CN101183837A - 微机电系统微型马达的驱动模块,生产过程和有其的时计 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种与时钟轮接合的驱动模块，其具有由晶体或非晶体材料制成的板，其包括形成基片的下部层、和MEMS型微型马达蚀刻到其中的上部层，其中微型马达具有可旋转地驱动转子的至少一个促动器，其特征在于：与转子同轴线布置的小齿轮可旋转地连接到转子且设置在转子上方，提供所述小齿轮以在位于板的外部周边边缘附近的接合区域与时钟轮接合，转子设置在板上以最小化转子外部周边边缘和板对应于接合区域的外部周边边缘之间的距离，且小齿轮的直径大于转子的直径从而相对于板突出到接合区域内。本发明也提出一种用于生产这种模块的过程和包括该模块的时计。
Description
技术领域
本发明涉及用于时钟芯的驱动模块和装配有这样的驱动模块的诸如手表的时计。
更特定地，本发明涉及想要与时钟轮接合的驱动模块，其具有由晶体或非晶体材料制成的板，包括形成基片的下部层、和MEMS型微型马达蚀刻到其中的上部层，其中微型马达具有可旋转地驱动转子的至少一个促动器。
背景技术
硅芯片通常为矩形形状，以最大化每个晶片的部件数量。这很好地适合电子元件系统功能块的布置，由于其也为矩形。在提供在硅板中且使用梳型交叉指型静电促动器或“梳状驱动器”的MEMS型微型马达的情况，促动器一般具有矩形形状，但由于它们必须产生高的力，它们占据大的面积且因此它们不能被分隔成几块以在矩形芯片上最优地分配。由于微型马达的转子为圆形，甚至更难优化支撑微型马达的硅板上和晶片上的占据表面，其因此导致硅板的大的未使用面积。如果目标为通过优化促动器或多个促动器的布置而最大化微型马达的效率，优化变得更加复杂。
发明内容
本发明目的在于通过提出允许所有这些参数的优化的驱动模块，特别是通过优化模块生产必要的硅板的面积，解决这些问题，同时获得具有提高的效率的微型马达。
在该目的中，本发明提出前述类型的驱动模块，其特征在于与转子同轴线地布置的小齿轮可旋转地连接到转子且设置在转子上方，所述小齿轮提供为在位于板的外部周边边缘附近的接合区域中与时钟轮接合，转子设置在板上以最小化转子外部周边边缘和板对应于接合区域的外部周边边缘之间的距离，且小齿轮的直径大于转子的直径，从而相对于板突出到接合区域内。
根据本发明的其他特征：
促动器具有触针，其在板平面的平行方向是可移动的，触针在它的自由端上装配有棘爪，其提供为与设置在转子外部周边边缘上的锯齿轮齿合作，以顺序地可旋转地驱动它，且棘爪与转子的互锁区域的角度位置相对于接合区域以一角度稍微偏移；
触针在将促动器分为两个完全对称的部分的方向延伸；
提供两个促动器，每个具有可移动的触针，其自由端提供有棘爪，一个用于推，另一个用于拉，以在接合区域每一侧上与转子的轮齿合作；
促动器在它们之间描绘80度和140度之间的总体范围内的角度，其中该角度的平分线通过接合区域且通过转子的旋转轴线，从而板一般具有由板的外部轮廓限定的“V”形；
板具有支撑转子的中心部分和两个侧向部分，板的轮廓总体上与彼此正交且形成两个侧向部分的两个矩形与形成中心部分的横向矩形相交对应，所述横向矩形相对于两个其他矩形的每个描绘45度的角度，每个侧向部分表面的大部分被促动器占据，而中心部分表面的大部分被转子占据，且接合区域设置为靠近中心部分的周边边缘之一；
板具有用于将促动器连接到电子模块的端子，且端子设置在中心部分上相对于转子轴线与接合区域相对的侧上；
驱动模块设置在外壳内，其具有提供为紧固到诸如机芯板的时计元件的下部板和紧固到下部板的盖；
盖在它的外部周边边缘之一中具有开口凹痕，且小齿轮接纳在凹痕中；
本发明也提出用于生产驱动模块的过程，其特征在于它包括在诸如硅晶片的晶体或非晶体材料片中蚀刻几个板的步骤，其中板以人字形的方式交错成几列，两个相邻列的板定向为相对方向。
本发明进一步提出具有由根据上述任何特征的驱动模块可旋转地驱动的机芯的时计。
附图说明
从参考以非限制性示例方式给出的附图阅读以下详细的说明书，本发明的其他特征和优势将变得更清楚，其中：
图1为示意性地显示根据本发明的教示构造的时计的截面图；
图2为部分显示装配有具有MEMS型微型马达的驱动模块的图1的时计的机芯的透视图；
图3为示意性地显示图2的驱动模块的俯视图；
图4为显示图2的驱动模块和封装该驱动模块的外壳的分解透视图；
图5为示意性地显示驱动模块的部分且图示微型马达的小齿轮和转子围绕轴可旋转安装的沿线5-5截取的轴向截面的放大图；
图6为图示小齿轮由转子以销的方式的促动的沿线X’X截取的轴向截面的示意图；
图7为图示小齿轮由转子以销的方式的促动的示意性俯视图；
图8为图示轴相对于转子的组件的变体的沿X’X截取的轴向截面的示意图；
图9为根据图8的组件布置示意性地表示设置在板中用于夹紧和定心轴的弹性紧固结构的平面图；
图10为示意性地表示硅晶片且图示晶片上几个微型马达的组件的示例的俯视图。
具体实施方式
图1示意性地表示装配有根据本发明的教示的驱动模块13的以手表形式的时计10，其中驱动模块13在此设置在外壳12内。
在这种情况下，时计10包括由玻璃盖16封闭的表壳14、面盘18和指针20形式的模拟显示装置。提供指针20以由根据本发明的驱动模块13通过包括例如定标器元件的机芯22可旋转地驱动。驱动模块13通过电池24被供应电力。在这种情况下，外壳12、驱动模块13、机芯22和电池24安装在板26上且一起形成时计10的机芯机构27，该机芯机构27紧固到表壳14的内侧。机芯机构27清楚地包括其他元件(未显示)，特别是具有集成电路的电子模块、具有石英水晶的时基、印刷电路板等。
图2显示时计10的机芯机构27的部分，特别是外壳12和机芯22安装到其上的板26。
驱动模块13想要与时钟轮接合，即机芯22的输入轮28。
根据本发明的驱动模块13的不同元件在图3到7中更详细显示。
驱动模块13具有由晶体或非晶体材料制成的板30，例如硅，其具有形成基片32的下部层和上部层34，MEMS(微机电系统)型微型马达36蚀刻到其中。在这种情况下，微型马达36由可旋转地驱动蚀刻到上部层34内的转子42的两个促动器38、40形成。
每个促动器38、40具有在平行于板30的平面的方向A1、A2可移动的触针44、46。每个触针44、46在它的自由端装配有棘爪48、50，提供棘爪为与设置在转子42外部周边边缘上的锯齿轮齿52合作，以顺序地可旋转地驱动它。
每个触针44、46优选地以方向A1、A2延伸，其将相关的促动器38、40分为两个完全对称的部分。第一促动器38优选地包括推棘爪48而第二促动器40优选地包括拉棘爪50。
在这种情况下，每个促动器38、40为梳型交叉指型静电促动器且通过蚀刻到硅板30中形成。在此，板30为绝缘体上硅(SOI)型板且具有厚的下部硅基片层32、氧化硅中间层54和具有比基片32小的厚度的硅上部层34。
每个促动器38、40的固定部分具有用于电连接到电子模块的供应端子56、58，且每个促动器38、40的可移动部分具有接触端子57、59，其施加确定的电势到这些可移动的部分，在这种情况下为零伏。
具有构造在硅板中的静电促动器的微型马达在例如专利文件WO2004/081695中描述和显示，其在此参考引入。在该文件中，马达通过蚀刻形成在硅层中。它具有带齿的驱动轮和与轮的齿合作的驱动销以使它旋转。每个驱动销可位移地结合到可移动梳，取决于施加于固定梳的电压，可移动梳相对于固定梳移位。
使用SOI板的实施例在前述文件中参见图7A到7D描述。
依据有利实施例，每个促动器38、40连接到被动棘爪49、51，其锁定区域位于接合区域70和相关棘爪的锁定区域之间。这些被动棘爪49、51与转子42保持弹性接合，以确保精确角度定位，特别是在当其他棘爪48、50被移位时的驱动阶段期间。
根据图3到7显示的实施例，转子42由中心集成的或导向滑动轴承60引导，其与棘爪48、50同时形成且具有量在4到10微米之间的轴承间隙，近似下限对应于80微米厚硅层。如果它们作用于比该间隙明显更大的切向路线，即典型地在20到100微米之间，棘爪48、50将运转良好。这有利地对应于触针44、46被偏转弹簧(未显示)引导的可能路线范围。
转子42的转矩通过类似于曲轴的系统传输到小齿轮62。位于转子42正上方的小齿轮62与其同轴线且由中心轴64引导。小齿轮62提供有装配到转子42的狭槽68内的销66。如图7中图所示，操作间隙j_goup、j_rot、j_pi提供在转子42和小齿轮62的不同元件之间。因此，转子42和小齿轮62以一角度联接但侧向独立：平面xy中的间隙由转子42的轴承60和小齿轮62的轴64吸收。因此，载荷引起的侧向反作用力并不通过轴承60在转子42处吸收，而是通过小齿轮62受轴64的引导吸收。因此，微型马达36的微制造元件被保护免受例如在冲击的情况下由表元件施加的较高的力。
提供小齿轮62以在位于板30的外部周边边缘72附近的接合区域70中与机芯22的输入轮28接合。
根据有利特征，转子42设置在板30上，从而最小化转子42的轮齿52和板30对应于接合区域70的外部周边边缘72之间的距离D。此外，小齿轮62的外径比转子42的直径稍大，使得它相对于板30突出到接合区域70中。
为了简化图7中的图，显示仅具有四个狭槽68的转子42和仅具有四个销66的小齿轮62。根据有利实施例，特别是如图3和4所示，提供八个狭槽68和八个销66。
根据优选实施例，每个棘爪48、50与转子42的互锁区域的角度位置相对于接合区域70以一角度偏移。每个棘爪48、50的锁定区域与轴线X’X形成角β。α表示在给定时刻在通过当接合时邻靠它的狭槽68的边缘的销66的半径和轴线X’X之间的角(图7)。
于是，对于小齿轮62、转子42和销66的圆的给定的半径，所有参数(α、β、j_rot、j_pi、j_goup)的合适选择将有利于机械动力从转子42到小齿轮62的传输效率。因此，在本发明的特定情况下，其中β＝45°，如果适当调节间隙，四个销的系统的效率接近85％，其与转子42和小齿轮62彼此粘接的情况相比改进效率。实际上，在后者的情况下，所有载荷在轴承60处侧向地且在转子42周边和基片32之间因倾斜转矩垂直地以硅-硅摩擦形式发现。在此，硅-硅摩擦非常不利，静干系数接近0.4。
该传输方案进一步允许小齿轮62的直径变动以根据载荷适应转矩和速度。此外，如果小齿轮62足够大且突出板30的周边边缘72，通过片的接合将简化且驱动模块13能够以模块的形式组装在时计10的板26上，即不用拆卸/再附接驱动轮28。
根据不同的变体：
转子42现场且在与促动器38、40相同的基片32上微制造，以保证与轴承60和棘爪配对；
另一变体包括在相同晶片上或另一晶片上分开制作转子42，且该转子42然后在板30或定子上组装。如果希望，在转子由轴承60引导的情况下，这允许减少径向间隙；
有关变体的组包括通过不同于DRIE加工的过程(激光切割、EDM、LIGA、微注射等)微制造的转子42和/或小齿轮62，然后在板30或定子上组装；
有关变体的另一组包括通过在小齿轮62中和/或在转子42中的第二光刻水平形成的销66。
根据本发明的驱动模块13允许提高的模块化，以通过允许使用不同直径的小齿轮62而不修改模块13的其余部分适应载荷。这样，由于集成到驱动模块13内且可旋转地连接到微型马达36的小齿轮62的存在，用于连接表机芯22的机械接口已经存在，也获得组件的提高的模块化。
小齿轮62可以由诸如黄铜的金属制成，相关的销66也由金属形成。小齿轮62也能够由塑料材料通过模制与销66成一块的制成。具有模制上的金属销66的由塑料材料制成的小齿轮62的实施例也是可能的。
根据特别是在图4和5中显示的实施例，小齿轮62的旋转轴线通过由切掉的金属制成的分级轴64形成，其通过形成在基片32中的第一孔74插入到板30内且其推进到形成在外壳12的板106中的第二孔76内。在该实施例中，施加到轴64的径向力由板106吸收。
轴64具有下部端块78，其与下部中间块80限定向上定向且轴向邻靠板30的下部面的第一肩表面82。下部中间块80具有大致等于第一孔74直径的直径且延伸到该孔74中。轴具有上部中间块84，其直径稍小于相邻下部中间块80且延伸到小齿轮62的通孔86中以可旋转地引导它。上部中间块84与上部端块88一起限定第二肩表面90，推进到上部端块88上的保持环92轴向邻接靠着第二肩表面保持。
由于通过轴承60提供转子42的可旋转的引导，其通过光刻蚀刻过程以与确定轴64相对于轴承60的定心的第一孔74相同的方式形成，获得轴64、小齿轮62、轴承60和转子42的非常有利的定心。
此外，小齿轮面向轴承的下部面具有凸出94，其防止小齿轮62轴向邻靠转子42，特别是在倾斜的情况下，且这防止转子42的损坏。
图8和9显示另一有利实施例，其中轴64通过在基片32中围绕第一孔74设置的弹性紧固结构96以推进入布置的方式安装在板30中。在该实施例中，施加到轴64的径向力被基片32且因此被弹性紧固结构96吸收。
弹性紧固结构96在此通过光刻到板30的后面内的柔性片98形成。由于包括棘爪48、50和转子42的上部层34的前面的光刻相对于后面的光刻同样非常精确地对齐和定心(误差小于1微米)，引导和定心导致其比用从与板30成单块形成的轴线更精确，由于径向间隙也能够减少到1微米。
由于这种精确对齐和定心，可以省去轴承60，从而转子42通过轴64直接地可旋转地引导。因此，轴64能够可旋转地引导转子42和小齿轮62。由于轴64通过切割形成，其能够达到非常有限的生产误差，实现非常精确的组件，这特别是确保促动器38、40可靠的操作。转子42然后通过轴64的外部轴向壁引导。
轴64能够通过附加的紧固方法最终固定在板30中，例如通过图8中显示的焊接件99焊接到基片32或也通过胶合。
通过应用实心薄层到轴64的外部轴向壁上，能够减少部件之间的摩擦，能够解决轴64的摩擦问题。
能够选择弹性紧固结构96，特别是从专利文件CH695395描述和显示的示例，或者从其他能够确保轴64在板30上精确定心和夹紧的结构，例如以带有自由端的柔性突片形式的结构。
有利地，特别是考虑图3，促动器38、40在它们之间描绘大约90度角，该角的平分线通过接合区域70且通过转子42的旋转轴线z’z，使得驱动模块13具有由板30的外部轮廓限定的一般的“V”形，该轮廓被优化。
板30具有支撑转子42的中心部分100和两个侧向部分102、104。板30的外部轮廓总体上对应于彼此正交且形成两个侧向部分102、104的两个矩形与形成中心部分100的横向矩形相交，横向矩形相对于两个其他矩形的每个描绘45度角。每个侧向部分102、104的表面的主要部分被促动器38、40占据，而中心部分100的表面的主要部分被转子42占据。接合区域70靠近中心部分100的周边边缘72之一设置。
端子56、57、58、59优选地设置在中心部分100上在相对于转子42的轴线z’z相对接合区域70侧。
应该注意的是，驱动模块13的“V”形优势在于能够相对于使用的板30的表面优化微型马达36的效率，且用于形成微型马达36和驱动模块13的晶体或非晶体材料的表面被优化。因此，当板30由硅晶片101制成时，如图10中示意性显示，“V”形允许板30在晶片表面上交错布置的复制，以最大化从硅的给定表面获得的微型马达36的数量。特别是，根据图10中显示的示例，板30能够在晶片上以人字形的方式以平行列布置，两个相邻列Cn、Cn+1以相对的方向定向。此外，两个相邻列Cn、Cn+1的两个相邻板30的侧向部分102相邻且对齐。
由两个促动器38、40描绘的角优选地在90和140度之间的范围。角度越大，晶片101上板30的交错更优化，但是显著的角要求促动器38、40的触针44、46相对于它们各自的对称轴线A1、A2不成直线，其对促动器38、40的机械效率有害。
根据图中显示的实施例，包括驱动模块13的外壳12具有下部板106，其提供为紧固到时计10的元件，在此紧固到机芯的板26，且驱动模块13的板30安装在下部板106上。外壳12具有保护盖108，其覆盖紧固到下部板106的驱动模块13，在这种情况下通过螺钉109，且其将驱动模块13靠着下部板106保持。
在这种情况下，下部板106的上部面具有凹口或者容器110，驱动模块13的板30以大致互补的方式接收到其中。
盖108在它的外部周边边缘之一中具有开口凹痕112，且在盖108安装到底部106后小齿轮62接纳在凹痕112中。
有利地，印刷电路114插入到下部板106和盖108之间，以使微型马达36经由它的端子56、57、58、59电连接到时计10的电子模块。
根据示范性的实施例(未显示)，驱动模块13能够直接安装在板26上，这允许省却外壳12，特别是最小化部件的数量以利于机芯机构27的组装且最小化驱动装置的空间要求。可以在驱动模块13上提供保护元件以保护它的部件。
Claims (11)
1.一种意在与时钟轮(28)接合的驱动模块(13)，其具有由晶体或非晶体材料制成的板(30)，包括形成基片(32)的下部层、和MEMS型微型马达(36)蚀刻到其中的上部层(34)，其中微型马达(36)具有可旋转地驱动转子(42)的至少一个促动器(38、40)，其特征在于：与转子同轴线布置的小齿轮(62)可旋转地连接到转子且设置在转子上方，所述小齿轮提供为在位于板(30)的外部周边边缘(72)附近的接合区域(70)与时钟轮接合，转子(42)设置在板上以最小化转子(42)外部周边边缘和板(30)对应于接合区域(70)的外部周边边缘(72)之间的距离，且小齿轮(62)的直径大于转子(42)的直径，从而相对于板(30)突出到接合区域(70)内。
2.根据权利要求1所述的驱动模块(13)，其特征在于：促动器(38、40)具有触针(44、46)，其在板(30)平面平行方向是可移动的，触针(44、46)在它的自由端装配棘爪(48、50)，棘爪提供为与设置在转子(42)的外部周边边缘上的锯齿轮齿(52)合作，以顺序地可旋转地驱动它，且棘爪(48、50)与转子(42)的互锁区域的角度位置相对于接合区域(70)以一角度稍微偏移。
3.根据权利要求2所述的驱动模块(13)，其特征在于：触针(44、46)以将促动器(38、40)分成两个完全对称的部分的方向延伸。
4.根据权利要求2或3所述的驱动模块(13)，其特征在于：提供两个促动器(38、40)，每个具有可移动的触针(44、46)，其自由端提供有棘爪(48、50)，一个用于推，另一个用于拉，以在接合区域(70)的任一侧上与转子(42)的轮齿(52)合作。
5.根据权利要求4所述的驱动模块(13)，其特征在于：促动器(38、40)在它们之间描绘在80度到140度的总体范围内的角，其中该角的平分线通过接合区域(70)且通过转子(42)的旋转轴线，使得板(30)一般具有由板(30)的外部轮廓限定的“V”形。
6.根据权利要求5所述的驱动模块(13)，其特征在于：板(30)具有支撑转子(42)的中心部分(100)和两个侧向部分(102、104)，板(30)的轮廓总体上对应于彼此正交且形成两个侧向部分(102、104)的两个矩形与形成中心部分(100)的横向矩形相交，所述横向矩形相对于两个其他矩形的每个描绘45度角，每个侧向部分(102、104)的表面的主要部分被促动器(38、40)占据，而中心部分(100)的表面的主要部分被转子(42)占据，且接合区域(70)设置在中心部分(100)的周边边缘之一(72)附近。
7.根据权利要求6所述的驱动模块(13)，其特征在于：板(30)具有端子(56、57、58、59)，以连接促动器(38、40)到电子模块，且端子(56、57、58、59)设置在中心部分(100)上在相对于转子(42)轴线与接合区域(70)相对的侧上。
8.根据权利要求1所述的驱动模块(13)，其特征在于：驱动模块设置在具有下部板(106)和紧固到下部板(106)的盖(108)的外壳(12)内，下部板提供为紧固到诸如机芯板(26)的时计元件(10)。
9.根据权利要求8所述的驱动模块(13)，其特征在于：盖(108)在它的外部周边边缘之一具有开口凹痕(112)，且小齿轮(62)接纳在凹痕(112)中。
10.用于生产根据权利要求5所述的驱动模块(13)的过程，其特征在于：该过程包括在诸如硅晶片(101)的晶体或非晶体材料片中蚀刻几个板(30)的步骤，其中板(30)以人字形方式以几个列(Cn)交错，两个相邻列(Cn)的板(30)以相对方向定向。
11.一种具有由驱动模块(13)可旋转地驱动的机芯(22)的时计(10)，驱动模块(13)意在与时钟轮(28)接合，驱动模块具有由晶体或非晶体材料制成的板(30)，其包括形成基片(32)的下部层、和MEMS型微型马达(36)蚀刻到其中的上部层(34)，其中微型马达(36)具有可旋转地驱动转子(42)的至少一个促动器(38、40)，其特征在于：与转子同轴线布置的小齿轮(62)可旋转地连接到转子且设置在转子上方，提供所述小齿轮以在位于板(30)的外部周边边缘(72)附近的接合区域(70)与时钟轮接合，转子(42)设置在板上以最小化转子(42)外部周边边缘和板(30)对应于接合区域(70)的外部周边边缘(72)之间的距离，且小齿轮(62)的直径大于转子(42)的直径，从而相对于板(30)突出到接合区域(70)内。
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