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TWI746020B - 手錶、鐘錶機芯、鐘錶擺輪機構、和用於生產擺輪機構之方法 - Google Patents

手錶、鐘錶機芯、鐘錶擺輪機構、和用於生產擺輪機構之方法 Download PDF

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TWI746020B
TWI746020B TW109120813A TW109120813A TWI746020B TW I746020 B TWI746020 B TW I746020B TW 109120813 A TW109120813 A TW 109120813A TW 109120813 A TW109120813 A TW 109120813A TW I746020 B TWI746020 B TW I746020B
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希爾凡 霍特馬成
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瑞士商伊塔瑞士鐘錶製造公司
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Abstract

鐘錶擺輪機構(300)包含具有虛擬樞軸和撓曲軸承的共振器機構(100)，具有大於1,000之品質因數，其慣性元件(2)與自由擒縱機構(200)間接地配合，而在其操作循環期間，共振器機構(100)具有其未與擒縱機構(200)接觸之至少一個自由相位，此擺輪機構(300)包含一對包含摩擦表面(20；30)的部件(22；32)，所述摩擦表面配置成合作並彼此接觸，由此第一摩擦表面(20)係藉由包含碳化矽之元素的表面所形成。

Description

手錶、鐘錶機芯、鐘錶擺輪機構、和用於生產擺輪機構之方法
本發明有關鐘錶擺輪機構，其包含配置成設置在錶盤上的共振器機構，所述共振器機構具有大於1,000之品質因數，及配置成遭受來自機芯中所包含的驅動機制之轉矩的擒縱機構，所述共振器機構包含配置成相對所述錶盤擺動之慣性元件，所述慣性元件遭受配置成直接或間接地附接至所述錶盤的彈性返回機制之影響，且所述慣性元件配置成與所述擒縱機構中所包含的擒縱輪組間接地配合，所述擺輪機構包含至少一對部件，所述部件包含第一部件和第二部件，其分別包含配置成合作並彼此接觸之第一摩擦表面和第二摩擦表面。
本發明更有關包含此擺輪機構的鐘錶機芯。
本發明更有關包含此機芯及/或此擺輪機構之手錶。
本發明更有關用於生產此擒縱機構的方法。
本發明有關包含處於恆定運動中之部件的鐘錶機構之領域，且更具體地，有關擒縱機構的領域。
鐘錶生產製造商一直致力於藉由減少維修操作之頻率來改善機芯的可靠性，同時確保鐘錶機芯以精確之方式運行。
運動部件和輪組的潤滑係一無法輕易解決之問題。需要長時間的摩擦學測試來開發用於簡化潤滑或甚至因此消除潤滑需求之解決方案。
更特別地是，藉由試圖界定抵靠著彼此摩擦的成對材料，尋求擒縱機構之無潤滑操作，所述材料具有低且穩定的摩擦係數、以及隨時間消逝之低磨損和優異的阻力。
很多當前之機械錶都設有減震的擺輪共振器，所述共振器構成機芯之時基，並與擒縱機構(通常為瑞士槓桿擒縱機構)相關聯。此擒縱裝置施行兩項主要功能：- 其維持共振器中所包含之至少一慣性質量(通常為擺輪)的來回運動；- 且其計算這些來回運動。
除了這些兩個主要功能以外，擒縱裝置必須為堅固耐用、能夠承受衝擊，且不會阻礙運動(翻擺)。瑞 士槓桿擒縱機構具有低能源效率(約30%)。此低效率係由於擒縱機芯不穩定、有用於補償加工誤差而存在掉落或偏移之結果的事實，及亦由於複數個部件經由抵靠著彼此磨擦之傾斜平面傳輸其運動至彼此的結果之事實。
需要至少一個慣性元件、導引機制和彈性返回機制來構成機械式共振器。按照慣例，螺旋彈簧用作用於藉由擺輪所構成的慣性元件之彈性返回元件。
當導引慣性質量使其藉由在光滑的紅寶石軸承內旋轉之樞軸旋轉時，這會引起摩擦，且從而導致能量損失及運行干擾，這取決於空間中的手錶相對重力場之位置，並尋求消除能量損失及運行干擾。
新一代的機械共振器包含與慣性元件連接之至少兩個撓曲元件，其施行兩個樞轉導引和彈性返回機制功能。與具有通常約為280的擺輪和擺輪游絲之傳統的機械式共振器相比，這些新的共振器允許更高的擺動頻率(大約10Hz、或甚至50Hz或更高)、及遠較高之品質因數，通常超過1,000，且尤其是大約2,000。因此，每次交替供應給共振器的能量遠較低、例如低20倍。
因此，經由擒縱裝置傳遞之能量係相對遠較低的。這要求擒縱部件配置有減少之慣性。一方面，藉由使用例如矽之類的低密度材料或類似材料來達成此特徵，且在另一方面，藉由減小擒縱部件之尺寸來達成。矽(或其氧化物之一、或甚至現在於鐘錶領域中很常見的任何其他微加工材料)可有利地用源自例如“深反應離子刻 蝕”(DRIE)之類的電子裝置之技術的其中一者來加工，其獲得適合此類擒縱裝置之操作限制的精度等級。矽在空氣中自然會發生氧化，但於生產製造過程期間可例如被氧化，以便增加部件之韌性或改變其熱彈性係數。二氧化矽SiO2的受控生長尤其允許薄條之預加應力、及雙穩態或多穩態部件的產生。
矽氧化物(二氧化矽)已知其具有吸水之趨勢。此吸濕性亦使用於在某些條件下乾燥空氣，以防止於其中運送的貨物因濕度而改變(例如在矽膠包裝之形式中)。
如在用於這些新型共振器的案例，在傳輸能量非常低之機構的案例中，可發生附著現象。如果擒縱部件之尺寸較小，則這些表面現象可變得很重要。更具體地說，隨著零件的尺寸變得越小，這些表面效果(摩擦和附著力)逐漸變得大於體積效果(慣性、質量)。這最終導致潛在有害之黏合。所進行的測試更具體地顯示出，隨著相對濕度之增加，效率明顯下降。附著力取決於不同的表面張力和液體量，且不取決於藉由一部件施加至另一部件之力量。當擒縱扭矩較低且濕度較高時，這些黏合的影響可導致運動停止，從而可導致動力儲存損失。在沒有關於接觸表面之任何特定預防措施的情況下，其可看出，當手錶在具有濕度大於80%之大氣中運行時，會發生涉及擺動件的幅度中之突然下降、或甚至其停止的現象，當擒縱能量為低時尤其如此；這些現象可業已於較低之濕度(大約50%) 下發生。應注意的是，在低濕度之情況下，於大約20%中，原則上不會觀察到幅度損失或停止現象。
更具體地，在此新的共振器和擒縱裝置之間交換的能量係視為是非常低的，且係僅略大於釋放接觸表面並破壞潤滑劑彎液面所需之能量。例如，在共振器機構和擒縱裝置之間交換的能量係約為用於斷開接觸之能量的三至十倍。此情況自然會在意外停止之後(例如於撞擊之後)使自動啟動變得困難。
用於克服此問題的一替代方案包括在由可微加工材料(尤其是矽及/或氧化矽)所製成之部件的表面上沉積疏水性塗層。然而，由於擒縱裝置之操作限制，此塗層必須耐磨損，以便保證長期操作。可為表面接枝的自組裝、單層或成膜潤滑劑可為抵抗力不足，且在磨損時會暴露微加工材料(尤其是矽和氧化矽)之表面，使所述機構再次對濕度敏感的。
防油塗層之沈積的缺點是會隨著時間之流逝而老化，這就是為什麼重要的是要尋找盡可能少磨損之材料，用於承受摩擦的部件之接觸表面，例如衝擊銷、保險針、具有角狀部的叉件、擒縱叉、擒縱輪齒、止動銷、和類似部件。
由MM Deng和Ko之文件XP002734688，“矽與矽化合物之間的靜摩擦研究”敘述在精密微機械中使用氮化矽-矽對，用於隨著時間之流逝而減少磨損並改善摩擦學。
由MM,Stoffel,Kovacs,Kronast,Müller的文件XP002734924，“用於微機械應用之針對PECVD的LPCVD”敘述藉由PECVD或LPCVD所獲得之非化學計量的氮化矽之使用，以確保摩擦學性質。
由DAMASKO所提交的國際專利文件WO2009/049591敘述用於生產機芯之機械功能元件、尤其是用於使發條裝置擺動的功能性元件之方法，其材料或起始材料選自包括矽氮化物的寬廣範圍化合物。
由DAMASKO提交之美國專利文件US2002/114225A1敘述發條裝置，其中擺輪軸芯、及亦擒縱叉軸芯的軸承軸頸之直徑比已知的發條裝置中之直徑大，因為這些軸承軸頸和對應軸承表面之DLC塗層提供非常低的摩擦，這能夠增加軸承軸頸中之直徑，而不會縮減功能和精度。除了使得部分或全部不需要的傳統發條裝置中之提供用於抗衝擊的元件以外，軸承軸頸直徑的增大導致改善之抗衝擊性。
由ETA Manufacture Horlogère Suisse提交的歐洲專利文件EP3327515A1敘述時計調整構件，其包含帶有槓桿之自由擒縱機構、和品質因數Q的共振器，所述共振器包含帶有銷釘之慣性元件，所述銷釘與槓桿的叉部配合，並遭受附接至錶盤之二撓曲葉片的彈性返回，當銷釘與叉部接觸時，它們共同界定圍繞主軸之虛擬樞軸，而所述槓桿圍繞次軸樞轉，且共振器升角(β)小於10°，及慣性元件相對於主軸之慣性IB與槓桿相對次軸的慣性IA之間的 比率IB/IA大於2Q.α2/(0.1.π.β2)，α係與叉部之最大角行程對應的槓桿之升角。
由AUDEMARS PIGUET提交的歐洲專利文件EP3182213A1敘述用於調整時計機芯之平均速率的機構，所述機構包含擒縱輪和機械擺動件，其中以使得此擺輪在擺動平面中以一角度擺動之方式，複數個於擺動平面中可彈性撓曲的葉片支撐擺輪和使擺輪返回。擒縱叉-槓桿包含二剛性擒縱叉，擒縱叉剛性地連接至擺輪，且配置成當擺輪以一角度擺動時與擒縱輪之輪齒交替地合作。
本發明提出解決用於與手錶的鐘錶機芯間歇地接觸之部件的黏合之問題，手錶包含具有撓曲軸承和虛擬樞軸的新共振器，其品質因素超過1,000，並與擒縱機構相關聯。
本發明更特別有關碳化矽、或基本上包含碳化矽之工程材料在擒縱裝置中作為高性能摩擦學材料的用途。
為此目的，本發明有關用於手錶之鐘錶機芯，其包含如請求項1的具有撓曲軸承和虛擬樞軸之新共振器，其品質因素超過1,000，且擒縱機構具有改進的摩擦學。
本發明更有關用於生產此擒縱機構之方法，其特徵在於藉由生產由具有用於構成所述第一摩擦表面及 /或第二摩擦表面的基板之碳化矽所製成的部件、即藉由燒結或藉由固態處理之任一者，生產藉由第一摩擦表面和相對的第二摩擦表面所構成之每一對。
1:錶盤
2:慣性元件
3:返回機制
4:擒縱輪組
5:撓曲葉片
6:衝擊銷
7:擒縱叉-槓桿
8:槓桿叉部
20:第一摩擦表面
21:薄層
22:第一部件
26:角部
30:第二摩擦表面
31:薄層
32:第二部件
36:制動銷
72:擒縱叉
81:擒縱叉
82:擒縱叉
100:共振器機構
200:擒縱機構
300:擺輪機構
400:驅動機制
500:機芯
1000:手錶
在閱讀下面參照附圖給出的詳細敘述時，將更好地理解本發明之其他特徵和優點，其中：[圖1]概略地顯示傳統擒縱機構的平面圖，尤其包含於根據本發明配置之接觸表面，與擒縱輪配合及接觸的擒縱叉；[圖2]概略地顯示相對的接觸表面之間的配合；[圖3]概略地顯示根據本發明之鐘錶擺輪機構的平面圖，鐘錶擺輪機構包含具有撓曲軸承和具有超過1,000之高品質因素的虛擬樞軸之共振器機構，所述共振器機構包含帶有衝擊銷的擺動慣性質量塊，所述衝擊銷配置成與擒縱叉-槓桿之叉部配合，再者，所述擒縱叉-槓桿配置成與擒縱輪的輪齒配合；[圖4]顯示圖3之詳細視圖；[圖5]顯示包含機芯的手錶之方塊圖，所述機芯包含根據本發明的此一鐘錶擺輪機構。
本發明有關碳化矽作為允許鐘錶擺輪機構以 最小之潤滑運行的材料之用途，所述鐘錶擺輪機構包含具有撓曲軸承和具有超過1,000的高品質因素之虛擬樞軸的共振器機構，並與擒縱機構相關聯。
免潤滑運行是一特殊案例。然而，下面敘述之特徵亦適用於潤滑的擺輪機構，其優點係能夠達成比乾式擺輪更大之幅度，乾式擺輪的幅度中之增益在某些案例下尤其是具有10%至20%。因此，擺輪機構300較佳地係包含潤滑劑，所述潤滑劑具有小於50mN/m、及更特別地小於40mN/m、且甚至更特別地小於或等於36mN/m的表面張力；因此，所使用之鐘錶潤滑劑的表面張力顯著地低於水之表面張力，水的表面張力等於72mN/m、亦即約為水的一半至三分之二之間。然而，本發明更具體地敘述用於乾式運行，而熟諳此技藝者將能夠輕易地推斷出潤滑機構。
為了語言上的方便，此後將在廣義上使用以下材料來形成“碳化矽”：- 化學計量之碳化矽SiC，其可於最普通的案例中、或於薄層中為固態的；- 或所謂之非化學計量組成SixCyHz，在此x等於1，y在於0.8至5.0的範圍中，且z在於0.00至0.70之範圍中，及更特別地是在0.04至0.70的範圍中，其較佳地係以薄層施加，但亦可形成固體部件。
“固體”於本文中係使用於意指其最小尺寸大於0.10mm之部件，反之“薄層”的最小尺寸係小於10微米，且較佳地係小於1微米。不言而喻，許多鐘錶部件包含其 最小尺寸小於0.10毫米之區域，例如擒縱輪的支臂或輪齒、或類似部件；在具有高品質因數之共振器的案例中所使用之鐘錶部件通常源自厚度大於0.10毫米的晶圓、或來自複數個較薄晶圓之組件(晶圓接合)，以生產具有厚度大於0.10毫米的結果晶圓。
更具體地說，已建立以下測試，即在鐘錶機構中、及更具體地於擒縱機構之案例中，碳化矽與矽或氧化矽的摩擦呈現出特別理想之性能。
透過寬廣的力量-速度範圍(1mN-200mN和1cm/s-10cm/s)，此一摩擦對具有小於0.17之低摩擦係數。
文獻表明，用於堅硬的彈性材料，由於剪切應力作為壓力之函數中的增加，因此摩擦係數通常根據以下規則型式變動：μ=S/P+α，在此：S為剪切應力極限，P是赫茲壓力，且α係恆定值之參數。
參數S決定摩擦對在壓力上的相依性，且因此考慮於擒縱裝置中之乾摩擦的案例中、以及於擒縱裝置和共振器之間的界面處是特別有用的，在此接觸壓力及力量變動很大。
與其他摩擦對相比，碳化矽/Si或碳化矽/SiO2對呈現出摩擦係數對所施加之法向力的低相依性。這導致極低之參數S。此特性在擒縱裝置中係特別有用，因為法向力變動很大，於接觸和撞擊期間典型由0至200mN。當失去接觸及形成接觸時，碳化矽維持小於0.2的低摩擦係數，其值通常認為是擒縱裝置之關鍵操作閾值。
在分離期間(例如，於一方面，擒縱輪的輪齒之分開，且在另一方面，槓桿的擒縱叉瓦之分開)，附著力會介入。於乾式運行的案例中，靜電力、凡得瓦力、氫等會產生影響。在與液體(或流體)介質接觸之案例中，表面張力量與分離相反，從而消耗能量。從絕對意義上講，它們不能被視為摩擦力。於具有游絲擺輪的傳統擺輪機構之案例中，它們傾向於被摩擦力吸收，因為附著力遠低於摩擦力，且當與之相比時幾乎可忽略。在具有高品質因數的擺輪之案例中，它們具有相同的數量級，且甚至於一些案例中可占主導地位。用於減少摩擦或附著之潛在機制和策略係不同的，且甚至於某些配置中可產生反效果。
再者，碳化矽具有良好之耐磨性，其保證隨著時間的消逝之良好強度。
與由矽或氧化矽所製成的接觸元件之比較測試顯示表面碳化矽的使用消除擺動件之停頓。
因此，本發明有關鐘錶擺輪機構300，其包含配置成設置於錶盤1上、具有虛擬樞軸和撓曲軸承的共振器機構100，其品質因素Q大於1,000；及擒縱機構200，其配置成遭受來自機芯500中所包含之驅動機制400的扭矩，尤其是用於裝備手錶1000。
例如，圖3和圖4中所示之擺輪機構300具有大約0.7微瓦的擒縱功率，其比傳統擺輪之案例低約二十倍。
共振器機構100包含至少一個配置成相對錶 盤1擺動的慣性元件2。此慣性元件2遭受配置成直接或間接地附接至錶盤1之彈性返回機制3的作用。再者，此慣性元件2配置成與擒縱機構200中所包含之擒縱輪組4間接地合作。
附圖以非限制性方式顯示與慣性質量塊2成一體的衝擊銷6，且衝擊銷6配置成與擒縱叉-槓桿7合作，而擒縱叉槓桿7依序與於此案例中藉由擒縱輪所形成之此一擒縱輪組4合作。
在此案例中，本共振器機構100係具有繞著主軸線DP旋轉的虛擬樞軸之共振器，其具有包含至少二撓曲葉片5的撓曲軸承，且包含與慣性元件2成一體之此衝擊銷6。
擒縱機構200包含繞著副軸DS樞轉的擒縱叉-槓桿7，且擒縱叉-槓桿7包含配置成與衝擊銷6合作之槓桿叉部8。此擒縱機構200係自由擒縱機構，共振器機構100於其操作週期期間具有至少一個自由相位，其中衝擊銷6與槓桿叉部8相距一定距離。
此擺輪機構300係具有作為上述觀察的函數之改善的摩擦學之機構，且配置成使經受可變及/或不連續接觸之部件的表面之間的黏合現象最小化。
更特別地是，此共振器100具有大於1,000、更特別地是大於1,800、甚至更特別地是大於2,500之品質因數。
虛擬樞軸共振器的技術、且尤其是那些具有 撓曲葉片者尚未允許慣性質量之高擺動幅度。在本發明的案例中，共振器100之擺動幅度小於180°、更特別地是小於90°、甚至更特別地是小於40°。
共振器100的擺動頻率係大於8Hz、更特別地是大於或等於10Hz、甚至更特別地是大於或等於15Hz。
以特定於本發明之方式，此擺輪機構300在共振器機構100及/或擒縱機構200處及/或於共振器機構100和擒縱機構200之間包含至少一對部件，其包含第一部件22和第二部件32，所述部件對分別包含配置成彼此合作且彼此接觸的第一摩擦表面20和第二摩擦表面30。
例如並以非限制性方式，此第一部件22和此第二部件32選自以下者之中：衝擊銷6、擒縱叉-槓桿7、槓桿保險針、具有其角部26的槓桿叉部8、擒縱叉72、81、82、擒縱輪齒4、附接至錶盤之制動銷36、及類似部件。
於一特定實施例中，經受擺輪機構的可變及/或不連續接觸之所有成對的部件都包含根據本發明之特徵的相對表面，其至少一部件22或32包含碳化矽或其同等物、亦即包含至少90%重量百分比之碳化矽SiC及選自下面所提供的列表之至少一種其他材料。
本發明更特別地有關共振器機構的案例，其中在每一衝擊期間要傳輸之能量小於200nJ。
更具體地，本發明更特別地是有關共振器機構的案例，其中在每一衝擊期間要傳輸之能量都小於200 nJ，且品質因素係大於1,000。
第一摩擦表面20係包含碳化矽的部件之表面，所述碳化矽係化學計量的碳化矽SiC、或非化學計量之碳化矽SixCyHz的任一者，在此x等於1，y在於0.8至5.0之範圍中，且z在於0.00至0.70的範圍中，或甚至是所謂之等效材料，亦即包含至少90%重量百分比的碳化矽SiC和至少一種選自以下列表之其他材料，其比例按重量顯示：α-SiC 6H；β-SiC 3C；SiC 4H；氟化SiC；碳氮化矽SiCN；在400至2,000ppm的鋁；於3,000ppm以下之鐵；硼及/或碳化硼B4C及/或聚苯基硼及/或癸硼烷B10H14及/或硼烷B10H12C2，含硼材料的總量在於0.04%至0.14%之範圍中；在8,000ppm以下的碳；碳化釩；碳化鋯；α氮氧化矽：釔摻雜之α-SiAlON；石墨烯；在低於500ppm的其他雜質。
然而，雜質通常對於接觸問題是有害的，且應當較佳地係限制於盡可能低之值，尤其是關於可能與濕氣反應以形成破壞性氧化物的鐵，其應當被限制為小於400ppm。必須限制其他雜質，較佳地係小於100ppm。硼僅當藉由與另一元素之鍵結使其穩定時才是有利的，因此較佳地係避免單獨使用硼。
第二摩擦表面30係包含至少一種確保與碳化矽良好合作之材料的部件之表面，例如：- Al2O3、或CBN、或TiO2、或玻璃、或石英、或金剛石、或DLC； 或，根據本發明：- 或矽基材料，選自包含按重量計小於400ppm的矽Si、脫氧矽、按重量計小於8,000ppm之二氧化矽SiO2、非晶矽a-Si、多晶矽p-Si、多孔矽、矽與氧化矽的混合物、化學計量之氮化矽Si3N4、在所謂的非化學計量組成SixNyHz中之氮化矽(於此x等於1，且y在於0.8至5.0之範圍中，及z在於0.00至0.70的範圍中)、和氮氧化物SixOyNz的族群；- 或第二摩擦表面30係包含至少一矽基材料之部件的表面，就第一摩擦表面20而言，所述矽基材料取自化學計量的碳化矽SiC、或非化學計量之碳化矽SixCyHz的碳化物之中，在此x等於1，y在於0.8至5.0的範圍中，且z在於0.00至0.70之範圍中，或甚至取自包含至少90%重量百分比的碳化矽SiC和至少一種其他材料之材料，所述其他材料選自以下列表，其比例係按重量顯示：α-SiC 6H、β-SiC 3C、SiC 4H、氟化SiC、碳氮化矽SiCN、在400至2,000ppm的鋁、小於3,000ppm之鐵、硼及/或碳化硼B4C及/或聚苯基硼及/或癸硼烷B10H14及/或碳硼烷B10H12C2含硼的材料總量在於0.04%至0.14%之範圍中，小於8,000ppm的碳、碳化釩、碳化鋯、α氮氧化矽：釔摻雜之α-SiAlON、石墨烯、在低於500ppm的其他雜質。
“非晶矽a-Si”在本文中理解為意指藉由PECVD沉積於50nm至10微米之非晶結構的薄層中之矽； 其亦可為氫化的或N型或P型摻雜的。
“多晶矽p-Si”在本文中理解為意指藉由LPCVD所沉積之由微晶矽的晶粒形成之矽，其晶粒尺寸係由10至2,000nm；其亦可為N型或P型摻雜的。彈性模數E接近160GPa。
“多孔矽”於本文中理解為意指根據基於陽極氧化(HF電解質和電流)之複雜製造製程所生產的具有由2nm至10微米之孔徑的材料。
更具體地，這些第一或第二摩擦表面20、30之至少一者係藉由固態碳化矽所製成的固態元件之表面形成，較佳地但非限制性地以化學計量配方SiC形成，或藉由化學計量配方SiC、或根據非化學計量組成SixCyHz中的碳化矽之薄層21、31的表面，在此x等於1，y在於0.8至5.0之範圍中，且z在於0.00至0.70的範圍中。更具體地，z在於0.04至0.70之範圍中。
以與第一部件22相同的方式，並使第一部件之第一摩擦表面包含碳化矽，所述第二摩擦表面30可為固體部件的表面、或薄層之表面的任一者。
本發明之特別有利和相關的應用係與由Si+SiO2所製成之輪件接觸的由SiC所製成之擒縱叉瓦的合作。
另一有利之應用有關所謂的“固態碳化矽”應用，其具有由SiC所製成的輪件、例如經過切割、雷射切割或類似處理，所述輪件抵靠著由Si+SiO2所製成之一體 式擒縱叉槓桿摩擦，或抵靠著設有由Si+SiO2所製成的擒縱叉瓦之傳統擒縱叉-槓桿摩擦。
可在鐘錶中使用的組合尤其是：- 由任何形式之SiO2、固態石英SiO2、Si+SiO2所製成的輪件，並與由任何形式之薄層中的碳化矽、或固態碳化矽所製成之擒縱叉合作；- 由任何形式的碳化物、Si+碳化矽、固態碳化矽所製成之輪件，並與由任何形式的SiO2、Si+SiO2、尤其是固態SiO2所製成之擒縱叉合作；- 擒縱叉可為與擒縱叉-槓桿製成單一件。
有利的應用有關由氧化之矽所製成的輪件、及由固態SiC所製成之擒縱叉、或由塗覆有碳化矽的氧化之Si所製成的擒縱叉。
在本發明之一有利的實施例中，摩擦表面20、30是包含碳化矽之部件的表面，其係包含碳化矽SiC、或甚至由碳化矽SiC所製成之部件的表面。
特別地是，第一摩擦表面20和第二摩擦表面30係部件22和32之表面，部件22和32的每一者包含碳化矽或如上文所界定之同等物。甚至更特別地是，第一摩擦表面20和第二摩擦表面30係分別包含碳化矽SiC、或甚至由碳化矽SiC所製成的部件之表面。
於一特定的替代實施例中，摩擦表面20、30為包含碳化矽之部件的表面，係具有厚度小於2微米之碳化矽層的表面。更特別地是，每一摩擦表面20、30係具有 厚度小於2微米之碳化矽層的表面。
附著現象有關材料之表面，且僅在原子層的極限處；然而，不可避免之磨損現象使得必須存在犧牲層，因此有利地是，摩擦表面20、30(其係包含碳化矽的部件之表面)是厚度大於0.5微米的碳化矽層之表面。更特別地是，每一摩擦表面20、30係具有厚度大於0.5微米的碳化矽層之表面。
較佳地係，此碳化矽層的厚度在於50至2,000nm之範圍中。更具體地，此所謂的碳化矽薄層之厚度在於50奈米至500奈米的範圍中。
在本發明之特定替代實施例中，作為包含碳化矽的部件之表面的摩擦表面20、30係碳化矽層之表面，所述碳化矽層覆蓋由石英或矽或氧化矽、或矽與氧化矽的混合物所形成之基板。更特別地是，每一摩擦表面20、30係碳化矽層的表面，所述碳化矽層覆蓋由石英或矽或氧化矽、或矽與氧化矽之混合物所形成的基板。
於特定之替代實施例中，與作為包含碳化矽的部件之表面的表面20、30相向之摩擦表面30、20係包含至少一矽基材料的部件之表面，所述矽基材料取自包含矽Si、二氧化矽SiO2、非晶矽a-Si、多晶矽p-Si、多孔矽的族群，且是專門由取自所述族群之一或更多矽基材料所形成的層之表面。更特別地是，每一摩擦表面20、30係包含至少一矽基材料的部件之表面，所述矽基材料取自包含矽Si、二氧化矽SiO2、非晶矽a-Si、多晶矽p-Si、多孔矽的 族群，且是專門由取自所述族群之一或更多矽基材料所形成的層之表面。
SiC/Si對給與特別有利的結果，其中摩擦扭矩實質上恆定，完全不需要潤滑。然而，摩擦損失仍然存在，且流體油潤滑之選擇可減少這些摩擦損失，從而油的存在所固有的黏合現象可藉由相當低之表面張力來對抗。
有利地係，至少在至少一接觸表面處，作為包含碳化矽的部件之表面的摩擦表面20、30具有大於或等於5奈米Ra、及甚至更特別地是大於或等於9奈米Ra、甚至更特別地是大於或等於25奈米Ra之粗糙度。更特別地是，此摩擦表面20、30在每一接觸表面處具有大於或等於5奈米Ra的粗糙度。甚至更特別地是，這些摩擦表面20、30之每一者在每一接觸表面處具有大於或等於5奈米Ra的粗糙度。
在一特定之替代實施例中，二摩擦表面20、30的其中一者係光滑的，以便防止太高之摩擦(例如粗糙表面的互相鈎搭)。粗糙表面必須遭受相對位移，並具有光滑表面以防止磨損。對應部分之表面粗糙度必須較佳地係低的，以限制磨損，且所述粗糙度有利地小於接觸表面之粗糙度，且更特別地但以非限制性方式，小於5奈米Ra。
在另一特定的替代實施例中，為了允許前述潤滑，所述表面之一係部件的表面，所述部件包含例如呈金字塔之並置形式或類似形式凸起的第一加框式凸起區 域，且相對表面係包含第二加框式凸起區域之部件的表面，所述第二加框式凸起區域可為與第一加框式凸起區域類似或相反，然而，所述第二加框式凸起區域之框架方向與第一加框式凸起區域的框架方向不同達一相對傾角，以便防止在內側之任何彼此互鎖。
本發明更有關用於生產此擒縱機構200的方法。
根據此方法：
- 在第一替代方案中，將碳化矽層施加至基材上，以形成這些第一或第二摩擦表面20、30之一：
- 藉由電漿增強化學蒸氣沉積PECVD，
- 或藉由化學蒸氣沉積CVD，
- 或藉由陰極濺射
- 或於第二替代方案中，在固態碳化矽本體中的部件上施行深蝕刻。
這些替代實施例不是排他的，它們是最具成本效益的。SiC生長亦可在犧牲矽掩模中進行，然而此操作困難且成本高。矽晶圓亦可滲碳(或如果希望獲得用於相對表面之一的Si3N4，則可滲氮)，然而，其係難以控制晶格之變形，這可導致位錯或顯著的尺寸修改。
更具體地，藉由燒結或藉由固態處理，用基材生產碳化矽部件，以形成第一或第二摩擦表面20、30之一的基底。
特別地是，為了沉積包含碳化矽、或由碳化 矽所形成之層，可使用熟諳此技術領域者所已知的專門用於“MEMS”之一或更多技術：LPCVD(低壓化學蒸氣沉積)、PECVD(電漿增強化學蒸氣沉積)、CVD(在常壓的化學蒸氣沉積)、ALD(原子層沉積)、陰極濺射、離子植入、和類似製程。
較佳地係，選擇在於0.8至1.2範圍中之Si/C比。更具體地，Si/C值為1係化學計量的。
較佳地係，在SixCyHz之案例中，選擇在於2至30%H的範圍中之氫濃度。
較佳地係，以非限制性方式，選擇普通的Si基材。
關於子層，以非限制性方式，可選擇SiO2，其厚度典型在於50至2,000nm之範圍中，或可選擇多晶矽、SiC、或類似材料。
與碳化矽沉積有關的技術限制對於MEMS領域中之熟諳此技術領域者係已知的。
因此，碳化矽層之厚度較佳地係在於50至2,000nm的範圍中。
關於碳化矽之壓縮狀態，熟諳專精於“MEMS”的技術領域者已知，Si濃度中之增加減小碳化矽中的張力，且甚至可使其壓縮。已知具有壓縮應力之材料通常導致減小的摩擦磨損。這對應於富含矽之碳化矽。然而，應防止將過多的表面矽氧化為氧化矽，因為這會重新創建我們希望防止之附著現象。
為了適當實施本發明，重要的是將碳化矽層適當地附著至基材，且用於材料之彈性模數不能相隔太遠。基礎材料的本質不太重要。如果碳化矽層之厚度超過接近200nm，則為防止磨損導致矽過快出現，而矽會很快氧化成氧化矽，這對附著是不利的，因此，摩擦藉由此碳化矽層之最初的外圍奈米所決定。
由一件式SiC所製成之擒縱叉可為藉由與熟諳此技術領域者已知的用於製造多晶紅寶石擒縱叉瓦之技術相同的技術來生產。
再者，有利的是，可能考慮例如用碳化矽擒縱叉抵靠著由SiO2所製成之輪件而使固態碳化矽摩擦抵靠著Si或SiO2。
在未潤滑擒縱裝置的案例中，本發明具有許多優點：
- 摩擦係數對摩擦速度之低相依性。這在擒縱裝置的案例中尤其有用，因為速度典型於0及3cm/s之間變動。
- 作為速度和壓力的函數之穩定的摩擦係數降低出現黏滑現象之風險，這通常會導致摩擦材料的加速降解。
- 無形成對摩擦不利之第三物體的風險。
- 碳化矽之化學反應性低，尤其是呈化學計量形式的SiC，使其對清潔、降解、或與周圍環境之相互作用相當不敏感。
- 低磨損。
應注意的是，藉由本發明所提出之解決方案致力於減少不同於摩擦現象(僅切向位移)的附著現象(分開/法向位移和切向位移)。
碳化矽亦具有易於實施之優點，尤其是藉由PECVD保形塗層，尤其是在矽或氧化矽上的保形塗覆。此沉積方法係眾所周知的，並用於矽工業。
本發明允許以諸多形式使用碳化矽：藉由PECVD、CVD、陰極濺射、固體、燒結、和其他形式之沉積。
本發明的相關應用包括將碳化矽摩擦抵靠著非限制性夥伴，例如：Si、SiO2、非晶矽a-Si、多晶矽p-Si、和多孔矽。
本發明解決迄今仍阻礙具有品質因素大於1,000之手錶擺輪機構的發展和工業化之黏合問題，且應當理解，就其他鐘錶問題而言，亦可進行改良。例如，在傳統的機構中，銷釘和擒縱叉-槓桿的叉部之間的接觸亦遭受黏合。更大致上，此解決方案可應用於在運轉中之能量水準為低的所有案例。
1:錶盤
2:慣性元件
3:返回機制
4:擒縱輪組
5:撓曲葉片
6:衝擊銷
7:擒縱叉-槓桿
100:共振器機構
200:擒縱機構
300:擺輪機構
500:機芯

Claims (9)

  1. 一種鐘錶擺輪機構(300)，包含配置成配置在錶盤(1)上的共振器機構(100)，該共振器機構(100)具有圍繞主軸線(DP)的虛擬樞軸和撓曲軸承，具有大於1,000之品質因數Q，及配置成遭受來自機芯(500)中所包含的驅動機制(400)之轉矩的擒縱機構(200)，該共振器機構(100)包含配置成相對該錶盤(1)擺動之慣性元件(2)，該慣性元件(2)遭受配置成直接或間接地附接至該錶盤(1)的彈性返回機制(3)之影響，且該慣性元件(2)配置成與該擒縱機構(200)中所包含的擒縱輪組(4)間接地配合，該擒縱機構(200)係自由的，並在其操作循環期間，該共振器機構(100)具有其未與該擒縱機構(200)接觸之至少一個自由相位，該擺輪機構(300)包含至少一對部件，該對部件包含第一部件(22)和第二部件(32)，其分別包含配置成合作並彼此接觸的第一摩擦表面(20)和第二摩擦表面(30)，特徵在於該第一部件(22)在其第一摩擦表面(20)包含碳化矽，該碳化矽係化學計量之碳化矽SiC或非化學計量的碳化矽SixCyHz，於此x等於1，y在0.8至5.0之範圍中，且z在0.00至0.70的範圍中，或甚至包含至少90%重量百分比之碳化矽SiC的材料和選自以下列表之至少一種其他材料，其比例係以單位重量顯示：α-SiC 6H、β-SiC 3C、SiC 4H、氟化SiC、碳氮化矽SiCN、400至2,000ppm的鋁、小於3,000ppm之鐵、硼及/或碳化硼B4C及/或聚苯基硼及/或癸硼烷B10H14及/或碳硼烷B10H12C2、在0.04%至0.14%之範 圍中的含硼材料之總量、小於8000ppm的碳、碳化釩、碳化鋯、α氮氧化矽：摻雜釔的α-SiAION、石墨烯、和小於500ppm的其他雜質，且進一步特徵在於，該第二部件(32)在其第二摩擦表面(30)包含至少一種選自以下群組之矽基材料，該群組包含按重量計小於400ppm的矽Si、脫氧矽、按重量計小於8,000ppm之二氧化矽SiO2、非晶矽a-Si、多晶矽p-Si、多孔矽、矽與氧化矽的混合物、化學計量之氮化矽Si3N4、在所謂的非化學計量成份SixNyHz中之氮化矽，於此x等於1，且y在0.8至5.0的範圍中，及z在0.00至0.70之範圍中、和氮氧化物SixOyNz；或該第二摩擦表面(30)係包含至少一矽基材料的部件之表面，類似於該第一摩擦表面(20)，該矽基材料係取自碳化矽之中，該碳化矽係化學計量的碳化矽SiC或非化學計量之碳化矽SixCyHz，於此x等於1，y在0.8至5.0的範圍中，且z在0.00至0.70之範圍中，或甚至包含至少90%重量百分比的碳化矽SiC之材料和選自以下列表的至少一種其他材料，其比例係以單位重量顯示：α-SiC 6H、β-SiC 3C、SiC 4H、氟化SiC、碳氮化矽SiCN、400至2,000ppm之鋁、小於3,000ppm的鐵、硼及/或碳化硼B4C及/或聚苯基硼及/或癸硼烷B10H14及/或碳硼烷B10H12C2、在0.04%至0.14%之範圍中之含硼材料的總量、小於8,000ppm之碳、碳化釩、碳化鋯、α氮氧化矽：摻雜釔的α-SiAION、石墨烯、和小於500ppm之其他雜 質。
  2. 如請求項1的擺輪機構(300)，其中該第一部件(22)和該第二部件(32)之每一者包含碳化矽，該碳化矽係化學計量的碳化矽SiC或非化學計量之碳化矽SixCyHz，在此x等於1，y在0.8至5.0的範圍中，且z在0.00至0.70之範圍中，或甚至包含至少90%重量百分比的碳化矽SiC之材料和選自以下列表的至少一種其他材料，其比例係以單位重量顯示：α-SiC 6H、β-SiC 3C、SiC 4H、氟化SiC、碳氮化矽SiCN、400至2,000ppm之鋁、小於3,000ppm的鐵、硼及/或碳化硼B4C及/或聚苯基硼及/或癸硼烷B10H14及/或碳硼烷B10H12C2、在0.04%至0.14%之範圍中之含硼材料的總量、小於8,000ppm之碳、碳化釩、碳化鋯、α氮氧化矽：摻雜釔的α-SiAION、石墨烯、和小於500ppm之其他雜質。
  3. 如請求項1的擺輪機構(300)，其中該第二摩擦表面(30)係藉由固態碳化矽所製成之固態元件的表面所形成。
  4. 如請求項3的擺輪機構(300)，其中該第二摩擦表面(30)係藉由由該化學計量配方SiC中之固態碳化矽所製成的固態元件之表面所形成。
  5. 如請求項1的擺輪機構(300)，其中該擺輪機構(300)沒有潤滑劑。
  6. 一種鐘錶機芯(500)，包含至少一個如請求項1的擺輪機構(300)。
  7. 一種手錶(1000)，包含至少一個如請求項6之鐘錶機芯(500)及/或至少一個如請求項1的擺輪機構(300)。
  8. 一種用於生產如請求項1的擺輪機構(300)之方法，其特徵在於生產藉由與包含碳化矽的第二摩擦表面(30)相對之第一摩擦表面(20)所形成的每一對，且其特徵在於以基材藉由燒結形成該第一摩擦表面(20)及/或該第二摩擦表面(30)，以生產由碳化矽所製成之部件。
  9. 一種用於生產如請求項1的擺輪機構(300)之方法，其特徵在於生產藉由與包含碳化矽的第二摩擦表面(30)相對之第一摩擦表面(20)所形成的每一對，且其特徵在於以基材藉由在固體部件的形式中處理來形成該第一摩擦表面(20)及/或該第二摩擦表面(30)，該固體部件之厚度大於0.10mm，以生產由碳化矽所製成之部件。
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