans limitation, des roues d'ancres ou des ancres avec une épaisseur inférieure à 120 microns, de préférence inférieure à 100 microns, par exemple entre 20 et 60 microns. Dans le cas d'une palette, l'épaisseur est avantageusement comprise entre 100 et 400 microns, par exemple 320 microns, ou entre 100 et 160 microns, de préférence entre 100 et 120 microns. De telles épaisseurs ne seraient pratiquement pas réalisables avec des pièces en acier, en silicium ou en diamant polycristallin, car ces pièces seraient trop fragiles et très difficiles à monter sans les casser.
  • Grâce à cette finesse extrême, il est possible d'une part de réduire l'épaisseur du mouvement, et surtout de réduire l'inertie des pièces en mouvement. Cela permet d'augmenter la réserve de marche de la montre, et d'augmenter la fréquence d'oscillation de l'organe réglant.
  • D'autre part, les diamants monocristallins ont généralement un état de surface plus lisse que les diamants polycristallins ou les revêtements DLC, dont la structure en grains ne permet pas d'obtenir une surface tribologique optimale.
  • Les diamants polycristallins connus dans l'art antérieur pour la fabrication de pièces mécaniques sont extrêmement durs, plus durs que les diamants naturels monocristallins usuels. Cependant, contrairement aux préjugés, une dureté aussi importante n'est pas toujours nécessaire ni même avantageuse pour un composant horloger. Cette dureté entraîne un coût de polissage élevé, et une usure plus rapide des pièces moins dures en contact.
  • L'invention part aussi de la constatation que le plan d'impulsion parallèle au plan cristallin {001} ou de préférence {011} permet d'obtenir un meilleur état tribologique après polissage qu'un plan cristallin parallèle au plan {111} ou oblique par rapport à ces plans.
  • La palette peut être réalisée par découpe à partir d'une plaque plate.
  • La découpe des plaques peut être effectuée par laser à partir d'un diamant non plat. Le laser peut être incliné pendant la découpe. La direction du laser peut être modifiée au moyen d'un miroir pendant la découpe. La découpe peut être effectuée depuis les deux extrémités de la pièce.
  • La découpe des pièces plates dans une plaque peut être effectuée à partir d'un laser orienté perpendiculairement à la plaque. La trajectoire de découpe peut être définie au moyen d'un logiciel de contrôle de trajectoire du laser. La trajectoire peut être optimisée pour minimiser le risque de fissure dans toute direction autre que la direction de découpe. La trajectoire peut être optimisée en tenant compte de la forme et de la dimension du faisceau laser. Des témoins d'épaisseur de polissage peuvent être découpés, afin de contrôler la profondeur à laquelle la pièce doit être polie ultérieurement.
  • La palette peut être réalisée en diamant monocristallin naturel ou synthétique.
  • Les diamants naturels monocristallins de dimension compatibles avec la fabrication de pièces mécaniques ont la réputation d'être très onéreux, en sorte qu'il existait un préjugé très important à l'encontre de leur utilisation pour la fabrication de telles pièces. Il a cependant été constaté que de nombreux diamants naturels monocristallins sont découverts chaque année avec des formes qui ne permettent pas de les tailler afin de les utiliser en joaillerie par exemple. De tels diamants sont le plus souvent fendus pour les réduire en diamants utilisables plus petits, ou réduits en poudre de diamants pour des applications industrielles. La valeur de telles pièces est donc nettement plus faible que celle des diamants employés habituellement dans l'horlogerie et la bijouterie.
  • Les diamants synthétiques sont dans la vaste majorité des cas polycristallins; il est généralement considéré difficile de réaliser des diamants synthétiques monocristallins, surtout des diamants de grandes dimensions. Il a cependant été observé plus récemment que l'évolution des technologies permet de fabriquer des diamants synthétiques monocristallins de plus de 1 carat à des coûts relativement bas.
  • Des diamants synthétiques monocristallins peuvent par exemple être obtenus en faisant croître du carbone par croissance CVD autour d'une amorce en diamant monocristallin. L'amorce en diamant monocristallin peut être réutilisée pour faire croître successivement plusieurs diamants synthétiques monocristallins. Il est important que l'amorce soit en diamant monocristallin pour que la structure qui se dépose soit elle-méme monocristalline. Le carbone peut être obtenu à partir de méthane dans un réacteur CVD.
  • Le diamant synthétique monocristallin peut aussi être obtenu par compression de carbone à haute pression et haute température. Cette solution résulte cependant en des coûts plus élevés, notamment pour la fabrication de diamants monocristallins de grandes dimensions.
  • Les diamants polycristallins sont le plus souvent transparents ou gris; en raison des multiples interfaces entre les différents grains de cristaux avec différentes orientations, ils produisent peu ou pas de reflets, et pratiquement pas d'effets d'irisation.
  • Par contraste, les diamants monocristallins, notamment les diamants naturels monocristallins, existent dans une grande variété de couleur, notamment transparent, noir, bleu, jaune, rouge etc. D'autre part, les jeux de lumière qui se reflètent sur différentes faces orientées de diverses façons produisent des effets d'irisation très appréciés.
  • Le diamant monocristallin synthétique peut être dopé. Le diamant monocristallin naturel peut être dopé.
  • Le diamant monocristallin dopé est obtenu en introduisant volontairement un élément dopant dans le diamant, soit lors de la croissance d'un diamant synthétique, soit dans un diamant synthétique ou naturel déjà formé.
  • L'opération de dopage permet ainsi de produire un diamant différent des diamants que l'on trouve dans la nature, et différents des diamants monocristallins synthétiques non dopés. La différence provient du type d'impuretés, de leur répartition et/ou de leur concentration. Le dopage est choisi de manière à modifier les propriétés mécaniques et tribologiques de la pièce en diamant.
  • Le dopage du diamant monocristallin synthétique peut être obtenu lors de sa fabrication en ajoutant des impuretés dans le gaz du réacteur CVD. Ce dopage peut être effectué pratiquement sans coût additionnel lors de la croissance d'un diamant synthétique monocristallin.
  • Le dopage du diamant monocristallin synthétique ou naturel peut aussi être obtenu par implantation d'ions au moyen d'un faisceau à haute énergie.
  • Le dopage peut être homogène dans tout le volume de la pièce.
  • Le dopage peut être limité à la surface, ou différent en surface et en profondeur. Le dopage peut être choisi de manière à contrôler la dureté et/ou la couleur et/ou l'élasticité et/ou la sensibilité du module d'Young à la température. Différentes pièces en diamant monocristallin du même mouvement peuvent être dopées différemment.
  • L'invention concerne aussi un mouvement d'horlogerie comportant une ou plusieurs pièces mécaniques fonctionnelles en diamant monocristallin.
  • Différents pièces mécaniques du même mouvement peuvent être réalisées en différentes variétés de diamant monocristallin. Par exemple, différentes pièces mécaniques du même mouvement peuvent être réalisées en différentes couleurs de diamant monocristallin. Il a été relevé dans le cadre de l'invention que la couleur du diamant monocristallin, qui est due aux impuretés, influence sa dureté. Par exemple, le diamant monocristallin transparent est moins dur que le diamant monocristallin noir dopé avec des ions de bore. Le type ou la couleur de diamant monocristallin choisi pour différentes pièces d'un même mouvement est donc déterminé en fonction de la dureté désirée, ou en fonction d'autres propriétés mécaniques dépendant de cette couleur.
  • Afin de réduire l'usure, il est avantageux que les palettes de l'ancre d'échappement, ou l'ancre complète si les palettes sont intégrées, soient plus dures que la roue d'ancre avec laquelle elles collaborent; une roue d'ancre moins dure que les palettes permet d'amortir les chocs. Dans un mode de réalisation, le mouvement de montre comporte par exemple une ancre ou une palette d'ancre dans un diamant monocristallin dur, et une roue d'ancre dans un diamant monocristallin moins dur. L'ancre ou les palettes peuvent être par exemple en diamant monocristallin noir dopé au bore tandis que la roue d'ancre peut être en diamant monocristallin transparent ou jaune.
  • Le plan d'impulsion de la palette est obtenu en polissant les surfaces latérales de la palette après sa découpe dans une plaque de diamant monocristallin. Le polissage peut être effectué mécaniquement, par exemple avec une meule selon une direction parallèle à la direction d'impulsion.
  • Au moins une partie de ces surfaces mécaniques latérales de la palette peut être polie ou corrigée, par exemple avec un faisceau laser ou un faisceau d'ions. De manière avantageuse, au moins une portion de ces surfaces est corrigée afin d'avoir un état tribologique meilleur qu'avant la correction. Au moins une portion peut être corrigée de manière à ce que cette portion soit sensiblement perpendiculaire aux faces inférieures et supérieures de la pièce.
  • La palette peut être tenue par vacuum pendant le polissage. On peut ainsi la positionner très précisément en hauteur, et on évite les imprécisions sur l'épaisseur de la pièce qui résultent d'une épaisseur de colle non maitrisée dans les procédés de polissage de pièces collées employés dans l'art antérieur.
  • La palette peut être montée dans l'ancre avant polissage, l'ancre étant alors utilisée pour tenir la palette pendant le polissage.
  • Au moins une des surfaces de la palette peut être traitée thermiquement, par exemple en l'exposant à une température entre 600° et 750°C, de préférence entre 650 et 680°C, afin de brûler le carbone sous forme de graphite produit par la découpe du diamant et qui subsiste éventuellement en surface. Ce traitement thermique permet en outre de polir le diamant, par brûlure des pointes en surface, sans toutefois dégrader l'état de surface par une attaque à haute température.
  • Au moins une des surfaces peut être rectifiée au moyen d'un laser.
  • L'état d'au moins une surface du diamant est avantageusement traité à la fois par traitement thermique, par polissage mécanique et par rectification laser.
  • La pièce peut être polie jusqu'à ce que la surface arrive à niveau avec des marques de polissage préalablement découpées.
  • La pièce peut être polie aux ultrasons. Elle peut être nettoyée avec de l'essence.
    • Brève description des figures
  • Des exemples de mise en oeuvre de l'invention sont indiqués dans la description illustrée par les figures annexées dans lesquelles :
  • Les figures 1A à 1E illustrent différentes étapes successives d'un procédé de fabrication d'une ancre d'échappement intégrant des palettes selon l'invention.
  • La figure 2 illustre une ancre d'échappement intégrant des palettes selon l'invention.
  • Les figures 3A à 3B illustrent schématiquement une opération de polissage ou de rectification d'au moins une portion des flancs latéraux d'une palette selon l'invention.
  • Les figures 4A à 4C illustrent un procédé de découpe laser d'une surface plane dans un diamant au moyen d'un laser orienté selon différentes directions.
  • La figure 5 illustre une palette fabriquée selon le procédé de l'invention.
    • Exemple(s) de mode de réalisation de l'invention
  • Les figures 1 à 3 illustrent schématiquement un procédé de fabrication d'une palette selon l'invention, ici intégrée à une ancre d'échappement. Un procédé similaire peut être mis en oeuvre pour fabriquer une palette discrète et séparée de l'ancre.
  • La figure 1A illustre un diamant monocristallin 1 non taillé employé pour fabriquer une ou plusieurs pièces selon l'invention. Le diamant monocristallin peut être un diamant naturel ou un diamant synthétique, d'un poids avantageusement supérieur à 1 carat, de préférence supérieur à 3 carats.
  • Dans le cas d'un diamant naturel, il peut s'agir d'un diamant ayant une forme ou d'autres propriétés le rendant impropre à une valorisation pour un usage en joaillerie.
  • Un diamant monocristallin synthétique peut être produit par exemple au moyen d'un arc filtré afin de déposer du carbone sur une amorce de diamant monocristallin, sans apport d'hydrogène ou d'autres matériaux. Une autre possibilité est d'effectuer un dépôt CVD de carbone produit à partir d'un hydrocarbure tel que le méthane sur une amorce de diamant monocristallin. L'amorce peut être réutilisée après découpe de plaques dans la masse déposée au-dessus de l'amorce.
  • Une troisième possibilité, moins avantageuse, est de produire un diamant monocristallin synthétique en soumettant une source de carbone à une haute température et à une haute pression simultanée. D'autres procédés pourront être utilisés.
  • Le diamant monocristallin ainsi formé peut être dopé. Dans un mode de réalisation, le produit dopant peut être introduit au cours de la formation du diamant synthétique, par exemple en ajoutant des traces de produit dopant dans l'arc filtré respectivement dans le réacteur CVD. Dans un autre mode de réalisation, le produit dopant est ajouté après la formation du diamant synthétique, par exemple au moyen d'un faisceau d'ions à haute énergie. Le dopage peut être effectué de manière homogène dans toute la masse du diamant, et/ou uniquement en surface. Un premier dopage peut être effectué dans la masse et un dopage différent, par exemple avec un autre produit dopant et/ou avec une autre concentration, peut être effectué en surface.
  • Le dopage peut être sélectionné afin de modifier la dureté des pièces produites à partir de ce diamant; selon le produit dopant, il est possible d'augmenter ou de réduire cette dureté. Par exemple, l'inclusion d'azote comme produit dopant permet de réduire la dureté d'une pièce, tandis que l'inclusion d'ions bores permet de l'augmenter.
  • Dans un mode de réalisation, la dureté de la palette est augmentée par dopage, par exemple en incluant des ions bores, tandis qu'une roue d'ancre en diamant monocristallin destinée à collaborer avec cette palette dans l'échappement est non dopée, ou dopée de manière à réduire sa dureté, par exemple à l'azote, afin d'obtenir une dureté inférieure à celle de la palette. Il est en effet avantageux de disposer de palettes très dures, pour réduire leur usure et le coefficient de frottement sur le plan d'impulsion, et d'une roue d'échappement moins dure pour absorber le choc de l'ancre à chaque oscillation. Dans un autre mode de réalisation, la roue d'ancre est dopée avec une concentration relativement élevée d'azote, tandis que la palette est dopée avec une concentration moins élevée d'azote. L'inclusion d'azote lors de la fabrication du diamant monocristallin synthétique par croissance CVD permet en effet d'augmenter la vitesse de fabrication, et donc de réduire le coût, tout en obtenant des palettes qui restent plus dures que les palettes en rubis conventionnelles.
  • Le dopage peut aussi être sélectionné de manière à contrôler la couleur du diamant. Le dopage peut être choisi de manière à contrôler le module d'Young du diamant. Le dopage peut être choisi de manière à réduire la sensibilité du module d'Young à la température, afin de produire des pièces dont la rigidité soit aussi indépendante que possible de la température. Le dopage peut être choisi de manière à réduire le coefficient de dilatation du diamant, afin de produire des pièces dont les dimensions soient aussi indépendantes que possible de la température.
  • Le produit dopant et la concentration de ce produit sont en outre choisis de manière à ne pas interférer avec la structure monocristalline du diamant, ou à limiter au maximum cette interférence. Dans un mode de réalisation, le diamant est dopé avec des ions de bore. Différents diamants utilisés pour la production de différentes pièces dans une même montre peuvent être dopés différemment en fonction des propriétés recherchées.
  • Le dopage au bore effectué lors de la croissance organique du diamant synthétique a l'avantage de produire un diamant noir non radioactif, au contraire des procédés de dopage par introduction d'ions à haute énergie.
  • Le diamant monocristallin 1 est ensuite découpé comme illustré sur la figure 1B, par exemple au moyen d'une scie à diamant, ou fendu à l'aide d'un marteau et d'une lame, d'un arc électrique, d'un faisceau ionique, ou de préférence découpé au moyen d'un laser de façon à obtenir une surface 10 plane. Le laser est avantageusement un laser pulsé, par exemple un laser pulsé à une fréquence de 5 à 40 GHz.
  • Dans le mode de réalisation illustré sur les figures 4A à 4C, le diamant est découpé en tranche depuis un premier côté au moyen d'un premier faisceau laser 20. Le faisceau laser est pivoté au moyen d'un miroir mobile, de manière à émettre dans un cône avec un angle d'ouverture inférieur à 5°. Le diamant est ensuite attaqué depuis l'autre côté au moyen d'un autre faisceau laser 21 pivoté dans un cône (figure 4B). Il est aussi possible d'utiliser le même faisceau laser pour attaquer les deux côtés de la pièce, en la retournant entre les deux découpes. Cet usinage en cône permet d'élargir la zone d'ablation et d'éviter les mauvais états de surface et la destruction de la structure cristalline qui risque de se produire si l'ablation était effectuée dans un canal étroit, en provoquant une élévation de température excessive. Le procédé est comparable, toutes proportions gardées, à celui d'un bûcheron tronçonnant un tronc au moyen de deux entailles en biais depuis chaque côté du tronc.
  • La surface convexe ainsi produite par ce tronçonnage est ensuite rectifiée ou aplatie, comme illustré sur la figure 4C, au moyen d'un faisceau laser orienté parallèlement à la surface de la plaque que l'on souhaite produire. La fréquence de pulsation de ce laser peut être par exemple entre 10 et 100 KHz, afin d'obtenir une découpe précise sans les problèmes de modifications de la structure cristalline causés par la haute énergie des lasers pulsés plus rapidement.
  • Il est possible de scanner le diamant brut au préalable à l'aide d'un scanner 3D afin de déterminer le plan de coupe optimal permettant d'obtenir le maximum de pièces 3 et/ou de faciliter le clivage ; par exemple, une coupe selon un plan tétraédrique du cristal sera préférée car elle est plus rapide et permet d'obtenir une surface plus propre.
  • Dans un premier mode de réalisation, le plan de coupe est déterminé afin d'obtenir une surface active de la pièce orientée selon le plan cristallin {111} qui est généralement le plus dur. Dans le cas d'une plaque destinée à la fabrication de palettes pour ancre d'horlogerie, le plan de coupe est de préférence distinct du plan {111} et choisi de manière à permettre la découpe de palettes dont la surface d'impulsion, obtenue dans la tranche des plaques découpées, est parallèle au plan d'orientation cristalline {111}.
  • Il a cependant été constaté dans le cadre de l'invention que même si le plan cristallin {111} est le plus dur, cette dureté décroit très brusquement en cas de légère déviation par rapport à ce plan idéal. Par exemple, une pièce découpée ou polie selon un plan qui dévie ne serait-ce que de quelques degrés par rapport au plan {111} présente une dureté et un état de surface nettement diminués. Il est cependant difficile, notamment dans le cadre d'une fabrication industrielle, de fabriquer des pièces comportant des surfaces orientées précisément selon le plan {111}, sans aucune déviation. On souhaite par ailleurs parfois réaliser des palettes dont la surface d'impulsion est non plane.
  • Par conséquent, dans un mode de réalisation préférentiel, le plan de coupe est déterminé afin de d'obtenir une surface active de la pièce orientée sensiblement selon le plan cristallin {001} ou de préférence selon le plan {011} qui est particulièrement dur; ces plans sont en effet moins sensibles aux déviations par rapport à la surface idéale. Dans le cas d'une plaque destinée à la fabrication de palettes pour ancre d'horlogerie, le plan de coupe est de préférence choisi de manière à permettre la découpe de palettes dont la surface d'impulsion, obtenue dans la tranche des plaques découpées, est sensiblement parallèle au plan d'orientation cristalline {001} ou de préférence {011}. Sensiblement parallèle signifie ici que la déviation après polissage est au maximum de +-5°.
  • Il est possible de maintenir le diamant 1 pendant la coupe par exemple en le cimentant ou en le collant sur un support temporaire.
  • La face brute 10 obtenue au terme de cette découpe est ensuite rectifiée et/ou polie de manière à obtenir une face plane polie 11 comme illustrée sur la figure 1C.
  • La rectification de la face 11 peut être effectuée, comme indiqué, au moyen d'un laser, par exemple d'un laser pulsé entre 10 et 100KHz.
  • Le polissage de la face 11 peut être effectué sur une meule rotative couverte de poudre de diamant synthétique, par exemple de poudre de diamant polycristallin.
  • La rugosité de la face 11 peut aussi être réduite au moyen d'un faisceau d'ions à haute énergie parallèle à la surface.
  • Le diamant est ensuite découpé selon une nouvelle coupe parallèle à la première coupe, de manière à obtenir une plaque fine 2 comme illustrée sur la figure 1D. Cette découpe délicate est avantageusement effectuée par laser pour éviter des chocs qui pourraient casser la plaque. Comme la découpe de la face supérieure, cette découpe peut être effectuée selon le procédé illustré sur les figures 4a à 4c, c'est-à-dire au moyen d'un ou deux faisceaux lasers déviés par un miroir pour produire une zone d'ablation conique.
  • Selon le type de pièce désiré, ce procédé permet de tailler des plaques extrêmement fines dans un diamant monocristallin, par exemple des plaques d'une épaisseur inférieure à 400 microns, par exemple des plaques d'une épaisseur comprise entre 100 et 400 microns, par exemple 320 microns, ou entre 100 et 160 microns, idéalement entre 100 et 120 microns, dans le cas de plaques destinées à l'usinage de palettes, et des plaques d'une épaisseur comprise entre 20 et 120 microns, par exemple entre 40 et 80 microns, par exemple de 60 microns, dans le cas de fabrication de roues d'ancres ou d'ancres.
  • Cette caractéristique permet de fabriquer des pièces extrêmement légères et donc de réduire l'énergie nécessaire pour les mettre en déplacement.
  • La face inférieure 12 de la plaque 2 est relativement brute. Pour beaucoup d'applications, notamment en horlogerie, cet aspect non parfaitement poli est entièrement satisfaisant puisque cette face est non visible. Il est cependant envisageable en réalisant une pièce légèrement plus épaisse de polir également cette face 12, par exemple par polissage mécanique sur une meule et/ou laser. Dans un mode de réalisation, la pièce est tenue sans colle lors de son polissage, de préférence par vacuum. Il est ainsi possible de contrôler très précisément l'épaisseur de la pièce après polissage, sans que cette épaisseur ne dépende de l'épaisseur de la colle.
  • La plaque 2 produite peut être contrôlée visuellement afin d'éliminer les plaques qui présentent trop d'impuretés ou une structure non monocristalline. Dans un mode de réalisation, ce contrôle est effectué en illuminant la plaque avec une lumière polarisée faisant ressortir les imperfections. Le contrôle peut être manuel ou effectué à au moyen d'une caméra et d'un logiciel d'analyse d'images.
  • Au cours de l'étape illustrée sur la figure 1E, la palette 3 (ou une ancre intégrant une ou plusieurs palettes) est découpée dans la surface de la plaque 2. Cette découpe est par exemple obtenue au moyen d'un faisceau laser perpendiculaire à l'une des surfaces 11, 12 ou au plan médian de la plaque 2. Comme la découpe des face inférieurs et supérieures, cette découpe peut être effectuée selon le procédé illustré sur les figures 4a à 4c, c'est-à-dire au moyen d'un ou deux faisceaux lasers déviés par un miroir pour produire une zone d'ablation conique.
  • Plusieurs ancres ou plusieurs palettes peuvent être découpées dans une seule plaque.
  • La figure 5 illustre un exemple de trajectoire possible du faisceau laser 6 lors de l'usinage d'une palette dans une plaque 11. Le faisceau laser peut avoir une dimension relativement grande, par exemple un diamètre maximal de l'ordre de 20 microns. La forme de ce faisceau 6 est généralement non circulaire, par exemple elliptique. La trajectoire de découpe est donc avantageusement déterminée par un logiciel agencé pour déterminer une trajectoire du faisceau lumineux qui tienne compte de la dimension, de la forme et de l'orientation de ce faisceau par rapport à la pièce à découper, de manière à obtenir une pièce après libération dont les dimensions correspondent aux dimensions souhaitées.
  • La trajectoire est de préférence entamée à distance de la pièce à produire, sur une portion 32 qui n'appartient pas à la pièce produite. On évite ainsi les déformations dues au perçage initial. La trajectoire est en outre de préférence optimisée, en tenant compte de l'orientation cristalline du diamant, de manière à ce que les fissures éventuelles qui se propagent depuis le point d'ablation aient un maximum de chances de suivre le bord de la pièce, ou de s'éloigner de cette pièce. Par exemple, sur la figure 5, les risque de fissures maximal se produisent à partir du point de perçage initial 32 ; la position de ce point est donc de préférence choisie de manière à ce que la direction de fissure la plus probable suive exactement la ligne suivie par le faisceau.
  • Comme indiqué plus haut, la pièce à découper est orientée sur la plaque de diamant 11 de manière à ce que la surface active de la pièce se trouve dans le plan cristallin {111}. Dans le cas illustré d'une palette, la surface active 31 est constituée par la surface d'impulsion (plan ou non plan) destinée à être mise en contact avec la roue d'ancre. La palette est donc découpée dans la plaque 11 de façon à ce que cette surface 31 se trouve précisément dans le plan {111}.
  • Les éléments 33 sur la figure 5 sont des témoins de découpe utilisés pendant l'étape ultérieure de polissage afin de définir la profondeur idéale de polissage. Le polissage sera donc effectué précisément jusqu'au moment où ces marques disparaissent complètement.
  • D'autres plaques similaires à la plaque 2 peuvent ensuite être découpées dans le même diamant 1, afin de réaliser d'autres pièces identiques à, ou différentes de la pièce 3.
  • Le procédé de découpe dans une plaque 2 de la pièce 3 au moyen d'un laser a l'inconvénient de produire des flancs latéraux 13 non perpendiculaires aux faces 11, 12, comme représenté de façon exagérée sur la figure 3A. Le diamant étant plus ou moins transparent, la découpe est en fait obtenue par l'attaque du plasma produit par l'interaction entre la lumière laser et l'air. Il en résulte des flancs non perpendiculaires et peu lisses. Cette qualité de surface est problématique notamment pour une palette 3 dont la surface d'impulsion, destinée à entrer en contact avec la roue d'ancre, est formée par une portion de cette tranche.
  • Afin de remédier à ce problème, une opération optionnelle de rectification des flancs 13, ou d'au moins une portion de ces flancs, peut être effectuée au moyen d'une meule afin d'obtenir des flancs 14 plus lisses et perpendiculaires aux surfaces 11, 12, comme illustré sur la figure 3B. Dans le cas d'une palette, au moins la surface d'impulsion 31 peut être meulée jusqu'à la profondeur de la marque 33 au moyen d'une meule recouverte de poudre de diamant polycristallin. Le meulage est de préférence effectué en orientant la meule par rapport à la surface d'impulsion de manière à meuler selon une direction sensiblement parallèle à la direction d'impulsion, c'est-à-dire à la direction de déplacement de la roue d'ancre par rapport à la palette. Bien que ce meulage soit plus lent qu'un meulage dans la direction transversale de la palette, il permet d'obtenir une micro-structuration de la surface d'impulsion avec des nervures extrêmement fines orientées parallèlement à la direction de déplacement relatif de la roue d'ancre et de la palette. On observe ainsi sur la surface d'impulsion de la palette des micro-rainures orientées dans la direction d'impulsion.
  • Il est possible de maintenir la palette 3 pendant le polissage par exemple en la cimentant ou en la collant sur un support temporaire, ou en la tenant par vacuum, ou de préférence en la montant avant polissage dans l'ancre aussi utilisée pour tenir les palettes pendant leur polissage.
  • Un polissage de la surface active 31 par sablage, faisceau ionique, ultrasons, laser pulsé (par exemple femtolaser), etc, peut aussi être envisagé, en plus ou en remplacement du polissage par meulage.
  • Les surfaces de la pièce 3 ainsi obtenue ne sont de préférence pas revêtue ; le diamant monocristallin présente un état de surface pratiquement idéal aussi bien d'un point de vue esthétique que pour ce qui est du coefficient de frottement ou de la résistance aux chocs par exemple. Il arrive cependant que les surfaces 11, 12, 13 ou 14 soient recouvertes de traces de carbone graphité résultant de la destruction de la structure en diamant lors des opérations de découpe ou de polissage. Afin d'éliminer ces traces, il est possible dans le cadre de l'invention de soumettre la pièce 3 à un traitement thermique, par exemple en la laissant quelques secondes ou quelques minutes dans un four entre 600° et 750°C, de préférence entre 650 et 680°C , de préférence à l'air ambiant; cette opération permet de brûler le graphite résiduel en surface sans affecter le carbone sous forme de diamant, et d'améliorer ainsi l'état de surface de la pièce. Il est aussi possible d'utiliser une température plus basse avec un taux d'oxygène plus élevé, ou d'oxyder le carbone non cristallin sans attaquer le diamant en employant par exemple un plasma oxygéné ou fluoré.
  • Cette opération permet aussi de polir la palette par brulure des pointes en surface.
  • La pièce produite peut aussi être polie au moyen d'un faisceau d'ions (« ion etching »), par exemple d'un faisceau d'ions parallèle à la surface à polir, par exemple parallèle au plan d'impulsion 31. Dans un mode de réalisation, ce polissage ionique est effectué après le polissage par traitement thermique.
  • La pièce produite peut aussi être polie au moyen d'ultrasons. Elle peut être nettoyée à l'essence pour améliorer l'aspect du diamant.
  • Un mouvement de montre mécanique dans le cadre de l'invention peut comporter une ou plusieurs pièces en diamant monocristallin. Comme mentionné, il est possible de choisir la dureté de chaque pièce 3 en sélectionnant le type et le couleur de diamant.

Claims (20)

  1. Palette pour échappement de mouvement de montre, comportant un plan d'impulsion comme surface active (31), caractérisée en ce qu'elle est réalisée intégralement en diamant monocristallin.
  2. Palette selon la revendication 1, le diamant étant un diamant synthétique obtenu par procédé CVD.
  3. Palette selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que ledit plan d'impulsion est sensiblement parallèle au plan cristallin {001} ou {011} du diamant.
  4. Palette selon la revendication 3, dans laquelle ladite surface active {31} se trouve dans le plan cristallin {111} du diamant.
  5. Palette selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle est réalisée par découpe d'une plaque (2) de diamant monocristallin.
  6. Palette selon l'une des revendications 1 à 5, le diamant comportant au maximum 3% d'impuretés de dopage, sans affecter sa structure monocristalline.
  7. Palette selon la revendication 6, le dopage étant homogène dans la masse de la pièce.
  8. Palette selon la revendication 6, le dopage étant différent en surface que dans la profondeur de la pièce.
  9. Palette selon l'une des revendications 1 à 8, l'épaisseur étant inférieure à 160 microns.
  10. Mouvement d'horlogerie comportant au moins une palette selon l'une des revendications 1 à 9.
  11. Le mouvement selon la revendication 10, ladite palette d'ancre étant réalisée dans un premier type de diamant monocristallin, le mouvement comportant une roue d'ancre dans un matériau plus mou que ledit premier type de diamant monocristallin.
  12. Le mouvement selon la revendication 11, la roue d'ancre étant réalisée dans un deuxième type de diamant monocristallin dopé à l'azote et plus mou que ledit premier type.
  13. Procédé de fabrication d'une palette en diamant selon l'une des revendications 1 à 9, comprenant les étapes suivantes :
    découpe d'un diamant monocristallin (1) selon un premier plan (10) ;
    découpe du diamant monocristallin (1) selon un deuxième plan parallèle au premier plan de manière à produire une plaque (2) de diamant monocristallin ;
    au moyen d'un laser, découpe dans ladite plaque (2) de ladite palette,
    polissage du plan d'impulsion de la palette.
  14. Procédé selon la revendication 13, le diamant étant fabriqué par procédé CVD à partir d'une amorce de diamant monocristallin.
  15. Procédé selon la revendication 14, comportant une étape d'introduction d'impureté de dopage lors de la croissance du diamant par procédé CVD.
  16. Procédé selon la revendication 13, la découpe étant effectuée de manière à ce que ledit plan d'impulsion (31) soit sensiblement parallèle au plan cristallin {011} du diamant.
  17. Procédé selon l'une des revendications 13 à 16, ledit polissage du plan d'impulsion étant effectué mécaniquement avec une meule selon une direction sensiblement parallèle à la direction d'impulsion.
  18. Procédé selon la revendication 13, ledit polissage du plan d'impulsion étant effectué par sablage, faisceau ionique, ultrason, ou laser pulsé.
  19. Procédé selon l'une des revendications 13 à 18, le polissage étant effectué avec la palette fixée solidairement à une ancre d'échappement.
  20. Procédé selon l'une des revendications 13 à 19, comportant une étape de polissage d'une surface par traitement thermique à une température comprise entre 600°C et 750°C, de préférence comprise entre 650°C et 680°C.
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