JP7378552B2 - トライボロジー被覆があるマイクロメカニカルな機能的アセンブリー - Google Patents

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Description

本発明は、トライボロジー（摩擦）被覆を必要とする摩擦接触する面がある少なくとも１つの部分を含むマイクロメカニカルな機能的アセンブリーに関する。このマイクロメカニカルな機能的アセンブリーは、特に、エスケープ車やアンカーのパレットのような、互いに機械的に連係するマイクロメカニカルな計時器用部品の対に関する。
化学蒸着によってダイヤモンド（ＣＶＤダイヤモンド）を製造する技術が最初に開発されたときに、ダイヤモンド固有の硬さのために、トライボロジー的に大きな期待が寄せられた。２つのダイヤモンド面の間を乾燥摩擦させることは、接触する計時器用部品どうしを接着してしまうために、トライボロジー的に有望ではない。これは、ダイヤモンド対ダイヤモンドの対の２つのパートナー材料の炭素原子（Ｃ－Ｃ）の間に結合が形成されることに起因している。この接着の影響を最小限に抑えるには、ダイヤモンド対ダイヤモンドの材料の対は、相対湿度（％ＲＨ）が少なくとも５０％である環境に存在する必要がある。この５０％ＲＨのしきい値のおかげで、接触面に水（Ｈ2Ｏ）の微小液滴を供給することができる。これによって、ある面の別の面に対する接線方向の変位力ＦTが減少する。したがって、このような微小液滴は、接触する計時器用部品の相対的な運動を促進させる局所的な潤滑剤として機能する。前記しきい値を下回る場合、接着の現象が悪化し、短い負荷時間で接触が不安定になる。
したがって、動的な接触条件（低い垂直方向の力と高い接線方向の力）の下で、図１に示しているように、ダイアモンドとダイアモンドの対のグローバル摩擦係数ＣｏＦは、０．２より低くなることがある。残念ながら、このような環境条件では、５分間を超えた試験においては材料の対のトライボロジー的安定性が確実とはならない。実際に、この試験において３．５分から摩擦が不安定になっている。
このような状況で、本発明が解決しようとする課題は、長期間にわたって、潤滑剤なしで安定したトライボロジーふるまいを確実にしつつ、このダイヤモンド／ダイヤモンド対をマイクロメカニカルな機能的アセンブリーにおいて用いることに関連している。
本発明の主題は、ダイヤモンド層のトライボロジー的性質を変えることによって、前記課題を解決することである。実際に、上で説明したように、水素、酸素又は湿度の雰囲気は、長期間使用するときに維持することが難しい。本発明の主題は、前記環境が発生させる原子的なＯＨ又はＨの不動態化結合を他の分子で置き換えることである。本発明にしたがって、ダイヤモンド層を官能化することによって、このようなトライボロジー的性質を変えるための極端な面改質を達成することができる。特に、本発明にしたがって、ダイヤモンド層が硫黄とフッ素の化合物で官能化される。
したがって、本発明は、第２の機能面と摩擦接触するように意図されている第１の機能面がある少なくとも１つの第１の部分を含むマイクロメカニカルな機能的アセンブリーに関する。前記第２の機能面は、前記第１の部分、又は前記第１の部分と機能的アセンブリーを構成する少なくとも１つの第２の部分のいずれかに属する。前記機能的アセンブリーにおいて、前記第１の機能面及び前記第２の機能面は、超ナノ結晶、ナノ結晶又は微結晶のダイヤモンドを含む第１の層によって形成され、前記第１の層は、Ｓ原子とＦ原子を含む第２の層で被覆されている。前記第１の層は、前記第１及び第２の部分を構成している基材と同じ材料によって、又は前記基材とは異なる材料によって、作ることができることがわかる。
試験によって、このような機能面のトライボロジー的ふるまいが改善することが観察された。この改善は、（Ｃ－Ｃ）結合の形成を防ぐ役割を果たすために相対湿度が十分高くなくなっても（Ｃ－Ｃ）結合の形成を防ぐようなＳに起因していると考えられる。したがって、少なくとも標準的な基準となるものと同等の性能で、パレット／エスケープ車の接触を潤滑せずに、スイス式アンカーエスケープのような運動する計時器用システムの機能を提供することが可能となる。
このようなトライボロジー的ふるまいは、接触している２つの機能面が同じ組成のトライボロジー層で被覆されている場合に特に改善する。
本発明は、さらに、反応性イオンエッチングによってダイヤモンドを官能化する方法に関する。反応性イオンエッチングは、一般的に、ケイ素上におけるディープエッチングに用いられる。発明者らによって、典型的には３０～７０Ｗの範囲内である、非常に低いパワーの反応性イオンエッチング装置を用いることによって、小さな寸法構成の計時器用部品のような部分上でＳとＦの化合物を合成することができることがわかった。
添付の図面を参照しながら以下の説明を読むことで、目的、利点及び機能が明らかになる。
相対湿度３０％の場合の、従来技術による無潤滑の微結晶のダイヤモンド／微結晶のダイヤモンドの対についての、時間の関数としてのグローバル摩擦係数（ＣｏＦ（グローバル））の曲線を示している。 本発明に係る機能的アセンブリーの２つの部分の部分を概略的に示している断面図である。 ２つの部分、すなわち、本発明にしたがって官能化された接触面があるエスケープ車及びアンカーパレット、を含む機能的アセンブリーの部分的な図である。 ロッド構造であるＳとＦの第２の層の形態の電子顕微鏡画像を示している。 図５ａ及び５ｂはそれぞれ、２つの部分を含む機能的アセンブリーについての、２５ｍの距離におけるトライボロジー的結果を示している。図５ａにおいて、本発明の範囲外である比較のためのものであり、一方の部分は、機能面が微結晶のダイヤモンド（ＭＣＤ）で被覆され、他方の部分は、ＳＦ6官能化された微結晶のダイヤモンドで被覆されている。図５ｂにおいて、本発明にしたがって、２つの部分は、機能面がＳＦ6官能化された微結晶のダイヤモンドで被覆されている。 ２５００ｍのより長い距離にわたっての図５ｂの対に対するトライボロジー的結果を示している。 図７ａ及び７ｂはそれぞれ、基準エスケープ車／アンカーの対、及びＳＦ6官能化された微結晶のダイヤモンド層がある本発明に係るエスケープ車／アンカーの対についてのバランス車の振幅を示している。 ダイヤモンドの官能化に用いられる装置の概略図である。
本発明は、機能面又は接触面と呼ばれる１つ又は複数の面にて摩擦が発生する少なくとも１つの部分を含む機能的アセンブリーに関する。本発明に係る機能的アセンブリーは、摩擦接触するように意図されている２つの機能面がある単一の部分を含むことができる。例えば、計時器の分野において、この機能的アセンブリーは、ブレードによって形成されるバレルばねによって構成していて、このバレルばねの一方の面がこのバレルばねの他方の面と接触するように意図されていることができる。代わりに、機能的アセンブリーは、少なくとも２つの部分を含み、その各部分にはそれぞれ、他方の部分の機能面との摩擦が発生するように意図されている機能面があることができる。例えば、計時器の分野において、機能的アセンブリー１には、図３に示しているように、アンカー５のパレット４である第１の部分２と、エスケープ車６である第２の部分３があることができる。より正確には、パレット４には、安静面Ａとインパルス面Ｂがあり、これらの安静面Ａとインパルス面Ｂは、エスケープ車６の歯７の安静面Ｃとインパルス面Ｄと連係する。これらの面Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、大きな応力が与えられる機能面であり、高レベルの摩擦及び／又は接触の対象となり、これには摩擦を低減するために本発明に係るトライボロジー層を必要とし得る。別の時計のアプリケーションにおいて、第１の部分は可動部品のシャフト、第２の部分はベアリングであることができる。この分野の別のアプリケーションによると、第１及び第２の部分は、歯車の歯であることができる。
図２に示しているように、機能的アセンブリー１は、基材８によって形成される第１の部分２と第２の部分３を含み、これらの第１の部分２と第２の部分３の機能面２ａ、３ａ上に少なくともトライボロジー層９がある。この層９は、ＵＮＣＤ（超ナノ結晶のダイヤモンド：Ultrananocrystalline Diamond）、ＮＣＤ（ナノ結晶のダイヤモンド：Nanocrystalline Diamond）又はＭＣＤ（微結晶のダイヤモンド：Microcrystalline Diamond）であることができるダイヤモンドの第１の層９ａによって形成される。本発明によると、この第１の層９ａは、第１の層９ａ上に第２の層９ｂを形成する、硫黄化合物、具体的にはＳとＦ、で官能化される。好ましいことに、第１の層９ａは、ＳＦ6で官能化される。ＳＦ2やＳＦ4のような他のガスも可能であるが、これらは、より危険であり、用途が限定される。一般的には、ダイヤモンド層の面にある官能化されたＳとＦは、図４に示しているようにロッドの形態である。ＳとＦの第２の層は、概して一定ではない厚みを有し、ナノメーター的な寸法構成であり、典型的には、平均厚みが、２～５０ｎｍ、具体的には５～１０ｎｍ、の範囲内である。ＳとＦの第２の層を視覚化し化学的に分析するための適切な技術としては、例えば、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）や飛行時間型二次イオン質量分析法（ＴＯＦ－ＳＩＭＳ）がある。なお、この層は非常に薄く、存在する化合物を精密に特定することが難しい場合がある。以下、ＳとＦを含む層に基づいて説明する。
本発明によると、接触が意図されている面はそれぞれ、ＳとＦによって官能化されたダイヤモンド層で被覆される。ダイヤモンドの第１の層９ａ及びＳとＦの第２の層９ｂを含む層９は、８００ｎｍ～１２００ｎｍ、好ましくは９００～１２００ｎｍ、の範囲内の平均厚みを有し、このダイヤモンドは、ＭＣＤ、ＮＣＤ、又はＵＮＣＤのダイヤモンドである。
例えば、前記基材は、セラミックス、ケイ素、酸化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素及び鋼を含む材料の群から選択することができる。また、前記基材と前記ダイヤモンド層が単一の固体材料を形成していることもできる。好ましい実施形態において、前記基材は、ケイ素であり、微結晶のダイヤモンド層がＳとＦで官能化される。
ダイヤモンド層を官能化する方法は、以下の通りである。事前に、基材が固体ダイヤモンドではない場合には、化学蒸着（ＣＶＤ）やホットフィラメント技術によって、ダイヤモンド層を堆積させる。次に、エッチングではなく堆積を実現するために、超低パワーの反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ）によって、前記ダイヤモンド層上に、硫黄とフッ素を第２の超微細層の形態で堆積させる。図８に、プラズマ反応器１１を用いてダイヤモンドを官能化するための装置１０をおおまかに示している。これは、例えば、「容量性結合」タイプのものであることができる。
この方法のパラメーターは、以下の通りである。
－ 反応性ガス（１２）は、ＳＦ6、ＳＦ4、ＳＦ2のようなＳとＦを含み、流量は、３～２０ｓｃｃｍ（標準立方ｃｍ／分：ｃｍ3・分-1）、好ましくは５～１０ｓｃｃｍ、の範囲内である。
－ 無線周波数（ＲＦ）のパワーは、３０～７０Ｗ、好ましくは４０～６０Ｗの範囲内である。
－ 反応器内の圧力は、３～１５×１０6Ｎ／ｍ2（３０～１５０バール）、好ましくは８～１２×１０6Ｎ／ｍ2（８０～１２０バール）、の範囲内である。
－ 反応時間は、２０～１２０分、好ましくは３０～７０分、の範囲内である。
このようにして得られた第２の官能化層は、反応時間が１時間のオーダーであっても、数ｎｍのオーダーの非常に薄い厚みを有する。
本発明に係る機能的アセンブリーのトライボロジー的ふるまいを評価するために試験を行った。
Ｓｉ製のエスケープ車とＳｉ製のパレットリフトを、ＳとＦ、具体的にはＳＦ6、で官能化された微結晶のダイヤモンドで被覆した。したがって、官能化されたダイヤモンド／官能化されたダイヤモンドの対を用いて試験を行い、ルビーと接触する潤滑された鋼を用いた標準アンカーと比較した。ワークプレートに取り付けられたスイス式アンカーエスケープの性能を測定するためにＦＥＭＴＯトルク試験を行った。加えられたトルクは１６Ｎ・ｍであった。図７ａ及び７ｂにそれぞれ、標準アンカー及び本発明にしたがって処理されたアンカーについてのバランス車（３つのアームがある）の振幅の測定結果を示している。標準アンカーの場合、平均振幅は、１時間の試験のときに２７４°である。本発明にしたがって処理されたアンカーの場合、平均振幅は、１時間の試験のときに２５６°であり、これは標準アンカーのものよりも１８°小さい。７００秒における一時的な障害は別として、振幅の規則性は非常に良好であり、標準の基準バージョンよりも優れていることがわかる。
また、並行して、２５ｍ及び２５００ｍの距離で直径２ｍｍのボールを用いるボール／平面トライボメーターを用いてトライボロジー的試験も行った。２５ｍの試験は、ＳＦ6官能化ダイヤモンド層があるＳｉ基材をそれぞれ有するボール／平面対（ＳＦ6／／ＳＦ6）と、比較用のボール／平面対を用いて行った。この比較用のボール／平面対においては、ボールが、官能化されていない微結晶のダイヤモンドで被覆されたＳｉ基材であり、平面が、本発明にしたがって官能化された微結晶のダイヤモンドで被覆されたＳｉ基材（ＭＣＤ／／ＳＦ6）である。これらの試験の目的は、２つの接触面を官能化することの利点を強調することである。垂直方向の力１０ｍＮ、摺動速さ１０ｍｍ／ｓ、振幅４ｍｍで試験を行った。図５ａ及び５ｂにそれぞれ、比較用の対及び本発明に係る対についての、距離の関数としての動摩擦係数を示している。比較用の対における平均摩擦係数が０．１よりも大きいことがわかる。比較用の対においては、ピークが多く、あまり安定していない。一方、本発明に係る対においては、平均摩擦係数は０．１未満であり、安定している。この同じ本発明に係る対に対して、２５００ｍの距離にわたっての、より長い試験を行った。図６に結果を示している。平均摩擦係数は低く、２５ｍの試験の平均摩擦係数と同じである。短い慣らし期間の後に、試験期間全体にわたって摩擦係数が安定になっている。
このように、ＦＥＭＴＯトルク試験とトライボロジー的試験は、官能化されたダイヤモンド対に対して官能化されたダイヤモンドを使用した場合において非常に良好にふるまうことを裏付けた。
１ 機能的アセンブリー
２ 第１の部分
２ａ 機能面とも呼ばれる第１の接触面
３ 第２の部分
３ａ 機能面とも呼ばれる第２の接触面
４ パレット
４ａ 安静面
４ｂ インパルス面
５ アンカー
６ エスケープ車
７ 歯
７ｃ 安静面
７ｄ インパルス面
８ 基材
９ トライボロジー層
９ａ ダイヤモンドを含む第１の層
９ｂ ＳとＦを含む第２の層
１０ 官能化装置
１１ 反応器
１２ ガス
１３ プラズマ
１４ 電極

Claims (14)

  1. 第１の基材（８）によって形成される少なくとも１つの第１の部分（２）を含むマイクロメカニカルな機能的アセンブリー（１）であって、
    前記第１の基材（８）上に、第２の機能面（３ａ）と摩擦接触するように意図されている第１の機能面（２ａ）があり、
    前記第２の機能面（３ａ）は、前記第１の部分（２）、又は第２の基材によって形成される少なくとも１つの第２の部分（３）のいずれかに属し、
    前記第２の基材上に、前記第２の機能面（３ａ）があり、
    前記第２の部分（３）は、前記第１の部分（２）と前記機能的アセンブリー（１）を構成し、
    前記第１の機能面（２ａ）と前記第２の機能面（３ａ）がある前記機能的アセンブリー（１）は、第１の層（９ａ）によって形成され、
    この第１の層（９ａ）は、前記第１の基材（８）と前記第２の基材（８）と一体的となっているか、又は前記第１の基材（８）と前記第２の基材（８）とは別個のものであるかのいずれかであり、
    前記第１の層（９ａ）は、超ナノ結晶、ナノ結晶又は微結晶のダイヤモンドを含み、
    前記第１の層（９ａ）上に、Ｓ及びＦ原子を含む第２の層（９ｂ）があり、
    前記第２の層（９ｂ）は、２～５０ｎｍの範囲内の平均厚みを有する
    ことを特徴とする機能的アセンブリー（１）。
  2. 前記第２の層（９ｂ）は、ＳＦ６を含む
    ことを特徴とする請求項１に記載の機能的アセンブリー（１）。
  3. 前記第２の層（９ｂ）は、ロッドによって形成されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の機能的アセンブリー（１）。
  4. 前記第１の部分（２）は、パレット（４）であり、
    前記第２の部分（３）は、エスケープ車（６）である
    ことを特徴とする請求項１に記載の機能的アセンブリー（１）。
  5. 前記第１の部分（２）は、可動部品のシャフトであり、
    前記第２の部分（３）は、ベアリングである
    ことを特徴とする請求項１に記載の機能的アセンブリー（１）。
  6. 前記第１の部分（２）と前記第２の部分（３）は、歯車の歯である
    ことを特徴とする請求項１に記載の機能的アセンブリー（１）。
  7. 前記第２の機能面は、前記第１の部分（２）に属し、
    前記第１の部分（２）は、ブレードによって形成されるバレルばねであり、
    前記ブレードの前面が、前記第１の機能面を形成し、
    前記ブレードの背面が、前記第２の機能面を形成する
    ことを特徴とする請求項１に記載の機能的アセンブリー（１）。
  8. 前記第１の層（９ａ）が前記第１の基材（８）と前記第２の基材（８）とは異なる場合に、前記第１の基材（８）と前記第２の基材（８）は、セラミックス、ケイ素、酸化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素及び鋼から選択される材料によって作られている
    ことを特徴とする請求項１に記載の機能的アセンブリー（１）。
  9. 超ナノ結晶、ナノ結晶又は微結晶のダイヤモンドを官能化する方法であって、
    ａ）前記超ナノ結晶、ナノ結晶又は微結晶のダイヤモンドの第１の層（９ａ）で被覆された少なくとも１つの第１の基材（８）、又は超ナノ結晶、ナノ結晶又は微結晶のダイヤモンドによって作られた少なくとも１つの第１の基材（８）、を用意する用意ステップと、及び
    ｂ）反応器（１１）と電極（１４）がある反応性イオンエッチング装置（１０）において前記用意ステップａ）の第１の基材（８）を官能化するステップとを備え、
    この官能化が、反応性ガス（１２）としてＳとＦを含む化合物を用いて、４０～６０Ｗの範囲内の高周波パワーで行われ、
    前記電極（１４）の間の電圧が、１３０～１７０Ｖの範囲内である
    ことを特徴とする方法。
  10. 前記化合物は、ＳＦ６である
    ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
  11. 前記反応器（１１）内の圧力は、３～１５×１０６Ｎ／ｍ２ （３０～１５０バール）の範囲内である
    ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
  12. 前記反応器（１１）内の反応性ガス（１２）の流量は、３～２０ｓｃｃｍの範囲内である
    ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
  13. 前記反応器（１１）内の前記第１の基材（８）の官能化時間は、２０～１２０分の範囲内である
    ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
  14. 前記反応性イオンエッチング装置（１０）において、容量性プラズマ結合を行う
    ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
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