Жесткий часовой компонент для осцилляторного механизма или для спускового механизма и часовой механизм, содержащий такой компонент Российский патент 2021 года по МПК G04B19/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к жестким часовым компонентам для осцилляторного механизма или для спускового механизма часового механизма.

Изобретение также относится к часовому механизму, включающему в себя такой компонент.

Уровень техники

Часовые механизмы обычно состоят из спускового механизма и механического осцилляторного механизма. В частности, спусковой механизм включает в себя анкерную вилку и спусковое колесо, в то время как осцилляторный механизм состоит, например, из спиральной пружины, связанной с колеблющимся инерционным узлом, называемым балансом.

Технический прогресс в области композиционных материалов в настоящее время позволяет изготавливать определенные компоненты из инновационных и высокоэффективных материалов, которые позволяют по меньшей мере частично уйти от металлических материалов. В настоящее время опробовано использование нанотрубок или нанопроволок, например, для изготовления компонентов. Такие материалы с нанотрубками или нанопроволоками имеют преимущества с точки зрения небольшого веса и прочности. Так, в документе JP 2008116205 A описана спиральная пружина, состоящая из графитовой и аморфной углеродной матрицы, усиленной углеродными нанотрубками, которые распределены в матрице и выровнены в продольном направлении спирали.

Однако некоторые компоненты, такие как спусковое колесо или анкерная вилка, требуют высокой жесткости, в частности, для того, чтобы часовой механизм работал точно. Однако компоненты, описанные в этих документах, не подходят для изготовления жестких элементов, а подходят только для изготовления гибких компонентов, из которых изготавливают пружины.

Раскрытие сущности изобретения

Следовательно, задачей изобретения является создание жесткого часового компонента, позволяющего избежать вышеупомянутых проблем.

В этой связи изобретение относится к жесткому часовому компоненту для осцилляторного механизма или для спускового механизма часового механизма, продолжающемуся вдоль основной плоскости и включающему в себя по меньшей мере часть, выполненную из композиционного материала.

Компонент примечателен тем, что композиционный материал содержит матрицу и множество нанотрубок или нанопроволок, распределенных в матрице, при этом нанотрубки или нанопроволоки расположены рядом друг с другом и по существу параллельно оси, по существу перпендикулярной плоскости компонента, причем матрица включает в себя жесткий материал для заполнения промежутков и связывания нанотрубок или нанопроволок друг с другом, при этом материал обладает жесткими механическими свойствами для предотвращения упругой деформации компонента.

Таким образом, благодаря такому жесткому компоненту можно изготавливать некоторые элементы часового механизма, которые должны исключать любой прогиб, например спусковое колесо или анкерную вилку, в то же время обладая преимуществами композиционных материалов на основе нанотрубок или нанопроволок. Преимуществами таких композиционных материалов, помимо малого веса, является возможность использования стойких к окислению материалов, которые могут быть самосмазывающимися. Также можно варьировать скорость проникновения жесткого материала, чтобы еще больше облегчить компонент или сделать его пористым, в частности, для самосмазывания.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения жесткий материал, входящий в состав компонента, имеет модуль Юнга больше 2 ГПа.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения нанотрубки изготовлены из углерода.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения нанотрубки являются многослойными.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения нанопроволоки изготовлены с использованием вещества, выбранного, в частности, из следующего списка: золото, кремний, оксид кремния, нитрид бора, нитрид галлия, нитрид кремния, оксид цинка, арсенид галлия, сульфид вольфрама, серебро, медь, арсенид марганца, арсенид индия, углерод, алмаз.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения нанотрубки или нанопроволоки имеют диаметр в диапазоне от 2 до 50 нм, предпочтительно в диапазоне от 3 до 15 нм или от 5 до 10 нм.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения нанотрубки или нанопроволоки имеют длину в диапазоне от 100 до 500 мкм, предпочтительно в диапазоне от 100 до 300 мкм или от 150 до 200 мкм.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения жесткий материал изготовлен с использованием вещества, выбранного из следующего списка: вольфрам, органические материалы, такие как парилен, гексагональный нитрид бора, монокристаллический рубин типа Al₂O₃, алмаз, дисульфиды вольфрама или молибдена, графит, свинец, карбид кремния, никель, фосфид индия, оксид титана, кремний, оксид кремния, углерод.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения компонент представляет собой анкерную вилку спускового механизма.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения компонент представляет собой колесо спускового механизма.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения компонент представляет собой систему зубчатых колес часового механизма.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения компонент представляет собой баланс осцилляторного механизма.

Изобретение также относится к часовому механизму, содержащему предлагаемый в настоящем изобретении жесткий часовой компонент.

Краткое описание чертежей

Дальнейшие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут ясны при ознакомлении с несколькими вариантами его осуществления, приведенными лишь в виде не носящих ограничительного характера примеров со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи.

На фиг. 1 показан схематический перспективный вид предлагаемого в настоящем изобретении композиционного материала;

на фиг. 2 - схематический вид сечения композиционного материала в процессе изготовления первого варианта осуществления изобретения;

на фиг. 3 - схематический вид сверху анкерной вилки спускового механизма;

на фиг. 4 - схематический вид сверху предлагаемого в настоящем изобретении колеса спускового механизма; и

на фиг. 5 - схематический перспективный вид баланса осцилляторного механизма.

Осуществление изобретения

В описании рассматриваются жесткие компоненты для часового механизма. Например, компонент должен выбираться из списка, включающего в себя анкерную вилку спускового механизма, колесо спускового механизма, систему зубчатых колес часового механизма или баланс осцилляторного механизма.

Предпочтительно, чтобы жесткий компонент был плоским и продолжался вдоль главной плоскости Р. Компонент включает в себя по меньшей мере часть, изготовленную из композиционного материала 1, показанного на фиг. 1. Предпочтительно, чтобы компонент был полностью изготовлен из такого композиционного материала 1. Таким образом, компоненты из вышеприведенного списка могут изготавливаться из такого композиционного материала 1.

Композиционный материал 1 включает в себя матрицу 2 и множество нанотрубок или нанопроволок 3, распределенных в матрице 2. Компонент имеет, например, по существу плоскую форму, продолжающуюся вдоль плоскости P.

Нанотрубки или нанопроволоки 3 образуют структуру композиционного материала 1, в которой они расположен рядом друг с другом и по существу параллельно друг другу. Они по существу перпендикулярны плоскости Р компонента. Термином нанотрубка обозначаются трубки, которые внутри в целом являются полыми, в то время как нанопроволоки в целом являются неполыми.

Нанотрубки или нанопроволоки 3 расположены по существу параллельно оси А и перпендикулярно плоскости Р компонента. Они равномерно распределены таким образом, чтобы располагаться в матрице 2 на равных расстояниях друг от друга. Предпочтительно, чтобы композиционный материал был создан таким образом, чтобы нанотрубки или нанопроволоки 3 присутствовали во всей массе матрицы 2.

Нанотрубки или нанопроволоки 3 имеют, например, диаметр D в диапазоне от 2 до 50 нм. Предпочтительно, чтобы нанотрубки или нанопроволоки 3 имели диаметр в диапазоне от 3 до 15 нм или от 5 до 10 нм.

Нанотрубки или нанопроволоки 3 могут иметь длину L в диапазоне от 100 до 500 мкм. Предпочтительно, чтобы нанотрубки или нанопроволоки 3 имели длину в диапазоне от 100 до 300 мкм или от 150 до 200 мкм.

В первом варианте осуществления изобретения композиционный материал включает в себя нанотрубки 3, изготовленные из углерода. Углеродные нанотрубки 3 являются, как правило, многослойными, но при необходимости могут быть однослойными.

Во втором варианте осуществления изобретения композиционный материал включает в себя нанотрубки 3, изготовленные хотя бы частично с использованием вещества, выбранного из следующего списка: золото, кремний, нитрид бора, нитрид галлия, оксид кремния, нитрид кремния, оксид цинка, арсенид галлия, сульфид вольфрама, серебро, медь, арсенид марганца, арсенид индия, углерод, алмаз.

Матрица 2 включает в себя материал 4 для заполнения промежутков и связывания нанотрубок или нанопроволок 3 друг с другом. Материал 4 в предпочтительном варианте осуществления изобретения может включать в себя нанотрубки или нанопроволоки 3, будучи инжектированным в промежутки 5 между нанотрубками или нанопроволоками 3. Такой материал 4 помогает обеспечить сцепление между нанотрубками или нанопроволоками 3 и, таким образом изменить механические свойства всех нанотрубок или нанопроволок 3, в частности сделать матрицу жесткой. В первом варианте выполнения нанотрубок материал 4 может располагаться также внутри 14 нанотрубок 3.

Согласно изобретению, материал 4 является жестким, при этом упомянутый материал 4 обладает жесткими механическими свойствами, чтобы предотвращать упругую деформацию компонента. Таким образом, благодаря такому жесткому материалу 4 могут быть созданы специальные компоненты часового механизма. Жесткий материал 4, входящий в состав компонента, имеет, например, модуль Юнга более 2 ГПа. Компонент 4 может быть жестким также благодаря своим размерам, например за счет выбора достаточной толщины, предотвращающей его деформацию.

Для обоих вариантов осуществления изобретения жесткий материал 4, образующий матрицу 2, изготавливается с использованием вещества из следующего списка: вольфрам, органические материалы, такие как парилен, гексагональный нитрид бора, монокристаллический рубин типа Al₂O₃, алмаз, дисульфиды вольфрама или молибдена, графит, свинец, карбид кремния, никель, фосфид индия, оксид титана, кремний, оксид кремния, углерод. Жесткие материалы 4 в предпочтительном варианте осуществления изобретения могут также состоять из углерода.

Таким образом, часовые компоненты могут извлекать пользу из преимуществ композиционных материалов на основе нанотрубок или нанопроволок, сохраняя при этом высокий уровень жесткости, необходимый для данного типа компонентов. На фиг. 3 показана анкерная вилка 6 спускового механизма, изготовленная из предлагаемого в настоящем изобретении композиционного материала. На фиг. 4 показано спусковое колесо 7, изготовленное из такого композиционного материала. Наконец, баланс 8, показанный на фиг. 5, также изготовлен из такого композиционного материала.

Для изготовления компонентов первого варианта осуществления изобретения с углеродными нанотрубками используется, например, способ, включающий следующие этапы:

- первый этап, заключающийся в подготовке подложки, например кремниевой подложки, предпочтительно посредством фотолитографии, таким образом, чтобы рост леса нанотрубок происходил в определенном месте, соответствующем форме искомого компонента. Таким образом, посредством фотолитографии создается форма анкерной вилки, спускового колеса или баланса;

- второй этап, заключающийся в выращивании нанотрубок или нанопроволок на подложке, не показанной на чертежах, предпочтительно с катализатором, например с железом;

- третий этап, заключающийся в проникновении жесткого составляющего материала матрицы в распределение нанотрубок или нанопроволок, и

- четвертый этап, заключающийся в отделении компонента от подложки.

Пример первого и второго этапов приведен в документе "Механические и электрические свойства металлических микроструктур, покрытых углеродными нанотрубками" (Ричард Скотт Хансен, 06/2012).

На втором этапе нанотрубки 12 или нанопроволоки выращиваются параллельно оси, по существу перпендикулярной подложке.

На фиг. 2 подложка 9 покрыта слоем 10 кремния, а также слоем катализатора 11, например железом. Углеродные нанотрубки 12 образуются на слое катализатора 11 путем выращивания.

Перед вторым этапом дополнительные нанотрубки могут смешиваться с растворителем и распределяться по слою катализатора, например ультразвуком, для формирования верхнего слоя нанотрубок. Такой верхний слой 13 нанотрубок является пористым, так что углерод (или другой материал), образующий нанотрубки 12, может осаждаться через него, и нанотрубки 12 растут под верхним слоем 13. Таким образом обеспечивается равномерный и однородный рост нанотрубок 12, и все они имеют практически одинаковую длину. Третий этап также выполняется через верхний слой 13 нанотрубок 12 благодаря его пористости. Отделение желательно проводить мокрым или парофазным травлением, например, с помощью фтористого водорода HF.

При изготовлении нанопроволок второго варианта осуществления изобретения используются традиционные методы, связанные с материалом, выбранным из вышеупомянутого списка. Предпочтительно использовать тонкослойное осаждение, например химическое осаждение типа CVD (химическое осаждение из паровой фазы) или физическое осаждение типа PVD (физическое осаждение из паровой фазы). Как и в первом варианте, для выбора мест подложки, изготовленной, например, из кремния, где должны выращиваться нанопроволоки, используются методы фотолитографии. Жесткий материал проникает между нанопроволоками. Наконец, после завершения процесса компонент отделяют от подложки.

Естественно, изобретение не ограничивается вариантами осуществления, описанными со ссылкой на чертежи, и можно предусмотреть альтернативные варианты осуществления, не выходя за рамки объема изобретения.

Использование: изобретение относится к жестким часовым компонентам для осцилляторного механизма или для спускового механизма часового механизма. Сущность: жесткий часовой компонент (6, 7, 8) для осцилляторного механизма или для спускового механизма часового механизма, продолжающийся вдоль главной плоскости (Р) и включающий в себя по меньшей мере часть, выполненную из композиционного материала (1), при этом композиционный материал (1) содержит матрицу (2) и множество нанотрубок или нанопроволок (3), распределенных в матрице (2), причем нанотрубки или нанопроволоки (3) расположены рядом друг с другом и по существу параллельно оси (А), по существу перпендикулярной плоскости (Р) компонента, при этом матрица (2) содержит жесткий материал (4) для заполнения промежутков и связывания нанотрубок или нанопроволок (3) друг с другом, причем материал (4) обладает жесткими механическими свойствами для предотвращения упругой деформации компонента, при этом упомянутый жесткий материал (4), содержащийся в компоненте, имеет модуль Юнга больше 2 ГПа. Технический результат: снижение деформации, в том числе за счет отсутствия прогиба, снижение веса за счет использования стойких к окислению самосмазывающихся материалов и возможности изготовления их пористыми. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Жесткий часовой компонент (6, 7, 8) для осцилляторного механизма или для спускового механизма часового механизма, продолжающийся вдоль главной плоскости (Р) и включающий в себя по меньшей мере часть, выполненную из композиционного материала (1), отличающийся тем, что указанный композиционный материал (1) содержит матрицу (2) и множество нанотрубок или нанопроволок (3), распределенных в матрице (2), при этом нанотрубки или нанопроволоки (3) расположены рядом друг с другом и по существу параллельно оси (А), по существу перпендикулярной плоскости (Р) компонента, причем матрица (2) включает в себя жесткий материал (4) для заполнения промежутков и связывания нанотрубок или нанопроволок (3) друг с другом, при этом материал (4) обладает жесткими механическими свойствами для предотвращения упругой деформации компонента (6, 7, 8), причем жесткий материал (4), содержащийся в компоненте, имеет модуль Юнга больше 2 ГПа.

2. Компонент (6, 7, 8) по п. 1, отличающийся тем, что нанотрубки (3) выполнены из углерода.

3. Компонент (6, 7, 8) по п. 2, отличающийся тем, что нанотрубки (3) являются многослойными.

4. Компонент (6, 7, 8) по п. 1, отличающийся тем, что нанопроволоки (3) изготовлены с использованием вещества, выбранного из следующего списка: золото, кремний, нитрид бора, нитрид галлия, оксид кремния, нитрид кремния, оксид цинка, арсенид галлия, сульфид вольфрама, серебро, медь, арсенид марганца, арсенид индия, углерод, алмаз.

5. Компонент (6, 7, 8) по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что нанотрубки или нанопроволоки (3) имеют диаметр (D) в диапазоне от 2 до 50 нм, предпочтительно в диапазоне от 3 до 15 нм или от 5 до 10 нм.

6. Компонент (6, 7, 8) по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что нанотрубки или нанопроволоки (3) имеют длину (L) в диапазоне от 100 до 500 мкм, предпочтительно в диапазоне от 100 до 300 мкм или от 150 до 200 мкм.

7. Компонент (6, 7, 8) по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что жесткий материал (4) изготовлен с использованием вещества, выбранного из следующего списка: вольфрам, органические материалы, например парилен, гексагональный нитрид бора, монокристаллический рубин типа Al₂O₃, алмаз, дисульфиды вольфрама или молибдена, графит, свинец, карбид кремния, никель, фосфид индия, оксид титана, кремний, оксид кремния, углерод.

8. Компонент (6) по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что он представляет собой анкерную вилку спускового механизма.

9. Компонент (7) по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что он представляет собой колесо спускового механизма.

10. Компонент по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что он представляет собой систему зубчатых колес часового механизма.

11. Компонент (8) по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что он представляет собой баланс осцилляторного механизма.

12. Часовой механизм, характеризующийся тем, что он содержит жесткий часовой компонент (6, 7, 8) по любому из пп. 1-11.