EP3226080B1 - Système de barillet pour pièce d'horlogerie - Google Patents

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EP3226080B1
EP3226080B1 EP17163469.4A EP17163469A EP3226080B1 EP 3226080 B1 EP3226080 B1 EP 3226080B1 EP 17163469 A EP17163469 A EP 17163469A EP 3226080 B1 EP3226080 B1 EP 3226080B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
spring
barrel
carbon atoms
hybridization
Prior art date
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Active
Application number
EP17163469.4A
Other languages
German (de)
English (en)
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EP3226080A1 (fr
Inventor
Frédéric Dreyer-Gonzales
Arnaud HOURIET
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Officine Panerai AG
Original Assignee
Officine Panerai AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Officine Panerai AG filed Critical Officine Panerai AG
Publication of EP3226080A1 publication Critical patent/EP3226080A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP3226080B1 publication Critical patent/EP3226080B1/fr
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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
    • G04B1/00—Driving mechanisms
    • G04B1/10—Driving mechanisms with mainspring
    • G04B1/14—Mainsprings; Bridles therefor
    • G04B1/145—Composition and manufacture of the springs
    • 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
    • G04B1/00—Driving mechanisms
    • G04B1/10—Driving mechanisms with mainspring
    • G04B1/16—Barrels; Arbors; Barrel axles
    • G04B1/165—Spring cylinder with friction transmission to the gearing (especially for Roskopf clockworks)

Definitions

  • the present invention relates to the field of watchmaking. It relates more particularly to a self-lubricated barrel system for a timepiece.
  • the energy allowing its operation is typically stored in one or more barrels acting as a driving source for the regulating member. This energy is transmitted between the barrel and the regulating member by means of a finishing gear, which also serves to drive the display members.
  • a conventional barrel has a hollow drum coaxial with a barrel shaft, and a cover which serves to close the drum.
  • a barrel spring spiral, which links the shaft to the inner wall of the drum.
  • the latter is provided with a flange, attached to, or come integrally with, said outer end.
  • This flange can be of the fixed type, which is typically intended for a manual winding watch, or sliding, which is typically intended for a self-winding watch.
  • this spring is loaded and applies a torque allowing the maintenance of the movement by unwinding. If the torque supplied by the spring is not sufficiently constant, the isochronism of the watch is not guaranteed.
  • the coils of the spring may rub against each other, the flange as well as the outer coil may rub against the inner wall of the drum, and the upper and lower faces of the spring may rub against the cover and / or against the flat inner face of the drum. drum.
  • the barrel In order to limit this friction, the barrel is traditionally greased.
  • lubrication usually organic, is very sensitive to external factors such as changes in temperature, slight variations in humidity, and chemical changes in the grease which occur over time. The latter, which lead to a degradation of the tribological properties of the lubricant, require that the barrel be subjected to regular periodic maintenance, typically over a period of a few years. Such maintenance requires disassembly of the part, as well as complete disassembly and cleaning of the barrel and the spring.
  • the document FR 1 249 231 proposes, on the other hand, to use a layer of a salt of stearic acid for the same purpose, and the document EP 2 270 612 offers a polycrystalline diamond coating.
  • the documents WO 02/204836 , WO 2013/011032 and US 6,755,566 provide a diamond-like carbon deposit ("Diamond-Like Carbon", DLC), which is a form of amorphous carbon, on a barrel spring, or on the wall of a barrel drum, as the case may be.
  • DLC diamond-like Carbon
  • the two surfaces of the barrel spring which come into contact with each other are each provided with a layer of DLC, each layer of which has a different orientation of the crystal planes.
  • the aim of the invention is therefore to provide a barrel system in which the aforementioned defects are at least partially overcome.
  • the invention relates to a barrel system for a timepiece.
  • This system comprises a barrel comprising a barrel shaft, a barrel drum coaxial with said shaft, as well as a barrel spring disposed inside said barrel.
  • the drum can, if necessary, be closed by a cover.
  • said spring is connected by a first end, internal, to said shaft, and connected by a second end, external, to said drum by means of a flange.
  • the latter also comprises a first layer of amorphous carbon, of a first type, on at least part of its surface.
  • At least one component of said barrel such as for example the inner cylindrical wall of the drum, the surface of the cover (if present) and / or of the drum facing the spring, a bung arranged on the shaft, comprises a second layer of amorphous carbon, of a second type different from said first type, on at least part of its surface intended to be in contact with said barrel spring.
  • Said first layer and said second layer are arranged to at least partially come into contact with each other, and exhibit differences in terms of proportions of sp 2 -sp 3 hybridizations of their carbon atoms.
  • the proportions of sp 2 -sp 3 hybridizations of one of said first layer and said second layer are between 5% and 40% of sp 2 hybridization carbon atoms and between 60% and 95 % of sp 3 hybridization carbon atoms, while the proportions of sp 2 -sp 3 hybridizations of the other layer are between 60% and 90% of sp 2 hybridizations carbon atoms and between 10% and 40% sp 3 hybridization carbon atoms.
  • the proportions of sp 2 -sp 3 hybridizations of one of said first layer and said second layer are between 5% and 20% of sp 2 hybridization carbon atoms and between 80% and 95% sp 3 hybridization carbon atoms, while the proportions of sp 2 -sp 3 hybridizations on the other layer are between 65% and 75% sp 2 hybridization carbon atoms and between 25% and 35% sp 3 hybridization carbon atoms.
  • the use of two layers of amorphous carbon exhibit dissimilarities in terms of the proportions of sp 2 -sp 3 hybridizations of their carbon atoms substantially reduces the coefficient of friction and, therefore, makes it possible to avoid any application. fat.
  • the performance as well as the life of the system are thus improved, and the assembly of the system is facilitated because no grease has to be applied.
  • said first layer is placed on at least part of said spring flange and / or at least part of the turns of said spring.
  • said second layer is advantageously arranged on at least part of the internal wall of the drum, and / or at least part of the flat internal face of said drum opposite said spring and / or at least part of a bung. that said shaft comprises, and / or at least part of a surface of said cover facing said spring.
  • said first layer is disposed on the spring flange as well as on the surface of the coils of the spring, said second layer being disposed (i) on at least part of the inner wall of the drum and is intended to be in contact with said first layer on the flange and (ii) on a bung that comprises the barrel shaft and to which the inner end of the spring is linked.
  • said first layer is arranged on said spring flange as well as on the outer surface of the coils of the spring (that is to say the surface facing the wall of the drum), said second layer is disposed on at least part of the internal wall of the drum and is intended to be in contact with said first layer, a third layer of amorphous carbon, of a third type different from said first type, is arranged on the internal surface of the turns of the spring (i.e. the surface facing the barrel shaft).
  • Said third type is preferably identical or substantially similar to said second type, but it may also be different from the two types mentioned above.
  • a fourth layer of amorphous carbon, of a fourth type different from said third type can be arranged on a bung that the barrel shaft comprises and to which the inner end of the spring is linked, said fourth type being of preference substantially similar to said first type.
  • the invention can therefore be applied to any contact between the spring, the wall of the drum and the shaft.
  • the proportions of sp 2 -sp 3 hybridizations of one of said third layer and said fourth layer may be between 5% and 40 % sp 2 hybridization carbon atoms and between 60% and 95% sp 3 hybridization carbon atoms, while the proportions of sp 2 -sp 3 hybridizations of the other of said third layer and said fourth layer may be between 60% and 90% of sp 2 hybridization carbon atoms and between 10% and 40% of sp 3 hybridization carbon atoms.
  • the proportions of sp 2 -sp 3 hybridizations of one of said third layer and said fourth layer may be between 5% and 20% of sp 2 hybridization carbon atoms and between 80% and 95% of sp 3 hybridization carbon atoms, while the sp 2 -sp 3 hybridization proportions of the other layer can be between 65% and 75% of sp 2 hybridization carbon atoms and between 25% and 35% sp 3 hybridization carbon atoms.
  • each of said layers has a thickness of between 100 nm and 3 ⁇ m, preferably between 250 nm and 950 nm.
  • the figure 1 schematically illustrates an exemplary barrel system 1 according to the invention.
  • the system 1 comprises a barrel 3, the latter comprising a drum 5 mounted in rotation and coaxial with reference to a barrel shaft 7 in a known manner.
  • the drum 5 has peripheral teeth 9, but can also be smooth in order to be used in combination with a rocket system.
  • the drum 5 is typically closed by means of a cover 11, which may be secured either to the drum 5 or to the barrel shaft 7.
  • a ratchet wheel 13 is also provided, integral in rotation with the barrel shaft 7. According to a known variant of construction, the ratchet wheel 13 can be positioned on the shaft 7 in order to act as a cover 11.
  • a barrel spring 15 Inside the barrel 3, in the space defined by the drum 5 and the cover 11 is housed a barrel spring 15.
  • the inner end 15a of the spring 15 is linked to a bung 14 arranged on the shaft, and its outer end 15b has a flange which connects it to the cylindrical inner wall 5a of the drum 5, in a known manner.
  • the flange 15b may come integrally with the spring 15, or may be an additional part attached to the outer end in known manner.
  • each of the turns of the spring 15 can rub against its neighboring turn when the spring unwinds.
  • the flange 15a and the outer coil of the spring 15 the inner end 15a of the spring 15 can rub against the plug 14 of the shaft 7.
  • the spring 15 can bear against the flat inner face 5b or the face of the cover 11 opposite the spring 15, this can also cause friction.
  • At least part of the spring 15 and part of the barrel 3 are coated with a self-lubricating layer, as will be explained in more detail later.
  • the figure 2 schematically represents a phase diagram of amorphous carbon.
  • Carbon atoms can be organized according to several different geometries, exhibiting different covalent bond orientations.
  • crystalline diamond atoms organize themselves according to a face-centered cubic structure, in which the covalent bonds orient themselves according to tetrahedra. These bonds involve sp 3 hybridizing carbon atoms, and this diamond structure is on the upper tip of the diagram.
  • graphite the atoms organize themselves in sheets. In each sheet, the covalent bonds orient in regular hexagons lying in a single plane, and each sheet is linked to its neighbor by Van der Waals forces.
  • the hybridization of the carbon atoms in each sheet is of the sp 2 type. This structure is on the left tip of the diagram.
  • the third point, right, of the diagram represents hydrogen.
  • DLC layers can be deposited by PVD (Physical Vapor Deposition) process, or by CVD (Chemical Vapor Deposition), PACVD / PECVD (plasma assisted CVD), or any other technique allowing such a deposition.
  • PVD Physical Vapor Deposition
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • PACVD / PECVD plasma assisted CVD
  • layers having the proportions of sp 2 -sp 3 hybridizations as well as the desired proportion of hydrogenation (s) can be deposited, and then determined by current measurements. This is well known in the literature, and therefore should not be described in more detail here.
  • the inventors have determined that, surprisingly, if a DLC layer is deposited on each of the surfaces of two components of the barrel system 1 which rub against each other, and that these two DLC layers are different l On the other hand, the coefficient of friction is significantly reduced. This eliminates any wet lubrication, and also generates a significant reduction in component wear.
  • FIG 3 schematically illustrates part of a barrel system 1 according to the invention.
  • a first layer of amorphous carbon 17 of a first type is deposited on the surface of the flange 15b which comes into contact with the cylindrical internal surface 5a of the drum of the barrel 5.
  • This cylindrical internal surface 5a is also coated with a second layer of amorphous carbon 19 of a second type, different from the first type.
  • This same principle can also be applied to the plug 14 and to the inner end 15a of the spring 15, and / or to the upper and / or lower surfaces of the spring 15, if these surfaces risk coming into contact with the cover 11 or drum 5 respectively.
  • said first layer 17 can be deposited at least two places, in particular on the surfaces of the two ends 15a, 15b intended to be in contact with the plug 14 and the wall 5a of the drum 5 respectively, said second layer 19 being deposited on the corresponding surfaces of the plug 14 and of the wall 5a drum 5.
  • these two layers 17, 19 differ in their proportions in sp 2 -sp 3 hybridizations of the amorphous carbon, while other differences are still possible, particularly in the degree of hydrogenation.
  • One of the two layers 17, 19 contains for example a proportion of sp 2 hybridization of between 5% and 40%, preferably between 5% and 20%, more preferably substantially 5, 6 or 7% (more generically ta -C or ta-C: H) and a proportion of sp 3 hybridization of between 60% and 95%, preferably between 80% and 95%, more preferably substantially 95% (more generically aC or aC: H).
  • the other of the layers 19, 17 has for example a proportion of sp 3 hybridization of between 5% and 40%, preferably between 25% and 35%, more preferably substantially 30% and a proportion of sp 2 hybridization of between 60% and 95%, preferably between 65% and 75%, more preferably substantially 70%.
  • the layer comprising a major proportion of sp 3 hybridization is preferably the first layer 17 of the spring 15, and one comprising a major proportion of sp hybridization 2 (eg aC or aC: H) is preferably the second layer 19 on the barrel 3, but the reverse arrangement is also possible.
  • one of the layers 17, 19 has a hybridization ratio of about 50% sp 2 and 50% sp 3 , hydrogenated or not, while the other layer 19, 17 essentially comprises ta- C, ta-C: H, aC or aC: H.
  • the first layer 17 can advantageously be deposited over the entire surface of the spring 15, including its flange 15b, which simplifies its manufacture and avoids carrying out a masking step before depositing the first layer 17 (see below). This variant is illustrated on the figure 4 , and is the easiest to manufacture. Furthermore, if the spring 15 risks rubbing against the cover 11 or the bottom of the drum 5, said second layer 19 may also extend over these surfaces. A second layer 19 can also be deposited on the bung 14.
  • the variant illustrated in figure 5 provides the first layer not only on the surface of the flange 15a intended to be in contact with the surface 5a of the drum 5, but on the entire contiguous surface, that is to say on the outer surface of the set of turns of the spring 15.
  • the opposite surface, that is to say the inner surface of each turn facing the barrel shaft 7, is coated with a third layer 21 of DLC, of a third type different from said first type.
  • This third type may be substantially similar to said second type, or different from the first and second types.
  • Those skilled in the art know how to deposit these two different layers 17, 21, for example by means of successive conventional masking and deposition steps, carried out for example before slipping of the spring 15, or alternatively carried out with the spring 15 supported. stretched out and lying in a jig.
  • the plug 14 may include a fourth layer of amorphous carbon 23, dissimilar to the third layer 21, which may for example be of a type similar to said first type.
  • the fourth layer of DLC may be similar to said second type, or may be omitted.
  • the variant of figure 5 has the advantage that each surface which comes into contact with another surface rubs against a surface having a layer of dissimilar DLC, therefore maximizing the friction reduction effects brought about by the invention.
  • the layers 17, 19, 21, 23 typically have a thickness between 100 nm and 3 ⁇ m, ideally between 250 nm and 950 nm, and are deposited by one of the methods mentioned above. above (PVD, CVD, PACVD, PECVD ...) at a temperature typically between 80 ° C and 220 ° C. These temperatures are sufficiently moderate so as not to interfere with the hardening of the spring 15.
  • the advantages conferred by the invention have been demonstrated experimentally.
  • the Applicant has submitted two types of barrel systems 1, having their spring 15 and the internal wall 5a of their drum 5 coated according to the variant of the figure 4 of the present invention, to accelerated aging tests corresponding to twenty-eight years of wear.
  • Two types of barrels 3 were tested: the first barrel 3 had a fixed flange 15b (also called “manual barrel"), while the second barrel 3 had a sliding flange 15b ("automatic barrel”).
  • the measurements and aging were specific for each of them, so as to best represent the actual conditions of use.

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Description

    Domaine technique
  • La présente invention se rapporte au domaine de l'horlogerie. Elle concerne, plus particulièrement, un système de barillet autolubrifié pour pièce d'horlogerie.
    • Etat de la technique
  • Dans une montre mécanique traditionnelle, l'énergie permettant son fonctionnement est typiquement stockée dans un ou plusieurs barillets faisant office de source motrice pour l'organe réglant. Cette énergie est transmise entre le barillet et l'organe réglant au moyen d'un rouage de finissage, qui sert également pour entraîner les organes d'affichage.
  • Un barillet conventionnel comporte un tambour creux coaxial à un arbre de barillet, et un couvercle qui sert à fermer le tambour. À l'intérieur du tambour se trouve un ressort de barillet, en spirale, qui lie l'arbre à la paroi intérieure du tambour. Afin d'assurer la liaison entre l'extrémité extérieure du ressort et le tambour, ce premier est doté d'une bride, attachée à, ou venu d'une pièce avec, ladite extrémité extérieure. Cette bride peut être du genre fixe, qui est typiquement destiné à une montre à remontage manuel, ou glissante, qui est typiquement destiné à une montre à remontage automatique. Afin de faire fonctionner la pièce d'horlogerie, ce ressort est armé et applique un couple permettant l'entretien du mouvement en se dévidant. Si le couple fourni par le ressort n'est pas suffisamment constant, l'isochronisme de la montre n'est pas assuré.
  • À l'intérieur du barillet, il y a plusieurs surfaces qui entrent en contact les unes avec les autres et engendrent donc des frottements. Par exemple, les spires du ressort peuvent frotter entre elles, la bride ainsi que la spire extérieure peuvent frotter contre la paroi intérieure du tambour, et les faces supérieure et inférieure du ressort peuvent frotter contre le couvercle et/ou contre la face intérieure plane du tambour.
  • Afin de limiter ces frottements, le barillet est traditionnellement graissé. Une telle lubrification, habituellement organique, est très sensible aux facteurs externes tels que des changements de température, des légères variations d'humidité, et des changements chimiques de la graisse qui interviennent au fil du temps. Ces derniers, qui entraînent une dégradation des propriétés tribologiques du lubrifiant, nécessitent que le barillet soit soumis à un entretien périodique régulier, typiquement d'une période de quelques années. Un tel entretien nécessite un démontage de la pièce, ainsi qu'un démontage complet et un nettoyage du barillet et du ressort.
  • Certaines solutions ont déjà été présentées visant à éviter l'utilisation d'un lubrifiant humide, en réduisant le coefficient de frottement entre les éléments du système de barillet qui frottent les uns contre les autres (tels que la bride et la paroi du tambour) en déposant des matériaux autolubrifiants sur au moins l'un de ces composants. À cet égard, le document GB 864 531 dévoile un ressort de barillet revêtu d'une couche mince (<1µm) d'une résine synthétique ou de matière plastique qui constitue un lubrifiant sec. Les documents US 2 979 417 et GB 987 702 proposent des solutions similaires. Le document FR 1 249 231 propose, par contre, d'utiliser une couche d'un sel d'acide stéarique dans le même but, et le document EP 2 270 612 propose un revêtement en diamant polycristallin. Finalement, les documents WO 02/204836 , WO 2013/011032 et US 6 755 566 proposent un dépôt de carbone type diamant ("Diamond-Like Carbon", DLC), qui est une forme de carbone amorphe, sur un ressort de barillet, ou sur la paroi d'un tambour de barillet, le cas échéant. Dans le cas du document WO 2009/043391 , les deux surfaces du ressort de barillet qui entrent en contact l'une avec l'autre sont munies chacune d'une couche de DLC, dont chaque couche présente une orientation des plans cristallins différente.
  • Bien que ces solutions à lubrification sèche représentent des avancées au niveau tribologique par rapport à un barillet standard graissé, elles ne sont pas tout à fait satisfaisantes au niveau du coefficient de friction et de l'usure des composants qui glissent les uns sur les autres et sont donc soumis aux frottements. Par conséquent, un apport de graisse reste parfois nécessaire, pour maintenir des conditions de fonctionnement satisfaisantes.
  • Le but de l'invention est par conséquent de proposer un système de barillet dans lequel les défauts susmentionnés sont au moins partiellement surmontés.
    • Divulgation de l'invention
  • De façon plus précise, l'invention concerne un système de barillet pour pièce d'horlogerie. Ce système comprend un barillet comportant un arbre de barillet, un tambour de barillet coaxial audit arbre, ainsi qu'un ressort de barillet disposé à l'intérieur dudit barillet. Le tambour peut, le cas échéant, être fermé par un couvercle. De façon connue, ledit ressort est lié par une première extrémité, interne, audit arbre, et lié par une seconde extrémité, externe, audit tambour par l'intermédiaire d'une bride. Ce dernier comprend également une première couche de carbone amorphe, d'un premier type, sur au moins une partie de sa surface.
  • Selon l'invention, au moins un composant dudit barillet, comme par exemple la paroi cylindrique intérieure du tambour, la surface du couvercle (si présent) et/ou du tambour en regard du ressort, une bonde agencée sur l'arbre, comporte une deuxième couche de carbone amorphe, d'un deuxième type différent dudit premier type, sur au moins une partie de sa surface destinée à être en contact avec ledit ressort de barillet. Ladite première couche et ladite deuxième couche sont agencées pour entrer au moins partiellement en contact l'une avec l'autre, et présentent des différences en termes de proportions d'hybridations sp2-sp3 de leurs atomes de carbone. À ce titre, les proportions d'hybridations sp2-sp3 de l'une de ladite première couche et ladite deuxième couche sont comprises entre 5% et 40% d'atomes de carbone d'hybridation sp2 et entre 60% et 95% d'atomes de carbone d'hybridation sp3, tandis que les proportions d'hybridations sp2-sp3 de l'autre de couche sont comprises entre 60% et 90% d'atomes de carbone d'hybridations sp2 et entre 10% et 40% d'atomes de carbone d'hybridation sp3. Plus particulièrement, les proportions d'hybridations sp2-sp3 de l'une de ladite première couche et ladite deuxième couche sont comprises entre 5% et 20% d'atomes de carbone d'hybridation sp2 et entre 80% et 95% d'atomes de carbone d'hybridation sp3, tandis que les proportions d'hybridations sp2-sp3 de l'autre couche sont comprises entre 65% et 75% d'atomes de carbone d'hybridation sp2 et entre 25% et 35% d'atomes de carbone d'hybridation sp3.
  • De manière surprenante, l'utilisation de deux couches de carbone amorphe présentent des dissemblances en termes de proportions d'hybridations sp2-sp3 de leurs atomes de carbone réduit substantiellement le coefficient de frottement et, par conséquent, permet d'éviter toute application de graisse. La performance ainsi que la durée de vie du système sont ainsi améliorées, et le montage du système est facilité car aucune graisse ne doit être appliquée.
  • On note que les essais ont montré une préférence (non obligatoire) pour une proportion plus élevée d'hybridation sp3 pour la première couche, c'est-à-dire celle se trouvant sur le ressort, par rapport à la proportion d'hybridation sp3 dans la deuxième couche.
  • Avantageusement, ladite première couche est disposée sur au moins une partie de ladite bride du ressort et/ou au moins une partie des spires dudit ressort. Par ailleurs, ladite deuxième couche est avantageusement disposée sur au moins une partie de la paroi interne du tambour, et/ou au moins une partie de la face interne plate dudit tambour en face dudit ressort et/ou au moins une partie d'une bonde que comporte ledit arbre, et/ou au moins une partie d'une surface dudit couvercle en regard dudit ressort.
  • Dans un mode de réalisation, ladite première couche est disposée sur la bride du ressort ainsi que sur la surface des spires du ressort, ladite deuxième couche étant disposée (i) sur au moins une partie de la paroi interne du tambour et est destinée à être en contact avec ladite première couche sur la bride et (ii) sur une bonde que comporte l'arbre de barillet et à laquelle l'extrémité intérieure du ressort est liée.
  • Dans un autre mode de réalisation particulier, ladite première couche est disposée sur ladite bride du ressort ainsi que sur la surface externe des spires du ressort (c'est-à-dire la surface orientée vers la paroi du tambour), ladite deuxième couche est disposée sur au moins une partie de la paroi interne du tambour et est destinée à être en contact avec ladite première couche, une troisième couche de carbone amorphe, d'un troisième type différent dudit premier type, est disposée sur la surface interne des spires du ressort (c'est-à-dire la surface orientée vers l'arbre de barillet). Ledit troisième type est de préférence identique ou substantiellement similaire audit deuxième type, mais il peut également être différent des deux types susmentionnés.
  • Par conséquent, les avantages de l'invention peuvent être obtenus non seulement au niveau du contact entre la bride et la paroi du tambour, mais également entre les spires du ressort. Par ailleurs, une quatrième couche de carbone amorphe, d'un quatrième type différent dudit troisième type, peut être disposée sur une bonde que comporte l'arbre de barillet et à laquelle l'extrémité intérieure du ressort est liée, ledit quatrième type étant de préférence substantiellement similaire audit premier type. L'invention peut donc être appliquée à tout contact entre le ressort, la paroi du tambour et l'arbre.
  • Dans le cas d'un système comportant une troisième et une quatrième couche comme évoqué ci-dessus, les proportions d'hybridations sp2-sp3 de l'une de ladite troisième couche et ladite quatrième couche peuvent être comprises entre 5% et 40% d'atomes de carbone d'hybridation sp2 et entre 60% et 95% d'atomes de carbone d'hybridation sp3, tandis que les proportions d'hybridations sp2-sp3 de l'autre de ladite troisième couche et ladite quatrième couche peuvent être comprises entre 60% et 90% d'atomes de carbone d'hybridation sp2 et entre 10% et 40% d'atomes de carbone d'hybridation sp3. Plus particulièrement, les proportions d'hybridations sp2-sp3 de l'une de ladite troisième couche et ladite quatrième couche peuvent être comprises entre 5% et 20% d'atomes de carbone d'hybridation sp2 et d'entre 80% et 95% d'atomes de carbone d'hybridation sp3, tandis que les proportions d'hybridation sp2-sp3 de l'autre couche peuvent être comprises entre 65% et 75% d'atomes de carbone d'hybridation sp2 et entre 25% et 35% d'atomes de carbone d'hybridation sp3.
  • Avantageusement, chacune desdites couches présente une épaisseur d'entre 100 nm et 3 µm, de préférence entre 250 nm et 950 nm.
    • Brève description des dessins
  • D'autres détails de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :
    • La fig. 1 est une vue schématique en coupe d'un système de barillet selon un mode de réalisation exemplaire de l'invention ;
    • La fig. 2 est une diagramme de phase ternaire du carbone amorphe ;
    • La fig. 3 est une vue schématique d'un détail du principe de l'invention sous forme schématique ; et
    • Les fig. 4 et 5 sont des vues schématiques de variantes de l'invention.
    Modes de réalisation de l'invention
  • La figure 1 illustre schématiquement un système 1 de barillet exemplaire selon l'invention. En ce qui concerne la construction globale du système 1 de barillet, elle est tout à fait classique, on peut prendre n'importe quelle construction connue. Dans la variante illustrée, le système 1 comprend un barillet 3, ce dernier comprenant un tambour 5 monté en rotation et coaxial en référence à un arbre de barillet 7 de manière connue. Le tambour 5 porte une denture périphérique 9, mais peut également être lisse afin d'être utilisé en combinaison avec un système de fusée. Le tambour 5 est typiquement fermé au moyen d'un couvercle 11, qui peut être solidaire soit du tambour 5 soit de l'arbre de barillet 7. Une roue à rochet 13 est également prévue, solidaire en rotation de l'arbre de barillet 7. Selon une variante de construction connue, la roue à rochet 13 peut être positionnée sur l'arbre 7 afin de faire office de couvercle 11.
  • À l'intérieur du barillet 3, dans l'espace défini par le tambour 5 et le couvercle 11 est logé un ressort de barillet 15. L'extrémité intérieure 15a du ressort 15 est liée à une bonde 14 agencée sur l'arbre, et son extrémité extérieure 15b comporte une bride qui la lie à la paroi intérieure cylindrique 5a du tambour 5, de manière connue. La bride 15b peut être venue d'une pièce avec le ressort 15, ou peut être une pièce supplémentaire rapportée sur l'extrémité extérieure de manière connue.
  • Les sources principales de frottements dans un tel barillet sont les suivants. En premier lieu, chacune des spires du ressort 15 peut frotter contre sa spire voisine lorsque le ressort se dévide. La bride 15a et la spire externe du ressort 15 l'extrémité intérieure 15a du ressort 15 peut frotter contre la bonde 14 de l'arbre 7. Par ailleurs, si le ressort 15 peut s'appuyer contre la face intérieure plate 5b ou la face du couvercle 11 en regard du ressort 15, ceci peut également engendre des frottements. Au moins une partie du ressort 15 et une partie du barillet 3 sont revêtues d'une couche autolubrifiante, comme cela sera expliqué plus en détail par la suite.
  • Avant de détailler la manière dont les couches autolubrifiante du système 1 selon l'invention diffèrent de celles de l'art antérieur, il faut en premier lieu examiner les propriétés du carbone amorphe (DLC).
  • À cet effet, la figure 2 représente schématiquement un diagramme de phase du carbone amorphe. Les atomes de carbone peuvent s'organiser selon plusieurs géométries différentes, présentant des orientations de liaisons covalentes différentes. Dans le diamant cristallin, les atomes s'organisent selon une structure cubique face centrée, dans laquelle les liaisons covalentes s'orientent selon des tétraèdres. Ces liaisons font intervenir des atomes de carbone d'hybridation sp3, et cette structure de diamant se trouve sur la pointe supérieure du diagramme. Dans le cas du graphite, les atomes s'organisent selon des feuillets. Dans chaque feuillet, les liaisons covalentes s'orientent selon des hexagones réguliers se situant dans un seul plan, et chaque feuillet est lié à son voisin par des forces de Van der Waals. L'hybridation des atomes de carbone dans chaque feuillette est de type sp2. Cette structure se trouve sur la pointe gauche du diagramme. La troisième pointe, droite, du diagramme représente l'hydrogène.
  • Commençant à la pointe du diagramme représentant l'hydrogène, qui est gazeux à température et pression normales, en augmentant la proportion de carbone de n'importe quel type d'hybridation, on passe par une bande de polymères (indiquée par "Poly"), et puis on entre dans le domaine du carbone hydrogéné. Les domaines particulièrement intéressants pour leurs propriétés tribologiques sont indiqués sur le diagramme par des ovales indiquant schématiquement les proportions respectives d'hydrogène, d'hybridations sp3 et sp2, qui représentent (de gauche à droite) :
    • a-C : carbone amorphe substantiellement dépourvu d'hydrogène et présentant une hybridation dominante du type sp2 (typiquement 60-90% sp2 et 10-40% sp3) ;
    • ta-C : carbone amorphe tétraédrique substantiellement dépourvu d'hydrogène et présentant une hybridation dominante du type sp3 (typiquement 60-95% sp3 et 5-40% sp2) ;
    • a-C:H : carbone amorphe comprenant une proportion non négligeable d'hydrogène et présentant une hybridation dominante du type sp2 (typiquement 60-90% sp2 et 10-40% sp3 de la proportion du total qui est constitué de carbone) ; et
    • ta-C:H : carbone amorphe tétraédrique comprenant une proportion non négligeable d'hydrogène et présentant une hybridation dominante du type sp3 (typiquement 60-95% sp3 et 10-40% sp2 du total du carbone).
  • Ces couches de DLC peuvent être déposées par procédé PVD (Physical Vapour Deposition), ou par CVD (Chemical Vapour Deposition), PACVD / PECVD (CVD assisté par plasma), ou toute autre technique permettant un tel dépôt. En variant les paramètres lors du dépôt, des couches ayant les proportions d'hybridations sp2-sp3 ainsi que la proportion d'hydrogénation désirée(s), peuvent être déposées, et ensuite déterminées par des mesures courantes. Ceci est bien connu dans la littérature, et ne doit donc pas être décrit plus en détail ici.
  • Les inventeurs ont déterminé, que, de manière étonnante, si on dépose une couche en DLC sur chacune des surfaces de deux composants du système 1 de barillet qui frottent l'une contre l'autre, et que ces deux couches en DLC sont différentes l'une de l'autre, le coefficient de frottement est significativement réduit. Ceci permet de supprimer toute lubrification humide, et engendre par ailleurs une réduction significative de l'usure des composants.
  • De manière générale, une lubrification sèche au moyen de la DLC présente les avantages suivants dans le contexte d'un système de barillet :
    • Aucun problème de répartition de la graisse. En effet, la graisse doit être bien répartie sur toutes les surfaces qui sont en contact, et a tendance à fluer de manière indésirable. Plus particulièrement, il existe un effet de décantage, par lequel la graisse a tendance à fluer et se retrouver en bas du barillet, ainsi qu'un phénomène de migration de graisse entre les spires du ressort qui peut les faire coller les unes contre les autres grâce à la tension superficielle de la graisse.
    • Montage simplifié, car aucune étape d'application de graisse n'est plus nécessaire.
    • Effet lubrificateur dès le début. Par contre, la graisse nécessite un certain temps d'utilisation afin de se répartir de manière homogène, ce qui engendre une phase de rodage au début du fonctionnement de la pièce, et après que la pièce soit laissée inutilisée pendant un laps de temps prolongé.
    • Protection des pièces contre les attaques environnementales, car les surfaces revêtues de DLC sont isolées de l'environnement par une couche qui est exempte d'oxygène. L'étape de nickelage communément effectuée dans ce but est simplement remplacée par celle du dépôt de DLC, et par conséquent le nombre d'étapes de fabrication du ressort reste inchangé, et les composants du barillet peuvent être des composants standards à l'exception des revêtements en carbone amorphe.
    • Protection contre l'usure entre les spires, si la totalité des surfaces du ressort qui sont soumises à des frottements est revêtue.
  • Plus particulièrement, la figure 3 illustre schématiquement une partie d'un système 1 de barillet selon l'invention. Dans cette variante, une première couche de carbone amorphe 17 d'un premier type est déposée sur la surface de la bride 15b qui entre en contact avec la surface interne cylindrique 5a du tambour du barillet 5. Cette surface interne cylindrique 5a est également revêtue d'une deuxième couche de carbone amorphe 19 d'un deuxième type, différent du premier type. Ce même principe peut également être appliqué à la bonde 14 et à l'extrémité intérieure 15a du ressort 15, et/ou aux surfaces supérieure et/ou inférieure du ressort 15, si ces surfaces risquent d'entrer en contact avec le couvercle 11 ou le tambour 5 respectivement. Particulièrement, ladite première couche 17 peut être déposée à au moins deux endroits, notamment sur les surfaces des deux extrémités 15a, 15b destinées à être en contact avec la bonde 14 et la paroi 5a du tambour 5 respectivement, ladite deuxième couche 19 étant déposée sur les surfaces correspondantes de la bonde 14 et de la paroi 5a du tambour 5.
  • Typiquement, ces deux couches 17, 19 diffèrent par leurs proportions en hybridations sp2-sp3 du carbone amorphe, tandis que d'autres différences sont encore possibles, particulièrement au niveau du degré d'hydrogénation.
  • L'une des deux couches 17, 19 contient par exemple une proportion d'hybridation sp2 comprise entre 5% et 40%, de préférence entre 5% et 20%, encore de préférence sensiblement 5, 6 ou 7% (plus génériquement ta-C ou ta-C:H) et une proportion d'hybridation sp3 comprise entre 60% et 95%, de préférence entre 80% et 95%, encore de préférence sensiblement 95% (plus génériquement a-C ou a-C:H). L'autre des couches 19, 17 présente par exemple une proportion d'hybridation sp3 comprise entre 5% et 40%, de préférence entre 25% et 35%, encore de préférence sensiblement 30% et une proportion d'hybridation sp2 comprise entre 60% et 95%, de préférence entre 65% et 75%, encore de préférence sensiblement 70%.
  • Dans ce cas, la couche comprenant une proportion majoritaire d'hybridation sp3 (par exemple ta-C ou ta-C:H) est de préférence la première couche 17 sur le ressort 15, et celle comprenant une proportion majoritaire d'hybridation sp2 (par exemple a-C ou a-C:H) est de préférence la deuxième couche 19 sur le barillet 3, mais l'agencement inverse est également possible.
  • Il est également possible que l'une des couches 17, 19 présente un rapport d'hybridation d'environ 50% sp2 et 50% sp3, hydrogéné ou non, tandis que l'autre couche 19, 17 comporte essentiellement du ta-C, ta-C:H, a-C ou a-C:H.
  • La première couche 17 peut avantageusement être déposée sur toute la surface du ressort 15, y compris sa bride 15b, ce qui simplifie sa fabrication et évite de faire une étape de masquage avant dépôt de la première couche 17 (voir ci-dessous). Cette variante est illustrée sur la figure 4, et est la plus simple à fabriquer. Par ailleurs, si le ressort 15 risque de frotter contre le couvercle 11 ou le fond du tambour 5, ladite deuxième couche 19 peut s'étendre également sur ces surfaces. Une deuxième couche 19 peut également être déposée sur la bonde 14.
  • Encore plus avantageusement, la variante illustrée sur la figure 5 prévoit la première couche non seulement sur la surface de la bride 15a destinée à être en contact avec la surface 5a du tambour 5, mais sur toute la surface y contiguë, c'est-à-dire sur la surface extérieure de l'ensemble des spires du ressort 15. La surface opposée, c'est-à-dire la surface intérieure de chaque spire en face de l'arbre de barillet 7, est revêtue d'une troisième couche 21 de DLC, d'un troisième type différent dudit premier type. Ce troisième type peut être sensiblement similaire audit deuxième type, ou différente des premier et deuxième types. L'homme du métier sait comment déposer ces deux couches 17, 21 différentes, par exemple par l'intermédiaire d'étapes successives de masquage et de dépôt conventionnelles, exécutées par exemple avant estrapadage du ressort 15, ou alternativement effectuées avec le ressort 15 supporté étendu et allongé dans un gabarit.
  • Au centre du ressort, la bonde 14 peut comporter une quatrième couche de carbone amorphe 23, dissimilaire à la troisième couche 21, qui peut être par exemple d'un type similaire audit premier type. Alternativement, au vu du fait que le contact entre le ressort et la bonde 14 est moins critique qu'entre la bride 15b et le tambour 5, la quatrième couche de DLC peut être similaire audit deuxième type, ou peut être omise.
  • En ce qui concerne les faces supérieure et inférieure du ressort 15, si elles risquent de frotter contre le couvercle 11 ou le fond du tambour 5, les mêmes considérations que celles discutées en lien avec la figure 4 s'appliquent également ici.
  • La variante de la figure 5 présente l'avantage que chaque surface qui entre en contact avec une autre surface frotte contre une surface comportant une couche de DLC dissimilaire, maximisant par conséquent les effets de réduction de frottements amenés par l'invention.
  • Pour toutes les variantes mentionnées ci-dessus, les couches 17, 19, 21, 23 présentent typiquement une épaisseur comprise entre 100 nm et 3 µm, idéalement entre 250 nm et 950 nm, et sont déposées par l'un des procédés évoqués ci-dessus (PVD, CVD, PACVD, PECVD...) à une température typiquement comprise entre 80°C et 220°C. Ces températures sont suffisamment modérées pour ne pas nuire à la trempe du ressort 15.
  • Les avantages conférés par l'invention ont été démontrés expérimentalement. La demanderesse a soumis deux types de systèmes 1 de barillet, ayant leur ressort 15 et la paroi interne 5a de leur tambour 5 revêtus selon la variante de la figure 4 de la présente invention, à des tests de vieillissements accélérés correspondant à vingt-huit ans de porter. Deux types de barillets 3 ont été testés : le premier barillet 3 avait une bride 15b fixe (également appelé "barillet manuel"), alors que le second barillet 3 avait une bride 15b glissante ("barillet automatique"). Les mesures et vieillissements étaient spécifiques pour chacun d'eux, de façon à représenter au mieux les conditions d'utilisation réelles.
  • Ces tests de vieillissements accélérés ont montré que la résistance à l'usure des systèmes de barillet selon l'invention est largement supérieure à celle des barillets standards. Après la phase de vieillissement correspondant à 28 années d'utilisation en conditions standards, les systèmes 1 de barillet selon l'invention ne montrent aucune diminution de leurs propriétés fonctionnelles. De plus, après les tests, la paroi interne 5a du tambour 5 n'avait subi qu'une usure très modérée, malgré une sollicitation importante durant les cycles de vieillissement. Aucun enlèvement de matière ou formation de particules d'usure n'a été observé.
  • Les systèmes 1 de barillet traditionnels ont, quant à eux, subi une perte de fonctionnalité dès cinq à sept années et donc nécessitent un service tous les deux à cinq ans, impliquant bien entendu un démontage souvent préventif du mouvement de la montre. Il est de plus à noter que les tests de vieillissements accélérés sont à l'avantage des systèmes 1 de barillet standards, car la graisse n'a pas le temps de vieillir, et les vitesses de rotation élevées utilisées en favorisent la bonne répartition. L'intervalle entre des services du mouvement est alors avantageusement augmenté grâce à la présente invention.
  • Bien que l'invention ait été décrite ci-dessus en lien avec des modes de réalisation spécifiques, des variantes supplémentaires sont également envisageables sans sortir de la portée de l'invention comme définie par les revendications. Par ailleurs, le principe de l'invention peut également être utilisé pour d'autres composants d'un mouvement horloger qui ne font pas l'objet des revendications, comme par exemple un doigt sur une roue à colonnes, des dentures de mobiles, rouages et engrenages, des entrées de fourchettes et chevilles ou encore des doigts entraîneurs.

Claims (8)

  1. Système (1) de barillet pour pièce d'horlogerie, ledit système (1) comprenant :
    - un barillet (3) comportant un arbre de barillet (7), un tambour de barillet (5) coaxial audit arbre (7) ;
    - un ressort de barillet (15) disposé à l'intérieur dudit barillet (3), ledit ressort (15) étant lié par une première extrémité (15a) audit arbre, et lié par une seconde extrémité (15b) audit tambour par l'intermédiaire d'une bride que comporte ladite seconde extrémité (15b) dudit ressort de barillet (15), ledit ressort (15) comprenant une première couche de carbone amorphe (17) d'un premier type sur au moins une partie de sa surface,
    caractérisé en ce qu'au moins un composant (5, 7, 11) dudit barillet (3) comporte une deuxième couche de carbone amorphe (19) d'un deuxième type, différent dudit premier type, sur au moins une partie de sa surface destinée à être en contact avec ledit ressort de barillet (15), ladite première couche (17) et ladite deuxième couche (19) étant agencées pour entrer en contact sur au moins une partie de leurs surfaces respectives, ladite deuxième couche (19) différant de ladite première couche (17) en ce qui concerne les proportions d'hybridations des atomes de carbone dans chacune desdites couches (17, 19),
    et en ce que les proportions d'hybridations sp2-sp3 de l'une de ladite première couche (17) et ladite deuxième couche (19) sont comprises entre 5% et 40% d'atomes de carbone sp2 et entre 60% et 95% d'atomes de carbone d'hybridation sp3, tandis que les proportions d'hybridations sp2-sp3 de l'autre de ladite première couche (17) et ladite deuxième couche (19) sont comprises entre 60% et 90% d'atomes de carbone d'hybridation sp2 et entre 10% et 40% d'atomes de carbone sp3.
  2. Système (1) selon la revendication précédente, dans lequel les proportions d'hybridations sp2-sp3 de l'une de ladite première couche (17) et ladite deuxième couche (19) sont comprises entre 5% et 20% d'atomes de carbone d'hybridation sp2 et entre 80% et 95% d'atomes de carbone d'hybridation sp3, tandis que les proportions d'hybridations sp2-sp3 de l'autre de ladite première couche (17) et ladite deuxième couche (19) sont comprises entre 65% et 75% d'atomes de carbone d'hybridation sp2 et entre 25% et 35% d'atomes de carbone d'hybridation covalentes d'hybridation sp3.
  3. Système (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite première couche (17) comporte une proportion d'atomes de carbone d'hybridation sp3 plus élevée que celle de ladite deuxième couche (19; 17).
  4. Système (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite première couche (17) est disposée sur au moins l'un de :
    - au moins une partie de ladite bride (15a) du dit ressort (15) ;
    - au moins une partie des spires dudit ressort (15).
  5. Système (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite deuxième couche (17) est disposée sur au moins l'un de :
    - au moins une partie de la paroi interne (5a) du tambour (5) ;
    - au moins une partie de la face interne plate dudit tambour (5) ;
    - au moins une partie d'une bonde (14) que comporte ledit arbre (7) ;
    - au moins une partie d'une surface d'un couvercle (1) que comporte le barillet (3), ladite surface étant en regard dudit ressort (15).
  6. Système (1) selon les revendications 4 et 5, dans lequel :
    - ladite première couche (17) est disposée sur ladite bride (15b) du ressort (15) ainsi que sur la surface externe des spires du ressort (15) ;
    - ladite deuxième couche (19) est disposée sur au moins une partie de la paroi interne (5a) du tambour (5) et destinée à être en contact avec ladite première couche (17) ;
    - une troisième couche (21) de carbone amorphe, d'un troisième type différent dudit premier type, est disposée sur la surface interne des spires du ressort (15), ledit troisième type étant de préférence substantiellement similaire audit deuxième type ;
    - une quatrième couche de carbone amorphe (23), d'un quatrième type différent dudit troisième type, est disposée sur une bonde (14) que comporte l'arbre (7) et à laquelle est liée l'extrémité intérieure (15a) dudit ressort, ledit quatrième type étant de préférence substantiellement similaire audit premier type,
    dans lequel les proportions d'hybridations sp2-sp3 de l'une de ladite troisième couche (21) et ladite quatrième couche (23) sont comprises entre 5% et 40% d'atomes de carbone sp2 et entre 60% et 95% d'atomes de carbone d'hybridation sp3, tandis que les proportions d'hybridation sp2-sp3 de l'autre de ladite troisième couche (21) et ladite quatrième couche (23) sont comprises entre 60% et 90% d'atomes de carbone d'hybridation sp2 et d'entre 10% et 40% d'atomes de carbone d'hybridation sp3.
  7. Système (1) selon la revendication précédente, dans lequel les proportions d'hybridations sp2-sp3 de l'une de ladite troisième couche (21) et ladite quatrième couche (23) sont comprises entre 5% et 40% d'atomes de carbone d'hybridation sp2 et entre 60% et 95% d'atomes de carbone d'hybridation sp3, tandis que les proportions d'hybridations sp2-sp3 de l'autre de ladite troisième couche (21) et ladite quatrième couche (23) sont comprises entre 65% et 75 d'atomes de carbone d'hybridation sp2 et entre 25% et 35% d'atomes de carbone d'hybridation sp3.
  8. Système (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel chacune desdites couches (17, 19, 21, 23) présente une épaisseur comprise entre 100 nm et 3 µm, de préférence entre 250 nm et 950nm.
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