JP5113687B2 - 摺動部品およびそれを用いた時計 - Google Patents

Description

本発明は、摺動部品およびそれを用いた時計に関する。

図１は、時計１のムーブメントの表輪列側の概略形状を示す平面図、図２は、時計１の香箱２からがんぎ車２００の部分を示す概略部分断面図、図３は、時計１のがんぎ車２００からてんぷ１２０の部分を示す概略部分断面図である。

ここで、時計１は、２針式の機械式時計である。しかし、時計は、電子制御式機械式時計、クオーツ式時計等でも良いものとする。

時計１は、ぜんまい２Ｂ、香箱歯車２Ａ、香箱真２Ｃ、および香箱蓋２Ｄからなる香箱車２を備えている。ぜんまい２Ｂは、外端が香箱歯車２Ａ、内端が香箱真２Ｃに固定されている。香箱真２Ｃは地板３と輪列受４に支持され、角穴車５と一体で回転するように角穴ネジにより固定されている。角穴車５は、時計方向には回転するが半時計方向には回転しないように、こはぜ７と噛み合っている。なお、角穴車５を回転しぜんまい２Ｂを巻く方法は、一般的な機械式時計の自動巻きまたは手巻きと同様であるため、説明を省略する。

香箱歯車２Ａの回転は、二番車１０２、三番車１０３、四番車１０４からなる増速輪列１１０を介して増速された後、さらにがんぎ車２００及びアンクル１３０を介して、てんぷ１２０に伝達される。

増速輪列１１０の二番車１０２には筒かな１０５が、筒かな１０５には分針８が固定されている。筒かな１０５の回転に基づいて、図示しない日の裏車の回転を介して、筒車１０６が回転する。この筒車１０６には時針９が固定されている。つまり、各指針８、９は、増速輪列１１０に結合されていて、香箱歯車２Ａや増速輪列１１０に使用される各番車１０２〜１０４の歯車は、時計１の指針８、９を駆動する歯車として用いられている。よって、各摺動部品には、高い寸法精度並びに耐摩耗性が要求されている。

高い寸法精度の必要な摺動部品を作成する方法の一つとして、フォトリソグラフィと電鋳を用いた技術がある（例えば、特許文献１参照）。摺動部品では、相手との相互作用によって摩耗が生じる。しかし、主要な電鋳材料であるニッケル（Ｎｉ）は、硬度が低いため耐摩耗性が低い。そこで、耐摩耗性を向上させるために、電鋳材料としてニッケルマトリックス中にコバルト（Ｃｏ）、タングステン（Ｗ）、リン（Ｐ）、ボロン（Ｂ）の様な微粒子を共析させたＮｉ−Ｃｏ、Ｎｉ−Ｗ、Ｎｉ−Ｐ、Ｎｉ−Ｂの様な硬い物を選択する方法（例えば、特許文献２参照）、電鋳によって作られた歯車上に、メッキ法によって歯車の表面に硬質膜を作成する方法が知られている（例えば、特許文献３参照）。
特開２００２−２７６７７１号公報 特開２００６−６４５７５号公報 特開平９−１４３９６号公報

特許文献１記載の方法では、Ｎｉの硬度が低いため、耐摩耗性が悪いといった課題がある。

特許文献２記載の方法では、電鋳材料としてＮｉ−Ｃｏ、Ｎｉ−Ｗ、Ｎｉ−Ｐ、Ｎｉ−Ｂの様な硬い物が使用されているため耐摩耗性は良いが、電鋳物の応力が高いため部品反り、密着不良、また、部品が反ってしまうと寸法精度が悪くなる、軸穴に軸をはめ込む際に割れが発生し易いという課題がある。

特許文献３記載の方法では、メッキ膜厚の場所依存性が悪いため、寸法精度が低下するという課題がある。また、Ｎｉの上には不動態膜が作成されてしまうため、メッキとの密着性が悪いといった課題もある。

本発明の目的は、耐摩耗性および寸法精度が高い摺動部品およびそれを用いた時計を提供することである。

本発明の摺動部品は、積層された少なくとも３つの層と、積層方向に略平行な外周面に他の部品と摺動する摺動面を有する摺動部品であって、
積層された少なくとも3つの層のうち、最上層と最下層に挟まれた少なくとも1つの層が、最上層と最下層よりも硬いことを特徴とする。この発明によれば、最上層と最下層に挟まれた少なくとも1つの層を硬い材料としているため、摺動部品の耐摩耗性を向上させることができる。しかも、最上層と最下層に位置する外層を比較的柔らかい材料としているため、電鋳によって摺動部品全体を硬い材料で製造した場合に比べて、部品反り、密着不良などの寸法精度に対する悪影響を抑制できる。

本発明の摺動部品は、最上層と最下層のどちらか一方が、前記摺動面より後退していてもよいし、最上層と最下層の両方が、前記摺動面より後退していてもよい。この発明によれば、摺動面より後退した外層によって凹部が形成されるため、この凹部によって潤滑油を保持することができ、摺動部品の耐摩耗性をより向上させることができる。

本発明の摺動部品は、最上層と最下層の主成分が同一材料であってもよいし、最上層と最下層の主成分が異種材料であってもよい。

本発明の摺動部品は、軸穴を有し、最上層と最下層に挟まれた少なくとも1つの硬い層が軸穴の中心に向かう凸部を有することを特徴とする。この発明によれば、軸穴に軸を嵌め込んだときに、軸穴の中心に向けて凸部となる部分が軸に食い込むことで、軸材を軸から抜けにくくすることができる。

本発明の摺動部品は、最上層と最下層に挟まれた少なくとも1つの層が熱処理により硬化する材料からなることを特徴とする。この発明によれば、摺動面となる内層を熱処理によって硬化でき、耐摩耗性をより向上させることができる。

本発明の摺動部品は、最上層と最下層に挟まれた少なくとも1つの層が複合めっきからなることを特徴とする。この発明によれば、複合めっきによって析出する微粒子によって、硬い層をより硬くすることができる。

本発明の摺動部品は、最上層と最下層に挟まれた少なくとも1つの層と、最上層と最下層に位置する層の少なくとも一方とが、逆の内部応力を持つ材料であることを特徴とする。この発明によれば、摺動部品全体としての内部応力の緩和を図ることができるため、部品反り、密着不良などの寸法制度に対する悪影響をより確実に抑制できる。

本発明の時計は、本発明の摺動部品を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、寸法精度が高く耐摩耗性に優れた摺動部品およびそれを用いた時計を得ることができる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

時計１には様々な輪列があるが、以下簡単のためがんぎ車２００を例にとって説明を行う。しかし、がんぎ車は本発明の理解を容易にするために例示的に記載するものである。

図４（ａ）は、本発明の構造を有するがんぎ車（摺動部品）２００を示す。がんぎ車２００は、その外周部に複数のがんぎ歯２０１を有し、中心部に厚み方向に貫通する軸穴２０２を有する。このがんぎ車２００は、図１〜３に示した機械式時計の摺動部品として用いられる一部品である。

図４（ｂ）は、図４（ａ）において、丸Ａで囲んだがんぎ歯２０１の拡大図である。がんぎ歯２０１は、停止面２１１、衝撃面２１２、及び背面２１３を有し、停止面２１１と衝撃面２１２との交差稜線がロッキングコーナー２１４となり、衝撃面２１２と背面２１３との交差稜線がレットオフコーナー２１５となっている。がんぎ歯２０１の停止面２１１、衝撃面２１２、及び背面２１３は、がんぎ車２００の厚み方向に対して略垂直な外周面の一部をなしており、ロッキングコーナー２１４及びレットオフコーナー２１５を含む衝撃面２１２が、アンクル１３０のつめ石と摺動する摺動面となっている。本発明の構造を有するがんぎ車２００は、少なくとも３つの層が厚み方向に積層された多層構造を有し、例えば本実施形態では、図４に示すように、第１の金属層２２１、第２金属層２２２、及び第３の金属層２２３からなる３層構造となっている。

３つの層のうちの積層方向（厚み方向）の両端に位置する第１及び第３の金属層２２１、２２３の外形は、３つの層のうちの積層方向（厚み方向）の両端に位置しない第２の金属層２２２の外形よりも小さい。第１及び第３の金属層２２１、２２３の外周面は、がんぎ車２００の外周面（第２の金属層２２２の外周面）から後退している。そのため、がんぎ車２００は、少なくとも摺動面の一部に、本実施形態ではがんぎ車２００の外周面の全周にわたって、がんぎ車２００の厚み方向の両端に位置して厚み方向に開放された２つの凹部２５０を有する。つまり、がんぎ車２００の摺動面は、第２の金属層２２２の外周面によって構成されている。また、第２の金属層２２２の外周面が第１及び第３の金属層２２１、２２３の外周面から突出している分だけ、第２の金属層２２２から構成された凸部２３０を有する。

がんぎ車の厚みＴ０は、本実施例においては５０〜２００μｍである。厚みＴ０は、製造する部品に応じて、１０μｍ〜１ｍｍとする。第１の金属層２２１、第２の金属層２２２、第３の金属層２２３の厚みＴ１、Ｔ２、Ｔ３はそれぞれ数μｍ〜数十μｍとする。なお、厚みＴ１、Ｔ２、Ｔ３が同じ厚みである必要は無い。凹部２５０の深さＨは、１μｍ〜１ｍｍとする。凹部２５０の寸法を決めるＴ２とＨの値は、潤滑油の粘度や表面張力によって適宜決定する。

第１の金属層２２１及び第３の金属層２２３の材料は、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、銀（Ａｇ）、鉄（Ｆｅ）、錫（Ｓｎ）等の金属やＮｉ−Ｗ、Ｎｉ−Ｃｏ等の合金、あるいは前記金属の合金が挙げられる。第２の金属層２２２の材料は、Ｎｉ、Ｃｏ、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、クロム（Ｃｒ）、鉛（Ｐｄ）等の金属、Ｎｉ−Ｗ、Ｎｉ−Ｃｏや前記金属の合金、あるいはニッケルマトリックス中に酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）や炭化珪素（ＳｉＣ）の様な化合物を共析させたＮｉ−Ａｌ２Ｏ３、Ｎｉ−ＳｉＣ等の複合物が挙げられる。ここで、第１の金属層２２１と第３の金属層２２３は、同じ材料でも良いし、異種材料でも良い。なお、がんぎ車２００は摺動部品であるため、相手部品と接触する第２の金属層２２２は、硬い材料であることが望ましい。また、第２の金属層２２２は、焼き入れが出来る材料を選択するとなお良い。また、第２の金属層２２２と、第１の金属層２２１、第３の金属層２２３とで、内部応力が逆になるような材料の組み合わせを選択するとさらに良い。

後述する製造工程において、第１の金属層２２１および第３の金属層２２３をエッチングして２つの凹部２５０を形成するため、第１の金属層２２１および第２の金属層２２３のみを選択的にエッチングできる材料の組み合わせを採用することで、図４（ｃ）に示す形状を得ることができる。また、エッチングを行わずに２つの凹部２５０を形成せず、図４（ｄ）に示す形状で用いることも可能である。また、第２の金属層２２２および第３の金属層２２３（あるいは第１の金属層２２１）はエッチングされず、第１の金属層２２１（あるいは第３の金属層２２３）のみを選択的にエッチングできる様な材料の組み合わせを採用することで、第１の金属層２２１（あるいは第３の金属層２２３）のみがエッチングされて１つの凹部２５０が形成された、図４（ｅ）に示す形状にすることも可能である。

また、積層方向の両端に位置しない内層である第２の金属層２２２と、積層方向の両端に位置する外層である第１の金属層２２１及び第３の金属層２２３とで、内部応力が逆になるような材料の組み合わせを選択することで、後述するフォトリソグラフィと電鋳とを用いて製造した場合に起こりうる部品の反りといった問題の解決も可能である。また、第１〜第３の金属層２２１〜２２３は軸穴２０２の内周面にも露出しているため、図４（ｃ）、（ｅ）に示す形状の場合、エッチング後には軸穴２０２にも第２の金属層２２２から構成された凸部２３０が形成される。この軸穴２０２の中心に向けて突出する凸部２３０を用いることで、軸穴２０２に軸を嵌め込んだ際、凸部２３０の高さＨ（凹部２５０の深さＨ）が軸材に塑性変形を起こさない程度なら、軸が抜けにくくなるといった効果も期待できる。また、凹部２５０に潤滑油を保持させることで、油保持性が向上し、潤滑性の向上にもつながる。また、増速輪列１１０、調速機１２０に使用される各番車１０２〜１０４、がんぎ車２００を電鋳で製造することで、その複雑な形状も精度良く形成できる。従って、アンクル１３０とのかみ合い深さの変動を少なくでき、良好な計時精度（歩度）を得ることができる。

本発明の構造を有する摺動部品の製造方法を、図５〜７を用いて以下に述べる。図５〜７は、摺動部品製造工程の部分断面図である。ここでは、がんぎ車２００を例に、摺動部品が形成される付近の断面図を概略的に示している。

図５（ａ）は、導電性基板形成工程を説明する図である。基板３０１が、シリコン、石英、サファイア等の導電性基板でない場合は、Ｃｕ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｔｉ等の電極材料３０２を成膜する。しかし、基板３０１がステンレスやＴｉ等の導電性材料の場合は、その限りではない。基板３０１の厚みは、後工程で自立できるよう１００μｍ〜１ｍｍとする。また、電極材料３０２の厚みは、１０ｎｍ〜１０μｍとする。

図５（ｂ）は、レジスト形成工程である。電極材料３０２上にフォトレジスト３０３を堆積する。フォトレジスト３０３は、ネガ型でもポジ型でもよい。フォトレジスト３０３はスピンコート法やディップコート法を用いて形成する。フォトレジスト３０３として、ドライフィルムレジストを用いる場合は、ラミネート法によって電極材料３０２の上に形成する。フォトレジスト３０３の厚みは、がんぎ車２００の厚みＴ０以上とする。

図５（ｃ）は、現像工程である。がんぎ車２００の外形パターンが形成されたフォトマスクを用いて、フォトレジスト３０３に紫外線を照射し、がんぎ車２００の電鋳に使用する部分以外のレジストを硬化させる。未硬化のレジスト部分を除去し、電鋳用の型が完成する。フォトレジスト３０３Ｓの側面３１１は、がんぎ車２００の外形の形状を持つ。フォトレジスト３０３Ｕの側面３１２は、軸穴２０２の形状を持つ。

図５（ｄ）は、電鋳工程である。電極材料３０２上のフォトレジスト３０３以外の型部分に、第１の金属層２２１、第２の金属層２２２、第３の金属層２２３の順で堆積させる。電鋳物は、がんぎ車２００の厚みＴ０よりも厚くなるように堆積させる。第１の金属層２２１の厚みはＴ１、第２の金属層２２２の厚みはＴ２堆積させる。第３の金属層２２３の厚みは、第１の金属層２２１、第２の金属層２２２、および第３の金属層２２３の合計の厚みがＴ０より多くなる様に堆積させる。

図５（ｅ）は、研削・研磨工程である。研削により、がんぎ車２００の厚みＴ０まで電鋳物を削り、平面化を行う。その後、研磨によって電鋳物の表面を鏡に仕上げる。なお、電鋳工程で制御可能な厚さばらつきの場合、研削工程は実施しなくても良い。

ここで、研削・研磨工程後の工程として、以下の図６（ｆ）、図６（ｇ）の２通りの工程が考えられる。

図６（ｆ）は、レジスト除去工程である。エッチングあるいは物理的な力等によって、フォトレジスト３０３を除去する。

図６（ｇ）は、基板・電極材料除去工程である。基板３０１と電極材料３０２をエッチング等によって除去する。

図６（ｈ）は、前の工程がレジスト除去工程の場合、電鋳物剥離工程である。基板３０１と電極材料３０２をエッチング等によって除去する。一方、前の工程が基板・電極除去工程の場合、レジスト除去工程である。エッチングあるいは物理的な力等によって、フォトレジスト３０３を除去する。

図６（ｉ）は、レジスト形成工程である。第１の金属層２２１、第３の金属層２２３が共にエッチングされる材料の場合、第１の金属層２２１、第３の金属層２２３の上にフォトレジスト３０４を形成させる。

図６（ｊ）は、凹部（凸部）形成工程である。第１の金属層２２１及び第３の金属層２２３をエッチングし、第２の金属層２２２をエッチングしないエッチング液中に浸漬することで第１の金属層２２１及び第３の金属層２２３のみをエッチングし、深さＨの凹部２５０（高さＨの凸部２３０）を得る。なお、第１の金属層２２１、第３の金属層２２３の上にレジスト３０４が形成されているため、厚み方向へのエッチングはなく、がんぎ車の厚さＴ０に変化は無い。一例として、第１の金属層２２１及び第３の金属層２２３にＣｕ、第２の金属層２２２にＮｉを堆積させた場合は、エッチング液に過硫酸アンモニウム溶液を用いるとＣｕのみをエッチング出来る。なお、フォトレジスト３０４を形成せずにエッチングしても良い。

図６（ｋ）は、レジスト除去工程である。エッチングあるいは物理的な力等によって、フォトレジスト３０４を除去する。

また、金属層２２１、金属層２２３のどちらか一方のみエッチングされる材料を選択した場合、図６（ｉ）の工程以下は下記のように変更される。ここでは、第３の金属層２２３にエッチングされる材料を選択したとして記述するが、エッチングされる材料を第１の金属層２２１に選択しても良い。

図７（ｉ）は、レジスト形成工程である。第３の金属層２２３の上にフォトレジスト３０４を形成させる。

図７（ｊ）は、凸部形成工程である。第３の金属層２２３をエッチングし、第１の金属層２２１及び第２の金属層２２２をエッチングしないエッチング液中に浸漬することで第３の金属層２２３のみをエッチングし、深さＨの凹部２５０（高さＨの凸部２３０）を得る。

図７（ｋ）は、レジスト除去工程である。エッチングあるいは物理的な力等によって、フォトレジスト３０３を除去する。

なお、第２の金属層２２２が熱処理でさらに硬化する材料ならば、各工程を行った後、熱処理工程を行うことで、第２の金属層２２２をさらに硬化させても良い。なお、第１の金属層２２１および第３の金属層２２３も熱処理により硬化する材料を選択しても良いが、熱処理後に第２の金属層２２２より硬くならない様な材料を選択する必要がある。
なお、第２の金属層２２２が複合めっきで形成されているならば、複合めっきによって供析した硬化粒子によって第２の金属層２２２をより硬化させても良い。
なお、最上層と最下層に挟まれた少なくとも1つ硬い層が軸穴の中心に向けて凸であるならば、軸穴に軸を嵌め込んだときに、軸穴の中心に向けて凸となる部分が軸に食い込むことで、軸材を軸から抜けにくくすることができる。

なお、本発明は前述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。例えば、３層構造からなる摺動部品について説明したが、４層以上の構造からなる摺動部品であってもよい。

また、例えば、フォトマスク４０１に形成される摺動部品のパターンの例としては、図８に示したパターンでも良い。図８には、機械式時計の二〜四番車に使用する歯車のパターン４０２Ｐ、４０３Ｐ、４０４Ｐや、角穴車のパターン４０５Ｐ、香箱車のパターン４０６Ｐ、がんぎ車の歯車のパターン４０７Ｐ、ぜんまいの手動巻上げ機構を構成するこはぜのパターン４０８Ｐ、丸穴車のパターン４０９Ｐが示されている。これらの部品を、それぞれ同一ウェハ上に大量に作成することで、安価に高精度の摺動部品を製造することが出来る。
また、本発明は前述の各実施形態は時計に関して記述してあるが、時計だけに限らず、小型モータ用遊星歯車減速機構や小型ロボット用歯車など、摺動面を有するものなら何でも良い。

ムーブメントの表輪列側の概略形状を示す平面図である（図では、一部の部品を省略し、受部材は仮想線で示している）。 香箱からアンクルの部分を示す概略部分断面図である。 がんぎ車からてんぷの部分を示す概略部分断面図である。 本発明の構造を有するがんぎ車を示す図である。 本発明の構造を有するがんぎ車の製造工程を示す図である。 本発明の構造を有するがんぎ車の製造工程を示す図である。 本発明の構造を有するがんぎ車の製造工程を示す図である。 フォトマスクの例を示す平面図である。

符号の説明

２００ がんぎ車
２０１ がんぎ歯
２０２ 軸穴
２２１ 第１の金属層
２２２ 第２の金属層
２２３ 第３の金属層
２３０ 凸部
２５０ 凹部

Claims (8)

1. 積層された少なくとも３つの層と、積層方向に略平行な外周面に他の部品と摺動する摺動面を有した時計に備わる摺動部品であって、
   前記積層された少なくとも３つの層のうち、最上層と最下層に挟まれた少なくとも１つの層が、前記最上層と前記最下層よりも硬く、
   前記積層された少なくとも３つの層のうち、前記最上層と前記最下層の少なくとも一方が、前記摺動面より後退している摺動部品。
2. 前記最上層と前記最下層の主成分が同一材料である、請求項１に記載の摺動部品。
3. 前記最上層と前記最下層の主成分が異種材料である、請求項１に記載の摺動部品。
4. 軸穴を有し、前記最上層と前記最下層に挟まれた少なくとも１つの硬い層が前記軸穴の中心に向かう凸部を有する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の摺動用部品。
5. 前記最上層と前記最下層に挟まれた少なくとも１つの層が熱処理により硬化する材料からなる、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の摺動部品。
6. 前記最上層と前記最下層に挟まれた少なくとも１つの層と、前記最上層と前記最下層の少なくとも一方とが、逆の内部応力を持つ材料である請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の摺動部品。
7. 前記最上層と前記最下層に挟まれた少なくとも１つの層が複合めっきである、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の摺動部品。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の摺動部品を備えている時計。

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