CN101978327B - 复合摆轮及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在基于硅的材料的层(21)中制成的复合摆轮(45，45’)，该复合摆轮包括通过至少一个臂(40，41，42，43)连接至轮缘(37，37’)的轮毂(39，39’)，根据本发明，所述轮缘(37，37’)包括至少一个基本具有带凹口的环(23，23’)的形状的附加部分，该带凹口的环与所述基于硅的材料相比具有较大的密度，以用于增加所述摆轮的惯性。本发明还涉及用于制造这种摆轮的方法。本发明属于钟表机芯领域。

Description

复合摆轮及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种摆轮及其制造方法，更具体地涉及一种复合摆轮。

背景技术

时计的调节元件通常包括称为摆轮的惯性轮和称为游丝的谐振器。这些部件对时计的工作品质具有决定作用。实际上，它们调节机芯，即，它们控制机芯的频率。

摆轮和游丝性质上不同，这使得制造调节元件极为复杂，所述制造包括摆轮和游丝的制造以及这两个部件的谐振装配。

因此，摆轮已采用多种材料制造，但未解决与摆轮所属于的调节元件中的温度变化相关的等时性困难。

发明内容

本发明的目的是通过提出一种复合摆轮来克服上面所列举的所有或部分缺点，可更简单地调节该复合摆轮随温度变化的特征，并且可通过包括较少步骤的制造方法获得该复合摆轮。

因此，本发明涉及一种在基于硅的材料层中形成的复合摆轮，该复合摆轮包括通过至少一个臂连接至轮缘的轮毂，其特征在于，所述轮缘包括至少一个用于增加所述摆轮的惯性的、近似地为带凹口的环的形状的附加部分，所述环与所述基于硅的材料相比具有较大的密度。

根据本发明的其它有利特征：

-所述至少一个附加部分安装在轮缘的其中一个主面上，其使惯性调节增强；

-所述至少一个附加部分安装在在轮缘的其中一个主面中制成的凹部中；

-所述至少一个附加部分从轮缘的其中一个主面突出；

-所述至少一个附加部分包括一系列柱，所述柱以规则的间隔隔开，以补偿在所述至少一个附加部分中的任何热膨胀；

-所述至少一个附加部分从诸如金的金属材料形成，所述金属材料与硅相比具有高得多的密度；

-所述轮毂包括至少一个用于接纳摆轮轴的第二附加部分，所述摆轮轴被压入该第二附加部分中；

-所述至少一个第二附加部分安装在轮毂的其中一个主面上；

-所述至少一个第二附加部分安装在在轮毂的其中一个主面中制成的凹部中；

-所述至少一个第二附加部分从轮毂的其中一个主面突出；

-所述至少一个第二附加部分近似为筒形；

-所述至少一个第二附加部分从金属材料形成；

-所述至少一个臂为细长的，以便允许其在有任何震动传递到摆轮上的情况下沿轴向和/或径向变形。

本发明还涉及一种时计，其特征在于，该时计包括根据前述变型中的任一个的摆轮。

最后，本发明涉及一种摆轮的制造方法，该方法包括如下步骤：

a)提供由基于硅的材料制成的衬底；

该方法特征在于，还包括如下步骤：

b)在衬底上选择性地沉积至少一个金属层，以限定所述摆轮的至少一个金属部分的造型/样式；

c)在衬底中选择性地蚀刻至少一个凹腔，以限定包括所述至少一个金属层的摆轮的造型；

d)从衬底释放摆轮。

根据本发明的其它有利特征：

-步骤b)包括步骤e)：至少部分地在衬底的表面上通过连续的金属层来生长沉积物，以便形成用于增加由基于硅的材料制成的摆轮的质量的金属部分和/或用于接纳被压入其中的心轴的金属部分；

-步骤b)包括步骤f)：在衬底中选择性地蚀刻至少一个凹腔，以用于接纳所述至少一个金属部分，和步骤g)：至少部分地在所述至少一个凹腔中通过连续的金属层来生长沉积物，以便形成用于增加由基于硅的材料制成的所述第三部分的质量的金属部分和/或将在其中压入心轴的金属部分；

-步骤b)包括最终步骤h)：抛光金属沉积物；

-多个复合摆轮在相同的衬底上制成，这可实现批量制造。

附图说明

从下面参照附图以非限制性示例给出的描述，本发明的其它特征和优点将十分清楚，其中：

-图1和图2示出根据第一实施例的制造方法的连续步骤的视图；

-图3至图5示出根据第二实施例的方法的连续步骤的视图；

-图6和图7是根据第一实施例的复合摆轮的透视图；

-图8和图9是根据第二实施例的复合摆轮的透视图；

-图10是本发明的方法的流程图。

具体实施方式

本发明涉及一种用于制造时计机芯的摆轮45、45’的方法，该方法总体上用1标出。如图1至图5和图10所示，方法1包括用于形成至少一类复合摆轮、即优选地由诸如硅和金属的两种不同材料形成的摆轮的连续步骤。

参照图1、3和10，第一步骤3包括提供包含硅层的衬底21。优选地在该步骤3中，如在图1和3中所见，衬底21选择为使得其厚度与所期望的摆轮45、45’的硅部分的厚度大致匹配。因此，衬底21的厚度可例如在100-400μm之间。

有利地根据本发明，在第一步骤3之后，方法1可包括两个如在图10中所示出的实施方式19、20。

根据第一实施方式19，在第二步骤5中，如在图1中所示，方法1包括执行LIGA工艺(德语名为“Galanoformung &Abformung”)，该工艺包括使用选择性光致结构化的(photostructured)树脂在衬底21上以特定的形状电镀金属的一系列步骤。由于此LIGA工艺是众所周知的，这里将不再进行详细的描述。然而，所沉积的金属可以是例如金或镍或这些金属的合金。

在图1所示的示例中，步骤5可包括沉积带凹口的环23和/或筒体25。在图1所示的示例中，环23包括一系列大致形成圆弧形状的柱22，并有利地用于增加将来的摆轮45的质量。事实上，硅的优点之一为对温度变化的不敏感性。然而，其具有密度低的缺点。

因此，本发明的第一特征在于使用通过电镀获得的金属来增加摆轮45的质量，从而增加将来的摆轮45的惯性。然而，为了保持硅的优点，沉积在衬底21上的金属包括在各柱22之间的空间，该空间可用于补偿环23的任何热膨胀，同时避免将任何与这种膨胀相关的应力传递到硅上。

在图1所示的示例中，筒体25用于接纳摆轮轴，该摆轮轴被有利地压入该筒体中。事实上，硅的另一缺点为其具有非常小的弹性和塑性区域，这意味着硅是非常脆的。因此，本发明的另一特征在于，并非抵靠硅来紧固摆轮轴，而是在步骤5期间被电镀的金属筒体25的内径24上紧固摆轮轴。

有利地，根据方法1，通过电镀获得的筒体25允许关于其几何形状具有完全的自由度。因此，特别地，内径24不必须为圆形的，而例如可以是多边形的，这可改善与具有匹配形状的心轴一起旋转时的力的传递。

在第三步骤7中，如图2所示，例如通过DRIE方法在硅衬底21中选择性地蚀刻凹腔26至34。

凹腔26至34优选地形成将来的摆轮45的造型35。如在图2的示例中所示出的，所获得的造型35包括通过四个臂40至43连接至轮毂39的轮缘37。然而，有利地根据方法1，在衬底21上的蚀刻允许关于造型35的几何形状具有完全的自由度。因此，特别地，臂的数量和几何形状可不相同，并且边缘不必须为圆形的，而可以例如为椭圆形的。另外，臂可为较细长的，以允许它们在有任何震动传递到摆轮45上的情况下沿轴向和/或径向变形。

还应当注意，在轮毂39中制成的凹腔34与金属筒体25的内径24一起形成可接纳心轴的中空空间。最后应当注意，材料桥接件36形成为将造型35保持在衬底21上。

根据实施方式19，方法1以最终步骤9结束，该步骤9包括从衬底21释放被制造的摆轮45。有利地，步骤9可简单地通过向摆轮45施加足够的力以破坏其材料桥接件36来实现。此力可例如通过机加工或通过操作者手动产生。

在最终步骤9之后，如图6和7的示例中所示出的，获得主要由硅形成的摆轮45，该摆轮带有一个或两个金属部分23、25。因此清楚的是，摆轮45为复合类型的，其至少具有两种类型的材料，并且该摆轮被制成一体件，其中元件35和元件23和/或25在不被破坏的情况下不能被分开。摆轮45包括通过四个臂40、41、42和43沿径向连接至轮缘37的轮毂39。轮毂39还有利地沿轴向连接至金属筒体25，并且轮缘37包括在其主面的一部分上的带凹口的环23。

根据第二实施方式20，方法1包括第二步骤11，如图3所示，其中例如通过DRIE方法在硅衬底21的一部分厚度中选择性地蚀刻凹腔38和/或44。这些凹腔38、44形成可用作至少一个金属部分23’、25’的容器的凹部。如在图3所示的示例中，所获得的凹腔38和44可分别采用环或盘的形式。

有利地，根据方法1，通过蚀刻所获得的凹腔38和/或44关于它们的几何形状具有完全的自由度。因此，特别地，凹腔38和/或44不必须为圆形的，而可以例如是多边形的。

在第三步骤13中，如图4所示，方法1包括执行电生长(galvanicgrowth)或LIGA工艺，用于以特定的金属形状填充凹腔38和/或44。优选地，所沉积的金属可例如是金或镍或这些金属的合金。

在图4所示的示例中，步骤13可包括在凹腔38中沉积带凹口的环23’和/或在凹腔44中沉积筒体25’。另外，在图4所示的示例中，环23’具有一系列大致为圆弧的柱22’，并有利地用于增加将来的摆轮45’的质量。事实上，如已在上文说明的，硅的一个缺点为密度低。

因此，与实施方式19一样，本发明的一个特征在于，使用通过电镀所获得的金属来增加摆轮45’的质量，这增加了将来的摆轮45’的惯性。然而，为了保持硅的优点，被电镀在衬底21上的金属包括在各柱22’之间的空间，该空间可用于补偿环23’中的任何热膨胀，同时防止将任何与这种膨胀相关的应力传递到硅上。

在图4所示的示例中，筒体25’用于接纳摆轮轴，该摆轮轴有利地被压入该筒体中。事实上，如已在上面说明的，本发明的一个有利特征在于，并非抵靠硅来紧固摆轮轴，而是在步骤13期间被电镀的金属筒体25’的内径24’上紧固摆轮轴。有利地，根据方法1，被电镀的筒体25’允许关于其几何形状具有完全的自由度。因此，特别地，内径24’不必须为圆形的，而可以例如是多边形的，这可改善与具有匹配形状的心轴一起旋转时的力的传递。

优选地，方法1可包括由图10中的虚线示出的第四步骤15，该第四步骤15包括抛光在步骤13期间制成的金属沉积物23’、25’，以使它们平整。

在第五步骤17中，如图5所示，例如通过DRIE工艺在硅衬底21中选择性地蚀刻凹腔26’至34’。

这些凹腔26’至34’优选地形成将来的摆轮45’的造型35’。如在图5的示例中所示出的，所获得的造型35’包括通过四个臂40’至43’连接至轮毂39’的轮缘37’。然而，有利地根据方法1，在衬底21上的蚀刻允许关于造型35’的几何形状具有完全的自由度。因此，特别地，臂的数量和几何形状可不相同，并且边缘不必须为圆形的，而可以例如为椭圆形。另外，臂可为较细长的，以允许它们在有任何震动传递到调节元件45’上的情况下沿轴向和/或径向变形。

还应当注意，在轮毂39’中制成的凹腔34’与金属筒体25’的内径24’一起形成可接纳心轴的中空空间。最后应当注意，材料桥接件36’形成为将造型35’保持在衬底21上。

与实施方式19一样，实施方式20以最终步骤9结束，该最终步骤9包括从衬底21释放被制造的摆轮45’。有利地，步骤9简单地通过向摆轮45’施加足够的力以破坏其材料桥接件36’来实现。此力可例如通过机加工或通过操作者手动产生。

在最终步骤9之后，如在图8和图9的示例中所示出的，获得主要由硅形成的摆轮45’，该摆轮带有一个或两个金属部分23’、25’。因此清楚的是，摆轮45’为复合的，其至少包括两种类型的材料，并且该摆轮被制成一体件，其中元件35’和元件23’和/或25’在不被破坏的情况下不能被分开。摆轮45’包括通过四个臂40’、41’、42’和43’沿径向连接至轮缘37’的轮毂39’。轮毂39’还有利地包括金属筒体25’。最后，轮缘37’包括带凹口的环23’。

有利地，根据上面描述的本发明的方法1，清楚的是，多个摆轮45、45’可在相同的衬底21上制成，这可实现批量生产。

当然，本发明不限于所示出的示例，而能够进行各种变型和修改，这些变型和修改对于本领域技术人员将是清楚的。特别地，根据实施方式19、20的轮毂39、39’可不包括金属压入筒体25、25’。则筒体25、25’可例如由在硅制的轮毂39、39’中蚀刻的弹性装置代替，并可采用作为参考结合在此的EP专利No.1655642的图10A至10E中所公开的那些形式或EP专利No.1584994的图1、3和5中所公开的那些形式。

还可使在实施方式19和20中被电镀的金属部分25、25’颠倒，即，实施方式19的突出部分25可由实施方式20的集成部分25’代替，反之亦然(这仅需方法1做最少的调整)，或者甚至使集成在轮毂中的部分25’从衬底21突出。

根据类似的推理，还可使在实施方式19和20中被电镀的金属部分23、23’颠倒，即，实施方式19的突出部分23可由实施方式20的集成部分23’代替，反之亦然，或者可使集成在轮缘中的部分23’从衬底21突出。

另外，在释放步骤9之后，方法1还可有利地提供调整摆轮45、45’的惯性的步骤。该步骤可包括例如通过激光蚀刻凹部，所述凹部在轮缘37、37’的周向壁中制成和/或在被电镀的金属部分23、23’上制成。相反地，还可设想将惯性块调节结构用于增加摆轮45、45’的惯性。

最后，还可在步骤5和步骤7之间执行类似步骤15的抛光步骤。

Claims (21)

1.一种复合摆轮(45，45’)，所述复合摆轮在基于硅的材料的层(21)中形成，并包括通过至少一个臂(40，41，42，43)连接至轮缘(37，37’)的轮毂(39，39’)，其特征在于，所述轮缘(37，37’)包括大致为带凹口的环(23，23’)的形状的至少一个附加部分，该带凹口的环与所述基于硅的材料相比具有较大的密度以增加所述复合摆轮的惯性。

2.根据权利要求1所述的复合摆轮，其特征在于，所述至少一个附加部分(23)安装在所述轮缘(37)的其中一个主面上。

3.根据权利要求1所述的复合摆轮，其特征在于，所述至少一个附加部分(23’)安装在在所述轮缘(37)的其中一个主面中制成的凹部(38)内。

4.根据权利要求3所述的复合摆轮，其特征在于，所述至少一个附加部分(23’)从所述轮缘(37)的其中一个主面突出。

5.根据权利要求1所述的复合摆轮，其特征在于，所述带凹口的环(23，23’)包括一系列柱(22，22’)，所述柱以规则的间隔隔开，以补偿在所述至少一个附加部分(23，23’)中的任何热膨胀。

6.根据权利要求1所述的复合摆轮，其特征在于，所述至少一个附加部分(23，23’)从金属材料形成。

7.根据权利要求1所述的复合摆轮，其特征在于，所述轮毂(39，39’)包括至少一个用于接纳摆轮轴的第二附加部分(25，25’)，该摆轮轴被压入该第二附加部分中。

8.根据权利要求7所述的复合摆轮，其特征在于，所述至少一个第二附加部分(25)安装在所述轮毂(39)的其中一个主面上。

9.根据权利要求7所述的复合摆轮，其特征在于，所述至少一个第二附加部分(25’)安装在在所述轮毂(39)的其中一个主面中制成的凹部(44)内。

10.根据权利要求9所述的复合摆轮，其特征在于，所述至少一个第二附加部分(25’)从所述轮毂(39)的其中一个主面突出。

11.根据权利要求7所述的复合摆轮，其特征在于，所述至少一个第二附加部分(25，25’)基本为筒形。

12.根据权利要求7至11中的任一项所述的复合摆轮，其特征在于，所述至少一个第二附加部分(25，25’)从金属材料形成。

13.根据权利要求1所述的复合摆轮，其特征在于，所述至少一个臂(40，41，42，43)为细长的，以便所述至少一个臂能够在有任何震动传递到复合摆轮(45，45’)上的情况下沿轴向和/或径向变形。

14.一种时计，其特征在于，该时计包括根据前述权利要求中的任一项所述的复合摆轮(45，45’)。

15.一种制造复合摆轮(45，45’)的方法(1)，该方法包括如下步骤：

a)提供基于硅的材料制成的衬底(21)；

其特征在于，该方法还包括如下步骤：

b)在所述衬底(21)上选择性地沉积至少一个金属层(23，23’，24，24’)，以限定所述复合摆轮的至少一个金属部分的造型；

c)在所述衬底(21)中选择性地蚀刻至少一个凹腔(26，27，28，29，30，31，32，33，34，26’，27’，28’，29’，30’，31’，32’，33’，34’)，以限定包括所述至少一个金属层的所述复合摆轮(45，45’)的造型(35，35’)；

d)从所述衬底(21)释放所述复合摆轮(45，45’)。

16.根据权利要求15所述的制造复合摆轮(45，45’)的方法(1)，其特征在于，步骤b)包括如下步骤：

e)至少部分地在所述衬底(21)的表面上通过连续的金属层来生长沉积物，以便形成用于增加所述复合摆轮(45)的质量的金属部分(23)。

17.根据权利要求15所述的制造复合摆轮(45，45’)的方法(1)，其特征在于，步骤b)包括如下步骤：

e’)至少部分地在所述衬底(21)的表面上通过连续的金属层来生长沉积物，以便形成用于接纳被压入其中的心轴的金属部分(25)。

18.根据权利要求15所述的制造复合摆轮(45，45’)的方法(1)，其特征在于，步骤b)包括如下步骤：

f)在所述衬底(21)中选择性地蚀刻至少一个凹腔(38)，以用于接纳所述至少一个金属部分；

g)至少部分地在所述至少一个凹腔中通过连续的金属层来生长沉积物，以便形成用于增加所述复合摆轮(45’)的质量的金属部分(23’)。

19.根据权利要求15所述的制造复合摆轮(45，45’)的方法(1)，其特征在于，步骤b)包括如下阶段：

f’)在所述衬底(21)中选择性地蚀刻至少一个凹腔(44)，以用于接纳所述至少一个金属部分；

g’)至少部分地在所述至少一个凹腔中通过连续的金属层来生长沉积物，以便形成用于接纳被压入其中的心轴的金属部分(25’)。

20.根据权利要求15所述的制造复合摆轮(45，45’)的方法(1)，其特征在于，在步骤b)之后是如下步骤：

h)抛光金属沉积物(21)。

21.根据权利要求15至20中的任一项所述的制造复合摆轮(45，45’)的方法(1)，其特征在于，多个复合摆轮(45，45’)在相同的衬底(21)上制成。

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