CN109716245A - 钟表机芯的零件、钟表机芯、钟表以及制造这种钟表机芯零件的方法 - Google Patents

Abstract

钟表机芯的零件(12a)，其由复合材料制成，所述复合材料包括刚性基质以及包含在刚性基质中的纳米管簇。

Description

钟表机芯的零件、钟表机芯、钟表以及制造这种钟表机芯零件 的方法

技术领域

本发明涉及到钟表机芯的零件、钟表机芯以及钟表，并涉及到制造这种钟表机芯零件的方法。

背景技术

钟表机芯通常包括调节器、确定钟表机芯时基的机械振荡器。该调节器包括与被称为天平的摆锤相关联的盘簧。该盘簧需要极高的尺寸精度，这决定了钟表机芯的计时精度。

在文件JP2008116205A中具体列出了盘簧的实例。该盘簧由复合材料制成，所述复合材料包括通过碳纳米管加强的石墨和非晶碳的基质，所述碳纳米管分散在基质中并且沿线圈的纵向对齐。纳米管的直径约为l0nm，长度约为10微米。为了制造线圈，首先通过纳米管、石墨和非晶碳制造均匀混合物，然后挤压混合物，以便得到盘簧的形状，其目的是在线圈的长度内对齐纳米管。

这种盘簧有很多缺点：

-挤压过程使之不能达到高机械精度，导致不可接受的计时不准确，

-纳米管的定向控制不佳，因为纳米管随机设置在均匀混合物中，

-为了确保材料的良好均匀性，从而使得盘簧具有整齐性，该方法实施起来很复杂，

-获取盘簧所需的机械性能很复杂，因为必须在保持均匀性的同时非常精确地调整混合物的量。

对于钟表机芯的其它柔性零件而言也至少部分地存在这些缺点。

发明内容

本发明目的是克服某些或所有上述缺点。

为此目的，本发明提出一种钟表机芯的零件，其包括至少一个柔性部分，所述柔性部分适于在垂直于轴的平面内弯曲并由包含纳米管的复合材料制成，所述纳米管结合在基质中，

其中，纳米管形成纳米管簇，纳米管并列并通常平行于轴设置。

通过这些设置，可以按照几纳米的精确度创造钟表机芯的零件，通过纳米管生长和纳米管簇中的基质的渗透的过程，可得到完全受控且可复制的纳米管的定向和均匀性。如果钟表机芯的零件是盘簧，结果便是盘簧的卓越的计时精度。

此外，例如，通过调整基质材料和/或纳米管簇中的渗透基质的量，得到钟表机芯零件的所需机械性能很简单。

与上述专利不同，纳米管的定向垂直于弯曲平面而不是在该平面内。这违反了JP2008116205A的示教，JP2008116205A建议在线圈的长度内对齐纳米管，以便利用其机械弯曲性能，本领域技术人员已知如此。相反，在本发明的钟表机芯的零件中，并非为了利用纳米管的机械性能，即便有，对钟表机芯的零件的机械性能的贡献也微乎其微，这与前述文件JP2008116205A不同(因为零件弯曲不会导致纳米管弯曲)，相反，是为了利用其生长过程中的几何精度，通过渗透基质提供所述机械性能。

此外，由此得到的复合材料在垂直于轴的平面内特别柔韧(在盘簧的情况下能够减少天平的质量)并且在该平面外特别不柔韧(这对钟表的盘簧特别有益)。

最后，上述设置使之能够通过在比如硅晶片这样的基片上生长纳米管从而简化制造过程，所述硅晶片通常称为术语“晶片”。

在根据本发明的钟表机芯的零件的各个实施例中，可能进一步采用以下设置中的一项或多项：

-纳米管是碳纳米管；

-纳米管是多壁的；

-纳米管的直径介于7至30纳米(或者可选地介于2至10纳米，优选地介于3至7纳米，特别是约为5纳米)；

-纳米管的长度介于200至400微米(或者可选地介于100至200微米，尤其是约为150微米)；

-基质是碳基质；

-钟表机芯的零件是适于围绕轴振动的盘簧；

-钟表机芯的零件是钟表机芯的振荡器；

-钟表机芯的零件是主发条。

本发明还涉及到具有上文所定义的盘簧的钟表机芯(或者上文所定义的钟表机芯的其它零件)，以及包括这种钟表机芯的钟表。

本发明还涉及到制造上文所述的钟表机芯的零件的方法，其包括以下步骤：

a)生长纳米管簇的步骤，在此期间，纳米管簇生长；

b)渗透步骤，在此期间，基质的组成材料渗透纳米管簇。

在根据本发明的制造方法的各个实施例中，可能进一步采用以下设置的一项或多项：

-在生长纳米管簇的步骤a)期间，纳米管簇在基片上生长(可能在基片与附加层之间具有一个或多个中间层)，渗透步骤b)之后是分离步骤c)，在分离步骤c)期间，使复合材料与基片分开；

-在生长纳米管簇的步骤a)期间，纳米管簇大体垂直于基片生长；

-在步骤a)之前，首先将纳米管的附加多孔层喷涂到基片上(可能在基片与附加层之间具有一个或多个中间层)，然后在步骤a)期间，纳米管簇在纳米管的附加多孔层下生长，在步骤b)期间，基质的组成材料通过纳米管的附加多孔层渗透；

-至少一个中间层插入基片与纳米管簇之间。

附图说明

通过作为非限制性实例结合附图列出的本发明几个实施例的以下说明，本发明的其它特征和优点显而易见。

在附图中：

-图1是能够包括根据本发明第一个实施例所述的盘簧的钟表的示意图，

-图2是图1的钟表的机芯的方框图，

-图3是可用于图1中的钟表中的盘簧的照片，

-图4是图3的盘簧的一部分的透视图，

-图5以纳米管簇的形式高度示意性地阐释了盘簧的材料的组成，为了清晰而刻意放大了纳米管，因此并不是按比例显示的，

-图5是根据本发明第二个实施例，比如图1中的钟表中可用的主发条的示意图，

-图6示出了根据本发明第二个实施例，比如图1中的钟表可用的机械振荡器。

具体实施方式

在各图中，相同附图标记指代相同或相似的元件。

图1示出了比如手表这样的钟表1，其包括：

-外壳2，

-包含在外壳2中的钟表机芯3，

-一般而言，卷绕机构4，

-刻度盘5，

-覆盖刻度盘5的晶体6，

-时间指示器7，例如，包括两个指针7a，7b，分别为时针和分针，设置在晶体6与刻度盘5之间，由钟表机芯3驱动。

如图2中示意性所示，例如，钟表机芯3可包括：

-用于储存机械能的装置8，通常为主发条，

-由储存机械能的装置8驱动的机械传动装置9，

-上述时间指示器7，

-能量分配轮10(例如，瑞士锚式擒纵装置的擒纵轮或类似物)，

-锁定机构11(例如，瑞士锚或类似物)，适合有序地保持和释放能量分配轮10，

-调节器12，是控制锁定机构11使其有规律地移动的振荡机构，以便按照恒定的时间间隔移动能量分配轮10。

调节器12包括例如天平(未示出)这样的摆锤以及比如图3和图4中所示的盘簧12a。

盘簧12a可包括：

-中心环13，其用于固定在天平中心，并且随着天平围绕中心轴X旋转，

-围绕中心轴X缠绕的多个线匝14，从环13到被称为“终端曲线”的终端部分15。

终端部分15通常通过螺柱(未示出)附接到桥接器(未示出)，天平枢转地安装在所述桥接器上。

线匝14和盘簧12a的终端部分15可具有厚度e(在垂直于中心轴X的平面中)和高度h(平行于中心轴X)。例如，厚度e为几十微米，例如约为10至100微米。

盘簧12a由复合材料制成，所述复合材料包括结合在基质16a中的纳米管16(图5)。

纳米管16形成纳米管簇，这意味着纳米管16并列，并且全部基本彼此平行设置。

有利地，纳米管16全部基本平行于中心轴X设置，因此通常平行于中心轴X。所述纳米管通常彼此均匀间隔开，并且贯穿复合材料的整个质量，在盘簧12a的制造期间通过纳米管生长过程控制其表面密度(在垂直于轴X的平面中)。

有利地，纳米管16可由碳制成。

有利地，纳米管16基本上是多壁的。可选地，有利地，纳米管16主要为单壁的。

纳米管的直径d可介于7至30纳米。可选地，纳米管的直径可介于2至10纳米，优选地为3至7纳米，尤其是约为5纳米。

纳米管的长度可介于200至400微米。可选地，纳米管的长度可介于100至200微米，尤其是约为150微米。有利地，该长度可与上文提及的盘簧线匝14的厚度h相对应。

有利地，基质16a可由碳制成。在图5中高度示意性地示出了基质16a。有利地，基质包含纳米管16，存在于纳米管16之间的缝隙17中以及在纳米管16的内部空间18内。该基质使之能够在纳米管之间提供内聚力，并因此改变纳米管簇的机械性能。

例如，盘簧12a可由包括以下步骤的方法制成：

a)生长纳米管簇的步骤，在此期间，纳米管簇16通常在比如硅晶片或其它晶片这样的基片(未示出)上生长，

b)渗透步骤，在此期间，基质16a的组成材料渗透纳米管簇16，

c)分离步骤，在此期间，使复合材料与基片分开。

在步骤a)期间，有利的是纳米管簇16大体垂直于基片生长，所述基片垂直于中心轴X设置。

例如，按照已知的方式通过光刻对基片进行预处理，以便纳米管簇的生长沿着盘簧12a的准确路径发生在准确的所需位置。例如，在作者Richard Scott Hansen(2012年6月)编著的文件《碳纳米管模板化金属微结构的机械和电学性质》中或者在标题为《用于微电子机械系统应用通过原子层沉积的碳纳米管簇的渗透》的杨百翰大学Collin Brown(2014年4月22日)的毕业论文中，列出了纳米管生长以及碳基质渗透的可控过程的实例。

本身已知的，尤其是通过上述文件已知的，碳基质的渗透通常是通过气相沉积发生的。通过影响渗透时间，可以影响纳米管之间渗透基质的数量，这样使得改变弹簧的机械性能变得非常容易。

如图8和图9所示，可以通过二氧化硅层20覆盖基片19(硅或其它)，所述二氧化硅层本身被催化层21(尤其是铁)覆盖，纳米管簇16在所述催化层上生长。二氧化硅层20和催化层21保持与纳米管簇16成为一体，并因此在上述步骤c)中沿着纳米管层与基片16分开。

在上述步骤a)之前，可选地，可以在溶剂中散布附加纳米管，并且将其喷涂到催化层21上，尤其是通过超声喷涂，从而界定纳米管的附加层22。纳米管的这个附加层22具有充分的多孔性，以便纳米管簇16的碳(或其它组成材料)能够穿过纳米管的这个附加层22沉积并在所述纳米管的附加层下生长(图9)。按照这种方式，纳米管簇的纳米管16的生长是平衡的，所以其全部具有大体相同的长度。然后，由于其多孔性，所以渗透步骤b)也是通过纳米管的附加层22执行的。

在步骤c)期间，可以通过湿法刻蚀或者优选地通过汽相刻蚀，尤其是利用氟化氢HF使复合材料与基片19分开。

得到的盘簧12a具有很多优点：

-可以创造出具有纳米级精度的盘簧，通过纳米管生长以及基质渗透到纳米管簇中的过程，可得到完全受控且可复制的纳米管的定向和均匀性，其结果是盘簧的卓越的计时精度；

-例如，通过调整基质的材料和/或纳米管簇中渗透基质的量，以及通过调整线圈的几何形状(尤其是其厚度)，很容易得到盘簧的预期机械性能；

-盘簧12a在垂直于中心轴的平面中特别柔韧(能够减少天平的质量)，而且在该平面外特别不柔韧(这特别有益于钟表的盘簧，从而限制由于碰撞或者使用者移动产生的平面外的加速度的影响)；

-复合材料对于温度变化的敏感性很小(热膨胀系数低、弹性模量变化小)，密度低，无磁性，而且耐腐蚀。

上文所述的材料也可以用于包括至少一个柔性部分的钟表机芯的其它零件，所述柔性部分适于在垂直于纳米管的轴X的平面中弯曲。

例如，在本发明的第二个实施例中，上述材料可用于主发条8中，比如图6中的主发条，可用作上文所述的储能装置。例如，这种弹簧可以围绕中心轴8a沿着轴X在筒8b内缠绕。

根据另一个实例，在本发明的第三个实施例中，上述材料可用于形成除了前述盘簧之外的机械振荡器。尤其是，上述材料可用于形成比如图7中那样的调节器12’，可用于在钟表中代替上述调节器12。例如，调节器12’可以在板110中形成单个零件，在所述板中形成转子111和的弹性悬架112，弹性悬架112把转子111连接到板110的其余部分。所述弹性悬架可由在板110中形成的非常纤细的臂形成。根据双箭头R，转子111围绕轴X旋转振荡。在文件EP3021174A中详细说明了这种调节器12’的实例。

Claims (16)

1.钟表机芯的零件(12a，8，12’)，其包括至少一个柔性部分，所述柔性部分适于在垂直于轴(X)的平面内弯曲并由包含纳米管(16)的复合材料制成，所述纳米管(16)结合在基质(16a)中，

其特征在于，所述纳米管(16)形成纳米管簇，所述纳米管(16)并列并通常平行于轴(X)设置。

2.根据权利要求1所述的钟表机芯的零件(12a，8，12’)，其特征在于，所述纳米管(16)是碳纳米管。

3.根据前述权利要求中任一项所述的钟表机芯的零件(12a，8，12’)，其特征在于，所述纳米管(16)是多壁的。

4.根据前述权利要求中任一项所述的钟表机芯的零件(12a，8，12’)，其特征在于，所述纳米管的直径(d)介于7至30纳米。

5.根据前述权利要求中任一项所述的钟表机芯的零件(12a，8，12’)，其特征在于，所述纳米管(16)的长度(h)介于200至400微米。

6.根据前述权利要求中任一项所述的钟表机芯的零件(12a，8，12’)，其特征在于，所述基质(16a)是碳基质。

7.根据前述权利要求中任一项所述的钟表机芯的零件，所述钟表机芯的零件是适于围绕轴(X)振动的盘簧(12a)。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的钟表机芯的零件，所述钟表机芯的零件是钟表机芯的振荡器(12’)。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的钟表机芯的零件，所述钟表机芯的零件是主发条(8)。

10.钟表机芯，其具有根据权利要求7所述的盘簧(12a)。

11.钟表，其包括根据权利要求10所述的钟表机芯(3)。

12.制造根据权利要求1至9中任一项所述的钟表机芯的零件(12a，8，12’)的方法，其包括以下步骤：

a)生长纳米管簇(16)的步骤，在此期间，纳米管簇生长；

b)渗透步骤，在此期间，基质的组成材料渗透纳米管簇(16)。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在生长纳米管簇(16)的步骤a)期间，纳米管簇在基片(19)上生长，并且渗透步骤b)之后是分离步骤c)，在分离步骤c)期间，使复合材料与基片(19)分开。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在生长纳米管簇(16)的步骤a)期间，纳米管簇(16)大体垂直于基片(19)生长。

15.根据权利要求13或权利要求14所述的方法，其特征在于，在步骤a)之前，首先将纳米管的附加多孔层(22)喷涂到基片(19)上，然后在步骤a)期间，纳米管簇(16)在纳米管的附加多孔层(22)下生长，在步骤b)期间，基质的组成材料通过纳米管的附加多孔层(22)渗透。

16.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，其特征在于，至少一个中间层(20，21)插入基片(19)与纳米管簇(16)之间。