功能性微机械组件的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种功能性微机械组件(100)，其包括至少第一构件(10)，第一构件具有限定出第一接触表面的第一层，该第一接触表面用于与由第二层限定出的第二接触表面摩擦接触，所述第二层属于所述第一构件(10)，或者至少属于与所述第一构件(10)一起形成所述组件(100)的第二微机械构件(20)，其特征在于，所述第一和第二层均含有至少50％碳原子的碳，所述层的所述第一和第二接触表面的表层晶面的取向彼此不同。
【专利说明】功能性微机械组件
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种功能性微机械组件，其包括第一构件，该第一构件具有限定出第一接触表面的第一层，该第一接触表面用于与由第二层限定出的第二接触表面摩擦接触，所述第二层属于所述第一构件，或者至少属于与所述第一构件一起形成所述组件的第二微机械构件。本发明更具体地涉及彼此机械地配合作用的一对微机械钟表构件，诸如擒纵轮和擒纵叉瓦。
【背景技术】
[0002]近年来的具有金刚石-涂覆的硅擒纵机构(擒纵叉瓦和擒纵轮)并且不具有对擒纵叉瓦/擒纵轮接触的有意液体润滑的机械钟表机芯结构未以令人满意的方式运行。实际上，这种无润滑类型的擒纵机构的调节功率劣于具有常规润滑的擒纵机构装置的调节功率。 申请人:在一些情况下观察到无润滑的擒纵机构随着擒纵机构涂覆层的摩擦学性能的不可逆转的损耗(劣化)在几小时后停止运转。
[0003]对于无润滑的金刚石-涂覆的擒纵机构唯一明显有效的方法在于在将其组装到钟表机芯内之前对金刚石摩擦表面进行预-研磨。然而，这是费力的并且与对以可接受的成本价格进行工业生产的要求不相容。
[0004]在微机械应用中，实际上所使用的大部分金刚石层都是纳米晶体(晶粒尺寸<50nm, Ra〈50nm)，这是因为该领域技术人员直觉上认为越平滑的表面会越好地滑动过彼此。
[0005]本发明的主要目的是尤其在钟表应用中提供一种允许微机械构件在没有润滑的情况下以可靠持久的方式相互摩擦的摩擦学解决方案，所述解决方案至少克服了前面提到的现有技术的缺陷。
[0006]本发明的另一目的在于提供一种尤其用于钟表的功能性微机械组件，该功能性微机械组件包括具有不要求诸如研磨的后处理步骤的摩擦学特征的改进的运动元件。
【发明内容】
[0007]因此，本发明涉及一种功能性微机械组件，其包括限定出第一接触表面的第一构件，该第一接触表面用于与由第二层限定出的第二接触表面摩擦接触，所述第二层属于所述第一构件，或者至少属于与所述第一构件一起形成所述组件的第二微机械构件，所述组件的特征在于第一和第二层均由具有至少50%碳原子的碳形成，所述层至少在第一和第二接触表面上具有彼此不同的表层晶面取向。
[0008]诸如钟表机芯的擒纵叉瓦/擒纵轮的一对微机械构件因为这种设置而可以在没有润滑的情况下运行。 申请人:观察到本申请的这种类型的功能性组件的摩擦学性能和现有技术中的具有液体润滑的擒纵机构的摩擦学性能一样好或者更好。
[0009]以这种构型设置的所述微机械构件的第一和第二层具有更大的耐磨性。此外，由所述层的两个接触表面之间的摩擦引起的能量损失显著降低了，因此与具有相同结构的一对对置摩擦面相比而言，本发明的功能性微机械组件具有改进的摩擦学特征。通过本发明的设置消除了在具有相同结构的表面相互摩擦时发生的互锁。根据本发明的有利实施例，至少所述第一层至少在其接触表面上具有微晶结构，优选地所述第一和第二层各自在其接触表面上具有微晶结构。典型地，所述第一层和/或第二层各自至少在其接触表面上的晶粒尺寸大于200nm且小于10微米。
[0010]根据该实施例的优选变型，所述第一层和/或第二层的至少在其相应的接触表面上的晶面各自具有在预定方向上的不同的晶向，例如包括晶向族〈100〉的晶向[100]或者晶向族〈111〉的晶向[111]。
[0011]优选地，所述第一层的至少在第一接触表面上的晶面族{100}中的一个晶面将与所述第二层的至少在第二接触表面上的晶面族{111}中的一个晶面关联。
[0012]根据有利特征，由垂直于所述层的至少在它们各自的接触表面上的晶面族{100}的晶面(100)和晶面族{111}的晶面(111)的法线确定的平均角度包含在在10°到70°之间，优选在40°和50°之间，更优选地是45°。
[0013]根据有利实施例，第一构件由整块单晶或多晶金刚石制成。
[0014]优选地，第一接触表面和第二接触表面中的一个的平均粗糙度(Rms)包含在80nm和3微米之间。第一接触表面和第二接触表面中的另一个的平均粗糙度较低并且优选至少低一倍半(1.5倍)，典型地在50nm和2微米之间。
[0015]根据本发明的变型实施例，限定出所述第一接触表面和/或所述第二接触表面的第一摩擦层和/或第二摩擦层覆盖第一衬底和/或第二衬底，用以形成所述第一构件和/或所述第二构件。典型地，第一衬底和/或第二衬底可以由硅或者钢或陶瓷制成，具有或者不具有铬、钛、镍等的中间层。在硅衬底的情况中，硅可以是氮化硅、碳化硅、氧化硅或者粗硅。
[0016]根据另一变型，第一构件和/或第二构件由整块单晶或者多晶金刚石制成，从而直接限定出第一接触表面和/或第二接触表面。无论所述第一层和/或第二层是沉积在衬底上还是整块(massive)的，这些层的厚度至少大于150nm。对于整块的构件，第一层的厚度可以高达1_。对于具有衬底的构件，第一沉积层和/或第二沉积层的厚度可以高达50微米。
[0017]本发明的功能性微机械组件在钟表制造业领域中获得了有利的应用。具体地，第一构件可以是擒纵叉瓦，并且第二构件可以是擒纵轮，或者相反。在另一钟表应用中，第一构件可以是轮副心轴，并且第二构件可以是轴承，或者相反。根据这个领域中的另一应用，第一和第二构件可以是齿轮齿圈。在这种类型的一对元件中，构件的处于摩擦接触中的接触表面不经历其摩擦学性能的不可逆的损耗(劣化)并且表现出很好的稳定性。对于诸如瑞士杠杆式擒纵机构的运动钟表系统而言，可以在没有对擒纵叉瓦/擒纵轮接触(面)进行润滑的情况下运行并提供与标准参考至少等同的性能。本发明的摩擦层(该摩擦层可以是整块的或者在衬底上)、尤其是金刚石层是直接有效的，不需要改变摩擦表面的性质所需的后处理(例如，通过研磨、表面处理/修整等)。根据本发明在涉及仅一个构件的钟表应用中，该构件可以是由条状件形成的主发条，所述条状件的正面形成所述第一接触表面，所述条状件的背面形成所述第二接触表面。当然，在本发明的功能性微机械组件的特定应用中，构件可以与两个或更多个其它构件摩擦接触。这种情况下，根据本发明，构件的相互接触的摩擦表面具有彼此不同的晶面取向。
[0018]有利地利用热丝CVD (热丝化学气相沉积)技术或者微波技术来形成本发明的层。金刚石也可以是整块的，可以由或者可以不由生长得到。通过改变沉积室中的反应气体的比例和压力及温度参数来获得期望的晶面取向(例如(100)和(111))，这已经在例如以下出版物中公开:由Y.Avigal等发表的题为“ [100]-Textured diamond films fortribological applications”的出版物，该出版物由Elsevier出版在1997年的《Diamondand Related Materials》第6卷、第381-385页、特别是部分3.1中;*Qiin Chen等发表的题为“Oriented and textured growth of (111) diamond on silicon using hot filamentchemical vapour deposition”的出版物，该出版物由Elsevier出版在1996年的《ThinSolid Fims))第 274 卷、第 160-14 页中；以及由 M.Grujjicic 和 S..Lai 在《Jurnal ofMaterials Synthesis and Processing》第2，200卷、第73-85页中发表的出版物。以引用方式将这些文献纳入本文。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]根据本发明的功能性微机械组件的其它特征和优点也将会从以下对该组件的实施例的详细描述中显而易见，参考以非限制性示例的方式给出的附图完成本说明书，其中:
[0020]-图1是形成根据本发明的功能性微机械组件的两个微机械构件的两个接触表面的示例的示意性放大图，所述两个接触面分别具有晶面取向(111)和(100)。
[0021]-图2是图1中的微机械组件中的一个微机械构件的接触表面的示意性放大图，该接触表面具有在晶向[100]上的取向，并且该图示出每个晶面(100)的倾斜角。
[0022]-图3是根据本发明的擒纵叉瓦和擒纵轮的部分侧视图，该擒纵叉瓦具有与擒纵轮的锁面C和冲面D配合作用的锁面A和冲面B，面A和B限定出第一接触表面，面C和D限定出第二接触表面。
[0023]-图4是根据本发明的具有正面和背面的主发条条状件的俯视图，所述正面和背面分别限定出第一和第二接触表面。
【具体实施方式】
[0024]图1示出根据本发明的一对微机械构件10和20的示例性实施例。第一构件10包括衬底15，该衬底上沉积有金刚石层11，该金刚石层具有用于与由第二层21限定的第二接触表面21a摩擦接触的接触表面11a。层11在接触表面Ila上具有按照预定方向、即晶向[111]取向的晶面。层11至少在接触表面Ila上是微晶的，具有大于200nm的晶粒尺寸和大于80nm的粗糙度Rms。
[0025]微机械构件20包括衬底25,该衬底上沉积有金刚石层21,该金刚石层具有与微机械构件10的表面Ila相对的接触表面21a。层11和21因此形成摩擦层。
[0026]层21至少在接触表面21a上具有按照预定方向、即晶向[100]取向的晶面。实际上，由于针对获得层21的传统方法所不可避免的生长缺陷，所以这些晶面基本上相对于摩擦方向F倾斜。层21至少在接触表面21a上是微晶的，并且具有大于200nm的晶粒尺寸。
[0027]因此，层11和21至少在用于相互摩擦接触的接触表面Ila和21a上具有不同的晶面取向，在这个例子中，这两个取向是晶向[100]和[111]。参考图1，知道还可以通过角度β来确定表面Ila和21a的晶面取向的差异，所述角度β是由垂直于接触表面Ila和2Ia的法线Nll和Ν21形成的平均角度。β包含在10°和70°之间，优选在40°和50°之间，更优选地等于45°。角度与两个接触表面Ila和21a的晶体取向β的平均角度差相对应。金刚石领域的技术人员能够容易地计算出所述角度，因为这在控制金刚石沉积方法中是重要的标准。
[0028]图2再次示出单独的微机械构件20，用以说明倾斜角度α。所述倾斜角度在垂直于表面21a的局部法线与垂直于理论摩擦面PF(在图中以虚线表示)的法线NF之间测得，所述理论摩擦面由摩擦方向F和属于限定出表面21a的理论表面的直线G限定。
[0029]相对于理论摩擦面PF计算角度α。该角度α代表法线Ν25与垂直于图2中晶面(100)的法线Ν21之间的角度CIi的平均值。角度CInroy优选小于30°，更优选小于10°。
[0030]典型地，层11和21的厚度至少是150nm，并且优选大约是2.5微米，用以获得一致的(homogSnes)晶面取向。
[0031]大致上，限定出表面Ila和12a的层11和21中的每一个都包括含有至少50%碳原子的碳。这些层可以例如由金刚石、类金刚石、石墨或者这些材料的组合形成。
[0032]根据未示出的变型实施例，表面Ila和/或表面21a至少部分地涂覆有与形成层11和/或层21的材料不同的材料的涂覆层。这些涂覆层可以由例如金膜、镍膜或者钛薄膜形成。这些涂覆层的厚度应优选不大于lOOnm。这种情况下，根据本发明，第一和第二接触表面的表层(表面)结构有利地具有不同的表层(表面)晶面取向。
[0033]微机械构件10和20的层11和21可以沉积在由任何适于金刚石、DLC或石墨层沉积的材料类型制成的衬底上。例如，衬底15和25可以从包括陶瓷、硅、脱氧硅、氧化硅、氮化硅、碳化硅和钢的材料组中选择。
[0034]还可以设想在不使用用于一个微机械构件和/或另一个微机械构件的衬底的情况下来制造本发明的接触表面Ila和21a。实际上，根据本发明的变型，表面Ila和/或21a可以由整块单晶或者多晶金刚石得到。
[0035]图3示出本发明制造钟表擒纵机构的示例性应用，在该擒纵轮机构中擒纵叉杆30包括擒纵叉瓦31，该擒纵叉瓦与擒纵轮40的轮齿41配合作用。擒纵叉瓦31具有与轮齿41的锁面C和冲面D配合作用的锁面A和冲面B。锁面A和冲面B例如具有与表面Ila符合(一致)的接触表面，面C和D于是具有与表面21a符合(一致)的接触表面，已经分别参考图1和图2对所述表面Ila和所述表面21a进行了描述。这些面A、B、C、D是高应力区域，承受高强度的摩擦和/或接触。根据变型，擒纵叉杆30可以与擒纵叉瓦31是一体(式)的。
[0036]图4示出本发明的另一钟表应用，其中主发条条状件50具有正面50a和背面50b，所述正面和背面分别与已经参照图1和图2描述过的接触表面Ila和21a符合(一致)。
[0037]尽管如此，本领域技术人员清楚的是本发明可以扩展到其它实施例(未示出)，其中，微机械构件10和20例如可以由诸如枢轴(轴榫)的轮副心轴和诸如宝石的轴承构成，或者由一对齿轮齿圈构成，或者由任何其它高度暴露在强机械应力中、可以具有或可以不具有摩擦学属性的元件对构成。
[0038]权利要求书中的附图标记绝不是限定性的。动词“包括”以及“包含”并不排除与 权利要求书中已经列出的那些元件不同的元件的存在。元件前的词“一个/一”并不排除
存在多个这样的元件。
【权利要求】
1.一种功能性微机械组件(100)，其至少包括第一构件(10)，所述第一构件(10)至少设置有第一面，至少所述第一面涂覆有限定出第一接触表面(Ila)的第一层(11)，该第一接触表面用于与由第二层(21)限定出的第二接触表面(21a)摩擦接触，所述第二层至少涂覆第二面,所述第一构件(10)或者至少第二微机械钟表构件(20)与所述第一构件(10) —起形成所述组件(100)，其特征在于，所述第一和第二层(11，21)均包含具有至少50%碳原子的碳，所述第一接触表面具有第一确定晶面取向，所述第二接触表面具有第二确定晶面取向，并且所述第一和第二确定取向彼此不同。
2.根据权利要求1所述的功能性微机械组件，其特征在于，至少所述第一层(11)至少在所述第一接触表面上具有微晶结构。
3.根据权利要求2所述的功能性微机械组件，其特征在于，所述第一和第二层(11，21)的每一个至少在其各自的接触表面上具有微晶结构。
4.根据上述权利要求中任一项所述的功能性微机械组件，其特征在于，所述第一层的至少在所述第一接触表面上的晶面属于晶面族{111}，所述第一层的属于所述晶面族{111}的晶面的方向相对于所述第一面的法线以一角度倾斜，所述角度包含在10°和70°之间、优选在40°和50°之间并且更优选是45°，所述第二层的至少在所述第二接触表面上的晶面属于晶面族{100}，所述第二层的属于所述晶面族{100}的晶面的方向以与所述第二面垂直的方式取向。
5.根据上述权利要求中任一项所述的功能性微机械组件，其特征在于，至少所述第一层(11)的至少在第一接触表面上的晶粒尺寸大于200nm。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的功能性微机械组件，其特征在于，所述第一和第二层(11)的至少在其各自的接触表面上的晶粒尺寸大于200nm。
7.根据上述权利要求中任一项所述的功能性微机械组件，其特征在于，所述第一或第二层中的至少一个至少部分地涂覆有另一材料的涂覆层。`
8.根据权利要求7所述的功能性微机械组件，其特征在于，所述涂覆层小于lOOnm。
9.根据上述权利要求中任一项所述的功能性微机械组件，其特征在于，所述第二层属于所述第二构件(20)，所述第一构件和/或所述第二构件由整块单晶或多晶金刚石制成。
10.根据上述权利要求中任一项所述的功能性微机械组件，其特征在于，所述第一或第二接触表面中的一个的平均粗糙度(Rms)大于80nm。
11.根据权利要求1-9以及当不从属于权利要求9时的权利要求10中任一项所述的功能性微机械组件，其特征在于，限定出所述第一接触表面和/或所述第二接触表面的所述第一层和/或所述第二层覆盖第一衬底以形成所述第一构件。
12.根据权利要求1-9以及当不从属于权利要求9时的权利要求10中任一项所述的功能性微机械组件，其特征在于，所述第二层属于所述第二构件(20)，限定出所述第一接触表面和/或所述第二接触表面的所述第一层和/或所述第二层覆盖第一衬底和/或第二衬底以形成所述第一构件和/或所述第二构件。
13.根据权利要求11或12所述的功能性微机械组件，其特征在于，所述第一衬底和/或所述第二衬底由硅或钢或陶瓷形成。
14.根据权利要求11-13中任一项所述的功能性微机械组件，其特征在于，所述第一摩擦层和/或第二摩擦层的厚度至少是150nm。
15.根据权利要求1-14中任一项所述的功能性微机械组件，其特征在于，所述第二层属于所述第二构件(20)，所述第一构件是擒纵叉瓦(30)，并且所述第二构件是擒纵轮(40),或者相反。
16.根据权利要求1-14任一项所述的功能性微机械组件，其特征在于，所述第二层属于所述第二构件(20)，所述第一构件是轮副心轴，并且所述第二构件是轴承，或者相反。
17.根据权利要求1-14中任一项所述的功能性微机械组件，其特征在于，所述第二层属于所述第二构件(20)，所述第一构件和所述第二构件是齿轮齿圈。
18.根据权利要求1-13中任一项所述的功能性微机械组件，其特征在于，所述第二层属于所述第一构件(10)，所述第一构件是由条状件形成的主发条，所述条状件的正面形成所述第一接触表面并且所述条状件的背面形成所述第二接触表面。
【文档编号】G04B31/004GK103765330SQ201280036285
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2012年7月17日 优先权日:2011年7月21日
【发明者】D·理查德, S·博尔班 申请人:斯沃奇集团研究和开发有限公司