EP2889703B1 - Procédé de fabrication d'une pièce mécanique en diamant pour mouvement de montre, et pièce fabriquée selon ce procédé - Google Patents

Procédé de fabrication d'une pièce mécanique en diamant pour mouvement de montre, et pièce fabriquée selon ce procédé

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EP2889703B1
EP2889703B1 EP14196656.4A EP14196656A EP2889703B1 EP 2889703 B1 EP2889703 B1 EP 2889703B1 EP 14196656 A EP14196656 A EP 14196656A EP 2889703 B1 EP2889703 B1 EP 2889703B1
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EP
European Patent Office
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diamond
manufacturing
doping
component
crystal
Prior art date
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EP14196656.4A
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EP2889703C0 (fr
EP2889703A2 (fr
EP2889703A3 (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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Publication of EP2889703C0 publication Critical patent/EP2889703C0/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
    • 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 a method for manufacturing a mechanical part for a watch movement, for example a wheel, pinion, pallet fork, escapement lever, balance spring, bridge, mainplate, rocker arm, leaf spring, or other micro-mechanical functional component in the regulating organ, gear train, or complication of the movement.
  • the present invention also relates to a diamond part manufactured according to this method.
  • Moving parts such as axles, wheels, pinions, the escapement lever, escape wheel, balance wheel, springs, and balance spring, are frequently made of steel, or Elinvar steel for the balance spring.
  • the mainplate and bridges are generally made of brass or steel. Other materials are used less frequently, such as rubies for bearings or pallets, or ceramic for certain bearings.
  • EP732635A1 describes a micro-mechanical part, for example an anchor for a watch movement, cut from a silicon wafer by attacking with a plasma gas around a mask of shape previously made on the face of the wafer.
  • Silicon has the advantage of being easy to machine, reproducibly, using perfectly mastered technologies for the It is used in the manufacture of integrated circuits or MEMS in particular.
  • it has some drawbacks, notably an insufficient tribological surface finish and a relatively high coefficient of friction.
  • CH669109A1 (The Swatch Group R&D Ltd) suggests improving this surface finish by depositing a layer of DLC (Diamond-Like Carbon) on the silicon.
  • DLC Diamond-Like Carbon
  • US2002/114225 (Damasko) describes in particular an escapement anchor made of steel coated with a DLC (“Diamond Like Carbon”) layer.
  • US2012/0263909 (Diamaze Microtechnology SA et al. ) describes another example of a mechanical part coated with diamond or a DLC layer.
  • DLC coatings possess some of the properties of natural diamond, although their crystalline structure is very different. Generally, these coatings are produced using a carbon deposition process such as plasma, filtered arc, ion beam, or sputtering. These rapid, high-energy processes do not allow the carbon atoms to arrange themselves in the typical sp3 cubic arrangement of diamond; the overall arrangement of atoms is amorphous, with a tangle of crystalline microstructures oriented differently from one another.
  • a carbon deposition process such as plasma, filtered arc, ion beam, or sputtering.
  • DLC coating deposition processes generate a material containing significant proportions, greater than 10%, of hydrogen, graphitic carbon or other components.
  • a steel or silicon part coated with a DLC layer therefore exhibits improved tribological surface finishes, but these are still far from perfect. Furthermore, the adhesion of the DLC coating to the substrate is a weak point. In any case, the additional step required for the DLC layer deposition complicates manufacturing. Moreover, it is difficult to precisely control the shape of the part after coating deposition.
  • the anchors in the escapement of mechanical movements are subjected to particularly severe stresses. It is essential to minimize their mass and moment of inertia to limit the energy required for the high-frequency oscillation of these moving parts, and thus increase the watch's power reserve.
  • the anchor, especially the pallet fork is subjected to repeated shocks with each oscillation, or when the watch is subjected to impacts, and must therefore be sufficiently robust. Furthermore, a rigid anchor that does not deform with each oscillation is generally desired, which also limits the minimum thickness of the component.
  • WO2004/029733A2 (Fore Eagle Co Ltd) describes watch components made at least partially from this material. This document lists various advantages of diamond, including its hardness, low coefficient of friction, good shock resistance, high mechanical strength, high modulus of elasticity, low coefficient of thermal expansion, transparency, and scratch resistance.
  • DE102008029429A1 suggests manufacturing micromechanical watch parts from diamond or silicon coated with a DLC layer.
  • EP2407831A1 (Rolex SA) describes a balance spring for a watch oscillator that can be made from a low-density material such as silicon, diamond, or quartz.
  • the balance spring can be produced by a chemical etching process using plasma ("DRIE, Deep Reactive Ion Etching").
  • CH701155B1 (Complitime SA) describes a balance wheel for a timepiece comprising a plate which can be made of diamond, quartz, silicon or corundum.
  • WO2005/017631 (Fore Eagle Co Ltd) describes another balance wheel 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 pieces is not usually specified in these documents. In practice, it is always polycrystalline synthetic diamond, which costs 10 to 50% less than natural diamond and can be produced in shapes suitable for the intended use.
  • DE102008029429 This concerns watch components, for example parts of the oscillating organ, made of monocrystalline or polycrystalline diamond, which can be obtained by laser cutting. A coating is recommended to improve tribological properties and hardness.
  • WO99/22049 describes various methods for polishing a diamond surface obtained by CVD, as well as US2003/205190 Methods for polishing a diamond surface are also described in EP2511229 And WO01/75197 .
  • JP2006/273704A describes a process for manufacturing a nanodiamond polishing powder. This process is not intended for the manufacture functional mechanical part for watch movement, and does not involve a polishing step.
  • micro-mechanical components made from materials offering a better compromise between the desired properties of hardness, mechanical resistance, lightness, low thermal expansion, stability of the modulus of elasticity, and ease of high-precision machining.
  • One aim of the present invention is therefore to propose a method for manufacturing a mechanical part for watchmaking application which offers such a compromise between these different properties.
  • Polycrystalline diamonds known in the prior art for manufacturing mechanical parts, are extremely hard, harder than common natural single-crystal diamonds. However, contrary to popular belief, such high hardness is not always necessary or even advantageous for a watch component. This hardness results in high polishing costs and faster wear of the softer parts in contact with it.
  • Polycrystalline diamonds are also most often transparent or grey; due to the multiple interfaces between the different crystal grains with different orientations, they produce little or no reflections, and practically no iridescence effects.
  • the invention is based in particular on the observation that monocrystalline diamond has many advantages over the more widespread polycrystalline diamond, and even more so over DLC coatings.
  • single-crystal diamonds have the advantage over polycrystalline diamonds of being extremely strong; no crack initiation occurs between the individual grains. This strength allows for the production of thinner, and therefore lighter, parts with the same strength.
  • parts such as, without limitation, anchor wheels or anchors with a thickness of less than 120 microns, preferably less than 100 microns, for example, between 20 and 60 microns, using single-crystal diamonds.
  • 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 be practically impossible to achieve with parts made of steel, silicon or polycrystalline diamond, as these parts would be too fragile and very difficult to assemble without breaking them.
  • Single-crystal diamonds can be made in a wide variety of colors, including transparent, black, blue, yellow, red, etc. Furthermore, the interplay of light reflecting off different faces oriented in various ways produces highly prized iridescent effects.
  • single-crystal diamonds generally have a smoother surface state than polycrystalline diamonds or DLC coatings, whose grain structure does not allow for an optimal tribological surface.
  • Synthetic single-crystal diamonds can, for example, be obtained by growing carbon via CVD around a single-crystal diamond primer. It is important that the primer be made of single-crystal diamond so that the deposited structure is itself single-crystal.
  • the carbon can be obtained from methane in a CVD reactor.
  • Single-crystal synthetic diamond can also be obtained by compressing carbon at high pressure and high temperature.
  • the invention also stems from the observation that single-crystal diamond can be precisely cut using a laser beam.
  • this cutting process has the drawback of releasing carbon atoms onto the surface, which are deposited on the surface of the crystalline diamond as graphite or in another non-diamond form (i.e., in a non-crystalline structure, or as a crystal other than diamond). This results in a black, unsightly surface and a surface friction coefficient that is lower than that of polished diamond.
  • these non-diamond carbon residues are eliminated by oxidation, without attacking the carbon with a diamond structure.
  • Oxidation is achieved by heat treatment at a temperature between 600°C and 750°C, preferably between 650°C and 680°C.
  • Oxidation can also be achieved through surface treatment with oxygen or fluorine plasma.
  • the oxidation process allows the part to be polished by burning off impurities, sharp points, cutting waste, and carbon in the form of graphite on the surface.
  • the process may include an additional step of polishing a surface using ion beams.
  • the mechanical part may also have lateral surfaces. At least a portion of these mechanical surfaces may be polished or corrected, for example, with a laser beam or an ion beam. Advantageously, at least a portion of these surfaces is corrected to achieve a tribological state better than before the correction. At least a portion may be corrected so that it is substantially perpendicular to the lower and upper faces of the part.
  • the invention thus starts from the observation that doping makes it possible to control various mechanical and/or optical properties of the part, for example its hardness, its modulus of elasticity, the variation of the modulus of elasticity as a function of temperature, its color etc.
  • the diamond preferably contains a maximum of 3% doping impurities, without affecting its single-crystal structure. This threshold allows for modification of the desired mechanical properties of the diamond without altering its single-crystal structure.
  • Doped single-crystal diamond is obtained by intentionally introducing a doping element into the diamond, either during the growth of a synthetic diamond, or into a synthetic or natural diamond that has already been formed.
  • the doping process makes it possible to produce a diamond that differs from naturally occurring diamonds and from undoped synthetic single-crystal diamonds. The difference stems from the type of impurities, their distribution, and/or their concentration.
  • the doping is chosen to modify the mechanical and tribological properties of the diamond piece.
  • At least one doping is advantageously carried out in the mass of the part, in a homogeneous manner, so as to affect the mechanical properties of the whole of the part, in depth.
  • This doping can be carried out with virtually no additional cost during the growth of a single-crystal synthetic diamond.
  • Doping can also be performed on the surface.
  • the doping method may differ between the surface and the depths.
  • the doping density may differ between the depths and the surface.
  • the doping agent may differ between the surface and the depths. Impurities may be introduced differently between the surface and the depths.
  • the diamond may be a boron-doped black diamond.
  • Impurities can be introduced into the diamond during the organic growth of the diamond.
  • the mechanical part made of doped single-crystal diamond can be a flat part, for example a part used in the regulating organ of a mechanical watch, for example an anchor or an anchor wheel.
  • the mechanical part can be a flat piece made by cutting from a flat plate. The cutting is done by laser.
  • the mechanical part can be a multi-level flat part obtained by thermochemical attack from a single-level flat part.
  • the flat mechanical part can be a balance spring for the regulating organ of a mechanical watch.
  • the high rigidity of single-crystal diamond allows for high oscillation frequencies with small-diameter balance springs.
  • the mechanical part can be a spring, for example a rocker spring, a flat spring, etc.
  • the mechanical part can also be a pallet intended to equip an escapement anchor made of another material, for example a steel anchor.
  • the mechanical part can also be a bridge, a plate, etc.
  • the mechanical part made of single-crystal diamond can be rigid, for example in the case of a bridge, a plate, a rocker, a pallet, an anchor, a wheel, etc.
  • the mechanical part made of single-crystal diamond can be flexible, for example in the case of a spiral, a spring, a flexible blade, etc.
  • the flat part can be made by cutting a wafer of doped single-crystal diamond.
  • the invention also relates to a watch movement comprising at least one part made of doped single-crystal diamond, by example an anchor, an anchor pallet, an anchor wheel or a spiral made of doped single-crystal diamond.
  • Different mechanical parts of the same movement can be made from different varieties of single-crystal diamond.
  • different mechanical parts of the same movement can be made from different colors of single-crystal diamond.
  • the color of the single-crystal diamond which is due to impurities, influences its hardness.
  • transparent single-crystal diamond is less hard than black single-crystal diamond doped with boron ions.
  • the type or color of single-crystal diamond chosen for different parts of the same movement is therefore determined according to the desired hardness, or according to other mechanical properties dependent on that color.
  • the watch movement includes, for example, an anchor or pallet fork made of a hard single-crystal diamond, and an escape wheel made of a less hard single-crystal diamond.
  • the anchor or pallets could, for example, be made of a boron-doped black single-crystal diamond, while the escape wheel could be made of a transparent or yellow single-crystal diamond.
  • the movement may include several single-crystal diamond parts with different doping levels.
  • the process may include an additional step of surface doping by injecting dopant ions onto the surface using an ion beam.
  • Impurities may contain boron, which increases hardness without affecting the crystalline structure of diamond.
  • FIG. 1A illustrates an uncut single-crystal diamond 1 used to manufacture one or more pieces according to the invention.
  • the single-crystal diamond may be a natural diamond or a synthetic diamond, advantageously weighing more than 1 carat, preferably more than 3 carats.
  • a natural diamond it may be a diamond with a shape or other properties that make it unsuitable for use in jewelry.
  • a synthetic single-crystal diamond can be produced, for example, using a filtered arc to deposit carbon onto a single-crystal diamond seed crystal, without the addition of hydrogen or other materials.
  • Another possibility is to perform CVD deposition of carbon produced from a hydrocarbon such as methane onto a single-crystal diamond seed crystal.
  • the seed crystal can be reused after cutting plates from the mass deposited above it.
  • a third, less advantageous possibility is to produce a synthetic single-crystal diamond by subjecting a carbon source to simultaneous high temperature and high pressure. Other processes could also be used.
  • the single-crystal diamond thus formed can be doped.
  • the doping agent can be introduced during the formation of the synthetic diamond, for example, by adding traces of the doping agent to the filtered arc or within the CVD reactor.
  • the doping agent is added after the formation of the synthetic diamond, for example, by means of a high-energy ion beam. Doping can be carried out homogeneously throughout the entire mass of the diamond, and/or only on the surface. An initial doping can be performed throughout the mass, and a different doping, for example, with a different doping agent and/or at a different concentration, can be carried out on the surface.
  • Doping can be selected to modify the hardness of parts produced from this diamond; depending on the doping agent, it is possible to increase or decrease this hardness. For example, the inclusion of nitrogen as a doping agent reduces the hardness of a part, while the inclusion of boron ions increases it.
  • the hardness of a single-crystal diamond pallet is increased by doping, for example by including boron ions, while a single-crystal diamond anchor wheel intended to work with this pallet in the escapement is undoped, or doped to reduce its hardness, for example with nitrogen, in order to obtain a hardness lower than that of the pallet. It is indeed advantageous to have very hard pallets to reduce their wear and the coefficient of friction on the impulse plane, and a less hard escape wheel to absorb the shock of the anchor with each oscillation.
  • the anchor wheel is doped with a relatively high concentration of nitrogen, while the pallet is doped with a lower concentration. The inclusion of nitrogen during the manufacturing of synthetic single-crystal diamond by CVD growth makes it possible to increase the manufacturing speed, and therefore reduce the cost, while obtaining pallets that remain harder than conventional ruby pallets.
  • Doping can also be selected to control the diamond's color. Doping can be chosen to control the diamond's Young's modulus. Doping can be chosen to reduce the Young's modulus's sensitivity to temperature, in order to produce parts whose stiffness is as independent of temperature as possible. Doping can be chosen to reduce the diamond's coefficient of thermal expansion, in order to produce parts whose dimensions are as independent of temperature as possible.
  • the doping agent and its concentration are also chosen so as not to interfere with the single-crystal structure of the diamond, or to minimize this interference.
  • the diamond is doped with boron ions. Different diamonds used for the production of different components in the same watch can be doped differently depending on the desired properties.
  • Boron doping during the organic growth of synthetic diamond has the advantage of producing a non-radioactive black diamond, unlike doping processes by introducing high-energy ions.
  • the single-crystal diamond 1 is then cut as illustrated in the figure 1B , for example by means of a diamond saw, or split using a hammer and blade, an electric arc, an ion beam, or preferably cut using a laser so as to obtain a flat surface 10.
  • 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 one side by means of a first laser beam 20.
  • the laser beam is pivoted 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 pivoted in a cone ( figure 4B).
  • This cone-shaped machining widens the ablation zone and avoids poor surface finishes and destruction of the crystalline structure that can occur if ablation were performed in a narrow channel, causing excessive temperature rise.
  • the process is comparable, in some ways, to that of a lumberjack cutting a log with two angled cuts from either side.
  • the convex surface thus produced by this cutting is then rectified or flattened, as illustrated on the figure 4C This is achieved by means of a laser beam oriented parallel to the surface of the plate to be produced.
  • the pulse frequency of this laser can be, for example, between 10 and 100 kHz, in order to obtain a precise cut without the problems of alterations to the crystalline structure caused by the high energy of more rapidly pulsed lasers.
  • the cutting plane is determined to obtain an active surface of the workpiece oriented along the crystal plane ⁇ 111 ⁇ , which is generally the hardest.
  • the cutting plane is preferably parallel to the ⁇ 111 ⁇ plane of the diamond.
  • the cutting plane is preferably distinct from the ⁇ 111 ⁇ plane and chosen so as to allow the cutting of pallets whose impulse surface, obtained in the edge of the cut plates, is parallel to the crystal orientation plane ⁇ 111 ⁇ .
  • the cutting plane is determined to obtain an active surface of the workpiece oriented substantially along the crystal plane ⁇ 001 ⁇ or, preferably, along the plane ⁇ 011 ⁇ ; although less hard than the ideal plane ⁇ 111 ⁇ , these planes are less sensitive to deviations from the ideal surface.
  • the cutting plane is preferably substantially parallel to the plane ⁇ 001 ⁇ or ⁇ 011 ⁇ of the diamond.
  • the cutting plane is preferably chosen to allow the cutting of pallets whose impulse surface, obtained in the edge of the cut plates, is substantially parallel to the crystal orientation plane ⁇ 001 ⁇ or to the plane ⁇ 011 ⁇ . parallel here means that the deviation after polishing is at most ⁇ 5°.
  • diamond 1 it is possible to hold diamond 1 during cutting, for example by cementing it or gluing it to a temporary support.
  • the rough face 10 obtained at the end of this cutting process is then rectified and/or polished to obtain a flat polished face 11 as illustrated in the figure 1C .
  • the rectification of face 11 can be carried out, as indicated, by means of a laser, for example a pulsed laser between 10 and 100KHz.
  • the polishing of face 11 can be carried out on a rotary grinding wheel covered with synthetic diamond powder, for example polycrystalline diamond powder.
  • the roughness of face 11 can also be reduced by means of a high-energy ion beam parallel to the surface.
  • the diamond is then cut along a new cut parallel to the first cut, in order to obtain a thin plate 2 as illustrated in the figure 1D
  • This delicate cut is advantageously performed by laser to avoid impacts that could break the plate.
  • this cut can be made using the method illustrated in the diagram. figures 4a to 4c that is, by means of one or two laser beams deflected by a mirror to produce a conical ablation zone.
  • this process allows for the cutting of extremely thin plates in single-crystal diamond, for example, plates less than 400 microns thick, plates between 100 and 400 microns thick, 320 microns thick, or between 100 and 160 microns, ideally between 100 and 120 microns, in the case of plates intended for machining pallets, and plates with a thickness between 20 and 120 microns, for example between 40 and 80 microns, for example 60 microns, in the case of manufacturing anchor wheels, anchors, wheels, spirals, springs or rockers for example.
  • the underside 12 of plate 2 is relatively rough. For many applications, particularly in watchmaking, this less-than-perfectly polished appearance is entirely satisfactory since this side is not visible. However, by producing a slightly thicker part, it is possible to also polish this side 12, for example, by mechanical polishing on a grinding wheel and/or laser. In one embodiment, the part is held without adhesive during polishing, preferably using a vacuum. This allows for very precise control of the part's thickness after polishing, without this thickness depending on the thickness of the adhesive.
  • the produced plate 2 can be visually inspected to eliminate plates with excessive impurities or a non-single-crystal structure. In one embodiment, this inspection is performed by illuminating the plate with polarized light, highlighting imperfections. The inspection can be carried out manually or using a camera and image analysis software.
  • Figure 6 illustrates an example of a possible laser beam path during the machining of a pallet in a plate 11.
  • the laser beam can have a relatively large dimension, for example, a maximum diameter on the order of 20 microns.
  • the shape of this beam 6 is generally non-circular, for example, elliptical.
  • the cutting path is therefore advantageously determined by software designed to determine a beam path that takes into account the size, shape, and orientation of this beam relative to the workpiece, so as to obtain a workpiece after release whose dimensions correspond to the desired dimensions.
  • the trajectory is preferably initiated at a distance from the part to be produced, on a portion 32 that does not belong to the part being produced. This avoids deformations due to the initial drilling. Furthermore, the trajectory is preferably optimized, taking into account the crystalline orientation of the diamond, so that any cracks propagating from the ablation point have the greatest possible chance of following the edge of the part, or of moving away from it. For example, on the figure 5 The maximum risk of cracking occurs from the initial drilling point 32; therefore, the position of this point is preferably chosen so that the most probable crack direction follows exactly the line followed by the beam.
  • the workpiece to be cut is oriented on the diamond plate 11 so that the active surface of the workpiece lies in the crystal plane ⁇ 111 ⁇ .
  • the active surface 31 is the impulse surface (planar or non-planar) intended to be brought into contact with the anchor wheel. The pallet is therefore cut from the plate 11 so that this surface 31 lies precisely in the plane ⁇ 111 ⁇ .
  • facets are obtained by cutting and/or polishing one of the upper and/or lower faces 11 or 12, so as to control the direction in which light passes through the part 3 and the reflections or iridescence produced on the different faces.
  • the part remains essentially flat, however; in a preferred embodiment, the ratio between the thickness and the shortest length is greater than 10, advantageously greater than 50, for example greater than 100.
  • the laser cutting process in a plate 2 of part 3 has the disadvantage of producing lateral flanks 13 that are not perpendicular to the faces 11, 12, as shown in an exaggerated manner on the figure 3A Since diamond is more or less transparent, the cut is actually achieved by the plasma produced by the interaction between laser light and air. This results in non-perpendicular and slightly uneven flanks.
  • This surface quality is generally not a problem for parts 3 or portions of parts 3 that are not intended to come into contact with other parts. In some cases, however, these irregular surfaces are undesirable, either for aesthetic reasons or because it is necessary to precisely control the shape of the part and the amount of material, for example, in the case of a balance spring.
  • the part 3 is an anchor pallet, a portion of an anchor forming a pallet, or a tooth of an anchor wheel or other wheel.
  • an optional operation to grind the flanks 13, or at least a portion of these flanks can be carried out using a laser or a grinding wheel in order to obtain smoother flanks 14 that are perpendicular to the surfaces 11, 12, as illustrated in the figure 3B
  • at least the active surface 31 can be ground to the depth of the mark 33 using a grinding wheel coated with polycrystalline diamond powder.
  • the portion of each tooth intended to contact the pallet can be polished or ground using a laser beam.
  • this grinding is preferably carried out by orienting the grinding wheel relative to the part so as to grind in a direction substantially parallel to the tangent of the part, thus creating micro-grooves parallel to the direction of friction of the part during its use.
  • the surfaces of the resulting part 3 are preferably uncoated; single-crystal diamond has a virtually ideal surface finish, both aesthetically and in terms of coefficient of friction and impact resistance, for example.
  • surfaces 11, 12, 13, or 14 may sometimes be covered with traces of graphite-enhanced carbon resulting from the destruction of the diamond structure during cutting or polishing operations.
  • the invention allows the part 3 to be subjected to heat treatment, for example, by leaving it for a few seconds or minutes in an oven between 600° and 750°C, preferably between 650° and 680°C, preferably at ambient temperature. This operation burns off the residual graphite on the surface without affecting the carbon in its diamond form, thus improving the surface finish of the part. It is also possible to use a lower temperature with a higher oxygen level, or to oxidize non-crystalline carbon without attacking diamond by using, for example, an oxygenated or fluorinated plasma.
  • This operation also allows the palette to be polished by burning the points on the surface.
  • the produced part can also be polished using an ion beam ("ion etching"), for example, an ion beam parallel to the surface to be polished.
  • ion etching is performed after heat treatment polishing.
  • the finished piece can also be polished using ultrasound. It can be cleaned with gasoline to improve the diamond's appearance.
  • a mechanical watch movement within the scope of the invention may comprise one or more components 3 made of single-crystal diamond.
  • the hardness of each component 3 can be chosen by selecting the type and color of diamond.
  • a component requiring maximum hardness could be made of synthetic diamond, such as boron-doped black synthetic diamond.
  • a component for which such high hardness is not desired could be made of transparent synthetic diamond, natural diamond, etc.
  • Different diamond components of different colors and types can be combined in a single movement. For example, it is advantageous to make a pallet fork or pallet fork from very hard single-crystal diamond and an escape wheel from slightly less hard single-crystal diamond to absorb shocks.

Landscapes

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  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Description

    Domaine technique
  • La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce mécanique pour mouvement de montre, par exemple une roue, un pignon, une roue d'ancre, une ancre d'échappement, un ressort-spiral, un pont, une platine, une bascule, un ressort-lame, ou un autre composant fonctionnel micro-mécanique dans l'organe réglant, dans le rouage ou dans une complication du mouvement. La présente invention concerne également une pièce en diamant fabriquée selon ce procédé.
    • 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.
  • On connait par ailleurs des pièces micromécaniques fabriquées 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.
  • DE102008029429A1 suggère de fabriquer des pièces micromécaniques horlogères en diamant ou en silicium recouvert d'une couche DLC.
  • 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.
  • 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 connait différentes méthodes de fabrication de diamant synthétique. US8088221B2 (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 .
  • DE102008029429 concerne des pièces horlogères, par exemple des pièces de l'organe oscillant, en diamant monocristallin ou polycristallin, qui peuvent être obtenues par découpage laser. Un revêtement est préconisé pour améliorer les propriétés tribologiques et la dureté.
  • WO99/22049 décrit différentes méthodes de polissage d'une surface en diamant obtenue par procédé CVD, tout comme US2003/205190 . Des méthodes de polissage d'une surface en diamant sont décrites également dans EP2511229 et WO01/75197 .
  • JP2006/273704A décrit un procédé de fabrication d'une poudre de polissage en nanodiamants. Ce procédé n'est pas destiné à la fabrication de pièce mécanique fonctionnelle pour mouvement de montre, et ne comporte pas d'étape de polissage.
    • Bref résumé de l'invention
  • Il existe un besoin, notamment dans l'horlogerie de moyen de gamme et de haut de gamme, pour des composants micro-mécaniques réalisés dans des matériaux offrant un meilleur 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.
  • Un but de la présente invention est donc de proposer un procédé de fabrication d'une pièce mécanique pour application horlogère qui offre un tel compromis entre ces différentes propriétés.
  • Selon l'invention, ces buts sont atteints notamment au moyen d'un procédé de fabrication d'une pièce mécanique fonctionnelle en diamant monocristallin, comprenant les étapes suivantes :
    • Découpe par laser de la pièce dans une plaque en diamant monocristallin ;
    • Polissage d'une surface de la pièce par oxydation sélective de carbone sous forme non diamantique en surface. Par pièce mécanique fonctionnelle, on entend dans la présente demande une pièce qui remplit une fonction mécanique, en sorte qu'il n'est pas possible de retirer cette pièce, sans affecter au moins une fonction du mouvement de montre. Une pièce purement décorative, ou un élément d'habillage horloger, n'est donc pas considérée comme une pièce mécanique fonctionnelle.
  • 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.
  • Les diamants polycristallins sont en outre 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.
  • 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.
  • Les diamants monocristallins peuvent être réalisés 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.
  • 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.
  • Des diamants synthétiques monocristallins peuvent par exemple être obtenus en faisant croitre du carbone par croissance CVD autour d'une amorce en diamant monocristallin. Il est important que l'amorce soit en diamant monocristallin pour que la structure qui se dépose soit elle-même 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.
  • L'invention part aussi de la constatation que le diamant monocristallin peut être découpé de manière précise au moyen d'un faisceau laser. Ce procédé de découpe a cependant l'inconvénient de libérer des atomes de carbone en surface, qui se déposent sur la surface du diamant cristallin sous forme de graphite ou sous une autre forme non diamantique (c'est-à-dire dans une organisation non cristalline, ou sous forme de cristal différent du diamant). Il en résulte une surface noire, peu esthétique, et un coefficient de frottement en surface qui est moins bon que celui du diamant poli.
  • Selon un aspect de l'invention, ces résidus de carbone non diamantique (par exemple de graphite) sont éliminés par oxydation, sans attaquer le carbone avec une structure diamantique.
  • L'oxydation est obtenue par traitement thermique à une température comprise entre 600°C et 750°C, de préférence comprise entre 650°C et 680°C.
  • L'oxydation peut aussi être obtenue grâce un traitement de surface par plasma d'oxygène ou de fluor.
  • Le procédé d'oxydation permet de polir la pièce en brûlant les impuretés, les pointes, les déchets de coupe, et le carbone sous forme de graphite en surface.
  • Le procédé peut comporter une étape supplémentaire de polissage d'une surface par faisceaux d'ions.
  • La pièce mécanique peut en outre comporter des surfaces latérales. Au moins une partie de ces surfaces mécaniques 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.
  • L'invention concerne aussi un procédé de fabrication d'une pièce mécanique fonctionnelle en diamant synthétique monocristallin, comprenant les étapes suivantes :
    • Mise à disposition d'une amorce de diamant monocristallin ;
    • Déposition de carbone par procédé CVD sur ladite amorce de diamant ;
    • Simultanément, introduction d'impuretés de dopage lors de la croissance du diamant.
  • L'invention part ainsi de la constatation que le dopage permet de contrôler différentes propriétés mécaniques et/ou optiques de la pièce, par exemple sa dureté, son module d'élasticité, la variation du module d'élasticité en fonction de la température, sa couleur etc.
  • Le diamant comporte de préférence au maximum 3% d'impuretés de dopage, sans affecter sa structure monocristalline. Ce seuil permet de modifier les propriétés mécaniques désirées du diamant sans pour autant affecter sa structure monocristalline.
  • 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 différent 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.
  • Au moins un dopage est avantageusement effectué dans la masse de la pièce, de manière homogène, de manière à affecter les propriétés mécaniques de l'ensemble de la pièce, en profondeur.
  • Ce dopage peut être effectué pratiquement sans coût additionnel lors de la croissance d'un diamant synthétique monocristallin.
  • Un dopage peut aussi être effectué en surface. Le dopage peut être différent en surface et en profondeur. La densité de dopage peut être différente en profondeur et en surface. Le produit dopant peut être différent en surface et en profondeur. Les impuretés peuvent être introduites différemment en surface et en profondeur.
  • Le diamant peut être un diamant noir dopé au bore.
  • Les impuretés peuvent être introduites dans le diamant lors de la croissance organique du diamant.
  • Dans un mode de réalisation, la pièce mécanique fabriquée en diamant monocristallin dopé peut être une pièce plate, par exemple une pièce utilisée dans l'organe réglant d'une montre mécanique, par exemple une ancre ou une roue d'ancre.
  • La pièce mécanique peut être une pièce plate réalisée par découpe à partir d'une plaque plate. La découpe est effectuée par laser.
  • La pièce mécanique peut être une pièce à plusieurs niveaux plats obtenus par attaque thermochimique à partir d'une pièce plate à un seul niveau.
  • La pièce mécanique plate peut être un ressort spiral pour l'organe réglant d'une montre mécanique. La rigidité élevée du diamant monocristallin permet d'obtenir des fréquences d'oscillation élevées avec des spiraux de petit diamètre.
  • La pièce mécanique peut être un ressort, par exemple un ressort de bascule, un ressort plat, etc.
  • La pièce mécanique peut aussi être une palette destinée à équiper une ancre d'échappement dans un autre matériau, par exemple une ancre en acier.
  • La pièce mécanique peut aussi être un pont, une platine, etc.
  • La pièce mécanique en diamant monocristallin peut être rigide, par exemple dans le cas d'un pont, d'une platine, d'une bascule, d'une palette, d'une ancre, d'une roue etc.
  • La pièce mécanique en diamant monocristallin peut être flexible, par exemple dans le cas d'un spiral, d'un ressort, d'une lame flexible, etc.
  • La pièce plate peut être réalisée par découpe d'une plaque (wafer) de diamant monocristallin dopé.
  • L'invention concerne aussi un mouvement d'horlogerie comportant au moins une pièce en diamant monocristallin dopé, par exemple une ancre, une palette d'ancre, une roue d'ancre ou un spiral en diamant monocristallin dopé.
  • Différentes 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.
  • De manière générale, le mouvement peut comporter plusieurs pièces en diamant monocristallin avec des dopages différents.
  • Le procédé peut comporter une étape supplémentaire de dopage superficiel par injection d'ions dopants en surface au moyen d'un faisceau d'ions.
  • Les impuretés peuvent comporter du bore qui permet d'augmenter la dureté sans affecter la structure cristalline du diamant.
    • Brève description des figures
  • Des exemples de mise en œuvre 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 pièce mécanique selon l'invention.
    • La figure 2 illustre un exemple de pièce mécanique 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 pièce selon l'invention.
    • Les figures 4A à 4C illustrent schématiquement un procédé de découpe en tranche de diamant.
    • La figure 5 illustre schématiquement la découpe d'une palette selon l'invention.
    Exemple(s) de mode de réalisation de l'invention
  • Les figures 1 à 3 illustrent schématiquement un procédé de fabrication d'une pièce mécanique fonctionnelle selon l'invention.
  • 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 d'une palette en diamant monocristallin 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 bucheron 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 d'un ressort spiral horloger, le plan de coupe est de préférence parallèle au plan {111} du diamant. 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}; bien que moins durs que le plan idéal {111}, ces plans sont moins sensibles aux déviations par rapport à la surface idéale. Dans le cas d'une plaque destinée à la fabrication d'un ressort spiral horloger, le plan de coupe est de préférence sensiblement parallèle au plan {001} ou {011} du diamant. 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 au plan {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, d'ancres, de roues, de spiraux, de ressorts ou de bascules par exemple.
  • 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 pièce 3 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. Dans l'exemple des figures 1E et 2, la pièce 3 ainsi découpée est une ancre d'échappement pour mouvement de montre. Il est aussi possible de réaliser d'autres pièces micromécaniques à l'aide du procédé décrit ci-dessus, par exemple une roue d'ancre ou un ressort spiral ou une autre roue. Plusieurs pièces différentes 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 risques 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.
  • Dans un mode de réalisation, des facettes sont obtenues par découpe et/ou polissage dans une des faces supérieure et/ou inférieure 11 ou 12, de manière à contrôler la direction dans laquelle la lumière traverse la pièce 3 et les reflets ou irisations produits sur les différentes faces. La pièce reste cependant essentiellement plane ; dans un mode de réalisation préférentiel, le rapport entre l'épaisseur et la plus petite longueur est supérieur à 10, avantageusement supérieur à 50, par exemple supérieur à 100.
  • Il est aussi possible de découper dans la pièce 3 un logo, une inscription ou un motif au moyen du laser. Cette découpe peut être traversante ou borgne ; elle permet par exemple d'offrir une protection contre la contrefaçon en rendant la copie extrêmement difficile.
  • 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 n'est généralement pas problématique pour des pièces 3 ou des portions de pièces 3 qui ne sont pas destinées à entrer en contact avec d'autres pièces. Dans certains cas, ces surfaces irrégulières sont cependant indésirables soit pour des raisons esthétiques, ou parce qu'il est nécessaire de contrôler avec précision la forme de la pièce et la quantité de matière, par exemple dans le cas d'un ressort-spiral. Dans le cas d'une pièce ou d'une portion de pièce destinée à entrer en contact avec d'autres composants du mouvement, il est donc souhaitable de contrôler le profil et l'état de surface des flancs 13. Ces exigences sont particulièrement importantes si la pièce 3 est une palette d'ancre, une portion d'ancre formant palette, ou une dent d'une roue d'ancre ou d'une autre roue.
  • Dans un tel cas, une opération optionnelle de rectification des flancs 13, ou d'au moins une portion de ces flancs, peut être effectuée au moyen d'un laser ou 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 active 31 peut être meulée jusqu'à la profondeur de la marque 33 au moyen d'une meule recouverte de poudre de diamant polycristallin. Dans le cas d'une roue d'ancre, la portion de chaque dent destinée à être mise en contact avec la palette peut être polie ou rectifiée au moyen d'un faisceau laser. Dans le cas d'une pièce tournante, par exemple d'une roue ou d'une palette, ce meulage est de préférence effectué en orientant la meule par rapport à la pièce de manière à meuler selon une direction sensiblement parallèle à la tangente de la pièce, de manière à créer des micro-rainures parallèles à la direction de frottement de la pièce lors de son usage.
  • Les surfaces de la pièce 3 ainsi obtenue ne sont de préférence pas revêtues ; 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. 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 3 en diamant monocristallin. Il est possible de choisir la dureté de chaque pièce 3 en sélectionnant le type et le couleur de diamant. Par exemple, une pièce pour laquelle une dureté maximale est requise pourra être réalisée en diamant synthétique, par exemple en diamant synthétique noir dopé au bore. Une pièce pour laquelle une dureté aussi importante n'est pas souhaitée pourra être réalisée en diamant synthétique transparent, en diamant naturel, etc. Différentes pièces en diamant de différentes couleurs et de différents types peuvent être combinées dans un seul mouvement. Il est par exemple avantageux de réaliser une palette ou une ancre en diamant monocristallin très dur, et une roue d'ancre en diamant monocristallin légèrement moins dure afin d'amortir les chocs.
    • Numéros de référence employés sur les figures
    • 1
    Diamant monocristallin
    10
    Face coupée non polie
    11
    Face coupée polie
    12
    Face opposée non polie
    13
    Face latérale non rectifiée
    14
    Face latérale rectifiée
    2
    Plaque de diamant découpée
    3
    Pièce mécanique fonctionnelle

Claims (12)

  1. Procédé de fabrication d'une pièce mécanique (3) fonctionnelle pour mouvement de montre comprenant l'étape de : Découper par laser la pièce (3) dans une plaque en diamant monocristallin, ledit procédé comportant en outre une étape de polissage d'une surface de la pièce par oxydation sélective de carbone sous forme non diamantique en surface, par traitement thermique à une température comprise entre 600°C et 750°C.
  2. Le procédé de la revendication 1, ladite oxydation étant obtenue par traitement thermique à une température comprise entre 650°C et 680°C.
  3. Le procédé de l'une des revendications 1 à 2, ladite plaque étant une plaque de diamant synthétique obtenue par le procédé suivant :
    Mise à disposition d'une amorce de diamant monocristallin ;
    Déposition de carbone par procédé CVD sur ladite amorce de diamant ;
    Simultanément, introduction d'impuretés de dopage lors de la croissance du diamant.
  4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, comportant une étape de dopage superficiel par injection d'ions dopants en surface au moyen d'un faisceau d'ions.
  5. Procédé selon l'une des revendications 3 à 4, le dopage comportant du bore.
  6. Procédé selon l'une des revendications 3 à 5, le dopage comportant de l'azote.
  7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, comportant une étape de polissage d'une surface par faisceaux d'ions.
  8. Procédé de fabrication d'une pièce mécanique selon l'une des revendications 1 à 7, le diamant étant dopé de manière homogène dans la masse de la pièce.
  9. Procédé de fabrication d'une pièce mécanique selon l'une des revendications 1 à 8, le diamant étant dopé de manière différente en surface que dans la profondeur de la pièce.
  10. Procédé de fabrication d'une pièce selon l'une des revendications 1 à l'épaisseur de la pièce (2) étant comprise entre 20 et 400 microns.
  11. Procédé de fabrication d'une pièce selon l'une des revendications 1 à 7, ladite pièce étant constituée par un ressort ou une bascule.
  12. Procédé de fabrication d'un mouvement d'horlogerie comportant au moins une pièce mécanique (3) fonctionnelle fabriquée selon le procédé de l'une des revendications 1 à 11.
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