DE102008041778B4 - Zugfeder für Federhaus eines Uhrwerks mit erhöhter Gangdauer - Google Patents

Abstract

Zugfeder (10) für Uhrwerk-Federhaus, die eine Verbundstruktur aufweist, die einen ersten, aus einem Trägermaterial realisierten Anteil (11) umfasst, der zumindest teilweise von einem zweiten Anteil (12) überdeckt wird, der aus Diamant realisiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial des ersten Anteils (11) ein Halbmetall, insbesondere Kohlenstoff, Silicium oder Germanium, ist.

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Uhren und genauer auf eine Zugfeder 1, die dafür bestimmt ist, in ein Federhaus 2 eines Uhrwerks eingebaut zu werden, um die für den Gang und die Gangreserve des Uhrwerks erforderliche Energie zu sammeln und zurückzugeben.
• Ein Uhrenmechanismus des bekannten Typs weist ein Aufzugsystem, ein Uhrwerk und ein Zifferblatt für die Anzeige der Stunde und Minute auf, unter dem ein Federhaus 2 zu finden ist, das ein zylindrisches Gehäuse bildet, in dem eine Zugfeder 1 untergebracht ist, die den mechanischen Energievorrat der Uhr darstellt.
• Wie in 1A dargestellt, ist die Zugfeder 1 innerhalb der zylindrischen Wände 3 der Federhaustrommel spiralförmig um sich selbst und um eine in seiner Drehung vom Federhaus 2 unabhängige Federwelle 4 herum aufgewickelt.
• Die Federwelle 4 ist in ihrer Drehung fest mit einem Sperrrad verbunden, das einen Teil des Aufzugsystems bildet. Die Zähne des Sperrrades wirken mit einem Gesperrsystem zusammen, um eine Rücklaufsperre zu bilden, damit der Aufzug die Federwelle 4 nur in der Richtung dreht, die ein Aufwickeln und Spannen der Zugfeder 1 gestattet.
• Das Federhaus 2 weist eine Bodenscheibe, die Federhaustrommel 3 bildende zylindrische Wände und im Allgemeinen einen flachen Deckel auf. Das Federhaus 2 trägt an seiner Peripherie eine Zahnung, die die Räder des (nicht dargestellten) eigentlichen Uhrwerks antreibt.
• 1A, 1B und 2 veranschaulichen eine Zugfeder 1 wohlbekannten Typs in der gespannten und entspannten Stellung in einem Federhaus sowie entspannt ausserhalb des Federhauses. Die Zugfeder 1 ist aus einem Stahlband gebildet, das spiralförmig um sich selbst auf der Federwelle 4 aufgewickelt ist, an der es mit einem inneren Ende 6 angehängt ist, das mit einer Kerbe versehen ist. Das andere, äussere Ende 7 der Zugfeder 1 ist fest mit der Federhaustrommel 3 verbunden (Befestigung mit einem Haken oder vorzugsweise über eine Schelle 8). Das Federhaus 2 ist im Allgemeinen mit einem System ausgestattet, das die Kraft des Spannens begrenzt, zum Beispiel einer Gesperrvorrichtung (nicht dargestellt - die Anzahl von Umdrehungen des Spannens begrenzend) oder einer auskuppelbaren Vorrichtung wie einer elastischen Rückstellklinge 9 der Zugfeder, um ihr Reissen zu vermeiden.
• Der Nachteil der Uhren mit vollmechanischem Uhrwerk des existierenden Typs besteht darin, dass ihre Gangdauer auf einen Tag oder einige Tage begrenzt ist. Klassisch sind die Metallbänder von Zugfedern dafür berechnet, eine autonome Gangdauer zu liefern, die auf 36 bis 40 Stunden festgelegt ist, also eine Gangreserve von 12 bis 18 Stunden. (Nach Übereinkunft ist die Gangreserve durch die Gangdauer minus 24 Stunden gegeben.)
• Nun sind bestimmte Sammleruhren mit einer Gangdauer (auf englisch „Power reserve“) ausgestattet, die 58 oder 60 Stunden erreicht, d.h. zweieinhalb Tage Autonomie und eine Gangreserve von maximal eineinhalb Tagen.
• In der Uhrmacherei war und ist es immer noch ein konstantes Ziel, die Gangdauer (d.h. die Autonomie des Uhrwerks bzw. Gangdauer ohne Aufzug) und folglich die Gangreserve des Uhrwerks (d.h. die besagte Autonomie minus 24 Stunden) zu erhöhen, ohne den Platzbedarf der Federhausfeder zu vergrössern.
• Es ist offenbar, dass die Gangdauer im Wesentlichen durch die Höchstmenge an elastischer Energie, Wmax, bestimmt ist, die die Zugfeder des Federhauses ansammeln kann.
• Die Obergrenze, Wmax, der Energie, die durch ein gewöhnliches Metallband einer Zugfeder von begrenzten Abmessungen angesammelt werden kann, wird offensichtlich durch das Auftreten von Erscheinungen des Frakturierung und/oder von übermässigen plastischen Verformungen in bestimmten Bereichen dieses Bandes bestimmt.
• Die Gefahren eines Auftretens von Brüchen konzentrieren sich auf den inneren Endabschnitt 6 der spiralförmigen Aufwicklung des Bandes 5 der Zugfeder 1, der einen minimalen Krümmungsradius ρ aufweist. Das führt dazu, den Durchmesser der Federwelle 4 und genauer ihren entsprechenden Bundradiuss Rb zu vergrössern.
• Die Gefahren einer plastischen Verformung konzentrieren sich am anderen, äusseren Ende 7 der Zugfeder 1 sowie auf der Aussenseite X der Klinge des Bandes 5, also den Bereichen, die den Dehnungsbeanspruchungen am stärksten ausgesetzt sind.
• Das Bedürfnis, in einer Federhaus-Zugfeder begrenzter Abmessungen (wegen der Auslegung und Miniaturisierung des Uhrengehäuses) ein Maximum an Energie zu speichern, ist so gross, dass es dazu führt, dass man die gewöhnlichen Bänder 5 von Zugfedern 1 eines Federhauses 2 bei Überbelastung nahe an den Elastizitätsgrenzen und ohne Sicherheitsmarge und sogar jenseits davon, im Bereich von bleibenden Verformungen arbeiten lässt, was in der Mechanik ungewöhnlich ist.
• Die bleibende Verformung ist derart, dass nach Einführung in das Federhaus 2 mit Hilfe eines Federwinders und einigen Tageszyklen des Gebrauchs (Spannung/Entspannung) die Feder 1 eine Gestalt erreicht, die überhaupt nicht mehr ihrer anfänglichen Gestalt entspricht (man sagt, „die Feder hat nachgegeben“). Vor allem aber hat die ermüdete Feder an elastischer Kraft verloren. Dadurch werden der Hemmungsantrieb und die Amplitude der UnruhSchwingungen verringert. Nun ist aber eine zu geringe Amplitude der Unruh dem Isochronismus der Schwingungen abträglich, folglich auch nachteilig für die chronometrischen Eigenschaften des Uhrwerks.
• Um diesen Erscheinungen zuvorzukommen, gibt man in bekannter Weise dem Metallband 5 einer Zugfeder 1 zu Beginn ein Profil mit Windungen, die durch ein Aufwinden übermässig auseinandergerollt wurden. Wie in 2 veranschaulicht, weisen die Windungen des Metallbandes 5 eine anfängliche Krümmung auf, deren Radius ρ sich beschleunigt vergrössert; der Krümmungsradius ρ geht nach unendlich (rechter Abschnitt, markiert X), sodann verkehrt sich der Radius ρ (Krümmung in entgegengesetzter Richtung) und nimmt schliesslich ab, um eine umgekehrte Spiralwicklung in Gestalt des Buchstaben S zu ergeben, wie schematisch in 2 gezeigt, oder eine halb umgekehrte in Gestalt der Hälfte des Buchstaben S (nicht dargestellt). Das optimale Profil (L) in der Ebene quer zu den Windungen einer entspannten Zugfeder 1 des herkömmlichen Typs ist also kein Profil, das einheitlich zu einer regelmässigen Spirale gekrümmt ist.
• Um ihre speicherbare Energiemenge maximal zu nutzen, verbleibt die Tatsache, dass existierende Typen metallischer Zugfedern am Maximum der plastischen Verformungsbeanspruchung oder jenseits davon arbeiten, was den Nachteil hat, ihre Lebensdauer auf einige hundert oder etwa tausend Zyklen zu begrenzen.
• Die theoretische Modellierung von Zugfedern und der Vergleich mit praktischen Versuchen haben es ermöglicht, die allgemeinen Eigenschaften eines Federhaus-Federbandes auszudrücken. Man kann auf das Werk „Theorie générate de l'horlogerie“ [Allgemeine Theorie der Uhrmacherei] von Léopold Defossez, Band 1, Kapitel IV ,Die Antriebskraft‘, oder auf die Sammlung „Techniques de construction horlogere pour l'ingénieur“ [Technischer Uhrenbau für den Ingenieur], Ordner ,Mechanik, Theorie‘, Kapitel 2 ,Energie‘, veröffentlicht unter der Leitung von Michel Vermot und herausgegeben vom Centre de Compétences en Technologie et Design Horlogers, Bezug nehmen.
• Insbesondere zeigt es sich, dass:
• - das von einem Zugfederband abgegebene elastische Kraftmoment durch die Formel gegeben ist: $$\text{M}=\text{E}\left(\text{h}\cdot {\text{e}}^3/12\cdot \text{L}\right)\cdot \mathrm{\alpha }$$
  
  wo
  • E der Elastizitätskoeffizient des Materials (Youngscher Modul) ist, ausgedrückt in Einheiten der Kraft pro Einheit des Querschnitts (in Newton pro Quadratmeter oder in Pascal und ihren Vielfachen: N/mm² oder MPa);
  • h die Höhe der Aufwicklung der Zugfederwindungen ist;
  • e die Dicke des Bandes ist;
  • L die Länge des Bandes ist und
  • α der kumulierte Drehwinkel der Windungen der Federwicklung ist, der der Summe der Biegewinkel α_i der Windungen Nr. i = 1 bis N entspricht;
• - die maximale Menge an elastischer Energie Wmax, die ein Federband ansammeln kann, das aus einem Material mit dem Elastizitätskoeffizienten (Youngschen Modul) E und einer elastischen Grenzbeanspruchung σ_max (in N/mm²) gefertigt ist, hängt nur von seinem Volumen V und diesen Elastizitätsparametern σ_max und E ab: $${\text{W}}_{\text{max}}=\left(\text{e}\cdot \text{h}\cdot \text{L}/6\right)\cdot \left({\mathrm{\sigma }}_{\text{max}}{}^2/\text{E}\right)=\left(\text{V}/6\right)\cdot \left({\mathrm{\sigma }}_{\text{max}}{}^2/\text{E}\right).$$
  
• Die Modellierung zeigt, dass die Feder, um eine maximale Abwicklung zu erreichen, ein Volumen von V = e·h·L einnehmen muss, was in optimaler Weise etwa der Hälfte des im Federhaus verfügbaren Volumens Vo entspricht, nämlich: $$\text{V}=\text{e}\cdot \text{h}\cdot \text{L}={\text{V}}_{\text{opt}}\approx \text{Vo}/2.$$

  
• Die US 2002/0191493 A1 beschreibt ein Federhaus mit einer Hauptfeder aus zähen und elastischem Material, welches aus einer Legierung besteht, die Chrom, Kobalt und Nickel enthält, und dessen Oberfläche zumindest teilweise von einem dünnen Film gebildet wird, der von dem Material abweichende mechanische Eigenschaften und Zusammensetzungen aufweisen kann. Der dünne Film ist härter als das Material und kann aus einer dünnen Schicht DLC (diamantähnlicher Kohlenstoff), monokristallinem oder polykristallinem Diamant bestehen. Auch die Druckschrift CH 701 722 B1 beschreibt eine Antriebsfeder aus Metall, die mit einer zusätzlichen Schicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff DLC beschichtet ist. In der EP 0 732 635 B1 wird ein Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Teile, insbesondere starrer Teile eines Uhrwerks vorgeschlagen, bei dem die Teile aus einer Platte eines ersten kristallinen Materials (einkristallines oder polykristallines Silicium oder dessen Oxid oder Nitrid, Molybdän, Germanium oder Aluminiumoxid) durch anisotropes vertikales Ätzen mit einem plasma-angeregten Gas ausgeschnitten werden und deren Bereiche, die mit anderen Bauteilen in Kontakt treten können, mit einer dünnen Schicht aus als Diamant kristallisiertem Kohlenstoff versehen werden.
• Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Gangdauer und die Gangreserve eines mechanischen Uhrwerks zu erhöhen und eine Federhaus-Zugfeder zu realisieren, die gegenüber den aus einem Metallband bestehenden Zugfedern des existierenden Typs erhöhte Gangenergie aufweist, und zwar ohne die Abmessungen des Federhauses zu vergrössern und ohne das maximale elastische Moment (M₀ ) zu verringern.
• Das erste Ziel der Erfindung besteht daher darin, die Herstellung einer Zugfeder aus Materialien zu erreichen, die eine erhöhte Menge an elastischer Energie bieten, und darin, dass diese maximale Energiemenge der Energie entspricht, die für den Gang eines Uhrwerks über mehrere Tage hinweg erforderlich ist.
• Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, Mittel zu finden, um eine solche Federhaus-Zugfeder in einer speziellen Gestalt der Federwicklung herzustellen, die insbesondere ein Krümmungsprofil der Wicklungen in ihrer Ebene besitzt, und zwar wenn möglich nach einem zuverlässigen, reproduzierbaren und billigeren Verfahren.
• Unter weiteren Zielen wäre es auch angemessen, die Nachteile bekannter Bandfedern des Standes der Technik auszuräumen, also zu vermeiden oder zumindest zu verringern:
• - die gegenseitige Reibung der Windungen im Inneren der Feder;
• - die Nachteile der Schmierung;
• - das Auftreten von plastischen Verformungen, die die Federenergie begrenzen;
• - den Verlust an elastischem Moment im Verlaufe der Zeit;
• - die heikle Arbeit des Härtens, Anlassens oder Entspannens der Stahlbänder,
mit spiralförmig gekrümmtem Profil einer Federhausfeder angemessen ist.
• - die Oberflächenfeinbearbeitung der Bandfederblätter; und
• - eine Federhaus-Zugfeder zur Verfügung zu stellen, die es gestattet, ihre Nutzungsbedingungen mit Sicherheitsmargen zu verbessern, um eine erhöhte Lebensdauer zu bieten.
• Das erste Problem besteht daher darin, ein Material zu finden, das in der Lage ist, eine gegenüber existierenden Materialien wie den Spezialstählen und vor allem den Speziallegierungen wie insbesondere den Nichteisenmetalllegierungen mit Cobalt, Nickel, Chrom oder Molybdän vermehrte oder zumindest gleichwertige Energie zu speichern.
• Dazu ist erfindungsgemäss vorgesehen, eine Federhaus-Zugfeder zu realisieren, die aus Diamant und genauer aus einem durch die Abscheidung von polykristallinem Diamant realisierten Anteil besteht. Jedoch erhebt sich ein neues Problem: die bislang verfügbaren Verfahren sind nicht in der Lage, einen Diamant-Rohling mit Abmessungen zu liefern, die mit der Energiemenge vereinbar ist, die eine Federhaus-Zugfeder speichern muss, oder in einer Form, die der Wicklung mit spiralförmig gekrümmtem Profil einer Federhausfeder angemessen ist.
• Kurz gesagt, werden diese Ziele erfindungsgemäss erreicht, indem eine Federhaus-Zugfeder realisiert wird, die eine Verbundstruktur besitzt. Die Zugfeder setzt sich aus einem ersten Anteil zusammen, der eine tragende Lamelle bildet und den Kern bzw. das Gerüst der Feder bildet, wobei dieser Anteil bevorzugt aus kristallinem Silicium hergestellt wird und wobei die Oberfläche des ersten Anteils direkt ganz oder zumindest teilweise von einem zweiten Anteil bedeckt ist, der aus Diamant hergestellt ist und bevorzugt eine dicke Gangmasseschicht aus polykristallinem Diamant bildet.
• Einer ersten vorteilhaften Ausführungsform zufolge ist das Trägermaterial Silicium, bevorzugt kristallines oder polykristallines Silicium, oder eventuell Germanium oder allgemeiner ein halbleitendes Trägermaterial, insbesondere ein Hochtemperatur- (HT-) oder hochschmelzendes Halbmetall (d.h. Temperaturen von mehr als T1 = 500 - 600 °C oder vorzugsweise von mehr als T2 > 800 °C widerstehend) wie die Elemente der Spalte IVB und der benachbarten Spalten des herkömmlichen Periodensystems der Elemente, Mendelejews Tabelle genannt (IVB = C, Si, Ge, ..., d.h. Kohlenstoff, Silicium, Germanium usw.).
• Vorteilhafterweise erlaubt es der vorliegenden Erfindung zufolge eine solche Struktur der Zugfeder, über ein Gerüst aus Silicium zu verfügen, das einen Rohling vordefinierter Gestalt für die Federwicklung bildet und einen Querschnitt und daher eine beträchtliche äussere (Längs-) Oberfläche aufweist, von der ausgehend man die äussere Schicht aus Diamant abscheidet und aufwachsen lässt, insbesondere durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) oder genauer Plasmaabscheidung, wodurch ein Diamantschneiden vermieden und schliesslich eine Zugfeder mit Verbundstruktur erhalten wird, die einen beträchtlichen Querschnitt und ein beträchtliches Diamantvolumen aufweist, wobei eine solche Schale aus Diamant den wesentlichen Teil der Biege- und Zugbeanspruchungen der Feder mit einer sehr viel höheren maximalen Elastizitätsbeanspruchung σ_max als die üblichen Stähle aushält.
• Die Erfindung wird mit einer Zugfeder für ein Uhrwerk-Federhaus nach Anspruch 1 realisiert.
• Die Erfindung erstreckt sich auch auf eine Uhr nach Anspruch 16, die eine solche Zugfeder umfasst.
• Die Erfindung sieht ebenfalls ein Herstellungsverfahren für eine solche Zugfeder nach Anspruch 17 vor.
• Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden eingehenden Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung hervorgehen, die unter Betrachtung der beigefügten Figuren der Zeichnung als nicht einschränkendes Beispiel gegeben wird.
• In den beigefügten Tafeln der Zeichnung:
• - stellen 1A und 1B eine aus einem Stahlband bestehende Zugfeder in der gespannten und entspannten Stellung in einem Federhaus gemäss dem Stand der Technik dar;
• - zeigt 2 eine optimale, umgekehrt S-förmige Gestalt der Windungen einer Zugfeder gemäss dem Stand der Technik in der entspannten Stellung;
• - zeigen 3A und 3B schematisch die inneren Spannungen einer Zugfeder in radialer und transversaler Schnittansicht der Metallbandwindungen gemäss dem Stand der Technik;
• - veranschaulichen 4A und 4B die Arbeitsgänge der Abscheidung und des Schneidens einer Diamantplatte gemäss dem Stande der Technik, um ein Miniatur-Uhrenteil wie eine Unruhfeder zu realisieren;
• - ist 5 ein Diagramm von Elastizitätsparametern eines herkömmlichen Federstahls (Beanspruchung σ gegen Dehnung ε und Elastizitätsmodul E);
• - ist 6 ein Diagramm der Elastizität von unüblichen Materialien Diamant und Silicium, die in einer erfindungsgemässen Zugfeder implementiert werden;
• - ist 7 ein schematischer Radialschnitt einer Zugfederwindung mit Verbundstruktur nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
• - ist 8A ein masstabgerechter Radialschnitt einer Zugfederwindung mit Verbundstruktur nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
• - ist 8B ein massstabgerechter Quersschnitt der Verbundstruktur der Windung einer erfindungsgemäss hergestellten Zugfeder;
• - ist 9 ein Diagramm des Kraftmoments in Abhängigkeit von der Gangdauer, wie von einer normalen Stahlfeder und einer erfindungsgemässen Zugfeder geliefert;
• - zeigen 10A bis 10E schematisch die Schritte des Herstellungsverfahrens einer erfindungsgemässen Zugfeder mit Verbundstruktur;
• - ist 11 ein detailliertes Schema im Radialschnitt für den ersten Anteil der Verbundstruktur einer erfindungsgemäss hergestellten Zugfeder; und
• - zeigen 12A und 12B schematisch weitere Schritte des Herstellungsverfahrens für die erfindungsgemässe Federhaus-Zugfeder.
• Das erste Problem bestand daher darin, ein Material zu finden, das in der Lage ist, eine gegenüber existierenden („Federstähle“ genannten) Materialien wie den Spezialstählen und den Speziallegierungen, insbesondere den Nichteisenlegierungen mit Cobalt, Nickel, Chrom oder Molybdän, erhöhte oder zumindest gleichwertige Energie zu speichern.
• 5 und 6 zeigen Elastizitätsdiagramme für verschiedene Materialien, wobei jede Kurve W die Höhe der Beanspruchungen σ andeutet, die an einen Prüfkörper des Materials angelegt wurden, um eine Dehnung ε (ε = ΔL/L) zu erhalten, wobei die lineare Steigung der Kurve dem Elastizitäts- (oder Youngschen) Modul E entspricht. 5 zeigt eine Kurve der Elastizität W₀ für ein herkömmliches Material wie einen Federstahl, der verwendet wird, um ein Metallband für Zugfedern des bekannten Typs herzustellen. 6 zeigt die Kurven der Elastizität W1 und W2 für unübliche Materialien wie Diamant W₂ und Silicium W₁ , die benutzt werden, um die Verbundstruktur einer erfindungsgemässen Zugfeder zu bilden.
• Auf erste Sicht erscheint es, dass Diamant einen erhöhten Youngschen Modul E₂ besitzt (etwa fünf-oder sechsmal so hoch wie der Elastizitätsmodul bzw. die Elastizitätskonstante E₀ von Stahl), was der Herstellung einer Federhausfeder widerrät (siehe die oben zitierte Sammlung T.C.H., Kapitel 2.1.5 „Die Suche nach einem erhöhten Wert von E erweist sich als vollkommen unnütz [...], nicht nur unnütz, sondern schädlich“). Aus dem Diagramm lässt sich immerhin erkennen, dass Diamant eine gegenüber den anderen Materialien erhöhte obere Belastungsgrenze σ₂ aushält und dass der Bereich der Elastizität W₂ von Diamant ausgedehnt ist (erhöhte maximale elastische Energie).
• Es ist in Betracht gezogen worden, Uhrenteile und insbesondere Spiralfedern aus Diamant herzustellen.
• Im Dokument WO 2004/029733 A2 wird allgemein die Verwendung von Diamant für die Herstellung mechanischer Uhrenteile beschrieben, wobei sich die Anwendung allerdings in begrenzter Weise auf die Herstellung einer aus künstlichem Diamant bestehenden Spiralfeder bezieht.
• Heute können Platten aus polykristallinem Diamant durch Abscheidung und epitaktisches Wachstum von Mikrokristallen von Diamant (auf einem Substrat) hergestellt werden.
• Leider ist die Herstellung (Wachsen und Gewinnen) einer dicken Platte aus Diamant übermässig schwierig, langsam und teuer.
• 4A und 4B zeigen schematisch die Schritte der Herstellung einer aus Diamant bestehenden Spiralfeder nach dem Stande der Technik. Die Herstellungsschritte bestehen darin, eine solche Platte Q aus Diamant durch epitaktisches Wachstum zu gewinnen und dann konzentrische Spiralen aus der gewonnenen rohen Diamantplatte Q herauszuschneiden oder zu schleifen.
• Während die ebenen Abmessungen P des aus abgeschiedenem Diamant bestehenden Werkstücks eine Grösse von unter einem Zentimeter oder maximal einigen Zentimetern erreichen können, ist seine Dicke f auf einige zehn Mikrometer begrenzt.
• Ausserdem sind die Arbeitsschritte des tiefen Schneidens oder Schleifens von Diamant, für die die Verfahren der Plasmastrukturierung verwendet werden, um die Gestalt eines Werkstücks herauszuschneiden, extrem schwierig und teuer. Sie sind auf winzige Oberflächen beschränkt.
• Folglich liefern die Arbeitsschritte der Abscheidung und des Wachstums von aus polykristallinem Diamant bestehenden Platten sowie die darauffolgenden Verfahren eines Ätzens und Schneidens des Diamants im Plasma nur winzige Werkstücke von unbedeutendem Volumen und einer mikroskopischen Dicke, die nicht über eine Grössenordnung von einem Zehntelmillimeter hinausgeht (wobei das Volumen nicht einmal einen Kubikmillimeter übersteigt).
• So erlauben diese Techniken der Herstellung einer monolithischen Platte aus Diamant, gefolgt von einem Skulptieren oder Ziselieren eines Werkstücks aus der rohen Diamantplatte nur die Realisierung winziger Werkstücke, die keinerlei Antriebsenergie zu speichern und/oder vor allem keine mechanische Energie aufzunehmen bestimmt sind, wie zum Beispiel eine Unruhfeder (auf englisch Hairspring: wörtlich Haarfeder).
• Diese Techniken sind ungeeignet für die Realisierung von Zugfedern, die immerhin eine Energie in der Grössenordnung eines zehntel Joules bis zu einigen Joule speichern müssen und deren Volumen (V) angemessen sein muss, um ein Maximum an Energie (W_max = V/6·σ_max ²/E) zu speichern, so dass ihre Abmessungen sehr wohl deutlich einen Kubikmillimeter übersteigen müssen (um typischerweise mehr als eine Grössenordnung). Das Volumen V₀ eines Federhauses variiert natürlich je nach dem Typ, der Fläche und der Flachheit einer Uhr, aber bleibt allgemein in der Grössenordnung der Fläche eines Quadratzentimeters und des Volumens von etwa 100 Kubikmillimetem. Die Höhe h der Federhausfedem hat allgemein eine Grössenordnung von einem Millimeter. Die Dicke e ist von der Grössenordnung eines zehntel Millimeters. Insbesondere aber erreicht, was die Längenabmessung einer Zugfeder betrifft, die Länge L der Windungen der ausgestreckten Feder gut einen oder mehrere Dezimeter. Wie sollte man eine solche Länge der Feder in eine Platte einschreiben, deren Abmessungen Millimeter (oder höchstens Zentimeter) betragen?
• Die Erfindung ermöglicht es, dieses Herstellungsproblem einer Federhaus-Zugfeder von einem Material ausgehend zu lösen, das eine erhöhte Gangenergie zu speichern gestattet, und eine Federhaus-Zugfeder aus Materialien wie Diamant realisieren zu können.
• 7 zeigt, dass erfindungsgemäss eine Federhaus-Zugfeder 10 erhalten wird, die eine erhöhte Gangenergie zu speichern gestattet, indem von einem ersten Anteil 11 der Feder ausgegangen wird, der aus einem anderen Trägermaterial als dem Diamant hergestellt wird, wobei dieser erste Anteil 11 vorteilhaft eine dreidimensionale Gestalt annehmen kann, die einem Gerüst oder einer Rohform der endgültigen Gestalt der Feder entspricht, und dann dieser erste Anteil 11 ganz oder teilweise durch einen zweiten, aus Diamant hergestellten Anteil 12 überdeckt wird.
• Das Trägermaterial 11 kann unter Materialien ausgewählt werden, die hohen Temperaturen (von der Grössenordnung von 800 bis 900 °C) widerstehen, auf denen eine Abscheidung von Diamant durch Verfahren der chemischen Abscheidung aus der Gasphase (CVD) oder genauer in einem Plasma (CVD-Plasma) erfolgt.
• Das Trägermaterial ist ein Körper und insbesondere ein Halbmetall, das solchen Temperaturen widersteht.
• In der vorteilhaften Ausführungsform ist der Trägeranteil ein Band oder ein dreidimensionales Blatt, das aus einem HT- oder hochschmelzenden Halbleiter- oder Halbmetall-Material besteht, das Arbeitsgänge eines tiefen Schneidens oder Ätzens erlaubt, insbesondere DRIE-Ätzen („deep reactive ion etching“) und Verfahren des Litho-Atzens oder der chemischen Ablation von Halbleitermaterialien (Silicium oder Germanium oder auch Kohlenstoff). Silicium besitzt einen Ausdehnungskoeffizienten von ungefähr $${\mathrm{\alpha }}_{\text{Si}}=2\text{ bis }3\cdot {10}^{-6}/\text{K bei T}0=25°\text{C}\text{,}$$

  

  was dem Ausdehnungskoeffizienten von Diamant besonders nahe ist.
• Bevorzugt ist das Trägermaterial ein Material, das in der dreidimensionalen Gestalt eines Federblattes geformt werden kann.
• Erfindungsgemäss ist aber das Trägermaterial vor allem ein Material, das vor der Diamantabscheidung zu einer spiralförmig gekrümmten Federwicklung geformt werden kann.
• Bevorzugt wird ein Material gewählt, aus dem eine Vorform der Zugfeder-Wicklung mit einer Genauigkeit gearbeitet werden kann, die mit den Abmessungen und der Genauigkeit der gewünschten Feder vereinbar ist.
• Das Trägermaterial ist bevorzugt Silicium, insbesondere kristallines Silicium und genauer einkristallines Silicium.
• Silicium kann, was von Interesse ist, leicht in einer dreidimensionalen Gestalt aus Halbleiterplatten makroskopischer Abmessungen geätzt und geschnitten werden und kann Abmessungen erreichen, die für eine Uhren- oder Uhrwerkfeder reichlich genügen. Andere Materialien und insbesondere ein Halbmetall wie das Germanium könnten sich eignen.
• Kristallines Silicium weist ebenfalls interessante Elastizitätsparameter auf, wie auf dem Elastizitätsdiagramm von 6 angedeutet. Silicium hat eine hohe Dehnungsgrenze ε₁ , höher als die Grenzwerte der elastischen Dehnung ε₂ von Diamant, wodurch es zu einem weichen und streckbaren Material wird, ohne eine bleibende plastische Verformung oder Frakturierung zu erleiden.
• Vorteilhafterweise kann das Silicium des ersten Anteils 11 des Trägers somit alle Verformungen unter Beanspruchung des äusseren Anteils 12 aus Diamant aushalten, indem es (ohne Bruch) in seinem elastischen Bereich verbleibt.
• Im Diagramm von 6 ist aber angedeutet, dass Silicium maximale Beanspruchungen σ₁ verträgt, die sehr viel weniger hoch als die maximalen Beanspruchungen σ₂ von Diamant sind.
• Da aber das Silicium den ersten Anteil 11 darstellt, der im Kern der Verbundstruktur 10 oder auf der Innenseite 11.1 der Windungen 10 der erfindungsgemässen Federhaus-Zugfeder angeordnet ist, wird es viel weniger hohen (Zug-) Beanspruchungen als der äussere Anteil 12 aus Diamant oder sogar Beanspruchungen von fast null (neutrale Fasern in der Mittelachse N—N der Windungen) ausgesetzt, was seinen Eignungen und seinen Elastizitätsgrenzen entspricht.
• Im Schema von 7, die eine nicht massstabgerechte Schnittansicht einer Federwindung 10 zeigt, erscheint der erste Anteil 11 aus Trägermaterial in der Mitte und konzentrisch zum zweiten Anteil 12 aus Diamant. Der erste Anteil 11 hat bevorzugt einen rechteckigen Querschnitt h'·t, wie schematisch auf dieser Querschnittsansicht gezeigt (radial bezüglich der Windungen). In Längsrichtung bildet der erste oder Trägeranteil bevorzugt eine Biegung oder Lamelle von gekrümmtem Profil, das einer konkreten spiralförmigen Wicklung der Zugfeder folgt, wie im Folgenden beschrieben.
• Die Lamelle von rechteckigem Querschnitt aus Trägermaterial, die den ersten Anteil bildet, besitzt eine Höhe h' (grösser als ein oder zwei Zehntelmillimeter) und eine Dicke t (grösser als etwa zehn Mikrometer, eventuell einige Mikrometer).
• Vorteilhafterweise bieten das Volumen und die Oberfläche, die vom ersten Anteil 11 geboten werden, einen dreidimensionalen Träger für die Abscheidung und das Wachstum des Diamants, so dass ein äusserer Anteil 12 an Diamant gewonnen werden kann, der eine Querschnittsfläche und ein Volumen bietet, die beträchtlich genug sind, um die Beanspruchungen und die Energie, die durch die Feder aufgenommen werden, auszuhalten.
• Ausserdem bietet der erste oder Trägeranteil 11 eine Rohform bzw. einen Startpunkt von dreidimensionaler Gestalt für die Abscheidung von Diamant, so dass nach der Abscheidung des Diamants vermutlich eine fertige Gestalt der zusammengesetzten Diamant-Zugfeder erzielt werden kann, wodurch spätere Arbeitsschritte des Schneidens oder Schleifens des Diamants vermieden werden, die äusserst schwierig sind.
• Vorzugsweise bedeckt also die Schicht 12 der Dicke d aus Diamant die gesamte Oberfläche des ersten oder Trägeranteils 11 und bildet eine Schale 12 um den Kern aus Trägermaterial. Die Diamantschale 12 nimmt den wesentlichen Teil der mechanischen Beanspruchungen auf und schützt das Trägermaterial 11. Der Ausführungsform von 7 zufolge weist der erste Anteil 11 einen im Wesentlichen rechteckigen (ev. quadratischen) Querschnitt auf, und die Schicht der Dicke 12 aus Diamant überdeckt ganz die vier Querseiten 11.1, 11.2, 11.3 und 11.4 des ersten oder Trägeranteils 11.
• Wechselweise kann die Schicht 12 der Dicke aus Diamant nur bestimmte Seiten des ersten oder Trägeranteils 11 überdecken, insbesondere die Innenseite 11.1 und die Aussenseite 11.2 der Windungen der Zugfeder 10, die den wesentlichen Teil der Kräfte F und Biege-, Zug- und eventuell Druckbeanspruchungen im Volumen der Zugfeder 10 aufnehmen, wie in 8B dargestellt.
• Einer anderen (nicht dargestellten) Alternative zufolge kann die Schicht der Dicke 12 aus Diamant auch nur eine Seite des ersten oder Trägeranteils überdecken, und zwar insbesondere die ganze oder einen Teil der Aussenseite 11.2 der Windungen der Zugfeder 10, die den wesentichen Teil der Arbeit und der Zugbeanspruchungen der Feder aufnimmt (die Aussenseite der herkömmlichen Federn ist am meisten exponiert und unterliegt am stärksten den Erscheinungen einer plastischen Verformung, dem Auftreten von Frakturierung und dann von Rissen). Die Verbundstruktur der erfindungsgemässen Zugfeder 10 wird also aus einer ersten Lamelle aus Trägermaterial gebildet, die an eine äussere Lamelle 12 angeheftet ist, die durch Abscheidung einer dicken Schicht aus polykristallinem Diamant auf der Aussenseite 11.2 der ersten Lamelle 11 gebildet ist.
• So bildet der erste Anteil 11 einen Träger, der einen zweiten Anteil 12 aus Diamant zu gewinnen gestattet, dessen effektive Werte von Querschnitt und Volumen beträchtlich entwickelt sein können.
• Die Verbundstruktur ermöglicht es dann, erfindungsgemäss einen beträchtlichen wirksamen Querschnitt aus Diamant in den Windungen der Zugfeder zu erreichen. Tatsächlich erreicht die Querschnittsfläche A aus Diamant Werte von etwa $$\text{A}=2\cdot \left(\text{H}\cdot \text{d}+\text{t}\cdot \text{d}\right)$$

  

  $$\left(\text{oder einseitig mindestens A}=\text{h}\text{'}\cdot \text{d}\right)$$

  

  wo
• d die Dicke der abgeschiedenen Schicht aus kristallinem Diamant ist,
• H die (Aussen-) Höhe der Verbundstruktur der Federwindungen ist, darin einbezogen die Dicke d aus Diamant an den Endkanten (H = h' + 2·d);
• t die Dicke (waagerechte oder radiale Abmessung) des ersten Anteils aus Trägermaterial ist und
• h' die Höhe des ersten Anteils (in der Vertikalen) ist.
• Die erfindungsgemässe Verbundstruktur ermöglicht es, eine zusammengesetzte Feder aus Diamant zu realisieren, die makroskopische Abmessungen erreicht, die mit den Mengen an mechanischer Energie verträglich sind, die eine Federhaus-Zugfeder speichern muss, wie im Folgenden gezeigt.
• 8A zeigt ein massstabgerechtes Beispiel der erfindungsgemässen Federhaus-Zugfeder 10 mit Verbundstruktur.
• Die folgenden Bemessungsbeispiele der Zugfeder werden zur Orientierung gegeben und sind (insbesondere im Rahmen einer gemeinsamen Anwendung auf ein mechanisches Uhrenmodell mit einem Federhaus vom Standardtyp) nicht einschränkend.
• Die Höhe h' des ersten Anteils 11 aus Trägermaterial kann einen Wert in der Grössenordnung von einem zehntel Millimeter bis zu einigen Millimetern erreichen, selten mehr als einen Zentimeter, typischerweise zwischen 0,5 und 1,5 mm.
• Die Dicke d der Diamantabscheidung 12 liegt allgemein bei einem Wert von über fünf Mikrometern und kann typischerweise Werte zwischen 10 µm und 60 µm erreichen.
• Die Dicke t des ersten Anteils 11, senkrecht zu den Windungen (in einer Ebene quer zur Aufwicklung) gemessen, hat allgemein Werte in der Grössenordnung von einigen Mikrometern bis zu etwa einhundert Mikrometern. Bevorzugt wird die Dicke t in der gleichen Grössenordnung wie die Dicke d der Diamantschicht gewählt, zwischen 10 µm und 60 µm.
• Die erfindungsgemäss erhaltene Federhaus-Zugfeder 10 besteht somit mehrheitlich aus Diamant 12, wobei der Anteil von Diamant am Federvolumen zwischen 17 und 99 % variiert, typisch zwischen 33 und 67 % und bevorzugt bei über 50 % liegt (Anteil von Diamant 12 im Volumen mehrheitlich, bezogen auf das Gesamtvolumen der Zugfeder 10, und effektive Diamantfläche mehrheitlich, bezogen auf die Gesamt-Querschnittsfläche einer Windung).
• Die folgende Beschreibung liefert einige Beispiele für die Realisierung und die Ergebnisse des Einsatzes von Zugfedern, die normalen Federhäusern entsprechen.
• Solche Realisierungen von Zugfedern 10 sind für ein Federhaus 2 bestimmt, dessen Abmessungen wie folgt sind:

  Höhe des Federhauses:	Hb = 0,7 mm
  Radius der Federhaustrommel:	Rt = 5,25 mm
  Bundradius:	Rb = 1,2 mm
  Folglich ein im Federhaus verfügbares Volumen:	V0 = 58 mm3;
  das optimale Volumen der Feder wird:	Vopt = 0,55 V = 32 mm3.

• Bei solchen Federhausabmessungen hat vergleichsweise ein Band 5 einer Zugfeder 1 aus herkömmlichem Federstahl optimale Abmessungen mit den folgenden Werten:

  Banddicke:	e = 95 µm
  Bandhöhe:	h = 700 µm

• Länge L des Bandes, um eine maximale Abwicklung und eine maximale Gangdauer zu erzielen: L = 480 mm.
• Diese Zugfeder 1 aus herkömmlichem Stahlband liefert dem Uhrwerk dynamische Parameter wie folgt:

  Maximales elastisches Moment:	M0 = 3,5·10-3 N·m (genau 348 g·mm)
  Elastisches Moment, 24 h:	M24 = 2,9·10-3 N·m (Newtonmeter)
  Umdrehungszahl in 24 h:	Nb = 4,4 Umdrehungen
  Folglich Momentenverlust in 24 h:	ΔM0-24/M0 = (M0 - M24)/M0 = 17 %.

• Für das betrachtete Uhrwerk liefert dieses Band 5 der Zugfeder 1 eine maximale Gangdauer von 58 Stunden nach N = 10,5 Umdrehungen (Gangreserve 34 h).
• Die Berechnungen für eine erfindungsgemässe Realisierung von Zugfedern mit Verbundstruktur, die für ein solches Federhaus bestimmt sind, erfolgen unter Beibehalt der Höhe H und überhaupt mit dem Bedacht, das maximale elastische Moment M₀ zu bewahren (das am Uhrwerk anliegende Torsionsmoment wird begrenzt, um Prellerscheinungen zu vermeiden, die dem Isochronismus des Uhrwerks abträglich und für die Lebensdauer der Hemmungsteile schädlich sind).
• Es sei daran erinnert, dass das maximale elastische Moment M₀ einer Feder proportional zum Quadrat oder zur dritten Potenz seiner Dicke e ist. Genauer ist M₀ zum Modul E und zur dritten Potenz der Dicke e proportional, aber M₀ ist auch zur maximalen Beanspruchungsgrenze σ und zum Quadrat der Dicke e proportional, wie durch die folgende klassische Formulierung angedeutet: $${\text{M}}_{\text{0}}=\text{E}\cdot \frac{{\text{e}}^{\text{3}}\cdot \text{h}}{12\cdot \text{L}}\cdot {\mathrm{\alpha }}_{\text{max}}=\frac{{\text{e}}^{\text{2}}\cdot \text{h}}{6}\cdot {\mathrm{\sigma }}_{\text{max}}.$$

  
• Nun hat Diamant einen Elastizitätsmodul E₂ und eine Elastizitätsgrenze σ₂, die beträchtlich höher als die herkömmlicher Federstähle sind (grössenordnungsmässig das Doppelte bis Zehnfache, typisch das Fünf- oder Sechsfache der Werte). Daraus ist schon ersichtlich, dass die Dicke des Diamants d/2d und die Gesamtdicke T der Windungen der Zugfeder 10 mit erfindungsgemässer Verbundstruktur gegenüber der Dicke e des Stahlbandes 5 der herkömmlichen Zugfeder 1 verringert werden können (um etwa ein Viertel bis um mehr als die Hälfte, typisch um ein Drittel). Da der Querschnitt (S = H·T) der Windungen der erfindungsgemässen Verbundfeder aus Diamant weniger Platz beansprucht als der Querschnitt (R = h·e) des Bandes 5 aus herkömmlichem Federstahl, kann man folglich in Betracht ziehen, die Länge L' und die Anzahl von Umdrehungen Nb der Wicklung in den erfindungsgemäss konzipierten Zugfedern zu vergrössern und infolge dessen die Gangdauer des Uhrwerks verlängern.
• Es geht also darum, erfindungsgemäss Zugfedern 10 für ein solches Federhaus 2 zu realisieren, deren Windungen schliesslich Aussenabmessungen erreichen müssen, die auf eine Gesamthöhe H von 700 Mikrometern und eine um ein Drittel verringerte Gesamtdicke T, also auf eine Gesamtdicke T von 62 Mikrometern festgelegt sind.
• In den hierunter folgenden Beispielen für die Realisierung erfindungsgemässer Zugfedern wird der zweite Anteil 12 dann aus einer Schichtdicke d von Diamant gebildet, die zwischen 10 Mikrometern und 25 Mikrometern variiert. Der erste oder Trägeranteil 11 wird durch eine Biegung oder ein Blatt von rechteckigem Querschnitt (h'·t) gebildet, dessen Dicke t in komplementärer Weise zwischen 42 Mikrometern und 12 Mikrometern variiert, wobei diese Abmessungen keinen einschränkenden Wert besitzen.
• Für ein solches Federhaus können also die Beispiele von erfindungsgemäss realisierten Zugfedern 10 mit Verbundstruktur bei dem gleichen maximalen elastischen Moment M₀ = 0,5 N·m und der gleichen Anzahl von Nb = 4,4 Umdrehungen pro 24 Stunden die folgenden Dimensionen annehmen:
• ◯ Mit einer Diamantdicke d = 10 µm erreicht die maximale Abwicklungslänge der Feder L' = 600 mm und liefert eine maximale Gangdauer von D' = 74 Stunden nach N = 13,5 Umdrehungen.
• ◯ Mit einer Diamantdicke d = 15 µm erreicht die maximale Abwicklungslänge der Feder L' = 700 mm und liefert eine maximale Gangdauer von D' = 86 Stunden nach N = 15,7 Undrehungen.
• ◯ Mit einer Diamantdicke von d = 20 µm erreicht die maximale Abwicklungslänge der Feder L' = 722 mm und liefert eine maximale Gangdauer von D' = 92 Stunden nach N = 16,7 Umdrehungen.
• ◯ Mit einer Diamantdicke von d = 25 µm erreicht die maximale Abwicklungslänge der Feder L' = 736 mm und liefert eine maximale Gangdauer von D' = 94 Stunden nach N = 17 Umdrehungen (Gangreserve 70 Stunden).
• Dank der Erfindung kann somit eine Zugfeder 10 mit Verbundstruktur, die einen zweiten Anteil 12 aus Diamant aufweist, eine Gangautonomie liefern, die deutlich grösser als die eines Bandes 5 der Zugfeder 1 aus herkömmlichem Stahl ist. Unter die gleichen Bedingungen gestellt kann eine erfindungsgemässe, aus Diamant bestehende Zugfeder eine Gangdauer erreichen, die um ein Drittel, um die Hälfte, um zwei Drittel länger ist, sogar nahezu das Doppelte und eventuell darüber hinaus ein Verhältnis von mehr als dem Doppelten der Gangdauer eines Bandes 5 der Zugfeder 1 aus herkömmlichem Stahl erreicht.
• Es muss vermerkt werden, dass vorteilhafterweise der Gewinn an Gangreserve desto grösser ist, je grösser die relative Diamantdicke d/T und der Anteil von Diamant in der Verbundstruktur der erfindungsgemässen Zugfeder sind.
• In den vier vorangegangenen Realisierungen der Zugfeder nimmt insgesamt diesem Orientierungsbeispiel der Abmessungen zufolge der Diamant im Verhältnis zum Gesamtquerschnitt einer Windung (S = H·T) einen Oberflächenanteil (A = 2·d·H + 2·d.t) ein, der um ein Sechstel (17 %), ein Drittel (33 %), die Hälfte (50 %) und zwei Drittel (67 %) über der Gesamtquerschnittsfläche der Windung (erster Anteil + zweiter Anteil) liegt.
• Vorteilhafterweise braucht also eine erfindungsgemässe Zugfeder 10 mit Verbundstruktur 11/12 Dicken 2d an Diamant und T an Windungen, die viel geringer sind als die Dicke e eines herkömmlichen Stahlbandes 5 der Zugfeder unter gleichwertigen Bedingungen, um den gleichen Wert des maximalen elastischen Moments M₀ zu erreichen (damit das Federhaus das gleiche maximale Torsionsmoment an das Uhrwerk anlegt und Prellen vermeidet) und dabei das gleiche Federhaus und das gleiche Uhrwerk zu bewahren.
• Eine derartige Verfeinerung der aus Diamant zusammengesetzten Windungen im Vergleich zu dem Band aus Federstahl kann erfindungsgemäss wahlweise gestatten:
• - die Länge L', die Anzahl von Umdrehungen Nb und die Gangdauer D der Zugfeder mit Verbundstruktur zu vergrössern, wobei zu berücksichtigen ist, dass ihr Volumen V die Hälfte des fixen Volumens V₀ des Federhauses erreichen muss (V = V₀/2); und/oder
• - insgesamt den Platzbedarf V = T·H·L' der Wicklung der Zugfeder mit Verbundstruktur gegenüber existierenden Zugfedern und folglich den Platzbedarf V₀ des Federhauses, somit auch die Abmessungen des Uhrwerks und der Uhr selbst zu verringern.
• 9 zeigt den Gang der Auftragungen des elastischen Moments M der vorangegangenen Zugfedern, alle unter den gleichen Bedingungen (gleiches Standard-Federhaus, gleiches Uhrwerk), gegen die Zeit und ermöglicht deren Vergleich. Das elastische Moment M ist gleichbedeutend mit dem Torsionsmoment, das vom Federhaus an das Uhrwerk angelegt wird. Die ausgezogene Kurve stellt das von der Zugfeder aus herkömmlichem Stahlband gemäss dem vorangegangenen Basis-Vergleichsbeispiel während ihrer Gangdauer D gelieferte Moment dar. Die gestrichelte Kurve zeigt das von der Zugfeder mit Verbundstruktur gemäss dem letzten Ausführungsbeispiel während ihrer Gangdauer D' gelieferte Moment.
• Es ist klar ersichtlich, dass die erfindungsgemässe Zugfeder anfänglich (ganz gespannt) den gleichen Wert des maximalen Moments M₀ (das zur Vermeidung des Prellens nach oben hin limitiert worden war), das gleiche Moment M₂₄ bei 24 Stunden und daher am Ende eines Tages J den im Wesentlichen gleichen Momentenverlust ΔM_0-24/M₀ liefert. Dank der Verringerung der Dicke T und der Vergrösserung der Länge L' der Feder, die durch die Erfindung ermöglicht werden, vergrössern sich die Abwicklung α' (Gesamtspannungswinkel) und die Gangdauer D' der Zugfeder mit Verbundstruktur beträchtlich gegenüber der Gangdauer D der Zugfeder aus herkömmlichem Stahl, wenn den gleichen Arbeitsbedingungen unterstellt (gleiche Bemessung des Standard-Federhauses, gleiches Uhrwerk).
• Allgemein werden bei der Konstruktion eines Uhrwerks die Parameter der Federhaus-Zugfeder wie folgt festgelegt:
• M₀ , der Wert des maximalen elastischen Moments bei gespannter Feder, wird festgelegt (unter Berücksichtigung des Kraftmoments, das für die Bewegung und Räderwerk-Übersetzungsverhältnisse erforderlich ist);
• ΔM = (M₀ - M₂₄)/M₀, die Veränderung des elastischen Moments innert 24 Stunden, wird in Abhängigkeit vom tolerierten Spielraum für die Veränderung der Schwingungen begrenzt.
• Für eine erfindungsgemässe zusammengesetzte Feder mit Verbundstruktur gilt für das maximale elastische Moment: $$M_0=\frac{{\sigma }_2}{\sigma }\left[T^2\cdot H+\frac{E_1-E_2}{E_2}\cdot \frac{t^3\cdot h\text{'}}{T}\right].$$

  
• Für den Momentenverlust innert 24 Stunden gilt' $$\mathrm{\Delta }M/M_0=\left(M_0-M_{24}\right)/M_0\approx \frac{24}{D\text{'}}\cdot \frac{\pi \cdot T\cdot Nb}{L\text{'}}\cdot \frac{E}{{\sigma }_{max}}.$$

  
• Somit kann bei einem anfänglich gegebenen maximalen Elastizitätsmoment M₀ angesichts des Verhältnisses zwischen den Elastizitätsgrenzen σ₂ von Diamant und denen σ₀ herkömmlicher Stähle eine erfindungsgemäss aus Diamant zusammengesetzte Federhaus-Zugfeder eine Gesamtdicke 2d des Diamants aufweisen, die deutlich geringer als die Dicke e eines herkömmlichen Bandes ist, das gleichwertigen Bedingungen unterstellt ist. Bezogen auf diese Bezugsdicke e eines Federstahls kann die Dicke 2d von Diamant um ein Viertel bis um die Hälfte oder sogar weiter (2d < e/2) verringert werden; typischerweise ist die Diamantdicke 2d um etwa ein Drittel kleiner als die Dicke e von herkömmlichem Federstahl.
• Folglich ist die Gesamtdicke T der Windungen der erfindungsgemässen Zugfeder verringert, und da in optimaler Weise eine Zugfeder ein Volumen V_opt von etwa der Hälfte des verfügbaren Volumens V₀ des Federhauses einnimmt: $$\text{V}=\text{T}\cdot \text{H}\cdot \text{L}\text{'}={\text{V}}_{\text{opt}}\mathrm{0,5}\cdot {\text{V}}_0,$$

  

  kann die Länge L' der Feder im Gefolge einer Verlängerung um ein Drittel auf das Doppelte oder mehr als das Doppelte vergrössert werden; typischerweise kann die Länge L' der aus Diamant zusammengesetzten Zugfeder gegenüber der Länge L des Zugfederbandes aus gleichwertigem, herkömmlichem Stahl um die Hälfte vergrössert werden.
• Die Verringerung der Dicke T und die Vergrösserung der Länge L' der erfindungsgemässen Federhaus-Zugfeder öffnet zumindest zwei Wege der Verbesserung der Eigenschaften von Uhrwerken.
• Erstens ermöglicht die Vergrösserung der Länge L' der erfindungsgemässen Zugfeder eine Vergrösserung der Anzahl von Umdrehungen des Federhauses (Nb) und folglich der Anzahl von Gangstunden D des Uhrwerks, während alle übrigen Parameter des Uhrwerks und die Abmessungen des Federhauses unverändert bleiben.
• Somit ermöglicht die Erfindung eine Vergrösserung der Gangdauer D im gleichen Verhältnis und namentlich das Erreichen einer um ein Drittel bis zum Doppelten oder sogar noch mehr verlängerten Gangdauer, typischerweise die Hälfte mehr.
• Zweitens kann die Verringerung der Dicke T (wie auch die Verlängerung der Gangdauer D) der erfindungsgemässen Zugfeder eine Verringerung des elastischen Momentenverlusts in 24 Stunden ermöglichen: $$\mathrm{\Delta }M/M_0=\left(M_0-M_{24}\right)/M_0=\frac{24}{D\text{'}}\cdot \frac{\pi \cdot T\cdot Nb}{L\text{'}}\cdot \frac{E_2}{{\sigma }_2}.$$

  
• Allerdings ist eine Vergrösserung der Länge L' allgemein mit einer entsprechenden Vergrösserung der Anzahl der Windungen oder der Anzahl von Umdrehungen der Abwicklung Nb der Federhausfeder verknüpft. Trotzdem könnten die Verringerung der Diamantdicke 2d und daher der Dicke T sowie die Verlängerung der Gangdauer D' eine Verringerung des elastischen Momentenverlusts ΔM_0-24/M₀ in 24 Stunden ermöglichen.
• Nun bestimmt der Momentenverlust in 24 Stunden die Abschwächung der Antriebe für die Hemmung und die Veränderung der Unruh-Amplitude. In vorteilhafter Weise ermöglicht es die Verringerung der Dicke T der Windungen der aus Diamant zusammengesetzten Zugfeder, zusammengenommen mit der Verlängerung der Gangdauer D' und der Vergrösserung der Länge L' der Windungen der erfindungsgemässen Federhaus-Zugfeder, die Amplitude der Unruhschwingungen zu bewahren und somit die chronometrische Genauigkeit der Uhr zu verbessern.
• Zu ihrer Befestigung wird die erfindungsgemässe Zugfeder bevorzugt im entsprechenden Federhaus mit Haken angehängt, die an den Enden der Zugfeder 10 ausgebildet sind und in Kerben des Federhauses 2 blockiert werden.
• Genauer besitzt die Zugfeder abgeknickte Enden aussen und innen, wobei diese beiden abgeknickten Enden in an sich klassischer Art und Weise in zwei Kerben befestigt werden, die an der Welle bzw. der Trommel des Federhauses angebracht sind. Die abgeknickten Enden werden beim Ätzen und Schneiden des ersten Anteils in einem Siliciumwafer gebildet oder vorgeformt, wie hierunter dargelegt.
• Übrigens gestattet es die Erfindung vorteilhafterweise, dem ersten Anteil 11 bzw. der Trägerlamelle zu Beginn eine dreidimensionale Gestalt für ein Aufwickeln der Windungen der gewünschten Zugfeder zu erteilen, die ein spiralförmiges Krümmungsprofil oder eine umgekehrte Gestalt besitzt.
• Ein Profil (L) der Aufwickelkrümmung der Feder 1 wie das von 2 entwickelt sich in der Aufwickelebene (waagerechte Ebene quer zur Feder) auf einer zweidimensionalen Oberfläche, und die Gestalt der Feder erstreckt sich im Raum in drei Dimensionen.
• Um einen ersten Anteil 11 aus Trägermaterial zu erhalten, der eine dreidimensionale Anfangsgestalt mit einem Krümmungsprofil in zwei Dimensionen besitzt, sieht die Erfindung vorteilhafterweise vor, die Gestalt des ersten Anteils 11 aus einer Platte des Trägermaterials durch Ätzverfahren und insbesondere die als Litho-Ätzen bekannten Verfahren herauszuarbeiten, wie hiernach beschrieben.
• Wie bereits angedeutet, ist das Trägermaterial bevorzugt Silicium.
• Silicium bietet besonders vorteilhafte Eigenschaften, um den ersten Anteil 11 zu realisieren, der das Trägergerüst für eine erfindungsgemässe Federhaus-Zugfeder 10 bildet.
• Eine interessante Eigenschaft des Siliciums besteht darin, dass es einen hohen Schmelzpunkt oberhalb von 1400 °C aufweist, so dass es mit den hohen Temperaturen (in der Grössenordnung von 800 bis 1000 °C) verträglich ist, denen ein Träger unterworfen ist, auf dem eine Abscheidung von polykristallinem Diamant durch ein Gasphasen-Abscheidungsverfahren (CVD) wächst.
• Überhaupt ermöglichen es die Arbeitsgänge des Ätzens, in einem Substratwafer aus kristallinem Silicium einfach und billig einen ersten oder Trägeranteil 11 zu erhalten, der eine Rohform der schlussendlichen Gestalt der erfindungsgemässen Federhaus-Zugfeder 10 darstellt und bereits eine dreidimensionale Vorform aufweist, die spezifisch für die erfindungsgemässe Wicklung der Zugfeder ist. Es ist insbesondere vorgesehen, einen ersten Anteil mit einem spiralförmig gekrümmten Profil oder einer umgekehrten Gestalt herauszuschneiden.
• Die Erfindung liefert somit ein Verfahren, um eine Federhaus-Zugfeder 10 herzustellen, die eine Verbundstruktur besitzt, die aus einem ersten Anteil 11 gebildet wird, der in einem Trägermaterial realisiert wird, vorteilhafterweise kristallinem Silicium, das zumindest teilweise von einem zweiten Anteil 12 aus polykristallinem Diamant überdeckt wird, wobei der erste Anteil 11 durch Schritte tiefen vertikalen Ätzens (die Tiefe wird hier als die Höhe h' betrachtet) einer Platte aus Trägermaterial, bevorzugt einem Siliciumsubstrat, mit einem ebenen Profil der Vorform mit der Krümmung der Wicklung der Zugfeder gewonnen wird, gefolgt von Schritten der Abscheidung und des Wachsens von polykristallinem Diamant aus Kohlenstoff (oder Kohlenstoffverbindungen) durch Schritte der chemischen Abscheidung in der Gasphase (CVD) oder Plasmaphase (CVD-Plasma), um den zweiten Anteil 12 aus Diamant zu realisieren, der eine dicke Schicht auf der ganzen oder einem Teil der Oberfläche des ersten Anteils 11 bildet.
• 10A bis 10E zeigen schematisch die wichtigen Schritte eines solchen Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemässen Federhaus-Zugfeder.
• Zu Beginn der Herstellung wird eine Platte 100 oder Plättchen aus Silicium (auf english „silicon wafer“) vorgelegt, die aus einer dicken Schicht 101 aus kristallinem Silicium (insbesondere einkristallinem Silicium) gebildet wird, das auf eine als Substrat bezeichnete Standfläche 102 abgeschieden oder geklebt wird, allgemein mit einer dazwischengefügten Schicht 103 aus Siliciumoxid. Solche Platten 100 des kristallinen Siliciumsubstrats sind gewöhnlich bei den Lieferanten und Schmelzern von Silicium für die Bedürfnisse der Herstellung integrierter Schaltungen verfügbar.
• Die Höhe h' (vertikale Abmessung, senkrecht zur waagerechten Platte) der nützlichen Schicht 101 aus kristallinem Silicium kann gewählt werden. Es ist im vorliegenden Fall geeignet, eine Höhe h' zu wählen, die der gewünschten Höhe H der Windungen der Federhaus-Zugfedern 10 entspricht. Die Höhe h' erreicht allgemein eine Grössenordnung von etwa 100 Mikrometern bis zu einigen Millimetern, typischerweise zum Beispiel h' = 500 µm oder h' = 700 µm oder h' = 1 mm oder h' = 1,2 mm.
• Um ein oder mehrere Muster des ersten Anteils 11 aus Silicium auszuschneiden, die die Gestalt eines Federrohlings besitzen, unternimmt man Arbeitsschritte der Maskierung und im Wesentlichen vertikalen Tiefenätzung (Höhe h') im Siliciumwafer 100.
• Wie schematisch in 10A und 10B gezeigt, wird auf der Oberfläche des Siliciumwafers eine Maskierschicht 104 abgeschieden. Die Maskierschicht ist inbesondere eine Schicht 104 aus Photolack. Auf dem Gebiet des Ätzens von Halbleitermaterialien existieren zahlreiche bekannte Verfahren des Maskierens und des Ätzens, und andere gleichwertige Verfahren können eingesetzt werden. Die Maskierschicht 104 wird durch ein Rippenmuster hindurch belichtet, und die Schicht 104 aus Photolack wird entwickelt, dann behandelt, um die Ätzmaske 105 zu bilden. Durch die Entwicklung und Behandlung des belichteten Harzes wird die Harzschicht 104 an den offenen Stellen der Maske entfernt, und eine oder mehrere Rippen 105 aus Maskierharz werden je nach dem benutzten Muster eingeführt.
• Erfindungsgemäss haben die Rippen 105 ein Profil in der Ebene des Wafers 100 (waagerechte Ebene quer zur Aufwicklung der geplanten Feder), wobei das Profil jeder Rippe 105 einer spiralförmigen Krümmung oder umgekehrten Gestalt folgend aufgewickelt wird.
• Eine Gestalt der Wicklung mit spiralförmigem Profil wie die in 10D dargestellte ist wegen der Aspekte der Platzbeanspruchung auf der Siliciumwaferoberfläche vorteilhaft und ermöglicht die Unterbringung einer Mehrzahl von Wicklungen auf dem Wafer sowie die Gewinnung einer Anzahl erster Anteile für Zugfedern von einem einzigen Wafer.
• 10B zeigt die Rippen 105 (Kontakte), die von einer spiralförmig aufgerollten Rippe gebildet werden, gesehen im Radialschnitt bezüglich der Wicklung.
• Der folgende Schritt, der schematisch in 10C gezeigt ist, besteht darin, ein im Wesentlichen vertikales Ätzen durch die Öffnungen der Ätzmaske 105 aus Harz durchzuführen.
• Bevorzugt erfolgt ein tiefes reaktives lonenätzen (DRIE, vom Englischen „Deep Reactive Ion Etching“) mit Hilfe eines durch Plasma (HF) angeregten (ionisierten) Gasstroms oder eines lonenplasmastroms. Mit einem solchen Ätzverfahren kann eine Ätztiefe erreicht werden, die der gewünschten Höhe h' der Windungen entspricht.
• Durch ein solches Ätzen wird die Schicht 101 aus kristallinem Silicium in der senkrechten Richtung h' ausgegraben, wobei unter jeder Rippe 105 eine intakte Insel 11 aus Silicium in Gestalt einer Biegung oder spiralförmig gerollten Wand übrig gelassen wird, während die Wand Flanken aufweist, die eine gute Vertikalität bieten.
• Das Ätzen kann durch eine Schicht 103 aus Siliciumoxid aufgehalten werden, die zwischen der nützlichen Siliciumschicht 101 und dem Substrat 102 des Wafers 100, das entfernt werden soll, vorhanden ist.
• Jeder erfindungsgemäss so gewonnene Siliciumträgeranteil 11 wird vom Substrat 102 gelöst.
• Ein solcher Anteil 11 aus Silicium bildet eine Lamelle von im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt, aber ein Profil, das entlang einer spiralförmigen Krümmung, wie in 10D veranschaulicht, oder entlang einer umgekehrten Form aufgewickelt ist. Diese spiralförmig aufgewickelte Siliciumlamelle, die den ersten Anteil 11 der erfindungsgemässen Verbundstruktur bildet, wird dann den Schritten der Abscheidung und des Aufwachsens einer dicken Schicht 12 aus polykristallinem Diamant unterworfen.
• Der erste Anteil 11 aus Silicium kann vor den Abscheidungsschritten einer Oberflächenbehandlung unterworfen werden, um die Keimbildung des Diamants, d.h. die Bildung von Diamantkristallkeimen zu begünstigen. Man kann insbesondere eine mikro- oder nanokristalline Diamantbeschichtung für die Keimbildung abscheiden, um dann das Wachstum von polykristallinem Diamant nach den Lehren des Dokuments US 6 037 240 A zu beginnen.
• Die Oberfläche 11.1 - 11.2 - 11.3 - 11.4 des kristallinen und insbesondere einkristallinen Siliciums wird bevorzugtermassen gebeizt und von allen Oxidationsspuren befreit In Fällen, wo sich eine Schicht aus Siliciumoxid (SiO₂) gebildet hat, wird sie zum Beispiel durch Beizen in einem Säurebad oder durch eine Plasmabehandlung in einer Kammer entfernt, die 100 % gasförmigen Wasserstoff H₂ oder ionisierten Wasserstoff H⁺ bei geringem Druck enthält, und zwar nach den Lehren der US 6 037 240 A oder des Dokuments WO 94/08076 A1 .
• Die Diamantabscheidung erfolgt nach Verfahren, die unter der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD, vom Englischen Chemical Vapour Phase Deposition) zusammengefasst werden. Es handelt sich nämlich um eine Abscheidung von polykristallinem Diamant, ausgehend von Kohlenstoff oder genauer von Kohlenstoffverbindungen (z.B. Acetylen, Aceton, Fluorkohlenstoff oder anderen kohlenstoffhaltigen Resten, Methan und seinen Kohlenwasserstoffradikalen CH₄, CH₂**, CH***, C***), die allgemein gasförmig eingeführt und dann in Gestalt eines Plasmastromes ionisiert, von einem überhitzten Filament emittiert oder durch Hochfrequenzen (Mikrowellen) angeregt werden. Der ionisierte und überhitzte Kohlenstoff scheidet sich auf der verhältnismässig kalten Oberfläche (800 - 1000 °C bis 1400 °C) jedes ersten Anteils 11 des kristallinen Siliciumträgers ab, wobei er in Gestalt von polykristallinem Diamant kristallisiert, insbesondere als Mikro- oder Nanokristalle.
• Es ist beobachtet worden, dass die maximale Beanspruchungsgrenze σ₂' der Abscheidung aus künstlichem Diamant desto höher ist und zur maximalen Grenze des (natürlichen oder synthetischen) einkristallinen Diamants hin tendiert, je kleiner die Kristalle sind.
• In der vorliegenden Beschreibung umfasst der Ausdruck „polykristalliner Diamant“ die Abscheidung von mikrokristallinem Diamant, der sich aus Kristallen im Mikrometerbereich zusammensetzt, und von nanokristallinem Diamant, der sich aus Kristallen im Nanometerbereich zusammensetzt.
• Der äussere Anteil der erfindungsgemässen Feder kann vorteilhaft aus mikrokristallinem Diamant oder bevorzugt aus nanokristallinem Diamant zusammengesetzt sein, auch aus Kristallen einer Grösse unterhalb eines Nanometers; der Diamant widersteht erhöhten elastischen Grenzbeanspruchungen σ₂' umso mehr, desto kleiner die Kristalle sind.
• Ausführlichere Einzelheiten über die Schritte der Abscheidung und des Aufwachsens einer Diamantschicht der Dicke 12 durch CVD finden sich in der Patentschrift EP 0 732 635 , die im Namen von CSEM hinterlegt wurde und worauf Bezug genommen werden kann.
• Wie 10D und 10E zeigen, bildet sich die Abscheidung 12 von polykristallinem Diamant auf der gesamten Fläche 11.1 bis 11.4 des ersten Anteils 11 und wächst regelmässig, bis eine dicke äussere Diamantschicht 12 gebildet ist, die den ersten Anteil 11 umhüllt.
• In vorteilhafter Weise ermöglicht ein solches Verfahren die Bildung einer äusseren Schicht 12 oder Diamantgangmasse von gleichmässiger Dicke, die leicht eine Dicke von mehr als fünf oder zehn Mikrometern und bevorzugt von mehr als 20 oder 30 µm erreicht.
• 11 zeigt aber in detaillierter Weise die Ansicht eines Querschnitts durch einen ersten oder Siliciumanteil 11, wie er als Ergebnis des Ätzschrittes (10C) erhalten wurde, und wo man sieht, dass die seitlichen Flanken 11.1 und 11.2 des ersten Anteils 11 nicht streng parallel sind, sondern einen flachen Winkel δ gegen die Senkrechte bilden, der in dieser Darstellung übertrieben worden ist. Der Winkel δ, der ,Hinterschneidungswinkel‘ genannt wird und den Ätzverfahren innewohnt, ist sehr flach, in der Grössenordnung von 1 bis 2° und oft noch kleiner. Auf einem ersten Anteil 11 mit einer Höhe h' in der Grössenordnung von 0,5 bis 1,5 mm und einer anfänglichen Dicke t von 30 µm auf der Höhe der Rippe 105 führt er aber zu einer abschliessenden Dicke t', die um die Hälfte abgenommen hat oder ganz verschwunden ist (dreieckiger oder schräg geschnittener Querschnitt). Um einen solchen Defekt zu vermeiden, ist nach einer Alternative zum erfindungsgemässen Verfahren vorgeschlagen worden, ausgehend von den beiden gegenüber liegenden Seiten eines Wafers 100 des Siliciumsubstrats durch zwei Ätzmasken 104 und 114, die bezüglich der Mittelebene 0-0 des Wafers symmetrisch sind, zwei praktisch senkrechte Ätzungen auszuführen, wie schematisch in 12A und 12B gezeigt. Der so gewonnene Trägeranteil 11' weist quer eine Dicke t auf, die gegen die Mittelebene 103 geringfügig abnimmt, aber über die Höhe h1 + h2 dieses ersten Anteils 11 annehmbar bleibt.
• Ein solches Verfahren gestattet es insbesondere, herkömmliche Siliciumwafer zu verwenden, die aus einer Schicht 101 der Höhe h1 aus Silicium gebildet werden, die auf einem Siliciumsubstrat 102 abgeschieden wurde (das seinerseits eine Höhe h2 in der Grössenordnung von etwa 100 Mikrometern bis zu einigen Millimetern besitzt), wobei die Schicht 101 und das Substrat 102 voneinander durch eine Zwischenschicht aus Siliciumoxid getrennt sind oder nicht.
• Einer solchen Variante des Herstellungsverfahrens einer erfindungsgemässen Federhaus-Zugfeder 10 zufolge werden zwei Maskierschichten 104 und 114 auf den beiden gegenüberliegenden Seiten eines Wafers 100 des Substrats 102 abgeschieden, das zumindest eine Schicht 101 aus kristallinem Silicium (mit einer Höhe von mehr als etwa 100 Mikrometer) aufweist. Aus den Maskierschichten 104 und 114 werden zwei Ätzmasken ausgeschnitten, die zumindest ein Paar von Rippen 105/115 umfassen, die im Wesentlichen symmetrisch zu einer Mittelebene 103 des Wafers sind, und wenigstens eine praktisch senkrechte Ätzung wird über die gesamte Höhe des Wafers 100 des Siliciumsubstrats durch die beiden gegenüber liegenden Masken hindurch ausgeführt, bevorzugt durch tiefes reaktives lonenätzen.
• Die folgenden Schritte bestehen darin, zumindest einen so gewonnenen, ersten Anteil 11 aus Silicium herauszuziehen, dann auf zumindest einem Teil der Oberfläche eines solchen ersten Anteils 11 eine äussere, dicke Schicht 12 aus polykristallinem Diamant durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) von Kohlenstoff oder Kohlenstoffverbindungen oder durch Plasmazersetzung von kohlenstoffhaltigen, zu polykristallinem Diamant kristallisierenden Gasen in einem Hochfrequenzfeld (CVD-Plasma) abzuscheiden und sodann wachsen zu lassen.
• Solche Arbeitsschritte der Abscheidung und des Aufwachsens von Diamant machen vorteilhafterweise die Gesamtdicke T der schlussendlich gewonnenen Zugfeder 10 regelmässiger.
• Allgemein besteht ein vorteilhaftes Merkmal der Erfindung darin, dass ein erster Anteil 11, der einen Träger bildet, senkrecht (übereinkunftsgemäss hier in der Richtung der Höhe h') vorgelegt wird, wodurch man eine Abscheidung einer dicken Diamantschicht 12 in der Waagerechten, die der Dicke (T; d/t/d) der Windungen der Zugfeder entspricht (d.h. in den radialen Richtungen), wachsen lässt, und zwar über die gesamte Höhe h' des ersten, tragenden Anteils 11, statt wie herkömmlich zu versuchen, eine Diamantabscheidung vertikal wachsen zu lassen und dabei zu versuchen, die gesuchte Höhe der Windungen der Federhaus-Zugfeder zu erreichen.
• Wie in 10E veranschaulicht, weist vorteilhafterweise der äussere Anteil 12 aus polykristallinem Diamant geglättete bzw. gerundete Ränder mit einem Krümmungsradius r ohne scharfe Kanten auf.
• Allgemeiner weist die erfindungsgemässe Federhaus-Zugfeder 10 eine Aussenseite aus Diamant auf, die eine geringe Oberflächenrauigkeit (Ra < 1 µm) und einen geringen Reibungskoeffizienten bietet. Ausserdem kann die Rauigkeit durch CVD-Bildung von Nanokristallen oder durch eine Plasmapolierbehandlung verringert werden, was alle Reibungsquellen noch weiter abschwächt.
• Alternativ zum Polieren bzw. zur Abscheidung von Nanokristallen ist es möglich, eine trocken schmierende Aussenbeschichtung hinzuzufügen, insbesondere eine Beschichtung aus Teflon, das zum Beispiel durch CVD abgeschieden wird, oder aus Molybdändisulfid, das gut auf den Oberflächenkristallen des Diamantanteils anhaftet.
• Vorteilhafterweise ermöglicht es die erfindungsgemäss gewonnene Zugfeder 10, die zuvor zwischen einer herkömmlichen Zugfeder und dem Federhaus 2 vorhandenen Reibungen praktisch zu unterdrücken. Ausserdem weist die erfindungsgemässe Federhaus-Zugfeder 10 praktisch keine inneren Reibungen zwischen ihren Windungen mehr auf, wenn diese sich abwickeln. Dieser Punkt ist für die Regelmässigkeit des an das Uhrwerk gelieferten Kraftmoments und somit für die Regelmässigkeit der Unruhamplitude besonders günstig, und er ermöglicht ein Ende des Schmierungsproblems (siehe das zuvor zitierte Werk von L. Defossez, „Theorie générale de l'horlogerie“, Kapitel IV, Antriebskraft‘, , Die Ermüdung einer Feder beeinflussende Faktoren). Erfindungsgemäss verlangt die Zugfeder 10 mit einer äusseren Schicht der Dicke 12 aus Diamant keine Schmierung mehr und auch keine Arbeit eines Abschleifens oder einer Abrundung von Kanten (ebenso wenig natürlich eine Arbeit des Ausglühens, Härtens, Anlassens und der Wärmebehandlung wie bei den Metallbändern aus herkömmlichem Federstahl).
• Ein wichtiger Vorteil der erfindungsgemässen, aus Diamant zusammengesetzten Zugfeder 10 besteht darin, dass sie im Verlauf der Zeit ihres Funktionierens praktisch keine elastische Kraft verliert, da der Diamant keine plastische Verformung kennt. Somit bleiben das elastische Moment und die durch die erfindungsgemässe Federhaus-Zugfeder angesammelte maximale Energie über die Zeit hinweg konstant und zeigen kein Ermüdungsproblem mehr, was dazu beiträgt, die Gangdauer und Gangreserve des Uhrwerks zu gewährleisten.
• Zum Fehlen einer Verformung kommt die Härte des Diamants hinzu, die es ihm gestattet, den Erscheinungen einer Abnutzung zu widerstehen, so dass die erfindungsgemäss aus Diamant zusammengesetzten Zugfedern 10 eine lange Lebensdauer zu haben versprechen, indem Diamant für seine lange Lebensdauer berühmt ist.

Claims (24)

1. Zugfeder (10) für Uhrwerk-Federhaus, die eine Verbundstruktur aufweist, die einen ersten, aus einem Trägermaterial realisierten Anteil (11) umfasst, der zumindest teilweise von einem zweiten Anteil (12) überdeckt wird, der aus Diamant realisiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial des ersten Anteils (11) ein Halbmetall, insbesondere Kohlenstoff, Silicium oder Germanium, ist.
2. Federhaus-Zugfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial des ersten Anteils kristallines Silicium ist.
3. Federhaus-Zugfeder nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anteil (11) aus einem Trägermaterial besteht, das einen dem von Diamant ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten besitzt.
4. Federhaus-Zugfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Anteil (12) aus zumindest einer Schicht (12.2) aus polykristallinem Diamant in einer Dicke von mehr als zehn Mikrometern gebildet wird.
5. Federhaus-Zugfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anteil (11) im Kern des zweiten Anteils (12) aus Diamant angeordnet ist.
6. Federhaus-Zugfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anteil (11) und der zweite Anteil (12) im Wesentlichen konzentrische, rechteckige Querschnitte (h' t/H T) aufweisen.
7. Federhaus-Zugfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Anteil (12) aus Diamant eine Dicke (d/2d) besitzt, die mehr als ein Zehntel der Dicke (t) des ersten Anteils (11) beträgt.
8. Federhaus-Zugfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Anteil (12.2) zumindest eine Flanke (11.2) des ersten Anteils (11) überdeckt.
9. Federhaus-Zugfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Anteil (12) senkrecht zur Oberfläche (11.1 bis 11.4) des ersten Anteils (11) eine Dicke (d) von Diamant aufweist, die mehr als ein Sechstel oder ein Drittel der Dicke (t) des ersten Anteils (11) beträgt.
10. Federhaus-Zugfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass jede Windung der Zugfeder eine Querschnittsfläche (A = h'·d bis A = 2d H + 2d·t) an Diamant aufweist, die grösser als die Querschnittsfläche (h'·t) des ersten Anteils (11) ist.
11. Federhaus-Zugfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie bezüglich des Gesamtvolumens der Zugfeder mehrheitlich aus Diamantvolumen zusammengesetzt ist.
12. Federhaus-Zugfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Dicke (T) der Windungen aufweist, die mehr als etwa zehn Mikrometer beträgt, sowie eine Höhe (H) der Windungen, die mehr als etwa einhundert Mikrometer beträgt.
13. Federhaus-Zugfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die entspannte Zugfeder (10) eine Spiralgestalt oder eine umgekehrte Gestalt aufweist.
14. Federhaus-Zugfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Anteil (12) in direkter Berührung mit der Oberfläche (11.1 bis 11.4) des ersten Anteils (11) steht.
15. Federhaus-Zugfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zwischenschicht für die Keimbildung oder als Kristallisationskeim zwischen den ersten Anteil (11) und den zweiten Anteil (12) aus Diamant eingefügt ist.
16. Uhr, dadurch gekennzeichnet, dass sie zumindest eine Federhaus-Zugfeder (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche umfasst, um ein Uhrwerk zu betätigen.
17. Verfahren zur Fertigung einer Federhaus-Zugfeder (10), die eine Verbundstruktur aufweist, die einen ersten, aus einem Trägermaterial realisierten Anteil (11) umfasst, der zumindest teilweise von einem zweiten Anteil (12) aus Diamant überdeckt ist, wobei das Verfahren Schritte aufweist, die darin bestehen: - eine aus Trägermaterial (101) bestehende Platte (100) vorzulegen; - ein Ätzen (106) im Wesentlichen senkrecht (h') im Trägermaterial (101) durch eine Ätzmaske (105) hindurch auszuführen; - zumindest einen aus Trägermaterial gewonnenen ersten Anteil (11) herauszuziehen; - auf jedem ersten Anteil (11) einen zweiten Anteil (12) aus Diamant abzuscheiden.
18. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, worin die Platte aus Trägermaterial eine Platte (100) ist, die zumindest eine Schicht (101) aus kristallinem Silicium aufweist.
19. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, worin die Oberfläche jedes ersten Anteils (11) aus Silicium vor jeglicher Oxidation bewahrt wird oder gegebenenfalls eine solche Siliciumoxidschicht abgebeizt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, worin das Ätzen (106) durch im Wesentlichen senkrechtes, tiefes reaktives lonenätzen in der Höhe (h') der Platte (100) erfolgt.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, worin die Ätzmaske zumindest eine Rippe (105) aufweist, die parallel zur Ebene der Platte ein Wickelprofil aufweist, das eine spiralförmige oder umgekehrte Krümmung bildet.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21, worin der zweite Anteil (12) durch Abscheidung zumindest einer Schicht (12.2) aus polykristallinem Diamant in einer Dicke (d) gebildet wird, die etwa zehn Mikrometer übersteigt.
23. Verfahren nach Anspruch 22, worin die Abscheidung (12) von Diamant auf dem ersten Anteil (11) senkrecht zu den Windungen (10) und/oder zur Höhe (h') des ersten Anteils (11) erfolgt.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 23, worin zwei im Wesentlichen vertikale Ätzungen durch zwei Masken (104, 114) für symmetrisches Ätzen (105, 115) hindurch erfolgen, die auf zwei gegenüber liegenden Seiten einer Substratplatte angeordnet sind, wobei die Ätzungen über die gesamte Höhe (h1 + h2) der Substratplatte (100) erfolgen.

Images