СПУСКОВОЙ МЕХАНИЗМ ЧАСОВ БЕЗ СМАЗКИ Российский патент 2018 года по МПК G04B1/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к спусковому механизму часов с улучшенной трибологией, включающему в себя по меньшей мере одну пару компонентов, включающую в себя первый компонент и второй компонент, соответственно включающие в себя первую поверхность трения и вторую поверхность трения, которые выполнены с возможностью взаимодействия в контакте друг с другом.

Изобретение также относится к способу изготовления такого спускового механизма.

Изобретение относится к области механизмов часов, включающих в себя компоненты, которые постоянно находятся в движении, и конкретнее к области спусковых механизмов.

Уровень техники

Разработчики часов всегда стремились увеличивать надежность механизмов в результате уменьшения частоты работ по обслуживанию при обеспечении точной работы часовых механизмов.

Смазка колес и шестерней и движущихся компонентов представляет собой трудную проблему для решения. Требуется длительное трибологическое испытание для разработки решений для упрощения или даже исключения смазки.

Конкретнее, оно стремится к достижению бессмазочной работы спусковых механизмов путем попытки определения пар материалов в трущемся контакте, имеющих низкий и устойчивый коэффициент трения и низкий износ и проявляющих превосходное сопротивление в течение длительного времени.

Европейская заявка на патент № 0732635A1 от имени CSEM раскрывает производство микромеханического компонента, в особенности палетного рычага спуска, с поверхностью трения, включающей в себя нитрид кремния в неопределенной композиции. Этот документ предусматривает пару с противоположной частью с улучшенной трибологией: этот документ противопоставляет пару нитрида титана и карбида титана или пару нитрида титана и карбида кремния.

Документ XP XP002734688 «A study of static friction between silicon and silicon compounds», Messrs Deng and Ко, описывает использование в точной микромеханике пары нитрид кремния-кремний для низкого износа в течение длительного времени и улучшенной трибологии.

Документ XP002734924 «LPCVD against PECVD for micromechanical applications», Messrs Stoffel, Kovacs, Kronsat, Muller, раскрывает использование нестехиометрического нитрида кремния, получаемого путем PECVD или LPCVD, для обеспечения трибологических свойств.

Раскрытие изобретения

Изобретение предлагает обеспечение решения этой проблемы.

Изобретение конкретнее относится к использованию нитрида кремния в качестве трибологического материала с высокими характеристиками в спуске.

С этой целью изобретение относится к спусковому механизму часов с улучшенной трибологией, включающему в себя по меньшей мере одну пару компонентов, включающую в себя первый компонент и второй компонент, соответственно включающие в себя первую поверхность трения и вторую поверхностью трения, которые выполнены с возможностью взаимодействия в контакте друг с другом, отличающемуся тем, что указанная вторая поверхность трения включает в себя по меньшей мере один материал на основе кремния, взятый из группы, включающей в себя кремний (Si), диоксид кремния (SiO₂), аморфный кремний (a-Si), поликристаллический кремний (p-Si), пористый кремний или смесь кремния и оксида кремния, и отличающемуся тем, что указанная первая поверхность трения образована поверхностью твердого элемента, который выполнен из твердого нитрида кремния в стехиометрическом составе Si₃N₄.

Изобретение также относится к способу изготовления такого спускового механизма, отличающемуся тем, что слой нитрида кремния наносят на подложку для образования одной из указанных первой или второй поверхностей трения либо путем плазмохимического осаждения из паровой фазы (PECVD), либо путем химического осаждения из паровой фазы (CVD), либо путем катодного распыления.

Изобретение также относится к способу изготовления такого спускового механизма, отличающемуся тем, что компонент нитрида кремния выполняют с подложкой для образования одной из указанных первой или второй поверхностей трения либо путем спекания, либо путем твердой обработки.

Согласно признаку изобретения каждая пара, образованная первой поверхностью трения и противоположной второй поверхностью, выполнена с парой Si₃N₄/Si.

Краткое описание чертежей

Другие признаки и преимущества изобретения будут очевидны при прочтении следующего подробного описания со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:

- Фигура 1 показывает схематический вид сверху спускового механизма, включающего в себя, в частности, палетный камень, взаимодействующий в контакте со спусковым колесом, на контактных поверхностях, расположенных согласно изобретению.

- Фигура 2 показывает схематический вид взаимодействия между противоположными контактными поверхностями.

- Фигура 3 показывает блок-схемы часов, включающих в себя механизм, включающий в себя спусковой механизм, который содержит пару компонентов, расположенных согласно изобретению.

- Фигура 4 представляет собой диаграмму, показывающую коэффициент трения на оси y как функцию от обратного контактного давления на оси x в ГПа^-1 для пары сапфир/алмазоподобный углерод (или DLC) на верхней пунктирной кривой и для пары алмаз/алмазоподобный углерод (или DLC) на нижней штрихпунктирной кривой.

- Фигура 5 представляет собой диаграмму, подобную диаграмме на Фигуре 4, для пары Si₃N₄/нанокристаллический алмаз (или NCD)

- на верхней пунктирной линии для пары алмазоподобный углерод (или DLC)/рубин на прерывистой кривой,

- и для пары имплантированный углеродом кремний/рубин на средней штрихпунктирной кривой,

- и для пары Si₃N₄/Si, предпочитаемой изобретением, на нижней почти горизонтальной сплошной кривой.

Осуществление изобретения

Изобретение относится к использованию нитрида кремния в качестве материала, позволяющего спуску часов работать без смазки.

Для удобства формулировки «нитрид кремния» будет использоваться далее в широком смысле материала, который образован:

- либо из стехиометрического кремния (Si₃N₄), который может быть твердым в наиболее общем случае или тонким слоем;

- либо в нестехиометрической композиции Si_xN_yH_z, где x равен 1, y находится в диапазоне между 0,8 и 5,0, а z находится в диапазоне между 0,00 и 0,70, и конкретнее между 0,04 и 0,70, которая предпочтительно наносится тонким слоем, но которая также может быть образована из твердого компонента.

«Твердый» здесь означает компонент, чей наименьший размер составляет более 0,10 мм, тогда как наименьший размер «тонкого слоя» составляет менее 10 мкм, и предпочтительно менее 1 мкм.

Фактически испытания установили, что трение нитрида кремния по кремнию или оксиду кремния проявляет особенно желательные свойства в механизме часов, и конкретнее в отношении спускового механизма.

Это пара трения имеет низкий коэффициент трения, менее 0,17, в широком диапазоне силы-скорости (1 мН - 100 мН и 1 см/с - 10 см/с).

Работа авторов, приводимая ниже, демонстрирует, что для жестко-упругих материалов из-за увеличения касательного напряжения как функции от давления коэффициент трения обычно изменяется согласно правилу, проиллюстрированному на Фигуре 4, типа: µ = S/P + α, где: S: предел касательного напряжения, P: давление по Герцу, α: параметр.

Параметр S определяет зависимость пары как функцию от давления и вследствие этого является особенно полезным для рассмотрения в отношении сухого трения в спуске, где контактные давления и силы значительно изменяются.

По сравнению с другими парами трения пары нитрид кремния/Si или нитрид кремния/SiO₂ проявляют низкую зависимость коэффициента трения как функции от нормальной прилагаемой силы, как видно на Фигуре 5. Это приводит к очень низкому параметру S. Это поведение особенно полезно в спуске, так как нормальная сила значительно изменяется, обычно от 0 до 100 мН во время контактов и ударов. Во время потери контакта и контакта нитрид кремния поддерживает низкий коэффициент трения менее 0,2, значения, которое обычно рассматривается в качестве критического рабочего порога спуска.

Изобретение, таким образом, относится к механизму часов, и конкретнее к спусковому механизму 100 часов с улучшенной трибологией на основе этих результатов.

Таким образом, согласно изобретению, этот спусковой механизм 100 включает в себя по меньшей мере одну пару компонентов, включающую в себя первый компонент 2 и второй компонент 3, которые соответственно включают в себя первую поверхность трения 20 и вторую поверхность 30 трения, которые выполнены с возможностью взаимодействия в контакте друг с другом.

Первая поверхность 20, 30 трения включает в себя нитрид кремния, который представляет собой либо стехиометрический нитрид кремния (Si₃N₄), либо нестехиометрический нитрид кремния (Si_xN_yH_z), где x равен 1, y находится в диапазоне между 0,8 и 5,0, а z находится в диапазоне между 0,00 и 0,70.

Вторая поверхность 30, 20 трения включает в себя по меньшей мере один материал на основе кремния, взятый из группы, включающей в себя кремний (Si), диоксид кремния (SiO₂), аморфный кремний (a-Si), поликристаллический кремний (p-Si), пористый кремний или смесь кремния и оксида кремния.

«Аморфный кремний (a-Si)» означает здесь кремний, осажденный путем PECVD тонким слоем от 50 нм до 10 мкм, аморфной структуры; он также может быть гидрогенизированным или n-легированным или p-легированным.

«Поликристаллический кремний (р-Si)» означает здесь кремний, осажденный путем LPCVD, образованный из зерен микрокристаллического кремния, причем размер зерна составляет от 10 до 1000 нм; он также может быть n-легированным или p-легированным. E близко к 160 ГПа.

«Пористый кремний» означает здесь материал с размером поры от 2 нм до 10 мкм, выполненный согласно сложному производственному процессу, основанному на анодировании (электролите HF и электрическом токе).

Конкретнее, по меньшей мере одна из этих первой или второй поверхностей 20, 30 трения образована либо поверхностью твердого элемента, выполненного из твердого нитрида кремния, предпочтительно, но не ограничивающим образом, в стехиометрическом составе Si₃N₄, либо поверхностью тонкого слоя, предпочтительно, но не ограничиваясь, нестехиометрического состава Si_xN_yH_z, где x равен 1, y находится в диапазоне между 0,8 и 5,0, а z находится в диапазоне между 0,00 и 0,70.

Конкретнее, z находится в диапазоне между 0,04 и 0,70.

Таким же образом, как и первая поверхность трения, включающая в себя нитрид кремния, вторая поверхность трения может представлять собой либо поверхность твердого компонента, либо поверхность тонкого слоя.

Особенно предпочтительное применение изобретения представляет собой взаимодействие палетных камней, выполненных из Si₃N₄, в контакте с колесами, выполненными из Si + SiO₂.

Другое предпочтительное применение относится к применению «твердого нитрида кремния» с колесами, выполненными из Si₃N₄, например, обработанными лазером или т. п., которые находятся в трущемся контакте с цельным палетным рычагом, выполненным из Si + SiO₂, или с традиционным палетным рычагом, обеспеченным палетными камнями, выполненными из Si + SiO₂.

Комбинации, которые могут быть использованы в часовом деле, представляют собой в частности:

- колесо, выполненное из любой формы SiO2, твердого кварца SiO₂, Si + SiO₂, взаимодействующее с палетными камнями, выполненными из любой формы нитрида кремния тонкими слоями или твердого нитрида кремния;

- колёса, выполненные из любой формы нитрида, Si + нитрид кремния, твердого нитрида кремния, взаимодействующие с палетными камнями, выполненными из любой формы SiO₂, в особенности твердого Si + SiO₂, SiO₂,

- палетные камни могут быть выполнены за одно целое с палетным рычагом.

Предпочтительное применение относится к колесу, выполненному из окисленного Si, и палетным камням, выполненным из твердого Si₃N₄, или палетным камням, выполненным из окисленного Si, покрытого нитридом кремния.

В конкретном варианте выполнения каждая из первой поверхности 20 трения и второй поверхности 30 трения включает в себя нитрид кремния.

В предпочтительном осуществлении изобретения поверхность трения поверхностей 20, 30 трения, которая включает в себя нитрид кремния, включает в себя нитрид кремния (Si₃N₄), или образована из нитрида кремния (Si₃N₄).

Предпочтительно, поверхность 20, 30 трения, которая включает в себя нитрид кремния, представляет собой поверхность слоя нитрида кремния толщиной менее 2 мкм.

Предпочтительно, толщина такого слоя нитрида кремния находится в диапазоне между 50 и 1000 нм. Конкретнее, толщина этого тонкого слоя нитрида кремния находится в диапазоне между 50 нм и 500 нм.

В конкретном варианте выполнения изобретения поверхность 20, 30 трения, которая включает в себя нитрид кремния, представляет собой поверхность слоя нитрида кремния, который покрывает подложку, образованную из кварца или из кремния или из оксида кремния или из смеси кремния и оксида кремния.

В особом варианте выполнения поверхность 30, 20 трения, противоположная поверхности 20, 30, которая включает в себя нитрид кремния, включает в себя по меньшей мере один материал на основе кремния, взятый из группы, включающей в себя кремний (Si), диоксид кремния (SiO2), аморфный кремний (a-Si), поликристаллический кремний (p-Si), пористый кремний, представляет собой поверхность слоя, образованного исключительно из одного или более материалов на основе кремния, взятых из указанной группы.

Как видно на Фигуре 5, пара Si₃N₄/Si дает особенно предпочтительные результаты в том, что момент трения является по существу постоянным без необходимости какой-либо смазки вообще.

Более того, уравнения, дающие форму средней линии между экспериментальными точками, соответствующими различным парам на Фигуре 5, представляют собой:

Y = 0,1356X - 0,0068 для пары Si₃N₄/нанокристаллический алмаз (или NCD) на верхней пунктирной кривой,

Y = 0,0288X + 0,0928 для пары алмазоподобный углерод (или DLC)/рубин на прерывистой кривой,

Y = 0,0097X + 0,1302 для пары легированный углеродом кремний/рубин на средней штрихпунктирной кривой,

Y = 0,0024X + 0,1362 для пары Si₃N₄/Si, предпочитаемой изобретением, на нижней почти горизонтальной сплошной кривой.

Изобретение также относится к способу изготовления такого спускового механизма 100.

Согласно этому способу, слой нитрида кремния наносят на подложку для образования одной из этих первой или второй поверхностей 20, 30 трения либо путем плазмохимического осаждения из паровой фазы (PECVD), либо путем химического осаждения из паровой фазы (CVD), либо путем катодного распыления.

Конкретнее, компонент нитрида кремния выполняют с подложкой для образования одной из первой или второй поверхностей 20, 30 трения либо путем спекания, либо путем твердой обработки, т.е. в форме твердого компонента, который определен выше, чей наименьший размер составляет более 0,10 мм.

В частности, для осаждения слоя, включающего в себя нитрид кремния или образованного из нитрида кремния, могут использовать одну или более технологий, известных специалисту в области техники, специализированному в микроэлектромеханических системах. Могут использовать LPCVD (химическое осаждение из паровой фазы при пониженном давлении), PECVD (плазмохимическое осаждение из паровой фазы), CVD (химическое осаждение из паровой фазы), ALD (атомно-слоевое осаждение), катодное распыление, ионную имплантацию и подобные процессы.

Предпочтительно, будут использовать отношение Si/N между 0,2 и 1,2. Конкретнее, значение Si/N, равное 0,4, является стехиометрическим (нитрид кремния, богатый Si, ненапряженный или сжатый Si_xN_yH_z, согласно Gardeniers и др.).

Предпочтительно, будут выбирать концентрацию водорода между 2 и 30% Н.

Предпочтительно, не ограничивающим образом, будут выбирать обычную кремниевую подложку.

Что касается подслоя, могут выбирать SiO₂, не ограничивающим образом, обычно толщиной между 50 и 2000 нм, или поли-Si, SiC или т. п.

Технологические ограничения, относящиеся к осаждению нитрида кремния, известны специалисту в области микроэлектромеханических систем.

Таким образом, толщина слоя нитрида кремния предпочтительно находится в диапазоне между 50 и 1000 нм.

Что касается состояния сжатия нитрида кремния, специалисту в области техники, специализирующемуся в микроэлектромеханических системах, известно, что увеличение концентрации Si уменьшает натяжения в нитриде кремния и может даже сделать его сжатым. Известно, что материалы, имеющие напряжение при сжатии, в общем приводят к уменьшению износа при трении. Это соответствует нитриду кремния, богатому Si.

Для надлежащего осуществления изобретения для слоя нитрида кремния важно должным образом прилипать к подложке, а для модуля упругости материалов - не быть слишком удаленными. Свойство образующих подложку материалов является менее важным. Если слой нитрида кремния превышает толщину близко к 100 нм, трение определяется этим слоем нитрида кремния.

Палетные камни, выполненные из цельного Si₃N₄, могут производить посредством тех же технологий, которые используются для производства поликристаллического рубина, известные специалисту в области техники.

Дополнительно, хотя и трудно для достижения в настоящее время, преимущественно возможно рассматривать твердый нитрид кремния в трущемся контакте с Si или SiO₂, например, для палетного камня из нитрида кремния относительно колеса, выполненного из SiO₂.

Изобретение имеет многочисленные преимущества:

- низкая зависимость коэффициента трения как функции от скорости трения. В особенности полезно в отношении спуска, так как скорость обычно изменяется между 0 и 3 см/с.

- устойчивый коэффициент трения как функция от скорости и давления уменьшает риск появления скачкообразного скольжения, которое в общем приводит к ускоренному разрушению материалов в трущемся контакте.

- отсутствие риска образования третьего тела, неблагоприятного для трения.

- низкая химическая активность нитрида кремния, в особенности в его стехиометрической форме Si₃N₄, делающая его невосприимчивым к очистке, разрушению, взаимодействию с внешней средой.

- низкий износ.

Нитрид кремния также имеет преимущество простого осуществления, особенно путем покрытия PECVD, особенно на кремнии или оксиде кремния. Этот способ осаждения широко известен и используется в производстве кремния.

Настоящее изобретение обеспечивает использование нитрида кремния в различных формах: осаждения путем PECVD, CVD, катодного распыления, твердой, спеченной и других.

Это изобретение включает в себя трущийся контакт нитрида кремния с не ограничивающими партнерами, такими как: Si, SiO₂, аморфный кремний (a-Si), поликристаллический кремний (p-Si), пористый кремний.

Специалист в области техники может ссылаться на следующие публикации:

[1]: I. L Singer, R. N. Bolster и др. «Hertzian stress contribution to low friction behavior of thin MoS2 coatings», Applied Physics Letters, Vol. 57, 1990.

[2]: Chromik, R. R., Wahl, K. J.: Friction of microscale contacts on diamond-like carbon nanocomposite coatings. In: Proceedings of the World Tribology Congress III - 2005, pp. 829-830. American Society of Mechanical Engineers, New York, NY, 2005.

[3]: P. W. Bridgeman, «shearing phenomena at high pressures particularly in inorganic compounds», Proc. Am. Acad. Arts Sci. 71, 387, 1936.

Спусковой механизм (100) часов с улучшенной трибологией, включающий в себя первый компонент (2) и второй компонент (3), соответственно включающие в себя первую поверхность (20) трения и вторую поверхность (30) трения, выполненные с возможностью взаимодействия в контакте друг с другом, причем вторая поверхность (30) трения включает в себя по меньшей мере один материал на основе кремния, взятый из группы, включающей в себя кремний (Si), диоксид кремния (SiO₂), аморфный кремний (a-Si), поликристаллический кремний (p-Si), пористый кремний или смесь кремния и оксида кремния, и причем первая поверхность (20) трения образована поверхностью твердого элемента, который выполнен из твердого нитрида кремния в стехиометрическом составе Si₃N₄. 6 н. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Спусковой механизм (100) часов с улучшенной трибологией, включающий в себя по меньшей мере одну пару компонентов, включающую в себя первый компонент (2) и второй компонент (3), соответственно включающие в себя первую поверхность (20) трения и вторую поверхность (30) трения, которые выполнены с возможностью взаимодействия в контакте друг с другом, отличающийся тем, что указанная вторая поверхность (30) трения включает в себя по меньшей мере один материал на основе кремния, взятый из группы, включающей в себя кремний (Si), диоксид кремния (SiO₂), аморфный кремний (a-Si), поликристаллический кремний (p-Si), пористый кремний или смесь кремния и оксида кремния, и при этом указанная первая поверхность (20) трения образована поверхностью твердого элемента, который выполнен из твердого нитрида кремния в стехиометрическом составе Si₃N₄.

2. Спусковой механизм (100) по п. 1, отличающийся тем, что указанная первая поверхность (20) трения представляет собой поверхность слоя нитрида кремния толщиной менее 1000 нм.

3. Спусковой механизм (100) по п. 2, отличающийся тем, что указанная первая поверхность (20) трения представляет собой поверхность слоя нитрида кремния толщиной от 50 до 500 нм.

4. Спусковой механизм (100) по п. 1, отличающийся тем, что указанная вторая поверхность (30) трения, которая включает в себя по меньшей мере один материал на основе кремния, взятый из группы, включающей в себя кремний (Si), диоксид кремния (SiO₂), аморфный кремний (a-Si), поликристаллический кремний (p-Si), пористый кремний, представляет собой поверхность слоя, образованного исключительно из одного или более материалов на основе кремния, взятых из указанной группы.

5. Спусковой механизм (100) по п. 1, отличающийся тем, что механизм включает в себя палетные камни (25), каждый из которых образует указанный первый компонент (2), включающий в себя указанную первую поверхность (20) трения, и которые выполнены с возможностью взаимодействия со спусковым колесом (35), образующим указанный второй компонент (3), включающий в себя указанную вторую поверхность (30) трения.

6. Часовой механизм (200), включающий в себя по меньшей мере один спусковой механизм (100) по п. 1.

7. Часы (300), включающие в себя по меньшей мере один часовой механизм (200) по п. 6 и/или по меньшей мере один спусковой механизм (100) по п. 1.

8. Способ изготовления спускового механизма (100) по п. 1, отличающийся тем, что слой нитрида кремния наносят на подложку для образования указанной второй поверхности (30) трения либо путем плазмохимического осаждения из паровой фазы (PECVD), либо путем химического осаждения из паровой фазы (CVD), либо путем катодного распыления.

9. Способ изготовления спускового механизма (100) по п. 1, отличающийся тем, что компонент нитрида кремния выполняют с подложкой для образования одной из указанных первой или второй поверхностей (20; 30) трения путем спекания.

10. Способ изготовления спускового механизма (100) по п. 1, отличающийся тем, что компонент нитрида кремния выполняют с подложкой для образования одной из указанных первой или второй поверхностей (20; 30) трения путем обработки в форме твердого компонента, чей наименьший размер составляет более 0,10 мм.

11. Способ изготовления спускового механизма (100) по п. 9 или 10, отличающийся тем, что каждую пару, образованную противоположными первой поверхностью (20) трения и второй поверхностью (30) трения, выполняют с парой Si₃N₄/Si.