CN110824878A - 用于钟表的具有表面纹理结构的部件及其制造方法 - Google Patents

用于钟表的具有表面纹理结构的部件及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种系统(1)，其包括两个部件(2)，所述两个部件用于在给定的摩擦方向上通过摩擦表面彼此摩擦接触，其中摩擦发生在功能区域中，所述系统(1)的特征在于，所述两个部件(2)中的至少一个在功能区域中包括带有纹理结构的表面，该纹理结构由一系列通过峰部(3b)分隔开的弧形的槽(3a)形成或由一系列通过槽(3a)分隔开的凸起(3c)形成，所述槽(3a)平行于所述给定的摩擦方向延伸，并允许排出由摩擦产生的碎屑(4)并用作润滑剂(5)的储存部。本发明还涉及通过DRIE(深反应离子蚀刻)工艺制造至少一个部件(2)或模具的方法，其中通过DRIE工艺加工的侧壁上的表面缺陷用于形成所述槽(3a)。

Description

用于钟表的具有表面纹理结构的部件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种微机械部件，特别是在钟表领域中使用的微机械部件，用于在使用过程中与另一部件摩擦接触。本发明还涉及制造该部件的方法。
背景技术
许多钟表部件——如擒纵部件、跳动件、发条等——在使用过程中会受到摩擦。传统上，为了制造得好，这些部件必须具有非常光滑的接触/摩擦表面。然而，两个主体之间的摩擦通常会导致形成第三主体的磨损颗粒的形成。第三个主体并未被证明具有积极的效果，反而可能导致部件加速磨损，对其功能产生不利影响。为了防止这种磨损并减小导致某些功能损失的摩擦力，将润滑剂施加摩擦接触的部件表面。然而，在两个完全光滑的接触表面相互摩擦的结构中，润滑剂逐渐从接触/摩擦区域排出，导致摩擦接触条件的中长期退化。
发明内容
本发明的一个目的是通过提出一种具有摩擦接触的两个部件的系统来克服上述缺点，其中至少一个部件在将要经受摩擦的区域具有纹理/拓扑结构，这一方面有助于去除由摩擦产生的颗粒，另一方面形成润滑剂的储存部。
为此，所述部件在所述区域具有扇形结构。该扇形结构限定了一组沿摩擦方向延伸的槽，并形成尽可能多的通道，用于由摩擦产生的碎屑的排出和润滑剂的流动。本发明的系统由权利要求1限定。
根据本发明，扇形结构是在加工部件的步骤中形成的。使用的制造方法是DRIE(深度反应离子蚀刻)工艺。这个工艺导致在部件的蚀刻壁上形成扇形结构或波纹。根据现有技术，这种扇形结构是本领域技术人员希望消除的工艺的固有缺陷。为此，DRIE工艺之后通常是氧化和还原步骤，目的是消除扇形轮廓。相比之下，根据本发明，该步骤至少部分地被取消，以保持扇形轮廓，该轮廓允许排出磨损碎屑并用作润滑剂储存部。
因此，根据本发明的制造方法使得可以在单个步骤中加工部件和纹理化表面。此外，根据本发明的方法的优点是扇形纹理结构在经蚀刻的侧壁上沿摩擦方向自然对齐。本发明的方法由权利要求12限定。
本发明还涉及一种使用DRIE工艺加工的模具，以在模具的经蚀刻的侧壁上形成扇形结构。这些具有扇形纹理结构的模具形成了用于后续电铸部件产生的图案。电铸部件因此也具有与扇形互补形状的纹理结构，槽用作摩擦发生区域的碎屑排出通道和润滑剂储存部。该模具在权利要求9中限定。
根据本发明的其它有利变型:
·槽是纵向的并且彼此平行。
·所述槽的深度P大于或等于100纳米且小于或等于500纳米，优选小于或等于300纳米。
·一系列峰部和槽或一系列凸起和凹陷形成周期性结构。
·纹理结构存在于通过深度反应离子蚀刻加工的所述至少一个部件的一侧。
·两个部件中的每一个都在功能区域的表面上包括所述纹理结构，所述槽彼此面对地设置。
·所述至少一个部件中的仅一个在其表面上具有所述纹理结构，系统的另一个部件在功能区域具有光滑表面。
·所述至少一个部件由硅或金属制成。
·两个部件都是钟表部件。
附图说明
参考附图，本发明的其他特征和优点将出现在以下通过非限制性示例给出的优选实施例的描述中。
图1A和1B示意性地表示了具有两个部件的系统，其中根据本发明，两个部件中的一个在其摩擦表面上具有一系列彼此平行的扇形的纹理结构，该摩擦表面要与另一个部件部分接触。摩擦沿着平行于接收第三主体(图1A)和润滑剂(图1B)的槽的纵向方向发生。
图2A和2B示出了具有两个部件的系统的变型，其中两个部件中的一个具有与图1A和1B中示出的形状互补的纹理。
图3A是包括两个部件(擒纵轮/擒纵叉)的钟表系统的图示，这两个部件在齿和/或擒纵叉的边缘上具有根据本发明的纹理结构。图3B示意性地示出了经蚀刻的壁上的纹理结构。
图4示意性示出了以已知的方式的DRIE(深反应离子蚀刻)工艺的各个步骤。
具体实施方式
本发明涉及由金属或硅制成的部件，该部件包括用于在使用过程中经受摩擦的表面。因此，本发明更具体地涉及一种包括两个部件的系统，这两个部件具有在所谓的“功能”区域中经受摩擦的表面。在钟表领域，这可以例如是以下类型的系统:擒纵轮/擒纵叉、凸轮/传感器、棘爪/齿轮、跳动件/盘、耦合盘/发条、制动盘/制动杆，等等。本发明还涉及能够通过电铸生产这些部件的模具。本发明还涉及制造部件或模具的方法。
如图1A-2B中示意性示出的那样，系统1的两个部件2中的至少一个在其摩擦表面的功能区域中具有表面纹理/拓扑结构，该表面纹理结构一方面促进第三物体颗粒的排出，另一方面形成润滑剂的储存部。
参考图1A和1B，表面纹理由具有由峰部3b分隔开的弧形的槽3a(也被称为凹部)的相互平行的周期性扇形区构成。根据该变型，两个部件2之间的接触发生在表面纹理结构的峰部3b上。槽3a的纵向尺寸平行于功能区域中的摩擦方向延伸，并且槽用作润滑剂5的储存部和排出摩擦碎屑4的通道。根据本发明，槽的深度P——即槽的最低点和峰部的顶部之间的距离——通常大于或等于100纳米且小于或等于500纳米(图3B)。
在图2A和2B中，该拓扑结构具有由槽3a分隔开的一系列弧形凸起3c。这种纹理结构是通过在具有图1A和1B中的扇形结构的模具中电铸金属部件而获得的。因此，凹部的深度P在此对应于槽的低点和凸起的顶部之间的距离，并且显然等于前述的深度P。根据该变型，两个部件2之间的接触发生在纹理结构的凸起3c的顶部。
在图1A-2B所示的变型中，两个部件中仅一个部件包括槽，另一个部件在功能区域具有基本平坦的摩擦表面。根据未示出的另一变型，两个部件可以在该区域中具有彼此面对并且一起形成碎屑排出通道和润滑剂储存部的槽。
图3A示例性地示出了钟表系统1：擒纵轮6/擒纵叉杆7，其中两个部件6、7中的一个或两个至少在齿8和/或擒纵叉9的侧壁8a、9a上具有经受摩擦的根据本发明的纹理结构(图3B)。
这种表面纹理结构是在通过DRIE(深反应离子刻蚀)工艺加工部件或模具的过程中获得的，该工艺是等离子体蚀刻工艺，包括两个彼此相继的不同程序，即蚀刻程序和钝化程序。该方法示意性地表示在图4中。以已知的方式，提供硅坯料10。限定待加工沟槽的穿孔掩模11形成在坯料10的表面上(图4a)。然后，该方法包括在氟化气体(例如SF6)中蚀刻的步骤(图4b)和使用氟碳化合物气体(例如C4F8)钝化(层12)的一系列步骤，其中交替进行的蚀刻和钝化步骤在蚀刻后的侧壁上产生扇形结构。槽的周期性和深度可以用已知的方式通过改变蚀刻和钝化顺序次数等来调节(例如，6次蚀刻-2次钝化，或3次蚀刻-1次钝化)。优选地，蚀刻阶段持续时间大于钝化阶段持续时间。典型地，这些槽的深度P在100纳米和1000纳米之间，优选为大约几百纳米，槽的周期在1.5-6微米之间，优选为大约3微米。
可选地，为了减小槽的深度，而不会因此减小表面粗糙度，可以设想在氧化步骤之后是脱氧步骤(未示出)。该步骤包括在通常介于900℃和1200℃之间的温度下进行热氧化，然后通常在氢氟酸中进行化学还原。举例来说，在该步骤中，槽的深度P因此可以从300纳米减小到100-200纳米。
然后，当上述方法用于制造模具时，该方法还包括通过在模具的纹理化表面上电铸金属合金来制造在其表面上具有一系列凸起和凹槽的部件的沉积步骤。
附图标记一览表
1 系统
2 部件
3 扇形结构
a) 槽或凹部
b) 峰部
c) 凸起
4 碎屑
5 润滑剂
6 擒纵轮
7 擒纵叉杆
8 擒纵轮齿
a.边缘或侧壁
9 擒纵叉
a.边缘或侧壁
10 坯料
11 掩膜
12 钝化层。

Claims (15)

1.一种系统(1)，该系统包括两个部件(2)，所述两个部件用于在给定的摩擦方向上通过摩擦表面彼此摩擦接触，其中摩擦发生在“功能区域”中，该系统(1)的特征在于，所述两个部件(2)中的至少一个部件在功能区域中包括带有纹理结构的表面，该纹理结构由一系列通过峰部(3b)分隔开的弧形的槽(3a)形成或由一系列通过槽(3a)分隔开的弧形的凸起(3c)形成，所述槽(3a)平行于所述给定的摩擦方向延伸，并允许排出由摩擦产生的碎屑(4)并用作润滑剂(5)的储存部。
2.根据权利要求1所述的系统(1)，其特征在于，所述槽(3a)是纵向的并且彼此平行。
3.根据权利要求1或2所述的系统(1)，其特征在于，所述槽(3a)的深度P大于或等于100纳米且小于或等于1000纳米，并且优选地，小于或等于300纳米。
4.根据权利要求1所述的系统(1)，其特征在于，一系列的槽(3a)和峰部(3b)或一系列的凸起(3c)和槽(3a)形成周期性结构。
5.根据权利要求1所述的系统(1)，其特征在于，所述纹理结构位于通过深反应离子蚀刻加工的所述至少一个部件(2)的一个侧壁(8a，9b)上。
6.根据权利要求1所述的系统(1)，其特征在于，所述两个部件(2)中的每一个部件在功能区域中的一个表面上均包括所述纹理结构，所述槽(3a)彼此面对面地设置。
7.根据权利要求1所述的系统(1)，其特征在于，所述至少一个部件(2)中的仅一个在其表面上包括所述纹理结构，所述系统(1)的另一个部件(2)在所述功能区域中具有光滑表面。
8.根据权利要求1所述的系统(1)，其特征在于，所述至少一个部件(2)由硅或金属制成。
9.根据权利要求1所述的系统(1)，其特征在于，所述两个部件(2)都是钟表部件。
10.一种包括系统(1)的钟表，该系统包括两个部件(2)，所述两个部件用于在给定的摩擦方向上通过摩擦表面彼此摩擦接触，其中摩擦发生在“功能区域”中，该系统(1)的特征在于，所述两个部件(2)中的至少一个部件在功能区域包括带有纹理结构的表面，该纹理结构由一系列通过峰部(3b)分隔开的弧形的槽(3a)形成或由一系列通过槽(3a)分隔开的弧形的凸起(3c)形成，所述槽(3a)平行于所述给定的摩擦方向延伸，并允许排出由摩擦产生的碎屑(4)并用作润滑剂(5)的储存部。
11.一种用于生产根据权利要求1所述的系统(1)的所述至少一个部件(2)的模具，所述部件包括一系列由槽(3a)分隔开的弧形的凸起(3c)，其中所述模具在其一个面上包括具有由一系列通过峰部(3b)分隔开的弧形的槽(3a)形成的所述纹理结构的腔。
12.一种用于制造分别由硅制成的模具或部件(2)的方法，该方法包括以下步骤：
(a)提供由硅制成的坯料(10)，
(b)通过深反应离子蚀刻工艺在所述坯料(10)上加工侧壁(8a，9a)以形成模具或部件(2)，经加工侧壁(8a，9a)具有由深反应离子蚀刻工艺形成的扇形纹理结构，所述纹理结构在所述经加工侧壁(8a，9a)上限定一组深度为P的槽(3a)，所述方法的特征在于，在该方法结束时，所述槽(3a)保持在模具或部件(2)的经加工侧壁(8a，9a)上，以在所述经加工侧壁(8a，9a)上形成能够收集碎屑(4)或接收润滑剂(5)的通道。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在所述方法结束时，所述模具或所述部件(2)的经加工侧壁(8a，9a)上的所述槽(3a)的深度P大于或等于100纳米且小于或等于1000纳米，优选小于或等于300纳米。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在加工步骤(b)之后进行氧化和还原步骤(c)，以减小所述槽(3a)的深度P，在所述氧化和还原步骤(c)结束时，深度P保持在大于或等于100纳米的值。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在步骤(b)或步骤(c)之后，所述方法包括通过在模具的经加工侧壁(8a，9a)上电铸金属合金的沉积步骤，以生产另一个部件(2)。
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