JP2012167808A - 機械部品、機械組立体、機械部品の製造方法および時計 - Google Patents

Abstract

【課題】 軸部材を嵌合する際に応力を緩和でき、かつ、回動運動する際に必要なエネルギーを小さくすることができる機械部品、機械部品の製造方法、機械部品組立体および時計を提供する。
【解決手段】 シリコンを主成分として構成され、軸部材１２６ｆを嵌合可能な貫通孔１２６ｋを有する機械部品１２６ｇにおいて、貫通孔の内周面が応力緩和層１２６ｓで覆われており、応力緩和層が軸部材に当接可能に構成されている。
【選択図】 図５

Description

本発明は、機械部品、機械組立体、機械部品の製造方法および時計に関するものである。

時計などの精密機械に用いられる歯車などの機械部品には、機械的な強度、精度、軽量化等が要求される。このような要求に応えるため、精密機器用の機械部品には、金属やプラスチックを加工する技術に加え、近年ではシリコン（Ｓｉ）などの半導体加工技術が応用されるようになってきた。半導体加工技術を応用すれば、微細で高精度なＳｉ製部品を製造することができる。

例えば時計などに用いられる歯車は、軸部材に嵌合させて使用する方法が知られている。ここで、時計などの精密機械に用いられる歯車は外形が小さく、厚さも薄いため、歯車に軸部材を嵌合させる際の応力が大きい。そのため、脆性材料であるＳｉ製の歯車に軸部材を嵌合させた場合、歯車が変形・破損してしまうことがある。このような課題を受け、Ｓｉ製歯車の強度を増す方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の機械部品は、Ｓｉ製歯車の表面全てを合金で覆っている。このような構造により、部品の機械強度を増し、Ｓｉの破壊を防止している。

特開２００９−７９２３４号公報

ところで、特許文献１の機械部品は、Ｓｉ製の機械部品全体を金属で覆っているため、Ｓｉのみで構成される歯車と比較して重量が大きい。そのため、歯車などの回動運動をする機械部品に用いた場合、慣性モーメントが大きくなる。慣性モーメントが大きくなると、回動運動をさせるために必要なエネルギーが大きくなるので、例えば機械式時計では持続時間が短くなるという問題があった。

そこで、本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、慣性モーメントが小さく、かつ軸部材を嵌合する際に応力を緩和できる機械部品、機械組立体、機械部品の製造方法および時計を提供するものである。

上記の課題を解決するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明に係る機械部品は、Ｓｉを主成分として構成され、軸部材を嵌合可能な貫通孔を有する機械部品において、前記貫通孔の内周面のみが金属層で覆われており、前記金属層が前記軸部材に当接可能に構成されていることを特徴としている。
このように構成することで、機械部品に軸部材を嵌合する際の応力が金属層で緩和される。すなわち、その応力は機械部品の金属層で吸収されるため、機械部品全体には反りや割れなどの発生を抑制することができる。

また、本発明に係る機械部品は、前記金属層が前記貫通孔の深さよりも小さい範囲に形成され、前記貫通孔における前記軸部材が嵌合される軸方向の少なくとも一端部の内径が、軸方向中央部の内径より拡径されていることを特徴としている。
このように構成することで、上端部が拡径されている場合は、貫通孔に軸部材を嵌合する際に、軸部材を容易に貫通孔内に挿入することができる。また、下端部が拡径されている場合は、軸部材が機械部品の貫通孔に挿通された状態で、貫通孔の下端部側と軸部材との間に空間が形成されるため、その空間に軸部材を嵌合させたときに発生する削り屑を溜めることができる。したがって、削り屑が機械部品の貫通孔から外部へ落下して外観を損ねたり、その削り屑が他の摺動部などに詰まって機能低下を引き起こしたりするのを防止することができる。

また、本発明に係る機械部品は、前記金属層が前記貫通孔における前記軸部材が嵌合される軸方向の上部と下部に分かれて形成され、前記貫通孔における前記軸部材が嵌合される軸方向中央部に周方向に延びる溝が形成されていることを特徴としている。
このように構成することで、貫通孔に軸部材を嵌合する際に、上部の金属層で発生した応力が溝で一旦逃げ、下部の金属層と嵌合する。このように応力の逃げ場を設けることによって、金属層の応力緩和効果がより向上する。

また、本発明に係る機械部品は、前記金属層が、前記Ｓｉと前記軸部材よりも軟らかいことを特徴としている。
このように構成することで、機械部品に軸部材を嵌合する際の応力が金属層でさらに緩和される。

また、本発明に係る機械組立体は、前記機械部品と前記軸部材とを備え、前記機械部品が前記軸部材を中心に回動可能に構成されていることを特徴としている。
このように構成することで、回動運動する際に、機械部品全体が金属でできている場合や全体が金属層で覆われている場合と比較して、慣性モーメントを小さくすることができる。したがって、機械部品を回動させるのに必要なエネルギーを小さくすることができる。

また、本発明に係る機械組立体は、前記機械部品と前記軸部材とを備え、前記機械部品が歯車であることを特徴としている。
このように構成することで、歯車が回動運動する際に必要なエネルギーを小さくすることができる。

また、本発明に係る機械部品の製造方法は、Ｓｉ基板を用いて、軸部材を嵌合可能な貫通孔を有する機械部品の製造方法であって、前記Ｓｉ基板の上層における前記機械部品の形成領域にマスクを形成する工程と、該マスクを用いて前記上層を下層まで異方性エッチングするエッチング工程と、エッチングされた前記Ｓｉ基板の前記貫通孔の内周面を金属層で覆う金属膜積層工程と、を有していることを特徴としている。
このように半導体プロセスを利用することにより、精密機械加工を用いることなく低コストで応力緩和のための金属層を形成することができる。また、機械部品を精度よく製造することができる。このようにして製造された機械部品に軸部材を嵌合すると、軸部材を保持するための応力が金属層で緩和される。すなわち、その応力は機械部品の金属層で吸収されるため、機械部品全体には反りや割れなどの発生を抑制することができる。

また、本発明に係る機械部品の製造方法は、前記金属膜積層工程が、前記機械部品の表面を前記金属層で覆う工程と、前記金属層の表面にレジストを塗布する工程と、前記貫通孔の内部を残して前記レジストを除去する工程と、前記貫通孔の内部を残して前記金属層を除去する工程と、を有していることを特徴としている。
このように、貫通孔の内周面のみ前記金属層を形成することができるため、慣性モーメントを小さくすることができる。したがって、機械部品を回動させるのに必要なエネルギーを小さくすることができる。

また、本発明に係る機械部品の製造方法は、前記エッチング工程が、前記マスクを用いて前記上層を所定深さまで異方性エッチングするエッチング工程と、エッチングされた前記Ｓｉ基板の前記貫通孔の内周面を金属層で覆う工程と、前記Ｓｉ基板の下層を所定深さまでエッチングする工程と、を有していることを特徴としている。
このようにプロセスの最後にＳｉ基板から機械部品を得るため、複数の機械部品を一枚の基板で同時に製造することができる。したがって、生産効率を向上することができる。

また、本発明に係る時計は、上述した機械部品と時刻を計時する装置の組立部品とを備えていることを特徴としている。
また、本発明に係る時計は、前記組立部品が、番車、がんぎ車およびアンクルの少なくともいずれか一つであることを特徴としている。
このように構成することで、貫通孔に形成された金属層により軸部材を嵌合する際の応力を金属層で吸収することができるため、時計の組立部品に反りや割れなどが生じるのを抑制することができる。したがって、番車、がんぎ車、およびアンクルが正確に回動するために時計の精度を向上させることができる。また、貫通孔の内周以外は軽量のＳｉで構成されているため、組立部品の慣性モーメントを小さくすることができる。したがって、番車、がんぎ車、およびアンクルが回動するために必要なエネルギーが小さくなるために時計の持続時間を長時間にすることができる。

本発明に係る機械部品によれば、機械部品と軸部材を嵌合すると、機械部品の貫通孔に形成された金属層により応力が緩和される。すなわち、その応力は金属層の部分で吸収されるため、機械部品全体には反りや割れなどの発生を抑制することができる。さらに、機械部品の貫通孔内周以外はＳｉで構成されているため、機械部品が回動する際の慣性モーメントが小さくなり、回動するために必要なエネルギーを小さくすることができる。したがって、本発明の機械部品を用いた時計の持続時間を長時間にすることができる。

本発明の実施形態における機械式時計のムーブメント表側の平面図である（一部の部品を省略し、受部材は仮想線で示している）。 本発明の実施形態における香箱からがんぎ車の部分を示す概略部分断面図である。 本発明の実施形態におけるがんぎ車からてんぷの部分を示す概略部分断面図である。 本発明の実施形態における三番車を示す上面図である。 図４のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 本発明の実施形態における三番歯車の製造方法を示す説明図（１）である。 本発明の実施形態における三番歯車の製造方法を示す説明図（２）である。 本発明の実施形態における三番歯車の製造方法を示す説明図（３）である。 本発明の実施形態における三番歯車の製造方法を示す説明図（４）である。 図９の状態を示す平面図である。 本発明の実施形態における三番歯車の製造方法を示す説明図（５）である。 図１１の状態を示す平面図である。 本発明の実施形態における三番歯車の製造方法を示す説明図（６）である。 本発明の実施形態における三番歯車の製造方法を示す説明図（７）である。 図１４の状態を示す平面図である。 本発明の実施形態における三番歯車の製造方法を示す説明図（８）である。 本発明の実施形態における三番歯車の製造方法を示す説明図（９）である。 図１７の状態を示す平面図である。 本発明の実施形態における三番歯車の製造方法を示す説明図（１０）である。 本発明の実施形態における三番歯車の製造方法を示す説明図（１１）である。 本発明の実施形態における三番歯車の製造方法を示す説明図（１２）である。 図２１の状態を示す平面図である。 本発明の実施形態における三番歯車の製造方法を示す説明図（１３）である。 図２３の状態を示す平面図である。 図５の三番かなを嵌合する前の状態を示す断面図である。 本発明の実施形態における三番歯車の別の製造方法を示す説明図（１）である。 本発明の実施形態における三番歯車の別の製造方法を示す説明図（２）である。 本発明の実施形態における三番歯車の別の製造方法を示す説明図（３）である。 本発明の実施形態における三番歯車の別の製造方法を示す説明図（４）である。 図２９の状態を示す平面図である。 本発明の実施形態における三番歯車の別の製造方法を示す説明図（５）である。 図３１の状態を示す平面図である。 本発明の実施形態における三番歯車の別の製造方法を示す説明図（６）である。 本発明の実施形態における三番歯車の別の製造方法を示す説明図（７）である。 本発明の実施形態における三番歯車の別の製造方法を示す説明図（８）である。 本発明の実施形態における三番歯車の別の製造方法を示す説明図（９）である。 本発明の実施形態における三番歯車の別の製造方法を示す説明図（１０）である。 本発明の実施形態における三番歯車の別の製造方法を示す説明図（１１）である。 図３８の状態を示す平面図である。 本発明の実施形態における三番歯車の別の製造方法を示す説明図（１２）である。 図４０の状態を示す平面図である。 本発明の実施形態における三番歯車の別の製造方法を示す説明図（１３）である。 図４２の状態を示す平面図である。 本発明の実施形態における三番歯車の別の製造方法を示す説明図（１４）である。 図４４の状態を示す平面図である。 本発明の実施形態における三番歯車の別の製造方法に用いるフォトマスクを示す平面図である。 本発明の第二実施形態における三番歯車の断面図である。 本発明の第二実施形態における三番車の製造方法を示す説明図（１）である。 図４８の露光方法を示す説明図である。 本発明の第二実施形態における三番車の製造方法を示す説明図（２）である。 図５０の状態を示す平面図である。 本発明の第二実施形態における三番車の製造方法を示す説明図（３）である。 図５２の状態を示す平面図である。 本発明の第二実施形態における三番歯車の三番かなとの嵌合方法を示す説明図である。 本発明の実施形態における三番歯車の別の態様を示す断面図である。 本発明の実施形態における三番歯車の製造に用いる基板の別の態様を示す断面図である。

（実施形態）
次に、本発明に係る機械部品の第一実施形態を図１〜図４６に基づいて説明する。なお、本実施形態では、機械部品として機械式時計に用いられる歯車（番車）の場合について説明する。

（機械式時計）
図１〜図３に示すように、機械式時計のムーブメント１００は、ムーブメント１００の基板を構成する地板１０２を有している。地板１０２の巻真案内穴１０２ａには、巻真１１０が回転可能に組み込まれている。文字板１０４（図２参照）はムーブメント１００に取り付けられる。一般に、地板１０２の両側のうち、文字板１０４が配される側をムーブメント１００の裏側と称し、文字板１０４が配される側の反対側をムーブメント１００の表側と称する。ムーブメント１００の表側に組み込まれる輪列を表輪列と称し、ムーブメント１００の裏側に組み込まれる輪列を裏輪列と称する。

おしどり１９０、かんぬき１９２、かんぬきばね１９４、裏押さえ１９６を含む切換装置により、巻真１１０の軸線方向の位置が決められている。きち車１１２は巻真１１０の案内軸部に回転可能に設けられている。巻真１１０が、回転軸線方向に沿ってムーブメント１００の内側に一番近い方の第１の巻真位置（０段目）にある状態で巻真１１０を回転させると、つづみ車の回転を介してきち車１１２が回転する。丸穴車１１４は、きち車１１２の回転により回転する。また、角穴車１１６は、丸穴車１１４の回転により回転する。角穴車１１６が回転することにより、香箱車１２０に収容されたぜんまい１２２（図２参照）を巻き上げる。

二番車１２４は、香箱車１２０の回転により回転する。がんぎ車１３０は、四番車１２８、三番車１２６、二番車１２４の回転を介して回転する。香箱車１２０、二番車１２４、三番車１２６、四番車１２８は表輪列を構成する。

表輪列の回転を制御するための脱進・調速装置は、てんぷ１４０と、がんぎ車１３０と、アンクル１４２とを含む。てんぷ１４０は、てん真１４０ａと、ひげぜんまい１４０ｃとを含む。二番車１２４の回転に基づいて、筒かな１５０が同時に回転する。筒かな１５０に取り付けられた分針１５２が「分」を表示する。筒かな１５０には、二番車１２４に対するスリップ機構が設けられている。筒かな１５０の回転に基づいて、日の裏車の回転を介して、筒車１５４が回転する。筒車１５４に取り付けられた時針１５６が「時」を表示する。

ひげぜんまい１４０ｃは、複数の巻き数をもったうずまき状（螺旋状）の形態の薄板ばねである。ひげぜんまい１４０ｃの内端部は、てん真１４０ａに固定されたひげ玉１４０ｄに固定され、ひげぜんまい１４０ｃの外端部は、てんぷ受１６６に固定されたひげ持受１７０に取り付けたひげ持１７０ａを介してねじ締めにより固定されている。緩急針１６８は、てんぷ受１６６に回転可能に取り付けられている。また、てんぷ１４０は、地板１０２およびてんぷ受１６６に対して回転可能に支持されている。

香箱車１２０は、香箱歯車１２０ｄと、香箱真１２０ｆと、ぜんまい１２２とを備えている。香箱真１２０ｆは、上軸部１２０ａと、下軸部１２０ｂとを含む。香箱真１２０ｆは、炭素鋼などの金属で形成されている。香箱歯車１２０ｄは黄銅などの金属で形成されている。

二番車１２４は、上軸部１２４ａと、下軸部１２４ｂと、かな部１２４ｃと、歯車部１２４ｄと、そろばん玉部１２４ｈとを含む。二番車１２４のかな部１２４ｃは香箱歯車１２０ｄと噛み合うように構成されている。上軸部１２４ａと、下軸部１２４ｂと、そろばん玉部１２４ｈは、炭素鋼などの金属で形成されている。歯車部１２４ｄはニッケルなどの金属で形成されている。

三番車１２６は、上軸部１２６ａと、下軸部１２６ｂと、かな部１２６ｃと、歯車部１２６ｄとを含む。三番車１２６のかな部１２６ｃは歯車部１２４ｄと噛み合うように構成されている。

四番車１２８は、上軸部１２８ａと、下軸部１２８ｂと、かな部１２８ｃと、歯車部１２８ｄとを含む。四番車１２８のかな部１２８ｃは歯車部１２６ｄと噛み合うように構成されている。上軸部１２８ａと、下軸部１２８ｂは、炭素鋼などの金属で形成されている。歯車部１２８ｄはニッケルなどの金属で形成されている。

がんぎ車１３０は、上軸部１３０ａと、下軸部１３０ｂと、かな部１３０ｃと、歯車部１３０ｄとを含む。がんぎ車１３０のかな部１３０ｃは歯車部１２８ｄと噛み合うように構成されている。アンクル１４２は、アンクル体１４２ｄと、アンクル真１４２ｆとを備えている。アンクル真１４２ｆは、上軸部１４２ａと、下軸部１４２ｂとを含む。

香箱車１２０は、地板１０２および香箱受１６０に対して回転可能に支持されている。すなわち、香箱真１２０ｆの上軸部１２０ａは、香箱受１６０に対して回転可能に支持される。香箱真１２０ｆの下軸部１２０ｂは、地板１０２に対して、回転可能に支持される。二番車１２４、三番車１２６、四番車１２８、がんぎ車１３０は、地板１０２および輪列受１６２に対して回転可能に支持されている。すなわち、二番車１２４の上軸部１２４ａ、三番車１２６の上軸部１２６ａ、四番車１２８の上軸部１２８ａ、がんぎ車１３０の上軸部１３０ａは、輪列受１６２に対して回転可能に支持される。また、二番車１２４の下軸部１２４ｂ、三番車１２６の下軸部１２６ｂ、四番車１２８の下軸部１２８ｂ、がんぎ車１３０の下軸部１３０ｂは、地板１０２に対して、回転可能に支持される。

アンクル１４２は、地板１０２およびアンクル受１６４に対して回転可能に支持されている。すなわち、アンクル１４２の上軸部１４２ａは、アンクル受１６４に対して回転可能に支持される。アンクル１４２の下軸部１４２ｂは、地板１０２に対して、回転可能に支持される。

香箱真１２０ｆの上軸部１２０ａを回転可能に支持する香箱受１６０の軸受部と、二番車１２４の上軸部１２４ａを回転可能に支持する輪列受１６２の軸受部と、三番車１２６の上軸部１２６ａを回転可能に支持する輪列受１６２の軸受部と、四番車１２８の上軸部１２８ａを回転可能に支持する輪列受１６２の軸受部と、がんぎ車１３０の上軸部１３０ａを回転可能に支持する輪列受１６２の軸受部と、アンクル１４２の上軸部１４２ａを回転可能に支持するアンクル受１６４の軸受部には、潤滑油が注油される。また、香箱真１２０ｆの下軸部１２０ｂを回転可能に支持する地板１０２の軸受部と、二番車１２４の下軸部１２４ｂを回転可能に支持する地板１０２の軸受部と、三番車１２６の下軸部１２６ｂを回転可能に支持する地板１０２の軸受部と、四番車１２８の下軸部１２８ｂを回転可能に支持する地板１０２の軸受部と、がんぎ車１３０の下軸部１３０ｂを回転可能に支持する地板１０２の軸受部と、アンクル１４２の下軸部１４２ｂを回転可能に支持する地板１０２の軸受部には、潤滑油が注油される。この潤滑油は、精密機械用油であるのが好ましく、いわゆる時計油であるのが特に好ましい。

地板１０２のそれぞれの軸受部、香箱受１６０の軸受部、輪列受１６２のそれぞれの軸受部には、潤滑油の保持性能を高めるために、円錐状、円筒状、または円錐台状の油溜め部を設けるのが好ましい。油溜め部を設けると、潤滑油の表面張力により油が拡散するのを効果的に阻止することができる。地板１０２、香箱受１６０、輪列受１６２、アンクル受１６４は、黄銅などの金属で形成してもよいし、ポリカーボネートなどの樹脂で形成してもよい。

（番車の構造）
次に、本実施形態の番車の構造について説明する。なお、番車の構造は略同一であるため、三番車１２６を用いて説明する。

図４〜図５に示すように、三番車１２６は、三番かな１２６ｆと、三番歯車１２６ｇとを備えている。三番歯車１２６ｇの厚さＴ０は、例えば、１０μｍ以上１０ｍｍ以下である。三番かな１２６ｆは、上軸部１２６ａと、下軸部１２６ｂと、かな部１２６ｃとを備えている。三番歯車１２６ｇは、応力緩和層１２６ｓ、中心支持部１２６ｈと、あみだ部１２６ｊ（本実施形態では、５本）と、歯車部１２６ｄとを備えている。三番かな１２６ｆは、炭素鋼などの金属で形成されている。三番歯車１２６ｇは、応力緩和層１２６ｓはニッケル（Ｎｉ）などの金属で形成され、中心支持部１２６ｈと、あみだ部１２６ｊと、歯車部１２６ｄはシリコン（Ｓｉ）で形成されている。そして、三番車１２６は、三番歯車１２６ｇの中心に形成された貫通孔１２６ｋに三番かな１２６ｆを挿通して固定されている。 ここで、図５に示すように、Ｓｉ基板で形成された中心支持部１２６ｈには、直径Ｄ１の貫通孔１２６ｌが形成されている。応力緩和層１２６ｓは中心支持部１２６ｈの貫通孔１２６ｌの内周面に形成されている。そして、応力緩和層１２６ｓの内周面が、三番歯車１２６ｇの貫通孔１２６ｋを形成している。この応力緩和層１２６ｓが三番かな１２６ｆに当接されて固定されている。また、応力緩和層１２６ｓの厚さＴ１は、例えば、１μｍ以上１００μｍ以下である。

（番車の製造方法）
次に、本実施形態の歯車（三番歯車１２６ｇ）の製造方法について説明する。図６〜図２４は三番歯車１２６ｇの製造方法を説明する図である。
図６は、三番歯車１２６ｇを形成するためのＳｉ基板１０である。Ｓｉ基板１０の厚さは、製造する三番歯車１２６ｇの厚さＴ０とする。

図７は、ＳｉＯ₂膜１２（マスク）を形成した図である。Ｓｉ基板１０の上に、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）膜１２を形成する。ＳｉＯ₂膜１２は、スパッタやＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などの方法を用いて製造することができる。ＳｉＯ₂膜１２の厚さは１０nm以上１０μm以下で形成する。

図８は、フォトレジスト１１を塗布した図である。ＳｉＯ₂膜１２上にフォトレジスト１１を堆積する。フォトレジスト１１はネガ型でもポジ型でもよい。フォトレジスト１１の厚さは１μm以上１mm以下で形成する。

図９は、フォトレジスト１１を露光・現像した図である。貫通孔１２６ｋにあたる円の径が、図５のＤ１に相当する三番歯車１２６ｇのパターンが形成されたフォトマスク（不図示）を用いて、フォトレジスト１１に紫外線やX線等の露光光を照射し、三番歯車１２６ｇに当たる部分のフォトレジスト１１を硬化させる。ただし、貫通孔１２６ｋにあたる部分は、応力緩和層１２６ｓの厚さＴ１の分だけ径が大きい。そして、未硬化のフォトレジスト１１部分を除去し、ＳｉＯ₂膜１２のエッチングパターンが完成する。図１０は、図９の平面図である。

図１１は、ＳｉＯ₂膜１２をエッチングした図である。フォトレジスト１１の部分を残して、露出しているＳｉＯ₂膜１２をエッチングする。エッチングはドライエッチングでもウエットエッチングでもよい。例えば、ドライエッチングの場合は、エッチングガスに三フッ化メタン（ＣＨＦ₃）などを用い、ウエットエッチングの場合は、エッチング液にフッ酸（ＨＦ）などを用いる。図１２は図１１の平面図である。

図１３は、フォトレジスト１１を除去した図である。エッチングによってフォトレジスト１１を除去する。この工程は、後の工程に差し支えなければ省略してもよい。

図１４は、Ｓｉ基板をエッチングした図である。ＳｉＯ₂１２の部分を残して、Ｓｉ基板１０を底面側まで垂直な方向に異方性エッチングする。Ｓｉ基板１０の異方性エッチングは、ＤＲＩＥ（Ｄｅｅｐ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）などのドライエッチング加工で行う。エッチングガスには、例えば六フッ化硫黄（ＳＦ₆）などを用いる。図１５は図１４の平面図である。

図１６は、ＳｉＯ₂膜１２を除去した図である。エッチングによってＳｉＯ₂膜１２を除去する。エッチングはドライエッチングでもウエットエッチングでもよい。例えば、ドライエッチングの場合は、エッチングガスにＣＨＦ₃などを用い、ウエットエッチングの場合は、エッチング液にＨＦなどを用いる。この工程は、後の工程に差し支えなければ省略してもよい。

図１７は、金属層１３を形成した図である。Ｓｉ基板１０の表面に金属層１３を形成する。金属層１３は、蒸着、スパッタ、めっき等の方法を用いて製造することができる。金属層１３は、Ｓｉ基板１０の側面１０ｊ、１０ｋにも形成されている。なお、図１７では金属層１３はＳｉ基板１０の底面１０ｈにも形成されているが、底面１０ｈには形成しなくてもよい。金属層１３を形成する材料は、Ｓｉや三番かな１２６ｆを構成する材料よりも軟らかいＮｉ、金（Ａｕ）、コバルト（Ｃｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、スズ（Ｓｎ）、銅（Ｃｕ）などの金属や、Ｎｉ−Ａｕ、Ｃｕ−Ａｕなどの合金である。金属層１３の厚さは三番歯車１２６ｇの金属層１２６ｓの厚さＴ１と同様の厚さに形成する。図１８は、図１７の平面図である。

図１９は、フォトレジスト２５を塗布した図である。Ｓｉ基板１０の、三番歯車１２６ｇの貫通孔１２６ｋにあたる部分、つまり図１９ではＳｉ基板１０の側面１０ｋに形成された金属層１３ｓに囲まれた部分をネガ型のフォトレジスト２５で埋める。

図２０はフォトレジスト２５を露光・現像した図である。フォトレジスト２５にＳｉ基板１０の底面１０ｈの側から紫外線やX線等の露光光を照射し、Ｓｉ基板１０の側面１０ｋに形成された金属層１３ｓに囲まれた部分のフォトレジスト２５を硬化させる。そして、未硬化のフォトレジスト２５部分を除去し、Ｓｉ基板１０の側面１０ｋに形成された金属層１３ｓに囲まれた部分のみフォトレジスト２５を残す。

図２１は、金属層１３をエッチングした図である。Ｓｉ基板１０の側面１０ｋに形成された金属層１３ｓを残して金属層１３をエッチングする。エッチングは、ウエットプロセスの方が簡便である。例えば、金属層１３を形成する材料がＡｕの場合、エッチング液にはヨウ素とヨウ化カリウムの溶液などを用いる。このとき残った金属層１３ｓが、三番歯車１２６ｇの応力緩和層１２６ｓにあたる。図２２は、図２３の平面図である。

図２３は、フォトレジスト２５を除去した図である。フォトレジスト２５をエッチングあるいは物理的な力等によって除去し、三番歯車１２６ｇが完成する。図２４は図２３の平面図である。

このようにして製造された三番歯車１２６ｇは、貫通孔１２６ｋに応力緩和層１２６ｓを有している。このように構成することで、三番歯車１２６ｇの貫通孔１２６ｋに三番かな１２６ｆを嵌合すると、応力緩和層１２６ｓと三番かな１２６ｆの外周面とが接触することとなり、応力が緩和される。図２５は、図５の三番かな１２６ｆを嵌合する前の状態である。三番かな１２６ｆを嵌合する前の応力緩和層１２６ｓの厚さＴ２は、三番かな１２６ｆを嵌合した後の応力緩和層１２６ｓの厚さＴ１よりも大きい。三番かな１２６ｆを嵌合すると、応力緩和層１２６ｓは三番かな１２６ｆや三番歯車１２６ｇの主成分であるＳｉよりも軟らかいので、応力緩和層１２６ｓが優先的に変形し、応力緩和層１２６ｓの厚さＴ２が厚さＴ１になる。一方、Ｓｉで形成される中心支持部１２６ｈの貫通孔１２６ｌの直径Ｄ１は変化しない。つまり、三番かな１２６ｆを三番車１２６ｇの貫通孔１２６ｋに嵌合する際の応力は、三番歯車１２６ｇの応力緩和層１２６ｓの部分で抑制されるため、三番歯車１２６ｇ全体に反りや割れなどが生じるのを抑制することができる。Ｓｉのビッカース硬度は１０００程度であり、三番かな１２６ｆを構成する炭素鋼に一般的に要求される硬さはビッカース硬度７００以上である。よって、応力緩和層１２６ｓを構成する材料はビッカース硬度７００以下とする。

また、三番歯車１２６ｇは、応力緩和層１２６ｓ以外の部分は金属で覆われておらず、Ｓｉのみから成るので、全体が金属でできている場合や全体が金属層で覆われている場合と比較して慣性モーメントを小さくすることができる。したがって、三番歯車１２６ｇを回動させるのに必要なエネルギーを小さくすることができ、三番歯車１２６ｇを用いた時計の持続時間を長くすることができる。

次に、三番歯車１２６ｇの別の製造方法について説明する。図２６〜図４５は三番歯車１２６ｇの製造方法を説明する図である。

図２６は、三番歯車１２６ｇを形成するためのＳｉ基板１０である。Ｓｉ基板１０の厚さは、製造する三番歯車１２６ｇの厚さＴ０と応力緩和層の厚さＴ１を足した厚さ以上とする。

図２７は、ＳｉＯ₂膜１２を形成した図である。Ｓｉ基板１０の上に、ＳｉＯ₂膜１２を形成する。ＳｉＯ₂膜１２は、スパッタやＣＶＤなどの方法を用いて製造することができる。ＳｉＯ₂膜１２の厚さは１０nm以上１０μm以下で形成する。

図２８は、フォトレジスト１１を塗布した図である。ＳｉＯ₂膜１２上にフォトレジスト１１を堆積する。フォトレジスト１１はネガ型でもポジ型でもよい。フォトレジスト１１の厚さは１μm以上１mm以下で形成する。

図２９は、フォトレジスト１１を露光・現像した図である。貫通孔１２６ｋにあたる円の径が、図５のＤ１に相当する三番歯車１２６ｇのパターンが複数形成されたフォトマスク４５（図４６）を用いて、フォトレジスト１１に紫外線やX線等の露光光を照射し、三番歯車１２６ｇに当たる部分のフォトレジスト１１を硬化させる。そして、未硬化のフォトレジスト１１部分を除去し、ＳｉＯ₂膜１２のエッチングパターンが完成する。なお、図４６では複数の三番歯車１２６ｇのパターンがあり、複数個の三番歯車１２６ｇを同時に作製することができる。しかし、図２９〜図４５では説明を簡略化するために三番歯車１２６ｇ一つを含む範囲を取り上げて示す。図３０は、図２９の平面図である。

図３１は、ＳｉＯ₂膜１２をエッチングした図である。フォトレジスト１１の部分を残して、露出しているＳｉＯ₂膜１２をエッチングする。エッチングはドライエッチングでもウエットエッチングでもよい。例えば、ドライエッチングの場合は、エッチングガスにＣＨＦ₃などを用い、ウエットエッチングの場合は、エッチング液にＨＦなどを用いる。図３２は図３１の平面図である。

図３３は、フォトレジスト１１を除去した図である。エッチングによってフォトレジスト１１を除去する。この工程は、後の工程に差し支えなければ省略してもよい。

図３４は、Ｓｉ基板をエッチングした図である。ＳｉＯ₂膜１２の部分を残して、Ｓｉ基板１０を三番歯車１２６ｇの厚さＴ０と応力緩和層１２６ｓの厚さＴ１を足した厚さまで垂直な方向に異方性エッチングする。異方性エッチングはドライエッチング加工で行う。エッチングガスには、例えばＳＦ₆などを用いる。このとき、エッチングはＳｉ基板１０の底面１０ｈに至らない。

図３５は、ＳｉＯ₂膜１２を除去した図である。エッチングによってＳｉＯ₂膜１２を除去する。エッチングはドライエッチングでもウエットエッチングでもよい。例えば、ドライエッチングの場合は、エッチングガスにＣＨＦ₃などを用い、ウエットエッチングの場合は、エッチング液にＨＦなどを用いる。この工程は、後の工程に差し支えなければ省略してもよい。

図３６は、金属層１３を形成した図である。Ｓｉ基板１０の表面に金属層１３を形成する。金属層１３は、蒸着、スパッタ、めっき等の方法を用いて製造することができる。金属層１３は、Ｓｉ基板１０の側面１０ｊ、１０ｋ、エッチング終了面１０ｆにも形成されている。なお、図３６では金属層１３はＳｉ基板１０の底面１０ｈにも形成されているが、底面１０ｈには形成しなくてもよい。金属層１３を形成する材料は、Ｓｉや三番かな１２６ｆを構成する材料よりも軟らかいＮｉ、Ａｕ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｃｕなどの金属や、Ｎｉ−Ａｕ、Ｃｕ−Ａｕなどの合金である。金属層１３の厚さは三番歯車１２６ｇの応力緩和層１２６ｓの厚さＴ１と同様の厚さに形成する。

図３７は、フォトレジスト２５を塗布した図である。Ｓｉ基板１０上にフォトレジスト２５を堆積する。フォトレジスト２５は、Ｓｉ基板１０の、三番歯車１２６ｇの貫通孔１２６ｋにあたる部分、つまり図３７ではＳｉ基板１０の側面１０ｋとエッチング終了面１０ｆに形成された金属層１３ｓに囲まれた部分にも存在する。フォトレジスト２５はネガ型でもポジ型でもよい。

図３８はフォトレジスト２５を露光・現像した図である。三番歯車１２６ｇの貫通孔１２６ｋのパターンが形成されたフォトマスク（不図示）を用いて、フォトレジスト２５に紫外線やX線等の露光光を照射し、Ｓｉ基板１０の側面１０ｋとエッチング終了面１０ｆに形成された金属層１３ｓに囲まれた部分のフォトレジスト２５を硬化させる。そして、未硬化のフォトレジスト２５部分を除去し、Ｓｉ基板１０の側面１０ｋとエッチング終了面１０ｆに形成された金属層１３ｓに囲まれた部分のみフォトレジスト２５を残す。図３９は図３８の平面図である。

図４０は、金属層１３をエッチングした図である。Ｓｉ基板１０の側面１０ｋとエッチング終了面１０ｆに形成された金属層１３ｓを残して金属層１３をエッチングする。エッチングは、ウエットプロセスの方が簡便である。例えば、金属層１３を形成する材料がＡｌの場合、エッチング液にはＨＦなどを用いる。図４１は、図４０の平面図である。

図４２はＳｉ基板１０の底面部を除去した図である。Ｓｉ基板が三番歯車１２６ｇの厚さＴ０となるよう、Ｓｉ基板１０の底面１０ｆの側からドライエッチングを行い、底面部を除去する。エッチングガスには、例えばＳＦ₆などを用いる。また、Ｓｉ基板１０の側面１０ｋとエッチング終了面１０ｆに形成された金属層１３ｓのうち、エッチング終了面１０ｆに形成された金属層１３ｓも除去する。例えば、金属層１３を形成する材料がＡｌの場合、エッチングガスには塩素などを用いる。この工程で、同一のＳｉ基板１０上で作製していた複数の三番歯車１２６ｇが一つずつに分割される。図４３は図４２の平面図である。

図４４は、フォトレジスト２５を除去した図である。フォトレジスト２５をエッチングあるいは物理的な力等によって除去し、三番歯車１２６ｇが完成する。図４５は図４４の平面図である。

このような方法で三番歯車１２６ｇを製造することにより、上述の図３４の工程を終了した時点で、Ｓｉ基板１０が底面１０ｈまでエッチングされないので、Ｓｉ基板１０で複数の歯車を製造する場合、個々の歯車が分割されず、この後の工程でも複数の歯車を一枚の基板として扱うことができる。

そして、上述した製造方法を用いて時計の組立部品である二番車１２４、四番車１２８、がんぎ車１３０およびアンクル１４２を製造することにより、機械式時計の組立部品を軽量にすることができる。したがって、番車１２４，１２６，１２８、がんぎ車１３０およびアンクル１４２が回動する際の慣性モーメントを小さくすることができ、機械式時計の持続時間を長くすることができる。それと同時に、機械式時計の組立部品に反りや割れなどが生じるのを抑制することができる。したがって、番車１２４，１２６，１２８、がんぎ車１３０およびアンクル１４２が正確に回動するために機械式時計の精度を向上させることができる。

（第二実施形態）
次に、本発明に係る機械部品の第二実施形態を図４７〜図５４に基づいて説明する。なお、本実施形態は、第一実施形態と歯車（三番歯車）の応力緩和層の形状が異なるのみであり、その他の部分いついては第一実施形態と略同一であるため、同一箇所には同一符号を付して詳細な説明は省略する。また、本実施形態における三番車の符号を２２６とし、三番歯車の符号を２２６ｇ、三番かなの符号を２２６ｆとする。

図４７に示すように、三番車２２６は、三番かな２２６ｆと、三番歯車２２６ｇとを備えている。三番歯車２２６ｇの厚さＴ０は、例えば、１０μｍ以上１０ｍｍ以下である。三番かな２２６ｆは、上軸部２２６ａと、下軸部２２６ｂと、かな部２２６ｃとを備えている。三番歯車２２６ｇは、応力緩和層２２６ｓ、中心支持部２２６ｈと、あみだ部２２６ｊと、歯車部２２６ｄとを備えている。三番かな２２６ｆは、炭素鋼などの金属で形成されている。三番歯車２２６ｇは、応力緩和層２２６ｓはＮｉなどの金属で形成され、中心支持部２２６ｈと、あみだ部２２６ｊと、歯車部２２６ｄはＳｉで形成されている。そして、三番車２２６は、三番歯車２２６ｇの中心に形成された貫通孔２２６ｋに三番かな２２６ｆを挿通して固定されている。ここで、図４７に示すように、Ｓｉ基板で形成された中心支持部２２６ｈには、直径Ｄ１の貫通孔２２６ｌが形成されている。応力緩和層２２６ｓは中心支持部２２６ｈの貫通孔２２６ｌの内周面に形成されている。ただし、応力緩和層２２６ｓの幅Ｗ１は、三番歯車２２６ｇの厚みＴ０よりも小さい。そして、応力緩和層２２６ｓの内周面が、三番歯車２２６ｇの貫通孔２２６ｋを形成している。この応力緩和層２２６ｓが三番かな２２６ｆに当接されて固定されている。ただし、三番歯車２２６ｇの厚みＴ０は応力緩和層２２６ｓの幅Ｗ１よりも大きく、貫通孔２２６ｋにおける三番かな２２６ｆが挿入される軸方向の両端部の内径が拡径される。つまり、貫通孔２２６ｌと三番かな２２６ｆとの間に隙間２２６ｔが形成される。また、応力緩和層２２６ｓの厚さＴ１は、例えば、１μｍ以上１００μｍ以下である。

（番車の製造方法）
次に、本実施形態の歯車（三番歯車２２６ｇ）の製造方法について説明する。図４８〜図５３は三番歯車２２６ｇの製造方法を説明する図である。なお、フォトレジスト２５を塗布する工程までは、第一実施形態と同様の工程なので、説明を省略する。

図４８はフォトレジスト２５を露光・現像した図である。ポジ型のフォトレジスト２５に紫外線やX線等の露光光を照射し、Ｓｉ基板１０の側面１０ｋに形成された金属層１３ｓに囲まれた部分のフォトレジスト２５を硬化させる。そして、未硬化のフォトレジスト２５部分を除去し、三番歯車２２６ｇの金属部２２６ｓの幅Ｗ１に相当する範囲にのみフォトレジスト２５を残す。

図４９は、露光方法を説明する図である。Ｓｉ基板１０を軸Ｃを基準に回転させながら、Ｓｉ基板１０に対して斜めに露光光４６を照射する。Ｓｉ基板１０と露光光４６の角度は、三番歯車２２６ｇの応力緩和層２２６ｓの幅Ｗ１に応じて決まる。図４９では、Ｓｉ基板１０の上下両側から露光光４６を照射しているが、隙間２２６ｔを片側にしか設けない場合は、隙間２２６ｔを設ける側からのみ露光光４６を照射すればよい。

図５０は、金属層１３をエッチングした図である。Ｓｉ基板１０の内周面１０ｋに形成された、三番歯車２２６ｇの金属部２２６ｓの幅Ｗ１に相当する範囲の金属層１３ｓを残して金属層１３をエッチングする。エッチングは、ウエットプロセスの方が簡便である。例えば、金属層１３を形成する材料がＡｌの場合、エッチング液にはＨＦなどを用いる。このとき残った金属層１３ｓが、三番歯車２２６ｇの応力緩和層２２６ｓにあたる。図５１は、図５０の平面図である。

図５２は、フォトレジスト２５を除去した図である。フォトレジスト２５をエッチングあるいは物理的な力等によって除去し、三番歯車２２６ｇが完成する。図５３は図５４の平面図である。

このようにして製造された三番歯車２２６ｇは、隙間２２６ｔを有している。このように構成することで、第一実施形態と略同一の作用を得ることができるとともに、隙間２２６ｔを貫通孔２２６ｋにおける三番かな２２６ｆが挿入される軸方向の上端部に形成した場合、貫通孔２２６ｋに三番かな２２６ｆを嵌合する際に、図５４に示すように隙間２２６ｔがガイドとなり、三番かなを真っ直ぐに嵌合させやすくなる。したがって、三番車２２６の偏心を防ぐことができるので、三番車２２６を使用した時計の精度を向上させることができる。さらに、隙間２２６ｔを貫通孔２２６ｋにおける三番かな２２６ｆが挿入される軸方向の下端部に形成した場合、貫通孔２２６ｋに三番かな２２６ｆを嵌合する際に、削れ屑が発生しても隙間２２６ｔに削れ屑が留まるので、三番車２２６の外観を損ねることがない。また、削れ屑が三番歯車２２６ｇや他の機械部品との摺動部に詰まって機能低下を引き起こすのを防止することができる。したがって、三番車２２６を使用した時計の精度を向上させることができる。

また、図５５に示すように、隙間３２６ｔを貫通孔３２６ｋにおける三番かな３２６ｆが挿入される軸方向の両端部ではなく、中央部に形成してもよい。このように構成することで、貫通孔３２６ｋに三番かな３２６ｆを嵌合する際に、一段目の応力緩和層３２６ｓ部分で発生した応力が隙間３２６ｔに逃げ、二段目の応力緩和層３２６ｓと嵌合する。このように応力の逃げ場を設けることによって、応力緩和層３２６ｓの応力緩和効果がより向上する。なお、このような構造を持つ歯車（三番歯車３２６ｇ）は、Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ基板（ＳＯＩ基板）を基板１０に用いることで製造することができる。図５６は、三番歯車３２６ｇを形成するための基板１０である。基板１０は、支持層１０ａと活性層１０ｂの間にＢＯＸ層１０ｃが挟まれたＳＯＩ基板であり、支持層１０ａと活性層１０ｂはＳｉ、ＢＯＸ層１０ｃはＳｉＯ₂で形成されている。図１７に示す金属膜形成工程において、電気めっき法で金属膜１３を形成すると、絶縁体であるＳｉＯ₂で形成されているＢＯＸ層１０ｃには電気が流れないので、金属膜１３が形成されない。したがって、貫通孔３２６ｋに隙間３２６ｔが形成される。

１０…基板 １１…フォトレジスト １２…ＳｉＯ₂膜 １３…金属層 ２５…フォトレジスト ４５…フォトマスク １２４…二番車（番車） １２６…三番車（番車） １２６ｆ…三番かな（軸部材） １２６ｇ…三番歯車（機械部品） １２６ｋ…貫通孔 １２６ｓ…応力緩和層 １２８…四番車（番車） １３０…がんぎ車 １４２…アンクル

Claims (11)

1. シリコンを主成分として構成され、軸部材を嵌合可能な貫通孔を有する機械部品において、前記貫通孔の内周面のみが金属層で覆われており、前記金属層が前記軸部材に当接可能に構成されていることを特徴とする機械部品。
2. 前記金属層が前記貫通孔の深さよりも小さい範囲に形成され、前記貫通孔における前記軸部材が嵌合される軸方向の少なくとも一端部の内径が、軸方向中央部の内径より拡径されていることを特徴とする請求項１に記載の機械部品。
3. 前記金属層が前記貫通孔における前記軸部材が嵌合される軸方向の上部と下部に分かれて形成され、前記貫通孔における前記軸部材が嵌合される軸方向中央部に周方向に延びる溝が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の機械部品。
4. 前記金属層が、前記シリコンと前記軸部材よりも軟らかいことを特徴とする請求項１〜３に記載の機械部品。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の機械部品と前記軸部材とを備える機械組立体であって、前記機械部品が前記軸部材を中心に回動可能に構成されていることを特徴とする機械組立体。
6. 前記機械部品が歯車であることを特徴とする請求項５に記載の機械組立体。
7. シリコン基板を用いて、軸部材を嵌合可能な貫通孔を有する機械部品の製造方法であって、前記シリコン基板の上層における前記機械部品の形成領域にマスクを形成する工程と、該マスクを用いて前記上層を下層まで異方性エッチングするエッチング工程と、エッチングされた前記シリコン基板の前記貫通孔の内周面を金属層で覆う金属膜積層工程と、を有していることを特徴とする機械部品の製造方法。
8. 前記金属膜積層工程は、前記機械部品の表面を前記金属層で覆う工程と、前記金属層の表面にレジストを塗布する工程と、前記貫通孔の内部を残して前記レジストを除去する工程と、前記貫通孔の内部を残して前記金属層を除去する工程と、を有していることを特徴とする請求項７に記載の機械部品の製造方法。
9. 前記エッチング工程は、前記マスクを用いて前記上層を所定深さまで異方性エッチングするエッチング工程と、エッチングされた前記シリコン基板の前記貫通孔の内周面を金属層で覆う工程と、前記シリコン基板の下層を所定深さまでエッチングする工程と、を有していることを特徴とする請求項７に記載の機械部品の製造方法。
10. 請求項１〜４のいずれかに記載の機械部品と時刻を計時する装置の組立部品とを備えることを特徴とする時計。
11. 前記組立部品が、番車、がんぎ車およびアンクルの少なくともいずれか一つであることを特徴とする請求項１０に記載の時計。

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