TWI654504B - 時計擒縱機構、時計機芯、時計及製造此時計擒縱機構的方法 - Google Patents
時計擒縱機構、時計機芯、時計及製造此時計擒縱機構的方法Info
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Abstract
一種具有改良摩潤學之時計擒縱機構(100)，包括第一組件(2)及第二組件(3)，其分別包括配置成彼此接觸而協同運作之第一摩擦表面(20)及第二摩擦表面(30)，其中第二摩擦表面(30)包括至少一矽基材料，取自包括矽(Si)、二氧化矽(SiO2)、非晶矽(a-Si)、多晶矽(p-Si)、多孔矽、或矽與氧化矽之混合物的族群，及其中第一摩擦表面(20)係藉由化學計量式為Si3N4之固體氮化矽構成之固體元件之表面形成。
Description
本發明關於一種具有改良摩潤學(tribology)之時計擒縱機構，包括至少一對組件，即包括第一組件及第二組件，其分別包括配置成彼此接觸而協同運作之第一摩擦表面及第二摩擦表面。
本發明亦關於一種製造此擒縱機構之方法。
本發明關於時計機構之領域，包括永恆運動之組件，及較明確說為擒縱機構之領域。
時計設計師一向竭力於增加機芯的可靠性，以致減少維修操作的頻率，同時確保時計機芯之準確操作。
擒縱輪及小齒輪與移動組件之潤滑是項待解決的難題。長時間的潤滑測試是產生解決方法所必要的，以便簡化或甚至省除潤滑。
較明確說，其係藉由嘗試界定具有低且穩定摩擦係數及低磨損、並且呈現長時間優異耐磨性之摩擦接觸的成對材料，以尋求達成擒縱機構之無潤滑操作。
CSEM之歐洲專利申請案0732635A1號揭露一微機械組件之製造，特別是一擒縱機構之擒縱叉，其具有一包括無特定成分之氮化矽的摩擦表面。此申請案設想到一配對具有一改良摩潤學之配對件，此申請案引證氮化鈦與碳化鈦配對關係，或氮化鈦與碳化矽配對關係。
Messrs Deng及Ko提出之XP案XP002734688號「A study of static friction between silicon and silicon compounds」揭述使用長時間低磨損及改良摩潤學之氮化矽-矽配對精準性微機械。
Messrs Stoffel、Kovacs、Kronsat、Müller提出之XP002734924號「LPCVD against PECVD for micromechanical applications」揭露使用藉由PECVD或LPCVD取得之非化學計量氮化矽，以確保潤滑性。
本發明提出對於此問題之解決方式。
本發明尤其關於氮化矽使用作為擒縱機構中之高性能潤滑材料。
就此而言，本發明關於一種具有改良摩潤學之時計擒縱機構，包括至少一對組件，即包括第一組件及第二組件，其分別包括配置成彼此接觸而協同運作之第一摩擦表
面及第二摩擦表面，其中該第二摩擦表面包括至少一矽基材料，取自包括矽(Si)、二氧化矽(SiO2)、非晶矽(a-Si)、多晶矽(p-Si)、多孔矽、或矽與氧化矽之混合物的族群，及其中該第一摩擦表面係藉由化學計量式為Si3N4之固體氮化矽構成之固體元件之表面形成。
本發明亦關於製造此擒縱機構的方法，其中藉由電漿增強型化學氣相沈積(PECVD)、或藉由化學氣相沈積(CVD)、或藉由陰極濺射施加氮化矽層於基板，以形成該第一或第二摩擦表面其中之一。
本發明亦關於製造此擒縱機構的方法，其中氮化矽組件係以基板製成，藉由燒結或藉由固體處理以形成該第一或該第二摩擦表面其中之一。
根據本發明之一特徵，由第一摩擦表面與相對立第二摩擦表面形成之各配對係由氮化矽/矽(Si3N4/Si)配對構成。
2‧‧‧第一組件
3‧‧‧第二組件
20‧‧‧第一摩擦表面、摩擦表面
25‧‧‧擒縱叉瓦
30‧‧‧第二摩擦表面、摩擦表面
35‧‧‧擒縱輪
100‧‧‧擒縱機構
200‧‧‧時計機芯
300‧‧‧時計
本發明之其他特性及優點可以在審讀文後之詳細說明並配合附圖後瞭解，其中：
圖1揭示一擒縱機構之概略平面圖，特別是在根據本發明配置之接觸表面上的擒縱叉瓦與操作接觸之擒縱輪。
圖2揭示相對立接觸表面之間的配合情形概略圖。
圖3揭示包括有機芯之時計之方塊圖，機芯包括一擒縱機構，擒縱機構包含根據本發明配置之一對組件。
圖4揭示y軸之摩擦係數和x軸之接觸壓力之倒數(Gpa-1)的函數關係圖，針對上方點狀曲線上之藍寶石/類金剛石碳(或DLC)配對，及下方虛線曲線之金剛石/類金剛石碳(或DLC)配對。
圖5相似於圖4，針對氮化矽(Si3N4)/巨晶性金剛石(或NCD)配對，
上方點狀曲線是針對虛線曲線之類金剛石碳(或DLC)/紅寶石配對，
及針對中斷線曲線之摻碳矽/紅寶石配對，
及針對下方近水平實線曲線之本發明較佳氮化矽(Si3N4)/矽配對。
本發明關於使用氮化矽作為材料，以容許時計擒縱機構在無需潤滑下操作。
為了語言上的方便，「氮化矽」將在文後以廣義材料為之，其係由下列材料形成：-化學計量之矽(Si3N4)，其在一般情況下呈固體或薄層；-或非化學計量成分之SixNyHz，其中x等於1，y包含在0.8與5.0之間，及z包含在0.00與0.70之間，較明確是在0.04與0.70之間，較佳以薄層形式施加，但是也可以由固體組分構成。
「固體」在此是指其最小維度大於0.10mm之組分，
而「薄層」之最小維度小於10微米，較佳為小於1微米。
事實上，經過測試證實氮化矽對矽或氧化矽之摩擦尤其可在時計機構中展現所需性質，較明確是在擒縱機構之情況中。
此摩擦配對在廣泛之施力-速度範圍(1mN-100mN及1cm/s-10cm/s)上有小於0.17之低摩擦係數。
文後所引用本發明人的操作說明了，就硬彈性材料而言，由於壓力與剪應力之增加的函數關係，摩擦係數通常依圖4所示之規則改變，即：μ=S/P+α，其中S為剪應力限制，P為赫茲(Hertz)壓力，α為參數。
參數S決定壓力與配對之依存性的函數關係，及其因而特別有助於在接觸壓力與施力大幅變化的擒縱機構乾式摩擦情況下考量。
相較於其他摩擦配對，氮化矽/矽或氮化矽/二氧化矽配對呈現正向力與摩擦係數之低依存性的函數關係，如圖5中所示。此舉產生極低之參數S。這項行為尤其有利於擒縱機構，因為正向力在接觸與衝擊期間大幅變化，一般為0到100nM。在接觸與衝擊之損失期間，氮化矽維持摩擦係數低於0.2，此值通常被視為擒縱機構之重要操作臨限值。
所以本發明關於一種時計機構，尤指一種時計擒縱機構100，其具有以這些發現為基礎之改良摩潤學。
因此，根據本發明，本擒縱機構100包括至少一對組
件，即包括第一組件2及第二組件3，其分別包括第一摩擦表面20及第二摩擦表面30，係配置成彼此接觸而協同運作。
第一摩擦表面20包括氮化矽，其係化學計量之氮化矽(Si3N4)，或非化學計量之氮化矽(SixNyHz)，其中x等於1，y包含在0.8與5.0之間，及z包含在0.00與0.70之間。
第二摩擦表面30包括至少一矽基材料，取自包括矽(Si)、二氧化矽(SiO2)、非晶矽(a-Si)、多晶矽(p-Si)、多孔矽、或矽與氧化矽之混合物的族群。
「非晶矽(a-Si)」在此是指藉由電漿增強型化學氣相沈積(PECVD)沈積成50nm至10μm薄層非晶性結構之矽，其亦可為氫化或n型或p型摻雜。
「多晶矽(p-Si)」在此是指藉由低壓化學氣相沈積(LPCVD)沈積之矽，係由微晶矽顆粒形成，粒度從10至1000nm，其亦可為n型或p型摻雜，E接近於160GPa。
「多孔矽」在此是指孔徑2nm至10μm之材料，其根據以陽極化(電解質HF及電流)為基礎之複雜製程製成。
特別是，第一或第二摩擦表面20、30之至少一者係藉由固體氮化矽(較佳但是非限制性的是化學式Si3N4)構成之固體元件之表面、或一薄層之表面(較佳但是非限制性的是非化學計量成分之SixNyHz，其中x等於1，y包
含在0.8與5.0之間，及z包含在0.00與0.70之間)形成。
較明確說，z包含在0.04與0.70之間。
在相同於包括有氮化矽之第一摩擦表面的情況中，第二摩擦表面可以是一固體組件之表面或一薄層之表面。
本發明之一特別有利的應用方式係氮化矽(Si3N4)製成之擒縱叉瓦與矽+二氧化矽(Si+SiO2)製成之擒縱輪配合。
另一有利的應用方式是關於具有氮化矽製成之擒縱輪的「固體氮化矽」應用方式(例如，雷射切削或類似者)，其與矽+二氧化矽製成之單件式擒縱叉、或備有矽+二氧化矽製成之擒縱叉瓦的習知擒縱叉呈摩擦接觸。
可用於鐘錶製造之組合型態尤其顯著：-由二氧化矽、固體石英二氧化矽、矽+二氧化矽之任意形式製成的擒縱輪與氮化矽、多數薄層、或固體氮化矽製成的擒縱叉瓦配合-由氮化物、矽+氮化矽、固體氮化矽之任意形式製成的擒縱輪與二氧化矽之任意形式(特別是固體矽+二氧化矽、二氧化矽)製成的擒縱叉瓦配合，-擒縱叉瓦可以和擒縱叉製成一單件。
一有利之應用方式是關於一由氧化之矽製成的擒縱輪、及由固體氮化矽製成的擒縱叉瓦、或由氧化之矽製成並以氮化矽塗佈的擒縱叉瓦。
在一特定變化形式中，第一摩擦表面20及第二摩擦
表面30各包括氮化矽。
在本發明之一有利實施方式中，包括有氮化矽之摩擦表面20、30包括氮化矽(Si3N4)，或者由氮化矽(Si3N4)製成。
較佳地，包括有氮化矽之摩擦表面20、30係一厚度小於2微米之氮化矽層之表面。
較佳地，此氮化矽層之厚度包含在50與1000nm之間。較明確說，氮化矽薄層之厚度包含在50nm與500nm之間。
在本發明之一特定變化形式中，包括有一氮化矽之摩擦表面20、30係一氮化矽層之表面，其覆蓋一由石英或矽或氧化矽、或矽與氧化矽之混合物製成的基板。
在一特定變化形式中，相對立於包括有氮化矽之摩擦表面20、30係包括至少一矽基材料，取自包括矽(Si)、二氧化矽(SiO2)、非晶矽(a-Si)、多晶矽(p-Si)、多孔矽的族群，其獨自由一或多個取自該族群之矽基材料製成。
如圖5中所示，氮化矽/矽配對提供特別有利的結果，其中摩擦轉矩大致恆定，完全不需要任何潤滑。
事實上，提供對應於圖5之不同配對的實驗點之間的均線形狀之方程式為：Y=0.1356X-0.0068，針對上方點狀曲線之氮化矽(Si3N4)/巨晶性金剛石(或NCD)配對，Y=0.0288X+0.0928，針對虛線曲線之類金剛石碳
(或DLC)/紅寶石配對，Y=0.0097X+0.1302，針對中斷線曲線之摻碳矽/紅寶石配對，Y=0.0024X+0.1362，針對下方近水平實線曲線之本發明較佳氮化矽(Si3N4)/矽配對。
本發明亦關於一種製造此擒縱機構100之方法。
根據本方法，一氮化矽層藉由電漿增強型化學氣相沈積(PECVD)或藉由化學氣相沈積(CVD)或藉由陰極濺射施加於一基板，以形成第一或第二摩擦表面20、30。
較明確說，一氮化矽組件係以一基板製成，藉由燒結或藉由固體處理(亦即，先前界定之固體組件形式，其最小維度大於0.10mm)，以形成第一或第二摩擦表面20、30其中之一。
尤其，針對一包括有氮化矽、或由氮化矽形成之層的沈積，可以使用專精於微機電系統(MEMS)之習於此技者熟知的一或多項科技。可以使用低壓化學氣相沈積(LPCVD)、電漿增強型化學氣相沈積(PECVD)、化學氣相沈積(CVD)、原子層沈積(ALD)、陰極濺射、離子植入及類似製程。
較佳地，使用0.2與1.2之間的矽/氮比。較明確說，矽/氮值0.4為化學計量(根據Gardeniers等人所述，富含矽之氮化矽，低應力或壓縮性之SixNyHz)。
較佳地，選擇2與30%之間的氫濃度。
較佳地，在非限制性情況中，選擇一般矽基板。
關於子層，可以選擇二氧化矽，在非限制性情況中，一般厚度在50與2000nm之間，或選擇多晶矽、碳化矽、或類似者。
關於氮化矽沈積之技術限制已為習於微機電系統領域技藝者熟知。
因此，氮化矽層之厚度較佳包含在50與1000nm之間。
關於氮化矽之壓縮狀態，專精於微機電系統之習於此技者應知矽濃度增加將減低氮化矽之張力及甚至可令其壓縮。應該知道的是具壓縮應力之材料通常造成摩擦損耗減少。此即對應於富含矽之氮化矽。
針對本發明之正確實施方式，重要的是將氮化矽層正確黏接於基板，以及材料之彈性模數不可過微。下層材料之性質較不重要。若氮化矽層厚度超過100nm，摩擦即由此氮化矽層決定。
由單件式氮化矽製成之擒縱叉瓦可以藉由與多晶性紅寶石之製造上相同的技術產生，此為習於此技者所熟知。
再者，儘管目前難以達成，有利的是可以考慮將固體氮化矽與矽或二氧化矽做摩擦接觸，例如將氮化矽擒縱叉瓦抵於由二氧化矽製成之擒縱輪。
本發明具有以下多項優點：
摩擦速度與摩擦係數之低依存性的函數關係。特別有利於擒縱機構之情況，因為速度通常在0與3cm/s之間變化。
速度和壓力與穩定摩擦係數的函數關係減低了出現黏滑的危險，黏滑通常會造成材料摩擦接觸的加速退化。
並無形成第三物而不利於摩擦的危險性。
氮化矽之低化學反應性，尤其是以其化學計量形式Si3N4，使其不致受到清潔、退化、和周邊介質交互作用的影響。
低磨損。
氮化矽亦具有實施簡便的優點，尤其是使用電漿增強型化學氣相沈積塗佈在矽或氧化矽上。此沈積法係眾所周知及泛用於矽產業上。
本發明容許以不同形式使用氮化矽，並藉由電漿增強型化學氣相沈積、化學氣相沈積、陰極濺射、固體、燒結、及其他方式沈積。
本發明包括氮化矽與非限制性配對之摩擦接觸，像是矽、二氧化矽、非晶矽(a-Si)、多晶矽(p-Si)、多孔矽。
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Claims (11)
- 一種時計擒縱機構(100)，包括：至少一對組件，包括第一組件(2)，具有第一摩擦表面(20)及第二組件(3)，具有第二摩擦表面(30)，其中該第一摩擦表面(20)和該第二摩擦表面(30)被配置成彼此接觸而協同運作，其特徵在於該第二摩擦表面(30)包括至少一矽基材料，選自於由二氧化矽(SiO2)、非晶矽(a-Si)、多晶矽(p-Si)、多孔矽、及矽與氧化矽之混合物所組成的族群，且其特徵在於該第一摩擦表面(20)係藉由化學計量式為Si3N4之固體氮化矽構成之固體元件之表面形成。
- 如申請專利範圍第1項之擒縱機構(100)，其中該第一摩擦表面(20)係厚度小於1000奈米的氮化矽層之表面。
- 如申請專利範圍第2項之擒縱機構(100)，其中該第一摩擦表面(20)係厚度在50奈米與500奈米之間的氮化矽層之表面。
- 如申請專利範圍第1項之擒縱機構(100)，其中該第二摩擦表面(30)獨自由一或多個選自於該族群之矽基材料製成之層的表面。
- 如申請專利範圍第1項之擒縱機構(100)，其中該機構包括擒縱叉瓦(25)，各形成包括有該第一摩擦表面(20)之該第一組件(2)及配置成與擒縱輪(35)配 合，該擒縱輪形成包括有該第二摩擦表面(30)之該第二組件(3)。
- 一種時計機芯(200)，包括至少一如申請專利範圍第1項之擒縱機構(100)。
- 一種時計(300)，包括至少一如申請專利範圍第6項之時計機芯(200)。
- 一種製造如申請專利範圍第1項之擒縱機構(100)的方法，包括藉由電漿增強型化學氣相沈積(PECVD)、或藉由化學氣相沈積(CVD)、或藉由陰極濺射將氮化矽層施加於基板，以形成該第二摩擦表面(30)。
- 一種製造如申請專利範圍第1項之擒縱機構(100)的方法，包括藉由燒結以基板製成氮化矽組件，而形成該第一摩擦表面(20)或該第二摩擦表面(30)其中之一。
- 如申請專利範圍第9項之方法，其中由該第一摩擦表面(20)及該第二摩擦表面(30)形成之各配對係由氮化矽/矽(Si3N4/Si)配對構成。
- 一種製造如申請專利範圍第1項之擒縱機構(100)的方法，包括藉由固體組件形式處理以基板製成氮化矽組件，而形成該第一摩擦表面(20)或該第二摩擦表面(30)其中之一，該固體組件之最小維度大於0.10毫米。
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