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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß Oberbegriff
Patentanspruch 1 und dabei insbesondere auf ein Verfahren zum Herstellen
von Funktionselementen für das mechanische Schwingsystem
von Uhrwerken, insbesondere von Uhrwerken für Armbanduhren,
sowie auf ein Funktionselement gemäß Oberbegriff
Patentanspruch 35.
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Mechanische
Schwingsysteme für Uhrwerke sind bekannt und bestehen u.
a. aus einem Schwingelement (Unruhrad) mit Spiral- oder Unruhfeder,
aus einem Anker, aus einem Ankerrad usw. Diese Funktionselemente
bekannter Schwingsysteme und dabei speziell auch die Spiralfedern
dieser Schwingsysteme sind in der Regel aus speziellen Stahllegierungen gefertigt,
und zwar in der Weise, dass ein aus der Stahllegierung erzeugter
Draht durch Walz- und Ziehvorgänge in einem rechteckförmigen
Querschnitt, beispielsweise in einem Querschnitt von etwa 30 μm
Breite und 140 μm Höhe verformt wird. Anschließend
wird aus diesem Ausgangsmaterial die jeweilige Spiralfeder durch
Wickeln hergestellt.
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Bekannt
ist weiterhin ein Verfahren zum Herstellen von Spiralfedern für
das Schwingsystem von mechanischen Uhren aus einkristallinem Silizium (
EP 1 422 436 B1 ),
bei dem (Verfahren) das den Kern der Spiralfeder bildende einkristalline
Silizium mit einer Beschichtung aus Siliziumoxid (SiO
2)
versehen wird.
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Bekannt
ist schließlich auch ein Verfahren (
DE 101 27 733 A1 ) zum Herstellen
von Schrauben- oder Spiralfedern aus kristallinem, insbesondere
einkristallinem Silizium durch eine mechanische abtragende Bearbeitung.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem die Herstellung
von Funktioselementen insbesondere des Schwingsystems (Unruh) von
mechanischen Uhren in vereinfachter Weise und mit hoher Präzision
möglich ist. Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein
Verfahren entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet. Ein Funktioselement, insbesondere
ein Funktionselement des Schwingungssystems ist Gegenstand des Patentanspruchs 35.
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Funktionselemente
des Schwingungssystems sind im Sinne der Erfindung insbesondere
die Unruh- oder Spiralfeder, das Schwing- oder Unruhrad, das Ankerrad
sowie der Anker.
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Das
Ausgangsmaterial ist bei der Erfindung ein nichtmetallischer Werkstoff
aus der Gruppe:
- – monokristallines
oder polykristallines Silizium;
- – durch Epitaxie abgeschiedenes polykristallines Silizium;
- – Glaswerkstoff, beispielsweise Silikatglas, oder Borosilikatglas
oder Aluminoborosilikatglas;
- – Keramische Werkstoffe, beispielsweise Aluminium-Keramik,
wie z. B. Aluminiumoxid-, Aluminiumnitrid- oder Aluminiumcarbid-Keramik,
oder Silizium-Keramik, wie z. B. Siliziumnitrid-Keramik;
- – monokristalliner oder polykristalliner Diamant;
- – monokristallines oder polykristallines Germanium;
- – monokristallines oder polykristallines Siliziumkarbid
und/oder
- – monokristallines oder polykristallines Siliziumnitrid.
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Die
CVD-Abscheidung oder das Epitaxie-Abscheiden des polykristallinem
Silizium erfolgt beispielsweise in der Form, dass das hierdurch
erhaltene Ausgangsmaterial eine dünne Schicht oder einen Wafer
bildet, dessen Dicke dann gleich oder im Wesentlichen gleich derjenigen
Dicke ist, die die herzustellenden Funktionselemente aufweisen,
beispielsweise gleich derjenigen Breite ist, die einzelnen Windungen
der herzustellenden Spiralfedern in Richtung ihrer Federachse besitzen,
oder aber aus dem durch CVD-Abscheidung erzeugten polykristallinem
Silizium-Ausgangsmaterial werden zunächst Wafer oder dünne
Schichten gewonnen, aus denen dann die Funktionselemente erzeugt
werden.
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Entsprechend
dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Herstellung
der Federn und dabei insbesondere der Spiralfedern oder anderer
Funktionselemente für Schwingsysteme für Uhrwerke durch
Ausschneiden aus dem nicht metallischen Werkstoff z. B. mit Hilfe
eines Lasers. Es hat sich gezeigt, dass die vorgenannten Werkstoffe,
dabei insbesondere solche aus der Gruppe keramischer Werkstoff,
Diamant, Halbleitermaterial, beispielsweise Silizium oder Germanium,
Siliziumkarbid und/oder Siliziumnitrid insbesondere für
Spiralfeder von Schwingsystemen, aber auch für andere Funktionselemente
geeignet sind und insbesondere auch eine Herstellung der Federn
mit dem erforderlichen sehr kleinen Windungsquerschnitt oder anderer
Funktionselemente mit feinen Strukturen ermöglichen, und zwar
auch durch Lasern trotz der hohen thermischen Belastung beim Laser-Schneiden.
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Es
hat sich weiterhin gezeigt, dass es selbst beim Laser-Schneiden
praktisch zu keiner Gefügeveränderung des verwendeten
Werkstoffes kommt, und dass die hohe thermische Belastung beim Laser-Schneiden
nicht zu einer Zerstörungen der Elastizität und
Festigkeit dieser Werkstoffe führt. Für die Herstellung
des Funktionselementes eignen sich auch Ätzverfahren bzw.
Maskierungs- und Ätzverfahren, bei denen z. B. die für
das Ätzen erforderlichen Masken vorzugsweise in einem Foto-Maskierungs-Verfahren
hergestellt werden, und zwar unter Verwendung von Fotolack.
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Der
besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht in einer vereinfachten und preiswerten Fertigung. Als Ausgangsmaterial
wird der nicht metallische Werkstoff beispielsweise als Flachmaterial
(Platten aus dem nicht metallischen Material) oder als Wafer verwendet,
welches bzw. welcher dann beispielsweise in der Dicke bereits auf das
Fertigmaß der Höhe der herzustellenden Funktionselemente
bearbeitet ist.
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Durch
die Verwendung der vorgenannten Werstoffe, insbesondere auch von
Siliziumwerkstoff oder Glaswerkstoff für das Funktionselement
weist dieses einen stark reduzierten Wärmeausdehnungskoeffizienten
auf, so dass auch Temperaturschwankungen nahezu keine Auswirkung
auf das das Funktionselement (z. B. Schwingrad und/oder Unruhfeder)
enthaltende oder von dem Funktionselement gebildete Schwingungssystem
und damit nahezu keine Auswirkungen auf die Ganggenauigkeit der
Uhr aufweisen.
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Durch
die Fertigung des Funktioonselementes aus den vorgenannten Werstoffen,
insbesondere auch aus Glaswerkstoff oder Siliziumwerkstoff besteht
insbesondere bei Verwendung von Ätzverfahren oder Laserschneidverfahren
die Möglichkeit, das Fuktionselement so zu formen, dass
die physikalischen Eigenschaften des das Funktionselement (z. B.
Schwingrad und/oder Unruhfeder) enthaltenden oder von dem Funktionselement
gebildeten Schwingsystems optimiert sind.
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Durch
die Verwendung der vorgenannten Werstoffe, insbesondere auch von
Siliziumwerkstoff oder Glaswerkstoff besteht auch keine Gefahr,
dass das das Funktionselement (z. B. Schwingrad und/oder Unruhfeder)
enthaltende oder von dem Funktionselement gebildete Schwingsystem
und damit die Ganggenauigkeit der Uhr durch äußere
Magnetfelder beeinträchtigt werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren sieht weiterhin vor,
das jeweilige Funktionselement an seinen Außenflächen
zu beschichten, beispielsweise mit Siliziumoxid (SiO2)
und/oder mit einer DLC Beschichtung (Diamond like Carbon Beschichtung).
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform wird das Funktionselement,
welches aus den vorgenannten Werstoffen, beispielsweise aus Siliziumwerkstoff oder
Glaswerkstoff oder einem keramischen Werkstoff gefertigt ist, nach
dem Laserschneiden mit Diamant bzw. nanokristalinem Material beschichtet,
und zwar beispielsweise unter Verwendung des dem Fachmann bekannten
CVD-Verfahrens. Die Dicke dieser Beschichtung beträgt dann
beispielsweise 5 μm.
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Ist
das Funktionselement eine Spiralfeder, so wird diese bevorzugt mit
innen liegenden und/oder außen liegenden Befestigungselementen,
d. h. beispielsweise mit der innen liegenden Spiralrolle und den äußeren
Befestigungsabschnitt einstückig hergestellt.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Funktionselement
ein Schwingrad, dessen Körper zumindest in einem Teilbereich,
vorzugsweise aber insgesamt aus einem Siliziumwerkstoff oder aus
einem Glaswerkstoff besteht. Als Ausgangsmaterial für den
als flache Scheibe oder als flacher Ring mit vorzugsweise angeformten speichenartigen
Abschnitten und einem ebenfalls vorzugsweise angeformten narbenartigen
Abschnitt zur Befestigung an einer Unruhwelle wird beispielsweise
ein Flachmaterial, z. B. in Form von Wafern verwendet, wie sie auch
bei der Herstellung von mikroelektronischen Bauteilen verwendet
werden.
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Das
Formen des jeweiligen Schwingradkörpers erfolgt dann beispielsweise
durch Laserschneiden aus dem Ausgangsmaterial oder aber durch geeignete Ätz-Techniken.
Sofern das Ausgangsmaterial ein Siliziumwerkstoff ist, kann dieser
insbesondere auch in polykristalliner Form durch epitaktisches Abscheiden
erzeugt werden.
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Insbesondere
dann, wenn der Schwingradkörper als Scheibe ausgebildet
ist, wird während des Oszillierens der Unruh praktisch
keine Luftverwirbelung erzeugt, die sich negativ auf die Ganggenauigkeit
auf die Uhr auswirken könnte.
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Das
Verfahren kann in Weiterbildung der Erfindung u. a. auch so ausgebildet
sein,
dass das Ausschneiden durch Lasern erfolgt,
und/oder
dass
das Ausschneiden durch Lasern bei gleichzeitiger Behandlung mit
einem Fluidstrahl, beispielsweise Wasserstrahl erfolgt,
und/oder
dass als Werkstoff eine flaches oder plattenförmiges Material
verwendet wird,
und/oder
dass als Werkstoff eine flaches
oder plattenförmiges gerolltes Material verwendet wird,
dass
der Werkstoff Diamant, beispielsweise ein polykristalliner Diamant
ist,
und/oder
dass das Funktionselement mit Diamant beschichtet wird,
beispielsweise in einem CVD-Verfahren, und/oder mit eine DLC-Beschichtung
(Diamond like Carbon Beschichtung) versehen wird,
und/oder
dass
das Funktionselement einstückig mit weiteren Funktionselementen,
beispielsweise bei Ausbildung als Spiralfeder mit einem Befestigungselement
zum Befestigen an einer Welle des Schwingsystems und/oder mit einem
Befestigungsabschnitt zum Befestigen an einer Platine bzw. an einem
Einstellelement der Platine hergestellt wird,
und/oder
dass
als Werkstoff keramisches Material einkristallines oder polykristallines
Silizium verwendet wird,
und/oder
dass als keramisches
Material einkristallines oder polykristallines Siliziumcarbid verwendet
wird,
und/oder
dass als Werkstoff der Werkstoff Zirkonoxid
(ZrO2) verwendet wird,
und/oder
dass
die Spiralfeder mit einem maximalen Durchmesser von etwa 4 bis 10
mm hergestellt wird,
und/oder
dass das Funktionselement
mit einer Höhe im Bereich von 0,05–0,2 mm, vorzugsweise
mit einer Höhe von etwa 0,07–0,16 mm hergestellt
wird,
und/oder
dass das Funktionselement bei Verwendung
von Diamant mit einer Höhe von etwa 0,07 mm hergestellt wird,
und/oder
dass
das Funktionselement bei Verwendung des keramischen Werkstoffs mit
einer Höhe von etwa 0,12 mm hergestellt wird,
und/oder
dass
das Funktionselement mit einem Windungsabstand von wenigstens 0,05
bis 0,3 mm hergestellt wird,
und/oder
dass das Funktionselement
mit einem rechteckförmigen Windungsquerschnitt hergestellt
wird,
und/oder
dass das Funktionselement mit einem Windungsquerschnitt
von etwa 0,025 mm × 0,07 mm hergestellt wird,
wobei
die vorgenannten Merkmale jeweils einzeln oder in beliebiger Kombination
verwendet sein können.
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In
Weiterbildung der Erfindung kann das Funktionselement beispielsweise
auch so ausgebildet sein,
dass es einstückig mit weiteren
Funktionselementen, beispielsweise bei Ausbildung als Spiralfeder
mit einem Befestigungselement zum Befestigen an einer Welle des
Schwingsystems und/oder mit einem Befestigungsabschnitt zum Befestigen
an einer Platine bzw. an einem Einstellelement der Platine hergestellt ist,
und/oder
dass
der Diamant-Werkstoff ein polykristallines Diamant-Material ist,
und/oder
dass
der Werkstoff Silizium ein kristallines oder einkristallines Silizium
ist, beispielsweise ein plattenförmiger Wafer aus Silizium
ist,
und/oder
dass der Werkstoff Germanium ist,
und/oder
dass
es mit Siliziumoxid oder Siliziumdioxid beschichtet ist,
und/oder
dass
es mit Diamant, vorzugsweise mit nanokristalinen Material beschichtet
ist,
und/oder
dass das keramische Material Siliziumcarbid
ist,
und/oder
dass der Werkstoff Zirkonoxid (ZrO2) ist,
und/oder
dass es bei Ausbildung
als Spiralfeder einen maximalen Durchmesser von etwa 4 bis 10 mm
aufweist,
und/oder
dass es insbesondere bei Ausbildung
als Spiralfeder eine Höhe im Bereich von 0,05–0,2
mm, vorzugsweise eine Höhe von etwa 0,07 bis 0,16 mm aufweist,
und/oder
dass
es insbesondere bei Ausbildung als Spiralfeder bei Verwendung von
Diamant mit einer Höhe von etwa 0, 07 mm hergestellt ist,
und/oder
dass
es insbesondere bei Ausbildung als Spiralfeder bei Verwendung des
keramischen Werkstoffs mit einer Höhe von etwa 0,12 mm
hergestellt ist,
und/oder
dass es insbesondere bei Ausbildung
als Spiralfeder einen Windungsabstand von wenigstens 0,05 bis 0,3 mm
aufweist,
und/oder
dass es insbesondere bei Ausbildung
als Spiralfeder einen rechteckförmigen Windungsquerschnitt
aufweist,
und/oder
dass es insbesondere bei Ausbildung
als Spiralfeder mit einem Windungsquerschnitt von etwa 0,025 mm × 0,07
mm hergestellt ist,
und/oder
dass bei Ausbildung als Spiralfeder
der Windungsquerschnitt bei Verwendung von Silizium etwa 0,04 mm × 0,12
mm beträgt,
wobei auch die vorgenannten Merkmale jeweils
einzeln oder in beliebiger Kombination verwendet sein können.
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Weitere
Ausführungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten
der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von
Ausführungsbeispielen und aus den Figuren. Dabei sind alle
beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für
sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich Gegenstand
der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in
den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Auch
wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der
Beschreibung gemacht.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigen:
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1 und 2 ein
Funktionselement in Form einer Spiralfeder für den Taktgeber
bzw. die Unruh eines Uhrwerks, insbesondere eines Uhrwerks für
Armbanduhren in Draufsicht sowie in Seitenansicht;
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3 eine
schematische Darstellung zur Erläuterung des Herstellungsverfahrens
der Feder der 1;
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4 in
vereinfachter perspektivischer Teildarstellung ein Flachmaterial,
zusammen mit einem kombinierten Fluid-Laserstrahl zum Ausschneiden einer
Spiralfeder aus diesem Flachmaterial;
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5 und 6 in
sehr vereinfachter Darstellung und in Stirnansicht sowie in Seitenansicht
ein zu einer spiralförmigen Rolle gerolltes Flachmaterial zum
Herstellen von Spiralfedern;
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7 in
verschiedenen Positionen Verfahrensschritte beim Epitaxie-Abscheiden
des polykristallinen Silizium-Ausgangsmaterial;
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8–20 in
vereinfachter Darstellung weitere Funktionselemente des Schwingungssystems
eines Uhrwerks.
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In
den 1–5 ist 1 eine
Spiralfeder der sogenannten Unruh eines Schwingsystems eines Uhrwerks,
beispielsweise eines Uhrwerks für eine Armbanduhr. Die
Spiralfeder 1, die eine Vielzahl von Windungen 2 aufweist,
ist bei der dargestellten Ausführungsform einstückig
mit einer zentralen Rolle 3 gefertigt, mit der sie auf
einer nicht dargestellten Welle des Schwingsystems (Unruh) befestigbar
ist. Das außen liegende Ende der Spiralfeder 1 ist
weiterhin einstückig mit einem verstärkten Befestigungsabschnitt 4 ausgebildet.
Bei der dargestellten Ausführungsform weist die Spiralfeder 1 einen
maximalen Durchmesser von etwa 6,4 Einheiten, einen Windungsabstand
von mindestens 0,12 Einheiten und eine Höhe von etwa 0,16
Einheiten auf, wobei der Querschnitt der Spiralfeder 1 an
ihren Windungen 2 zwischen der Rolle 3 und dem
Anschlussstück 4 eine Breite radial zur Achse
der Spiralfeder von etwa 0,03 und eine Höhe von etwa 0,16
Einheiten aufweist. Eine Einheit ist dabei beispielsweise 1 mm.
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Die
Besonderheit der Spiralfeder 1 besteht darin, dass sie
durch Ausschneiden aus einem Ausgangsmaterial 5 in Form
eines nicht metallischen Flachmaterials 5, beispielsweise durch
Laser-Schneiden mit einem Laserstrahl 6.1 des Lasers 6 bzw.
unter Verwendung einer lasergestützten hochpräzisen
Schneideeinrichtung hergestellt ist.
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Das
Ausgangsmaterial 5 ist ein Material, welches hochpräzise
mit geringen Toleranzen insbesondere auch hinsichtlich der Materialdicke
und hinsichtlich der planen Ausbildung des Materials hergestellt ist.
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Die 4 zeigt
in vereinfachter Teildarstellung nochmals das Flach- bzw. Ausgangsmaterial 5, zusammen
mit einem kombinierten Laser- und Fluid-Strahl 7 zum Ausschneiden
der Spiralfeder 1. Der Laser-Fluid-Strahl 7 besteht
bei dieser Ausführungsform aus dem Fluid-Strahl 7.1,
der beispielsweise von einem stark gebündelten Wasserstrahl
gebildet ist, sowie aus dem Laser-Strahl 7.2, der im Fluid-Strahl 7.1 angeordnet
und auch optisch insbesondere durch Totalreflektion geführt
sowie zusätzlich gebündelt ist. Durch den kombinierten
Laser- und Fluidstrahl 7 wird ein sehr glatter Schnitt 8 in
dem Flachmaterial 5 ohne Strukturveränderung erzeugt, wobei
der Fluidstrahl 7.1 hauptsächlich auch der Kühlung
dient.
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Die 5 und 6 zeigen
ein Ausgangsmaterial 9, welches im Gegensatz zum Ausgangsmaterial 5 kein
flaches Ausgangsmaterial ist, sondern ein gerolltes Material, d.
h. ein Material, welches durch Rollen eines ursprünglich
flachen Materials erzeugt ist. Die Anzahl der Windungen des Ausgangsmaterials 9 entspricht
der Anzahl der Windungen 2 der herzustellenden Spiralfedern 1.
Von diesem Ausgangsmaterial 9 werden die Spiralfedern 1 durch Schneiden
senkrecht zur Längsachse des Ausgangsmaterials 9 mit
der erforderlichen Höhe abgetrennt, wie dies in der 6 mit
der unterbrochenen Linie 10 angedeutet ist, die beispielsweise
wiederum der Laserstrahl 6.1 oder der kombinierte Laser-
und Fluidstrahl 7 einer zum Trennen verwendeten Laseranordnung
ist.
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Unabhängig
von dem jeweiligen Verfahren kann es zweckmäßig
sein, die nach dem Ausschneiden noch vorhandene Rauhtiefe durch
Nachbehandlung der jeweiligen Spiralfeder 1 in ätzender
Lösung zu entfernen. Dies ist zweckmäßig,
insbesondere bei Verwendung von Silizium. Als Behandlungslösung eignet
sich dann z. B. eine Flusssäure-Salpetersäure-Mischung
oder eine alkalische Ätzmischung.
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Weiterhin
ist es zweckmäßig, Spiralfedern 1, insbesondere
solche aus Silizium oder aus Keramik mit einer Oberflächenbeschichtung
zu versehen, und zwar beispielsweise aus Siliziumoxid, Siliziumdioxid, Siliziumoxynitrid,
Siliziumcarbid, Diamant und/odr mit einer DLC-Beschichtung.
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Bei
Verwendung von polykristallinem Silizium als Ausgangsmaterial wird
dieses Ausgangsmaterial beispielsweise durch epitaxisches Abscheiden erzeugt,
und zwar unter Verwendung eines dem Fachmann an sich bekannten Epitaxie-Verfahrens, beispielsweise
unter Verwendung eines der nachstehend angegebenen Verfahren:
- – Flüssigphasenepitaxie (LPE)
- – Molekularstrahlepitaxie (MBE)
- – Metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE)
- – Chemische Gasphasenepitaxie (CVD oder (VPE)
- – Physikalische Gasphasenepitaxie (PVD)
- – Ionenstrahlgestützte Abscheidung bzw. Epitaxie (IBAD)
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Im
Detail erfolgt das epitaxische Abscheiden bevorzugt mit den in der 7 angegebenen
Verfahrensschritten. Zunächst wird ein flaches, plattenförmiges
Siliziumsubstrat 11 bereitgestellt (Position a) der 7).
Dieses Siliziumsubstrat 11 wird dann an wenigstens einer
Oberflächenseite durch thermische Behandlung bzw. thermische
Oxidation beispielsweise bei einer Prozesstemperatur im Bereich
zwischen 900°C und 1.200°C mit einer Schicht 12 aus
Siliziumoxid (SiO2) versehen, deren Dicke
etwa 1 μm beträgt (Position b) der 7).
In einem weiteren Verfahrensschritt wird dann auf der Schicht 12 aus
Siliziumoxid eine Startschicht 13 aus polykristallinem
Silizium aufgebracht, und zwar beispielsweise mit einem LPCVD-Verfahren
(low pressure chemical vapour deposition) oder mit einem LPE-Verfahren
oder mit einem CVD-Verfahren (Position c) der 7).
In einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt das endgültige
epitaxische Abscheiden der Schicht 14 aus polykristallinem Silizium
mit einer der Höhe der herzustellenden Spiralfeder 1 entsprechenden
Dicke, beispielsweise mit einer Dicke von 100 μm–140 μm.
In weiteren, in der 7 nichtdargestellten Verfahrensschritten
werden aus dem so hergestellten Ausgangsmaterial die Spiralfedern 1 durch
Maskieren und Ätzen gefertigt, wobei die Schicht 12 aus
Siliziumoxid als Sperrschicht beim Ätzen dient.
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Das
in den 8 und 9 allgemein mit 101 bezeichnete
Schwingrad einer Unruh ist scheibenförmig ausgebildet,
d. h. mit einem als flache Scheibe ausgeführten und eine Öffnung 102 zum
Befestigen einer Welle versehenen Unruhkörper 103. Dieser
besteht aus einem Glas- oder Siliziumwerkstoff, beispielsweise Silikatglas,
oder Borosilikatglas oder Aluminoborosilikatglas oder aus polykristallinem oder
einkristallinem Silizium oder aus Siliziumcarbid. Die Herstellung
erfolgt durch Ätzen oder Laserschneiden, beispielsweise
Laserschneiden oder Laserstrahl-Wasserschneiden usw. aus einem flachen Ausgangsmaterial.
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Eine
Besonderheit des Schwingrades 101 besteht u. a. auch darin,
dass dieses scheibenförmig ausgebildet ist, mit dem besonderen
Vorteil, dass durch die scheibenförmige Ausbildung beim
Bewegen, d. h. beim oszillierenden Hin- und Herschwenken des Unruhkörpers 103 um
die Achse der in der Öffnung 102 befestigte Welle
Luftverwirbelungen weitestgehend verhindert sind und dadurch auch
Beeinträchtigungen der Ganggenauigkeit durch Luftverwirbelung
vermieden sind.
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Weitere
Vorteile des aus Glas- oder Siliziumwerkstoff hergestellten Schwingrades 1 bestehen auch
darin, dass diese Werkstoffe antimagnetisch sind, also eine Beeinflussung
der Unruh bzw. der Ganggenauigkeit durch Magnetfelder von außen nicht
gegeben ist. Weiterhin besitzen die für das Schwingrad 101 verwendeten
Werkstoffe einen geringen Ausdehnungskoeffizienten, auf jeden Fall
eine Ausdehnungskoeffizienten, der wesentlich geringer ist als derjenige
von Werkstoffen, die üblicherweise für die Unruh
von mechanischen Uhren verwendet werden. Durch den geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten
ergibt sich auch keine Auswirkung auf die Ganggenauigkeit durch
Temperaturschwankungen.
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Als
Ausgangsmaterial für die Herstellung des Schwingrades 101 eignen
sich beispielsweise wiederum Werkstoffe in Form von Wafern, wie
sie bei der Herstellung von mikroelektronischen Bauteilen bzw. beim
MEM-Prozess eingesetzt werden. Derartige Werkstoffe sind kostengünstig
am Markt verfügbar. Denkbar ist auch die Verwendung von
polykristallinem Silizium, welches in der oben beschriebenen Weise
durch Epitaxie-Abscheidung hergestellt wird.
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Die
physikalischen Eigenschaften des Schwingrades 101 lassen
sich durch das Aufbringen von Beschichtungen, beispielsweise auch
durch das Aufbringen eines Ringes oder anderer geometrischer Formelemente
verbessert werden, auch durch Beschichtungen vor allem am Umfang
z. B. mit Beschichtungen aus Gold können die physikalischen
Eigenschaften, insbesondere auch das Trägheitsmoment wesentlich
verbessert werden.
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Die 10 zeigt
als weitere Ausführungsform ein Schwingrad 101a,
das sich von dem Schwingrad 101 lediglich dadurch unterscheidet,
dass in dem kreisscheibenförmigen Unruhkörper 103a Öffnungen 104 vorgesehen
sind, um das dynamische Trägheitsmoment des Schwingrades
zu verbessern.
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Die 11 und 12 zeigen
ein Schwingrad 101b, bei dem der Schwingrad- oder Unruhkörper 103b ringartig
ausgeführt ist und zwar einstückig mit speichenartigen
Elementen 105, die den Ring des Unruhkörpers 103b mit
einem inneren narbenartigen, die Öffnung 102 aufweisenden
Abschnitt 106 verbinden, der ebenfalls einstückig
mit den speichenartigen Elementen 105 ausgebildet ist.
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Die 13 und 14 zeigen
als weitere Ausführungsform ein Schwingrad 101c,
die sich von dem Schwingrad 101b im Wesentlichen nur dadurch unterscheidet,
dass das Schwingrad 101c an einer Seite mit einer Ausnehmung 107 ausgebildet
ist, und zwar dadurch, dass sowohl der ringartige Unruhkörper 103 im
Bereich seiner innen liegenden Ringfläche, als auch die
stegartigen Abschnitte 105 und der narbenartige Abschnitt 106 mit
einer im Vergleich zu dem äußeren Bereich des
ringartigen Unruhkörpers 103 reduzierten Dicke
ausgeführt ist. In der Ausnehmung 107 kann die
mit 108 angedeutete Spiralfeder der Unruh teilweise angeordnet
werden, so dass sich nicht nur eine besonders kompakte Ausbildung
ergibt, sondern auch eine Ausbildung, die Luftverwirbellungen beim
Oszillieren der Unruh und der zugehörigen Spiralfeder und
dadurch bedingt dann Ungenauigkeiten weitestgehend vermeidet.
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Die
Schwingräder 101, 101a–101c ist
beispielsweise einstückig mit weiteren Funktionselementen
hergestellt. Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit,
die Schwingräder einstückig mit der Unruh- bzw.
Spiralfeder zu fertigen.
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Die 15 und 16 zeigen
ein Schwingrad 101d einer Unruh mit integrierter Klemmbefestigung
zur Befestigung an einer Welle 109. Hierfür ist das ähnlich
dem Schwingrad 101b bzw. 101c geformte Schwingrad 101d im
narbenförmigen Abschnitt 106 mit einer die Welle 109 aufnehmenden, von
der Kreisform abweichenden Öffnung 110, d. h. bei
der dargestellten Ausführungsform von einer dreieckförmigen Öffnung 110 ausgebildet,
die an ihren Dreieck-Seiten von elastisch verformbaren stegartigen
Abschnitten 111 begrenzt ist. Diese sind quer zu ihrer
Längserstreckung, d. h. radial zur Mittelachse der Öffnung 110 elastisch
verformbar und liegen gegen die montierte Welle 109 federnd
an, d. h. das Schwingrad 101d ist durch Klemmsitz an der
Welle 109 halten. Die stegartigen Abschnitte 111 sind
einstückig mit dem Schwingrad 101d bzw. mit dem
narbenartigen Abschnitt 106 hergestellt, und zwar derart,
dass sie jeweils mit einem Ende 111.1 in den narbenartigen
Abschnitt 106 übergehen. Die stegartigen Abschnitte 111 sind
von dem narbenartigen Abschnitt 106 jeweils durch schlitzförmige
Ausnehmungen 112 über den größeren
Teil ihrer Länge getrennt. Am anderen Ende 111.2 sind
die Abschnitte 111 von dem narbenartigen Abschnitt 106 getrennt,
dort allerdings in etwa hakenartig ausgeführt, so dass
sich jedes Ende 111.2 gegen einen angeformten Vorsprung 113 an
dem diesem Ende benachbarten Ende der schlitzförmigen Ausnehmung 112 abstützen,
und zwar in Achsrichtungen sowohl senkrecht zur Längserstreckung
des jeweiligen Steges als auch in Achsrichtungen parallel zur Längserstreckung
des Steges. Durch die beschrieben Abstützung der stegartigen
Abschnitte 111 lassen sich sehr hohe Klemmkräfte
und damit eine besonders sichere Befestigung des Schwingrades 101d an
der Welle 109 erreichen.
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In
der 18 ist 201 wiederum eine Spiralfeder
für das Schwingsystem bzw. für die Unruh eines Schwingsystems
eines Uhrwerks, beispielsweise eines Uhrwerks für eine Armbanduhr.
Die Spiralfeder 201 weist eine Vielzahl von Windungen 202 auf
und ist bei der dargestellten Ausführungsform einstückig mit
einer zentralen Rolle 203 gefertigt, mit der die Spiralfeder 201 auf
einer nicht dargestellten Welle des Schwingsystems (Unruh) befestigt
werden kann. Das außen liegende Ende der Spiralfeder ist
weiterhin einstückig mit einem verstärkten Befestigungsabschnitt 204 ausgebildet.
Bei der dargestellten Ausführungsform weist die Spiralfeder
einen maximalen Durchmesser von etwa 4 bis 10 mm auf.
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Die
Spiralfeder 201 besitzt einen rechteckförmigen
Windungsquerschnitt in der Weise, dass die größere
Querschnittsseite in Richtung der Achse der Spiralfeder 201 orientiert
ist.
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Die
Höhe der Spiralfeder 201 liegt im Bereich von
0,05 bis 0,2 mm, vorzugsweise im Bereich zwischen 0,7 und 0,16 mm,
und zwar mit einer Querschnittsbreite, die etwa einem Drittel der
Querschnittshöhe entspricht. Bevorzugt beträgt
der Windungsquerschnitt etwa 0,4 mm × 0,12 mm.
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An
der Außenfläche ist die Spiralfeder 201 mit
einer Oberflächenbeschichtung versehen, beispielsweise
aus Siliziumoxid, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und/oder Siliziumcarbid.
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Als
Ausgangsmaterial für die Spiralfeder 201 ist polykristallines
Silizium verwendet, und zwar solches, welches durch CVD-Abscheidung
erhalten wurde. Das Herstellen der jeweiligen Spiralfeder 201 aus
dem Ausgangsmaterial erfolgt bevorzugt durch Ätzen unter
Verwendung von Ätzmasken und eines zum Ätzen von
Silizium geeigneten Ätzmittels. Auch andere Verfahren zum „Ausschneiden"
der jeweiligen Spiralfeder 201 aus dem Ausgangsmaterial
sind denkbar, beispielsweise das Ausschneiden mit einem Laser-Fluid-Strahl,
d. h. mit einem in einem Fluid-Strahl, beispielsweise in einem Wasserstrahl
geführten gebündelten Laserstrahl. Durch diesen
kombinierten Laser- und Fluidstrahl wird ein sehr glatter Schnitt
des Ausgangsmaterials ohne Veränderung der polykristallinen
Struktur des Silizium-Ausgangsmaterials erreicht.
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Bei
Verwendung von polykristallinem Silizium als Ausgangsmaterial wird
dieses Ausgangsmaterial beispielsweise durch epitaxisches Abscheiden erzeugt,
und zwar in der weise, wie vorstehen im Zusammenhang mit der 7 beschrieben.
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Die 19 zeigt
in vereinfachter Darstellung und in Draufsicht ein Ankerrad 205 und
die 20 ebenfalls in vereinfachter Darstellung und
in Draufsicht den Anker 206 des mechanischen Schwingungssystems.
Sowohl das Ankerrad 205 als auch der Anker 206 sind
aus dem nicht metallischen Werkstoff, vorzugsweise aus dem durch
epitaxisches Abscheiden gebildeten polykristallinen Siliziumausgangsmaterial
hergestellt, und zwar durch Ätzen unter Verwendung von Ätzmasken
und eines zum Ätzen von Silizium geeigneten Ätzmittels
oder aber beispielsweise durch Ausschneiden mit einem Laser, vorzugsweise
mit einem kombinierten Laser- und Fluidstrahl, wie dies vorstehend
für die Unruh- oder Spiralfeder 1 bzw. 201 beschrieben
wurde.
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Ebenso
wie die Unruh- oder Spiralfeder 1 bzw. 201 und
das Schwingrad 101, 101a–101d sind auch
das Ankerrad 205 und der Anker 206 beispielsweise
mit einer Oberflächenbeschichtung versehen, z. B. aus Siliziumoxid,
Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und/oder Siliziumcarbid. Anstelle
dieser Beschichtung oder aber zusätzlich hierzu sind die
Spiralfeder 1 bzw. 201, das Schwingrad 101, 101a–101d sowie das
Ankerrad 205 und der Anker 206 beispielsweise noch
DLC beschichtet, d. h. mit einer diamantartigen Kunststoffbeschichtung
versehen, die weiter verbesserte Eigenschaften insbesondere auch
hinsichtlich Oberflächenhärte und Gleitfähigkeit
aufweist.
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Die
Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben.
Es versteht sich, dass Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind,
ohne dass dadurch der der Erfindung zugrunde liegende Erfindungsgedanke
verlassen wird.
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So
wurde vorstehend die Erfindung im Zusammenhang mit der Herstellung
von Funktionselementen für das mechanische Schwingungssystem des
mechanischen Uhrwerks einer Uhr, insbesondere Armbanduhr beschrieben.
Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, auch andere
mechanische Funktionselemente eines Uhrwerks und dabei speziell
eines Uhrwerks für Armbanduhren, wie beispielsweise Zahnräder
des Uhrwerks in gleicher Weise zu fertigen.
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Weiterhin
wurde vorstehend davon ausgegangen, dass die Spiralfeder 1 einstückig
mit der Rolle 3 und dem Befestigungsabschnitt 4 hergestellt wird.
Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, die Spiralfeder 1 ohne
die Rolle 3 und/oder ohne den Befestigungsabschnitt 4 zu
fertigen und/oder die Spiralfeder einstückig mit weiteren
Funktionselementen auszubilden.
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Vorstehend
wurde die Erfindung im Zusammenhang mit der Herstellung von Funktionselementen
für das mechanische Schwingungssystem des mechanischen
Uhrwerks einer Uhr, insbesondere Armbanduhr beschrieben. Grundsätzlich
besteht die Möglichkeit, auch andere mechanische Funktionselemente
eines Uhrwerks und dabei speziell eines Uhrwerks für Armbanduhren,
wie beispielsweise Zahnräder des Uhrwerks in gleicher Weise
zu fertigen, und zwar speziell aus dem epitaktisch abgeschiedenen
Silizium.
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- 1
- Spiralfeder
- 2
- Windung
- 3
- Rolle
- 4
- Befestigungsabschnitt
- 5
- keramisches
Flachmaterial
- 6
- Laser
- 7
- kombinierter
Laser- und Fluidstrahl
- 7.1
- Fluid-Strahl
- 7.2
- Laserstrahl
- 8
- Schnitt
- 9
- gerolltes
Ausgangsmaterial
- 10
- Schnittlinie
oder Laserstrahl
- 11
- Trägerschicht,
beispielsweise aus Silizium
- 12
- Sperrschicht,
beispielsweise aus Siliziumoxid
- 13
- Startschicht
aus polykristallinem Silizium
- 14
- durch
Epitaxie abgeschiedene Schicht aus polykristallinem Silizium
- 101,
101a–101d
- Schwingrad
einer Unruh
- 102
- Öffnung
- 103,
103a–103d
- Unruhkörper
- 104
- Öffnung
- 105
- stegartiger
Abschnitt
- 106
- narbenartiger
Abschnitt
- 107
- Ausnehmung
- 108
- Unruh-
oder Spiralfeder
- 109
- Unruhwelle
- 110
- Öffnung
- 111
- Abschnitt
- 111.1,
111.2
- Ende
des Abschnittes 111
- 112
- Ausnehmung
- 113
- Vorsprung
oder Abstützung für das Ende 111.2
- 201
- Spiralfeder
- 202
- Windung
- 203
- Rolle
- 204
- Befestigungsabschnitt
- 205
- Ankerrad
- 206
- Anker
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1422436
B1 [0003]
- - DE 10127733 A1 [0004]