JP7316391B2 - 潤滑物質を含むマイクロメカニカル部品 - Google Patents

Description

本発明は、時計仕掛けの機構を対象としたマイクロメカニカル部品、特に潤滑を要する部品に関する。

時計機構では、多くの部品が動いていて、互いに摩擦接触していることが知られている。この摩擦は、機構の精度や自律性に影響を与える可能性があるため、可能な限り減らす必要がある。したがって、この摩擦を減らすために、液体又は粘性の潤滑剤の使用が知られている。この潤滑剤は、必要十分に決めた区域に適切な量で控えめに使用される。

しかしながら、この潤滑剤は、それを堆積した範囲からずれてしまうおそれがある。特に、周囲条件に暴露されて生じる表面の自然に起こる化学的状態において、部品の動きが、潤滑剤を接触区域から非摩擦区域に向かって移動させる傾向がある。さらに、時計部品などの小型のメカニカル部品では、特定の範囲だけに潤滑膜を形成することは困難である。

滑りを意図する部分が潤滑剤を保持し、回転等のすべり摩擦による摩耗を低減するために、表面の化学処理が通常なされる。表面の化学的状態は、さまざまなタイプの洗浄処理によって得られ、選択的に、部品に、フッ素化活性剤を含有するナノメートルの厚さの膜の塗布が続く。時計製造部門では、「エピラメ」（処理）という名前でさまざまなフッ素化活性剤が知られている。接触区域の外側でこのタイプの製品を部品に塗布すると、処理された部品の表面エネルギーが減少するため、接触区域に潤滑剤を保持できる。

しかしながら、表面処理や制御された化学的性質の膜の追加後に潤滑剤を持続的に保持するメカニカル部品の能力は、潤滑油が足りていないメカニカル部品が受ける摩耗を低減するのを課題として、改善できる余地がある。

特許文献１（ＣＨ７１３４２６）には、第１表面区域を有する第１メカニカル構成要素、第１表面区域が摺動できる第２表面区域を有する第２構成要素が記載されている。油保持膜は、第１及び第２表面領域から選択される少なくとも１つの受容領域上に形成され、この油保持膜は、受容領域よりも親油性である。油保持膜は、シリコン、チタン、ジルコン（Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒ）といった元素の１つと炭化水素ラジカルとを含有する化合物である。

特許文献２（ＥＰ３００２６３７）には、時計システムの動作中に、第２構成要素の少なくとも第２機能区域と摩擦接触する少なくとも第１機能区域を備えた第１構成要素を備える時計システムが記載されている。ここで、第１機能領域及び第２機能領域のうちの少なくとも１つは、１マイクロメートル未満の制御された構造を備える。

スイス国特許発明第７１３４２６号明細書 欧州特許出願公開第３００２６４７号明細書

本開示は、時計機構を対象としたマイクロメカニカル部品に関するものであり、前記部品の少なくとも一部が、炭素又はアルミナを主成分とする結晶性鉱物材料でできていて、摺動と旋回との少なくとも一方での接触が意図された少なくとも１つの接触表面を備え、
接触表面は、テクスチャを持つ少なくとも１つのマイクロ構造区域を局所的に備え、
三次元テクスチャは、
マイクロ構造区域を非マイクロ構造接触表面よりも疎油性にするマイクロ間隙と、
マイクロ構造区域を非マイクロ構造の接触表面よりも親油性にするマイクロ柱と
の少なくとも一方で形成されていて、
マイクロ構造区域は、接触表面の潤滑部分に潤滑物質を局所的に閉じ込めるように構成されている。
マイクロ構造区域は、以下の代替的事項の１つで構成されている。
テクスチャは、マイクロ間隙及び潤滑部分の周囲に延在しているマイクロ構造区域から形成されているか、あるいは
マイクロ構造区域が、
マイクロ間隙で形成されていて潤滑部分の周辺まで延在している第１マイクロ構造区域と、
マイクロ柱から形成されていて潤滑部分内に延在している第２マイクロ構造区域とを備える。

ここで説明する部品は、接触表面の一部への潤滑物質の閉じ込めを改善する。マイクロ構造区域の構成に応じて、親油性区域と疎油性区域のさまざまな配置を接触表面の近く又は上に提供してよい。したがって、マイクロ構造区域は、さまざまな潤滑用途に応じて、接触表面の一部における潤滑物質の空間的局在化の制御を可能にする。ここで説明する部品は、接触表面部分への潤滑剤の供給の改善もできる。

本発明の複数実施例は、以下の添付の図の説明に示される。

図１は、一実施形態による、マイクロ構造化区域を有する接触表面を備えるマイクロメカニカル構成要素を概略的に示す。 一実施形態による、マイクロ間隙で形成された三次元テクスチャを示すマイクロ構造化区域を示す。 マイクロ間隙を備えるテクスチャのＳＥＭ顕微鏡写真を示す。 一実施形態による、マイクロ柱で形成された三次元テクスチャを示すマイクロ構造化区域を示す。 マイクロ柱を備えるテクスチャのＳＥＭ顕微鏡写真を示す。 一実施形態による起伏のあるマイクロ構造のＳＥＭ顕微鏡写真を示す。 起伏のあるマイクロ構造が重ね合わされたマイクロ柱で形成されたテクスチャのＳＥＭ顕微鏡写真を示す。 別の実施形態による、マイクロ構造化区域を有する接触表面を備える構成要素を概略的に表す。 図９は、一実施形態による、第１マイクロ構造化区域及び第２マイクロ構造化区域を有する接触表面を持つ部品を概略的に表す。 図１０は、一実施形態による、接触区域の近くにある第１マイクロ構造区域及び第２マイクロ構造区域を備えた接触表面を持つ部品を概略的に表す。

図１は、一実施形態による、時計機構を対象としたマイクロメカニカル部品１０を概略的に表す。部品１０は、少なくとも１つの接触表面１００を備え、接触表面１００の少なくとも一部は、例えば、時計機構の別の構成要素と、滑り接触と旋回接触との少なくとも一方をするように意図されている。

部品１０は、全体的又は部分的に、炭素又はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を主成分とする結晶性鉱物材料から製造されている。好ましくは、結晶性鉱物材料は、天然又は合成の、ルビー、サファイア又はダイヤモンドである。ポリマー、金属又は金属合金、セラミック、シリカ、ガラス、シリコンなどの他の材料も想定できる。

全体的又は部分的に結晶性鉱物材料からなる部品１０は、少なくとも１つのマイクロ構造区域１１０を局所的に備える接触表面１００を持つ。マイクロ構造区域１１０は、マイクロ構造化されていない接触表面１００よりも疎油性とすることがある。代替的に、マイクロ構造区域１１０は、非マイクロ構造接触表面１００よりも親油性にできる。

図２に描かれた一実施形態のように、マイクロ構造化区域１１０は、マイクロ間隙２０で形成された三次元テクスチャを持つ。マイクロ間隙２０の横方向寸法Ｌは、５μｍから１５０μｍの間であり、好ましくは１０μｍから６０μｍの間である。マイクロ間隙２０の横方向寸法Ｌに対する高さＨの比は、０．０１から１の間である。マイクロ間隙２０は、連通していない、すなわち、間隙２０は、互いに流体連通していない。

図３は、伝統的な時計製造用ルビー（ベルヌーイ法のルビーＡｌ_２Ｏ_３Ｃｒ、劈開、カット、及び研磨）の単結晶ペレットに形成されたマイクロ間隙２０を備える３次元テクスチャの顕微鏡写真（２倍率）を示す。マイクロ間隙の横方向の寸法Ｌは約２５μｍである。

図４に示される別の実施形態のように、マイクロ構造化区域１１０は、マイクロ柱３０で形成された三次元テクスチャを持つ。その基部のレベル（高さ）での３０は、５μｍから１５０μｍの間であり、好ましくは１０μｍから６０μｍの間である。マイクロ柱３０の横方向寸法Ｌに対する高さＨの比は、０．０１と１の間である。

接触する時計部品の寸法を考えると、１０μｍから６０μｍの間のマイクロ間隙２０及びマイクロ柱３０の横方向寸法Ｌは、時計用途にとってより好ましい。

図５は、図３と同じ単結晶ルビーペレットに形成されたマイクロ柱２０を備える三次元テクスチャのＳＥＭ顕微鏡写真を示す。マイクロ柱３０は、約２５μｍの横方向寸法Ｌを持つ。

さらに別の実施形態によれば、マイクロ構造化区域１１０は、起伏のあるマイクロ構造４０を備える。図６は、図３と同じ単結晶ルビーペレットに形成された起伏のあるマイクロ構造４０のＳＥＭ顕微鏡写真を示している。起伏のあるマイクロ構造４０は、典型的には、７μｍから１２μｍの間の典型的な幅及び１μｍ未満（典型的には０．２μｍから０．９μｍ）の深さを有する平行な溝を持つ二重組織を示す。溝に沿って、深さはマイクロメートル周期（通常１μｍ）及び０．２μｍ未満の振幅の振動によって変調されている。

さらに別の実施形態によれば、マイクロ構造化区域１１０は、起伏のあるマイクロ構造４０が重ね合わされたマイクロ柱３０から形成されたテクスチャを備える。図７は、図３と同じ単結晶ルビーペレットで生成されたそのようなテクスチャのＳＥＭ顕微鏡写真を示している。

マイクロ間隙２０及びマイクロ柱３０のテクスチャは、規則的なパターン、例えば、六角形又は正方形、あるいは不規則なパターンで配置することがある。マイクロ構造化区域１１０内のマイクロ間隙２０又はマイクロ柱３０の密度は、０．１から０．９の間、好ましくは０．４から０．８の間とすることがある。

これらの実施形態では、起伏のあるマイクロ構造、マイクロ間隙２０、マイクロ柱３０、及び起伏のあるマイクロ構造が重ね合わされたマイクロ柱３０を備えるテクスチャは、フェムトセカンドレーザーを使用して生成された。しかしながら、マイクロ加工、機械加工、ダイアモンドワイヤなどの他のテクスチャ製造方法を着想できる。

液体に対する接触表面１００のぬれ性と、ある程度親油性又は疎油性の性質とは、例えば図８に示すように、マイクロ構造区域１１０がない状態での接触表面１００上と、マイクロ構造区域１１０を持つ接触表面１００上とに、マイクロカニューレによって連続的に注入された液体の液滴の前進中の動的に捕捉された複数画像内の接触角（θ_ＣＡ）を測定することによって評価された。特に、接触角θ_ＣＡの測定は、スウォッチグループリサーチアンドディベロプメント（Ｔｈｅ Ｓｗａｔｃｈ Ｇｒｏｕｐ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｌｔｄ）のメービス部門によって製造されたＳｙｎｔｈ－Ａ－ｌｕｂｅ９０１０ウォッチオイルを使用して実行された。結晶性鉱物はルビーである。

接触角の測定は、この実施形態では、自然状態（準備なし）の接触表面１００で、そして洗浄溶媒とそれに続く酸素プラズマでの処理の組み合わせの化学処理の後の接触表面１００で、実施された。この準備により、表面の炭素汚染を１０％未満のしきい値まで削減できる。（炭素汚染が１０％を超える）自然状態でテストされた全サンプルで、接触角は３０°未満である。

接触角の測定は、上記の準備を経た接触表面１００で行われ、続いてエピラメ塗布処理が行われた。エピラメ塗布処理の間、接触表面１００は、フルオロポリマーの非常に薄い膜で覆われる。特に、エピラメ塗布処理は、メービス（Ｍｏｅｂｉｕｓ）社の標準的な時計用製品であるＦｉｘｏｄｒｏｐ^（Ｒ）（登録商標）を使用して行われる。

表１は、次の接触角θ_ＣＡを一覧にしたものである。
非マイクロ構造化された接触表面１００上で計測された接触角θ_ＣＡ、
マイクロ間隙２０で形成されたテクスチャを持つマイクロ構造化区域１００を持つ接触表面１００上で計測された接触角θ_ＣＡ、
マイクロ柱３０で形成されたテクスチャを持つマイクロ構造化区域１００を持つ接触表面１００上で計測された接触角θ_ＣＡ、
起伏のあるマイクロ構造のみで形成されたテクスチャを有するマイクロ構造区域１１０を備える接触表面１００で測定された接触角θ_ＣＡ。
接触角θ_ＣＡはまた、起伏のあるマイクロ構造が重ね合わされたマイクロ柱３０から形成されたテクスチャを有する接触表面１００上で測定された。測定は、次の寸法を有するテクスチャで実施された。
横方向の寸法Ｌが２５．６±０．６μｍで深さが１３．８±０．２μｍのマイクロ間隙２０、
横方向の寸法Ｌが１５±１μｍで高さ８μｍから９μｍのマイクロ柱３０、
谷底から頂までの高さが６±０．５μｍで、頂点間の間隔が０．２μｍから０．９μｍの起伏のあるマイクロ構造。
マイクロ間隙２０は六角形のパターンで配置され、マイクロ柱は正方形のパターンで配置されている。起伏のあるのマイクロ構造は、１０μｍの周期的な幅で配置されている。

表１は、マイクロ間隙２０で形成されたテクスチャが、約６２°の前進中に接触角θ_ＣＡを得ることが可能であることを示し、これは、非マイクロ構造接触表面１００で測定されたもの（θ_ＣＡは約２９°）よりも著しく高い。マイクロ間隙２０で形成されたテクスチャについて前進中に測定された接触角θ_ＣＡは、エピラメ膜（エピラメ塗布）を備える非マイクロ構造の接触表面１００について測定されたもの（θ_ＣＡは約５７°）と同様である。エピラメ膜を備えるマイクロ間隙２０で形成されたテクスチャは、約１２５°の接触角θ_ＣＡ、すなわちエピラメ膜がない場合に測定されたものの２倍の接触角を得られる。エピラメ膜を構成するマイクロ間隙２０から形成されるテクスチャの疎油性は、特に注目に値する。エピラメ膜の存在下では、油滴はピン止め効果を示し、油滴がテクスチャ表面から出るとすぐに、それは転がり、マイクロ構造区域１１０の隣の非マイクロ構造表面に付着する傾向がある。

マイクロ柱３０で形成されたテクスチャは、約２１°の接触角θ_ＣＡをもたらし、したがって、マイクロ間隙２０で形成されたテクスチャで得られるものよりも著しく低い。重ねられた起伏のあるのマイクロ構造を備えるマイクロ柱３０で形成されたテクスチャは、接触角θ_ＣＡは約１９°であり、マイクロ間隙２０で形成されたテクスチャで得られたものよりも著しく低い。起伏のあるマイクロ構造が重ね合わされているかどうかにかかわらず、マイクロ柱３０で形成されたテクスチャは、非マイクロ構造接触表面１００よりも親油性である。

起伏のあるマイクロ構造のみを備えるマイクロ構造区域１１０の場合、約３０°の接触角θ_ＣＡが計測される。起伏のあるマイクロ構造は、接触角にほとんど影響を及ぼさず、したがって、接触表面１００の親油性／疎油性の性質にほとんど影響を及ぼさない。

したがって、マイクロ構造区域１１０は、時計用オイルのぬれ性に影響を与えることを可能にする。特に、マイクロ柱３０で形成されたテクスチャは、表面を非マイクロ構造の接触表面１００よりも親油性にし、マイクロ間隙２０で形成されたテクスチャは、表面を非マイクロ構造の接触表面１００よりも疎油性にする。

一実施形態によれば、マイクロ構造化区域１１０は、表面エネルギーを変えられる物質の膜を備える。（そのような）膜は、フッ素化活性剤を備えるナノメートルの厚さの膜を備えてよい。（そのような）膜はエピラメ膜を備えてよい。マイクロ間隙２０で形成されたテクスチャを備えるマイクロ構造区域１１０上にそのような膜を追加することにより、累積効果によってマイクロ構造区域１１０の疎油性をさらに高めることが可能になる。

一実施形態によれば、マイクロ構造化区域１１０を備える接触表面１００は、可能性としては溶媒洗浄後に、酸素プラズマ処理を施してもよい。そのような酸素プラズマ処理は、マイクロ間隙２０で形成されたテクスチャを備えるマイクロ構造区域１１０の疎油性を高め、マイクロ柱３０で形成されたテクスチャを備えるマイクロ構造区域１１０の疎油性を高める。

上記の観察は、５μｍから１５０μｍの間の横方向寸法Ｌを有するマイクロ間隙２０又はマイクロ柱３０、並びにマイクロ間隙の横方向寸法Ｌに対する高さＨの比が０．０１から１の間であるマイクロ間隙２０又はマイクロ柱３０に適用される。

上記の観察は、マイクロ間隙２０又はマイクロ柱３０を備えるマイクロ構造化区域１１０内のマイクロ間隙２０又はマイクロ柱３０の、０．１と０．９の間の密度にも当てはまる。

再び図１を参照して、接触表面１００は、潤滑部分１２０、すなわち、潤滑物質（例えば、時計油など）を受け入れることを意図した接触表面１００の部分を備える。潤滑部分１２０は、滑り接触と旋回接触との少なくとも一方を意図した接触表面１００の先述の少なくとも部分に相当する場合がある。マイクロ構造区域１１０は、潤滑部分１２０の周辺まで延在している。マイクロ構造区域１１０が潤滑部分１２０よりも疎油性である場合、マイクロ構造区域１１０は、潤滑物質を潤滑部分１２０に閉じ込める。この目的のために、マイクロ構造区域１１０は、マイクロ間隙２０で形成されたテクスチャを備えることがある。接触表面１００の潤滑部分１２０は、非マイクロ構造であり、したがって、マイクロ構造区域１１０よりも親油性である。

図８に示される代替の実施形態によれば、マイクロ構造化区域１１０は、潤滑部分１２０内に延在し、接触表面１００の残りの部分は、非マイクロ構造化されている。この場合、マイクロ構造区域１１０は、マイクロ柱３０、又は場合によっては重ねられた起伏のあるマイクロ構造を備えるマイクロ柱３０から形成されたテクスチャを備えることによって、接触表面１００の残りの部分よりも親油性にされる。

図９に示されるさらに別の実施形態は、接触表面１００は、潤滑部分１２０の周辺に延在する第１マイクロ構造区域１１１と、潤滑部分１２０に延在する第２マイクロ構造区域１１２とを備える。そのような構成において、潤滑部分１２０に潤滑物質を閉じ込めるため、第１マイクロ構造区域１１１は好ましくは、第２マイクロ構造区域１１２よりも疎油性である。

例えば、第１マイクロ構造領域１１１は、マイクロ間隙２０で形成されたテクスチャを備えることがあり、第２マイクロ構造領域１１２は、マイクロ柱３０で形成されたテクスチャを備えることがある。この構成の有利性は、潤滑部分１２０内に潤滑物質を既に保持していると、この保持が、潤滑部分１２０の周辺にある第１マイクロ構造化領域１１１の疎油性によって強化されているという点にある。

第１マイクロ構造区域１１１を備えることがあるマイクロ構造区域１１０は、接触表面１００の残り全体、すなわち、潤滑部分１２０の外側の接触表面１００全体にわたって延在していることがある。

第１マイクロ構造区域１１１及び第２マイクロ構造領域１１２を備えるマイクロ構造領域１１０の他の配置も可能であり、その結果、マイクロ構造領域１１０は、接触表面１００の一部又は接触表面１００全体にわたって延在する。

マイクロ間隙２０で形成されたテクスチャの間隙２０は、潤滑物質の貯留部としても機能する場合がある。それで、潤滑物質は、マイクロ間隙２０内に閉じ込め可能となる。この場合、マイクロ間隙２０は、接触表面１００へ潤滑剤を供給する。

接触表面１００上のマイクロ構造区域１１０の他の空間的組み合わせもまた、接触表面１００上のある程度の疎油性及び／又は親油性区域の配置を得るために可能である。マイクロ構造区域１１０の異なる空間の組み合わせは、マイクロ構造区域１１０の疎油性及び／又は親油性特性を変更するために、表面エネルギー及び／又は酸素プラズマ処理を変更可能にする物質の膜に組み合わせてよい。それにより、その区域に潤滑剤が長期的にとどまるのを確かにするため、潤滑部分１２０の近くの潤滑物質及び／又は潤滑部分内の潤滑物質の閉じ込めの最適化が可能である。

図１０は、別の実施形態による構成要素を概略的に表していて、接触表面１００は、２つのマイクロ構造区域１１０の間の潤滑部分１２０の境界を決める帯部内の２つのマイクロ構造区域１１０を備える。そのような配置は、（マイクロ構造区域１１０の帯部の方向に）線形の接触の場合に有利となり得る。

マイクロ構造化区域１１０は、時計部品１０、特に、例えば互いに対向して、互いに固定され、又は移動して摺動及び旋回する時計部品に含まれる場合がある。

例えば、マイクロ構造化区域１１０は、受け石、脱進機パレット、プレートピン、歯、あるいは他の機能的又は装飾的部品に含まれる場合がある。

１０ 部品
１００ 接触領域
１１０ マイクロ構造区域
１１１ 第１マイクロ構造区域
１１２ 第２マイクロ構造区域
１２０ 潤滑部分
２０ マイクロ間隙
３０ マイクロ柱
４０ 起伏のあるのマイクロ構造
θ_ＣＡ 前進時の接触角
Ｌ 側面寸法
Ｈ 高さ

Claims (13)

1. 時計機構用のマイクロメカニカル部品であって、前記部品の少なくとも一部が、炭素又はアルミナを主成分とする結晶性鉱物材料でできていて、摺動と旋回との少なくとも一方での接触が意図された少なくとも１つの接触表面を備える、マイクロメカニカル部品であって、
   接触表面は、テクスチャを持つ少なくとも１つのマイクロ構造区域を局所的に備え、
   テクスチャは、
   マイクロ構造区域を非マイクロ構造の接触表面よりも疎油性にするマイクロ間隙と、 マイクロ構造区域を非マイクロ構造の接触表面よりも親油性にするマイクロ柱と
   の少なくとも一方で形成されている、マイクロメカニカル部品において、
   マイクロ構造区域は、接触表面の潤滑部分に潤滑物質を局所的に閉じ込めるように構成されていて、
   テクスチャは、マイクロ間隙及び潤滑部分の周囲に延在しているマイクロ構造区域から形成されていて、
   マイクロ構造区域は、
   マイクロ間隙で形成されていて潤滑部分の周辺まで延在している第１マイクロ構造区域と、
   マイクロ柱から形成されていて潤滑部分内に延在している第２マイクロ構造区域とを備える、マイクロメカニカル部品。
2. 前記材料にはルビー、サファイア、又はダイヤモンドが含まれている、請求項１に記載の部品。
3. 起伏のあるマイクロ構造が、マイクロ柱で形成されたテクスチャに重ね合わされている、請求項１又は２に記載の部品。
4. マイクロ構造領域は、表面エネルギーを変える物質の膜を備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の部品。
5. マイクロ構造領域は、エピラメ膜を備える、請求項４に記載の部品。
6. マイクロ間隙とマイクロ柱の横方向の寸法は、５μｍから１５０μｍの間である、請求項１から５のいずれか一項に記載の部品。
7. マイクロ間隙とマイクロ柱の横方向の寸法は、１０μｍから６０μｍの間である、請求項１から５のいずれか一項に記載の部品。
8. マイクロ間隙及びマイクロ柱の横方向寸法に対する高さの比は、０．０１から１の間である、請求項１から７のいずれか一項に記載の部品。
9. 起伏のあるマイクロ構造は、幅が７μｍから１２μｍで、深さが１μｍ未満の平行な溝で構成されている、請求項３から８のいずれか一項に記載の部品。
10. 深さは０．２μｍから０．９μｍの間である、請求項９に記載の部品。
11. マイクロ構造区域内のマイクロ間隙又はマイクロ柱の密度は、０．１から０．９の間である、請求項１から１０のいずれか一項に記載の部品。
12. マイクロ構造区域のマイクロ間隙又はマイクロ柱の密度は０．４から０．８の間である、請求項１から１０のいずれか一項に記載の部品。
13. 受け石、脱進機パレット、プレートピン、又は歯のうちの少なくとも１つを備える、請求項１から１２のいずれか一項に記載の部品。

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