CN114026504A - 允许限制润滑物质的微机械部件 - Google Patents

Abstract

一种用于钟表机构的微机械部件（10），该部件的至少一部分由基于碳或氧化铝的结晶矿物材料制成，部件包括用于产生滑动和/或枢转接触的至少一个接触表面（100）；接触表面（100）局部地包括具有三维纹理的至少一个微结构化区域（101）；三维纹理由微腔（20）形成，使得微结构化区域（110）比非微结构化的接触表面（100）更疏油，和/或由微柱（30）形成，使得微结构化区域（110）比非微结构化的接触表面（100）更亲油；微结构化区域（110）被构造成将润滑物质局部地限制在接触表面（100）的润滑部分（120）上。

Description

允许限制润滑物质的微机械部件

技术领域

本发明涉及一种用于钟表机构的微机械部件，特别是待被润滑的部件。

背景技术

已知，在钟表机构中，有许多零件是运动的并且相互摩擦接触。必须尽可能减少这些摩擦，因为这些摩擦能够影响机构的精度和/或自主性。因此，为了减少这些摩擦，已知使用液体润滑剂或粘性润滑剂。在明确限定的区域上且以适当的用量精打细算地使用这种润滑剂。

但是，这种润滑剂可能会从它所沉积的区域逸出。特别地，在暴露于环境条件导致的表面的自然化学状态下，零件的移动趋于将润滑剂从接触区域移位到未承受摩擦的区域。此外，在小尺寸的机械部件（如钟表零部件）上，仅在特定区域处形成润滑膜是困难的。

为了使预设用于滑动的部件保持润滑剂，从而减少旋转或类似过程中由滑动引起的摩擦所致的磨损，通常对表面进行化学处理。表面的化学状态是通过不同类型的清洁来实现的，随后可能用包含氟化活性剂的纳米厚度的薄膜来涂覆零件。不同的氟化活性剂在钟表领域中被称为基膜（épilame）。得益于所处理的零件表面能的降低，在接触区域之外用这种类型的产品涂覆部件允许将润滑剂保留在接触区域。

然而，机械部件在表面处理和/或添加受控化学性质薄膜之后持续保持润滑剂的能力可以得到改善，目的是减少由于润滑油不足而由机械部件经受的磨损。

文件CH713426描述了具有第一表面区域的第一机械部件，具有第二表面区域的第二部件，第一表面区域可以在该第二表面区域上滑动。在从第一和第二表面区域中选择的至少一个接收区域上形成用于保持油的薄膜，该用于保持油的薄膜比接收区域更亲油。所述用于保持油的薄膜是包含元素硅、钛和锆中的一者与烃基的化合物。

文件EP3002637描述了一种钟表系统，其包括第一部件，该第一部件具有至少一个第一功能区域，在钟表系统操作期间，该至少一个第一功能区域与第二部件的至少一个第二功能区域产生摩擦接触；其中第一功能区域和第二功能区域中的至少一个具有受控的亚微米结构。

发明内容

本公开涉及一种用于钟表机构的微机械部件，该部件的至少一部分由基于碳或氧化铝的结晶矿物材料构成，部件包括用于产生滑动和/或枢转接触的至少一个接触表面；该接触表面局部地包括具有三维纹理的至少一个微结构化区域；该三维纹理由微腔形成，使得微结构化区域比非微结构化的接触表面更疏油，和/或该三维纹理由微柱（micro-pilier）形成，使得微结构化区域比非微结构化的接触表面更亲油；微结构化区域被构造成将润滑物质局部地限制在接触表面的润滑部分上。微结构化区域根据以下替代方案之一来构造：纹理由微腔形成，并且微结构化区域在润滑部分的外围处延伸；或者纹理由微柱形成，并且微结构化区域在润滑部分中延伸；或者微结构化区域包括第一微结构化区域和第二微结构化区域，第一微结构化区域包括由微腔形成的纹理并在润滑部分的外围处延伸，第二微结构化区域包括由微柱形成的纹理并在润滑部分中延伸。

在此描述的部件改善了润滑物质在接触表面的部分中的限制。根据微结构化区域的构造，可以在接触表面附近或接触表面上设置亲油和疏油区域的不同布置。因此，微结构化区域允许根据不同的润滑应用来控制润滑物质在接触表面的部分中的空间定位。这里描述的部件还可以改善接触表面的该部分中的润滑物质的供应。

附图说明

在附图所示的描述中示出了本发明的实施例，其中：

图1示意性地示出了根据一个实施例的微机械部件，该微机械部件包括具有微结构化区域的接触表面；

图2示出了根据一个实施例的具有由微腔形成的三维纹理的微结构化区域；

图3显示了包含微腔的纹理的MEB显微照片；

图4示出了根据一个实施例的具有由微柱形成的三维纹理的微结构化区域；

图5显示了包含微柱的纹理的MEB显微照片；

图6示出了根据一个实施例的波纹微结构的MEB显微照片；

图7显示了由微柱形成的纹理的MEB显微照片，纹理上叠加了波纹微结构；

图8示意性地示出了根据另一实施例的包括具有微结构化区域的接触表面的部件；

图9示意性地示出了根据一个实施例的包括具有第一微结构化区域和第二微结构化区域的接触表面的部件；和

图10示意性地示出了根据一个实施例的包括具有接近接触区域的微结构化区域的接触表面的部件。

具体实施方式

图1示意性地示出了根据一个实施例的用于钟表机构的微机械部件10。部件10包括至少一个接触表面100，接触表面100的至少一部分用于产生滑动和/或枢转接触，例如与钟表机构的另一部件产生滑动和/或枢转接触。

部件10全部或部分由基于碳或氧化铝（Al₂O₃）的结晶矿物材料构成。优选地，结晶矿物材料是天然的或合成的金刚石、红宝石，或蓝宝石。其他材料也是可能的，例如聚合物、金属或金属合金、陶瓷、二氧化硅、玻璃、硅等。

完全或部分由结晶矿物材料构成的部件10包括接触表面100，该接触表面100局部地包括至少一个微结构化区域110。微结构化区域110可以比非微结构化的接触表面100更疏油。替代地，微结构化区域110可以被制成比非微结构化的接触表面100更亲油。

根据图2所示的实施例，微结构化区域110具有由微腔20形成的三维纹理。微腔20通常具有朝向腔20底部逐渐变细的大致截头圆锥形状。微腔20在表面处的横向尺寸L在5 µm和150 µm之间，优选在10 µm和60 µm之间。微腔20的高度H与横向尺寸L的比率在0.01和1之间。微腔20是非连通的，即腔20彼此不流体连通。

图3显示了包含微腔20的三维纹理的显微照片（放大两倍），微腔20形成于传统钟表红宝石（Verneuil红宝石Al₂O₃Cr，劈理、切割和抛光）的单晶颗粒中。微腔的横向尺寸L约为25 µm。

根据图4所示的另一实施例，微结构化区域110具有由微柱30形成的三维纹理。微柱30通常具有朝向微柱30的顶部逐渐变细的大致截头圆锥形状。微柱30在其底部处的横向尺寸L在5 µm和150 µm之间，优选在10 µm和60 µm之间。微柱30的高度H与横向尺寸L的比率在0.01和1之间。

考虑到产生接触的钟表部件的尺寸，微腔20和微柱30的横向尺寸L在10 µm和60 µm之间对于钟表应用更有利。

图5显示了三维纹理的MEB 显微照片（放大两倍），包括在与图3相同的单晶红宝石颗粒中形成的微柱20。微柱30具有大约25 µm的横向尺寸L。

在又一实施例中，微结构化区域110包括波纹微结构40。图6显示了在与图3相同的单晶红宝石颗粒中形成的波纹微结构40的MEB显微照片。波纹微结构40通常具有由平行槽纹构成的双重纹理，平行槽纹通常宽度在7和12 µm之间且深度小于1 µm（通常为0.2至0.9µm）。沿着槽纹，深度由具有微米周期（通常为1 µm）和振幅小于0.2 µm的振荡来调制。

根据又一实施例，微结构化区域110包括由微柱30形成的纹理，纹理上叠加了波纹微结构40。图7显示了在与图3相同的红宝石单晶颗粒中制造的这种纹理的MEB显微照片。

微腔20和微柱30的纹理可以以规则图案排列，例如六边形或正方形，或者以不规则图案排列。微结构化区域110中的微腔20或微柱30的密度可以在0.1和0.9之间，优选在0.4和0.8之间。

在这些实施例中，使用飞秒激光来制造纹理，所述纹理包括波纹微结构、微腔20、微柱30和具有叠加的波纹微结构的微柱30。然而，其他纹理制造方法也是可能的，例如微加工、机械加工、金刚线或其他方法。

接触表面100的润湿性和相对于液体或多或少的亲油或疏油特性已经通过在接触表面100上方没有微结构化区域110的情况下和接触表面100上方包括微结构化区域110的情况下测量由微插管连续注射的液滴的在前进期间被动态获取的接触角（

）来评估，例如，具体如图8所示。特别地，接触角

的测量是用The Swatch Group Research andDevelopment Ltd.（斯沃琪集团研究和开发有限公司）的Moebius分公司生产的Synth-A-lube 9010钟表油进行的。结晶矿物材料是红宝石。

接触角的测量是在接触表面100的自然状态下（没有准备）以及在化学处理之后进行的，在该实施例中，化学处理包括溶剂清洗然后氧等离子处理的组合。这种准备允许将表面的碳污染降低到低于10%at.的阈值。在自然状态下（碳污染大于10%at.）对于所有测试的样品，接触角小于30°。

在已经经受了上述准备，随后经受了基膜处理的接触表面100上进行接触角的测量。在基膜处理期间，接触表面100涂覆了非常薄的含氟聚合物薄膜。特别地，基膜处理是用来自Moebius的标准制表产品Fixodrop®进行的。

表1报告了在非微结构化的接触表面100和具有微结构化区域110的接触表面100上测量的接触角

，微结构化区域110具有由微腔20形成、由微柱30形成和仅由波纹微结构形成的纹理。接触角

也是在特定的接触表面100上测量的，该接触表面100具有由微柱30形成的纹理，该纹理上叠加了波纹微结构。对具有以下尺寸的纹理进行测量：横向尺寸L为25.6±0.6 µm、深度为13.8±0.2 µm的微腔20、横向尺寸L为15±1 µm、高度为8至9 µm的微柱30、以及谷顶高度为6±0.5 µm、顶间间距为0.2至0.9 µm的波纹微结构。微腔20以六边形图案排列，微柱以正方形图案排列。波纹微结构以10 µm的周期的条带排列。

表1显示了微腔20形成的纹理在前进过程中能获得约62°的接触角

，这明显高于非微结构化的接触表面100上的测量值（

）。对于微腔20形成的纹理，前进过程中测量的接触角

与包括基膜薄膜（基膜）的非微结构化的接触表面100的接触角（

）相似。包含基膜薄膜的由微腔20形成的纹理使得可以获得大约125°的接触角

，即在没有基膜薄膜的情况下测量的接触角的两倍。包含基膜薄膜的由微腔20形成的纹理的疏油特性特别显著。在存在基膜薄膜的情况下，油滴表现出挂接（钉扎，pinning）效应，并且油滴一离开纹理化表面，就趋于在邻近微结构化区域110的非微结构化表面上滚动和固定。

由微柱30形成的纹理导致接触角

约为21°，因此明显小于由微腔20形成的纹理获得的接触角。包括叠加的波纹微结构的微柱30形成的纹理导致接触角

约为19°，也明显小于由微腔20形成的纹理获得的接触角。具有或不具有叠加的波纹微结构的微柱30形成的纹理比非微结构化的接触表面100更亲油。

对于仅包括波纹微结构的微结构化区域110，测量了约30°的接触角

。波纹微结构对接触角以及接触面100的亲油/疏油特性影响很小。

微结构化区域110因此允许钟表油的润湿性受到影响。特别地，由微柱30形成的纹理允许表面比非微结构化的接触表面100更亲油，并且由微腔20形成的纹理允许表面比非微结构化的接触表面100更疏油。

根据一个实施例，微结构化区域110包括用于改变表面能的物质薄膜。该薄膜可以包括纳米厚度的薄膜，该薄膜包含氟化活性剂。该薄膜可以包括基膜薄膜。在包含由微腔20形成的纹理的微结构化区域110上添加这种薄膜允许通过累积效应进一步增加微结构化区域110的疏油特性。

根据一个实施例，包括微结构化区域110的接触表面100可以接受氧等离子处理，可能在溶剂清洗之后。这种氧等离子处理增加了包括由微腔20形成的纹理的微结构化区域110的疏油性，并增加了包括由微柱30形成的纹理的微结构化区域110的亲油性。

上述观察适用于横向尺寸L在5 µm和150 µm之间的微腔20或微柱30，以及高度H与微腔20的横向尺寸L之比在0.01和1之间的微腔20或微柱30。

上述观察也适用于微结构化区域110中的微腔20或微柱30的密度，包括0.1和0.9之间的微腔20或微柱30。

再次参考图1，接触表面100包括润滑部分120，即接触表面100的用于接收润滑物质（例如，钟表油等）的部分。润滑部分120可以对应于接触表面100的用于产生滑动和/或枢转接触的所述至少一部分。微结构化区域110在润滑部分120的外围处延伸。在微结构化区域110比润滑部分120更疏油的情况下，微结构化区域110将润滑物质限制在润滑部分120内。为此，微结构化区域110可以包括由微腔20形成的纹理。接触表面100的润滑部分120是非微结构化的，因此比微结构化区域110更亲油。

根据图8所示的替代实施例，微结构化区域110在润滑部分120中延伸，并且接触表面100的其余部分是非微结构化的。在这种情况下，微结构化区域110因为包括由微柱30形成的纹理，或者可能包括叠加的波纹微结构的微柱30，比接触表面100的其余部分更亲油。

在图9所示的又一实施例中，接触表面100包括在润滑部分120外围处延伸的第一微结构化区域111和在润滑部分120中延伸的第二微结构化区域112。在这种构造中，第一微结构化区域111优选比第二微结构化区域112更疏油，以便将润滑物质限制在润滑部分120内。

例如，第一微结构化区域111可以具有由微腔20形成的纹理，第二微结构化区域112可以具有由微柱30形成的纹理。这种构造的优点在于，第二微结构化区域112的亲油性质已经将润滑物质保留在润滑部分120中，这种限制通过在润滑部分120的外围处的疏油的第一微结构化区域111得到增强。

微结构化区域110可以包括第一微结构化区域111，其可以在接触表面100的整个其余部分上延伸，即润滑部分120外部的整个接触表面100。

包括第一和第二微结构化区域111、112的微结构化区域110的其他布置也是可能的，使得微结构化区域110在接触表面100的一部分或整个接触表面100上延伸。

由微腔20形成的纹理的腔20也可以用作润滑物质的储存器。润滑物质然后可能被截留在微腔20中。在这种情况下，微腔20向接触表面100提供润滑剂供应。

接触表面100上的微结构化区域110的其它空间组合也是可能的，以便在接触表面100上获得或多或少疏油和/或亲油的区域的布置。微结构化区域110的不同空间组合可以与改变表面能的物质的薄膜和/或氧等离子处理相结合，以改变微结构化区域110的疏油和/或亲油特性。这样，润滑物质在润滑部分120附近和/或润滑部分内的限制可以被优化，以确保润滑剂持久定位在该区域中。

图10示意性地示出了根据另一个实施例的部件，其中接触表面100包括在条带中的两个微结构化区域110，该条带在两个微结构化区域110之间界定了润滑部分120。这种布置在线性接触的情况下（在微结构化区域110的条带方向上）可能是有利的。

微结构化区域110可以包括在钟表部件10上，特别是滑动和枢转钟表部件，其例如抵靠另一静止或运动的钟表部件。

例如，微结构化区域110可以包括在枢转或支承石、擒纵托盘、板销、齿或其他功能性或装饰性零件上。

附图标记列表

10部件

100接触表面

110微结构化区域

111第一微结构化区域

112第二微结构化区域

120润滑部分

20微腔

30微柱

40波纹微结构

前进时的接触角

L横向尺寸

H高度。

Claims (13)

1.一种用于钟表机构的微机械部件（10），所述部件的至少一部分由基于碳或氧化铝的结晶矿物材料构成，其包括用于产生滑动和/或枢转接触的至少一个接触表面（100）；

所述接触表面（100）局部地包括具有纹理的至少一个微结构化区域（110）；

所述纹理由微腔（20）形成，使得所述微结构化区域（110）比非微结构化的所述接触表面（100）更疏油，和/或所述纹理由微柱（30）形成，使得所述微结构化区域（110）比非微结构化的所述接触表面（100）更亲油；

其特征在于，

所述微结构化区域（110）被构造成将润滑物质局部地限制在所述接触表面（100）的润滑部分（120）上；

所述纹理由微腔（20）形成，并且所述微结构化区域（110）在所述润滑部分（120）的外围处延伸；或者

所述纹理由微柱（30）形成，并且所述微结构化区域（110）在所述润滑部分（120）中延伸；或者

所述微结构化区域（110）包括第一微结构化区域（111）和第二微结构化区域（112），所述第一微结构化区域（111）包括由微腔（20）形成的纹理并在所述润滑部分（120）的外围处延伸，所述第二微结构化区域（112）包括由微柱（30）形成的纹理并在所述润滑部分（120）中延伸。

2.根据权利要求1所述的部件，

其中，所述材料包括红宝石、蓝宝石或金刚石。

3.根据权利要求1或2所述的部件，

其中，波纹微结构（40）叠加在由所述微柱（30）形成的纹理上。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的部件，

其中，所述微结构化区域（110、111）包括允许改变表面能的物质的薄膜。

5.根据权利要求4所述的部件，

其中，所述微结构化区域（110）包括基膜薄膜。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的部件，

其中，所述微腔（20）和所述微柱（30）的横向尺寸（L）在5 µm和150 µm之间。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的部件，

其中，所述微腔（20）和所述微柱（30）的横向尺寸（L）在10 µm和60 µm之间。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的部件，

其中，所述微腔（20）和所述微柱（30）的高度（H）与横向尺寸（L）的比率在0.01和1之间。

9.根据权利要求3至8中任一项所述的部件，

其中，所述波纹微结构由宽度在7 µm和12 µm之间且深度小于1 µm的平行槽纹构成。

10.根据权利要求9所述的部件，

其中，所述深度在0.2 µm和0.9 µm之间。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的部件，

其中，所述微结构化区域（110）中的所述微腔（20）或所述微柱（30）的密度在0.1和0.9之间。

12.根据权利要求1至10中任一项所述的部件，

其中，所述微结构化区域（110）中的所述微腔（20）或所述微柱（30）的密度在0.4和0.8之间。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的部件，

其包括枢转或支承石、擒纵托盘、或板销、或齿中的至少一种。

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