ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ УЗЕЛ Российский патент 2015 года по МПК G04B43/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к функциональному микромеханическому узлу, включающему в себя первую деталь, содержащую первый слой, определяющий первую контактную поверхность, выполненную с возможностью вхождения во фрикционный контакт со второй контактной поверхностью, определяемой вторым слоем, при этом указанный второй слой является частью либо указанной первой детали, либо по меньшей мере второй микромеханической детали, образующей указанный узел с первой деталью. Изобретение, в частности, относится к паре микромеханических часовых деталей, таких как анкерное колесо и палетные камни, которые механически взаимодействуют друг с другом.

Уровень техники

Функционирование появившихся в последнее время элементов механизма механических часов с анкерным ходом из кремния с алмазным покрытием (палетные камни и анкерные колеса), не предполагающих жидкостное смазывание контактных частей палетных камней/анкерного колеса, вызывает ряд нареканий. На самом деле, регулируемая мощность подобных несмазываемых элементов анкерного хода хуже, чем у анкерных устройств с традиционной смазкой. Заявитель заметил, что в отдельных случаях несмазываемые анкерные элементы прекращают функционировать через несколько часов после необратимого ухудшения трибологических свойств покрытия анкерных элементов.

Вероятно единственным подходом, позволяющим эффективно использовать несмазываемые анкерные элементы с алмазным покрытием, является предварительное полирование алмазных фрикционных поверхностей перед их установкой в механизм хронографа. Однако этот подход является трудоемким и не обеспечивает приемлемую себестоимость при промышленной сборке.

В микромеханических устройствах большинство используемых алмазных слоев по своей сути являются нанокристаллическими (размер зерен <50 нм, Ra<50 нм), поскольку специалисты в данной области техники интуитивно полагают, что более гладкие поверхности будут лучше скользить относительно друг друга.

Основная задача изобретения состоит в разработке трибологического решения, которое позволит микромеханическим деталям, в частности деталям часовых устройств, надежно и в течение длительного времени тереться друг о друга без смазки и в котором устранены по меньшей мере вышеуказанные недостатки, присущие известным техническим решениям.

Еще одна задача изобретения заключается в создании функционального микромеханического узла, в частности, для хронографа, содержащего элементы, обладающие улучшенными трибологическими свойствами, которые не требуют этапов последующей обработки, таких как полировка.

Осуществление изобретения

Таким образом, изобретение относится к функциональному микромеханическому узлу, включающему в себя по меньшей мере первую деталь, содержащую первый слой, определяющий первую контактную поверхность, предназначенную для вхождения во фрикционный контакт со второй контактной поверхностью, определяемой вторым слоем, при этом указанный второй слой является либо частью указанной первой детали, либо по меньшей мере второй микромеханической детали, образующей узел с первой деталью, при этом согласно изобретению первый и второй слои, каждый, образованы из углерода, содержащего не менее 50% атомов углерода, причем по меньшей мере на уровне первой и второй контактных поверхностей ориентация поверхностных кристаллических плоскостей указанных слоев отличается друг от друга.

За счет подобной компоновки становится возможным обеспечить функционирование пары микромеханических деталей, таких, например, как палетные камни/анкерное колесо механизма хронографа, без смазки. Заявитель заметил, что трибологические параметры функционального узла подобного типа в данной области применения не уступают или даже превосходят аналогичные параметры анкерных элементов с жидкостной смазкой из известного уровня техники.

Первый и второй слои указанных микромеханических деталей, используемых в подобной компоновке, обладают повышенной износостойкостью. Кроме этого, потери энергии из-за трения между двумя контактными поверхностями слоев значительно уменьшены а следовательно, функциональный микромеханический узел обладает улучшенными трибологическими свойствами по сравнению с парой оппозитных трущихся поверхностей аналогичной конструкции. Компоновка согласно настоящему изобретению исключает взаимоблокировку, возникающую при трении друг о друга поверхностей с идентичной конструкцией. Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления изобретения по меньшей мере указанный первый слой по меньшей мере на его контактной поверхности имеет микрокристаллическую структуру, и предпочтительно указанный первый и второй слои, каждый, по меньшей мере на их контактной поверхности имеют микрокристаллическую структуру. Обычно размер зерен на соответствующих контактных поверхностях указанных первого и/или второго слоев больше 200 нм и меньше 10 микрометров.

Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления, кристаллические плоскости указанных первого и/или второго слоев, каждая, по меньшей мере на уровне их контактных поверхностей имеют разную ориентацию в определенных направлениях, например, в направлении [100] группы <100> направлений или в направлении [111] группы <111> направлений.

Предпочтительно одна из кристаллических плоскостей группы {100} кристаллических плоскостей указанного первого слоя будет ассоциироваться по меньшей мере с первой контактной поверхностью, а одна из кристаллических плоскостей группы {111} кристаллических плоскостей указанного второго слоя будет ассоциироваться по меньшей мере со второй контактной поверхностью.

По одному из желательных признаков, величина среднего угла, определяемого перпендикулярами к кристаллическим плоскостям (100) группы {100} и (111) группы {111} слоев, по меньшей мере на уровне их соответствующих контактных поверхностей, находится в диапазоне от 10 до 70, предпочтительно от 40° до 50°, наиболее предпочтительно равна 45.

Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления, первая деталь изготовлена из цельного моно- или поликристаллического алмаза.

Предпочтительно средняя шероховатость (R_ms) одной из первой или второй контактных поверхностей составляет от 80 нм до 3 микрометров. Средняя шероховатость другой первой или второй контактной поверхности меньше, предпочтительно не менее чем в полтора разе меньше и обычно составляет от 50 нм до 2 микрометров.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения указанный первый и/или второй фрикционный слой, определяющий указанную первую контактную поверхность и/или указанную вторую контактную поверхность, нанесен на первую и/или на вторую подложку, образуя указанную первую и/или указанную вторую деталь. Обычно первая и/или вторая подложка могут быть изготовлены из кремния, стали или керамики с использованием или без использования промежуточного слоя из хрома, титана, никеля и т.п. Кремний в кремниевой подложке может быть нитридом кремния, карбидом кремния, оксидом кремния или кремнием-сырцом.

Согласно другому варианту, первая и/или вторая детали изготовлены из цельного моно- или поликристаллического алмаза, тем самым непосредственно определяя первую и/или вторую контактные поверхности. Если указанные первый и/или второй слои наносятся на подложку или массив, то в этом случае толщина подобных слоев по меньшей мере составляет свыше 150 нм. У деталей из массива толщина первого слоя может достигать 1 мм. У деталей с подложкой толщина первого и/или второго наносимых слоев может достигать 50 микрометров.

Функциональный микромеханический узел согласно настоящему изобретению предпочтительно предназначен для часовой отрасли. В частности, первая деталь может быть палетным камнем, а вторая деталь - анкерным колесом, или наоборот. В другом часовом изделии первая деталь может быть шпинделем колесной пары, а вторая деталь - подшипником, или наоборот. В другой области применения в данной отрасли, первая и вторая детали могут быть зубцами зубчатого колеса. У пары элементов подобного типа контактные поверхности деталей, находящиеся во фрикционном контакте, не испытывают необратимой потери своих трибологических параметров и обладают хорошей стабильностью. Система наручных часов, такая как часы со швейцарским анкерным ходом, может функционировать без смазки контактных частей палетных камней/анкерного колеса, обеспечивая по меньшей мере равноценные показатели по сравнению со стандартными аналогами. Фрикционные слои (которые могут быть цельными или на подложке) согласно изобретению, в частности алмазные слои, обладают мгновенной эффективностью, не требуя последующего обслуживания для изменения свойств трущихся поверхностей (например, за счет полировки, нанесения на поверхность покрытия и т.п.). В часовых областях, где используется только одна деталь согласно изобретению, данная деталь может быть главной пружиной, изготовленной из ленты, где передняя сторона указанной ленты образует первую контактную поверхность, а задняя сторона ленты образует вторую контактную поверхность. Разумеется, в зависимости от конкретной области применения функционального микромеханического узла согласно изобретению одна из деталей может входить во фрикционный контакт с двумя или более другими деталями. В этом случае, согласно изобретению, фрикционные поверхности деталей, контактирующие друг с другом, будут иметь разные отличающиеся друг от друга направления кристаллических плоскостей.

Слои согласно изобретению желательно формируются из горячих нитей с использованием технологии химического осаждения из паровой фазы или микроволновой технологии. Алмаз может быть цельным, выращенным или натуральным. Необходимое направление кристаллических плоскостей (например, (100) или (111)) получают за счет изменения соотношения реагирующих газов при осаждении в камере, а также за счет изменения параметров давления и температуры, как это, например, раскрыто в публикации на имя И. Авигаль и соавт., озаглавленной «[100] - Текстурированные алмазные пленки для трибологических применений», опубликованной издательством Элсевье в сборнике Алмазы и родственные материалы, том 6, 1997 год, стр.381-385, в частности, в разделе 3.1, в публикации на имя Киджин Чен и соавт., озаглавленной «Ориентированный и текстурированный рост (111) алмазов на кремнии с использованием химического осаждения горячих нитей из паровой фазы», опубликованной издательством Элсевье в сборнике Тонкие сплошные пленки, том 274, 1996 год, стр.160-164 и в публикации на имя М. Груджичич и С.Дж. Лай, опубликованной в Журнале по синтезированию и обработке материалов», том №2200, стр.73-85, которые включены здесь по ссылке.

Краткое описание чертежей

Другие признаки и преимущества функционального микромеханического узла согласно изобретению станут понятны из последующего подробного описания вариантов осуществления заявленного узла со ссылкой на прилагаемые чертежи, используемые в качестве неограничивающих примеров.

На фиг.1 схематично показан пример осуществления двух контактных поверхностей двух микромеханических деталей, образующих функциональный микромеханический узел и соответственно имеющих направления кристаллических плоскостей (111) и (100) согласно изобретению, увеличенный вид;

на фиг.2 схематично показана контактная поверхность одной из микромеханических деталей, изображенных на фиг.1, ориентированная в направлении [100], и углы наклона каждой из кристаллических плоскостей (100), увеличенный вид;

на фиг.3 показан палетный камень с имеющейся у него блокирующей плоскостью А и ударной плоскостью В, взаимодействующих с блокирующей плоскостью С и ударной плоскостью D анкерного колеса, где плоскости А и В определяют первую контактную поверхность, а плоскости С и D определяют вторую контактную поверхность согласно изобретению, частичный вид сбоку;

на фиг.4 показана лента главной пружины с имеющейся у нее передней стороной и задней стороной, соответственно определяющими первую и вторую контактные поверхности согласно изобретению, вид сверху.

Осуществление изобретения

На фиг.1 показан вариант осуществления пары микромеханических деталей 10 и 20 согласно изобретению. Первая деталь 10 содержит подложку 15, на которую нанесен алмазный слой 11 с имеющейся у него контактной поверхностью 11а, которая входит во фрикционный контакт со второй контактной поверхностью 21а, определяемой вторым слоем 21. У контактной поверхности 11а кристаллические плоскости слоя 11 ориентированы в определенном направлении, а именно в направлении [111]. По меньшей мере на контактной поверхности 11а слой 11 является микрокристаллическим, с размером зерен свыше 200 нм и шероховатостью R_ms свыше 80 нм.

Микромеханическая деталь 20 содержит подложку 25, на которую нанесен алмазный слой 21 с имеющейся у него контактной поверхностью 21а, расположенной оппозитно поверхности 11а микромеханической детали 10. Слои 11 и 21, таким образом, образуют фрикционные слои.

По меньшей мере на контактной поверхности 21а кристаллические плоскости слоя 21 ориентированы в определенном направлении, а именно в направлении [100]. На практике, подобные кристаллические плоскости, по существу, наклонены относительно фрикционного направления F вследствие неизбежных дефектов наращивания, присущих традиционному способу создания слоя 21. По меньшей мере на контактной поверхности 21a слой 21 является микрокристаллическим, с размером зерен свыше 200 нм.

По меньшей мере на контактных поверхностях 11a и 21a, которые должны входить во фрикционный контакт друг с другом, кристаллические плоскости слоев 11 и 21 имеют разную ориентацию, в данном примере две подобные ориентации проходят в направлениях [100] и [111]. Co ссылкой на фиг.1 видно, что разницу в ориентации кристаллических плоскостей поверхностей 11a и 21a также можно определить углом β, который является средним углом, образованным перпендикулярами N11 и N21 к кристаллическим плоскостям контактных поверхностей 11a и 21а. Величина угла β составляет от 10° до 70°, предпочтительно от 40° до 50°, наиболее предпочтительно равна 45°. Угол β_moy соответствует средней угловой разнице между кристаллическими ориентациями β двух контактных поверхностей 11a и 21а. Специалист в области алмазов может легко рассчитать данный угол, поскольку он является важным критерием для процесса нанесения алмазного покрытия.

На фиг.2 микромеханическая деталь 20 показана отдельно в целях иллюстрации угла α наклона. Данный угол измеряется между локальным перпендикуляром к поверхности 21а и перпендикуляром NF к теоретической фрикционной плоскости PF (на фигуре показана пунктирными линиями), которая определяется направлением F трения и прямой линией G, принадлежащей к теоретической поверхности, определяющей поверхность 21а.

Угол α рассчитывается относительно теоретической фрикционной плоскости PF. Он выражает среднюю величину углов α_i между перпендикулярами N25 и перпендикулярами N21 к плоскостям 100 по фиг.2. Величина угла α_moy предпочтительно меньше 30, более предпочтительно меньше 10.

В целях обеспечения равномерной ориентации кристаллических плоскостей слои 11 и 21 обычно имеют толщину по меньшей мере в 150 нм, предпочтительно около 2.5 микрометров.

В целом, каждый из слоев 11 и 21, определяющих поверхности 11a и 21a, включает в себя углерод, содержащий не менее 50% атомов углерода. Например, подобные слои могут быть образованы из алмаза, алмазоподобного углерода, графита или комбинации из подобных материалов.

Согласно одному из вариантов осуществления (не показан), на поверхности 11a и/или 21a по меньшей мере частично нанесен слой покрытия из другого материала, отличающегося от материала, из которого образованы слои 11 и/или 21. Подобные слои покрытия могут быть, например, образованы из золотой, никелевой или титановой пленки. Толщина подобных слоев покрытия предпочтительно не должна превышать 100 нм. В этом случае, согласно изобретению, поверхностная текстура первой и второй контактных поверхностей предпочтительно имеет разные ориентации поверхностных кристаллических плоскостей.

Слои 11 и 21 микромеханических деталей 10 и 20 могут быть нанесены на подложки из любого материала, пригодного для нанесения слоя из алмаза, алмазоподобного углерода (Diamond Like Carbon) или графита. Например, подложки 15 и 25 могут выбираться из числа материалов группы, в которую входят керамика, кремний, диоксидированный кремний, оксидированный кремний, азотированный кремний, науглероженный кремний и сталь.

Также допустимо изготавливать контактные поверхности 11a и 21а согласно изобретению без использования подложки для одной и/или другой микромеханической детали. На самом деле, поверхности 11а и/или 21а, согласно одному из вариантов осуществления изобретения, могут быть получены за счет использования монокристаллического или поликристаллического алмаза.

На фиг.3 показан пример использования изобретения для изготовления часового анкерного элемента, анкерная вилка 30 которого включает в себя палетный камень 31, который взаимодействует с зубцом 41 анкерного колеса 40. Палетный камень 31 имеет блокирующую плоскость А и ударную плоскость В, которые взаимодействуют с блокирующей плоскостью С и ударной плоскостью D зубца 41. Блокирующая плоскость А и ударная плоскость В имеют, например, контактную поверхность, соответствующую поверхности 11a, а плоскости С и D, в свою очередь, имеют контактную поверхность, соответствующую поверхности 21a, рассмотренным, соответственно, со ссылкой на фигуры 1 и 2. Подобные плоскости А, В, С, D являются сильно нагруженными областями, испытывающими значительное трение и/или контактное усилие. Поэтом по одному из вариантов осуществления анкерная вилка 30 может быть неразъемно соединена с палетным камнем 31.

На фиг.4 показан другой вариант использования изобретения в часовой отрасли, согласно которому лента 50 главной пружины имеет переднюю поверхность 50a и заднюю поверхность 50b, соответственно являющиеся соответствующими контактным поверхностям 11 и 21, рассмотренными со ссылкой на фиг.1 и 2.

Тем не менее, специалистам в данной области техники будет понятно, что изобретение допускает другие варианты осуществления (не показаны), согласно которым, например, микромеханические детали 10 и 20 образуют шпиндель колесной пары, такой как шарнир, и подшипник, такой как часовой камень, или пару зубцов зубчатого колеса, или любую иную пару элементов, подвергающихся значительным механическим нагрузкам, которые могут носить или не носить трибологический характер.

Ссылочные позиции в формуле изобретения ни в коем случае не являются ограничительными. Глаголы «включать в себя» и «содержать» не исключают наличия других элементов помимо перечисленных в формуле изобретения. Использование неопределенного артикля «а» перед элементом не исключает наличия нескольких подобных элементов.

Изобретение относится к функциональным микромеханическим узлам, состоящим из двух трущихся деталей или одной детали с двумя трущимися поверхностями, входящих в состав часовых механизмов. Предложенный функциональный узел содержит по меньшей мере первую деталь (10), имеющую первый слой, определяющий первую контактную поверхность, которая входит во фрикционный контакт со второй контактной поверхностью, определяемой вторым слоем. При этом указанный второй слой является частью либо указанной первой детали (10), либо по меньшей мере второй микромеханической детали (20), образующей указанный узел (100) с указанной первой деталью (10). Первый и второй слои, каждый, включают в себя углерод, содержащий не менее 50% атомов углерода, при этом на первой и на второй контактных поверхностях ориентация кристаллических плоскостей слоев отличается друг от друга. Предложенное изобретение позволяет разработать микромеханические детали, которые надежно и в течение длительного времени могут тереться друг о друга без смазки и без дополнительной обработки полировкой. 17 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Функциональный микромеханический узел (100) часов, содержащий по меньшей мере первую деталь (10), имеющую по меньшей мере первую сторону, покрытую первым слоем (11), определяющим первую контактную поверхность (11а), выполненную с возможностью вхождения во фрикционный контакт со второй контактной поверхностью (21а), определяемой вторым слоем (21), который покрывает по меньшей мере вторую сторону и является либо частью указанной первой детали (10), либо по меньшей мере второй микромеханической детали (20), образующей узел (100) с первой деталью (10), отличающийся тем, что первый и второй слои (11, 21), каждый, образованы из углерода, содержащего не менее 50% атомов углерода, при этом первая контактная поверхность имеет первую определенную ориентацию кристаллической плоскости, а вторая контактная поверхность имеет вторую определенную ориентацию кристаллической плоскости, при этом первая и вторая определенные ориентации отличаются друг от друга.

2. Узел по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере указанный первый слой (11) имеет микрокристаллическую структуру по меньшей мере на первой контактной поверхности.

3. Узел по п.2, отличающийся тем, что указанные первый и второй слои (11, 21), каждый, имеют микрокристаллическую структуру по меньшей мере на их соответствующих контактных поверхностях.

4. Узел по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере на первой контактной поверхности кристаллические плоскости указанного первого слоя относятся к группе {111} плоскостей, при этом направление кристаллических плоскостей указанного первого слоя, относящихся к группе {111} плоскостей, наклонено под углом от 10° до 70°, предпочтительно от 40° до 50° и наиболее предпочтительно под углом в 45° относительно нормали к указанной первой стороне, при этом по меньшей мере на второй контактной поверхности кристаллические плоскости указанного второго слоя относятся к группе {100} плоскостей, при этом направление кристаллических плоскостей указанного второго слоя, относящихся к группе {100} плоскостей, ориентировано перпендикулярно указанной второй стороне.

5. Узел по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере на первой контактной поверхности размер зерен по меньшей мере указанного первого слоя (11) составляет свыше 200 нм.

6. Узел по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере на их соответствующих контактных поверхностях размер зерен указанных первого и второго слоев составляет свыше 200 нм.

7. Узел по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере один из первого или второго слоев по меньшей мере частично покрыт слоем покрытия из другого материала.

8. Узел по п.7, отличающийся тем, что толщина слоя покрытия составляет менее 100 нм.

9. Узел по п.1, отличающийся тем, что указанный второй слой является частью указанной второй детали (20), при этом первая и/или вторая детали изготовлены из цельного монокристаллического или поликристаллического алмаза.

10. Узел по п.1, отличающийся тем, что средняя шероховатость (R_ms) одной из первой или второй контактных поверхностей составляет свыше 80 нм.

11. Узел по п.1, отличающийся тем, что указанные первый и/или второй слои покрытия, определяющие указанную первую контактную поверхность и/или указанную вторую поверхность, покрывают первую подложку, образуя указанную первую деталь.

12. Узел по п.1, отличающийся тем, что указанный второй слой является частью второй детали (20), при этом указанные первый и/или второй слои, определяющие указанную первую контактную поверхность и/или указанную вторую контактную поверхность, покрывают первую подложку и/или вторую подложку, образуя указанную первую и/или указанную вторую детали.

13. Узел по п.11, отличающийся тем, что первая и/или вторая подложки изготовлены из кремния, стали или керамики.

14. Узел по п.11, отличающийся тем, что указанные первый и/или второй фрикционные слои имеют толщину по меньшей мере в 150 нм.

15. Узел по п.1, отличающийся тем, что указанный второй слой является частью указанной второй детали (20), при этом первая деталь является палетным камнем (30), а вторая деталь является анкерным колесом (40), или наоборот.

16. Узел по п.1, отличающийся тем, что указанный второй слой является частью указанной второй детали (20), при этом первая деталь является шпинделем колесной пары, а вторая деталь является подшипником, или наоборот.

17. Узел по п.1, отличающийся тем, что указанный второй слой является частью указанной второй детали (20), при этом указанная первая и вторая детали являются зубцами зубчатого колеса.

18. Узел по п.1, отличающийся тем, что указанный второй слой является частью указанной первой детали (10), а первая деталь является главной пружиной, изготовленной из ленты, причем передняя сторона указанной ленты образует указанную первую контактную поверхность, а задняя сторона указанной ленты образует указанную вторую контактную поверхность.