CN104769510B - 用于形成柔性多稳态元件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于形成柔性多稳态元件(5)的方法，包括：蚀刻硅部件(S)，在该硅部件中，梁(P)连接刚性质量块(MU)的两端(E1；E2)，该刚性质量块的横截面是所述梁(P)的横截面的至少十倍以上；在1100℃生长SiO2一段时间，对该段时间进行调整，以便对于所述梁(P)实现：由SiO2形成的第一外周层(CP1)的横截面与由硅形成的第一芯部(A1)的横截面之间的第一比率(RA)大于1，并且对于质量块(MU)实现：由SiO2形成的第二外周层(CP2)的横截面与由硅形成的第二芯部(A2)的横截面之间的第二比率(RB)小于所述第一比率(RA)的百分之一；冷却到环境温度，以便在所述质量块(MU)的冷却期间使梁(P)屈曲，所述质量块的收缩大于梁(P)的收缩。
Description
技术领域
本发明涉及用于形成柔性双稳态条带的两种方法。
本发明涉及钟表机构领域，尤其是擒纵机构。
背景技术
对于机械表设计者来说，改进差率(rate)和寻求改进效率是一直追求的目标，另外还要寻求获得最大可能的能量存储，以及在极端困难的使用条件下的规律性、精确度以及安全性。调速组件以及擒纵机构是该问题的核心。
特别地，在机械表中，擒纵机构需要满足若干安全标准。安全装置之一的防脱扣机构，其设计为防止摆轮运转的角度范围超过正常的旋转角度。
Montres Breguet SA名义下的EP专利No.1801668 B1提出一种机构，其结构的特征在于它包括安装在摆轴上的齿轴。该齿轴与带齿的轮啮合，如果驱动摆轮超过其正常的旋转角度，则所述带齿的轮的至少一个轮辐抵靠一固定的止动件。然而，此机构会影响摆轮的惯性，并且会干扰其振荡。另外，形成该机构的齿轮内存在摩擦，也会影响调速机构。
Montres Breguet SA名义下的EP专利申请No.1 666990 A2公开了另外一种基于游丝的膨胀的防脱扣机构：锁定臂，其固定到游丝的外圈，并且插入到与摆轮成一体的指状件和与摆轮条夹板成一体的两个柱之间。只有当游丝过度膨胀到超过其正常工作角度的角度以外时，才会发生锁定。此机构仅仅限制在一个旋转方向上的旋转角度。
Nivarox名义下的EP专利申请No.2450756 A1公开了一种用于擒纵机构的防脱扣装置，该装置具有枢转轮副，该枢转轮副承载沿着与摆轮成一体的凸轮路径移动的指状件。该枢转轮副可包括具有双稳态杠杆的臂，特别是弹性双稳态杠杆。
Enzler-Von-Gunten名义下的EP专利申请No.2037335 A2公开了一种擒纵叉，其具有带擒纵叉瓦的两个臂，以及一个擒纵叉头，该组件形成为具有两个柔性固定臂的一体式部件，所述两个柔性固定臂限定了擒纵叉的虚拟枢转轴线，并且当它们弯曲时允许擒纵叉枢转，这两个条带的中间轴线在该虚拟轴线上相交。
ETA名义下的WO专利No.2007/000271公开了一种具有硅芯的强化的微机械部件，该硅芯覆盖有厚的非晶态材料，特别是厚度大于50nm的二氧化硅层。
Rolex名义下的EP专利申请No.2407831A1公开了一种硅或石英制成的游丝，其在至少一圈的整个长度上具有与桥接件交替的切口。特别地，硅芯覆盖有非晶态二氧化硅层。
St Microelectronics SA名义下的EP专利申请No.562207A1公开了一种用于形成柔性多稳态元件(在此情况下为薄膜)的方法，包括沉积氮化硅层的步骤，该氮化硅层具有内部压应力，从而在冷却之后赋予薄膜双稳态。
简而言之，每一种已知的安全机构都具有以下经常发生的缺陷中的至少一种：由于改变调速装置的惯性而对振荡造成破坏，在摩擦作用下对效率造成不利影响，或者仅仅限制在一个旋转方向上的旋转角度。
发明内容
本发明的一个目的在于提高手表的效率并且克服前述问题，其仅仅非常轻微地干扰摆轮的振荡，具有可忽略不计的效率损失或者零效率损失，并且限制摆轮在两个旋转方向上的角行程。
本发明还涉及一种用于形成柔性多稳态元件的方法，其中：
-将硅部件蚀刻为具有连接刚性质量块(mass)的两端的梁，所述质量块的横截面是所述梁的横截面的十倍以上；
-在1100℃下生长SiO2一段时间，该段时间调整为在所述梁上获得在SiO2制成的第一外周层的横截面与第一硅芯部的横截面之间的大于1的第一比率，以及在所述质量块上获得在SiO2制成的第二外周层的横截面与第二硅芯部的横截面之间的第二比率，所述第二比率小于所述第一比率的百分之一；
-冷却到环境温度，以便在所述质量块冷却并且比所述梁更多地收缩时使所述梁通过屈曲而变形。
特别地，用于形成柔性多稳态条带的第一方法通过以下一系列操作进行：
-蚀刻硅部件S，在该硅部件中，具有较小横截面的细长梁P形成至少一个质量块的两端之间的连接，所述至少一个质量块具有较大横截面，是所述较小横截面的至少十倍以上，所述至少一个质量块形成刚性框架；
-在熔炉中，通过保持1100℃的温度数个小时，对该部件执行已知的二氧化硅SiO2生长方法；
-调整所述数个小时的持续时间，以便在所述梁上获得覆盖有第一外周层的第一硅芯部，以及在所述质量块上获得覆盖有第二外周层的第二硅芯部，并且，由二氧化硅SiO2形成的所述梁的所述第一外周层的截面与由硅形成的所述梁的所述第一芯部的截面之间的第一比率大于1，
-并且，由二氧化硅SiO2形成的所述质量块的所述第二外周层的截面与由硅形成的所述质量块的所述第二芯部的截面之间的第二比率小于所述第一比率的百分之一；
-冷却到大约20℃的环境温度，以便在所述至少一个质量块的冷却期间通过屈曲使梁P变形，所述质量块在冷却期间的收缩大于所述梁的收缩。
本发明还涉及用于通过以下一系列步骤形成柔性多稳态条带的另一种方法：
-蚀刻硅部件，在该硅部件中，具有较小横截面的细长梁形成至少两个质量块之间的连接，每个质量块具有较大横截面，是所述较小横截面的至少十倍以上，所述两个质量块共同形成或者与其它结构元件一起形成刚性框架；
-在熔炉中，通过保持1100℃的温度数个小时，对该部件执行已知的二氧化硅SiO2生长方法；
-调整所述数个小时的持续时间，以便在所述梁上获得覆盖有第一外周层的第一硅芯部，以及在每个所述质量块上获得覆盖有第二外周层的第二硅芯部，并且，由二氧化硅SiO2形成的所述梁的所述第一外周层的截面与由硅形成的所述梁的所述第一芯部的截面之间的第一比率大于1，
-并且，由二氧化硅SiO2形成的所述质量块的每个所述第二外周层的截面与由硅形成的所述质量块的所述第二芯部的截面之间的第二比率小于所述第一比率的百分之一；
-冷却到大约20℃的环境温度，以便在所述两个质量块的冷却期间通过屈曲使所述梁变形，所述两个质量块在冷却期间的收缩大于所述梁的收缩。
优选地，所述柔性多稳态元件形成为一方面包括作为抗变形结构和具有第一刚度的框架，另一方面包括与所述框架制成一体件的柔性和弹性的连接件，所述连接件所具有的第二刚度小于所述第一刚度的十分之一，所述连接件由至少两个柔性条带形成，每个所述柔性条带均在第一端固定到所述框架上，并且通过第二端连接到所述柔性多稳态元件的主体上，并且共同形成“V”形，在所述主体上的该“V”形的顶点限定了所述主体能绕其枢转的虚拟枢轴；以及，至少两个所述柔性条带相对于所述框架预加应力地和屈曲地安装。
优选地，所述柔性多稳态元件制成为具有其横截面差异很大的至少一个区域，所述区域的几何形状随着二氧化硅的形成而发生很大改变，并且使具有较小横截面的梁或直梁相比所述梁形成其延伸部的头部或边缘受到屈曲应力。
优选地，至少一个所述刚性质量块制成为包括实心条带的结构的形式，所述实心条带基本相互平行并且通过槽缝成对隔开，并且通过边缘或头部成对连接；以及，调整二氧化硅SiO2生长阶段的所述持续时间，以便通过在连续的实心条带上的氧化物生长的发生和发展，来填充所述槽缝并且使至少两个连续的实心条带关于其共同的边缘或共同的头部在角向上分隔开。
优选地，在二氧化硅生长之前，所述部件制成为具有所述槽缝的初始宽度，所述初始宽度在1-10微米之间；并且，在连续的实心条带的相对表面上生长的氧化物的厚度在1-10微米之间并且大于所述槽缝的所述初始宽度的一半。
优选地，至少一个所述刚性质量块制成为包括之字形或Z形实心条带的结构的形式，所述实心条带在边缘或头部处成对连接，其中，在连续的实心条带之间形成一定角度；以及，调整二氧化硅SiO2生长阶段的所述持续时间，以便通过在连续的实心条带上的氧化物生长的发生和发展，来填充所述槽缝并且使至少两个连续的实心条带关于其共同的边缘或共同的头部在角向上分隔开；并且，通过打开位于所述梁的末端边缘处的所述之字形结构的顶角，对所述梁预加应力，其中，二氧化硅的生长迫使所述顶角打开，并且由于所述结构的Z形或之字形几何形状而使得位移放大。
优选地，调整二氧化硅SiO2生长阶段的所述持续时间，以便任何所述梁的截面最终包含10％至100％的二氧化硅。
优选地，调整二氧化硅SiO2生长阶段的所述持续时间，以便任何所述刚性质量块的截面最终包含0.1％至50％的二氧化硅。
附图说明
通过参考附图阅读如下详细说明，本发明的其他特征和优点将会很明显，其中：
-图1示出根据本发明的钟表限制器或传动机构的示意性正视图，所述钟表限制器或传动机构制成根据本发明的防脱扣机构的形式，其固定在机芯的一个结构上，并且经由其中包含的若干臂(在此图中为两个)之一与摆轮的销钉交替配合。
-图2示出与图1类似的视图，相同的机构添加了减震器机构。
-图3示出嵌入梁的三种状态的示意图：图3A为静止状态，图3B为第一屈曲(buckling)模式，图3C为第二屈曲模式。
-图4示出在柔性枢轴作用下以图3A的第二模式屈曲的嵌入式预应力梁的示意性正视图。
-图5示出根据图4的原理的本发明的一个实施例的示意性正视图，其中，所述梁被偏心螺钉屈曲和预加应力，并且作为单个部件的实施例。
-图6示出图5的一种变型，其中，预应力通过硅框架内的硅氧化物“袋(袋状结构，pocket)”获得。图6A和6B示出在硅被氧化前后，截面具有很大不同的区域的细节，该区域在二氧化硅形成后发生很大改变，并且使截面较小的直梁受到屈曲应力。
-图7示出另一种预加应力原理，其利用由被氧化的硅制成的平行梁的网络与单个受预应力的屈曲梁之间的屈曲阻力差异。图7A、7B、7C表示用于使梁氧化和屈曲的方法的连续步骤。
-图8示出包括柔性减震区域的防脱扣止动臂的一个变型。
-图9示出形式为手表的钟表的局部示意图，该手表包括具有根据本发明的防脱扣装置的机芯。
-图10示出一种构型，其中，防脱扣机构的虚拟双稳态枢轴可以平移。
-图11示出防脱扣机构的一个细节，该防脱扣机构包括用于将防脱扣系统的臂保持在摆轮销钉的平面内的至少两个层级：第一上部层级具有与所述销钉配合的臂，并且第二下部层级具有与摆轮的凹口配合的叉头钉。
-图12为在图7A的结构的一种变型中，能够通过硅的氧化而变形的结构。
-图13示出单石英晶体结构的截面图，其用于根据类似于本发明的方法的方法形成防脱扣机构。
-图14示出根据本发明的一种机构，该机构在摆轮销钉和防脱扣机构的臂之间具有排斥作用，这种排斥作用由在沿着虚线的截面内以垂直取向定位的磁体施加。
-图15示出类似的实施例，其在磁场平面内定向。
-图16是与图10类似的示意图，其涉及一种更通用的情况，其中运动可以是任何类型，并且是双稳态的。
-图17A和17B示出由线圈内的氧化物生长(之前和之后)所获得的预应力。
-图18A和18B(及其在图19A和19B中的细节)示出在硅氧化物生长期间(之前和之后)通过打开之字型轮廓的顶角所获得的预应力。
-图20A和20B示出通过在具有很小曲率半径的区域内改变被氧化的壁的曲率半径(之前和之后)所获得的角度变化。
-图21为与单个质量块的两端配合的柔性双稳态条带的示意图。
-图22示出另一种应用的平面图，其中，钟表限制器或传动机构是在摆轮和擒纵轮之间的擒纵叉机构。
-图23和24以与图7类似的方式，在三个连续的图23A、23B、23C和24A、24B、24C中示出在处理之前、在加热以形成二氧化硅期间、以及在冷却到环境温度之后的用于制造柔性多稳态元件的方法，其中，具有较小横截面的梁在具有较大横截面的同一质量块的两端之间，或者在同样具有较大横截面的两个单独的质量块之间。
具体实施方式
本发明涉及一种形成用于钟表机构的柔性多稳态条带、特别是双稳态条带的方法。
在第一变型中，如图21和23A、23B、23C所示，柔性双稳态条带5与至少一个质量块的两端E1、E2配合，特别是与单独一个质量块MU配合。该方法因而包括如下一系列操作：
-蚀刻硅部件S，在该硅部件中，具有较小横截面的细长梁P形成具有较大横截面(是所述较小横截面的至少十倍以上)的至少一个质量块MU的两端E1、E2之间的连接，所述至少一个质量块MU形成刚性框架C；
-在熔炉中，通过保持1100摄氏度的温度数个小时，对该部件S执行已知的二氧化硅SiO2生长方法；
-调整所述数个小时的持续时间，以便在所述梁P上获得覆盖有第一外周层CP1的第一硅芯部A1，以及在所述质量块MU上获得覆盖有第二外周层CP2的第二硅芯部A2，并且，由二氧化硅SiO2形成的所述梁P的所述第一外周层CP1的横截面与由硅形成的所述梁P的所述第一芯部A1的横截面之间的第一比率RA大于1，
-并且，由二氧化硅SiO2形成的所述质量块MU的所述第二外周层CP2的横截面与由硅形成的所述质量块MU的所述第二芯部A2的横截面之间的第二比率RB小于所述第一比率RA的百分之一；
-冷却到大约20摄氏度的环境温度，以便在所述至少一个质量块MU的冷却期间通过屈曲使梁P变形，所述质量块在冷却期间的收缩大于梁P的收缩。
图7A、7B、7C和24A、24B、24C示出用于形成柔性双稳态条带的方法的第二变型实施方式，其涉及至少两个质量块。此方法包括如下一系列操作：
-蚀刻硅部件S，在该硅部件中，具有较小横截面的细长梁P形成均具有较大横截面(是所述较小横截面的至少十倍以上)的至少两个质量块M1、M2之间的连接，所述两个质量块M1、M2共同形成或者与其它结构元件共同形成刚性框架C；
-在熔炉中，通过将温度保持在1100摄氏度达数个小时，对该部件S执行已知的二氧化硅SiO2生长方法；
-调整所述数个小时的持续时间，以便在所述梁P上获得覆盖有第一外周层CP1的第一硅芯部A1，以及在每个所述质量块M1；M2上获得覆盖有第二外周层CP2的第二硅芯部A2，并且，由二氧化硅SiO2形成的所述梁P的所述第一外周层CP1的截面与由硅形成的所述梁P的所述第一芯部A1的截面之间的第一比率RA大于1，
-并且，由二氧化硅SiO2形成的所述质量块M1；M2的每个所述第二外周层CP2的截面与由硅形成的所述质量块M1；M2的每个所述第二芯部A2的截面之间的第二比率RB小于所述第一比率RA的百分之一；
-冷却到大约20摄氏度的环境温度，以便在两个质量块M1、M2的冷却期间通过屈曲使梁P变形，所述两个质量块在冷却期间的收缩大于梁P的收缩。
在本发明的一个相近变型中，防脱扣机构1的结构由单晶体石英制成。如图13所示，中心单晶体石英核的顶面和底面覆盖一层在比环境温度更高的温度下形成的沉积物，其系数α小于石英的系数αx,y。该石英系数αx,y是7.5ppm/℃。
在一个有利的应用中，上述用于制造柔性多稳态元件的方法应用于钟表限制器或者传动机构1000，其用于限制或者传递钟表机芯10的轮副2000的角行程，所述轮副2000包括至少一个突出的销钉或者齿4000，特别是径向突出的齿5001或者轴向突出的销钉4。根据本发明，此钟表限制器或者传动机构1000包括限幅或传动装置6000，该装置经由至少一个柔性多稳态(特别是双稳态)元件5固定到机芯10的另一部件上或者固定到机芯10的刚性结构元件7上。
在一个特定应用中，此钟表限制器或者传动机构1000为防脱扣机构1，其用于防止钟表摆轮2超速运行。该摆轮包括摆轴3和销钉4或者从所述摆轴3伸出的类似元件。
根据本发明，该防脱扣机构1包括至少一个单件式的柔性的双稳态元件，(其将在下文中称为“柔性双稳态元件5”)，其承载至少一个防脱扣止动元件6，并且经由柔性和弹性连接件固定到钟表机芯10的刚性结构元件7上，例如底板、条夹板等，在该钟表机芯中集成有包括摆轮2的调速装置。
在一个特定变型中，该结构7包含一个与摆轮2的摆轴自对准的系统。
该柔性双稳态元件5承载至少一个防脱扣止动元件6，根据摆轮2的角位置，该防脱扣止动元件6的一端63或64可以与销钉4的轨迹干涉，并且在摆轮2超过其正常的角行程的情况下执行止动元件的功能。
图1表示在一个特定的优选的但非限制性的应用中的流程图，其中，柔性双稳态元件5与所述至少一个防脱扣止动元件6共同形成一体式元件。在此非限制性示例中，防脱扣止动元件6包括两个臂61、62，其相应端部63、64可以根据摆轮2的位置分别与销钉4的轨迹干涉，并且在摆轮2超出其正常的角行程的情况下执行止动元件的功能。如图所示，带有两个臂的此实施例限制了摆轮2在所述摆轮的两个旋转方向上的旋转角度。图1以虚线示出了与摆轮2的一个干涉位置，其限制摆轮的角行程。
柔性双稳态元件5在这里示出为具有柔性和弹性连接件，其由至少两条窄带51、52形成，每一条窄带在第一端处固定在结构7上，并且经由第二端连接到柔性元件的主体上。在图1的特定情况下，两条窄带51、52经由各自的第二端连接到柔性元件的主体上形成“V”形，从而限定了防脱扣止动元件6可绕其枢转的虚拟枢轴50。因此，在图1和2的情况下，根据本发明的柔性双稳态元件5为柔性双稳态枢轴。此实施例并不是唯一的：图10为其中防脱扣止动元件6可以平移的情况的视图。图16表示一种更普遍的情况，其中运动可以是任何类型的，并且是双稳态的。
优选地，至少两个柔性臂51、91、52、92相对于结构7或者相对于包含在柔性双稳态元件5中的框架56预加应力地和屈曲地安装。
每个条带51、52可以根据其所承受的应力而处于若干状态。这些条带中的每一个都经过计算而通过屈曲工作，并且可根据其屈曲模式而采用若干几何形状，如图3所示：图3A中是静止的，图3B中为具有凹陷或凸出形状的第一屈曲模式，图3C中为具有S或者Z形状的第二屈曲模式。柔性双稳态元件5可以包括其形状与这里示出的柔性条带51、52不同的柔性元件，而不会偏离本发明。
在一个特定实施例中，柔性双稳态元件5还可以与结构元件7制成单一部件。
在一个特定实施例中，如图8所示，柔性元件65、66可包含在防脱扣机构1的止动元件6的臂61、62中，以防止过度震动。
此柔性双稳态元件5可以采用硅技术、“LIGA”、MEMS等技术制成。它相比于摆轮2具有极低的惯性，并且它的致动仅轻微地干扰摆轮2的振荡。
图2示出用于保护柔性双稳态元件5的柔性条带51和52的减震器机构。此机构在以下情况下是有用的或甚至是必要的：防脱扣止动元件6必须限制摆轮2的幅值。目的在于，在以贴靠方式与臂61、62配合的减震器止动元件81、82中吸收震动，并且不会将这些震动传递给柔性臂51、52以避免破坏所述臂。图5示出与柔性枢轴共轴的减震器止动元件83。在此示例性实施例中，减震器止动元件81和82包括基本为圆柱形的突起，该突起与臂61、62中的基本互补形状的凹槽配合。
柔性双稳态枢轴5可以根据若干原理制成。图3介绍了在此特定情况下所考虑的双稳态状态的原理。利用承受应力的梁9的自然屈曲模式，更特别的是图3C中示出的第二模式。
如图4所示，在一个有利的实施例中，为了迫使梁9屈曲为第二模式，枢轴90对梁9施加作用力以使梁的中部(附加枢轴的旋转中心)具有节点。双稳态枢轴5的旋转中心50因而是附加枢轴90的旋转中心。
图5示出根据该原理制成的一个完整的防脱扣机构1。柔性双稳态枢轴5包括至少一个预应力梁9，该梁9以第二模式屈曲，在该第二模式下该梁9具有S或Z形状，枢轴90迫使所述梁9在其中间区域(优选在其中部)具有节点。优选地，在图5的情况下，通过使用两个偏心螺钉94和95向两个梁91和92(其共同形成梁9)施加应力，使两个预应力梁91和92屈曲，从而实现柔性双稳态枢轴5。固定到结构7或者固定到柔性双稳态元件5的框架56的第三梁93迫使由梁91和92形成的梁9以第二模式变形，并且起到图4中的枢轴90的作用。减震器止动元件83位于柔性双稳态枢轴5的旋转中心50处。
图11示出包括至少两个层级的防脱扣止动元件6，用于将防脱扣系统的臂61、62保持在摆轮销钉4的平面内：第一上部层级具有与销钉4配合的臂61和62，第二下部层级具有与摆轮2的凹口21配合的叉头钉67。
为了消除任何接触或者降低任何接触压力，根据本发明的防脱扣机构1还可有利地包括用于在摆轮2与防脱扣机构1的臂61、62之间产生排斥力或力矩的装置。
图14示出这样的情况：其中，这种排斥作用由沿着竖直取向位于销钉4以及臂61、62的端部63、64上的磁体实施。图15示出类似的实施例，其具有在磁场平面内的取向；这些磁体的北极和南极被示出。
在类似的位置，替代磁体或者除了磁体以外，还可使用驻极体(静电电荷)以施加这些排斥力。
这是为了增加防脱扣机构1的效率，以及尽可能少地干扰摆轮2的操作。防脱扣机构1的操作如下：
-当倾侧(tipping)时，在第一阶段，摆轮2向柔性双稳态元件5传递能量；
-一旦越过平衡点，在第二阶段，该机构将部分能量返回摆轮2，引起小的冲击。
该机构以和瑞士杠杆式擒纵叉的角部类似的方式操作:释放，然后冲击。
在一个特定实施例中，摆轮2和/或至少防脱扣止动元件6的臂61、62，或者当作为一体部件时的整个防脱扣机构1(在一个有利的实施例中)使用硅技术用硅晶片制造，其具有或者不具有硅氧化物生长，并且具有表面层，该表面层根据情况含有磁体或磁性颗粒或者含有驻极体。此特定层的获得可以通过电镀(galvanic)方法，或者通过阴极溅射，或者通过其他合适的微技术构造方法。
在柔性双稳态元件5采用硅技术制造的优选情况下，在形成梁91和92的条带内产生应力可以通过硅的氧化作用发生。实际上，当从硅生长时，硅氧化物占据较大的体积，如图6中所示，其中，在硅框架56内形成二氧化硅的“袋”(pocket)54、55。图5或6的示例示出该框架56还可以形成结构7，或者以非常简单的方式通过任何常见的机械固定技术连接到结构7上。
图6A和6B表示在硅的氧化作用之前和之后，截面具有很大不同的一个区域的细节，所述区域在二氧化硅形成后具有很大的改变，使得比直梁形成其延伸部分的头部T具有更小截面的该直梁P承受屈曲应力。
在这些条带中获得屈曲应力的另一种方式是通过氧化具有特定形状的硅结构，如图7所示。硅的氧化作用产生表面应力，其具有增加被氧化梁的长度的效果。图7示出了另一种预加应力原理，其利用平行的经氧化的硅梁的网络和单个预加应力的屈曲梁之间的屈曲阻力差异，并且示出了一种简单的机构，其中，在左侧部分，平行结构94具有一组平行梁95，在氧化作用后(以虚线表示)，所述平行梁95将迫使右侧部分的需要变形的、要被施加应力的柔性元件96(在此情况下为梁9、91、92或类似物)屈曲和弯曲，平行结构94的屈曲阻力比要受到应力的柔性元件96的屈曲阻力要大得多。图7A、7B、7C表示用于对布置在框架C中的两个孔口F1、F2之间的梁P进行氧化和屈曲的方法的连续步骤。图7A示出在被置于熔炉中的时刻，通过硅蚀刻成型得到的基础结构。图7B表示通过将该结构保持在1100摄氏度若干小时，在孔口F1、F2内部和从而在梁P的侧面上的二氧化硅SiO2的发展；以已知的方式，通过朝向部件外部的硅的局部消耗产生二氧化硅SiO2的生长，随后在细梁P中，在1100摄氏度下的所述处理期间随着时间的经过，硅的比例减小，同时二氧化硅SiO2的比例增加。图7C示出冷却到大约20摄氏度的环境温度之后，该结构的收缩。框架C的侧向元件M1、M2与梁P平行，基本上由硅和少量二氧化硅构成，并且比梁P收缩更多，该梁P因而基本上由膨胀系数低于硅的二氧化硅组成。因此，梁P承受屈曲应力并且处于双稳态。
另一个变型如图12所示。
图17A和17B也示出通过线圈内的氧化物生长所获得的预应力。
图18A和18B(及其在图19A和19B中的细节)示出根据相同的原理通过打开之字形轮廓的顶角所获得的预应力：硅氧化物的生长迫使这些角打开，并且通过结构的Z形或者之字形几何结构使运动放大。图20A和20B示出通过改变具有很小曲率半径的区域内的经氧化的壁的曲率半径所获得的角度变化。
这里所示的防脱扣机构1限制了摆轮沿两个旋转方向的旋转角度。它仅仅非常轻微地干扰摆轮2的振荡。
本发明可以用于没有防脱扣机构的手表机构中。
在另一个特定应用中，所述钟表限制器或者传动机构1000为用于擒纵机构的擒纵叉机构3000，特别但不限于瑞士杠杆式擒纵叉，其具有相同的原理，用于与摆轮2和擒纵轮5000配合。该擒纵叉3000包括至少一个柔性多稳态特别是双稳态的元件5。根据本申请人的EP专利申请No.12183559.9，所述擒纵叉可以制成为具有恒定力的柔性杠杆实施例。借助于与上述防脱扣止动元件6的臂61、62的两端63、64类似的角部3001，实现擒纵叉3000与摆轮2之间的配合。角部3001由擒纵叉3000的第一部分3100承载，其通过至少一个柔性多稳态(尤其是双稳态)条带5连接到固定结构7上，或者优选地连接到擒纵叉的包含擒纵叉瓦3002的第二部分3200上，其中所述擒纵叉瓦3002与擒纵轮5000的齿5001配合。类似地，这些擒纵叉瓦3002有利地以类似于臂61、62的方式形成，并且通过至少一个柔性多稳态特别是双稳态条带5连接到固定结构7上，或者优选地连接到擒纵叉的包括角部3001的第一部分3100上。
在一个特别有利的方式中，为了改进差率和效率，在没有接触或者弱接触的情况下实现一方面角部3001和摆轮2之间的相互作用，和/或另一方面擒纵叉瓦3002和擒纵轮5000之间的相互作用，为了这一目的，使角部3001和/或擒纵叉瓦3002的受影响的表面磁化或者带电，以使所述表面以排斥方式与摆轮和/或擒纵轮的相对表面配合，所述相对表面由适当材料制成和/或有利地以互补方式磁化或带电。斯沃琪集团研究与发展公司名下的专利申请No.PCT/EP2011/057578公开了这种类型的非接触或者弱接触式传动，其与具有柔性多稳态条带的机构(特别是擒纵叉)的结合提供了所需的优点。
本发明还涉及一种钟表机芯10，其包括至少一个具有摆轮2的调速装置，并且包括至少一个根据本发明的钟表限制器或传动机构1000。根据具体情况，机芯10包括一个结构7，所述钟表限制器或传动机构1000的柔性双稳态元件5固定到该机构7上，或者所述柔性双稳态元件5实际形成所述结构。
本发明还涉及一种钟表100，特别是手表，其包括至少一个上述类型的机芯10，或者至少一个上述类型的钟表限制器或传动机构1000。
基于与柔性双稳态枢轴相对应的传统枢轴和弹簧的等效机构被认为构成本发明的一部分。
用于制造所述装置的技术不限于硅技术，而是还可以包括“LIGA”、“MEMS”以及其他微加工方法。
Claims (25)
1.一种用于形成柔性多稳态元件(5)的方法，该方法通过以下一系列操作实现：
-制成单件式硅部件(S)坯料(E)，所述坯料一方面包括用于形成在两个端部(E1,E2)之间的柔性多稳态条带的至少一个柔性梁(P)，另一方面包括至少一个刚性质量块(M；M1；M2)，所述刚性质量块具有比任何所述柔性梁(P)更大的质量，并且在每一点都具有比任何所述柔性梁(P)的横截面更大的横截面，任何所述刚性质量块(M；M1；M2)用于形成比任何所述柔性多稳态条带刚度更大的结构，使得具有初始曲线长度(LI)的至少一个所述柔性梁(P)在第一所述端部(E1)处的第一所述刚性质量块(M1)和第二所述端部(E2)处的第二所述刚性质量块(M2)之间延伸，所述第一和第二端部(E1,E2)由所述柔性梁(P)的具有最小横截面的区域与所述刚性质量块(M；M1；M2)的具有最大横截面的区域之间的交界部形成，并且所述第一和第二端部分开的初始距离(DI)小于或等于所述初始曲线长度(LI)，所述第一刚性质量块(M1)和所述第二刚性质量块(M2)共同形成刚性框架(C)，所述刚性框架也是一刚性质量块(M)；
-在熔炉中，通过保持1100℃的温度数个小时，对所述部件(S)执行已知的二氧化硅SiO2生长方法；
-调整所述数个小时的持续时间，以便实现在任何所述刚性质量块(M；M1；M2)上的二氧化硅SiO2截面大于在任何所述柔性梁(P)上的二氧化硅SiO2截面；
-冷却到大约20℃的环境温度，以便在所述第一刚性质量块(M1)和所述第二刚性质量块(M2)的冷却期间通过屈曲使具有初始曲线长度(LI)的至少一个所述柔性梁(P)变形，所述第一刚性质量块和所述第二刚性质量块在冷却期间的收缩大于所述梁(P)的收缩，从而所述第一和第二端部(E1,E2)之间的最终距离(DF)严格地小于具有初始曲线长度(LI)的所述柔性梁(P)的最终曲线长度(LF)，并且所述最终曲线长度(LF)大于或等于所述初始曲线长度(LI)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，调整二氧化硅SiO2生长阶段的所述持续时间，以便在任何所述柔性梁(P)中的二氧化硅SiO2的截面与硅的截面之间的比率都高于在任何所述刚性质量块(M；M1；M2)中的所述比率。
3.一种用于形成柔性多稳态元件(5)的方法，该方法通过以下一系列操作实现：
-蚀刻硅部件(S)，在该硅部件中，具有较小横截面的细长的梁(P)形成具有较大横截面的至少一个质量块(MU)的两个端部(E1；E2)之间的连接，所述较大横截面是所述较小横截面的至少十倍以上，所述至少一个质量块(MU)形成刚性框架(C)；
-在熔炉中，通过保持1100℃的温度数个小时，对所述部件(S)执行已知的二氧化硅SiO2生长方法；
-调整所述数个小时的持续时间，以便在所述梁(P)上获得覆盖有第一外周层(CP1)的第一硅芯部(A1)，以及在所述质量块(MU)上获得覆盖有第二外周层(CP2)的第二硅芯部(A2)，并且，由二氧化硅SiO2形成的所述梁(P)的所述第一外周层(CP1)的截面与由硅形成的所述梁(P)的所述第一芯部(A1)的截面之间的第一比率(RA)大于1，
-并且，由二氧化硅SiO2形成的所述质量块(MU)的所述第二外周层(CP2)的截面与由硅形成的所述质量块(MU)的所述第二芯部(A2)的截面之间的第二比率(RB)小于所述第一比率(RA)的百分之一；
-冷却到大约20℃的环境温度，以便在所述至少一个质量块(MU)的冷却期间通过屈曲使所述梁(P)变形，所述质量块在冷却期间的收缩大于所述梁(P)的收缩。
4.一种用于形成柔性多稳态元件(5)的方法，该方法通过以下一系列操作实现：
-蚀刻硅部件(S)，在该硅部件中，具有较小横截面的细长的梁(P)形成均具有较大横截面的至少两个质量块(M1；M2)之间的连接，所述较大横截面是所述较小横截面的至少十倍以上，所述两个质量块(M1；M2)共同形成或者与其它结构元件共同形成刚性框架(C)；
-在熔炉中，通过将温度保持在1100℃数个小时，对所述部件(S)执行已知的二氧化硅SiO2生长方法；
-调整所述数个小时的持续时间，以便在所述梁(P)上获得覆盖有第一外周层(CP1)的第一硅芯部(A1)，以及在每个所述质量块(M1；M2)上获得覆盖有第二外周层(CP2)的第二硅芯部(A2)，并且，由二氧化硅SiO2形成的所述梁(P)的所述第一外周层(CP1)的截面与由硅形成的所述梁(P)的所述第一芯部(A1)的截面之间的第一比率(RA)大于1，
-并且，由二氧化硅SiO2形成的所述质量块(M1；M2)的每个所述第二外周层(CP2)的截面与由硅形成的所述第二质量块(M1；M2)的每个所述第二芯部(A2)的截面之间的第二比率(RB)小于所述第一比率(RA)的百分之一；
-冷却到大约20℃的环境温度，以便在所述两个质量块(M1；M2)的冷却期间通过屈曲使所述梁(P)变形，所述两个质量块在冷却期间的收缩大于所述梁(P)的收缩。
5.根据权利要求3所述的用于形成柔性多稳态元件(5)的方法，其特征在于，所述柔性多稳态元件(5)形成为一方面包括作为抗变形结构和具有第一刚度的框架(56)，另一方面包括与所述框架(56)制成一体件的柔性和弹性的连接件(500)，所述连接件(500)所具有的第二刚度小于所述第一刚度的十分之一，所述连接件(500)由至少两个柔性条带(51,91；52,92)形成，每个所述柔性条带均在第一端固定到所述框架(56)上，并且通过第二端连接到所述柔性多稳态元件(5)的主体(6)上，并且共同形成“V”形，在所述主体(6)上的该“V”形的顶点限定了所述主体(6)能绕其枢转的虚拟枢轴(50)；以及，至少两个所述柔性条带(51,91；52,92)相对于所述框架(56)预加应力地和屈曲地安装。
6.根据权利要求4所述的用于形成柔性多稳态元件(5)的方法，其特征在于，所述柔性多稳态元件(5)形成为一方面包括作为抗变形结构和具有第一刚度的框架(56)，另一方面包括与所述框架(56)制成一体件的柔性和弹性的连接件(500)，所述连接件(500)所具有的第二刚度小于所述第一刚度的十分之一，所述连接件(500)由至少两个柔性条带(51,91；52,92)形成，每个所述柔性条带均在第一端固定到所述框架(56)上，并且通过第二端连接到所述柔性多稳态元件(5)的主体(6)上，并且共同形成“V”形，在所述主体(6)上的该“V”形的顶点限定了所述主体(6)能绕其枢转的虚拟枢轴(50)；以及，至少两个所述柔性条带(51,91；52,92)相对于所述框架(56)预加应力地和屈曲地安装。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述梁(P)形成为具有两个部分(91；92)的直梁(9)的形状，并且安装成在其中所述梁(9)呈C形轮廓的第一模式下屈曲，或者在其中所述梁(9)呈S或Z形的第二模式下屈曲，并且在设置为与一枢轴配合的中心点的两侧上基本对齐，所述枢轴迫使所述梁(9)在所述中心点处具有节点并且根据所述第二模式而屈曲。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述梁(P)形成为具有两个部分(91；92)的直梁(9)的形状，并且安装成在其中所述梁(9)呈C形轮廓的第一模式下屈曲，或者在其中所述梁(9)呈S或Z形的第二模式下屈曲，并且在设置为与一枢轴配合的中心点的两侧上基本对齐，所述枢轴迫使所述梁(9)在所述中心点处具有节点并且根据所述第二模式而屈曲。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述梁(P)形成为具有两个部分(91；92)的直梁(9)的形状，所述柔性多稳态元件(5)形成为具有固定到所述框架(56)的第三梁(93)，以迫使由所述两个部分(91；92)形成的所述梁(9)在其中所述梁(9)呈S或Z形的第二模式下变形。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述梁(P)形成为具有两个部分(91；92)的直梁(9)的形状，所述柔性多稳态元件(5)形成为具有固定到所述框架(56)的第三梁(93)，以迫使由所述两个部分(91；92)形成的所述梁(9)在其中所述梁(9)呈S或Z形的第二模式下变形。
11.根据权利要求7-10中任一项所述的方法，其特征在于，通过围绕在硅制成的所述框架(56)内形成的SiO2袋(54,55)的硅氧化作用，在形成所述部分(91；92)的条带内产生应力。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述柔性多稳态元件(5)制成为具有其横截面差异很大的至少一个区域，所述区域的几何形状随着二氧化硅的形成而发生很大改变，并且使具有较小横截面的梁(P)或直梁相比所述梁(P)形成其延伸部的头部(T)或边缘(B)受到屈曲应力。
13.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述柔性多稳态元件(5)制成为具有其横截面差异很大的至少一个区域，所述区域的几何形状随着二氧化硅的形成而发生很大改变，并且使具有较小横截面的梁(P)或直梁相比所述梁(P)形成其延伸部的头部(T)或边缘(B)受到屈曲应力。
14.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述柔性多稳态元件(5)制成为具有其横截面差异很大的至少一个区域，所述区域的几何形状随着二氧化硅的形成而发生很大改变，并且使具有较小横截面的梁(P)或直梁相比所述梁(P)形成其延伸部的头部(T)或边缘(B)受到屈曲应力。
15.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，利用由硅氧化物制成的平行梁构成的网络(94)与在第一端连接到所述框架(56)和在第二端连接到所述网络(94)的单个梁(96)之间的抵抗屈曲能力的差异，对所述柔性多稳态元件(5)预加应力，在所述网络(94)的氧化作用之后所述单个梁(96)受到屈曲预应力，所述网络(94)的抵抗屈曲能力远大于所述单个梁(96)的抵抗屈曲能力。
16.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，利用由硅氧化物制成的平行梁构成的网络(94)与在第一端连接到所述框架(56)和在第二端连接到所述网络(94)的单个梁(96)之间的抵抗屈曲能力的差异，对所述柔性多稳态元件(5)预加应力，在所述网络(94)的氧化作用之后所述单个梁(96)受到屈曲预应力，所述网络(94)的抵抗屈曲能力远大于所述单个梁(96)的抵抗屈曲能力。
17.根据权利要求1或3或4所述的方法，其特征在于，使设置在刚性框架(C)的两个孔口(F1,F2)之间的梁(P)经历氧化作用和发生屈曲，这通过以下实现：在所述孔口(F1,F2)内部和所述梁(P)的侧面上生长二氧化硅SiO2，并且之后随着冷却到环境温度而使结构发生收缩，即，均形成平行于所述梁(P)的所述刚性质量块(M；M1；M2)的所述刚性框架(C)的侧柱(M1,M2)发生收缩，该收缩大于所述梁(P)的收缩，所述梁(P)此时基本由膨胀系数小于硅的二氧化硅形成，并因此受到屈曲应力和呈现双稳态。
18.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，至少一个所述刚性质量块(M；M1；M2)制成为包括实心条带(LM)的结构的形式，所述实心条带基本相互平行并且通过槽缝(F)成对隔开，并且通过边缘(B)或头部(T)成对连接；以及，调整二氧化硅SiO2生长阶段的所述持续时间，以便通过在连续的实心条带(LM)上的氧化物生长的发生和发展，来填充所述槽缝(F)并且使至少两个连续的实心条带(LM)关于其共同的边缘(B)或共同的头部(T)在角向上分隔开。
19.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，至少一个所述刚性质量块(M；M1；M2)制成为包括实心条带(LM)的结构的形式，所述实心条带基本相互平行并且通过槽缝(F)成对隔开，并且通过边缘(B)或头部(T)成对连接；以及，调整二氧化硅SiO2生长阶段的所述持续时间，以便通过在连续的实心条带(LM)上的氧化物生长的发生和发展，来填充所述槽缝(F)并且使至少两个连续的实心条带(LM)关于其共同的边缘(B)或共同的头部(T)在角向上分隔开。
20.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，至少一个所述刚性质量块(M；M1；M2)制成为包括实心条带(LM)的结构的形式，所述实心条带基本相互平行并且通过槽缝(F)成对隔开，并且通过边缘(B)或头部(T)成对连接；以及，调整二氧化硅SiO2生长阶段的所述持续时间，以便通过在连续的实心条带(LM)上的氧化物生长的发生和发展，来填充所述槽缝(F)并且使至少两个连续的实心条带(LM)关于其共同的边缘(B)或共同的头部(T)在角向上分隔开。
21.根据权利要求18-20中任一项所述的方法，其特征在于，在二氧化硅生长之前，所述部件制成为具有所述槽缝(F)的初始宽度，所述初始宽度在1-10微米之间；并且，在连续的实心条带(LM)的相对表面上生长的氧化物的厚度在1-10微米之间并且大于所述槽缝(F)的所述初始宽度的一半。
22.根据权利要求18-20中任一项所述的方法，其特征在于，通过在所述结构内发生氧化物生长来对所述梁(P)预加应力，所述结构具有风琴褶形状并且包括位于所述梁(P)的末端边缘处的具有风琴褶或卷曲形状的实心条带(LM)。
23.根据权利要求1或3或4所述的方法，其特征在于，至少一个所述刚性质量块(M；M1；M2)制成为包括之字形或Z形实心条带(LM)的结构的形式，所述实心条带在边缘(B)或头部(T)处成对连接，其中，在连续的实心条带之间形成一定角度；以及，调整二氧化硅SiO2生长阶段的所述持续时间，以便通过在连续的实心条带(LM)上的氧化物生长的发生和发展，来填充所述槽缝(F)并且使至少两个连续的实心条带(LM)关于其共同的边缘(B)或共同的头部(T)在角向上分隔开；并且，通过打开位于所述梁(P)的末端边缘处的所述之字形结构的顶角，对所述梁(P)预加应力，其中，二氧化硅的生长迫使所述顶角打开，并且由于所述结构的Z形或之字形几何形状而使得位移放大。
24.根据权利要求1或3或4所述的方法，其特征在于，调整二氧化硅SiO2生长阶段的所述持续时间，以便任何所述梁(P)的截面最终包含10％至100％的二氧化硅。
25.根据权利要求1或3或4所述的方法，其特征在于，调整二氧化硅SiO2生长阶段的所述持续时间，以便任何所述刚性质量块(M；M1；M2)的截面最终包含0.1％至50％的二氧化硅。
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