JP5823038B2 - 機能性微小機械アセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、第２の層によって画定される第２の接触表面と摩擦接触するよう構成される第１の接触表面を画定する第１の層を備える第１の構成部品を含む、機能性微小機械時計アセンブリに関し、上記第２の層は、上記第１の構成部品、又は上記第１の構成部品と共に上記アセンブリを形成する少なくとも１つの第２の微小機械構成部品のいずれかに属する。本発明は、より具体的には、ガンギ車及びツメ石等の互いに機械的に協働する一対の微小機械時計構成部品に関する。

ダイヤモンド被覆シリコン脱進機（ツメ石及びガンギ車）を有し、ツメ石／ガンギ車の接触部の意図的な液体潤滑を含まない機械式時計ムーブメントの最近の構造は、良好に機能しない。実際、このタイプの無潤滑脱進機による調整用動力は、従来の潤滑を有する脱進機デバイスによる調整用動力より劣っている。本出願人は、特定の場合において、無潤滑脱進機が脱進機のコーティングの摩擦学的性能の不可逆的な低下の数時間後に動作を停止することを観察した。

無潤滑ダイヤモンド被覆脱進機に対して効果的であると思われる唯一のアプローチは、脱進機を時計ムーブメントに組付ける前に、ダイヤモンドの摩擦表面を予め研磨しておくことである。しかしながら、これには手間がかかり、許容可能な原価での工業的生産のための要件と相容れない。

微小機械への応用では、当業者は、表面が滑らかであるほど互いにより平滑に動くことができると直感的に考えるため、使用されるダイヤモンド層の大部分は、本質的にナノサイズ結晶（粒径＜５０ｎｍ、Ｒａ＜５０ｎｍ）である。

本発明の主たる目的は、特に時計での応用において、微小機械構成部品を潤滑なしに確実かつ耐久性のある方法で互いに対して摩擦接触できるようにする摩擦学的解決法を提供することであり、これは先行技術の少なくとも上述の欠点を克服する。

また、本発明の目的は、研磨のような後処理ステップを必要としない、改善された摩擦学的特徴を有する可動要素を含み、特に時計のための機能性微小機械アセンブリを提供することである。

従って、本発明は、第２の層によって形成される第２の接触表面と摩擦接触するように構成される第１の接触表面を形成する第１の層を備える第１の構成部品を含む機能性微小機械時計アセンブリに関し、上記第２の層は、上記第１の構成部品、又は上記第１の構成部品と共に上記アセンブリを形成する少なくとも１つの第２の微小機械構成部品のいずれかに属し、上記アセンブリは、第１及び第２の層がそれぞれ少なくとも炭素原子を５０％有する炭素で形成されること、並びに少なくとも第１及び第２の接触表面において、上記層が互いから異なる表面の結晶面配向を有することを特徴とする。

この配置の結果として、例えば時計ムーブメントのツメ石／ガンギ車等の一対の微小機械構成部品を、潤滑なしで機能させることが可能になる。本出願人は、本出願中のこのタイプの機能性アセンブリの摩擦学的性能が、液体潤滑を有する最新式の脱進機と同等又はそれ以上に良好であることを観察した。

このような構成で設けられる１つ又は複数の上記微小機械構成部品の第１及び第２の層は、より良好な耐摩耗性を有する。更に、層の２つの接触表面の間の摩擦によるエネルギ損失が大幅に低減され、従って機能性微小機械アセンブリは、同じ構造の対向する摩擦表面の対と比較して、改善された摩擦学的特長を有する。同一の構造を有する表面が摩擦接触する際に生じる連動は、本発明による配置によって排除される。本発明の有利な実施形態によると、少なくとも上記第１の層は、少なくとも接触表面に微結晶構造を有し、好ましくは上記第１及び第２の層はそれぞれ少なくともそれらの接触表面に微結晶構造を有する。典型的には、上記第１及び／又は第２の層の粒径は、少なくとも各接触表面において２００ｎｍ超であり、かつ１０μm未満である。

本実施形態の好ましい変形例によると、上記第１及び／又は第２の層の結晶面はそれぞれ、少なくともそれらの各接触表面において所定の方向に異なる配向を有しており、例えば、＜１００＞方向の群の［１００］方向、又は＜１１１＞方向の群の［１１１］方向を含む。

好ましくは、上記第１の層の｛１００｝結晶面の群の結晶面のうちの１つは、少なくとも第１の接触表面において、上記第２の層の｛１１１｝結晶面の群の結晶面のうちの１つの少なくとも第２の接触表面と結合する。

有利な特徴によると、｛１００｝の群の（１００）結晶面及び｛１１１｝層の群の結晶面（１１１）に対する法線によって画定される平均角度は、少なくともそれらの各接触表面において、１０°〜７０°、好ましくは４０°〜５０°、より好ましくは４５°である。

有利な実施形態によると、第１の構成部品は中実単結晶又は多結晶ダイヤモンド製である。

好ましくは、第１又は第２の接触表面のうちの一方の平均粗さ（Ｒｍｓ）は、８０ｎｍ〜３μmである。第１又は第２の接触表面のうちの他の一方の平均粗さはより小さく、好ましくは少なくとも１．５倍小さく、典型的には５０ｎｍ〜２μmである。

本発明の変形実施形態によると、上記第１の接触表面及び／又は上記第２の接触表面を画定する上記第１及び／又は上記第２の摩擦層は、第１及び／又は第２の基材を覆い、これによって上記第１及び／又は第２の構成部品を形成する。典型的には、第１及び／又は第２の基材は、シリコン又は鋼若しくはセラミック製であってもよく、クロム、チタン、ニッケル等の中間層を有しても有さなくてもよい。シリコン基材の場合、シリコンは窒化シリコン、炭化、酸化又は粗製シリコンであってもよい。

他の変形例によると、第１及び／又は第２の構成部品は、中実単結晶又は多結晶ダイヤモンド製であり、したがって第１及び／又は第２の接触表面を直接的に形成する。上記第１及び／又は第２の層は、基材又は単一体のどちらに蒸着されても、これらの層の厚さは少なくとも１５０ｎｍ超である。単一体の構成部品に関して、第１の層の厚さは１ｍｍまでとすることができる。基材を有する構成部品の場合、第１及び／又は第２の蒸着層は、５０μmまでの厚さであってもよい。

本発明の機能性微小機械アセンブリは、時計学の分野において有利に応用できる。特に、第１の構成部品はツメ石であってもよく、第２の構成部品はガンギ車であってもよく、又はその逆であってもよい。時計での他の応用例では、第１の構成部品はホイールセットアーバであってもよく、第２の構成部品は軸受であってもよく、又はその逆であってもよい。この領域での他の応用例によると、第１及び第２の構成部品は歯車の歯部であってもよい。このタイプの一対の要素において、構成部品の接触表面は、摩擦接触時に摩擦学的性能の不可逆的な低下を呈することなく、良好な安定性を示した。スイスレバー脱進機等の可動性時計システムは、ツメ石／ガンギ車の接触を潤滑なしに機能し、標準的な対象と少なくとも同等の性能を提供できる。具体的にはダイヤモンド層である、本発明の（単一体であってもよい、又は基材上にあってもよい）摩擦層は、摩擦表面の性質を改変するために必要な（例えば、研磨、表面仕上げ等による）後処理を行わなくても即座に効果を発揮する。本発明による１つの構成部品のみを含む時計での応用例では、構成部品は、ストリップから形成されたゼンマイ、上記第１の接触表面を形成する上記ストリップの前面、及び上記第２の接触表面を形成する上記ストリップの背面であってもよい。本発明の機能性微小機械アセンブリの特定の応用において、構成部品は２つ以上の他の構成部品と摩擦接触してよいことは言うまでもない。この場合、互いに接触する構成部品の摩擦表面は、本発明によって、互いに異なる結晶面の配向を有する。

本発明の層は、有利には熱フィラメントＣＶＤ技術又はマイクロ波技術を用いて形成される。ダイヤモンドは中実であってもよく、また、結晶成長によって得たものであってもなくてもよい。所望の結晶面の配向（例えば（１００）、（１１１））は、蒸着チャンバ内の反応性ガスの割合を変化させることにより得られ、圧力又は温度パラメータは、例えば：Ｙ．Ａｖｉｇａｌらによる刊行物「［１００］−Ｔｅｘｔｕｒｅｄ ｄｉａｍｏｎｄ ｆｉｌｍｓ ｆｏｒ ｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」（エルゼビア刊、Ｄｉａｍｏｎｄ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ内、第６巻、１９９７年、３８１〜３８５ページ、特に第３．１節）、Ｑｉｊｉｎ Ｃｈｅｎらによる刊行物「Ｏｒｉｅｎｔｅｄ ａｎｄ ｔｅｘｔｕｒｅｄ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ （１１１） ｄｉａｍｏｎｄ ｏｎ ｓｉｌｉｃｏｎ ｕｓｉｎｇ ｈｏｔ ｆｉｌａｍｅｎｔ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｕｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ」（エルゼビア刊、Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌｍｓ内、第２７４巻、１９９６年、１６０〜１６４ページ）；並びにＭ．Ｇｒｕｊｉｃｉｃ及びＳ．Ｇ．Ｌａｉによる刊行物（ｔｈｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ａｎｄ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇにおいて発表、第２巻、２０００年、７３〜８５ページ）に開示されている通りである。これらの文献は、参照によって本明細書の理解の助けになる。

本発明による微小機械アセンブリのその他の特徴及び利点は、非限定的な例として挙げる添付した図面を参照して行われる、このアセンブリの実施形態に関する以下の詳細な説明からも明らかになるであろう。

図１は、本発明による、機能性微小機械アセンブリを形成する２つの微小機械構成部品の２つの接触表面の一例を示す概略拡大図であり、これら表面はそれぞれ結晶面の配向（１１１）、（１００）を有する。 図２は、図１の微小構成部品のうちの１つの接触表面の概略拡大図であり、これは［１００］方向の配向を有し、（１００）結晶面それぞれの傾斜の角度を示す。 図３は、ガンギ車のロック面Ｃ及びインパルス面Ｄと協働するロック面Ａ及びインパルス面Ｂを有するツメ石の部分側面図であり、面Ａ、Ｂは本発明による第１の接触表面を形成し、面Ｃ、Ｄは本発明による第２の接触表面を形成する。 図４は、本発明による第１及び第２の接触表面をそれぞれ形成した前面及び背面を有するゼンマイのストリップの上面図である。

図１は、一対の本発明による微小機械構成部品１０、２０の例示的な実施形態を示す。第１の構成部品１０は、ダイヤモンド層１１が蒸着される基材１５を含み、ダイヤモンド層１１は、第２の層２１によって形成される第２の接触表面２１ａと摩擦接触するよう構成された接触表面１１ａを有する。接触表面１１ａにおいて、ダイヤモンド層１１は所定の方向、特に［１１１］方向に配向された結晶面を有する。少なくとも接触表面１１ａにおいて、ダイヤモンド層１１は、２００ｎｍ超の粒径及び８０ｎｍ超の粗さＲｍｓを有する微結晶である。

微小機械構成部品２０は、ダイヤモンド層２１が蒸着される基材２５を含み、ダイヤモンド層２１は、微小機械構成部品１０の表面１１ａに対向する接触表面２１ａを有する。したがってダイヤモンド層１１、２１は摩擦層を形成する。

少なくとも接触表面２１ａにおいて、ダイヤモンド層２１は所定の方向、特に［１００］方向に配向された結晶面を有する。実際、これら結晶面は、ダイヤモンド層２１を得る慣用の方法特有の回避できない成長欠陥によって、摩擦方向Ｆに関して実質的に傾斜する。少なくとも接触表面２１ａにおいて、ダイヤモンド層２１は２００ｎｍ超の粒径を有する微結晶である。

したがって、ダイヤモンド層１１、２１は少なくとも、互いに対して摩擦接触するよう構成される接触表面１１ａ、２１ａにおいて、異なる結晶面の配向を有し、この例ではこれら２つの配向は［１００］、［１１１］方向である。図１を参照すると、接触表面１１ａ、２１ａの表面の結晶面の配向の違いを、接触表面１１ａ、２１ａの結晶面に対する法線Ｎ１１、Ｎ２１によって形成される平均角度βによって画定することも可能であることがわかる。βは１０°〜７０°、好ましくは４０°〜５０°であり、より好ましくは４５°である。角度β_moyは、２つの接触表面１１ａ、２１ａの結晶面の配向βの平均角度の違いに相当する。この角度は、ダイヤモンドの蒸着方法の制御において重要な尺度であるため、ダイヤモンドの分野の当業者は容易に算出することができる。

図２もやはり、傾斜角度αを図示するために、微小構成部品２０を単独で示す。この角度は、表面２１ａに対する局所的な法線と、摩擦方向Ｆ及び表面２１ａを画定する理論上の表面に属する直線Ｇによって画定される理論上の摩擦面ＰＦ（図では点線で示す）に対する法線ＮＦとの間で測定される。

角度αは理論上の摩擦面ＰＦに対して算出される。これは、図２において、法線Ｎ２５と（１００）面に対する法線Ｎ２１との間の角度α_iの平均を表す。角度α_moyは好ましくは３０°未満、より好ましくは１０°未満である。

典型的には、ダイヤモンド層１１、２１は、均一な結晶面の配向を得るために、少なくとも１５０ｎｍ、好ましくは約２．５μmである。

より一般には、表面１１ａ、２１ａを画定する層１１、２１は、それぞれ少なくとも炭素原子を５０％有する炭素を含む。例えば、これらの層はダイヤモンド、ダイヤモンド様炭素、グラファイト、又はこれらの材料の組み合わせから形成される。

図示していない変形実施形態によると、表面１１ａ及び／又は２１ａは、層１１及び／又は２１を形成する材料とは異なる材料のコーティングの層で少なくとも部分的にコーティングされる。これらのコーティング層は、例えば、金、ニッケル又はチタン膜から形成される。これらのコーティング層は、好ましくは１００ｎｍ超の厚さをもつべきではない。この場合有利には、第１及び第２の接触表面の表面組織は、本発明による異なる表面結晶面の配向を有する。

微小機械構成部品１０、２１の層１１、２１を、ダイヤモンド、ＤＬＣ又はグラファイト層の蒸着に適したいずれのタイプの材料製の基材に蒸着できる。例えば、基材１５、２５を、セラミック、シリコン、脱酸シリコン、酸化シリコン、炭化シリコン又及び鋼を含む材料の群の中から選択してもよい。

本発明の接触表面１１ａ、２１ａを、微小機械構成部品の一方及び／又は他方のための基材を使用せずに作成することもできる。実際、本発明の変形例によると、接触表面１１ａ及び／又は２１ａを、中実単結晶又は多結晶ダイヤモンドから得てもよい。

図３は、アンクルレバー３０がガンギ車４０の歯４１と協働するツメ石３１を含む時計の脱進機を製造するための、本発明の例示的な応用例を示す。ツメ石３１は、歯４１のロック面Ｃ及びインパルス面Ｄと協働するロック面Ａ及びインパルス面Ｂを有する。ロック面Ａ及びインパルス面Ｂは、例えば前記接触表面１１ａに一致する接触表面を有し、面Ｃ、Ｄは前記接触表面２１ａに一致する接触表面（それぞれ図１、２を参照して説明した）を有する。これら表面Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、高いレベルの摩擦及び／又は接触にさらされる、高い応力を受ける領域である。変形例によると、アンクルレバー３０は、ツメ石３１と一体であってもよい。

図４は、ゼンマイのストリップ５０が、図１、２を参照して説明した接触表面１１ａ、１２ｂにそれぞれ一致する前面５０ａ及び背面５０ｂを有する、本発明の時計への別の応用例を示す。

それにも関わらず、当業者には、本発明を、例えば微小機械構成部品１０、１１がホゾ等のホイールセットアーバ、及び宝石等の軸受、又は１対の歯車の歯部、又は摩擦学的性質のものであってもなくてもよいその他の強い機械的応力に大いにさらされる要素の対である、その他の実施形態（図示せず）に応用してもよいことが明らかである。

請求項における参照符号は限定的なものではない。動詞「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」及び「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」は、請求項に列挙したものと異なる要素の存在を排除するものではない。要素の前に置く単語「１つの（ａ）」は、複数の該要素の存在を排除するものではない。

Claims (18)

1. 少なくとも第１の表面を備えた少なくとも第１の構成部品（１０）を含む機能性微小機械時計アセンブリ（１００）であって、
   前記少なくとも第１の表面は、少なくとも第２の表面をコーティングする少なくとも第２の層（２１）によって画定される第２の接触表面（２１ａ）と摩擦接触するように構成される第１の接触表面（１１ａ）を画定する第１の層（１１）でコーティングされ、
   前記第１の構成部品（１０）又は少なくとも第２の微小機械時計構成部品（２０）のいずれかは、前記第１の構成部品（１０）と共に前記アセンブリ（１００）を形成する、機能性微小機械時計アセンブリ（１００）において、
   前記第１及び第２の層（１１、２１）は、それぞれ少なくとも炭素原子を５０％有する炭素で形成されること、
   前記第１の接触表面は、第１の所定の結晶面の配向を有すること、
   前記第２の接触表面は、第２の所定の結晶面の配向を有すること、並びに
   前記第１及び第２の所定の結晶面の配向は、互いから異なる配向であること
   を特徴とする、機能性微小機械時計アセンブリ（１００）。
2. 少なくとも前記第１の層（１１）は、少なくとも前記第１の接触表面において、微結晶構造を有することを特徴とする、請求項１に記載の機能性微小機械時計アセンブリ。
3. 前記第１及び第２の層（１１、２１）は、それぞれ少なくとも各前記接触表面において微結晶構造を有することを特徴とする、請求項２に記載の機能性微小機械時計アセンブリ。
4. 少なくとも前記第１の接触表面において、前記第１の層の結晶面は｛１１１｝面の群に属すること、
   少なくとも前記第２の接触表面において、前記第２の層の結晶面は｛１００｝面の群に属すること、及び
   前記｛１１１｝面の群に属する前記第１の層の前記結晶面に対する法線及び前記｛１００｝面の群に属する前記第２の層の前記結晶面に対する法線によって画定される平均角度は、１０°〜７０°、好ましくは４０°〜５０°、より好ましくは４５°であること
   を特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の機能性微小機械時計アセンブリ。
5. 少なくとも前記第１の層（１１）の粒径は、少なくとも前記第１の接触表面において、２００ｎｍ超であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の機能性微小機械時計アセンブリ。
6. 前記第１の層（１１）及び第２の層（２１）の粒径は、少なくとも各前記接触表面において、２００ｎｍ超であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の機能性微小機械時計アセンブリ。
7. 前記第１の層又は前記第２の層のうちの少なくとも一方は、別の材料のコーティング層で少なくとも部分的にコーティングされていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の機能性微小機械時計アセンブリ。
8. 前記コーティング層は、１００ｎｍ未満であることを特徴とする、請求項７に記載の機能性微小機械時計アセンブリ。
9. 前記第２の層は、前記第２の構成部品（２０）に属すること、及び
   前記第１及び／又は前記第２の構成部品は、中実単結晶又は多結晶ダイヤモンド製であること
   を特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の機能性微小機械時計アセンブリ。
10. 前記第１の接触表面又は前記第２の接触表面のうちの一方の平均粗さ（Ｒｍｓ）は、８０ｎｍ超であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の機能性微小機械時計アセンブリ。
11. 前記第１の接触表面及び／又は前記第２の接触表面を画定する前記第１の層及び／又は前記第２の層は、第１の基材をコーティングして、前記第１の構成部品を形成することを特徴とする、請求項１〜８と、請求項１〜８を引用する請求項１０とのうちのいずれか１項に記載の機能性微小機械時計アセンブリ。
12. 前記第２の層は、前記第２の構成部品（２０）に属すること、並びに
    前記第１の接触表面及び／又は前記第２の接触表面を画定する前記第１の層及び／又は前記第２の層は、第１の基材及び／又は第２の基材をコーティングして、前記第１の構成部品及び／又は前記第２の構成部品を形成すること
    を特徴とする、請求項１〜８と、請求項１〜８を引用する請求項１０とのうちのいずれか１項に記載の機能性微小機械時計アセンブリ。
13. 前記第１の基材及び／又は前記第２の基材は、シリコン又は鋼若しくはセラミックから形成されることを特徴とする、請求項１１又は１２に記載の機能性微小機械時計アセンブリ。
14. 前記第１の摩擦層及び／又は前記第２の摩擦層は、少なくとも１５０ｎｍの厚さを有することを特徴とする、請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の機能性微小機械時計アセンブリ。
15. 前記第２の層は、前記第２の構成部品（２０）に属すること、
    前記第１の構成部品はツメ石（３０）であること、及び
    前記第２の構成部品はガンギ車（４０）であること、
    又は
    前記第２の層は、前記第２の構成部品（２０）に属すること、
    前記第１の構成部品はガンギ車（４０）であること、及び
    前記第２の構成部品はツメ石（３０）であることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の機能性微小機械時計アセンブリ。
16. 前記第２の層は前記第２の構成部品（２０）に属すること、
    前記第１の構成部品はホイールセットアーバであること、及び
    前記第２の構成部品は軸受であること、
    又は
    前記第２の層は前記第２の構成部品（２０）に属すること、
    前記第１の構成部品は軸受であること、及び
    前記第２の構成部品はホイールセットアーバであること
    を特徴とする、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の機能性微小機械時計アセンブリ。
17. 前記第２の層は、前記第２の構成部品（２０）に属すること、並びに
    前記第１の構成部品及び前記第２の構成部品は歯車の歯部であること
    を特徴とする、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の機能性微小機械時計アセンブリ。
18. 前記第２の層は、前記第１の構成部品（１０）に属すること、
    前記第１の構成部品はストリップで形成されるゼンマイであること、
    前記ストリップの前面は前記第１の接触表面を形成すること、及び
    前記ストリップの背面は前記第２の接触表面を形成すること
    を特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の機能性微小機械時計アセンブリ。

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