CN102124415A - 钟表的齿轮系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种系统，该系统包括相对于枢转心轴(3)同轴地安装的小齿轮(5)和带齿的轮(7)。根据本发明，齿轮系统(1)包括用于联接所述小齿轮和所述轮的装置(21)，以防止两者相对于彼此运动。本发明还涉及用于制造带齿的轮(7)的方法以及用于所述齿轮系统(1)的最终组装的方法。本发明涉及钟表。
Description
技术领域
本发明涉及用于钟表的例如为硅-金属的复合齿轮系统(传动装置系统，gear system)，更具体地，本发明涉及包括能够防止剪切应力的紧固装置的这类系统。
背景技术
为了防止剪切应力，在钟表学领域中已知使用具有多边形、即非圆形截面的心轴，以便驱动其心轴孔具有匹配所述多边形截面的形状的部件旋转。但是，尤其是在齿轮系的情况下，此构造在心轴中引入了非对称性，这对于钟表机芯的等时性是不利的，并且要求固定在相同心轴上的其它齿轮系采用同样形状的心轴孔。
此外，在复合钟表构件、即包括两种材料的构件的情况下，例如在带齿的轮-小齿轮类型的齿轮系统的情况下，如果其中一种材料包括非常受限的塑性范围区域，比如结晶硅、结晶氧化铝或结晶二氧化硅，则难以将该构件附接到多边形心轴上而不对该构件造成损坏。
发明内容
本发明的一个目标是通过提出一种包括能够防止剪切应力、而且能够适配于具有圆形截面的圆柱形心轴的紧固装置的齿轮系统，来克服前述缺陷的全部或一部分。
因此，本发明涉及一种包括相对于枢转的心轴同轴地安装的小齿轮和带齿的轮的齿轮系统，其特征在于，该齿轮系统包括位于所述小齿轮和所述轮之间的以防止相对于彼此的任何相对运动的紧固装置。
根据本发明的其它有利特征：
-该紧固装置包括其形状至少部分地匹配所述小齿轮的截面的凹坑或造型(pattern)凹腔，该凹坑或造型凹腔在所述轮的轮毂上制成以将所述小齿轮和所述轮紧固成一起旋转；
-该凹坑在所述轮毂的厚度的一部分中制成，以便通过部分地包围小齿轮来阻止任何相对运动；
-该心轴大致为具有圆形截面的圆柱形；
-该心轴和小齿轮由金属材料制成；
-该小齿轮与心轴成一体；
-所述带齿的轮由可微机械加工材料制成；
-可微机械加工材料选自结晶硅、结晶氧化铝和结晶二氧化硅。
-该紧固装置进一步包括安装在所述轮和小齿轮之间以便提高所述装置的紧固力的粘附或粘结材料。
本发明还涉及一种钟表，其特征在于，所述钟表包括根据前述任一变型的齿轮系统。
本发明最后涉及一种用可微机械加工材料以多个层级制造钟表构件的方法，该方法包括以下步骤：
a)提供由可微机械加工材料制成的基板；
b)在所述基板的表面上构造包括第一造型的掩模；
其特征在于，所述方法包括以下步骤：
c)在所述基板的表面和所述第一掩模上构造第二掩模，所述第二掩模包括小于所述第一掩模的第一造型的第二造型；
d)执行各向异性蚀刻以便在基板的第一厚度上蚀刻第二造型；
e)去除第二掩模；
f)执行第二各向异性蚀刻，以便继续沿第二造型的蚀刻并且开始在基板的第二厚度上沿第一造型进行蚀刻；
g)去除第一掩模；
h)从基板释放钟表构件。
根据本发明的其它有利特征：
-通过基板的整个厚度蚀刻第二造型；
-第二造型具有其轮毂包括心轴孔的带齿的轮的形状；
-第一造型具有带齿的环的形状，并且在基板的厚度中被部分地蚀刻；
-第一掩模由氧化硅制成，第二掩模由感光树脂制成；
-在相同基板上制造多个构件。
附图说明
从下文参照附图作为非限制性举例给出的描述中，其它特性和优点将变得清晰，在附图中：
-图1至6是根据本发明在钟表构件的制造中的连续步骤的图；
-图7至9是根据本发明在齿轮系统的最后组装中的连续步骤的图。
具体实施方式
如图7至9所示，本发明涉及一种总体上由1指示的齿轮系统。该齿轮系统包括心轴3、小齿轮5和带齿的轮7。在图7至9所示的示例中，小齿轮5和轮7用于同轴地安装在相同心轴3上。这种类型的齿轮系统1可例如应用于擒纵轮或拨针轮副(transmission wheel set)。当然，本发明可应用于其它钟表构件或非钟表学构件。
如图7至9所示，心轴3大致为具有圆形截面的圆柱形，即对于以常规方式安装在两个支承件/轴承(未示出)之间具有非常好的对称性，如上文所述。
小齿轮5具有圆柱形的主体，其内径截面大致匹配心轴3的外径。小齿轮5包括从所述主体沿径向延伸以便与另一带齿构件(未示出)协作的翼部9。在图7至9所示的示例中，小齿轮5具有大约二十个翼部9，但是，根据齿轮系统1的应用，该数量可更大或更小。
轮7包括轮缘11、被多边形的或圆柱形的心轴孔15穿透的轮毂13、以及连接所述轮毂和所述轮缘的四个臂17。如图7至9中所示，轮缘11具有从所述轮缘沿径向延伸以便与另一带齿构件(未示出)协作的周边齿圈19。当然，根据应用，连接轮缘11和轮毂13的臂17的数量可更小或更大。
根据本发明，轮毂13优选地包括紧固装置21，该紧固装置21用于防止轮7相对于小齿轮5的任何相对移动，以便减少剪切应力。根据本发明，紧固装置21主要包括在轮毂13上形成的造型凹腔23，该造型凹腔23用于通过部分地覆盖小齿轮5的下部而与小齿轮5的下部协作。
优选地，如图7至9所示，造型凹腔23是在轮毂13中挖出的。此外，造型凹腔23包括至少部分地匹配小齿轮5的下部的截面的形状，即包括齿圈的环，在所述小齿轮的高度的一部分上小齿轮5的翼部9和主体的至少一部分装配到该齿圈中。因此，清楚的是，当小齿轮5的下部滑入造型凹腔23时，该组件限制小齿轮5和轮7之间的任何角位移，从而防止任何剪切应力。
在图7至9所示的示例中，造型凹腔23具有精确匹配小齿轮5的截面的形状。但是，清楚的是，造型凹腔23可包括比小齿轮5的翼部9更少的齿，并且仍可防止任何剪切应力。这种造型凹腔可例如包括这样的齿圈，即，该齿圈包含的齿数是小齿轮5具有的翼部9的二分之一。
优选地，齿轮系统1为复合类型，即齿轮系统1由至少两种类型的材料形成。因此，其中一个构件优选地由可微机械加工的材料形成，而其它构件由金属材料形成。根据本发明，使用可微机械加工的材料以便受益于小于1微米的制造精度。此材料可包括结晶硅、结晶氧化铝或结晶二氧化硅。当其它构件不需要具有比金属材料能够实现的尺寸精度更精确的尺寸时，所述其它构件优选地由金属材料制成。
根据本发明，轮7优选地由可微机械加工的材料形成，而心轴3和小齿轮5由金属材料、例如钢或黄铜制成。此构造可尤其用于擒纵轮类型的应用，以便获得非常精确的推动齿圈19以及造型凹腔23。实际上，如图7中可见，轮7具有用于造型凹腔23的中间蚀刻深度以及用于该构件的其余部分的全部蚀刻。
根据本发明的一种变型，紧固装置21进一步包括安装在凹坑23和小齿轮5之间的粘结材料，以便提高所述装置的紧固力。此材料可例如是焊料或粘合剂。实际上，使用粘结材料的连接通常在牵引方面表现很好而在剪切方面表现差。因此清楚的是，由于紧固装置21的构造，紧固力受益于粘结材料的所述牵引优势以及由于造型凹腔23局部覆盖产生的剪切优势。
粘结材料可例如被置于造型凹腔23的底部和小齿轮5的底部之间。粘结材料同样也可置于翼部9的周边与造型凹腔23的齿圈之间。当造型凹腔23的形状没有精确匹配小齿轮5的截面时，如上所述，则此后一种构造尤其有利。
现在将参照图1至6说明用可微机械加工材料以多个层级制造构件的方法。如前文所述，由可微机械加工材料制成的构件优选地为带齿的轮7。为了简化所述附图并且专注于说明多个层级的蚀刻，在横截面图中仅示出轮毂13的一部分。当然，除了被贯穿蚀刻的心轴孔15之外，其它凹腔也贯穿地制成以便界定轮毂13、臂17、轮缘11和齿圈19。
在第一步骤中，如图1所示，提供由可微机械加工的材料、优选地例如结晶硅、结晶氧化铝或结晶二氧化硅制成的基板31。此步骤可包括对于基板31的机械和/或化学背部研磨抛光(backlapping)，以使基板31的厚度eT适配于最终构件、即轮7的厚度。
在第二步骤中，在基板31的顶部上构造第一保护掩模33。此步骤可例如这样实现：在基板31的表面处进行选择性氧化以便生长氧化硅，以使所述掩模形成确定的高度。如从图2可见，掩模33示出将在基板31的厚度的一部分e2上蚀刻的造型凹腔23的造型32。
在第三步骤中，重叠在第二步骤中制成的掩模33上构造第二保护掩模35。此步骤可通过对感光树脂的光刻来进行。则在第一阶段中，在基板31和保护掩模33上沉积感光树脂。然后在第二阶段中，使用通过部分不透明掩模的照射来对该树脂选择性地暴露/曝光。最后，被选择性照亮的感光树脂显影从而仅留下保护掩模35，如图3中所示，该掩模35示出将在基板31的厚度中蚀刻的轮7的心轴孔25和其它贯穿凹腔的造型34。
根据一个变型，第二掩模35还可通过如下方式制成，即，选择性氧化基板31的表面以便生长氧化硅，以使所述掩模形成预定的高度。
在第四步骤中，如图4所示，沿第二保护掩模35的造型34在基板31上执行各向异性蚀刻。该蚀刻可以是干的或湿的。优选地，将使用深反应离子蚀刻(DRIE)。如上文所述，该蚀刻意味着轮7的心轴孔15以及其它贯穿凹腔可以开始被蚀刻。如图4所示，在该蚀刻结束时，基板31在其厚度eT的一部分e1上沿造型34被蚀刻。
在第五步骤中，去除第二掩模35。根据第二掩模35的性质，此步骤可分别包括去除所构造的树脂或者蚀刻氧化硅层直至造型32被暴露。
在第六步骤中，在基板31上沿第一保护掩模33的造型32执行第二各向异性蚀刻。此蚀刻也可以是干的或湿的。以类似于第四步骤的方式，第二蚀刻继续进行心轴孔15的蚀刻以及轮7的其它贯穿孔的蚀刻，并且开始造型凹腔23的蚀刻。如图5所示，在第二蚀刻结束时，基板31在其整个厚度eT上沿造型34被蚀刻，并且在其厚度的一部分e2上沿造型32被蚀刻。
根据本发明，优选地，如图3或4所示，第二掩模35的造型34的截面在轮毂13处小于第一掩模33的造型32的截面。这意味着造型34可被单独蚀刻，然后造型34和32可被共同蚀刻。在第七和最终步骤中，从基板31释放完成的轮7。
通过阅读钟表构件7的制造方法，清楚的是，根据基板31的总厚度eT以及造型凹腔23的深度e2，可从中推断出在第四步骤中必须进行的最小蚀刻深度e1，以便在基板31的整个厚度中蚀刻界定了轮毂13、臂17、轮缘11和齿圈19的心轴孔15以及其它凹腔。还清楚的是，有利地，该制造方法使得能够在相同基板31上制造多个构件7。
现在将参照图7至9说明最终组装方法。首先，必须将小齿轮5固定地安装在心轴3上。优选地，根据本发明，为了简化所述组装方法，以及还为了限制小齿轮5和心轴3之间的任何滑动，小齿轮5和心轴3形成一体以便形成单个部件。当然，其它类型的组装也是可以的，例如钉入、粘结或焊接。
在第二步骤中，将小齿轮5-心轴3的组件安装在根据上述制造方法制造的、在示例中为带齿的轮的钟表构件7上，以便形成复合齿轮系统1。在第一阶段，使小齿轮5-心轴3的组件朝构件7移动，以便心轴3的下端与轮7的心轴孔15相对，如图7所示。在第二阶段中，继续朝构件7移动，心轴3以推入配合方式滑动穿过心轴孔15，如图8所示，最后，在第三阶段，小齿轮5的底部装配到在轮7的轮毂13中挖出的凹坑23中。
如上文所述，根据本发明的一个变型，可使用粘结材料来提高紧固小齿轮5和轮7的力。在此变型中，可添加两个附加阶段。在最终组装方法的第二阶段和第三阶段之间的中间阶段可包括将所述材料沉积在造型凹腔23的底部中。此材料可以是焊料和/或粘合剂例如聚合物粘合剂。则最终阶段可在第三阶段之后，并且将例如通过使所述焊料熔化和/或使所述粘合剂聚合来使粘结材料起作用。
还可设想两个最终阶段。第一最终阶段可包括将所述材料沉积在造型凹腔23的齿圈和小齿轮5的翼部9之间。此材料也可以是焊料和/或粘合剂例如聚合粘合剂。则第二最终阶段将例如通过使所述焊料熔化和/或使所述粘合剂聚合来使粘结材料起作用。如上所述，当造型凹腔23的形状没有精确匹配小齿轮5的截面时，此实施例尤其有利。
如图9中所示，由此获得带齿的轮和小齿轮类型的复合齿轮系统1，该复合齿轮系统1可集成在钟表中，并且包括由可微机械加工材料制成的轮7，该轮7的轮缘11具有齿圈19，并且该轮7的轮毂13利用紧固装置21有利地联接到心轴3-小齿轮5的组件。
当然，本发明并不局限于所举出的示例，并且可具有本领域技术人员可想到的各种变型和修改。特别地，造型凹腔23可至少部分地从轮毂13突出。实际上，这将增大心轴3和轮毂13之间的接触区域，从而将改进对轮7相对于心轴3的引导。所述接触区域甚至可匹配轮7的总高度，则造型凹腔23将从轮7的轮毂13完全突出，而不是至少部分地凹进。
Claims (16)
1.一种齿轮系统(1)，包括相对于枢转的心轴(3)同轴地安装的小齿轮(5)和带齿的轮(7)，以及位于所述小齿轮和所述轮之间以便防止两者相对于彼此的任何相对运动的紧固装置(21)，其特征在于，所述紧固装置(21)包括造型凹腔(23)，所述造型凹腔(23)的形状至少部分地匹配所述小齿轮的截面，所述造型凹腔(23)在所述轮的轮毂(13)上制成以便将所述小齿轮和所述轮紧固成一起旋转。
2.根据权利要求1的系统(1)，其特征在于，所述造型凹腔(23)在所述轮毂的一部分厚度(e2)中制成，以便通过部分地包围小齿轮(5)来阻止任何相对运动。
3.根据前述任一项权利要求的系统(1)，其特征在于，所述心轴(3)大致为具有圆形截面的圆柱形。
4.根据前述任一项权利要求的系统(1)，其特征在于，所述心轴(3)和小齿轮(5)由金属材料制成。
5.根据前述任一项权利要求的系统(1)，其特征在于，所述小齿轮(5)与心轴(3)成一体。
6.根据前述任一项权利要求的系统(1)，其特征在于，所述带齿的轮(7)由可微机械加工材料制成。
7.根据权利要求6的系统(1)，其特征在于，所述可微机械加工材料选自结晶硅、结晶氧化铝和结晶二氧化硅。
8.根据前述任一项权利要求的系统(1)，其特征在于，所述紧固装置(21)进一步包括安装在轮(7)和小齿轮(5)之间的粘结材料，以便提高所述装置的紧固力。
9.一种钟表，其特征在于，所述钟表包括根据前述任一项权利要求的齿轮系统(1)。
10.一种用可微机械加工材料在多个层级上制造齿轮系统的构件(7)的方法，所述方法包括以下步骤：
a)提供由可微机械加工材料制成的基板(31)；
b)在所述基板的表面上构造包含第一造型(32)的掩模(33)；
其特征在于，所述方法包括以下步骤：
c)在所述基板的表面和所述第一掩模(33)上构造第二掩模(35)，所述第二掩模(35)包含小于所述第一掩模的第一造型(32)的第二造型(34)；
d)执行各向异性蚀刻以便在基板(31)的第一厚度(e1)上蚀刻第二造型(34)；
e)去除第二掩模(35)；
f)执行第二各向异性蚀刻，以便继续沿第二造型(34)进行蚀刻并且开始在基板(31)的第二厚度(e2)上沿第一造型(32)进行蚀刻；
g)去除第一掩模(33)；
h)从基板(31)释放钟表构件(7)。
11.根据权利要求10的方法，其特征在于，所述第二造型(34)在基板(31)的整个厚度(eT)中被蚀刻。
12.根据权利要求11的方法，其特征在于，所述第二造型(34)具有带齿的轮(7)的形状，该轮的轮毂(13)包括心轴孔(15)。
13.根据权利要求10-12中任一项的方法，其特征在于，所述第一造型(32)具有带齿的环(23)的形状，所述环(23)在基板(31)的厚度(e2)中被部分地蚀刻。
14.根据权利要求10-13中任一项的方法，其特征在于，所述第一掩模(33)由氧化硅制成，第二掩模(35)由感光树脂制成。
15.根据权利要求10-13中任一项的方法，其特征在于，所述第一掩模(33)和第二掩模(35)由氧化硅制成。
16.根据权利要求10-15中任一项的方法，其特征在于，在相同基板(31)上制造多个构件(7)。
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