Упругий часовой компонент, в частности, для осцилляторного механизма и часовой механизм, содержащий такой компонент
ELASTIC CLOCK COMPONENT, IN PARTICULAR, FOR OSCILLATOR MECHANISM AND CLOCK MECHANISM CONTAINING SUCH COMPONENT

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к упругим часовым компонентам, в частности, для осцилляторного механизма часового механизма, с положительным температурным коэффициентом упругости.
Изобретение также относится к часовому механизму, содержащему такой компонент.
Уровень техники
Часовые механизмы обычно содержат заводной барабан, спусковой механизм и механический осцилляторный механизм. В состав спускового механизма, в частности, входят анкерная вилка и спусковое колесо, в то время как осцилляторный механизм состоит из спиральной пружины, связанной с колеблющимся инерционным узлом, называемым балансом.
Технический прогресс в области композиционных материалов позволяет в настоящее время изготавливать некоторые компоненты из инновационных и высокоэффективных материалов, что позволяет по меньшей мере частично отказаться от использования металлических материалов. В настоящее время предпринимаются попытки использовать нанотрубки или нанопроволоки, например, для изготовления компонентов. Такие материалы с нанотрубками или нанопроволоками обладают преимуществами малого 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 упругие компоненты, например резонаторы, как правило, подвержены деформациям и изменению их упругих свойств, вызываемым колебаниями температуры во время повторяющихся движений, которые они совершают. Изменение частоты в зависимости от температуры в случае подпружиненного баланса в значительной степени описывается следующей формулой:
,
где
- изменение частоты в зависимости от температуры;
- изменение модуля Юнга в зависимости температуры, т.е. температурный коэффициент упругости уравновешенной пружины;
s
-1
α - коэффициент расширения уравновешенной пружины, выраженный в млн/°C;
b
-1
α - коэффициент расширения баланса, выраженный в млн/°C.
Деформации и изменения свойств материала вызывают изменение модуля упругости упругого компонента. Однако такие, вызванные изменением температуры, изменения модуля упругости ухудшают точность хода часовых механизмов.
Раскрытие сущности изобретения
Следовательно, задачей изобретения является создание упругого часового компонента, который позволяет решить упомянутую выше проблему.
В свете вышеизложенного изобретение относится к упругому часовому компоненту для осцилляторного механизма часового механизма, продолжающемуся вдоль главной плоскости и включающему в себя по меньшей мере часть, изготовленную из композиционного материала.
Компонент примечателен тем, что композиционный материал представляет собой 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 содержит упругий наполнитель для заполнения промежутков между нанотрубками или нанопроволоками, при этом наполнитель по меньшей мере частично состоит из термокомпенсирующего материала, температурный коэффициент упругости которого имеет знак, противоположный знаку температурного коэффициента упругости других составляющих композиционного материала.
Таким образом, благодаря такому упругому компоненту можно компенсировать изменение свойств материала, например материала спиральной пружины, при изменении температуры. Действительно, у термокомпенсирующего материала, имеющего температурный коэффициент упругости, противоположный по знаку температурному коэффициенту упругости других материалов композиционного материала, изменение модуля упругости термокомпенсирующего материала происходит в обратной зависимости от деформации других материалов компонента, имеющих температурный коэффициент упругости противоположного знака. Таким образом, эксплуатационные характеристики компонента остаются практически неизменными, независимо от температуры использования компонента, в частности, в условиях значительных колебаний температуры.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения термокомпенсирующий материал имеет температурный коэффициент упругости больше 0. В этом случае термокомпенсирующий материал компенсирует другие материалы, имеющие температурный коэффициент упругости меньше нуля.
2
В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения термокомпенсирующий материал состоит, предпочтительно, преимущественно или даже полностью из диоксида кремния SiO.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения термокомпенсирующий материал состоит, предпочтительно, преимущественно или даже полностью из ниобия.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения термокомпенсирующий материал образует внешний слой матрицы, причем внешний слой, предпочтительно, полностью окружает матрицу.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения термокомпенсирующий материал расположен непосредственно на нанотрубках или нанопроволоках.
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 нанотрубки изготовлены с использованием вещества, которое выбрано 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.
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.
2
3
В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения наполнитель дополнительно включает в себя вещество, выбираемое из следующего списка: кремний, вольфрам, органические материалы, такие как парилен, гексагональный нитрид бора, монокристаллический рубин типа AlO, алмаз, дисульфиды вольфрама или молибдена, графит, свинец, карбид кремния, никель, фосфид индия, оксид титана.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения компонентом является спиральная пружина осцилляторного механизма или гибкая направляющая пластинка осцилляторного механизма.
Изобретение также относится к часовому механизму, содержащему предлагаемый в настоящем изобретении упругий часовой компонент.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения станут понятны при ознакомлении с несколькими вариантами осуществления изобретения, приведенными лишь в качестве не носящих ограничительного характера примеров со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи.
На фиг. 1 показан схематический вид в перспективе композиционного материала согласно первому варианту осуществления изобретения;
на фиг. 2 - схематический вид в перспективе композиционного материала согласно второму варианту осуществления изобретения;
на фиг. 3 - схематический вид в перспективе баланса, оснащенного спиральной пружиной осцилляторного механизма; и
на фиг. 4 - схематический вид сечения композиционного материала в процессе осуществления способа изготовления первого варианта осуществления изобретения.
Осуществление изобретения
В описании рассматриваются упругие компоненты часового механизма. Компонент представляет собой упругий компонент, выбранный из списка, включающего в себя, например, спиральную пружину осцилляторного механизма или упругую направляющую пластинку осцилляторного механизма.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения упругий компонент является плоским и продолжается вдоль главной плоскости P. Компонент включает в себя по меньшей мере одну часть, выполненную из композиционного материала 1, представленного 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 содержит матрицу 2 и множество нанотрубок или нанопроволок 3, распределенных в упомянутой матрице 2. Компонент имеет, например, по существу плоскую форму, продолжающуюся вдоль главной плоскости Р.
Нанотрубки или нанопроволоки 3 образуют структуру композиционного материала 1, в которой они расположены рядом друг с другом и по существу параллельно друг другу. Термин нанотрубка обозначает трубки, которые внутри в целом являются полыми, в то время как нанопроволоки в целом являются неполыми, т.е. сплошными.
Нанотрубки или нанопроволоки 3 расположены по существу параллельно оси А, перпендикулярной плоскости Р компонента 1. Они равномерно распределены таким образом, чтобы располагаться в матрице 2 на равных расстояниях друг от друга. В предпочтительном варианте выполнения композиционного материала нанотрубки или нанопроволоки 3 присутствуют 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, по меньшей мере частично изготовленные из материала, выбранного из следующего списка: золото, кремний, нитрид бора, нитрид галлия, нитрид кремния, оксид цинка, арсенид галлия, сульфид вольфрама, серебро, медь, арсенид марганца, арсенид индия.
Матрица 2 включает в себя материал 4 для заполнения промежутков и связывания нанотрубок или нанопроволок 3 друг с другом. В предпочтительном варианте осуществления изобретения материал 4 может включать в себя нанотрубки или нанопроволоки 3, будучи инжектированным в промежутки 5 между нанотрубками или нанопроволоками 3. Такой материал 4 помогает обеспечить связывание нанотрубок или нанопроволок 3 друг с другом и таким образом модифицировать механические свойства всех нанотрубок или нанопроволок 3, в частности, придавать упругость матрице. В первом варианте выполнения нанотрубок материал 4 может располагаться также внутри 14 нанотрубок 3.
Наполнитель 4 обеспечивает упругость компонента, т.к. обладает упругими механическими свойствами. Кроме того, упругий компонент получается благодаря геометрической форме, выбранной для компонента. Таким образом, благодаря этому упругому наполнителю 4 могут быть созданы специальные компоненты часового механизма.
В соответствии с изобретением наполнитель 4 по меньшей мере частично состоит из термокомпенсирующего материала 18, температурный коэффициент упругости которого противоположен по знаку температурному коэффициенту упругости других материалов, входящих в состав композиционного материала 1.
-1
Температурный коэффициент упругости находится, например, в диапазоне от 1 до 100 млн/°C.
Объемная доля и температурный коэффициент упругости термокомпенсирующего материала 18 выбираются для компенсации температурного коэффициента упругости наполнителя 4. Такой выбор может осуществляться как расчетным, так и эмпирическим путем.
2
В первом альтернативном варианте осуществления изобретения термокомпенсирующий композиционный материал 18 включает в себя диоксид кремния SiO, предпочтительно преимущественно или даже полностью состоит из него. Диоксид кремния можно получить путем окисления кремния. Диоксид кремния осаждают тонкими слоями, используя известную технологию осаждения из паровой фазы при пониженном давлении типа LPCVD или осаждения атомных слоев типа ALD, плазменного осаждения типа PECVD или эпитаксиально-ориентированного выращивания. В этом случае температурный коэффициент упругости материала 18 больше нуля и позволяет компенсировать материалы, у которых температурный коэффициент упругости меньше нуля.
Во втором альтернативном варианте осуществления изобретения термокомпенсирующий композиционный материал 18 включает в себя ниобий, предпочтительно преимущественно или даже полностью состоит из него. Ниобий является переходным металлом, который может осаждаться с помощью обычных известных технологий тонкослойного осаждения, таких как PVD, CVD или ALD.
2
3
Для обоих вариантов осуществления изобретения наполнитель 4, образующий матрицу 2, может, кроме того, включать в себя дополнительное вещество из следующего списка: вольфрам, органические материалы, такие как парилен, гексагональный нитрид бора, монокристаллический рубин типа AlO, алмаз, дисульфиды вольфрама или молибдена, графит, свинец, карбид кремния, никель, фосфид индия, оксид титана или углерод. Например, веществом наполнителя является кремний, а термокомпенсирующий слой представляет собой слой диоксида кремния.
В первом варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 1, термокомпенсирующий материал 18 расположен непосредственно на нанотрубках или нанопроволоках 3. Термокомпенсирующий материал 18 проникает между нанотрубками или нанопроволоками 3, чтобы покрывать их хотя бы частично. Между нанотрубками или нанопроволоками 3 проникает также вещество наполнителя 4, если таковое имеется, чтобы покрывать термокомпенсирующий материал 18. В этом случае композиционный материал 1 формируется из нанотрубок или нанопроволок 3, термокомпенсирующего материала 18 и дополнительного вещества наполнителя 4.
В случае ниобия он может смешиваться с веществом наполнителя 4, например титаном, для формирования смеси, обладающей термокомпенсирующими свойствами в соответствии с изобретением.
В первом альтернативном варианте осуществления изобретения вещество наполнителя 4 проникает между нанотрубками или нанопроволоками 3 и затем покрывается термокомпенсирующим материалом. Термокомпенсирующий материал также проникает между нанотрубками или нанопроволоками, но не находится в непосредственном контакте с нанотрубками или нанопроволоками.
Во втором альтернативном варианте осуществления изобретения между нанотрубками или нанопроволоками проникает только термокомпенсирующий материал 18, который связывает их друг с другом и формирует компонент. В этом случае наполнитель 4 формируется исключительно из термокомпенсирующего материала, без дополнительных веществ. Композиционный материал 1 формируется в таком случае из нанотрубок или нанопроволок 3 и термокомпенсирующего материала 18.
Во втором варианте осуществления изобретения термокомпенсирующий материал 18 образует внешний слой 19 матрицы, причем внешний слой 19, предпочтительно, полностью окружает матрицу, хотя слой может быть осажден только на некоторых гранях. Для этого варианта осуществления изобретения вещество наполнителя 4 проникает между нанотрубками или нанопроволоками 3 с целью формирования ядра компонента, а затем вокруг ядра осаждается слой 19 термокомпенсирующего материала для формирования компонента.
Наполнитель 4 обеспечивает упругость компонента, при этом материал 4 обладает упругими механическими свойствами для обеспечения упругой деформации компонента. Более того, упругий компонент получается благодаря геометрической форме, выбранной для компонента. Компонентом является, например, спиральная пружина 6 осцилляторного механизма 8 часового механизма.
Таким образом, часовые компоненты могут обладать преимуществами композиционных материалов на основе нанотрубок или нанопроволок, сохраняя при этом существенные свойства данного типа компонента, например спиральной пружины.
На фиг. 3 показана спиральная пружина 6 баланса 8, изготовленная из такого упругого композиционного материала. Спиральная пружина 6 представляет собой узкую полоску, намотанную в виде архимедовой спирали так, что между обращенными друг к другу сторонами полоски имеется зазор. Таким образом, за счет сжатия и деформирования спирали достигается желаемый эффект пружины. Баланс 8 состоит из круглого обода 9 и двух прямолинейных перекладин 11, 21, пересекающихся в центре обода 9 и соединяющих противоположные стороны обода 9. Перекладины 11, 21 поддерживают ось 12 по существу перпендикулярно плоскости обода 9. На первом конце оси 12 установлена спиральная пружина 6 в плоскости, параллельной плоскости обода 9. Второй конец оси предназначен для крепления к другой детали 17 часового механизма.
Для изготовления компонентов используется способ, состоящий, например, из следующих этапов:
- первый этап, который заключается в подготовке подложки, например кремниевой подложки, предпочтительно, с помощью фотолитографии, чтобы рост леса нанотрубок или нанопроволок происходил в определенном месте, соответствующем форме желаемого компонента. Таким образом, с помощью фотолитографии создается упругая спиральная форма или форма вращения;
- второй этап, который заключается в выращивании нанотрубок или нанопроволок на подложке, не показанной на фигурах;
- третий этап, который заключается во внедрении составного наполнителя матрицы в распределенную структуру нанотрубок или нанопроволок; и
- четвертый этап, который заключается в отделении компонента от подложки.
На втором этапе способа нанотрубки или нанопроволоки 12 выращиваются параллельно оси, по существу перпендикулярной плоскости подложки.
Для углеродных нанотрубок примеры первого и второго этапов приведены в документе «Механические и электрические свойства металлических микроструктур на основе углеродных нанотрубок» Ричарда Скотта Хансена (июнь 2012 г.) или в дипломной работе Коллина Брауна (22 апреля 2014 г.) из Университета имени Бригама Янга, озаглавленной «Проникновение внутрь лесов углеродных нанотрубок посредством атомного осаждения слоев для микроэлектромеханических применений».
На фиг. 4 подложка 9 покрыта слоем 10 диоксида кремния и слоем 11 катализатора, 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 покрывного слоя нанотрубок. Упомянутый покрывной слой 13 нанотрубок является пористым, так что углерод (или другой материал), образующий нанотрубки 12, может осаждаться через него, и нанотрубки 12 вырастают под покрывным слоем 13. Таким образом, обеспечивается равномерный и однородный рост нанотрубок 12, так что все они имеют по существу одинаковую длину. Третий этап также выполняется через покрывной слой 13 нанотрубок, благодаря его пористости.
Что касается изготовления нанопроволок, то используются традиционные способы, связанные с выбранным из списка материалом. Предпочтительно использовать тонкослойное осаждение, например химическое осаждение CVD (химическое осаждение из паровой фазы) или физическое осаждение PVD (физическое осаждение из паровой фазы). Как и в первом варианте осуществления изобретения, для выбора мест подложки, выполненной, например, из кремния, где выращиваются нанопроволоки, используются методы фотолитографии. Упругий материал вводится в промежутки между нанопроволоками. Наконец, после завершения работы компонент отделяют от подложки.
В документе WO 2014172660 приведен пример выполнения нанопроволок из кремния. Температурный коэффициент упругости кремниевых нанопроволок больше нуля. Таким образом, термоупругий компенсирующий материал наполнителя должен иметь температурный коэффициент упругости меньше нуля, чтобы компенсировать материал нанопроволок.
Естественно, что изобретение не ограничено вариантами осуществления, описанными со ссылкой на чертежи, и могут быть предусмотрены альтернативные варианты осуществления, не выходя за рамки объема изобретения.