JP5622256B2 - 機械部品、機械部品の製造方法および時計 - Google Patents

機械部品、機械部品の製造方法および時計 Download PDF

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Description

本発明は、機械部品、機械部品の製造方法および時計に関するものである。
従来から、時計などの精密機械には番車やがんぎ車などの機械部品が多数使用されている。これらの機械部品は互いに摺動することによりてんぷを駆動して時計が正確に時を刻むように構成されている。機械部品同士が摺動する箇所には摩擦が生じるために、摩擦による摩耗を防止するため、また滑らかに摺動させるために摺動面には潤滑油を供給する必要がある。そこで、摺動箇所に潤滑油を保持する構造を有したがんぎ車が提案されている(たとえば、特許文献1参照)。
特表2007−506073号公報
ところで、特許文献1のがんぎ車のような構造では、別部品と摺動させる際に、がんぎ車と別部品とが面接触してしまうため、摩擦力が大きくなってしまうという問題がある。
そこで、本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、別部品と摺動させる際に、摩擦力を低減することができる機械部品、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、電鋳により形成され、軸部を中心に回動し隣接する別部品と摺動可能に構成された機械部品において、前記別部品と当接する摺動面に山部が形成され、該山部が前記別部品に当接可能に構成されており、前記山部は、前記摺動面における前記軸部の周方向に沿って形成されているとともに、前記摺動面における前記軸部の軸方向に沿って複数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、機械部品と別部品とを摺動させる際に、山部と別部材とが点接触しながら摺動させることができる。したがって、機械部品と別部品との接触面積を小さくすることができるため、摩擦力を低減することができる。
また、機械部品の山部の周りに潤滑油を塗布することにより、潤滑油を摺動面に確実に供給することができる。また、山部を複数形成すると、隣接する山部の間に潤滑油を保持することができるため、潤滑油の保持量を増加させることが可能となる。さらに、山部を周方向または軸方向に沿って複数形成すると、機械部品の摺動面(外周面)の表面積が増加するため、潤滑油の保持量をさらに増加させることができる。したがって、摺動面に確実に潤滑油を供給することができるとともに、潤滑油を長期間供給することができるため、メンテナンスの頻度を少なくすることができる。
さらに、機械部品は電鋳により形成されるため、十分な強度を有するとともに、製品の精度を均一化することができる。したがって、歩留まりを向上することができる。
また、前記山部は、前記摺動面から前記別部品に向かって突出する凸状の曲面形状を有することを特徴としている。
このように構成することで、機械部品と別部品とを摺動させる際に、曲面形状の山部と別部材とが点接触しながら摺動させることができる。したがって、機械部品と別部品との接触面積を確実に小さくすることができるため、摩擦力を低減することができる。
また、複数の前記山部のうちの少なくとも一つの山部は、該一つの山部の頂部と前記軸部の中心との距離が他の山部の頂部と前記軸部の中心との距離と異なる大きさで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、例えば、機械部品の軸方向の中央部が凸状になるように大きさの異なる山部を軸方向に沿って複数形成することにより、機械部品と別部材とが傾いて接触しても確実に接触させることができるとともに、潤滑油を確実に供給することができる。また、機械部品と別部材とが傾いて接触してもいずれかの角が当たって削れるのを防止することができる。また、例えば、機械部品の軸方向の中央部が凹状になるように大きさの異なる山部を軸方向に沿って複数形成することにより、潤滑油の保持量を多く確保することができる。
また、隣り合う前記山部同士の間に、油保持部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、隣り合う山部の間に潤滑油をより多く保持することができるため、長期間に亘って潤滑油を供給することができる。したがって、メンテナンス頻度を少なくすることができる。
また、前記機械部品が歯車であり、前記山部が外周面の全周に亘って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、摺動面となる歯車の外周面に潤滑油を多く保持することができるため、摺動面の摩耗を抑制することができるとともに、滑らかに歯車を回動させることが可能となる。つまり、歯車をメンテナンスを行うことなく長期間に亘って精度良く回動させることが可能となる。
また、前記機械部品が歯車であり、前記山部が前記別部品と当接する歯先部のみに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、摺動面となる歯車の歯先部に潤滑油を多く保持することができるため、歯先部の摩耗を抑制することができるとともに、滑らかに歯車を回動させることが可能となる。つまり、歯車を精度良く回動させることが可能となる。
また、本発明に係る機械部品の製造方法は、複数層からなる基板を用いて、別部品と摺動可能な摺動面を有する機械部品を製造する方法であって、前記基板の上層における前記機械部品の形成領域以外の領域に、前記摺動面に相当する位置を輪郭に含む第一マスク材を形成する工程と、該第一マスク材を用いて前記上層を所定深さまで等方性エッチングするエッチング工程と、前記等方性エッチングにより形成された凹部の底面および側面に保護膜を形成する保護膜形成工程と、前記凹部の底面に形成された前記保護膜を除去する保護膜除去工程と、前記エッチング工程、前記保護膜形成工程および前記保護膜除去工程を繰り返して、前記基板の下層を露出させる工程と、該下層の表面に電鋳物を形成する電鋳物形成工程と、前記摺動面に相当する位置に残存する前記上層を含めて前記基板を除去する工程と、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山部を形成することができる。また、複数層からなる基板を用いることにより、下層の露出時点で上層のエッチングを停止することが可能になり、機械部品を精度良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と別部品とを摺動させる際に、機械部品の山部の周りに潤滑油を塗布することにより、潤滑油を摺動面に確実に供給することができる。また、山部を軸方向に沿って複数形成すると、隣接する山部の間に潤滑油を保持することができるため、潤滑油の保持量を増加させることが可能となる。したがって、摺動面に確実に潤滑油を供給することができるとともに、潤滑油を長期間供給することができるため、メンテナンスの頻度を少なくすることができる。さらに、機械部品は電鋳により形成されるため、十分な強度を有するとともに、製品の精度を均一化することができる。したがって、歩留まりを向上することができる。
また、前記機械部品が歯車であり、前記摺動面は前記歯車の歯先部であり、前記第一マスク材が、前記歯車の外周面における前記歯先部に相当する位置のみを輪郭に含むように形成され、前記エッチング工程、前記保護膜形成工程および前記保護膜除去工程を繰り返して、前記基板の下層を露出させる工程と、前記エッチング工程で除去された前記基板の前記上層に相当する領域に第二マスク材を塗布するとともに、前記歯車に相当する領域の前記第二マスク材を除去して前記電鋳物を形成するための電鋳型を形成する電鋳型形成工程と、有し、前記電鋳物形成工程では、前記電鋳型を用いて前記電鋳物を形成することを特徴としている。
このように構成することで、電鋳物形成工程の前に電極として基板上に金属層を形成する場合に、金属層を基板上に連続的に形成することが可能となる。つまり、電鋳物形成工程において、金属層の一箇所に電源を接続するだけで全ての電鋳物の形成領域に電源が供給され、電鋳物を形成することができる。
また、前記機械部品が軸部材を嵌合可能な貫通孔を有し、前記第一マスク材を形成する工程において、前記貫通孔の形成領域にも第一マスク材を形成することを特徴としている。
このように構成することで、機械部品の貫通孔にも山部を形成することができる。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、機械部品と軸部材とが点接触することとなり、頂部が変形して軸部材を保持するため応力が緩和される。すなわち、その応力は、機械部品の山部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、機械部品の貫通孔の形状は周方向に一様であるため、機械部品に軸部材を嵌合する際に、位置合わせの必要がなくなり、生産効率を向上することができる。
また、前記基板は、前記下層に金属層を備え、前記電鋳物形成工程では、前記金属層を電極として前記電鋳物を形成することを特徴としている。
このように構成することで、基板の下層に形成された金属層を電極として利用することができるため、電極(金属層)を形成する工程を省略することができる。したがって、生産効率を向上することができる。
また、前記基板は、前記下層に埋め込み酸化膜層を備えたSOI基板であり、前記電鋳物形成工程の前に、前記埋め込み酸化膜層の表面に金属層を形成する工程を有し、前記電鋳物形成工程では、前記金属層を電極として前記電鋳物を形成することを特徴としている。
このように一般的に流通しているSOI基板を用いることにより、製造コストを低く抑えることが可能となる。また、埋め込み酸化膜層の表面に金属層を形成することにより、金属層の一箇所に電源を接続するだけで全ての電鋳物の形成領域に電源が供給され、電鋳物を形成することができる。
また、本発明に係る時計は、上述した機械部品が時計の組立部品に用いられていることを特徴としている。
また、前記組立部品が、番車、がんぎ車、角穴車および香箱歯車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、摺動面に形成された山部により、各機械部品と該機械部品の回転時に噛み合う別部品(例えば、番車とかな)とが点接触することとなり、耐摩耗性が向上する。また、機械部品の摺動面(外周面)の表面積が増加するため、潤滑油の保持量を増加させることができる。また、摺動面に山部を複数形成することにより、隣接する山部の間に潤滑油を保持することが可能となり、潤滑油の流出を防ぐことができる。
さらに、潤滑油が番車やがんぎ車など歯車における隣接する山部の間に保持されるため、摺動面に確実に潤滑油が供給される。したがって、歯車が噛み合う際のエネルギー損失が少なくなり、てんぷの振角が大きくなるため、正確に時を刻む高精度な時計を提供することができる。そして、潤滑油の保持量を増加させることができるため、時計のメンテナンス頻度を少なくすることができる。
本発明に係る機械部品によれば、機械部品と別部品とを摺動させる際に、曲面形状の山部と別部材とが点接触しながら摺動させることができる。したがって、機械部品と別部品との接触面積を小さくすることができるため、摩擦力を低減することができる。
また、機械部品の山部の周りに潤滑油を塗布することにより、潤滑油を摺動面に確実に供給することができる。また、山部を複数形成すると、隣接する山部の間に潤滑油を保持することができるため、潤滑油の保持量を増加させることが可能となる。さらに、山部を周方向または軸方向に沿って複数形成すると、機械部品の摺動面(外周面)の表面積が増加するため、潤滑油の保持量をさらに増加させることができる。したがって、摺動面に確実に潤滑油を供給することができるとともに、潤滑油を長期間供給することができるため、メンテナンスの頻度を少なくすることができる。
さらに、機械部品は電鋳により形成されるため、十分な強度を有するとともに、製品の精度を均一化することができる。したがって、歩留まりを向上することができる。
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車を示す斜視図である。 図5のB部拡大図である。 図5のB部に相当する拡大斜視図である。 本発明の第一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。 本発明の第一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。 本発明の第一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。 図11の状態を示す平面図である。 本発明の第一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。 本発明の第一実施形態における三番歯車の歯先の製造方法を示す説明図(1)である。 本発明の第一実施形態における三番歯車の歯先の製造方法を示す説明図(2)である。 本発明の第一実施形態における三番歯車の歯先の製造方法を示す説明図(3)である。 本発明の第一実施形態における三番歯車の歯先の製造方法を示す説明図(4)である。 本発明の第一実施形態における三番歯車の歯先の製造方法を示す説明図(5)である。 本発明の第一実施形態における三番歯車の歯先の製造方法を示す説明図(6)である。 本発明の第一実施形態における三番歯車の歯先の製造方法を示す説明図(7)である。 本発明の第一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21の状態を示す平面図である。 本発明の第一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。 図23の状態を示す平面図である。 本発明の第一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25の状態を示す平面図である。 本発明の第一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。 図27の状態を示す平面図である。 本発明の第一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。 本発明の第一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。 本発明の第一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。 本発明の第一実施形態における電鋳工程を示す説明図(1)である。 本発明の第一実施形態における電鋳工程を示す説明図(2)である。 本発明の第一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。 本発明の第一実施形態における三番歯車の製造に用いる基板のさらに別の態様を示す断面図である。 本発明の第一実施形態における三番歯車の別の態様を示す部分拡大斜視図である(図8に相当する位置を示す)。 本発明の第一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である(電鋳工程直前の状態を示す)。 本発明の第二実施形態における三番歯車の歯先の部分拡大断面図(第一実施形態の図7に相当)である。 本発明の第二実施形態における三番歯車の歯先の部分拡大斜視図(第一実施形態の図8に相当)である。 本発明の第二実施形態における三番歯車の製造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歯車の歯先の製造方法を示す説明図(1)である。 本発明の第二実施形態における三番歯車の歯先の製造方法を示す説明図(2)である。 本発明の第二実施形態における三番歯車の歯先の製造方法を示す説明図(3)である。 本発明の第二実施形態における三番歯車の歯先の製造方法を示す説明図(4)である。 本発明の第二実施形態における三番歯車の歯先の製造方法を示す説明図(5)である。 本発明の第二実施形態における三番歯車の歯先の製造方法を示す説明図(6)である。 本発明の第二実施形態における三番歯車の歯先の製造方法を示す説明図(7)である。 本発明の第二実施形態における三番歯車の歯先の製造方法を示す説明図(8)である。 本発明の第二実施形態における三番歯車の歯先の別の態様(1)を示す部分拡大断面図(図38に相当)である。 本発明の第二実施形態における三番歯車の歯先の別の態様(1)を示す部分拡大斜視図(図39に相当)である。 本発明の第二実施形態における三番歯車の歯先の別の態様(2)を示す部分拡大断面図(図38に相当)である。 本発明の第二実施形態における三番歯車の歯先の別の態様(2)を示す部分拡大側面図である。 本発明の第二実施形態における三番歯車の歯先の別の態様(3)を示す部分拡大断面図(図38に相当)である。 本発明の第二実施形態における三番歯車の歯先の別の態様(3)を示す部分拡大側面図である。 本発明の実施形態における三番歯車の歯先のさらに別の態様(1)を示す部分拡大斜視図である。 本発明の実施形態における三番歯車の歯先のさらに別の態様(2)を示す部分拡大断面図である。 本発明の実施形態における三番歯車の歯先のさらに別の態様(3)を示す部分拡大断面図である。 本発明の実施形態における三番歯車の歯先のさらに別の態様(4)を示す部分拡大断面図である。 本発明の実施形態における三番歯車の歯先のさらに別の態様(5)を示す部分拡大断面図である。 本発明の実施形態における三番歯車の歯先のさらに別の態様(6)を示す部分拡大斜視図である。 本発明の実施形態における三番歯車(電鋳物)の製造方法の別の態様を説明す る断面図である。 本発明の技術をがんぎ車に適用した状態を示す斜視図である。
(第一実施形態)
次に、本発明に係る機械部品の第一実施形態を図1〜図37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6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、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はニッケルなどの金属で形成されている。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7、図8に示すように、歯車部126dの歯先126sの摺動面(四番車128のかな部128cと噛み合う箇所)の形状は、三番かな126fの軸方向に沿って曲面形状の山部126mが複数形成され、山部126mがかな部128cに当接するように構成されている。また、一つの山部126mの軸方向の幅T1は、例えば、1μm以上10mm以下である。山部126mの断面形状は、ほぼ円弧でその半径R1はT1のおよそ半分である。山部126mの数は1以上10000以下である。
(番車の製造方法)
次に、本実施形態の番車(三番歯車126g)の製造方法について説明する。
図9〜図33は三番歯車126gの製造方法を説明する図である。
図9は、三番歯車126g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(Silicon On Insulater)基板であり、支持層10aと活性層10bはSi、BOX層10cはSiOで形成されている。支持層10aの厚さは、後の工程で破損あるいは変形が起こらないよう、100μm以上1mm以下とする。活性層10bの厚さは、製造する三番歯車126gの厚さT0以上とする。BOX層10cの厚さは、1μm以上1mm以下とする。なお、SOI基板の他に、支持層10aのSiと活性層10bのSiの間に金属材料を挟んだ基板(図34参照)や、支持層10aに金属材料を用い、その上に活性層10bのSiがある基板(図35参照)でも三番歯車126gを製造することが可能である。この製造方法については後述する。
図10は、フォトレジスト11を塗布した図である。活性層10b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が、ネガ型の場合を用いて説明する。フォトレジスト11の厚さは1μm以上1mm以下で形成する。
図11は、フォトレジスト11を露光・現像した図である。三番歯車126gの歯先126s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の歯先126sにあたる部分および三番歯車126gの径方向外側に相当する領域のフォトレジスト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、エッチングパターンが完成する。図12は、図11の部分平面図である。図11に示すように、隣接する歯先126sに対応したフォトレジスト11はそれぞれ連結されずに独立して残されている。
図13は、活性層10b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、活性層10bのSiをBOX層10cの表面までエッチングする。ここで、本実施形態では、活性層10bに歯先126sの軸方向に沿って形成される断面略半円形状の山部126mに相当する谷部15が複数連なるように形成されている。
ここで、活性層10bに谷部15を連続形成しながらエッチングする方法を図14〜図20を用いて説明する。
図14は、図11の状態を示す部分拡大図である。図14では歯先126sに対応した位置のフォトレジスト11を2箇所表示している。
図15は、一回目のSiエッチング工程を説明する図である。一回のSiエッチング工程で削るSiの厚みはT1とする。ここで、隣接するフォトレジスト11間には凹部14が形成される。フォトレジスト11の無い、Si面の露出している部分がエッチングされるが、等方性エッチングを行うことで、フォトレジスト11の下にある活性層10bの側面17も部分的にエッチングされ、谷部15が形成される。エッチングする厚みT1を制御することで、三番歯車126gの歯先126sに対応する側面17の谷部15の半径R1を任意の大きさにできる。一回のエッチングにより一つの山部126mに相当する一つの谷部15が形成される。
図16は、保護膜を形成した図である。二回目のエッチングでフォトレジスト11の下にある活性層10bが図15の状態以上に削られないよう、一回目のエッチング面(凹部14)に保護膜19を形成する。保護膜19は、例えばフッ化炭素などで形成されている。保護膜19は、Cガスなどを用いてCVD法によりSiの表面に膜を形成する。
図17は、凹部14の底面21の保護膜19のみを除去した図である。凹部14の側面(側面17)の保護膜19を残し、底面21の保護膜19のみを除去して活性層10b(Si面)を露出させる。このように底面21の保護膜19のみを除去するには、例えばSFガスを用いてエッチングを行うと、イオンが底面21の保護膜19に対して鉛直方向から衝突し、そのイオン衝撃により底面21の保護膜19のみが除去される。
図18は、二回目のSiエッチング工程を説明する図である。図15と同様に、Siの等方性エッチングを行う。すると、保護膜19が形成されていない底面21のSiが等方エッチングされる。この後、図16〜図18の工程を所定回数行う。
図19は、Siエッチング、保護膜形成、底面の保護膜除去をBOX層(SiO面)10cの表面に到達するまで繰り返し行った図である。図15のSiエッチング工程、図16の保護膜形成工程、図17の保護膜除去工程を、基板10のBOX層10cに達するまで繰り返し行う(本実施形態では、6回繰り返している)。すると、活性層10bの側面17には谷部15が複数(6個)形成される。
図20は、保護膜19を全て除去した図である。保護膜19は、酸素プラズマアッシングによって除去する。活性層10bの側面17に形成された保護膜19を除去する。図20は、図13と同じ状態である。
図21は、フォトレジスト11を除去した図である。エッチングあるいは物理的な力等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22は、図21の平面図である。
図23は、電極を形成した図である。基板10(BOX層10c)上に電極23を蒸着等によって形成する。電極23は、Cr、Au、Cu、Ti等で形成される。電極23の厚さは、10nm以上10μm以下とする。図24は、図23の平面図である。図24に示すように、電極23は一体的に連接するように形成されている。
図25は、フォトレジスト25を塗布した図である。電極23の上にフォトレジスト25を堆積する。フォトレジスト25は、ネガ型でもポジ型でもよいが、ネガ型の場合を用いて説明する。フォトレジスト25の厚みは、三番歯車126gの厚みT0より厚く形成する。図26は、図25の平面図である。
図27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全体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、三番歯車126gの電鋳に使用する部分以外のフォトレジスト25を硬化させる。未硬化のフォトレジスト27部分を除去し、電鋳型31が完成する。図28は、図27の平面図である。なお、三番歯車126gの貫通孔126kに対応する位置のフォトレジスト25は残している。
図29は、電鋳工程を説明する図である。電極23上に電鋳物33を厚みがT0以上になるよう堆積させる。電鋳する材料は、Ni、Cu、Co、Au等の金属や、Ni−W、Ni−B等の合金、あるいはNi−Al、Ni−SiC等の複合物であればよい。なお、電鋳工程は図32、図33に示すように、電鋳液41の中に電極23が形成された電鋳型31を冶具42に取り付けた状態で浸し、陽極43と電極23との間に電源44を配し、電圧を印加することにより電極23の表面に金属(電鋳物33)が析出する。
図30は、研削・研磨工程を説明する図である。研削によって電鋳物33の高さが三番歯車126gの厚みT0になるように電鋳物33及びフォトレジスト25を削る。さらに研磨を行い、電鋳物33の表面を鏡面に仕上げる。
図31は、電鋳物33(三番歯車126g)を取出した図である。基板10、フォトレジスト25、電極23をエッチングあるいは物理的な力等によって除去し、電鋳物33(三番歯車126g)を取り出す。なお、支持層10aおよび活性層10bのSiは、エッチング液に浸して溶かして除去してもよい。
このようにして製造された三番歯車126gは、歯車の歯先126sに軸方向に沿って曲面形状の山部126mを複数有している。
このように構成することで、三番歯車126gの歯先126sとかな部128cとを噛み合わせると、山部126mと四番車128のかな部128cとが点接触することとなり、山部126mとかな部128cとの接触面積を小さくすることができるため、摩擦力を低減することができ、耐摩耗性が向上する。また、歯先126sの表面積が増加するため、潤滑油の保持量を増加させることができる。また、歯先126sに山部126mを複数形成することにより、隣接する山部126mの間に潤滑油を保持することが可能となり、潤滑油の流出を防ぐことができる。
さらに、潤滑油が隣接する山部126mの間に保持されるため、かな部128cとの摺動面に確実に潤滑油が供給される。したがって、三番歯車126gとかな部128cとが噛み合う際のエネルギー損失が少なくなり、てんぷ140の振角が大きくなるため、正確に時を刻む高精度な時計を提供することができる。そして、潤滑油の保持量を増加させることができるため、時計のメンテナンス頻度を少なくすることができる。なお、三番歯車126gは電鋳により形成されるため、十分な強度を有している。
また、上述した製造方法により三番歯車126gを製造することにより、歯先126sに複数の山部126mを有する三番歯車126gを電鋳により容易に形成することができる。
次に、番車(三番歯車126g)の別の製造方法について説明する。
図34は、三番歯車126gを製造する際に用いる基板の断面図である。図34に示すように、基板50は、支持層50aのSiと活性層50bのSiの間に金属層50cが形成された基板である。金属層50cは、Cr、Au、Cu、Ti等で構成されている。支持層50aのSiの厚みは、上述の場合と同様、100μm以上1mm以下とする。活性層50bのSiの厚みは、製造する三番歯車126gの厚みT0以上とする。金属層50cの厚みは、1μm以上1mm以下とする。
このような基板50を用いることにより、上述の図13の工程を終了した時点で、金属層50cが露出するため、後の電鋳工程の際に電極として利用することができる。また、上述の図23の電極形成工程が不要となるため、生産効率を向上することができる。
なお、図35に示すように、支持層55aに金属材料を用い、その上に活性層55bのSiがある基板55でも同様の工程で三番歯車126gの製造が可能である。金属材料は、Cr、Au、Cu、Ti等で構成されている。支持層55aの厚みは、100μm以上1mm以下とし、活性層55bのSiの厚みは、製造する三番歯車126gの厚みT0以上とする。このような基板55を用いても上述と同様、生産効率を向上することができる。
ここで、上述した基板50または基板55を用いて三番歯車126gを製造する場合には、図36に示すように歯先126sだけでなく外周面126pの全周に亘って山部126mを形成することができる。これは、外周面126pの全周に山部を形成する際には、三番歯車126gに相当する位置のフォトレジスト25のみを除去し、その他の領域のフォトレジスト25は残すこととなるため、基板10を用いると電極23が孤立してしまい、電極23に対して導通をとることができず、電鋳できない。しかしながら、基板50または基板55を用いると、図37に示すように、三番歯車126gに相当する位置のフォトレジスト25のみを除去した際に、電極23の機能を果たす金属層50cまたは55cが露出し、この金属層50c,55cは基板50,55に一体的に形成されているため、導通をとることができ、電鋳により三番歯車126gを製造することができる。
このように山部126mを外周面126pの全周に亘って形成することで、潤滑油の保持量をさらに増加させることができるため、より確実に、かつ、長期間に亘って摺動面に潤滑油を供給することができる。
また、基板50または基板55を用いることにより、金属層50c,55cを電極として利用することができるとともに、活性層50b、55bをエッチングした後に電極を形成する工程を省略することができる。したがって、生産効率を向上することができる。
また、本実施形態では三番歯車126gを一枚のフォトマスクで作製したため、マスク合わせの誤差がなくなり、寸法精度を向上させることができる。
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、角穴車116および香箱歯車120dを製造し、歯先または外周面に山部を形成することにより、各機械部品と該機械部品の回転時に噛み合う別部品(例えば、番車とかな)とが点接触することとなり、耐摩耗性が向上する。また、各組立部品の摺動面(外周面)の表面積が増加するため、潤滑油の保持量を増加させることができる。また、摺動面に山部を複数形成することにより、隣接する山部の間に潤滑油を保持することが可能となり、潤滑油の流出を防ぐことができる。
さらに、潤滑油が番車124,126,128、がんぎ車130、角穴車116および香箱歯車120dの軸方向に隣接する山部の間に保持されるため、摺動面に確実に潤滑油が供給される。したがって、歯車が噛み合う際のエネルギー損失が少なくなり、てんぷ140の振角が大きくなるため、正確に時を刻む高精度な時計を提供することができる。そして、潤滑油の保持量を増加させることができるため、時計のメンテナンス頻度を少なくすることができる。
(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38〜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)の貫通孔の形状が異なるのみであり、その他の部分に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歯車の符号を226gとし、三番かなの符号を226fとする。
図38、図39に示すように、歯車部226dの歯先226sの摺動面(四番車128のかな部128cと噛み合う箇所)の形状は、三番かな226fの軸方向に沿って曲面形状の山部226mが複数形成され、山部226mがかな部128cに当接するように構成されている。また、一つの山部226mの軸方向の幅T1は、例えば、1μm以上10mm以下であり、軸方向中心部に向かうほど幅T1が大きくなるように幅の異なる山部226mが複数形成されている。山部226mの断面形状は、ほぼ円弧でその半径R1はT1のおよそ半分である。山部126mの数は1以上10000以下である。
(番車の製造方法)
次に、本実施形態の番車(三番歯車226g)の製造方法について説明する。なお、本実施形態では第一実施形態と異なる工程を中心に説明する。
まず、三番歯車226gを形成するための基板10は図9と略同一の基板を用いる。そして、基板10の活性層10b上にフォトレジスト11を塗布する。続いて、フォトレジスト11を露光・現像し、三番歯車226gの歯先226sにあたる部分および三番歯車126gの径方向外側に相当する領域のフォトレジスト11を硬化させる。続いて、未硬化のフォトレジスト11部分を除去し、図12に示すようなエッチングパターンが完成する。
図40は、活性層10b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、活性層10bのSiをBOX層10cの表面までエッチングする。ここで、本実施形態では、活性層10bに歯先226sの軸方向に沿って形成される断面略半円形状の山部226mに相当する谷部115が複数連なるように形成されている。
ここで、活性層10bに谷部115を連続形成しながらエッチングする方法を図41〜図47を用いて説明する。
図41では、歯先226sに対応した位置のフォトレジスト11を2箇所表示している。
図42は、一回目のSiエッチング工程を説明する図である。一回のSiエッチング工程で削るSiの厚みはT1とする。ここで、隣接するフォトレジスト11間には凹部114が形成される。フォトレジスト11の無い、Si面の露出している部分がエッチングされるが、等方性エッチングを行うことで、フォトレジスト11の下にある活性層10bの側面17も部分的にエッチングされ、谷部115が形成される。エッチングする厚みT1を制御することで、三番歯車226gの歯先226sに対応する側面17の谷部115の半径R1を任意の大きさにできる。一回のエッチングにより一つの山部226mに相当する一つの谷部115が形成される。なお、厚みT1を制御するには、エッチング時間を調整することにより行えばよい。
図43は、保護膜を形成した図である。二回目のエッチングでフォトレジスト11の下にある活性層10bが図42の状態以上に削られないよう、一回目のエッチング面(凹部114)に保護膜19を形成する。保護膜19は、例えばフッ化炭素などで形成されている。保護膜19は、Cガスなどを用いてCVD法によりSiの表面に膜を形成する。
図44は、凹部114の底面21の保護膜19のみを除去した図である。凹部114の側面(側面17)の保護膜19を残し、底面21の保護膜19のみを除去して活性層10b(Si面)を露出させる。このように底面21の保護膜19のみを除去するには、例えばSFガスを用いてエッチングを行うと、イオンが底面21の保護膜19に対して鉛直方向から衝突し、そのイオン衝撃により底面21の保護膜19のみが除去される。
図45は、二回目のSiエッチング工程を説明する図である。図42と同様に、Siの等方性エッチングを行う。すると、保護膜19が形成されていない底面21のSiが等方エッチングされる。この後、図43〜図45の工程を所定回数行う。ここで、本実施形態では、谷部115の厚みT1が軸方向中心部に向かうほど幅T1が大きくなるように、エッチング時間を調整しながら谷部115を形成する。
図46は、Siエッチング、保護膜形成、底面の保護膜除去をBOX層(SiO面)10cの表面に到達するまで繰り返し行った図である。図42のSiエッチング工程、図43の保護膜形成工程、図44の保護膜除去工程を、基板10のBOX層10cに達するまで繰り返し行う(本実施形態では、9回繰り返している)。すると、活性層10bの側面17には谷部115が複数(9個)形成される。
図47は、保護膜19を全て除去した図である。保護膜19は、酸素プラズマアッシングによって除去する。活性層10bの側面17に形成された保護膜19を除去する。
このようにして厚みT1の異なる谷部115を複数形成した後は、第一実施形態の図21〜図30に示す方法と同一の方法により、図48に示す電鋳物133(三番歯車226g)を取り出す。
このようにして製造された三番歯車226gは、歯車の歯先126sに軸方向に沿って曲面形状の山部226mを複数有している。また、本実施形態の山部226mは、山部226mの幅T1が軸方向中央部に向かうほど大きくなっている。つまり、軸方向中央部が凸状になるように大きさの異なる山部226mを複数形成した。
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効果を得ることができるとともに、三番歯車226gと四番車128のかな部128cとが傾いて接触しても確実に接触させることができ、潤滑油を確実に供給することができる。また、三番歯車226gと四番車128のかな部128cとが傾いて接触してもいずれかの角が当たって削れるのを防止することができる。
なお、図49、図50に示すように、山部226mの幅T1が軸方向中央部に向かうほど小さくなるように形成してもよい。つまり、軸方向中央部が凹状になるように大きさの異なる山部226mを複数形成してもよい。このように構成することで、潤滑油の保持量をより多く確保することができる。
また、上述した第二実施形態では、山部226mの頂部の位置が漸次変化して、頂部を結ぶと略円弧状になるように山部226mが形成されているが、図51、図52に示すように、軸方向中央部の山部326mのみを他の山部から突出するように形成したり、図53、図54に示すように、軸方向両側部の山部326mのみを他の山部から突出するように形成したりしてもよい。このように構成することで、三番歯車326gと四番車128のかな部128cとの接触面積を最小限にすることができるため、摺動時の摩擦によるエネルギー損失を低減することができる。
尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な形状や構成等は一例にすぎず、適宜変更が可能である。
例えば、図55に示すように、山部626mを軸方向に沿って略同一の幅で複数形成し、かつ、山部626mの頂部を結ぶと略円弧状になるように形成してもよい。
また、図56〜図59に示すように、隣り合う山部726m,726mの間に径方向に奥行を持った油保持部726qを形成してもよい。このように油保持部726qを形成することで、より多くの潤滑油を保持することができ、メンテナンス頻度を少なくすることができる。
また、図60に示すように、歯車の歯先826sの形状を突起826pが周方向に略等間隔に複数形成されたような形状にし、軸方向に山部826mを複数形成するような構成にしてもよい。このように構成すると、歯車826gと四番車128のかな部128cとが点接触するようになり、潤滑性能をさらに向上することができる。
また、本実施形態では、歯車の歯先や外周面のみに山部を形成した場合の説明をしたが、歯車部に形成されたかな部が挿通(嵌合)される貫通孔の内周面にも同様の山部を形成してもよい。歯車部の貫通孔の内周面に山部を形成することにより、かな部を嵌合する際に応力を緩和することができる。
また、本実施形態では、歯車の摺動面に周方向に沿うように山部を形成した場合の説明をしたが、上記実施形態で説明した手法を用いれば、軸方向に延びる山部を製造することができるのは勿論のことである。
さらに、例えば、上記実施形態で電鋳物33(133)が形成された後に、図61に示すように、コーティング膜99でめっきをしてもよい。コーティング膜99の材料としては、Ni,Cr,Rh,Auなどの金属や、Ni−W,Ni−Coなどの合金、あるいはNi−Al,Ni−PTFEなどの複合物を採用することができる。コーティング膜99の厚みは、100nm〜100μm程度とする。特に、摺動性能を向上させたい場合は、Cr,Ni−W,Ni−SiCなどの耐摩耗性めっきや、Au,Ni−PTFEなどの潤滑性めっきを行うとよい。また、めっきは無電解・電解のどちらでもよく、イオンプレーティングやスパッタなどの手法で金属膜やセラミックス膜などを形成してもよい。このように電鋳物33にコーティング膜99をめっきすることにより、電鋳物33(歯車)の耐食性、耐摩耗性、装飾性などの機能を向上させることができる。
そして、本実施形態では、三番歯車の場合について説明したが、図62に示すように、がんぎ車130の歯車部130dの周面に山部130mを形成してもよい。なお、上記実施形態のように山部130mを歯車部130dの先端部のみに形成してもよい。また、山部の形状は上記した実施形態のいずれかの形状にすればよい。
10…基板 11…フォトレジスト(第一マスク材) 14…凹部 17…側面 19…保護膜 21…底面 23…電極 25…フォトレジスト(第二マスク材) 33…電鋳物 50…基板 50c…金属層 55…基板 55c…金属層 116…角穴車 120d…香箱歯車 124…二番車(番車) 126…三番車(歯車、番車) 126f…三番かな(軸部) 126g…三番歯車(機械部品) 126m…山部 126p…外周面 126s…歯先(摺動面、歯先部) 128…四番車(番車) 128c…かな部(別部品) 130…がんぎ車

Claims (13)

  1. 電鋳により形成され、軸部を中心に回動し隣接する別部品と摺動可能に構成された機械部品において、
    前記別部品と当接する摺動面に山部が形成され、
    該山部が前記別部品に当接可能に構成されており、
    前記山部は、前記摺動面における前記軸部の周方向に沿って形成されているとともに、前記摺動面における前記軸部の軸方向に沿って複数形成されていることを特徴とする機械部品。
  2. 前記山部は、前記摺動面から前記別部品に向かって突出する凸状の曲面形状を有することを特徴とする請求項1に記載の機械部品。
  3. 数の前記山部のうちの少なくとも一つの山部は、該一つの山部の頂部と前記軸部の中心との距離が他の山部の頂部と前記軸部の中心との距離と異なる大きさで形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の機械部品。
  4. 隣り合う前記山部同士の間に、油保持部が形成されていることを特徴とする請求項1〜のいずれかに記載の機械部品。
  5. 前記機械部品が歯車であり、
    前記山部が外周面の全周に亘って形成されていることを特徴とする請求項1〜のいずれかに記載の機械部品。
  6. 前記機械部品が歯車であり、
    前記山部が前記別部品と当接する歯先部のみに形成されていることを特徴とする請求項1〜のいずれかに記載の機械部品。
  7. 複数層からなる基板を用いて、別部品と摺動可能な摺動面を有する機械部品を製造する方法であって、
    前記基板の上層における前記機械部品の形成領域以外の領域に、前記摺動面に相当する位置を輪郭に含む第一マスク材を形成する工程と、
    該第一マスク材を用いて前記上層を所定深さまで等方性エッチングするエッチング工程と、
    前記等方性エッチングにより形成された凹部の底面および側面に保護膜を形成する保護膜形成工程と、
    前記凹部の底面に形成された前記保護膜を除去する保護膜除去工程と、
    前記エッチング工程、前記保護膜形成工程および前記保護膜除去工程を繰り返して、前記基板の下層を露出させる工程と、
    該下層の表面に電鋳物を形成する電鋳物形成工程と、
    前記摺動面に相当する位置に残存する前記上層を含めて前記基板を除去する工程と、を有していることを特徴とする機械部品の製造方法。
  8. 前記機械部品が歯車であり、前記摺動面は前記歯車の歯先部であり、
    前記第一マスク材が、前記歯車の外周面における前記歯先部に相当する位置のみを輪郭に含むように形成され、
    前記エッチング工程、前記保護膜形成工程および前記保護膜除去工程を繰り返して、前記基板の下層を露出させる工程と、
    前記エッチング工程で除去された前記基板の前記上層に相当する領域に第二マスク材を塗布するとともに、前記歯車に相当する領域の前記第二マスク材を除去して前記電鋳物を形成するための電鋳型を形成する電鋳型形成工程と、有し、
    前記電鋳物形成工程では、前記電鋳型を用いて前記電鋳物を形成することを特徴とする請求項に記載の機械部品の製造方法。
  9. 前記機械部品が軸部材を嵌合可能な貫通孔を有し、
    前記第一マスク材を形成する工程において、前記貫通孔の形成領域にも第一マスク材を形成することを特徴とする請求項またはに記載の機械部品の製造方法。
  10. 前記基板は、前記下層に金属層を備え、
    前記電鋳物形成工程では、前記金属層を電極として前記電鋳物を形成することを特徴とする請求項のいずれかに記載の機械部品の製造方法。
  11. 前記基板は、前記下層に埋め込み酸化膜層を備えたSOI基板であり、
    前記電鋳物形成工程の前に、前記埋め込み酸化膜層の表面に金属層を形成する工程を有し、
    前記電鋳物形成工程では、前記金属層を電極として前記電鋳物を形成することを特徴とする請求項7〜9のいずれかに記載の機械部品の製造方法。
  12. 請求項1〜のいずれかに記載の機械部品が時計の組立部品に用いられていることを特徴とする時計。
  13. 前記組立部品が、番車、がんぎ車、角穴車および香箱歯車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12に記載の時計。
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