JP2008544290A - 強化された微小機械部品 - Google Patents

Abstract

たとえば時計ムーブメントの部品など、微小機械部品は、シリコン製コア（１）を備え、その表面（３）の全体または一部が、厚い非晶質材料（２）によって被覆される。この材料は、好ましくは、二酸化ケイ素であり、天然の二酸化ケイ素の厚さの５倍の厚さを有する。

Description

本発明は、改善された機械的特性を与えるために処理される、シリコン製の微小機械部品に関する。これはたとえば、非限定的であるが、時計の機械的ムーブメントのための微小機械部品、すなわち、たとえば文字板と関連付けた時間表示を行うために針を駆動するための、エネルギーの伝達及び／または変換などを行うための、能動機能を有する部品か、たとえばホイールセットを位置決めするための受動部品の、いずれかである。

シリコンは、機械部品、特に、「純正」部品、すなわちそれが形成される基板上に連結されたままとなる部品、または、時計ムーブメントの連鎖に属する部品など「自由部品」の両方である、微小機械部品の製造においてますます頻繁に使用されている材料である。

歯車、関節部品、またはばねなどの微小機械部品を製造するために、従来から使用されている金属または金属合金と比べて、シリコンは、３分の１から４分の１の密度を有し、したがって大幅に低減された慣性を有し、磁界の影響を受けないという利点を有する。これらの利点は、時計の分野では、エネルギー源がばねで形成される場合の時計の等時性と動作継続期間の両方に関して、特に興味深いものである。

しかし、シリコンは、組立て中に避けがたい、動作において不可避の、あるいは、たとえば使用者が自身の腕時計を何かにぶつけるか落とす場合などの偶然の、衝撃の影響を受けやすいことで知られている。

本発明の一目的は、シリコン微小機械部品の機械的抵抗、特に衝撃に対する抵抗を改善するための、解決法を提供することである。

したがって、本発明は、その表面全体または表面の一部が厚い非晶質材料で被覆されるシリコン部品に関し、その部品は、時計ムーブメント内で動く部品であり、または動かない部品である。非晶質材料は、たとえば酸化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、または炭化チタンである。二酸化ケイ素は、好ましい材料であり、この場合その厚さは、天然の二酸化ケイ素の厚さの少なくとも５倍の厚さである。

本発明はまた、特に二酸化ケイ素の場合の熱酸化によって、厚い非晶質層の形成を可能にする方法に関し、それによって、以下の詳細な説明において説明するように、前記部品の機械的特性が大幅に増大される。

本発明の別の特徴及び利点は、添付の図面を参照しながら非限定的な例としてのみ与えられる、例示的な一実施形態の以下の説明からより明らかになるであろう。

以下で説明するように、ひげぜんまいが故障した場合、単にムーブメントの停止を観察することによってその機能不全を非常に容易に検出することができる、時計ムーブメント内に取り付けられたひげぜんまいをここで例としてとりあげた。

本ひげぜんまいは、知られている微細加工技術によって、ひげぜんまいの所望の最終的な高さよりもわずかに小さい厚さのシリコン・プレートから得られる。

たとえば、国際特許出願ＷＯ２００４／０７０４７６に開示されるように、反応性イオンエッチング技術（ＲＩＥ）を使用し、最も適当であると考えられる形状をひげぜんまいに与えることができる。

ひげぜんまいの寸法が非常に小さいことを考慮すると、ひげぜんまいのバッチを同じプレートから一度に製造することができる。

図１は、シリコン製のコアを有するひげぜんまいの断面を示し、参照番号３は、初期外部表面を指示する。このひげぜんまいは、一定の時間にわたり周囲の空気中に置くと、「自然酸化物」（図示せず）と呼ばれる二酸化ケイ素で自然に被覆され、その厚さは、ほぼ１ｎｍから１０ｎｍの間となる。

図２は、本発明に従って９００℃から１２００℃の間の表面熱酸化によって処理された後の、ひげぜんまいの同じ断面を示す。これを意図して、出版物「Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ｄｅｖｉｃｅｓ：ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」（Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ出版、ＩＳＢＮ０−４７１−８７４２４−８、１９８５年１月１日、３４１〜３５５頁）において開示されるプロトコルが適用される。すなわち、厚さ約１９μｍの二酸化ケイ素を得るために、１１００℃の温度で約１０時間かかる。図２に示すように、二酸化ケイ素は、シリコンを使用して形成され、その表面３は、形成されたＳｉＯ₂との新しい界面５を作り出すために、後方へと移動する。逆に、ＳｉＯ₂がより低い密度を有すると仮定すると、ＳｉＯ₂の外部表面７は、ひげぜんまいの初期表面を超えて延びる。これらの別々の線３、５、７は縮尺どおりに示されていないが、この処理の最後に所望の寸法を有する目的でひげぜんまいをエッチングするために、ＳｉとＳｉＯ₂の物理特性や熱処理特徴についての知識によって、初期寸法を計算することが可能であることは明らかである。

第１の一連の試験中に、酸化されていないシリコン部品及び酸化されたシリコン部品の機械的抵抗を、製造段階から組立て段階まで試験した。

シリコン部品のバッチ製造中に、部品を別々の製造段階にて操作する必要がある。この報告に記載する具体的な例では、同一のステップを経た２つのシリコン・プレートから得られるシリコン部品を検討する。

続いてこの部品を、ムーブメント内に取り付けた。試験中に、部品は、鋼製のアーバへ取り付けられ、ピンセットや測定セッティングを用いて挟まれる。ムーブメント上の最後の組立て中に、部品の中心が、中実のアーバ上へと動かされる。

以下の表は、１９個の酸化されていない部品と３６個の酸化された部品上で実行された、この試験の結果を要約する。

この試験中の、完全な一連の動作の成功率の比較は、酸化されたシリコン部品が、酸化されていない同じ部品よりも壊れやすくないことを示している。

通常のシリコン製ひげぜんまい（図１）と本発明（図２）に従って修正されたひげぜんまいの機械的特性もまた、組立て後に現実的な状況において、５０００ｇの振り子衝撃試験機を用いて比較された。

処理されていないひげぜんまい、及び本発明に従って修正されたひげぜんまいが取り付けられた、２つの同一のムーブメント上でこの機械的抵抗試験を行った。

酸化されていない、または自然酸化物の非常に薄い堆積物を有するひげぜんまいを用いたムーブメントは、衝撃によるひげぜんまいの破壊により、急激に停止した。

本発明によるひげぜんまいを用いたムーブメントは、長時間にわたり衝撃に抵抗し、動作やその等時性を、磨耗しながら３０週間より長い期間にわたり満足に維持し続けた。

したがって、驚くべきことに、１つの材料、すなわちシリコンを、より密度の低い材料、すなわち二酸化シリコンで置き換えることによって、理論的に減少が予想されていた機械的抵抗が増大した。

説明してきた例では、「厚い非晶質層」とは、二酸化ケイ素であった。同様のやり方で、窒化ケイ素または炭化ケイ素、あるいは炭化チタンまたは窒化チタンなど別の材料を使用する、別の堆積方法を用いてこの層を形成することができる。

この例は、部品のすべての表面が厚い非晶質堆積物で均一に被覆されることを示している。もちろん、適当なマスクの使用によって、部品の選択された部分上、すなわち特に機械的な応力を受ける部分上のみに堆積することも可能である。逆に、たとえばＳｉＯ₂を完全に被覆した後に、たとえば審美的な理由のため、または別のタイプの被膜を形成するために、ＢＨＦを用いた化学エッチングによって、被膜のいくつかの部分をなくすことが可能である。

図３は、厚い非晶質層上のひげぜんまい特性のために選択された材料製の被膜４が、さらなるステップによって加えられる、変形形態を示す。

上記で、時計ムーブメントのためのひげぜんまいを用いて例として説明を行ったが、時計ムーブメントの別のいかなる部品（歯車、雁木車、レバー、被枢動部品など）や、より一般的には微小機械のいかなる部品についても、同じ利点が見出されることが明らかである。

シリコン製のひげぜんまいの初期断面を示す図である。 非晶質材料の堆積後の、図１に対応する図である。 減摩被膜を堆積する追加ステップを示す図である。

しかし、シリコンは、組立て中に避けがたい、動作において不可避の、あるいは、たとえば使用者が自身の腕時計を何かにぶつけるか落とす場合などの偶然の、衝撃の影響を受けやすいことで知られている。
欧州特許第１４２２４３６号は、表面全体が非晶質の酸化ケイ素の層で被覆されたらせんバー形状で形成された、シリコン製のひげバネを開示している。この文書によれば、酸化ケイ素のヤング率の熱係数は、シリコンのそれと反対である。したがって、シリコン製のコアと酸化物の外部皮膜の組合せは、前記第１の熱係数の低減を可能にすると言われている。
この従来技術の文書は、シリコン製の部品が衝撃の影響を受けやすいという問題については述べていない。

したがって、本発明は、独立請求項１または６のうちの一方に記載の、シリコン製の微小機械材料に関する。

本発明はまた、請求項２に記載の、補強されたシリコン製部品を製造するための方法に関する。この方法は、以下の詳細な説明において説明するように、前記部品の機械的特性を大幅に増大させる厚い非晶質層の、特に熱酸化による形成を可能にする。

Claims (10)

1. 時計機構内に一体化させることが意図されるシリコン製微小機械部品であって、その全表面またはその一部が厚い非晶質材料で被覆されていることを特徴とする部品。
2. 前記非晶質材料が、酸化ケイ素、窒化ケイ素、または炭化ケイ素及び炭化チタンまたは窒化チタンからなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の部品。
3. 前記非晶質堆積物が、５０ｎｍより大きい厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の部品。
4. 前記非晶質材料が、二酸化ケイ素であり、前記二酸化ケイ素の厚さが、天然の二酸化ケイ素の厚さの少なくとも５倍の厚さであることを特徴とする請求項２に記載の部品。
5. 前記厚い非晶質堆積物は、少なくとも部分的に、ダイヤモンド様炭素（ＤＬＣ）またはカーボン・ナノチューブなど、そのトライボロジー特性のために選択された被膜で、連鎖の別の部品と接触するその部分上が被覆されていることを特徴とする請求項１に記載の部品。
6. 歯車、雁木車、レバー、またはひげぜんまいであることを特徴とする請求項１に記載の部品。
7. 補強されたシリコン製部品を製造するための方法であって、
   前記部品または前記部品のバッチをシリコン・プレート内にエッチングするステップと、
   前記部品の前記全表面を覆って、厚い非晶質材料を、１つまたは複数のステップで堆積させるステップと、を含む方法。
8. 厚い非晶質材料が、二酸化ケイ素であり、前記堆積物は、天然の二酸化ケイ素の前記厚さの少なくとも５倍の厚さを有する二酸化ケイ素層を得るのに十分な時間にわたる、前記（１つまたは複数の）部品の前記全表面の、９００℃から１２００℃の範囲の温度での熱酸化によって製作されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記方法の前記第１のステップにおいて、前記部品が、前記所望の最終寸法よりもわずかに小さい寸法だけエッチングされることを特徴とする請求項７に記載の方法。
10. 前記非晶質材料の少なくとも一部を、そのトライボロジー特性のために選択された、ダイヤモンド様炭素またはカーボン・ナノチューブなどの材料からなる被膜を用いて被覆する追加ステップをさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。

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