JP5508606B2

JP5508606B2 - 複雑な精密機械部品

Info

Publication number: JP5508606B2
Application number: JP2013552144A
Authority: JP
Inventors: キュザン，ピエール; リシャール，ダヴィド; ドゥボワ，フィリップ
Original assignee: ニヴァロックス−ファーソシエテアノニム
Priority date: 2011-02-03
Filing date: 2012-01-05
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2032-01-05
Also published as: US9511990B2; WO2012104110A1; EP2670700A1; US20140033848A1; RU2013140528A; JP2014505880A; EP2670700B1; CN103347809B; HK1189871A1; CN103347809A; EP2484628A1; RU2598395C2

Description

本発明は、例えば炭素をベースとする材料等、いずれの材料から作製される複雑な精密機械部品、及びこの種の部品の製作方法に関する。

合成ダイヤモンド又はＤＬＣ（ダイヤモンド様炭素）のみから精密機械部品を製作するのは極めてコストが高く、また、厚層蒸着プロセス又はバルクエッチング法によって生成される好ましくない粗度のせいで、摩擦学的に不利である。従って合成ダイヤモンド又はＤＬＣの薄層を用いた精密機械部品のコーティングが現在好まれているが、これはあらゆる形状を得られるものではない。

本発明の目的は、粗度が大いに改善され、スクラップ率及び製造コストが極めて望ましい、最少量の材料を使用した、複雑な幾何学的形状を有する精密機械部品を提案することにより、上述の欠点の全て又は一部を克服することである。

従って本発明は、単一ピース材料の精密機械部品を製作するための方法に関し、この方法は、以下の：
ａ）製作する上記精密機械部品のための雌型を備える基材を形成するステップ；
ｂ）この基材の上記雌型を、材料の層でコーティングするステップ；
ｃ）基材から、蒸着した層の厚さを超える厚さを除去することにより、上記雌型中に上記層の厚さのうち限られた部分を残すステップ；
ｄ）基材を除去して、上記雌型中に形成された精密機械部品を取り外すステップ
を含むことを特徴とする。

よって、本方法により、単一ピースの、即ち材料の不連続部分がない精密機械部品の製作が可能となる。この精密機械部品は、材料の「薄皮」、即ち少量の材料を有し、その外側表面は、基材の極めて好ましい凹凸を再現しており、この方法により、外層に必要な材料のコストが大いに低減され、また、特に外側表面における全体の粗度が改善され、その摩擦学的性能が完璧なものとなる。

本発明の他の有利な特徴によると：
−雌型は、歯部を形成する壁を含み；
−材料は、結晶化した又は非晶質の炭素ベースであり；
−本方法は、第１の材料でコーティングされた雌型を第２の材料で充填することにより、第２の材料で補強及び／又は装飾された第１の材料製の精密機械部品をステップｃ）及びｄ）の後で得るステップｅ）を、ステップｂ）とステップｃ）との間に含み；
−本方法は、第１の材料でコーティングされた雌型を第２の材料で充填することにより、第２の材料で補強及び／又は装飾された第１の材料製の精密機械部品をステップｄ）の後で得るステップｆ）を、ステップｃ）とステップｄ）との間に含み；
−ステップｆ）では、上記雌型から突出するように第２の材料を形成することにより、精密機械部品の追加の機能要素を形成し；
−第２の材料は金属又は金属合金を含み；
−精密機械部品は、時計の外装部品、ヒゲゼンマイ、テンプ、アンクル、ブリッジ、ホイールセット又はガンギ車を形成する。

本発明の他の特徴及び利点は、添付の図面を参照して非限定的な例示として挙げる以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

図１は、本発明の第１の実施形態による製作方法の複数の連続するステップの、最初の状態を示す。図２は、本発明の第１の実施形態による製作方法の複数の連続するステップの、図１に続く状態を示す。図３は、本発明の第１の実施形態による製作方法の複数の連続するステップの、図２に続く状態を示す。図４は、本発明の第１の実施形態による製作方法の複数の連続するステップの、図３に続く状態を示す。図５は、本発明の第１の実施形態による製作方法の複数の連続するステップの、図４に続く状態を示す。図６は、本発明の第１の実施形態により製造された精密機械部品の例を示す。図７は、本発明の第１の実施形態により製造された精密機械部品の例を示す。図８は、本発明の第１の実施形態により製造された精密機械部品の例を示す。図９は、本発明の第１の実施形態により製造された精密機械部品の例を示す。図１０は、本発明の第１の実施形態により製造された精密機械部品の例を示す。図１１は、本発明の第２の実施形態による製作方法の複数の連続するステップの、最初の状態の図である。図１２は、本発明の第２の実施形態による製作方法の複数の連続するステップの、図１１に続く状態の図である。図１３は、本発明の第２の実施形態による製作方法の複数の連続するステップの、図１２に続く状態の図である。図１４は、本発明の第２の実施形態により製造された精密機械部品の例を示す。図１５は、本発明の第３の実施形態による製作方法の複数の連続するステップの、最初の状態を示す。図１６は、本発明の第３の実施形態による製作方法の複数の連続するステップの、図１５に続く状態を示す。図１７は、本発明の第３の実施形態により製造された精密機械部品の例を示す。

上で説明したように、本発明は第一に、例えば炭素をベースとする材料で作製された、単一ピースの精密機械部品に関する。「炭素をベースとする」とは、ダイヤモンド若しくは１つ若しくは複数のグラフェンの層等の結晶形態の、又は、ダイヤモンド様炭素（ＤＬＣ）等の非晶質形態の、合成炭素同素体を意味する。

当然のことであるが、本発明によると有利には、合成炭素同素体の代替として、層状に蒸着可能な、かつ摩擦学的な利点を有する、他のタイプの材料を使用してよい。この代替材料は、例えばシリコンベースの化合物、即ち例えば窒化シリコン、酸化シリコン又はシリコンカーバイドであってよい。

この精密機械部品は、時計学の分野内での応用のために考案された。しかしながら、特に航空学、宝飾品又は自動車産業等、他の領域での極めて良好な応用も想定し得る。

時計学の分野では、この精密機械部品は、例えば腕時計の外装部品、ヒゲゼンマイ、テンプ、アンクル、ブリッジ、又はガンギ車等のホイールセットさえ、全体的又は部分的に合成炭素同素体又は上で説明したような代替材料をベースとして形成してよい。

この精密機械部品を製作する方法の第１の実施形態を、図１〜５に示す。ステップａでは、本方法は、後に製作される精密機械部品１１、２１、３１、４１のための雌型３を基材１に形成することからなる。多種多様な基材１を使用することができる。好ましくは、基材１の材料として、極めて低い粗度を有するもの、即ち、その性質からして平滑な表面を有するものを選択する。

例として、図１及び２は、極めて良好な粗度、即ち実質的に１０ｎｍ未満の算術平均偏差Ｒａを得ることができるシリコン基材１から形成されるステップａを示す。よって、図１に示す第１の段階では、基材１を、基材１の頂部を露出したままにする孔４を有するマスク２でコーティングする。第２の段階では、孔４においてエッチングを行う。これはウェットエッチングでもドライエッチングでもよい。最後に、図２に示す第３の段階では、マスク２を除去し、基材１に雌型３のみを残す。

第２のステップｂは、後に製作される精密機械部品にとって望ましい厚さｅ₁の材料の層５で、少なくとも雌型３をコーティングすることからなる。図３に示す例では、基材１は全体的に、即ち少なくともステップａでエッチングした雌型３において、層５でコーティングされる。蒸着する材料と同様、蒸着のタイプも様々に変更することができる。非限定的な様式において、ステップｂは、化学気相蒸着、物理気相蒸着、又は電着を含んでよい。

第３のステップｃでは、本方法は、層５でコーティングされた基材１の一部を除去することにより、上記雌型３中に上記層５の厚さのうち限られた部分を残すことからなる。本発明によると好ましくは、図４に示すように、層５の厚さｅ₁より厚い厚さｅ₂を、層１から除去する。よって、基材１の雌型３内にある層５はこれ以降独立している、即ち、ステップｂで蒸着した層５の残りの部分と連結していないことは明らかである。

第１の実施形態の第４の、及び最後のステップｄでは、本発明は、基材１を除去して、雌型３中に形成された精密機械部品を取り外すことからなる。結果として、基材１がシリコン製である上述の例では、ステップｄは、シリコンの選択的エッチングからなる。これは例えば、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ及びＴＭＡＯＨ）を含む溶液を用いた化学エッチングによって行ってよい。

図５に示すように、ステップｄの最後に、層５のみから形成された精密機械部品が得られ、その幾何学的形状は、基材１にある雌型３と適合する。有利には、外側表面、即ち基材１と直接接触していた表面は、極めて良好な粗度、即ち基材１の粗度と同等の粗度を有し、また、好ましくは機械的接触表面として使用される。最後に、１０μｍ〜５００μｍである精密機械部品の高さｅ₃に対して、わずか０．２μｍ〜２０μｍの厚さｅ₁の層５が蒸着される。従って、材料が節約されること、及びステップｂの時間の短縮により製造コストが節約されることが明らかである。

結果として、その基本断面が、少なくとも２つの交差した、整列されていないセグメントによって形成される精密機械部品を得ることができ、上記少なくとも２つのセグメントの一方が、精密機械部品の高さｅ₃を形成することが明らかである。上記高さｅ₃は、各セグメントの厚さｅ₁より大きい。当然、雌型３の複雑さに応じて、基本断面はより単純な、実質的にＵ字型のもの、即ち３つのセグメントを備えるものになり得る。

よって、雌型の複雑さに応じて、精密機械部品は、２つ又は３つのセグメントを有する少なくとも１つの基本断面を、直線状又は非直線状の準線上に投射すること（回転させることを含む）により形成される。その上、極めて複雑な又は可変の断面を形成すること、例えば、雌型３の壁に、対応する歯部を断面のセグメントの１つに形成する歯部を形成すること等も、もはや困難ではなくなる。

非限定的な例として、第１の実施形態に従って製造することができる精密機械部品１１、２１、３１、４１を、図６〜１０に示す。ここで、図６は、その実質的にＵ字型の基本断面が直線状の準線上に投射される、精密機械部品１１を示す。図７は、精密機械部品１１と同様の基本断面を有するが、正弦曲線状、即ち非直線状の準線上に投射される、精密機械部品２１を示す。本方法を複雑化することなく、横方向及び長手方向の両方において、単一ピースで、半分を部品１１から、残り半分を部品２１から形成した精密機械部品を製造することが可能であることも明らかである。

図８及び９は、２つのセグメントを有することができる例示的な基本断面を示し、これは回転して投射され、これにより、キャップ形状の精密機械部品３１が得られる。このタイプの精密機械部品を、例えばある要素に固定することにより、別の部材との摩擦学的関係を改善することができる。例として、精密機械部品３１をアーバ３３のピボット３２の端部に固定して、精密機械部品３１を介してピボット３２を軸受と協働させてよい。

最後に、図１０は、より複雑な精密機械部品４１の最後の例を示すが、これは本方法の実装をより困難にするものではない。精密機械部品３１は実質的に円盤状のプレート４３を含み、この円盤状のプレート４３の周縁部から歯部４５が直角方向に突出し、また、円盤状のプレート４３の中心は、例えば枢動ピンと協働するための孔４８を形成するパイプ４７を備える。従って図１０は、歯部４５及びプレート４７の厚さが、本方法のステップｂで蒸着される層５の厚さｅ₁によって形成されることを示している。

上で説明した第１の実施形態の代替である第２の実施形態を、図１１〜１３に示す。ステップａ〜ｄは第１の実施形態と同一のままである。しかしながら図１１に示すように、ステップｂとステップｃとの間に、第１の材料５でコーティングされた雌型３内の空洞６を第２の材料７で充填することからなるステップｅを実行する。よって、第１の実施例と同様である、図１２及び１３にそれぞれ示したステップｃ及びｄの後、第２の材料７で補強及び／又は装飾された、第１の材料５製の精密機械部品が得られる。

好ましくは、空洞６の充填は、ガルバノ蒸着又は加熱変形によって達成される。第２の材料は好ましくは、非晶質であってもなくてもよい金属又は金属合金である。しかしながら代替として、蒸着のタイプ及び／又は蒸着する材料の性質は当然変更してよい。

結果として、第３のステップｃでは、上記雌型３内に上記層５の厚さを制限するだけではなく、第２の材料の蒸着７を平坦化し、好ましくは層５の上記制限された部分と同一平面とする。最終的に、第２の実施形態の第５の、及び最後のステップｄでは、本方法は、基材１を除去して、雌型３内に形成された精密機械部品を取り外すことからなり、これは第１の実施形態と同じ変形例であり、同じ利点を有する。

図１３に示すように、ステップｄの終わりに、層５で形成された精密機械部品が得られ、この精密機械部品の幾何学的形状は基材１にある雌型３に適合し、また、この精密機械部品は、蒸着７で補強及び／又は装飾されている。有利には、層５で形成された外側表面、即ち、基材１と直接接触していた表面は、極めて良好な粗度、即ち基材１の粗度に匹敵する粗度を有し、好ましくは接触表面として使用される。

本発明の別の利点によると、部品を薄い層でコーティングすることができるようになるが、これは、例えば圧力、温度、又は使用する化合物等、薄層蒸着に必要な特定の条件のために従来実現できなかったことである。非限定的な例として、有利には本発明により、蒸着７から主として金属製の部品を形成することができ、これは層５によってダイヤモンドコーティングされており、出願人の知る限りでは、金属部品をダイヤモンドコーティングするのは現在困難である。

最後に、１０μｍ〜５００μｍの高さｅ₃の精密機械部品に対して、わずか０．２μｍ〜２０μｍの厚さｅ₁の層５を蒸着し、残りは蒸着７からなる。材料が節約されること、及び層５の蒸着ステップｂの時間の短縮により製造コストが節約されることが明らかであり、部品の残りの部分はより安価な蒸着７で形成される。

結果として、第１の実施形態と同一の基本断面を有する精密機械部品を得ることができることは明らかである。非限定的な例として、図１４は、第２の実施形態によって製造できる精密機械部品５１を示す。精密機械部品５１は、図１０のプレート４３に対応する、実質的に円盤状のプレート５３を含み、この円盤状のプレート５３の周縁部から歯部５５が直角方向に突出し、また、円盤状のプレート５３の中心は、例えば枢動ピンと協働するための孔５８を形成するパイプ５７を備える。従って図１４は、歯部５５及びパイプ５７の厚さが、本方法のステップｂで蒸着される層５の厚さｅ₁によって形成され、残りはステップｅで蒸着７によって形成される部分５２からなることを示している。

上で説明した第１の実施形態の代替である第３の実施形態を、図１５〜１６に示す。ステップａ〜ｄは第１の実施形態と同一のままである。しかしながら図１５に示すように、ステップｃとステップｄとの間に、第１の材料５でコーティングされた雌型３内の空洞６を第２の材料７で充填することからなる第４のステップｆを実行する。よって、第１の実施例と同様である、図１６に示したステップｄの後、第２の材料１７で補強及び／又は装飾された、第１の材料５製の精密機械部品が得られる。

第２の実施形態のステップｅと比較して、ステップｆは、雌型３の空洞６を充填するためのものであり、有利には、厚さｅ₃の突出レベルを形成することにより、図１５に示すような精密機械部品の追加の機能要素を形成することもできる。

ステップｆは好ましくは、基材１上に鋳型１８を構成する段階をステップｃの後に含み、雌型３の空洞６及び鋳型１８内の貫通孔が連結して形成する凹部を充填する段階がその後に続く。最後に、ステップｆは基材１の表面から鋳型１８を除去する段階を含む。

鋳型１８を構成する段階は例えば、ネガ型又はポジ型感光性樹脂を用いたフォトリソグラフィによって形成してよい。更に、充填段階は例えば、電着を用いて実施してよい。第２の材料は好ましくは、非晶質であってもなくてもよい金属又は金属合金である。しかしながら、蒸着のタイプ及び／又は蒸着する材料の性質は当然変更してよい。

ステップｆはまた、蒸着１７の上部を覆う及び／又は研磨する最後のステップを含んでもよい。結果として、第３の実施形態の第５の、及び最後のステップｄでは、本方法は、基材１を除去して、雌型３内に形成された精密機械部品を取り外すことからなり、これは第１の実施形態と同じ利点を有する。

図１６に示すように、ステップｄの終わりに、層５で形成された精密機械部品が得られ、この精密機械部品の幾何学的形状は基材１にある雌型３に適合し、また、この精密機械部品は、蒸着１７で補強及び／又は装飾されている。有利には、層５で形成された外側底部表面、即ち、基材１と直接接触していた表面は、極めて良好な粗度、即ち基材１の粗度に匹敵する粗度を有し、好ましくは接触表面として使用される。

本発明の別の利点によると、部品を薄い層でコーティングすることができるようになるが、これは、例えば圧力、温度、又は使用する化合物等、薄層蒸着に必要な特定の条件のために従来実現できなかったことである。非限定的な例として、有利には本発明により、蒸着１７から主として金属製の部品を形成することができ、これは層５によって部分的にダイヤモンドコーティングされており、出願人の知る限りでは、金属部品をダイヤモンドコーティングするのは現在困難である。

更に、第３の実施形態では、精密機械部品は、その全体が蒸着１７で形成された、即ち層５を有さない第２の上部レベルを含み、これにより、精密機械部品の追加の機能要素を形成することもできる。この機能要素は、限定するものではないが、例えば別の部材と協働するようになっている歯部１２、孔１４及び／又は肩部１６であってよい。

初めの２つの実施形態と同様、材料が節約されること、及び層５の蒸着ステップの短縮により製造コストが節約されることが明らかであり、部品の残りの部分はより安価な蒸着１７で形成され、更に、潜在的に極めて複雑な幾何学的形状を提供する。

結果として、初めの２つの実施形態と同一の基本断面を有する精密機械部品を得ることができることは明らかである。非限定的な例として、図１７は、第３の実施形態によって製造できる精密機械部品６１を示す。精密機械部品６１は、図１０のプレート４３に対応する、実質的に円盤状のプレート６３を含み、この円盤状のプレート６３の周縁部から歯部６５が直角方向に突出し、また、円盤状のプレート６３の中心は、孔６８を形成するパイプ６７を備え、残りはステップｆにおいて蒸着１７で充填される。蒸着１７のみによって形成された第２のレベル上に、精密機械部品６１はホイール６２を有し、ホイール６２の周縁部は歯部６４を含み、ホイール６２の中心は、例えば枢動ピンと協働するようになっている、好ましくは断面が孔６８より小さい孔を含む。

当然のことながら、本発明は図示した例に限定されるものではなく、当業者に明らかであろう様々な変形及び改変が可能である。特に、同一の設計であってもなくてもよい複数の精密機械部品を、同一の基材上で同時に製作してよい。更に、図４又は図１２の例では、基材１の除去により、基材１の周縁部及び底部に、層５で形成された実質的にＵ字型の断面の部品も形成されることがわかる。

結果として、同一であってもなくてもよい複数の雌型３を基材１上に形成することのみならず、基材１の複数の面上に雌型を形成することも可能であり、即ち、ステップａ及びｃ、並びに場合によってはｅ又はｆを、基材１の複数の面に対して適用してよい。従って、第２及び第３の実施形態の場合、基材１の周縁部及び／又は底部において層５で形成される単一ピースの部品を得て、基材１の上部において層５及び蒸着７、１７で形成される補強及び／又は装飾された部品を得ることが考えられる。

更に、実施形態を互いに組み合わせることができる。従って、非限定的な例として、部品５１を第３の改変実施形態によって製造してよい。実際、ステップａ〜ｃを、第２の実施形態の蒸着７と同様の、即ち雌型３から突出しない蒸着１７を用いるステップｆの前に実装することができる。明らかに、第３の実施形態の改変ステップｆは、第２の実施形態のステップｅと同様であり、しかし、ステップｂの後ではなくステップｃの後に実施される。

最後に、図面には実質的に垂直なセグメントを示しているが、セグメントが互いに対してなす角度は鋭角であっても鈍角であってもよいことは明らかである。

Claims

合成炭素同素体製の単一ピースの精密機械部品（１１、２１、３１、４１、５１、６１）を製作するための方法であって、以下のステップ：
ａ）製作する前記精密機械部品のための雌型（３）を含む基材（１）を形成するステップ；
ｂ）前記基材（１）の前記雌型（３）を、前記合成炭素同素体の層（５）でコーティングするステップであって、前記層（５）の厚さ（ｅ₁）は前記雌型（３）の深さより小さい、ステップ；
ｃ）前記基材（１）から、蒸着した前記層（５）の厚さ（ｅ₁）を超える厚さ（ｅ₂）を除去することにより、前記雌型（３）中に前記層の厚さのうち限られた部分を残すステップ；
ｄ）前記基材（１）を除去して、前記雌型（３）中に形成された、前記基材（１）の粗度に匹敵する粗度の外側表面を備える前記単一ピースの精密機械部品（１１、２１、３１、４１、５１、６１）を取り外すステップ
を含むことを特徴とする、方法。
前記雌型（３）は、歯部（４５、５５、６５）を形成する壁を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
前記合成炭素同素体（５）は結晶形態であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
前記合成炭素同素体（５）は非晶質形態であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
前記ステップｂ）と前記ステップｃ）との間に、以下のステップ：
ｅ）前記合成炭素同素体（５）でコーティングされた前記雌型（３）を第２の材料（７）で充填することにより、前記第２の材料（７）で補強及び／又は装飾された前記合成炭素同素体（５）製の精密機械部品（５１）を、前記ステップｃ）及びｄ）の後で得るステップ
を含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
前記ステップｃ）と前記ステップｄ）との間に、以下のステップ：
ｆ）前記合成炭素同素体（５）でコーティングされた前記雌型（３）を第２の材料（７、１７）で充填することにより、前記第２の材料（７、１７）で補強及び／又は装飾された前記合成炭素同素体（５）製の精密機械部品（５１、６１）を、前記ステップｄ）の後で得るステップ
を含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
前記ステップｆ）において、前記雌型（３）から突出するように前記第２の材料（１７）を形成することにより、前記精密機械部品の追加の機能要素（１２、１４、１６、６２）を形成することを特徴とする、請求項６に記載の方法。
前記第２の材料（７、１７）は金属又は金属合金を含むことを特徴とする、請求項５〜７のいずれか１項に記載の方法。
前記精密機械部品は、時計の外装部品、ヒゲゼンマイ、テンプ、アンクル、ブリッジ、ホイールセット又はガンギ車を形成することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法により製造される、中空の精密機械部品（１１、２１、３１、４１、５１、６１）であって、
０．２μｍ〜２０μｍの厚さ（ｅ₁）の合成炭素同素体の層（５）製の単一ピースとして形成され、
前記合成炭素同素体の層（５）の前記厚さ（ｅ₁）より大きい高さ（ｅ₃）を有する外側表面を備え、
前記外側表面は、１０μm〜５００μmの高さ（ｅ₃）を有し、
前記外側表面の粗度は、実質的に１０ｎｍ未満の算術平均偏差（Ｒａ）を有する、部品。
前記外側表面は歯部（４５、５５、６５）を形成することを特徴とする、請求項１０に記載の部品。
前記合成炭素同素体ベースの精密機械部品の空洞は、第２の材料（７、１７）で少なくとも部分的に充填され、これにより、前記第２の材料（７、１７）で補強及び／又は装飾された前記合成炭素同素体ベースの精密機械部品（５１、６１）を製造することを特徴とする、請求項１０又は１１に記載の部品。
前記外側表面の前記高さ（ｅ₃）から突出するように前記第２の材料を形成することにより、前記精密機械部品の追加の機能要素（１２、１４、１６、６２）を形成することを特徴とする、請求項１２に記載の部品。
前記第２の材料（７、１７）は金属又は金属合金を含むことを特徴とする、請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の部品。
請求項１０〜１４のいずれか１項に記載の精密機械部品（１１、２１、３１、４１、５１、６１）を含むことを特徴とする、時計。
前記精密機械部品は、時計の外装部品、ヒゲゼンマイ、テンプ、アンクル、ブリッジ、ホイールセット又はガンギ車の全て又は一部を形成することを特徴とする、請求項１５に記載の時計。