CN101675392B - 时钟部件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种时钟部件，诸如摆轮(1)、摆陀(12)或轮(20)，其包括根据微制造技术、诸如DRIE技术所制成的结构(2)。该部件特征在于其还包括形成在结构(2)中或外围、并且材料不同于结构(2)的至少一个部件(3)。该部件(3)通常是金属，并且使用结构(2)的腔(7)作为模具、通过电铸而形成。

Description

时钟部件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种时钟部件及其制造方法。
更特别地，本发明涉及一种使用微制造技术形成的时钟部件。
背景技术
现在，一些时钟部件由硅制成，例如游丝(balance spring)和摆轮。硅的有益之处归功于其轻巧、具有弹性、其非磁性，并且其可以采用微制造技术加工，尤其是采用深反应离子蚀刻(DRIE)技术。
然而，硅确实具有一些缺点：其易碎，换句话说，其不具有任何可塑性，这使得例如难以将硅轮连接至轮轴上。而且，其极度轻巧不允许诸如摆轮或摆陀的部件完全由硅制成且形成为小尺寸，所述部件必须具有足够的惯性或不平衡。
除了硅之外，自身也能够由微制造技术加工以及预想其用途可以用于制造时钟部件的其他材料，具有相同的缺点。这些材料特别是钻石、石英、玻璃和金刚砂。
发明内容
本发明旨在允许微制造时钟部件，用于之前由于所使用的材料的所述缺点而迄今已经不能预想的应用。
为此目的，提供了一种时钟部件，其包括可以由微制造技术形成的结构，其特征在于其还包括至少一个元件，形成在该结构中或在该结构外围，并且由不同于结构的材料形成。
所述元件可以改变部件的机械属性，使得该部件在给定应用中可使用，同时维持用于形成结构的材料的优点。可以使用该元件，例如以增加摆轮的惯性/质量比率或者摆陀的不平衡/质量比率，或者以吸收由轮轴驱动所产生的局部的一些应力。将注意到，所述元件形成在结构中或结构外围，而不是添加至其处。因而，整个时钟部件可以由微制造技术制造，例如，允许微米等级精度的技术。因而，所述元件未削弱部件的制造精度。
在随附权利要求2至12中限定了根据本发明的时钟部件的特定实施例。
本发明还提供了一种制造时钟部件的方法，包括由微制造技术形成一结构的步骤，其特征在于其还包括在结构中或结构外围形成至少一个元件的步骤，所述元件的材料不同于结构的材料，从而最终时钟部件包括所述结构和所述元件。
在随附权利要求14至28中限定了该方法的特定实施例。
附图说明
在参考随附附图阅读了本发明的数个实施例的下列详细描述之后，本发明的其它特征和优点将变得清楚，其中
图1和图2分别是根据本发明的摆轮的顶视平面视图和轴横截面视图；
图3是根据本发明的摆陀的透视图；
图4和图5分别是根据本发明的摆轮的顶视平面视图和轴横截面视图；
图6是根据另一实施例的摆陀的透视图；
图7示意性地示出了制造诸如图1至3中所示的时钟部件的方法；
图8示意性地示出了制造诸如图4和5中所示的时钟部件的方法；
图9示意性地示出了制造摆轮和小齿轮的方法；以及
图10示意性地示出了制造图6中所示摆陀的方法。
具体实施方式
参考图1，根据本发明的用于时钟机芯(movement)的摆轮(balance，平衡装置)1，包括主硅结构2和金属元件3。硅结构2包括环形中心部件4、从中心部件4径向延伸的臂5、以及位于这些臂5的端部的封闭轮廓6，轮廓6其限定贯通的腔7，例如豆形。腔7分别由金属元件3填充，并且与这些元件3形成分隔边缘段。
金属元件3由具有比硅密度高的材料形成。因而，它们使得摆轮1的外围更重，并且增加摆轮的惯性以实现所需的惯性。由中心部件4和臂5形成的摆轮1的内部部件非常轻，因为其由硅形成，并且其很大程度上是中空的。由于摆轮的内部部件对惯性的影响小于外围部件，可以实现大惯性/质量比率。因而，具有与传统金属摆轮相同的惯性，摆轮1的总质量更小。尤其，其优点在于其减少了轴承中摆轮的轮轴的枢轴上的摩擦。
在备选实施例中，边缘可以是连续的，即边缘段3、6可以彼此接触。
金属元件3通常由金形成；然而，它们可以由另一金属形成，尤其是具有高密度的另一金属，诸如铂。
硅结构2和金属元件3由微制造或微形成技术形成。因而，摆轮1可以制造具有高度的精度。因而，其惯性是精确的，其将有利于与游丝配对(pairing)，以获得用于时钟机芯的游丝调节设备的所需频率。下文将描述摆轮1的制造过程的实例。
如图2中所示，金属元件3与硅结构2处于相同平面中，并且与后者具有相同的恒定高度。这样，金属元件3可以占据大体积，而不增加摆轮1的高度。然而，作为备选，金属元件3可以延伸超出腔7，例如以便于增强将这些元件3保持在硅结构2中。
如图1和2中所示，通过将由诸如金的软金属材料形成的环形件8设置在硅结构2的中心部件4中并且通过驱动由附图标记9所标记的摆轮的轮轴进入该环形件8，可以将摆轮1安装在其轮轴上。环形件8尺寸适于当将轮轴9驱动进入时变形，并且因而以吸收轮轴9施加的一些应力，以防止硅断裂。在图2中，附图标记10和11标记擒纵(escapement)机构的大滚子和小滚子。
参考图3，根据本发明的用于时钟的自动上条机构的摆陀12包括主硅结构13和金属元件14。硅结构13包括薄的主部件15和较厚的外围部件17，所述薄的主部件15包括孔16，用于将摆陀(oscillatingmass)12安装在轮轴或球轴承上。可以以与摆轮1相同的方式，即使用软材料形成的中间件，将摆陀12安装在其轮轴或其球轴承上。
金属元件14填充厚外围部件17中的各个通孔腔18。金属元件14由密度比硅高的材料形成，例如金或铂。因而，它们使得摆陀12的外围更重，并且增加其不平衡性以获得所需的不平衡性。因而，摆陀12的内部部件15非常轻，因为其由硅制成并且薄。该内部部件15可以挖空，以制成为更轻。由于摆陀的内部部件对不平衡性的影响小于外围部件，可以实现大的不平衡性/质量比率。因而，具有与传统金属摆陀相同的不平衡性，摆陀10的总质量更小。这是有利的，尤其因为其减少了摩擦。下文将描述摆陀12的制造处理的实例。
参考图4和5，根据本发明用于时钟机构的齿轮20包括主硅结构21和环形金属元件22，元件22形成在结构21中的中央通孔腔中。轮轴可以穿过元件22中的中央孔23。选择该中央孔23的直径小于轮轴的直径，以使得通过驱动将齿轮20安装在轮轴上。由于形成元件22的材料、例如金或镍，与硅相反，具有高度可变形性，由轮轴所施加的一些应力将被元件22所吸收，这将防止硅断裂。因而，诸如元件22的一个元件构成局部吸收驱动应力而不削弱部件制造精度的装置，因为如下文中可见，元件22可以通过微制造或微成型技术而形成。
将可见的是，图4、5中所示的诸如元件22的金属元件还可以形成在摆轮1或摆陀12的硅结构的中央腔中，并且可以代替环形件8。
而且，在所示实例中，元件22的高度与硅结构21相同。在备选实施例中，元件22的高度可以高于结构21，以便于限定例如小齿轮，其与齿轮20共轴并且固定地连接至其处。下面描述用于制造这个备选实施例的实例性方法。
图6示出了根据本发明备选实施例的摆陀25。该摆陀25与图3中所示的摆陀12不同，因为金属元件14被形成在由附图标记28所标记的主硅结构的外围表面27上的金属元件26所代替。元件26具有圆弧形，并且在表面27的整个长度和高度上延伸。为了加强元件26和硅结构28之间的连接，可以在外围表面27上提供嵌入在元件26中的锚固突出。下文将描述制造摆陀25的典型方法。以与元件26类似的方式，可以在硅结构的外围表面上连续或不连续地形成环形金属元件，以制造例如摆轮。
图7示意性地示出了制造图1、2和3所示的部件的典型方法。在第一步骤(图7a)中，具有一个或多个腔31的部件的硅结构30，由深反应离子蚀刻(DRIE)形成。出于简化的目的，示出结构30仅具有单一高度。在摆轮1的情况下，单一DRIE步骤是必要的。在摆陀12的情况下，执行两个DRIE步骤，以产生薄部件15和厚部件17。在第二步骤(图7b)中，第一层感光树脂32、金属层33和第二层感光树脂34相继地形成在由例如硅或耐热玻璃所形成的支承板35上。在第三步骤(图7c)中，支承板35以及其层32、33、34和硅结构30粘合地连接在一起，使用感光树脂层34作为粘合剂。在第四步骤(图7d)中，感光树脂34的已暴露部分、即朝向腔31的部分，借助于光刻方法、使用硅结构30作为掩膜而移除。在第五步骤(图7e)，通过从金属层33的已暴露部分电铸(电流增长)，以及通过使用腔31的硅壁作为模具，将金属形成在腔31中。然后，移除板35和层32、33、34(图7f)，留下硅结构30，其中金属元件37形成在初始腔31中，并且执行对平(levelling)操作，例如通过研磨(lapping)，以使得元件37与结构30的高度相同。
在第四和第五步骤期间，可以以本身已知的方式遮蔽一些区域36，以使得其不经受电铸。这些区域36例如是硅部件之间的空区(emptyspace)，其是DRIE处理期间留出的，从而形成障碍物(bar)，保持结构30连接至同时形成在单一板中的其它结构。这些障碍物在制造处理末期断裂以分离部件。
支承板35和硅结构30可以以与上述不同的方式连接在一起(第三步骤；图7c)，例如通过将金属层33热压至结构30(这种情况中，省略了感光树脂层34)或者通过由干燥的液体二氧化硅代替感光树脂层34。
在Debbie G.Jones和Albert P.Pisano发表在美国加利福尼亚州阿纳海姆市的2004 ASME International Mechanical EngineeringCongress and Exposition的Proceedings of IMECE04上的题为“Fabrication of ultra thick ferromagnetic structures insilicon”的文章中，可以发现关于上述方法的更多细节，其中描述了用于在硅中制造铁磁结构的类似方法。
图8示意性地示出了如何能够形成中央环形金属元件诸如图4和5中所示的元件22。图8更精确地示出了如何能够与外围元件同时形成该中央元件。第一至第四步骤分别类似于图7a至7d的步骤。图8a中所示的第五步骤包括使用诸如SU-8树脂的感光树脂填充硅结构30的腔31。第六步骤(图8b)包括通过光刻方法移除该SU-8树脂，除了在相应于中央金属元件中孔的中央腔38的中心部件处。第七步骤(图8c)包括在腔31、38中形成金属。在中央腔38中，该金属仅形成为围绕SU-8树脂的其余部分39。随后，移除支承板35及其层32、33和34(图8d)，并且移除SU-8树脂的其余部分39(图8e)。因而，获得例如用于增加部件惯性的一个或多个外围金属元件40以及例如允许驱动轮轴的中央环形元件41。
图9示意性地示出了制造部件的典型方法，该部件包括诸如图4和5中所示的元件22的环形中央金属元件，但是其具有更高的高度以限定小齿轮。第一至第四步骤分别类似于图7a至7d的步骤。图9a中所示的第五步骤包括在硅结构30的中央腔中形成感光SU-8树脂50，并且超出该腔，至硅结构30的上表面。第六步骤(图9b)包括光构建(photo-structuring)感光树脂50，以使用硅结构30限定腔51，其具有环形中央元件和其小齿轮的形式。第七步骤(图9c)包括在腔51中电铸金属。随后，移除支承板35及其层32、33和34以及感光树脂50(图9d和9e)，留下硅结构30和形成在结构30中并延伸超出该结构30以限定小齿轮22b的环形金属元件22b。中央孔22c穿过组合22a、22b，可以驱动轮轴进入该孔。在备选实施例中，环形元件22a可以限定除了小齿轮之外的其他元件，例如凸轮或计时器心形件(heart-piece)。
图10示意性地示出了如何可以形成图6中所示的摆陀25的金属元件26。在第一步骤中(图10a)，通过两个DRIE步骤形成硅结构28，具有相继的感光树脂层32、金属层33和感光树脂层34的支承板35连接至结构28，移除位于结构28外侧的感光树脂34的部分以暴露金属层33，而后以与图8的部分39相似的方式，在结构28外侧形成感光SU-8树脂42的一部分，以使用硅结构28形成腔43。在随后步骤中(图10b)，在腔43中电铸金属。在随后步骤中(图10c)，移除支承板35及其层32、33、34以及树脂42。
在上述的所有方法中，在电铸步骤之前，基本上由二氧化硅层覆盖硅结构。该层是硅的自然氧化产生的。通过在电铸之前将硅结构放置在氧化炉中，可以增加其厚度。二氧化硅事实上增强了硅的一些机械属性，诸如摩擦系数或机械强度。如果需要，还可以将其他覆层淀积在硅结构上。因而将理解，金属元件并非必须直接接触硅，而是可以接触二氧化硅壁或接触特定覆层。
除了高水平的精度之外，将理解，上述根据本发明的制造部件的方法允许由单板同时形成大量部件。
虽然上面已经关于硅结构描述了本发明，但是其可以应用于能够由微制造技术、尤其由DRIE技术加工的其他材料，诸如金刚石、石英、玻璃或金刚砂。

Claims (27)

1.一种时钟部件，包括由微制造技术形成的结构(2；13；21；28)和由不同于所述结构的材料所形成的至少一个元件(3；14；22；26)，其特征在于，所述元件是金属的，并且被电铸在所述结构中或所述结构外围处。
2.根据权利要求1所述的时钟部件，其特征在于，结构由硅制成。
3.根据权利要求1所述的时钟部件，其特征在于，结构由金刚石、石英、玻璃或金刚砂制成。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的时钟部件，其特征在于，所述元件(3；14；22)填充所述结构(2；13；21)中的腔。
5.根据权利要求1至3中任意一项所述的时钟部件，其特征在于，所述元件(3；14；22；26)位于同一平面中，并且与该结构(2；13；21；28)高度相同。
6.根据权利要求1至3中任意一项所述的时钟部件，其特征在于，所述元件(22a、22b)突出超出该结构(30)的平面。
7.根据权利要求1至3中任意一项所述的时钟部件，其特征在于，其包括摆轮(1)，而所述元件(3)位于结构(2)的外围处并且用于增加摆轮的惯性/质量比率。
8.根据权利要求1至3中任意一项所述的时钟部件，其特征在于，其包括用于自动上条机构的摆陀(12；25)，而所述元件(14；26)位于结构(13；28)的外围处并且用于增加摆陀的不平衡性/质量比率。
9.根据权利要求1至3中任意一项所述的时钟部件，其特征在于，其用于被驱动至支承构件上，并且所述元件(22)包括用于接收该支承构件的中央孔(23)。
10.根据权利要求9所述的时钟部件，其特征在于，所述元件(22a)突出超出该结构(30)的平面，并且在结构(30)的平面外限定小齿轮(22b)、凸轮或计时器心状件。
11.根据权利要求9所述的时钟部件，其特征在于，其包括摆轮(1)或摆陀。
12.根据权利要求9所述的时钟部件，其特征在于，其包括轮(20)。
13.一种制造时钟部件的方法，所述时钟部件包括一个结构(2；13；21；28)和由不同于所述结构的材料所形成的至少一个元件(3；14；22；26)，所述方法的特征在于，所述元件是金属的，并且所述方法包括由微制造技术形成所述结构(2；13；21；28)的步骤、以及在结构中或结构外围处电铸所述元件(3；14；22；26)的另一个步骤，从而最终时钟部件包括所述结构和所述元件。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，形成所述结构的步骤通过使用深反应离子蚀刻技术实现。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，该结构由硅制成。
16.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，结构由金刚石、石英、玻璃或金刚砂制成。
17.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，电铸所述元件的步骤包括在至少部分由结构(30)限定的腔(31；38；43；51)中淀积所述元件的所述材料，其中使用所述腔作为模具。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，腔(31)完全由结构(30)限定。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，腔(38；43；51)部分由结构(30)限定，而部分由感光树脂(39；42；50)限定。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，电铸所述元件(26)的步骤包括在由结构(28)和形成在结构(28)外侧的感光树脂(42)限定的腔(43)中淀积所述元件的所述材料，从而在移除感光树脂(42)之后，在结构(28)的外围表面(27)上形成元件(26)。
21.使用如权利要求13或14所述的方法以制造摆轮(1)的应用，所述元件(3)置于结构(2)的外围处并且用于增加摆轮的惯性/质量比率。
22.使用如权利要求13或14所述的方法以制造用于自动上条机构的摆陀(12；25)的应用，所述元件(14；26)置于结构(13；28)的外围处并且用于增加摆陀的不平衡性/质量比率。
23.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，电铸所述元件(22)的步骤包括将所述元件的所述材料淀积在于其中央部包括感光树脂(39)的结构(30)的腔(38)中，从而在移除感光树脂(39)之后，在腔中形成包括中央孔(23)的元件(22)。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，腔(51)延伸至结构(30)的平面外，并且成型使得在电铸所述元件(22a)的步骤之后，该元件限定小齿轮(22b)、凸轮或计时器心状件。
25.使用如权利要求23所述的方法以制造用于被驱动至支承构件上的时钟部件(20)的应用，使用所述元件(22)的中央孔(23)以接收支承构件。
26.根据权利要求25所述的应用，其特征在于，时钟部件是摆轮或摆陀。
27.根据权利要求25所述的应用，其特征在于，时钟部件是轮。
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