无润滑的钟表擒纵机构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及具有改进的摩擦学性能的钟表擒纵机构，所述钟表擒纵机构包括至少一对构件，所述至少一对构件包括分别具有第一摩擦表面和第二摩擦表面的第一构件和第二构件，所述第一摩擦表面和第二摩擦表面设置成彼此接触地协作。
[0002]本发明还涉及一种用于制造这种擒纵机构的方法。
[0003]本发明涉及包括长久处于运动中的构件的钟表机构领域、且更具体地涉及擒纵机构领域。
【背景技术】
[0004]钟表设计者常常竭力于提高机芯的可靠性，由此降低维护操作的频率，同时确保钟表机芯的精确运行。
[0005]轮和小齿轮以及运动构件的润滑是一个待解决的难题。需要冗长的摩擦学测试以找到简化或者甚至消除润滑的方案。
[0006]更具体地，通过尝试限定摩擦接触的成对材料来寻求实现擒纵机构的无润滑运行，所述成对材料具有低的且稳定的摩擦系数和少的磨损，并且展现出随时间的优良的抗磨损性。
[0007]CSEM名下的欧洲专利申请N0.0732635A1公开了具有包括在非特定组分中的氮化硅的摩擦表面的微机械构件、特别是擒纵机构的擒纵叉杆的制造。该文献设想一对具有改进摩擦学性能的相对部件:该文献例举了氮化钛与碳化钛对、或氮化钛与碳化硅对。
[0008]在Messrs Deng 和 Ko 的文献 XP XP002734688 “A study of static frict1nbetween silicon and silicon compounds (娃与娃化合物之间的静摩擦的研究)”中描述了氮化硅-硅对由于随时间的较低的磨损和改进的摩擦学性能而用于精密微机械中的用途。
[0009]Messrs Stoffel, Kovacs, Kronsat, MUller 的文献 XP002734924 “LPCVD againstPECVD for micromechanical applicat1ns (用于微机械应用的 LPCVD 与 PECVD) ” 公开了通过PECVD或LPCVD获得的非化学计量的氮化硅的使用，以确保摩擦学特性。
【发明内容】
[0010]本发明提出提供针对上述问题的解决方案。
[0011]本发明更特别地涉及氮化硅的使用，该氮化硅用作擒纵机构中的高摩擦学性能的材料。
[0012]为此，本发明涉及一种具有改善的摩擦学性能的钟表擒纵机构，该钟表擒纵机构包括至少一对构件，该至少一对构件包括分别具有第一摩擦表面和第二摩擦表面的第一构件和第二构件，所述第一和第二摩擦表面布置成彼此接触地协作，其特征在于，所述第二摩擦表面包括至少一种硅基材料，该硅基材料选自包括硅(Si)、二氧化硅(S12)、非晶硅(无定形硅)(a-Si)、多晶硅(P-Si)、多孔硅、或者硅和氧化硅的混合物的组；以及在于，所述第一摩擦表面由立体(固体，实体)元件的表面形成，该立体元件由化学计量配比Si3N4形式的立体氮化硅制成。
[0013]本发明还涉及一种制造这种擒纵机构的方法，其特征在于，通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或通过化学气相沉积(CVD)或通过阴极溅射将氮化硅层施加至衬底(基质)上，以形成所述第一和第二摩擦表面中的一者。
[0014]本发明还涉及一种用于制造这种擒纵机构的方法，其特征在于，通过烧结或通过立体加工(固体加工，solid processing)来形成带有衬底的氮化娃构件，以便形成所述第一或第二摩擦表面中的一个。
[0015]根据本发明的特征，由第一摩擦表面和相对的第二表面形成的每个对被制造成带有 Si3N4/Si 对。
【附图说明】
[0016]本发明的其他特征和优点将通过参照附图阅读以下详细说明显见，在附图中:
[0017]-图1示出擒纵机构的示意性平面视图，该擒纵机构特别包括根据本发明设置在接触表面上的、与擒纵轮接触协作的擒纵叉瓦；
[0018]-图2示出相对的接触表面之间的协作的示意图；
[0019]-图3示出包括具有擒纵机构的机芯的钟表的方框图，该擒纵机构包括根据本发明设置的一对构件；
[0020]-图4为示出位于y轴上的摩擦系数随着位于X轴上的接触压力的倒数(GPa变化的图表，其中上方的点线代表蓝宝石/类金刚石碳(或DLC)对，下方的点划线代表金刚石/类金刚石碳(或DLC)对；
[0021]-图5为与图4类似的图表:
[0022]-在上方点线中，针对Si3N4/纳米晶态金刚石(或NCD)对，
[0023]-在虚线中，针对类金刚石(或DLC)/红宝石对，
[0024]-在中间的点划线中，针对植入有碳的硅/红宝石对，
[0025]-在下方的基本水平的实线中，针对本发明优选的Si3N4/Si对。
【具体实施方式】
[0026]本发明涉及氮化硅的使用，该氮化硅作为允许钟表擒纵机构无润滑地运行的材料。
[0027]为了语言表达的方便，下文中所使用的“氮化硅”将为由以下形成的具有宽泛含义的材料:
[0028]-在大多数一般情况下为立体或为薄层的化学计量的硅(Si3N4);
[0029]-或非化学计量的组分SixNyHz，其中X等于l，y在0.8和5.0之间，并且z在0.00和0.70之间、且更具体地在0.04至0.70之间，该组分优选以薄层形式施加，但也可由立体成分形成。
[0030]此处的“立体”指的是其最小尺寸大于0.1Omm的成分，而“薄层”的最小尺寸小于10微米，并且优选小于I微米。
[0031]事实上，测试已经表明，氮化硅与硅或氧化硅之间的摩擦在钟表机构、更具体地在擒纵机构中展现出令人满意的性能。
[0032]该摩擦对具有在宽的力-速度范围内(ImN-1OOmN和lcm/s-10cm/s)的低的摩擦系数，小于0.17。
[0033]以下所引用的作者的工作示出了:对于硬的弹性材料而言，由于剪切应力随压力增加，摩擦系数通常根据由图4示出的规律μ =S/P+a变化，其中S为剪切应力极限，P为赫兹压力，a为参数。
[0034]参数S确定该对随压力变化的相关性，因而在擒纵机构中的干摩擦情况下一在此情况下接触压力和力的变化很大一考虑该参数是特别有用的。
[0035]对比其他的摩擦对，氮化硅/Si对或氮化硅/S1Jt展现出摩擦系数随沿法向施加的力而变化的较低的相关性，如图5所示。这导致了非常低的参数S。该特性在擒纵机构中特别有用，因为法向力在接触或撞击中通常以O-1OOnM大幅度地变化。在失去接触和接触时，氮化硅维持小于0.2的低摩擦系数，该数值通常被视为擒纵机构的临界工作阈值。
[0036]本发明因而涉及具有基于上述发现的改进的摩擦学性能的钟表机构、且更具体地钟表擒纵机构100。
[0037]因此，根据本发明，该擒纵机构100包括至少一对构件，所述至少一对构件包括第一构件2和第二构件3，所述第一和第二构件分别包括第一摩擦表面20和第二摩擦表面30，所述第一和第二摩擦表面布置成彼此接触地协作。
[0038]第一摩擦表面20、30包括氮化硅，其为化学计量的氮化硅(Si3N4)或为非化学计量的氮化硅(SixNyHz)，其中X等于1，y在0.8和5.0之间，且z在0.00和0.70之间。
[0039]第二摩擦表面30、20包括至少一种硅基材料，该硅基材料选自包括硅(Si)、二氧化硅(S12)、非晶硅(a-Si)、多晶硅(P-Si)、多孔硅或硅和氧化硅的混合物的组中。
[0040]“非晶硅(a-Si) ”此处是指通过PECVD以具有50nm至10微米的薄层形式沉积的硅，其具有非晶态结构；它还可以是氢化的或η型或P型掺杂。
[0041]“多晶娃(p-Si) ”此处是指由微晶娃颗粒通过LPCVD沉积形成的娃，该颗粒尺寸在10至100nm之间；它还可为η型或ρ型掺杂。E接近160GPa。
[0042]“多孔硅”此处是指孔径为2nm至10微米的材料，该材料根据基于阳极氧化(电解液HF和电流)的复杂制造工艺制成。
[0043]更特别地，这些第一或第二摩擦表面20、30中的至少一个由立体元件的表面形成，该立体元件由立体氮化硅形成一优选但非限制性地为化学计量配比的Si3N4，或者由薄层的表面形成一优选但非限制性地为非化学计量组分SixNyHz，其中X等于l，y在0.8至5.0之间，z在0.00至0.70之间。
[0044]更具体地，z在0.04至0.70之间。
[0045]以与包括氮化硅的第一摩擦表面相同的方式，第二摩擦表面可为立体构件的表面、或薄层的表面。
[0046]本发明的特别有利的应用为由Si3N4制成的擒纵叉瓦与由Si+S1 2制成的轮的接触协作。
[0047]另一个有利的应用涉及“立体氮化硅”与由Si3N4通过例如激光切割等制成的轮的应用，所述轮与由Si+S1jij成的单件式擒纵叉杆或与设置有由Si+Si02制成的擒纵叉瓦的传统擒纵叉杆摩擦接触。
[0048]可用于钟表学中的组合尤其为:
[0049]-以Si02、立体石英Si02、Si+Si02中的任一形式制成的轮，该轮与以薄层氮化娃或立体氮化硅中的任一形式制成的擒纵叉瓦协作，
[0050]-由氮、Si+氮化硅、立体氮化硅中的任一形式制成的轮，该轮与由S12、特别是立体Si+Si02、S12*的任一形式制成的擒纵叉瓦协作，
[0051]-擒纵叉瓦可与擒纵叉杆制造成一体件。
[0052]一种有利的应用涉及由氧化的Si制成的轮、以及由立体Si3N4制成的擒纵叉瓦、或由涂覆有氮化硅的氧化的Si制成的擒纵叉瓦。
[0053]在一种特定变型中，第一摩擦表面20和第二摩擦表面30各自包括氮化硅。
[0054]在本发明的一种有利的实施例中，摩擦表面20、30中的包括氮化硅的摩擦表面包括氮化娃(Si3N4)或者由氮化娃(Si3N4)形成。
[0055]优选地，