宝石、特别是刻面钻石以及将其安装在基座上的方法

摘要

本发明涉及一种宝石(10)，其具有冠部(12)、亭部(13)和在所述冠部(12)和所述亭部(13)之间的被称为腰围部(14)的中间部。其具有设计为允许将其固定至所述基座的金属固定元件(20)，所述金属固定元件(20)包含位于所述亭部(13)上的连接区(21)。连接区(21)位于所述亭部(13)的宽度有限的外围扇区(131)的一部分或全部上，其中，冠部(12)上的入射线(R3)经空气/宝石界面进入宝石(10)，在亭部(13)的低于所述连接区(21)的点处被第一亭部/空气界面反射，或者在具有所述连接区(21)的外围扇区(131)中被所述宝石(10)的所述第一亭部/空气界面全反射。

说明书

技术领域

本发明涉及一种由天然或合成材料制成的宝石，特别涉及一种刻面钻石，所述宝石包含称为冠部(crown)的可见额部和在将宝石安装在基座上时至少部分隐藏的背部，所述背部称为亭部(pavilion)，并且通过在所述冠部和所述亭部之间的称为腰围部(girdle)的中间部而与冠部分隔开，所述宝石包含使其能够固定在所述基座上的固定元件，所述固定元件包含位于所述亭部上的金属连接区。

还涉及一种将上述定义的宝石安装在基座上的方法，所述宝石包含设置成使其能够固定在基座上的固定元件，所述固定元件包含位于所述亭部上的金属连接区。

背景技术

宝石，特别是钻石，被设计成固定在基座或支架上，以便例如形成珠宝或钟表。根据一种已知的实施方式，通过在宝石的部分外周表面上沉积金属涂层来完成宝石在基座上的固定，所述金属涂层使得可以通过焊接、铆接或类似方法将宝石紧密地固定至基座。

作为实例，公报FR 2,042,156A描述了一种宝石，在其亭部上沉积了金属层。该金属层使得可以将宝石焊接在基座上。然而，这种布置具有不美观的缺点，因为这个金属化层是可见的，这是因为以下事实：由位于宝石的金属化区域内的出口界面反射的某些入射线会通过全反射被宝石返回，并返回金属化层的图像。

公报JP 09173115A描述了一种用于将诸如钻石等宝石固定在基座上的技术，其中第一层，例如含有钛(Ti)、铜(Cu)、银(Ag)和/或锆(Zr)的合金，沉积在钻石上，而第二金属层沉积在基座上，例如金(Au)合金。接下来将两个金属层焊接在一起以将钻石牢固地固定在基座上。金属层沉积在钻石的亭部上，更具体而言，在钻石的亭部的中间以及比亭部的总表面小的表面上。由于与上述相同的原因，这种技术具有美观上的缺点，当在宝石中在金属化区域反射的入射线通过宝石的冠部离开时，金属层是可见的。

公报WO 00/57743 A2涉及一种能够将珍贵宝石卷固(crimp)在中空珠宝饰品中的系统。该系统包括用于在珍贵宝石表面创建金属固定区的装置和用于将该金属固定区固定在中空珠宝饰品的外壳上的连接装置。为了创建金属固定区，珍贵宝石的表面的圆周部分被金属化，并且在珍贵宝石的表面的金属化的圆周部分上通过电解沉积金属层。该固定带形成在宝石内中空的凹槽中，并且至少部分地侵入宝石的额部(即冠部)上。

公报WO2014/030068 A2涉及一种包括珍贵宝石、安装表面和钎焊接头的支架。钎焊接头由反应性金属合金形成，该合金允许宝贵宝石表面上的某些点直接粘附至安装表面。然而，该公报中描述的固定技术的风险在于没有提供对宝石的足够可靠或有效的维护，并且所描述的钎焊方法需要高温(通常超过800℃)，其消耗相当大的能量并可能潜在地损坏基座的用于顶级宝石的精细安装表面。

将宝石固定在基座上引起的问题包括：确保在无需高加工温度进行固定的情况下对宝石的有效且可靠的维护，并且实际上不可见地进行此固定，以免破坏宝石的光泽。已知技术没有对这些问题提供令人满意的解决方案。

发明内容

本发明旨在通过提出一种被设置为能够不可见地固定在其基座上的宝石和一种将宝石固定在其基座上的方法来克服上述缺点，所获得固定是有效的、可靠的、耐久的和不可见的。

为此，本发明涉及在前文中定义的宝石，其特征在于，所述连接区位于所述亭部的宽度有限的外围扇区的一部分或全部上，其中，冠部上的经由空气/宝石界面透入宝石的入射线在所述亭部的低于所述连接区的点上被第一亭部/空气界面反射，或者在包含所述连接区的所述外围扇区中被所述宝石的所述第一亭部/空气界面全反射，并且通过所述宝石的至少一个第二亭部/空气界面在所述亭部的后面折射到宝石外。

根据一个优选的实施方式，所述外围扇区位于所述亭部上并靠近所述腰围部。所述外围扇区可优选地包含所谓的不可见区，在该不可见区中，不存在被第一亭部/空气界面反射的在空气/冠部界面处折射的入射线。所述外围扇区可有利地包含围绕所述亭部延伸360°的带。所述带优选覆盖约至少对应于所述亭部的表面的约20％～35％的区域。

特别有利地，金属固定元件可包含以夹层方式沉积的多个金属层。所述多个金属层优选包含与宝石形成碳化物层的内层。根据一个有利的实施方式，所述内层包含钛、钽、铪或铌。

所述多个金属层还优选地包含外层，所述外层包含与用来接收宝石的基座相同的材料。优选地，所述外层和所述基座包含金。根据另一个实施方式，所述多个金属层包含在所述内层和所述外层之间形成扩散屏障的中间层。所述中间层可包含铂。有利地，金属固定元件利用PVD方法沉积。

同样为此目的，本发明涉及前文所定义的固定方法，其特征在于，将所述连接区沉积在所述亭部的宽度有限的外围扇区的一部分或全部上，其中，冠部上的经由空气/宝石界面透入宝石的入射线在所述亭部的低于所述连接区的点上被第一亭部/空气界面反射，或者在包含所述连接区的外围扇区中被所述宝石的所述第一亭部/空气界面全反射，并且通过所述宝石的至少一个第二亭部/空气界面在所述亭部的后面折射到宝石外。

在该方法的情况中，有利的是，所述外围扇区被限定在所述亭部并靠近所述腰围部。有利地，将带沉积在所述外围扇区中，其覆盖对应于所述亭部的表面的至少约20％～35％的区域。所述带有利地覆盖对应于所述亭部的表面的至少约20％～35％的区域。

在该方法的情况中，可以以夹层方式沉积多个金属层从而形成金属固定元件。还可以沉积与宝石形成碳化物层的内层，该内层包含钛、钽、铪或铌。还可以在固定宝石之前沉积外层，所述外层包含与用来接收所述宝石的基座相同的材料。

附图说明

参照附图，本发明及其优点将更好地呈现在作为非限制性实例提供的一个实施方式的以下描述中，其中：

图1是宝石的轴向截面图，示意性地图示了透入所述宝石的冠部并在第一和第二亭部/空气界面上被全反射后由冠部返回的光线的轨迹，

图2是宝石的轴向截面图，示意性地图示了透入宝石的冠部的光线的轨迹，所述宝石在亭部的有限扇区上设置有连接区，

图3是宝石的轴向截面图，示意性地图示了透入宝石的冠部的光线的轨迹，所述宝石在不可见区中设置有连接区，

图4是设置有所述连接区的本发明的宝石的侧视图，

图5是设置有所述连接区的本发明的宝石的仰视图。

具体实施方式

本发明涉及一种宝石，在下文中将称其为“宝石”10。本发明的宝石10可以是天然的或合成的，并且可以特别地由刻面钻石构成，但也可以由绿宝石、蓝宝石、红宝石或其他类型的石构成。在图示的实例中，宝石10是具有多个切割的刻面11的圆钻。该示例性实施方式当然不是限制性的，且本发明涉及宝石的各种形状。

参照附图，示出的宝石10包括通常称为冠部12的额部，其在宝石10被固定在基座(未示出)时是可见的。其通常被切割以具有多个刻面11。在冠部12的后面，宝石10包括通常称为亭部13的背部，其通过通常称为腰围部14的中间部相对于冠部12被限定。亭部13一般以点切割，并且也可以具有多个刻面11。通常，当将宝石安装在其基座上时，亭部13至少部分隐藏。实际上，亭部13通常用于允许将宝石10固定在基座上，使得仅冠部12可见，同时确保宝石10的固定尽可能不可见。珠宝商寻求的一个目标是隐藏宝石10的固定方式，同时确保宝石10被可靠地固定且伴随最佳的光泽或耀度而无论是何种应用，从而与基座的类型(其可例如由钟表或珠宝构成)无关。

特别如图1所示，根据宝石10的刻面11的尺寸，穿过冠部12透入宝石10的入射光线R1、R2可以在亭部13中的宝石/空气界面上经历一次或几次全反射，使得入射光通过冠部12的宝石/空气界面返回，并赋予宝石10光泽和期望的美感。作为参考，在点A1处沿着角度i₁(相对于光线R1的入射点A1处的法线H_A1)入射到宝石10的冠部12的刻面11的光线R1透入宝石10，并在冠部12的空气/宝石界面处经历折射现象。根据Snell-Descartes定律，将空气的折射率n₁和宝石10的折射率n₂与入射角i₁和折射角i₂相关联的关系写为：

n₁sin(i₁)＝n₂sin(i₂)

折射光线R'1相对于法线H_A1偏离角度i₂，该角度i₂小于入射线R1的入射角度i₁，因为空气的折射率n₁低于宝石10的折射率n₂。该折射光线R'1在宝石10内传播并射至亭部13的壁，更具体而言在点B1处射至第一亭部/空气界面，在此其经历全反射。实际上，折射光线R'1在点B1处相对于法线H_B1形成角度i_r，其大于极限角度i_l，超过该极限角度则发生全反射，其遵守以下定律：

I_l＝arcsin(n₁/n₂)。

例如，对于折射率n₂＝2.42的钻石宝石10和空气折射率n₁等于1的情况，极限角度i_l基本上等于24°。接下来，反射的光线R'1在点B1处沿着角度i_r被传送到第二亭部/空气界面的点C1上，其在此处经历新的全反射，然后返回第三冠部/空气界面的点D1处。其在点D1处经历折射使得出射角i₄大于入射角i₃。应注意到，冠部12的点A1处的入射光以光线R”1的形式返回冠部12的点D1，使得在满足上述条件时，宝石10发出其全部的光辉。

第二入射光束R2在图1中示出。光束R2以与冠部12的中心范围121基本垂直的方式穿入，同时以直线传播而没有在入射点A2处经历任何折射。其透入宝石10并到达第一亭部/空气界面，其在此于点B2处经历第一次全反射，然后在第二亭部/空气界面的点C2处经历第二次全反射。光以与冠部12的中心范围121基本垂直的方式离开，而不经历任何折射。如前所述，入射光在遵循宝石10内的或多或少复杂的光路之后返回。

在前述条件下，并假设为了设置用于将宝石10固定在基座上的固定元件而将亭部13的表面金属化或用不透明涂层部分或全部覆盖，已穿过宝石10并已被设置有所述不透明涂层的表面反射的光的至少一部分会将该不透明涂层的图像送回，并破坏宝石10的期望光辉，这是正在寻求避免的。

为此，如由图2～4所示的本发明的宝石10设置有金属固定元件20以允许将其固定在基座(未示出)上。在该实施方式中，这些金属固定元件20包含位于亭部13的部分或全部有限外围扇区131上的连接区21。金属固定元件20不修改光线的正常行进路线，但位于外围扇区131中以使得它们不可见。实际上，亭部13的外围扇区131具有特定的光学性质，这将在说明书的剩余部分进行说明。如图5所示，连接区21可担当完全围绕(即，覆盖360°)亭部而延伸的金属带22的形式。带22可以直接位于腰围部14的下方。金属带22可通过金属涂层或金属层形成，其相对于亭部13的高度具有有限的宽度，并至少部分地在亭部13的外围扇区131上延伸。由此，外围扇区131根据基座可部分或完全金属化。优选地，外围扇区131包含金属带22，其覆盖对应于亭部13的表面的20％～35％的区域。

作为实例，如图2所示，入射线R3在靠近腰围部14的射入点A3处被送到宝石10的冠部12的一个刻面11上。应注意到，光线R3被送到与腰围部14相邻的刻面11上。其以折射光线R'3的形式透入冠部12，同时靠近刻面11的在点A3处的法线H_A3，并且在沉积有金属带22的外围扇区131中落在亭部13的第一亭部/空气界面上。射线R'3在B3点处经历全反射。由于该全反射，其以小于极限角度i_l的角度返回亭部13的对侧刻面11的第二亭部/空气界面上的点C3处，低于该极限角度的入射线不再经历全反射，但会被折射。对于在外围扇区131反射的光线正是如此，其在离开宝石10时被亭部13的第二亭部/空气界面折射。因此，亭部13的外围扇区131具有在允许第二亭部/空气界面上的第二次全反射的条件下不使光返回的特性。由此，位于该外围扇区131中的金属化或不透明金属带22的图像在宝石10的前方是不可见的，即观察者将不会看到宝石10的连接区21，因为在观察冠部12时，充当固定元件20的金属带22将不可见。

图2所示的第二光线R4在冠部12上的射入点A4处发生折射，在以光线R'4的形式透入宝石10的同时发生折射，R'4在第一亭部/空气界面上的位于金属带22下方的点B4处被反射。在其全反射之后，其入射到第一亭部/空气界面对侧的第二亭部/空气界面的点C4处，并在此点C4处经历第二次全反射。接下来其被反射射向冠部12，其在点D4处横穿过冠部12并同时经历折射。针对其光学轨迹，光线R4与图1的光线R1和R2再度汇合，并使入射光返回，同时有助于赋予宝石10光泽。该光线R4没有在外围扇区131中被反射，其可被观察者看到。

如图3所示，外围扇区131还包含所谓的不可见区ZI，其中，在空气/冠部界面处折射的入射线R3仅可被所述不可见区ZI之外的第一亭部/空气界面反射。换言之，没有光线在该不可见区中反射。该不可见区ZI位于腰围部下方，并且其高度取决于腰围部的高度，其通常为宝石直径的2％～6％。例如，当宝石10的直径为2mm时，该情况下的不可见区的宽度可为0.25mm。如果提供一个足够窄以使其位于该不可见区ZI内的金属带22，则空气/冠部界面处的任何入射线都将在带22之外的第一亭部/空气界面处被反射。由此，金属带22将不可见，因为没有光线能够到达不可见区。在此情况下，包含带22的连接区21不会完全覆盖外围扇区131。

由此，外围扇区131的特定光学性质使得可以将连接区21沉积在部分或全部该外围扇区131上，由此使其对于经冠部12观看宝石10的观察者而言是不可见的。在刻面的圆钻中已观察到外围扇区131直接位于腰围部14的下方，并且在比亭部13的总面积小的表面上延伸。

根据本发明的一个实施方式，使用PVD(物理气相沉积)法将金属固定元件20沉积在宝石的表面上。使用PVD使得可以以受控和精确的方式在宝石表面上形成连接区21。在PVD沉积步骤之前可以进行清洁宝石表面的步骤，以及可选的沉积粘附层的步骤。优选地，PVD沉积步骤在含有惰性气体(例如氩气)的室中在10^-4mbar～10^-2mbar的压力下进行。

在一个实施方式中，金属固定元件20包含以夹层方式沉积在宝石表面上的多个金属层。根据一种特定的替代性方案，首先在宝石上沉积钛(或钛基合金)的内金属层，然后是由铂(或铂基合金)制成的中间层，然后是金(或金基合金)的外层。此处，钛层的厚度优选为40nm～500nm，起着粘附的作用，钛与宝石形成碳化物层。可替代性地使用能够与宝石形成碳化物层的其它材料(例如钽、铪或铌)代替钛作为内层。如下面描述的，金外层的厚度优选为100nm～2000nm，其允许通过焊接或通过热压而固定至金基座。当然，如果用来接收宝石的基座由另一种材料制成，则可相应地调整外层的材料。铂层的厚度优选为60nm～500nm，其在钛层和金层之间形成扩散屏障，但也可使用其它材料作为中间层。除了已提及的那些层之外的其它层也可存在于固定元件20中。

如上面详细说明的，在宝石表面上形成金属固定元件20之后，可以进行化学清洁步骤以消除存在于不需要的位置的任何金属材料，以确保连接区21正确定位并且不可辨别。

在金属化之后，可以使用不同的技术将包含金属固定元件20的宝石固定至相应的基座，但优选通过热压或焊接来固定。在热压的情况下，且优选也在焊接的情况下，还通过PVD方法将金属层形成在用来接收宝石的基座的部分表面上(特别是在金属固定元件20中)。特别地，对于金基座，沉积在基座上的金属层也优选由金制成。在基座上沉积金属层之前，还可进行所讨论的清洁基座表面的步骤。

根据一个替代性方案，通过热压将宝石固定至基座，并将包含金外层的金属固定元件20按压在沉积在基座上的金层上。在一个实例中，在此步骤中使用压缩机，其以2kg/mm²～20kg/mm²的力在100℃～600℃(或更优选200℃～450℃)的温度下操作，并持续20秒～60分钟。

根据另一个替代性方案，用焊接机以5g/mm²～50g/mm²的力在280℃～350℃的温度下持续操作1秒～5分钟来将宝石固定至基座。如上所述，在此情况下，使用材料适当且具有适当形状的预制品(例如，由金-锡制成的锥形环)，并且基座优选地具有预先沉积在其表面上的金层。可在焊接之后进行化学清洁步骤以消除任何残留的碎屑。

工业应用的可行性

本说明书清楚地显示出：金属带22是不可辨别的，因为其存在于刚好在腰围部下方的不可见区ZI中；或者，在金属带22所在的第一亭部/空气界面处，被外围扇区131反射的所有入射线R3都以小于全反射极限角度i_l的角度被返回到第二亭部/空气界面上，使得其在宝石10的亭部13后面折射和疏散且不可见。本发明能够实现所需目的，即，当将宝石10的连接区21固定到其基座时，连接区21不可见。

使用PVD方法将金属固定元件20沉积在亭部上使得可以形成具有受控的尺寸和精确的位置的金属连接区21。优选地，此连接区21如金属带22一样在亭部周围延伸360°，这允许可靠且稳固地固定至基座，即使在宝石较小且带22的宽度相对较薄时也是如此。此外，在温度不超过600℃、更优选不超过450℃的条件下，包含金属固定元件20的宝石可有利地固定至基座。

本发明不限于所描述的示例性实施方式，而是扩展至本领域技术人员显而易见的任何修改和替代方式。