功能性微機械組件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種功能性微機械組件(100)，其包括至少第一構(gòu)件(10)，第一構(gòu)件具有限定出第一接觸表面的第一層，該第一接觸表面用于與由第二層限定出的第二接觸表面摩擦接觸，所述第二層屬于所述第一構(gòu)件(10)，或者至少屬于與所述第一構(gòu)件(10)一起形成所述組件(100)的第二微機械構(gòu)件(20)，其特征在于，所述第一和第二層均含有至少50％碳原子的碳，所述層的所述第一和第二接觸表面的表層晶面的取向彼此不同。
【專利說明】功能性微機械組件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種功能性微機械組件，其包括第一構(gòu)件，該第一構(gòu)件具有限定出第一接觸表面的第一層，該第一接觸表面用于與由第二層限定出的第二接觸表面摩擦接觸，所述第二層屬于所述第一構(gòu)件，或者至少屬于與所述第一構(gòu)件一起形成所述組件的第二微機械構(gòu)件。本發(fā)明更具體地涉及彼此機械地配合作用的一對微機械鐘表構(gòu)件，諸如擒縱輪和擒縱叉瓦。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來的具有金剛石-涂覆的硅擒縱機構(gòu)(擒縱叉瓦和擒縱輪)并且不具有對擒縱叉瓦/擒縱輪接觸的有意液體潤滑的機械鐘表機芯結(jié)構(gòu)未以令人滿意的方式運行。實際上，這種無潤滑類型的擒縱機構(gòu)的調(diào)節(jié)功率劣于具有常規(guī)潤滑的擒縱機構(gòu)裝置的調(diào)節(jié)功率。 申請人:在一些情況下觀察到無潤滑的擒縱機構(gòu)隨著擒縱機構(gòu)涂覆層的摩擦學(xué)性能的不可逆轉(zhuǎn)的損耗(劣化)在幾小時后停止運轉(zhuǎn)。
[0003]對于無潤滑的金剛石-涂覆的擒縱機構(gòu)唯一明顯有效的方法在于在將其組裝到鐘表機芯內(nèi)之前對金剛石摩擦表面進行預(yù)-研磨。然而，這是費力的并且與對以可接受的成本價格進行工業(yè)生產(chǎn)的要求不相容。
[0004]在微機械應(yīng)用中，實際上所使用的大部分金剛石層都是納米晶體(晶粒尺寸<50nm, Ra〈50nm)，這是因為該領(lǐng)域技術(shù)人員直覺上認(rèn)為越平滑的表面會越好地滑動過彼此。
[0005]本發(fā)明的主要目的是尤其在鐘表應(yīng)用中提供一種允許微機械構(gòu)件在沒有潤滑的情況下以可靠持久的方式相互摩擦的摩擦學(xué)解決方案，所述解決方案至少克服了前面提到的現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。
[0006]本發(fā)明的另一目的在于提供一種尤其用于鐘表的功能性微機械組件，該功能性微機械組件包括具有不要求諸如研磨的后處理步驟的摩擦學(xué)特征的改進的運動元件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]因此，本發(fā)明涉及一種功能性微機械組件，其包括限定出第一接觸表面的第一構(gòu)件，該第一接觸表面用于與由第二層限定出的第二接觸表面摩擦接觸，所述第二層屬于所述第一構(gòu)件，或者至少屬于與所述第一構(gòu)件一起形成所述組件的第二微機械構(gòu)件，所述組件的特征在于第一和第二層均由具有至少50%碳原子的碳形成，所述層至少在第一和第二接觸表面上具有彼此不同的表層晶面取向。
[0008]諸如鐘表機芯的擒縱叉瓦/擒縱輪的一對微機械構(gòu)件因為這種設(shè)置而可以在沒有潤滑的情況下運行。 申請人:觀察到本申請的這種類型的功能性組件的摩擦學(xué)性能和現(xiàn)有技術(shù)中的具有液體潤滑的擒縱機構(gòu)的摩擦學(xué)性能一樣好或者更好。
[0009]以這種構(gòu)型設(shè)置的所述微機械構(gòu)件的第一和第二層具有更大的耐磨性。此外，由所述層的兩個接觸表面之間的摩擦引起的能量損失顯著降低了，因此與具有相同結(jié)構(gòu)的一對對置摩擦面相比而言，本發(fā)明的功能性微機械組件具有改進的摩擦學(xué)特征。通過本發(fā)明的設(shè)置消除了在具有相同結(jié)構(gòu)的表面相互摩擦?xí)r發(fā)生的互鎖。根據(jù)本發(fā)明的有利實施例，至少所述第一層至少在其接觸表面上具有微晶結(jié)構(gòu)，優(yōu)選地所述第一和第二層各自在其接觸表面上具有微晶結(jié)構(gòu)。典型地，所述第一層和/或第二層各自至少在其接觸表面上的晶粒尺寸大于200nm且小于10微米。
[0010]根據(jù)該實施例的優(yōu)選變型，所述第一層和/或第二層的至少在其相應(yīng)的接觸表面上的晶面各自具有在預(yù)定方向上的不同的晶向，例如包括晶向族〈100〉的晶向[100]或者晶向族〈111〉的晶向[111]。
[0011]優(yōu)選地，所述第一層的至少在第一接觸表面上的晶面族{100}中的一個晶面將與所述第二層的至少在第二接觸表面上的晶面族{111}中的一個晶面關(guān)聯(lián)。
[0012]根據(jù)有利特征，由垂直于所述層的至少在它們各自的接觸表面上的晶面族{100}的晶面(100)和晶面族{111}的晶面(111)的法線確定的平均角度包含在在10°到70°之間，優(yōu)選在40°和50°之間，更優(yōu)選地是45°。
[0013]根據(jù)有利實施例，第一構(gòu)件由整塊單晶或多晶金剛石制成。
[0014]優(yōu)選地，第一接觸表面和第二接觸表面中的一個的平均粗糙度(Rms)包含在80nm和3微米之間。第一接觸表面和第二接觸表面中的另一個的平均粗糙度較低并且優(yōu)選至少低一倍半(1.5倍)，典型地在50nm和2微米之間。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的變型實施例，限定出所述第一接觸表面和/或所述第二接觸表面的第一摩擦層和/或第二摩擦層覆蓋第一襯底和/或第二襯底，用以形成所述第一構(gòu)件和/或所述第二構(gòu)件。典型地，第一襯底和/或第二襯底可以由硅或者鋼或陶瓷制成，具有或者不具有鉻、鈦、鎳等的中間層。在硅襯底的情況中，硅可以是氮化硅、碳化硅、氧化硅或者粗硅。
[0016]根據(jù)另一變型，第一構(gòu)件和/或第二構(gòu)件由整塊單晶或者多晶金剛石制成，從而直接限定出第一接觸表面和/或第二接觸表面。無論所述第一層和/或第二層是沉積在襯底上還是整塊(massive)的，這些層的厚度至少大于150nm。對于整塊的構(gòu)件，第一層的厚度可以高達(dá)1_。對于具有襯底的構(gòu)件，第一沉積層和/或第二沉積層的厚度可以高達(dá)50微米。
[0017]本發(fā)明的功能性微機械組件在鐘表制造業(yè)領(lǐng)域中獲得了有利的應(yīng)用。具體地，第一構(gòu)件可以是擒縱叉瓦，并且第二構(gòu)件可以是擒縱輪，或者相反。在另一鐘表應(yīng)用中，第一構(gòu)件可以是輪副心軸，并且第二構(gòu)件可以是軸承，或者相反。根據(jù)這個領(lǐng)域中的另一應(yīng)用，第一和第二構(gòu)件可以是齒輪齒圈。在這種類型的一對元件中，構(gòu)件的處于摩擦接觸中的接觸表面不經(jīng)歷其摩擦學(xué)性能的不可逆的損耗(劣化)并且表現(xiàn)出很好的穩(wěn)定性。對于諸如瑞士杠桿式擒縱機構(gòu)的運動鐘表系統(tǒng)而言，可以在沒有對擒縱叉瓦/擒縱輪接觸(面)進行潤滑的情況下運行并提供與標(biāo)準(zhǔn)參考至少等同的性能。本發(fā)明的摩擦層(該摩擦層可以是整塊的或者在襯底上)、尤其是金剛石層是直接有效的，不需要改變摩擦表面的性質(zhì)所需的后處理(例如，通過研磨、表面處理/修整等)。根據(jù)本發(fā)明在涉及僅一個構(gòu)件的鐘表應(yīng)用中，該構(gòu)件可以是由條狀件形成的主發(fā)條，所述條狀件的正面形成所述第一接觸表面，所述條狀件的背面形成所述第二接觸表面。當(dāng)然，在本發(fā)明的功能性微機械組件的特定應(yīng)用中，構(gòu)件可以與兩個或更多個其它構(gòu)件摩擦接觸。這種情況下，根據(jù)本發(fā)明，構(gòu)件的相互接觸的摩擦表面具有彼此不同的晶面取向。
[0018]有利地利用熱絲CVD (熱絲化學(xué)氣相沉積)技術(shù)或者微波技術(shù)來形成本發(fā)明的層。金剛石也可以是整塊的，可以由或者可以不由生長得到。通過改變沉積室中的反應(yīng)氣體的比例和壓力及溫度參數(shù)來獲得期望的晶面取向(例如(100)和(111))，這已經(jīng)在例如以下出版物中公開:由Y.Avigal等發(fā)表的題為“ [100]-Textured diamond films fortribological applications”的出版物，該出版物由Elsevier出版在1997年的《Diamondand Related Materials》第6卷、第381-385頁、特別是部分3.1中;*Qiin Chen等發(fā)表的題為“Oriented and textured growth of (111) diamond on silicon using hot filamentchemical vapour deposition”的出版物，該出版物由Elsevier出版在1996年的《ThinSolid Fims))第 274 卷、第 160-14 頁中；以及由 M.Grujjicic 和 S..Lai 在《Jurnal ofMaterials Synthesis and Processing》第2，200卷、第73-85頁中發(fā)表的出版物。以引用方式將這些文獻納入本文。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]根據(jù)本發(fā)明的功能性微機械組件的其它特征和優(yōu)點也將會從以下對該組件的實施例的詳細(xì)描述中顯而易見，參考以非限制性示例的方式給出的附圖完成本說明書，其中:
[0020]-圖1是形成根據(jù)本發(fā)明的功能性微機械組件的兩個微機械構(gòu)件的兩個接觸表面的示例的示意性放大圖，所述兩個接觸面分別具有晶面取向(111)和(100)。
[0021]-圖2是圖1中的微機械組件中的一個微機械構(gòu)件的接觸表面的示意性放大圖，該接觸表面具有在晶向[100]上的取向，并且該圖示出每個晶面(100)的傾斜角。
[0022]-圖3是根據(jù)本發(fā)明的擒縱叉瓦和擒縱輪的部分側(cè)視圖，該擒縱叉瓦具有與擒縱輪的鎖面C和沖面D配合作用的鎖面A和沖面B，面A和B限定出第一接觸表面，面C和D限定出第二接觸表面。
[0023]-圖4是根據(jù)本發(fā)明的具有正面和背面的主發(fā)條條狀件的俯視圖，所述正面和背面分別限定出第一和第二接觸表面。
【具體實施方式】
[0024]圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一對微機械構(gòu)件10和20的示例性實施例。第一構(gòu)件10包括襯底15，該襯底上沉積有金剛石層11，該金剛石層具有用于與由第二層21限定的第二接觸表面21a摩擦接觸的接觸表面11a。層11在接觸表面Ila上具有按照預(yù)定方向、即晶向[111]取向的晶面。層11至少在接觸表面Ila上是微晶的，具有大于200nm的晶粒尺寸和大于80nm的粗糙度Rms。
[0025]微機械構(gòu)件20包括襯底25,該襯底上沉積有金剛石層21,該金剛石層具有與微機械構(gòu)件10的表面Ila相對的接觸表面21a。層11和21因此形成摩擦層。
[0026]層21至少在接觸表面21a上具有按照預(yù)定方向、即晶向[100]取向的晶面。實際上，由于針對獲得層21的傳統(tǒng)方法所不可避免的生長缺陷，所以這些晶面基本上相對于摩擦方向F傾斜。層21至少在接觸表面21a上是微晶的，并且具有大于200nm的晶粒尺寸。
[0027]因此，層11和21至少在用于相互摩擦接觸的接觸表面Ila和21a上具有不同的晶面取向，在這個例子中，這兩個取向是晶向[100]和[111]。參考圖1，知道還可以通過角度β來確定表面Ila和21a的晶面取向的差異，所述角度β是由垂直于接觸表面Ila和2Ia的法線Nll和Ν21形成的平均角度。β包含在10°和70°之間，優(yōu)選在40°和50°之間，更優(yōu)選地等于45°。角度與兩個接觸表面Ila和21a的晶體取向β的平均角度差相對應(yīng)。金剛石領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠容易地計算出所述角度，因為這在控制金剛石沉積方法中是重要的標(biāo)準(zhǔn)。
[0028]圖2再次示出單獨的微機械構(gòu)件20，用以說明傾斜角度α。所述傾斜角度在垂直于表面21a的局部法線與垂直于理論摩擦面PF(在圖中以虛線表示)的法線NF之間測得，所述理論摩擦面由摩擦方向F和屬于限定出表面21a的理論表面的直線G限定。
[0029]相對于理論摩擦面PF計算角度α。該角度α代表法線Ν25與垂直于圖2中晶面(100)的法線Ν21之間的角度CIi的平均值。角度CInroy優(yōu)選小于30°，更優(yōu)選小于10°。
[0030]典型地，層11和21的厚度至少是150nm，并且優(yōu)選大約是2.5微米，用以獲得一致的(homogSnes)晶面取向。
[0031]大致上，限定出表面Ila和12a的層11和21中的每一個都包括含有至少50%碳原子的碳。這些層可以例如由金剛石、類金剛石、石墨或者這些材料的組合形成。
[0032]根據(jù)未示出的變型實施例，表面Ila和/或表面21a至少部分地涂覆有與形成層11和/或?qū)?1的材料不同的材料的涂覆層。這些涂覆層可以由例如金膜、鎳膜或者鈦薄膜形成。這些涂覆層的厚度應(yīng)優(yōu)選不大于lOOnm。這種情況下，根據(jù)本發(fā)明，第一和第二接觸表面的表層(表面)結(jié)構(gòu)有利地具有不同的表層(表面)晶面取向。
[0033]微機械構(gòu)件10和20的層11和21可以沉積在由任何適于金剛石、DLC或石墨層沉積的材料類型制成的襯底上。例如，襯底15和25可以從包括陶瓷、硅、脫氧硅、氧化硅、氮化硅、碳化硅和鋼的材料組中選擇。
[0034]還可以設(shè)想在不使用用于一個微機械構(gòu)件和/或另一個微機械構(gòu)件的襯底的情況下來制造本發(fā)明的接觸表面Ila和21a。實際上，根據(jù)本發(fā)明的變型，表面Ila和/或21a可以由整塊單晶或者多晶金剛石得到。
[0035]圖3示出本發(fā)明制造鐘表擒縱機構(gòu)的示例性應(yīng)用，在該擒縱輪機構(gòu)中擒縱叉桿30包括擒縱叉瓦31，該擒縱叉瓦與擒縱輪40的輪齒41配合作用。擒縱叉瓦31具有與輪齒41的鎖面C和沖面D配合作用的鎖面A和沖面B。鎖面A和沖面B例如具有與表面Ila符合(一致)的接觸表面，面C和D于是具有與表面21a符合(一致)的接觸表面，已經(jīng)分別參考圖1和圖2對所述表面Ila和所述表面21a進行了描述。這些面A、B、C、D是高應(yīng)力區(qū)域，承受高強度的摩擦和/或接觸。根據(jù)變型，擒縱叉桿30可以與擒縱叉瓦31是一體(式)的。
[0036]圖4示出本發(fā)明的另一鐘表應(yīng)用，其中主發(fā)條條狀件50具有正面50a和背面50b，所述正面和背面分別與已經(jīng)參照圖1和圖2描述過的接觸表面Ila和21a符合(一致)。
[0037]盡管如此，本領(lǐng)域技術(shù)人員清楚的是本發(fā)明可以擴展到其它實施例(未示出)，其中，微機械構(gòu)件10和20例如可以由諸如樞軸(軸榫)的輪副心軸和諸如寶石的軸承構(gòu)成，或者由一對齒輪齒圈構(gòu)成，或者由任何其它高度暴露在強機械應(yīng)力中、可以具有或可以不具有摩擦學(xué)屬性的元件對構(gòu)成。
[0038]權(quán)利要求書中的附圖標(biāo)記絕不是限定性的。動詞“包括”以及“包含”并不排除與 權(quán)利要求書中已經(jīng)列出的那些元件不同的元件的存在。元件前的詞“一個/一”并不排除
存在多個這樣的元件。
【權(quán)利要求】
1.一種功能性微機械組件(100)，其至少包括第一構(gòu)件(10)，所述第一構(gòu)件(10)至少設(shè)置有第一面，至少所述第一面涂覆有限定出第一接觸表面(Ila)的第一層(11)，該第一接觸表面用于與由第二層(21)限定出的第二接觸表面(21a)摩擦接觸，所述第二層至少涂覆第二面,所述第一構(gòu)件(10)或者至少第二微機械鐘表構(gòu)件(20)與所述第一構(gòu)件(10) —起形成所述組件(100)，其特征在于，所述第一和第二層(11，21)均包含具有至少50%碳原子的碳，所述第一接觸表面具有第一確定晶面取向，所述第二接觸表面具有第二確定晶面取向，并且所述第一和第二確定取向彼此不同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功能性微機械組件，其特征在于，至少所述第一層(11)至少在所述第一接觸表面上具有微晶結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的功能性微機械組件，其特征在于，所述第一和第二層(11，21)的每一個至少在其各自的接觸表面上具有微晶結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的功能性微機械組件，其特征在于，所述第一層的至少在所述第一接觸表面上的晶面屬于晶面族{111}，所述第一層的屬于所述晶面族{111}的晶面的方向相對于所述第一面的法線以一角度傾斜，所述角度包含在10°和70°之間、優(yōu)選在40°和50°之間并且更優(yōu)選是45°，所述第二層的至少在所述第二接觸表面上的晶面屬于晶面族{100}，所述第二層的屬于所述晶面族{100}的晶面的方向以與所述第二面垂直的方式取向。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的功能性微機械組件，其特征在于，至少所述第一層(11)的至少在第一接觸表面上的晶粒尺寸大于200nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的功能性微機械組件，其特征在于，所述第一和第二層(11)的至少在其各自的接觸表面上的晶粒尺寸大于200nm。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的功能性微機械組件，其特征在于，所述第一或第二層中的至少一個至少部分地涂覆有另一材料的涂覆層。`
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的功能性微機械組件，其特征在于，所述涂覆層小于lOOnm。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的功能性微機械組件，其特征在于，所述第二層屬于所述第二構(gòu)件(20)，所述第一構(gòu)件和/或所述第二構(gòu)件由整塊單晶或多晶金剛石制成。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的功能性微機械組件，其特征在于，所述第一或第二接觸表面中的一個的平均粗糙度(Rms)大于80nm。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-9以及當(dāng)不從屬于權(quán)利要求9時的權(quán)利要求10中任一項所述的功能性微機械組件，其特征在于，限定出所述第一接觸表面和/或所述第二接觸表面的所述第一層和/或所述第二層覆蓋第一襯底以形成所述第一構(gòu)件。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-9以及當(dāng)不從屬于權(quán)利要求9時的權(quán)利要求10中任一項所述的功能性微機械組件，其特征在于，所述第二層屬于所述第二構(gòu)件(20)，限定出所述第一接觸表面和/或所述第二接觸表面的所述第一層和/或所述第二層覆蓋第一襯底和/或第二襯底以形成所述第一構(gòu)件和/或所述第二構(gòu)件。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的功能性微機械組件，其特征在于，所述第一襯底和/或所述第二襯底由硅或鋼或陶瓷形成。
14.根據(jù)權(quán)利要求11-13中任一項所述的功能性微機械組件，其特征在于，所述第一摩擦層和/或第二摩擦層的厚度至少是150nm。
15.根據(jù)權(quán)利要求1-14中任一項所述的功能性微機械組件，其特征在于，所述第二層屬于所述第二構(gòu)件(20)，所述第一構(gòu)件是擒縱叉瓦(30)，并且所述第二構(gòu)件是擒縱輪(40),或者相反。
16.根據(jù)權(quán)利要求1-14任一項所述的功能性微機械組件，其特征在于，所述第二層屬于所述第二構(gòu)件(20)，所述第一構(gòu)件是輪副心軸，并且所述第二構(gòu)件是軸承，或者相反。
17.根據(jù)權(quán)利要求1-14中任一項所述的功能性微機械組件，其特征在于，所述第二層屬于所述第二構(gòu)件(20)，所述第一構(gòu)件和所述第二構(gòu)件是齒輪齒圈。
18.根據(jù)權(quán)利要求1-13中任一項所述的功能性微機械組件，其特征在于，所述第二層屬于所述第一構(gòu)件(10)，所述第一構(gòu)件是由條狀件形成的主發(fā)條，所述條狀件的正面形成所述第一接觸表面并且所述條狀件的背面形成所述第二接觸表面。
【文檔編號】G04B31/004GK103765330SQ201280036285
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2012年7月17日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月21日
【發(fā)明者】D·理查德, S·博爾班 申請人:斯沃奇集團研究和開發(fā)有限公司