CN1418295A

CN1418295A - 弹簧、驱动机构以及应用这种弹簧的装置和时计

Info

Publication number: CN1418295A
Application number: CN01802726A
Authority: CN
Inventors: 原辰男
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2000-07-11
Filing date: 2001-07-06
Publication date: 2003-05-14
Also published as: US20020191493A1; WO2002004836A2; JP2004502910A; WO2002004836A3

Abstract

一种作为电子控制机械时计驱动机构的条盒齿轮1具有主发条1A，该主发条具有弹性材料表面，该表面上涂覆有由DLC薄膜构成的膜。该主发条1A具有极好的抗腐蚀性和较低的摩擦阻力，同时因为有膜而可以充分地确保其韧性和刚性，所以可以增加该弹簧的比例极限，从而增加主发条1A上聚集的能量。

Description

弹簧、驱动机构以及应用这种弹簧的装置和时计

技术领域

本发明涉及用作机械元件的弹簧、驱动机构以及应用这种弹簧的装置和时计。

背景技术

通常按照要求的用途，通过加工具有弹性的材料例如钢和不锈钢来制造具有弹性模量的各种弹簧。

例如，众所周知用于驱动汽油发动机进气阀和排气阀的螺旋弹簧、用于装在车轮周围的吸震器的板簧以及用作玩具和时计动力源的主发条。

因为对于驱动玩具的主发条不需要很长的驱动时间和经久的耐用性，所以可采用钢作的弹簧或用不锈钢做的弹簧。

另一方面，因为对于驱动时计例如驱动手表的弹簧需要很长的驱动时间和经久耐用，所以采用包含铬、钴、镍等元素的合金制作弹簧，由此可以得到具有极好允许应力和疲劳强度的高性能弹簧。

用包含钴、镍等元素的合金作的弹簧不容易受到化学试剂例如酸的腐蚀，具有相当好的抗腐蚀性。

另外，当将弹簧卷起来，使得在弹簧中聚集相当大的机械能，然后再退卷弹簧释放出聚集在弹簧上的机械能时，由于在弹簧和安装弹簧的盒子例如弹簧条盒之间的接触以及绕卷的弹簧侧面之间的接触，因而产生滑动阻力，从而损失机械能。因此采用包含二硫化钼的润滑剂或通过表面处理例如用聚四氟乙烯涂层，可以减小弹簧的滑动阻力。

聚集在弹簧例如螺旋弹簧上的能量与电池相比较小。

例如，在时计的螺旋弹簧上聚集的能量密度约为原电池的千分之一和次级电池的十分之一，所以用弹簧进行驱动只能得到约两天的驱动时间。另一方面，用原电池进行驱动，驱动时间则在两年以上。

顺便说说，当增加弹簧例如螺旋弹簧上聚集的能量时，弹簧的抗腐蚀性便降低，因此弹簧不能长期使用，形成寿命问题。

另外，因为滑动阻力随聚集能量的增加而增加，所以从弹簧获得的机械能减小，这样，即使聚集的能量增加，实际可用的能量便很不充分。

本发明的目的是提供一种能够增加聚集能量的弹簧、驱动机构以及使用这种弹簧的装置和时计。

本发明的另一目的是提供一种具有极好抗腐蚀性的弹簧、驱动机构以及使用这种弹簧的装置和时计。

本发明的再一目的是提供一种能够减小滑动阻力的弹簧、驱动机构以及应用这种弹簧的装置和时计。

发明内容

本发明的第一方面是一种通过加工弹性材料制作的弹簧，该弹簧的至少一部分表面上形成一种膜，该膜的组分和机械特性不同于该材料。

弹性材料不仅指具有极好弹性的弹性部件例如钢和不锈钢，而且还指相当软的材料例如具有中等弹性的合成树脂。

该膜包括粘接在材料表面上的其他物质的薄膜、氧化金属材料表面形成氧化膜以及从材料表面扩散到材料内部的另一种物质的扩散层。

按照本发明的第一方面，因为弹簧由机械特性互不相同的材料组成，可通过利用材料和薄膜中固有的极好机械特性使弹簧获得极好的抗腐蚀性，减小其滑动阻力以及增加在弹簧上聚集的能量。

具体是，在弹簧上聚集的能量U可以用以下公式表示：

U＝(V/6)*(6²/E)

在此公式中，V代表弹簧体积，6代表弹簧的比例极限，而E代表杨氏模量。

按照此公式，因为在弹簧上能够聚集的能量U反比于杨氏模量，而正比于比例极限的平方，所以在得到预定的杨氏模量时，可以增加弹簧的比例极限。

在材料或膜中的二者之一可采用高弹性组份，而对材料和膜中之另一种可采用高韧性组分时，用这种方法可以在增加比例极限的同时确保杨氏模量，由此可以增加聚集的能量。

特别是在材料上形成刚性膜时，杨氏模量和比例极限均可增加，而且在弹簧上聚集的能量U正比于比例极限的平方，所以可以在增加杨氏模量时可靠地增加聚集能量。

当膜由超抗腐蚀特性的组分组成时，不管材料的化学特性如何，均可使弹簧具有超抗腐蚀特性。

对于膜采用具有极好自润滑性的组分或具有极小滑动阻力组分时，可以减小弹簧的滑动阻力，而不需要外加润滑剂或表面处理。

在上述弹簧中，薄膜最好比材料硬度大。

当薄膜比材料硬时，即使材料相当软，通过膜也可以获得充分大的杨氏模量，并增加弹簧的比例极限，所以通过材料的组分可以确保足够的韧性，这样便可容易的增加聚集能量，而不显著增加弹簧的体积。

可以在弹簧上形成许多层膜，而不只形成一层膜。例如，可以层积具有不同组分的许多层膜，或可以层积组分含量比显著不同的许多膜。

按照上述配置，即使在不能用一层单一膜来改进与材料粘结强度、抗腐蚀性和弹簧滑动阻力所有这些特性时，可采用具有不同特性的许多种膜，利用其中一种膜来改进粘结强度，而利用其中其余的膜来改进抗腐蚀性和滑动性，因而可以获得高性能的弹簧。

例如，可以制备第一种组分和第二种组分，第一种组分具有很大的刚性，对材料具有较小的粘结强度，而第二种组分对第一膜和材料具有很强的粘接性，由第二组分组成的第二膜可以直接形成在材料上，而由第一组分组成的第一膜可以形成在第二膜上，由此可以得到具有很大粘结强度的第一膜。

或者可以制备第一组分和第二组分，前者具有很大的刚性和较差的抗腐蚀性和自润滑性，而后者具有极好的抗腐蚀性和自润滑性，并可以在材料上直接形成由第一组分构成的第一膜，而在第一膜上形成由第二组分构成的第二膜，由此可以获得抗腐蚀性和自润滑特性具佳的弹簧。

在上述弹簧中，材料最好加工成带状并绕成螺旋形，使弹簧变成主发条。

当弹簧绕成主发条时，除在材料上因形成薄膜而增加聚集的能量外，因为弹簧的形状适合于用机械法聚集能量，其聚集的能量大于同样尺寸的其它形式弹簧的聚集能量，因此增加了能量密度。

材料最好在使材料弹性形变时受到压力作用的表面上形成膜。

因此，即使膜的组分对压力具有很大的刚性和耐用性，而对于张力较差时，或形成对材料具有较小粘结强度的膜时，因为膜形成在受压力作用的部分，所以膜不会从材料上剥离下来，即使弹簧发生形变，因此可以防止弹簧受到损坏。

该膜可以是涂覆在材料表面上的比材料硬的一种物质的薄膜。

有各种具有很大刚性和抵抗压力的强度的组分涂覆成膜。这种材料很容易得到，但具有较小的抗腐蚀性和滑动阻力，因此通过涂覆这种组分的膜可以增加聚集的能量，并且可以得到具有极好抗腐蚀性和较小滑动阻力的弹簧。

例如，当在材料上涂覆有主要由碳形成的膜时，可以获得类似于金刚石的硬度，可以增加聚集在弹簧上的能量，并使弹簧具有极好的抗腐蚀性，而且显著减小弹簧的滑动阻力。

该材料由非金属材料组成。

按照本发明的上述第一方面，即使材料的弹性不够大，换言之，即使不能用这种材料得到足够大的杨氏模量，也可以利用膜确保足够的弹性，所以可利用非金属组分例如合成树脂制造这种材料。

另外，可以应用具有极好韧性的组分例如由芳族聚酰胺纤维增强的合成树脂可以用作材料的组分，所以可以增加韧性，同时也增加聚集的能量。

薄膜最好用物理气相蒸发法形成在材料上，这种方法的成膜的温度约在室温。

物理气相蒸发法可以是其成膜温度为0-100C的高真空电弧放电气相蒸发法。按照真空电弧放电气相蒸发法，在材料上形成碳膜材料时，其成膜温度约在20-60C范围内。

因此，可以采用容易受到热影响的合成树脂材料做材料，由此扩大了材料组分的选择范围。

当利用能够进行准确加工的材料例如合成树脂形成该材料时，可以利用注射成型法等有效地制造高性能弹簧。

另一方面，膜不限于在上述材料表面上涂覆的薄膜，该膜可以是比材料硬度大的扩散层，形成方法是，使对构成材料物质具有很强结合性的扩散物质从材料表面扩散到材料其内部。

当用扩散层作膜时，因为采用具有不同机械特性的材料和膜而形成弹簧，如在用薄膜作为膜的上述布置中那样，所以通过利用材料和膜中固有的极好机械特性可以赋予弹簧极好的抗腐蚀性，减小该弹簧的滑动阻力，并增加在弹簧上聚集的能量。

当该材料是包含铬的不锈钢合金时，最好采用对铬具有极强结合性的氮做扩散物质。

该材料最好用能够进行热迁移处理的金属组成。

由于应用这种金属材料，因为即使在金属加热到高温时，与其它材料例如合成树脂相比也能容易的保持其机械特性和形状，所以在材料的扩散处理期间可以增加处理温度，加快扩散物质的扩散速度，从而减小扩散处理所需的时间。

最好利用扩散处理法在材料上形成扩散层，这种扩散处理将一种包含扩散物质元素的分子气体引入到高真空炉中，使扩散物质从材料的表面扩散到其里面。

因此，由于硬扩散层是通过在材料中混合扩散物质而形成的，所以在扩散层和材料的界面上不会形成易脆裂的层，因而即使在不断重复弹性变形时，也不会造成扩散层的损坏和剥离，由此可以得到寿命长的弹簧。

本发明的第二方面是采用上述形成的弹簧的驱动机构。

按照第二方面，因为能够增加弹簧上聚集的能量，所以与同样尺寸的一般机构相比，可以延长连续的驱动时间。

另外，根据驱动机构的用途，通过选择材料和膜的组分可以提高驱动机构的性能。

例如，当膜的组分具有极好的抗腐蚀性时，便可以提高驱动机构的抗腐蚀性。另外，当膜的组分具有极好的自润滑性时，即使弹簧产生的驱动力相同，从驱动机构释放的驱动力也比用普通弹簧的驱动机构大。

本发明的第三方面是一种采用上述弹簧的装置。

按照本发明第三方面，像在本发明的第二方面一样，因为可以增加在弹簧上聚集的能量，所以可以增加连续的驱动时间。

另一方面，当不需要长的驱动时间时，可以减少弹簧的尺寸，所以可以减小采用该弹簧的驱动机构，因而可以减小装置的尺寸。

本发明的第四方面是一种利用上述弹簧的电子控制机械时计的动力源，或简单的机械时计的动力源。

本发明的第四方面具体是一种电子控制时计或一种时计，前者包括：用于聚集机械能的机械能聚集装置；由机械能聚集装置驱动的发电机；使机械能聚集装置和发电机相互连接的齿轮系；连接于齿轮系的指示器；用于控制发电机转速的转动控制器，后者包括机械能聚集装置，该时计由该机械能聚集装置驱动，在这些时计中，机械能聚集装置使用弹簧，在弹簧材料的至少部分表面具有膜，该膜的组分和机械特性不同于该材料。

按照本发明的第四方面，因为聚集在弹簧上的能量增加，而且可以增加一定弹簧体积的能量即能量密度，所以在应用同样尺寸的弹簧时采用本发明第一方面的弹簧可以延长时计的驱动时间。另外，因为在达到相同驱动时间时可以减小弹簧的尺寸，所以可以减小时计的尺寸和重量。

附图说明

图1是平面图，示出本发明第一实施例的主要部分；

图2是沿图1的II-II线截取的横截面图；

图3是沿图1的III-III线截取的横截面图；

图4是截面图，示出本发明第一实施例的条盒齿轮；

图5是方块图，示出第一实施例发电机的转动控制电路；

图6是平面图，示出本发明第二实施例；

图7是截面图，示出第二实施例的主要部分；

图8是截面图，示出本发明第三实施例的主要部分。

具体实施方式

下面参照附图说明本发明的实施例。

[第一实施例]

图1～图3示出本发明第一实施例的电子控制机械时计。图1是第一实施例的主要部分的截面图，图2是沿图1中II-II线截取的截面图，而图3是沿图1中III-III线截取的另一截面图。

电子控制机械时计是一种本发明的装置，其中装在条盒齿轮1中的主发条1A是利用主发条1A驱动发电机20的驱动机构，该主发条可以将发电机20的驱动速度调节到恒定速度，从而以恒定速度旋转接合于发电机20的指示器13、14和17。

在附图中，条盒齿轮1具有条盒1B、条盒心轴1C、条盒盒体1D以及主发条1A。

条盒心轴由底板2和齿轮系保持器3支承，并由方孔螺栓5固定，该螺栓随棘轮4一起转动。

该棘轮与反冲棘爪6啮合，该棘爪允许顺时针转动而不允许反时针转动。因为用于使棘轮4顺时针转动而上紧主发条1A的机构与自动上紧和手动上紧的机械时计一致，所以省去其说明。

主发条1A的转动驱动力通过由齿轮7到11组成的加速齿轮系传动到发电机20。

具体是，从条盒1B到第二轮7转数乘以7，从第二轮7到第三轮8转数乘以6.4，从第三轮8到秒针轮9转数乘以9.375，从秒针轮9到第五轮10转数乘以3，从第五轮10到第六轮11转数乘以10，从第六轮11到转子12转数乘以10。因此，条盒1B的转动驱动力被传送到转子12，转数乘以126000。

齿轮7～11组成机械能传送装置，用于将作为机械能源的主发条1A的机械能传送到发电机20。

第二轮7具有空心轴小齿轮7A和固定于该空心轴小齿轮7A的分针13。秒针14固定于秒针轮9。时针17固定于时针轮7B。

可以调节条盒1B的转动速度，使得第二轮7每小时转动一圈，秒针轮9每分钟转动一圈，由此可设定转子12的转速在每秒转8圈。条盒1B的转数是每小时1/7圈，各个针13、14和17构成指示时间的时间指示器。

作为机械能源的主发条1A具有整个的带形结构，卷成螺旋形，如图4所示。图4(A)是水平截取条盒齿轮1得到的平的截面图。而图(4B)是垂直截取条盒齿轮1得到的截面图。

在主发条1A的外端上形成比其它部分厚的接合部分1E，该接合部分固定于形成于条盒齿轮1内侧面的凹槽1F上。由于将接合部分1E固定于凹槽1F上，所以由上紧主发条1A产生的顺时针转动驱动力作用于条盒齿轮1。

另一方面，在主发条1A的内端上形成穿过主发条1A前、后侧面的接合孔1G，该孔与形成在条盒心轴1C侧面上的突出部1H啮合。这种啮合孔1G与突出部1H的啮合使得条盒心轴1C的顺时针转动驱动力可作用于回绕的主发条1A。

因此，利用作用于棘轮4的顺时针驱动力便可上紧主发条1A。

形成主发条1A的方法是，将韧性极好而又耐用的材料加工成带状，该材料由含铬、钴、镍的合金组成。构成主发条1A材料的主成分和其含量比(重量百分数)是如下：

Co：30-45％，Ni：10-20％，Cr：8-15％，W：3-5％，Mo：3-12％，C：小于0.03％，Ti：0.1-2％，Mn：0.1-2％，Si：0.1-2％，Fe：余量。

在主发条1A的两侧面上形成涂上具有不同机械特性的膜。例如可以应用商品名为SPRON的合金(由SEIKO CORPORATION公司制造)作形成主发条1A的合金。

该膜可以是由比材料硬的非晶质刚性金刚石形碳(以后称作“DLC”)组成的薄膜。该膜采用固体碳通过高真空电弧放电气相蒸发法形成在材料的表面上，用高真空电弧放电的气相蒸发法是一种物理气相蒸发法，该法能够在约室温的成膜温度下例如20～60C沉积气相。

此种膜具有极好的抗腐蚀特性，不会溶解在酸或碱中，并且具有光滑的表面，其摩擦系数约为0.1。这种膜使弹簧1A的表面具有极好的抗腐蚀性和很高的自润滑性。

形成比合金组成材料硬的DLC膜可以确保杨氏模量足够大。另外，膜可以比通常用的膜薄，只要能够确保充分的韧性即可。因此，弹簧1A的厚度小于能够产生同样转矩的普通弹簧的厚度。

回到图1和图3，发电机20具有转子12、定子15和线圈组件16。转子12具有转子永久磁铁12A、转子小齿轮12B和惰性盘12C。该惰性盘12C用于减少条盒11B的驱动转矩的波动，从而可以减小转子12的频率波动。定子15具有绕在定子主体15A上的4万圈定子线圈15B。

线圈组件16具有绕在磁芯16A上的11万圈线圈16B。定子主体15A和磁心16A由磁性物质例如PC坡英合金组成。定子线圈15B和线圈16B串联，以增加互感输出电压。

可利用下面说明的转动控制电路23可将发电机20的转速调节到预定的速度。虽然，在通常的时计中可将发电机20的转速设定在一个单一的值，但在时计中例如计时器中该转速可以切换到许多值。

图5示出在第一实施例中包含转动控制电路23的电路布置。

发电机20是交流发电机，利用弹簧1A的转动驱动力产生感应的电动力。发电机20的交流输出是增压的，并利用也是增压的整流器21转换成直流，然后输送到包含电容器的电源22。

转动控制线路23具有输出预定频率信号的振荡器、用于使振荡器24输出信号分频的分频器25、用于检测装在发电机20上的用于检测转子12转速的转动检测器26以及用于控制作用在转子12上制动力的制动控制器27。

振荡器24是采用石英振荡器24A的振荡电路，该石英振荡器能够在预定的频率(32.768kHz)稳定震动，此频率不太容易受到温度变化等的影响。可以根据振荡器24的振荡调节转子12的转速。

分频器25具有12级双稳态多谐振荡器，用于输出使振荡器24输出的预定频率(32.768kHz)分频的低频(8kHz)信号fs。

转动检测器26输出转动检测信号FG，该信号对应于发电机20转子12的转速。为除去噪音，通过带通滤波器使发电机20的输出电压的波形整形，然后再滤出检测信号FG。

制动控制器27将作为转动速度标准的信号fs与检测信号FG相比较，然后按照比较结果调节流过发电机20定子线圈15B和线圈16B的电流，由此可以调节作用在发电机20转子12上的电磁制动力。

例如，为了精密调节作用在转子12的电磁制动力可以应用一种装置，该装置具有与开关元件例如晶体管和直流电阻串联的线路，从而可使开关元件进行高速开关操作，由此可以相对于切断时间调节接通时间，这样便可准确调节电磁制动的装置的制动力。

当制动控制器27检测到转动检测信号FG的频率高于信号fs时，相对于断开时间延长接通时间，从而增强电磁制动装置的制动力。另一方面，当转动检测信号FG的频率低于信号fs时，制动控制器27相对于断开时间将缩短接通时间，由此可以减小电磁制动装置的制动力，从而使指针13、14和17指示出准确的时间。

按照上述第一实施例，可以获得以下优点。

因为主发条1A由具有不同机械特性的组分例如合金材料和DLC膜构成，所以材料可以确保韧性，而刚性膜可以确保充分大的杨氏模量，因而可以增加主发条1A的比例极限，这样便可增加主发条1A上聚集的能量。

因为采用具有极好防腐蚀性和具有平滑表面与低摩擦系数的DLC膜来覆盖材料，所以主发条1A可以获得很好的防腐蚀特性，因为其滑动阻力减少，所以在从主发条1A中释放转动驱动力时，可以减少摩擦损失，获得更大转矩。

另外，由于可以增加作为驱动机构的主发条1A上聚集的能量，所以连续驱动电子控制机械时计的时间长于同样尺寸的一般主发条的时间，由此延长了驱动电子控制时钟的驱动时间。

另外，因为采用比合金材料硬的DLC膜来确保利用膜可获得到足够大的杨氏模量，并且可以在能够获得足够韧性的范围内减少材料的厚度，从而减少主发条1A的厚度，所以可以有效增加从完全退卷到绕到一定限度的主发条的绕卷数，因此也增加了在主发条1A上聚集的能量。

因为主发条1A是形成为带状的螺旋结构的弹簧，所以适合用机械方法聚集能量，使得与同样尺寸的其它形式的弹簧相比增加聚集能，因而增加了能量密度。

另外，由于采用固体碳通过高真空电弧放电的气相蒸发法来形成膜，即使在热处理材料例如硬化和退火处理之后也可在材料的表面上形成膜，这是因为高真空电弧放电的气相蒸发法是一种物理气相沉积法，这种蒸发法能够在约为室温例如20～60℃的成膜温度下沉积气相，所以材料不会受到加热的影响，因此可以在成形膜之后，保持材料的特性。

[第二实施例]

图6和7示出本发明第二实施例。第二实施例用上述第一实施例弹簧的主发条作板簧33，用于对作为键盘30的键31的按钮32施加偏压。

在图6中，键盘是个人计算机的手动输入装置，包括许多键31。

如图7A所示，相应的键31具有相当硬的增强板34和膜触点部分35，前者不会因操作时作用于按钮32上的压力而使其弯曲，而后者配置在增强板34上。

膜触点部分35具有一对柔性的电极片36和电极片内表面上形成的电极图案，间隔板38形成在电极片36之间，并具有对应于按钮32位置的孔37。在相应的片36上形成一对触点39，这对触点在间隔板38的孔内处于相对位置。

与板簧33形成一体的板簧片33A位于膜触点部分35的上侧。板簧片33A具有相当硬的平板材料。板簧片33A的材料组分可以是弹性相当大的合成树脂，例如聚丙烯、聚酰胺、聚乙醛和聚三氟氯乙烯，或金属。

位于膜触点部分35一侧的板簧片33A的表面具有用真空电弧放电蒸发法形成的DLC膜。即使当材料由不能确保膜和材料之间具有足够粘结强度的组分组成时，但是因为在受压力作用的表面33B上形成膜，所以当板簧33变形时，该膜不会从材料上剥离下来。

板簧33的形成方法是切割一部分板簧片33A，并使该部分以膜触点部分的相反方向抬起。板簧33的材料上以DLC膜涂覆在发生弹性变形时受压力作用的表面33B上。

加压部分33C的形成方法是切割板簧33的一部分，并使该部分向膜触点部分35的一侧抬起。该板簧33和加压部分33C位于盒形外壳40内，该外壳形成在板簧片33A的上侧。

按钮32是盒形部件，稍大于外壳40并覆盖外壳40，以垂直活动的方式装在键盘30上。伸向板簧33的突出部32A设置在按钮32的内部。

因此，当按钮32克服板簧33的偏压力被压下时，突出部32A便通过如图7(B)所示的板簧33压向膜触点部分35的一侧，从而使一对在膜触点部分35内的触点39相互接触。

按照第二实施例，可以获得以下优点。

由于DLC膜利用高真空电弧放电气相蒸发法形成在板簧片33A的膜触点部分35一侧的表面33B上，使得在板簧33变形时只有压力作用在膜上，该膜不受到张力的作用，所以即使在材料由不能确保膜和器件之间具有足够粘结强度的组分组成时，膜也不会从材料上剥离，因此提高了板簧33的使用时间。

[第三实施例]

图8示出本发明的第三实施例。该第三实施例应用第二实施例的板簧33作卷簧41。

在图8中，键42通过作用在按钮43上的压力可使增强板34上膜触点部分35内的触点39相互接触。

该膜触点部分35的上部分由平盖44覆盖。在该盖44在对应于膜触点部分35上触点39的位置形成孔44A。将具有合成树脂弹性材料的橡胶弹簧45装在该孔44A内。

橡胶弹簧45具有在合成树脂弹性材料的整个表面上形成的DLC膜。该膜用高真空电弧放电气相蒸发法形成。该膜使橡胶弹簧45具有极好的能防止溶于酸、碱和有机溶剂的抗腐蚀特性。另外，即使在作为材料的合成树脂橡胶很软，而且不能单独地利用材料来获得足够的弹性，但是通过DLC膜，该橡胶弹簧也具有足够的弹性。圆柱形突出部45A形成在橡胶弹簧45上，用于加压膜触点部分35。

在构成键盘30底座的盒子46内设置增强板34、膜触点部分35、盖板44和橡胶弹簧45。

在外壳46上形成孔47、圆柱形导向件48和卡住部分49，该孔47形成在对应于设在膜触点部分35上触点39的位置上，该圆柱形导向件48沿孔47向上延伸，该卡住部分49具有L形横截面，配置在导向件48的外面。

在按钮43的背侧形成接合突出部50、圆柱形滑动导向件51和突出部52，该接合突出部具有卡子50A，该卡子可以接合外壳46的卡住部分49，该圆柱形滑动导向件51具有与导向件48接触的外周缘，以便引导按钮43的垂直运动，该突出部52用于接合卷簧41，防止其发生水平运动。

有底的圆柱形滑动部件53可滑动地设置在圆柱形滑动导向件51内。

滑动部件53在其底部上具有用于接合卷簧41以防止其水平运动的凸出部54。在滑动部件53和按钮43中间插入卷簧41，而且橡胶弹簧45布置在滑动部件53和膜触头部分35之间。

因此，当按钮43克服卷簧41和橡胶弹簧45的偏压力被下压时，橡胶弹簧45的突出部45A将加压膜触点部分35，从而使膜触点部分35内的一对触点39彼此接触。

卷簧41具有在线状钢材的整个表面上形成的DLC膜。该膜可利用高真空电弧放电的气相蒸发法形成。卷簧41具有极好的抗腐蚀性，因为有膜而不会溶于酸和碱，并在其表面上具有较低的摩擦系数。

按照第三实施例可以得到以下优点。

因为应用了橡胶弹簧45，而该橡胶弹簧具有在合成树脂材料的整个表面上形成的DLC膜，所以橡胶弹簧45具有极好的抗腐蚀性，而不会溶解于酸、碱和有机溶液。另外，当合成树脂橡胶只因为材料原因太软而没有足够的弹性时，可以利用DLC膜使橡胶弹簧45具有足够的弹性。因此可利用注射成型法等形成合成树脂橡胶，由此可以有效地制造高性能的橡胶弹簧45。

另外，因为卷簧41具有在线状钢材的整个表面上形成的DLC膜，所以可使钢材具有极好的抗腐蚀性，由此加长了键盘30的使用寿命。另外，因为可以降低卷簧41表面上的摩擦系数，所以可以进行平滑的操作，提高其操作性能。

[第四实施例]

本发明的第四实施例具有由扩散层形成的膜，其中利用真空扩散法使扩散物质从材料的表面进行扩散，而不采用用第一实施例中的物理气相沉积法形成薄膜。第四实施例的布置除在主发条1A上形成膜而外与上述第一实施例的装置相同，下面说明由扩散层构成的膜，但省去其它部件的说明。

膜是扩散层，其中采用氮作扩散物质，氮与作为主发条1A材料的合金中包含的铬具有强烈结合作用，这种膜用真空气体渗氮处理形成，这种处理在真空炉中是使氮扩散到材料内部。

真空气体渗氮处理可以是例如Kanuc CORPORATION公司的“Kanuc处理”和“新Kanuc处理”。

“Kanuc处理”的梗概是：将具有氮原子的主要包含NH₃的渗氮催化气体输送到高真空的其中放置材料的真空炉内；加热材料(加热温度：480-550℃，加热时间：3-5小时)；使氮扩散到材料中，由此形成氮的扩散层。

“新Kanuc处理”是用于进一步强化在“Kanuc处理”中形成的扩散层，其中对已由“Kanuc处理”的材料扩散层上再加热，使其形成第一扩散层，该扩散层的氮原子密度高于在其表面上用“Kanuc处理”形成的扩散层的密度，而在第一扩散层的背面形成第二扩散层，该扩散层的氮原子密度低于第一扩散层，由此形成双结构的扩散层。

按照第四实施例，可以得到与第一实施例相同的作用和优点。另外，因为在材料中通过扩散氮形成很硬的扩散层，所以在扩散层和材料之间的边界层上不形成易脆裂的层，所以在重复弹性变形后仍可防止扩散层的损坏和脱开，由此获得极耐用的主发条1A。

下面参考特定具体实验说明本发明的效果。

[试验]

本发明可以例示说明，在上述第一和第四实施例中，用作驱动机构的装在条盒齿轮上的主发条其聚集的能量大于常规主发条。

在这些试验中，试验1采用主发条1A，该主发条具有在SPRON材料的表面上形成的DLC薄膜层，而试验2采用主发条1A，该主发条具有在SPRON材料表面上用“Kanuc处理”形成的氮的扩散层，。

在试验1中，可以减小主发条的厚度，只要能够得到预定的转矩，其中将主发条1A装在内径为11.1mm，条盒心轴直径为2.8mm和条盒外侧壁厚度为1.45mm的条盒齿轮1中。然后测量从退卷状态到完全绕紧状态的弹簧的绕卷数。

在试验2中，为了在材料上形成扩散层，应用“Kanuc处理”，并设法形成其性能与试验1性能相同的主发条1A，结果可以获得其性能与试验1性能相同的主发条1A。

试验1和2的主发条1A的相应部分的尺寸、杨氏模量、最大扭矩T和绕卷数N示于表1。

	主发条的厚度(mm)	主发条的宽度(mm)	主发条的长度(mm)	杨氏模量(Pa)	最大扭矩T(N/m)	绕卷数N
	主发条的厚度(mm)	主发条的宽度(mm)	主发条的长度(mm)	杨氏模量(Pa)	最大扭矩T(N/m)	绕卷数N	试验1	0.12	1.4	408	3.0×10¹⁰	1.3×10^-2	8.4
试验2	0.12	1.4	408	3.0×10¹⁰	1.3×10^-2	8.4	试验1	0.12	1.4	408	3.0×10¹⁰	1.3×10^-2	8.4
试验2	0.12	1.4	408	3.0×10¹⁰	1.3×10^-2	8.4	比较例	0.13	1.4	370	3.0×10¹⁰	1.3×10^-2	7.6

[比较例]

比较例是一个常规主发条的例子，用于比较这些试验中的主发条1A。

在此比较例中，采用简单的用SPRON的主发条，该主发条能够获得作为主发条1A的最大扭矩。该主发条装在同样的条盒齿轮1中，然后测量该主发条从退卷状态到完全卷紧状态的绕卷数。

主发条相应部分的尺寸、杨氏模量、最大扭矩T和绕卷数N示于表1。

[试验和比较例的比较]

当比较试验1、2以及比较例时，试验1和2的主发条具有更多的绕卷数，由此可以延长驱动电子控制机械时计的驱动时间，该试验与比较例相比，能量增加11％。

当试验1和2的主发条用于简单的机械时计时，可以聚集在机械时计上的能量增加约11％，因此增加了驱动机械时计的时间。

本发明不限于相应的实施例和试验，而且包含可以达到本发明的目的的各种改变和变型。

例如，主发条不限于在其两侧面上具有刚性膜的主发条，而且可以应用这样的主发条，这种主发条仅在螺旋形盘簧的一个中心侧面(内侧面)上具有刚性膜，而在其它外缘面(外侧面)上没有刚性膜。

因此，虽然在刚性膜上总是作用压应力而不受到张应力的作用，使得即使在绕卷主发条时受到很大的应力，刚性膜也不会受到损坏，这是因为刚性膜对于压应力具有很高的耐用性。另外，因为刚性膜形成在主发条的一个侧面上，所以可以限制刚性膜的厚度到最小，从而可以减小整个主发条的厚度，并由此增加绕卷数，延长主发条的驱动时间。

另外，当刚性膜形成在主发条的两侧面时，形成刚性膜中在一个侧面的一个膜其厚度可以大于形成在另一侧面的另一刚性膜的厚度。例如在受压力作用的表面上形成的刚性膜可以作得厚些，而在受张应力作用的表面上形成的刚性膜可以做得薄一点。另外，在两个侧面上形成刚性膜的类型可以不同。换言之，可以在另一个侧面上形成其特性不同于在一个侧面上形成的刚性膜特性的刚性膜。

弹簧构件的材料不限于上述实施例中说明的合金、钢和合成树脂，而可以是其它的合金例如不锈钢、金属和非金属。按照本发明，即使在弹簧构件的材料没有如此好的特性时，利用涂覆的膜也可以提高弹簧的性能。

作为膜的薄膜不限于DLC薄膜，而可以是多晶金刚石和单晶金刚石的薄膜、陶瓷薄膜例如氮化硅膜、碳化硅膜、氧化铝膜、碳化钛膜、氮化钛膜、立方晶体氮化硼膜，或金属薄膜例如镍-磷电镀膜。

薄膜的成膜方法不限于真空电弧放电的气相蒸发法，而可以是物理成膜方法例如其它的气相蒸发法、溅射法和离子电镀法以及化学成膜法例如热化学气相沉积法、等离子体气相沉积法和光学化学气相沉积法。然而最好采用其成膜温度约在室温的成膜方法。

作为膜的扩散层不限于氮的扩散层，而可以是由其它元素构成的扩散层，例如在材料是钢时，可以是扩散到材料中的碳、铍、钼、钨、钒、钛和钽的扩散层。

作为膜的扩散层不仅可以由气体扩散处理法例如“kanuc处理”和“新kanuc处理”形成，而且可以用固体扩散法或液体扩散法形成，在固体扩散法中固体扩散剂放在扩散炉内并密封在其中，液体扩散法中将材料浸在包含扩散物质的液体中，然后加热。然而因为材料不会由于“kanuc处理”和“新kanuc处理”而发生变形，如在第四实施例中那样，所以即使在进行扩散处理后，也可以制造适用于作为一种精确装置的时计的弹簧。

形成在材料上的膜不限于单层膜，而可以是许多不同类型的膜。因此如果仅用单层膜不能改进与材料的粘结强度、弹簧的抗腐蚀性以及滑动特性，则可以形成许多种具有不同特性的膜，这样，便可以用一种膜提高粘结强度，而用其余的膜改进抗腐蚀特性和滑动特性，由此可以获得高性能弹簧。

例如可以制备刚性大而与材料粘结强度小的第一组分以及第二组分，该第二组分均可牢固粘接在第一膜和材料上，由第二组分组成的第二膜可以直接形成在材料上，而由第一成分组成的第一膜则形成在第二膜上，由此可以改进膜的粘结强度。

另外，可以制备刚性大而抗腐蚀性和自润滑性差的第一组分以及抗腐蚀性和自润滑性均佳的第二组分，并将第一组分构成的第一膜直接形成在材料上，而将第二组分构成的第二膜形成在第一膜上，由此，可改进弹簧的抗腐蚀性，又可改进其自润滑性。

另外，时计不限于控制发电机转速的电子控制机械时计，而可以是用摆轮和擒纵轮控制转速的普通机械时计。另外，条盒不仅用一个而可以用一个以上的条盒。

[工业应用]

本发明涉及用作机械元件的弹簧、驱动机构以及用此弹簧的装置和时计，该弹簧例如可适用作卷簧，用于驱动汽油发动机的进口阀和出口阀，适合用作车轮上的吸震器以及玩具、时钟、音乐盒等的动力源。

Claims

1.一种弹簧，通过加工一弹性材料制造，该材料表面的至少一部分上具有膜，该膜的组分和机械特性不同于该材料。

2.如权利要求1所述的弹簧，其特征在于，该膜比该材料硬。

3.如权利要求1或2所述的弹簧，其特征在于，可以形成许多层膜。

4.如权利要求1～3中任一项所述的弹簧，其特征在于，该材料被加工成带形，并绕成螺旋形，使得弹簧变成主发条。

5.如权利要求1～4中任一项所述的弹簧，其特征在于，该膜形成在该材料弹性变形时受到压力作用的表面上。

6.如权利要求1～5中任一项所述的弹簧，其特征在于，该膜是一种涂覆在该材料表面上的比该材料硬的物质的薄膜。

7.如权利要求6所述的弹簧，其特征在于，该材料由非金属形成。

8.如权利要求6或7所述的弹簧，其特征在于，该膜利用物理气相蒸发法形成在该材料上，这种物理气相蒸发法的成膜温度约为室温。

9.如权利要求1～5中任一项所述的弹簧，其特征在于，该膜是比该材料硬的扩散层，其形成方法是，使一扩散物质从该材料表面扩散到其内部，该扩散物质可强烈地与构成该材料的组分结合。

10.如权利要求9所述的弹簧，其特征在于，该材料由能够进行热迁移处理的金属构成。

11.如权利要求9或10所述的弹簧，其特征在于，该扩散层利用扩散处理法形成在该材料上，该处理将包含扩散物质元素的分子气体输送到高真空炉中，然后使该扩散物质从该材料的表面扩散到其里面。

12.一种应用如权利要求1～11中任一项所述的弹簧作为一动力源的驱动机构。

13.一种应用如权利要求1～11中任一项所述的弹簧的装置。

14.一种电子控制时计，包括：

一用于聚集机械能的机械能蓄能器；

一发电机，由该机械能蓄能器驱动；

一齿轮系，使该机械能蓄能器和该发电机相互连接；

一连接于该齿轮系的指示器；

一用于控制该发电机转速的转动控制器；以及

其特征在于，应用如权利要求1～11中任一项所述的弹簧作为该机械能蓄能器。

15.一种时计，包括机械能蓄能器，并由该机械能蓄能器驱动，其特征在于，应用如权利要求1～11中任一项所述的弹簧作为该机械能蓄能器。