DE102013104248B3 - Method for manufacturing spiral spring for mechanical clock movements of mechanical clock, involves providing spiral spring with spring axis, where spiral spring has average height in direction parallel to its spring axis - Google Patents

Method for manufacturing spiral spring for mechanical clock movements of mechanical clock, involves providing spiral spring with spring axis, where spiral spring has average height in direction parallel to its spring axis Download PDF

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    • G04B17/00—Mechanisms for stabilising frequency
    • G04B17/04—Oscillators acting by spring tension
    • G04B17/06—Oscillators with hairsprings, e.g. balance
    • G04B17/066—Manufacture of the spiral spring

Abstract

The method involves providing a spiral spring (1) with a spring axis (UA), where the spiral spring has an average height in a direction parallel to its spring axis. The spiral spring is made from silicon. A silicon oxide-upper surface coating is generated on a silicon-core of the spiral spring, where the upper surface coating has a thickness exceeded over the dimension that is necessary for minimizing the temperature dependence of the return constant of the spiral spring.

Description

Technisches Gebiet Technical area

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Spiralfeder für mechanische Uhrwerke. The invention relates to a method for producing a spiral spring for mechanical movements.

Stand der Technik State of the art

Ein mechanisches Uhrwerk weist als zentrale Bestandteile Federhaus mit Zugfeder, Räderwerk, Hemmung und Schwingsystem (Unruh) auf. Dabei stellt das Federhaus mit Zugfeder den Antrieb des Uhrwerks zur Verfügung. Die Kraftübertragung erfolgt beginnend beim Federhaus über das Räderwerk zum Ankerrad, das einen Bestandteil der Hemmung darstellt. Das Räderwerk treibt die Zeiger der Uhr an und übersetzt die in der Zugfeder gespeicherte Federkraft in Drehbewegungen verschiedener Geschwindigkeiten, wodurch Sekunden, Minuten, Stunden usw. angezeigt werden. A mechanical movement has as central components barrel with tension spring, gear train, escapement and oscillating system (balance). The barrel with tension spring provides the drive of the movement. The power is transmitted starting from the barrel via the gear train to the escape wheel, which represents a part of the escapement. The gear train drives the hands of the watch and translates the spring force stored in the tension spring into rotational motions of different speeds, indicating seconds, minutes, hours and so on.

Die Unruh umfasst einen Schwingkörper, welcher mittels einer Unruhwelle schwenkbar um eine Drehachse gelagert ist. Ferner ist eine Spiralfeder vorgesehen, die zusammen mit der Masse des Schwingkörpers das schwingungsfähige und taktgebende System bildet. Schließlich umfasst die Unruh eine Vorrichtung zur Gangregulierung wie beispielsweise einen Rücker, mit der die Schwingeigenschaft der Spiralfeder verändert und damit der gewünschte korrekte Gang der Uhr eingestellt werden kann. The balance comprises a vibrating body, which is mounted pivotably about an axis of rotation by means of a balance shaft. Further, a spiral spring is provided, which forms the oscillatory and clocking system together with the mass of the vibrating body. Finally, the balance includes a device for regulating the speed, such as a back, which can be used to change the oscillating characteristic of the coil spring and thus to set the desired correct gear of the watch.

Der exakte Gang der Uhr basiert auf dem möglichst gleichmäßigen Hin- und Herschwingen der Spiralfeder um ihre Gleichgewichtsposition. Dabei greift der Anker abwechselnd hemmend und freigebend so in das Ankerrad ein, dass die Bewegung stets in gleichem Zeitmaß pulsiert. Ohne stetige Energiezufuhr würde die Unruh jedoch ihre Bewegung einstellen. Deshalb wird kontinuierlich die vom Federhaus kommende Kraft über das Räderwerk auf die Unruh übertragen. Die Hemmung leitet die Kraft über Ankerrad und Anker an die Unruh weiter. The exact course of the clock is based on the most even swinging back and forth of the coil spring to their equilibrium position. The armature intervenes alternately inhibiting and releasing in the escape wheel so that the movement always pulsates in the same time. However, without a steady supply of energy, the balance would stop moving. Therefore, the force coming from the barrel is continuously transmitted to the balance via the gear train. The escapement forwards the power via the escape wheel and the anchor to the balance wheel.

Beim Verlassen seiner Gleichgewichtsposition bewirkt der Schwingkörper der Unruh ein Vorspannen der Spiralfeder, wodurch ein Rückholdrehmoment erzeugt wird, das die Spiralfeder, nach ihrer Freigabe durch den Anker, zur Rückkehr in ihre Gleichgewichtsposition veranlasst. Dadurch wird dem Schwingkörper eine gewisse kinetische Energie verliehen, weshalb er über seine Gleichgewichtsposition hinausschwingt bis ihn das Gegendrehmoment der Spiralfeder anhält und zum Rückschwingen zwingt. Die Spiralfeder reguliert somit die Schwingungsperiode der Unruh und damit den Gang der Uhr. Upon leaving its equilibrium position, the oscillating body of the balance causes biasing of the coil spring, creating a return torque that causes the coil spring, after release by the armature, to return to its equilibrium position. As a result, the oscillating body is given a certain kinetic energy, which is why it oscillates beyond its equilibrium position until it stops the counter-torque of the spiral spring and forces it to swing back. The spiral spring thus regulates the oscillation period of the balance and thus the course of the clock.

Spiralfedern mit möglichst konstantem und dauerhaft unverändertem Schwingverhalten sind daher von enormer Wichtigkeit für den Bau mechanischer Uhren. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Herstellung von Spiralfedern bekannt. Spiral springs with as constant and permanently unchanged vibration behavior are therefore of enormous importance for the construction of mechanical watches. Various methods for the production of coil springs are known from the prior art.

So kann beispielsweise die Spiralfeder aus speziellen Stahllegierungen gefertigt werden, und zwar in der Weise, dass ein aus der Stahllegierung erzeugter Draht durch Walz- und Ziehvorgänge in einen rechteckigen Querschnitt verformt wird. Aus diesem Draht mit rechteckigem Querschnitt wird nachfolgend die Spiralfeder durch Wickeln hergestellt. For example, the spiral spring can be made of special steel alloys in such a way that a wire made of the steel alloy is deformed by rolling and drawing operations in a rectangular cross-section. From this wire with a rectangular cross-section, the coil spring is subsequently produced by winding.

Die DE 10 2008 061 182 A1 offenbart die Herstellung von Spiralfedern aus Silizium, insbesondere aus polykristallinem Silizium sowie aus Siliziumcarbid. Die Spiralfedern werden durch Laserschneiden aus der Nutzschicht eines Silizium-Wafers ausgeschnitten. The DE 10 2008 061 182 A1 discloses the production of coil springs of silicon, in particular polycrystalline silicon and silicon carbide. The spiral springs are cut out of the wear layer of a silicon wafer by laser cutting.

Aus der EP 1 422 436 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen von Spiralfedern für das Schwingsystem von mechanischen Uhren aus einkristallinem Silizium bekannt. From the EP 1 422 436 A1 For example, a method of manufacturing coil springs for the vibrating system of mechanical monocrystalline silicon watches is known.

Die DE 101 27 733 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen von Schrauben- oder Spiralfedern aus kristallinem, insbesondere einkristallinem Silizium durch eine mechanische abtragende Bearbeitung. The DE 101 27 733 A1 discloses a method for producing helical or spiral springs made of crystalline, in particular monocrystalline silicon by a mechanical abrasive machining.

Schließlich offenbart die DE 10 2008 029 429 A1 ein Verfahren zum Herstellen von Spiralfedern für Uhrwerke, bei dem die Spiralfedern durch Ätzverfahren mit Hilfe von Ätzmasken aus einem Silizium-Ausgangsmaterial gewonnen werden. Finally, the reveals DE 10 2008 029 429 A1 a method for producing spiral springs for movements, in which the coil springs are obtained by etching by means of etching masks from a silicon starting material.

Um ein möglichst konstantes Schwingverhalten der Spiralfeder und damit eine hohe und möglichst konstante Ganggenauigkeit des Uhrwerks zu erreichen, muss die Rückholkonstante C der Spiralfeder möglichst konstant sein. Die Rückholkonstante berechnet sich nach C = M/φ In order to achieve a constant oscillation behavior of the coil spring and thus a high and as constant as possible accuracy of the clock movement, the return constant C of the coil spring must be as constant as possible. The return constant is calculated according to C = M / φ

Dabei bezeichnet φ den Torsionswinkel der Rotation der Spiralfeder und M das Rückholdrehmoment. Das Rückholdrehmoment M wiederum ist proportional zum temperaturabhängigen Elastizitätsmodul E der Spiralfeder, wodurch sich eine Temperaturabhängigkeit der Rückholkonstanten C ergibt. In this case, φ denotes the torsion angle of the rotation of the spiral spring and M the Rückholdrehmoment. The Rückholdrehmoment M in turn is proportional to the temperature-dependent elastic modulus E of the coil spring, resulting in a temperature dependence of the Rückholkonstanten C.

Im Falle von Spiralfedern aus Silizium wird zur Minimierung der Temperaturabhängigkeit der Rückholkonstante die Tatsache ausgenutzt, dass Siliziumoxid einen, dem Silizium entgegengesetzten Temperaturkoeffizienten des Elastizitätsmoduls aufweist. Durch eine Beschichtung einer Silizium-Spiralfeder mit einem Überzug aus Siliziumoxid kann so die Temperaturabhängigkeit des Elastizitätsmoduls der Spiralfeder und damit die Temperaturabhängigkeit der Rückholkonstante C minimiert werden. Dadurch kann die Empfindlichkeit der Spiralfeder gegenüber Temperaturschwankungen auf ein Minimum reduziert werden. In the case of spiral springs made of silicon, the fact that silicon oxide has one opposite to that of silicon is used to minimize the temperature dependence of the return constant Temperature coefficient of the elastic modulus has. By coating a silicon spiral spring with a coating of silicon oxide, the temperature dependence of the modulus of elasticity of the spiral spring and thus the temperature dependence of the return constant C can be minimized. As a result, the sensitivity of the coil spring to temperature fluctuations can be minimized.

Die Dicke der Beschichtung aus Siliziumoxid, die für einen gegebenen Querschnitt der Spiralfeder erforderlich ist, um eine optimale Temperaturkompensation zu erreichen, kann vom Fachmann problemlos berechnet oder einfach experimentell bestimmt werden. Die so berechneten bzw. bestimmten Schichtdicken für den Siliziumoxid-Überzug sind tabellarisch verfügbar. Üblich sind Beschichtungen mit Dicken von 4 bis 8 µm. The thickness of the silicon oxide coating required for a given cross-section of the coil spring to achieve optimum temperature compensation can easily be calculated by the skilled person or simply determined experimentally. The calculated or determined layer thicknesses for the silicon oxide coating are available in tabular form. Usual are coatings with thicknesses of 4 to 8 microns.

Eine Verbesserung des Schwingverhaltens von Spiralfedern und damit die Verbesserung der Ganggenauigkeit stellt im Bereich der mechanischen Uhrwerke das anzustrebende Ziel schlechthin dar. An improvement of the oscillatory behavior of coil springs and thus the improvement of accuracy in the field of mechanical movements is the desired goal par excellence.

Darstellung der Erfindung Presentation of the invention

Hier setzt die Erfindung an. Es soll ein Verfahren zur Herstellung von Spiralfedern für mechanische Uhrwerke aufgezeigt werden, durch das Spiralfedern mit einem verbesserten Schwingverhalten erzeugt werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Aspekte, Details und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den Figuren. This is where the invention starts. It is a method for producing spiral springs for mechanical movements are shown, are produced by the coil springs with improved vibration behavior. This object is achieved by the method according to claim 1. Further advantageous aspects, details and embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims, the description and the figures.

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung einer Spiralfeder für mechanische Uhrwerke zur Verfügung mit den Schritten Bereitstellen einer aus Silizium gefertigten Spiralfeder mit einer Federachse, wobei die Spiralfeder in einer Richtung parallel zu ihrer Federachse eine durchschnittliche Höhe h aufweist, Erzeugen einer Siliziumoxid-Oberflächenbeschichtung auf dem Silizium-Kern der Spiralfeder, wobei die Oberflächenbeschichtung eine über das zur Minimierung der Temperaturabhängigkeit der Rückholkonstante C der Spiralfeder erforderliche Maß hinausgehende Dicke d aufweist, und Verringerung der durchschnittlichen Höhe h der Spiralfeder zu einer durchschnittlichen Höhe h1 in zumindest einem Teilbereich der Spiralfeder durch einen mechanischen oder chemischen Materialabtrag. The present invention provides a method of manufacturing a helical spring for mechanical timepieces having the steps of providing a helical spring made of silicon with a spring axis, the helical spring having an average height h in a direction parallel to its spring axis, producing a silicon oxide surface coating the silicon core of the coil spring, the surface coating having a thickness d exceeding that required to minimize the temperature dependence of the return constant C of the coil spring, and reducing the average height h of the coil spring to an average height h 1 in at least a portion of the coil spring a mechanical or chemical material removal.

In vergleichenden Versuchsreihen hat sich gezeigt, dass die Minimierung der Temperaturabhängigkeit des Schwingverhaltens einer mit Siliziumoxid beschichteten Silizium-Spiralfeder deutlich genauer optimiert werden kann, wenn zunächst eine Oberflächenbeschichtung mit einer über das zur Minimierung der Temperaturabhängigkeit der Rückholkonstante C der Spiralfeder erforderliche Maß hinausgehende Dicke d aufgetragen wird und dann anschließend die durchschnittliche Höhe h der Spiralfeder in einem Teilbereich durch Materialabtrag verringert wird. Durch das Entfernen der Siliziumoxid-Schicht in diesem Teilbereich der Spiralfeder wird die durch die zuvor erfolgte Beschichtung in eigentlich zu großer Dicke hervorgerufene Überkompensation der Temperaturabhängigkeit des Silizium-Kerns der Spiralfeder rückkompensiert. Auf diese Weise kann eine im Vergleich zur Kompensation durch Aufbringen eines Silizium-Überzugs mit vorbestimmter Dicke verbesserte Optimierung der Temperaturabhängigkeit des Schwingungsverhaltens der Spiralfeder vorgenommen werden. In comparative series of experiments, it has been shown that the minimization of the temperature dependence of the vibrational behavior of a silicon-coated silicon coil spring can be optimized significantly more accurately if first a surface coating with a thickness d above that required to minimize the temperature dependence of the return constant C of the spiral spring is applied is then and then the average height h of the coil spring in a partial area is reduced by material removal. By removing the silicon oxide layer in this partial region of the spiral spring, the overcompensation of the temperature dependence of the silicon core of the spiral spring caused by the previously effected coating in actually too great thickness is back compensated. In this way, compared to the compensation by applying a silicon coating with a predetermined thickness improved optimization of the temperature dependence of the vibration behavior of the coil spring can be made.

Unter der „durchschnittlichen Höhe“ einer Spiralfeder wird der auf eine entsprechende Federlänge normierte Mittelwert der über die jeweilige Federlänge variierenden Höhe einer Spiralfeder verstanden. Üblicherweise werden Spiralfedern aus fertigungstechnischen Gründen mit einer konstanten Höhe gefertigt. Aus verschiedenen Gründen kann es aber vorkommen, dass eine Spiralfeder eine variierende Höhe aufweist. Da sich die durch die vorliegende Erfindung ergebende Verbesserung des Schwingungsverhaltens einstellt, solange nur die durchschnittliche Höhe h der Spiralfeder in zumindest einem Teilbereich der Spiralfeder zu einer durchschnittlichen Höhe h1 verringert ist, wird auf die oben definierte „durchschnittliche Höhe“ abgestellt. Im Falle einer Spiralfeder mit konstanter Höhe h entspricht diese konstante Höhe h der durchschnittlichen Höhe h. The term "average height" of a spiral spring is understood to mean the average value of a spring length that is normalized by the height of a spiral spring varying over the respective spring length. Usually coil springs are manufactured for manufacturing reasons with a constant height. For various reasons, it may happen that a coil spring has a varying height. Since the vibration performance resulting from the present invention is adjusted as long as only the average height h of the coil spring in at least a portion of the coil spring is reduced to an average height h 1 , the "average height" defined above is considered. In the case of a helical spring with a constant height h, this constant height h corresponds to the average height h.

Der mechanische oder chemische Materialabtrag erfolgt nach dem Fachmann hinlänglich bekannten Verfahren. Ein chemischer Materialabtrag kann beispielsweise durch ein Ätzverfahren mit Hilfe von Photomasken vorgenommen werden. Ein mechanischer Materialabtrag kann z.B. durch Schleifen mit Hilfe eines diamantbesetzten Werkzeugs erfolgen. The mechanical or chemical removal of material takes place according to methods well known to the person skilled in the art. A chemical material removal can be carried out, for example, by means of an etching process with the aid of photomasks. A mechanical material removal can e.g. by grinding with the aid of a diamond tool.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung setzt sich die Spiralfeder aus einem inneren Schwingungsbereich und einem äußeren Stabilisierungsbereich zusammen. Der Schwingungsbereich der Spiralfeder ist im Sinne der Erfindung diejenige Spirallänge der Feder, in dem die Schwingung ungehindert abläuft. Es ist bekannt, die Spiralfeder eines mechanischen Schwingsystems im Bereich des äußeren Stabilisierungsbereiches zur Schaffung einer zusätzlichen Masse mit einer Verdickung auszubilden, um eine oszillierende Verlagerung der Spiralfeder beim Schwingen des Schwingsystems zu vermeiden. Um diesen Effekt zu erreichen, ist eine Abstimmung des Massengewichtes der Verdickung in Bezug auf das Gesamt-Massengewicht der aktiven Federlänge der Spiralfeder notwendig. Die aktive Federlänge ist dabei diejenige Länge der Spiralfeder, die während des Schwingens wirksam ist, d.h. der elastischen Verformung unterliegt und sich zwischen dem inneren Spiralfederende und dem äußeren Haltepunkt der Spiralfeder erstreckt. Das innere Spiralfederende ist an der Stelle lokalisiert, an der die Spiralfeder radial zur Federachse eine Breite aufweist, die gleich oder im Wesentlichen gleich der Breite sämtlicher Windungen ist. According to a preferred embodiment of the present invention, the coil spring is composed of an inner vibration region and an outer stabilization region. The oscillation range of the spiral spring in the context of the invention is that spiral length of the spring in which the oscillation proceeds unhindered. It is known to form the spiral spring of a mechanical vibration system in the region of the outer stabilization region to create an additional mass with a thickening in order to avoid an oscillating displacement of the coil spring during oscillation of the oscillating system. To achieve this effect is a vote of the mass weight the thickening in relation to the total mass weight of the active spring length of the coil spring necessary. The active spring length is that length of the coil spring, which is effective during the swing, that is subject to the elastic deformation and extends between the inner coil spring end and the outer breakpoint of the coil spring. The inner coil spring end is located at the point where the coil spring has a width radially of the spring axis that is equal to or substantially equal to the width of all the turns.

Aus der DE 20 2012 103 893 U1 ist zudem bekannt, dass ein verbessertes Schwingverhalten nicht unbedingt nur durch eine im Stabilisierungsbereich der Spiralfeder vergrößerte Masse erreicht wird, sondern auch durch eine Erhöhung des Flächenträgheitsmomentes der Spiralfeder in ihrem Stabilisierungsbereich erreicht werden kann. Eine solche Erhöhung des Flächenträgheitsmomentes kann in einfacher Weise durch eine im Vergleich zum Schwingungsbereich der Spiralfeder im Stabilisierungsbereich verringerte Höhe und/oder vergrößerte Breite der Spiralfeder erreicht werden. Da die Zunahme der Breite mit der dritten Potenz in die Berechnung des Flächenträgheitsmomentes eingeht und die Abnahme der Höhe sich nur linear auswirkt, kann die Spiralfeder so ausgebildet werden, dass eine Erhöhung des Flächenträgheitsmomentes ohne Massenzunahme möglich ist. From the DE 20 2012 103 893 U1 is also known that an improved vibration behavior is not necessarily achieved only by an increased in the stabilization region of the coil spring mass, but can also be achieved by increasing the area moment of inertia of the coil spring in its stabilization range. Such an increase in the area moment of inertia can be achieved in a simple manner by means of a reduced height and / or increased width of the helical spring in comparison to the oscillation area of the spiral spring in the stabilization area. Since the increase of the width with the third power enters into the calculation of the area moment of inertia and the decrease of the height only has a linear effect, the spiral spring can be designed so that an increase of the area moment of inertia without mass increase is possible.

Durch die Verringerung der durchschnittlichen Höhe der Spiralfeder in ihrem Stabilisierungsbereich kann in vielen Fällen eine Stabilisierung des Schwingungsverhaltens der Spiralfeder erreicht werden, ohne dass der Stabilisierungsbereich mit einer zusätzlichen Masse versehen werden muss. Damit wird verhindert, dass die Spiralfeder aufgrund der durch die zusätzliche Masse bedingten erhöhten Trägheit ihre maximale Schwingungsamplitude erst zu einem späteren Zeitpunkt erreicht. Außerdem wird sowohl eine durch Massezunahme bedingte höhere Reibung in den Lagern der Spiralfeder als auch eine durch eine zusätzlich vorgesehene Masse hervorgerufene Unwucht der Spiralfeder vermieden. By reducing the average height of the coil spring in its stabilization region, a stabilization of the oscillation behavior of the spiral spring can be achieved in many cases, without the stabilization region having to be provided with an additional mass. This prevents the spiral spring from reaching its maximum oscillation amplitude at a later time due to the increased inertia caused by the additional mass. In addition, both caused by an increase in mass higher friction in the bearings of the coil spring and caused by an additionally provided mass imbalance of the coil spring is avoided.

Wird also die Verringerung der durchschnittlichen Höhe h der Spiralfeder zu einer durchschnittlichen Höhe h1 in zumindest einem Teilbereich des äußeren Stabilisierungsbereiches der Spiralfeder vorgenommen, so ergeben sich gleichzeitig zwei Effekte. Durch den Materialabtrag erfolgt zum einen eine Minimierung der Temperaturabhängigkeit des Schwingverhaltens der Spiralfeder und zum anderen eine Stabilisierung des Schwingungsverhaltens der Spiralfeder durch die aufgrund der Verringerung der durchschnittlichen Höhe bewirkte Erhöhung des Flächenträgheitsmomentes. Die Verringerung der Höhe h der Spiralfeder zu einer Höhe h1 erfolgt daher gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in zumindest einem Teilbereich des äußeren Stabilisierungsbereiches der Spiralfeder. Thus, if the reduction of the average height h of the spiral spring to an average height h 1 is made in at least a portion of the outer stabilization region of the spiral spring, two effects result simultaneously. The removal of material on the one hand minimizes the temperature dependence of the oscillation behavior of the coil spring and, on the other hand, stabilizes the oscillation behavior of the coil spring by increasing the area moment of inertia caused by the reduction in the average height. The reduction of the height h of the spiral spring to a height h 1 is therefore carried out according to a particularly preferred embodiment of the present invention in at least a portion of the outer stabilization region of the coil spring.

Zur Festlegung und genauen Definition der verschiedenen Abschnitte der Spiralfeder sei an dieser Stelle ausgeführt, dass sich die Gesamtfederlänge der Spiralfeder aus dem inneren Schwingungsbereich und dem äußeren Stabilisierungsbereich zusammensetzt. Die Gesamtfederlänge der Spiralfeder erstreckt sich von dem inneren Spiralfederende bis zu dem äußeren Federhaltepunkt. Das innere Ende des Schwingungsbereichs ist an der Stelle lokalisiert, an dem der Schwingungsbereich der Spiralfeder in den Spiralfederbefestigungsabschnitt, der der Befestigung der Spiralfeder an der Unruhwelle dient, übergeht. Der äußere Federhaltepunkt wird entweder durch einen fest fixierten Federhaltepunkt oder durch die Position eines Rückers festgelegt. Der äußere Stabilisierungsbereich entspricht einem Abschnitt der Spiralfeder, der sich von dem Federhaltepunkt in Richtung des Schwingungsbereichs der Spiralfeder erstreckt, wobei die Grenze zwischen Stabilisierungsbereich und Schwingungsbereich dadurch festgelegt ist, dass die Spiralfeder in ihrem Stabilisierungsbereich im Vergleich zum Schwingungsbereich ein um wenigstens 10% erhöhtes Flächenträgheitsmoment und/oder eine um wenigstens 10% vergrößerte Masse pro Federlänge aufweist. For the definition and exact definition of the different sections of the spiral spring is made at this point that the total spring length of the coil spring from the inner vibration region and the outer stabilization region composed. The overall spring length of the coil spring extends from the inner coil spring end to the outer spring support point. The inner end of the vibration region is located at the point where the oscillation region of the coil spring merges with the coil spring attachment section which serves to fix the coil spring to the balance shaft. The outer spring retention point is determined either by a fixed spring retention point or by the position of a recoiler. The outer stabilizing portion corresponds to a portion of the coil spring extending from the spring-holding point toward the oscillation portion of the coil spring, wherein the boundary between the stabilizing portion and the oscillating portion is determined by the spiral spring having at least 10% increased second moment of area in its stabilizing portion as compared with the oscillating portion and / or increased by at least 10% mass per spring length.

Besonders bevorzugt erfolgt die Verringerung der durchschnittlichen Höhe h der Spiralfeder zu einer durchschnittlichen Höhe h1 ausschließlich in dem äußeren Stabilisierungsbereich der Spiralfeder. Die oben angesprochene Stabilisierung des Schwingungsverhaltens der Spiralfeder wird in diesem Fall optimal erreicht. Particularly preferably, the reduction of the average height h of the spiral spring to an average height h 1 takes place exclusively in the outer stabilization region of the spiral spring. The above-mentioned stabilization of the vibration behavior of the coil spring is optimally achieved in this case.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden durch den mechanischen oder chemischen Materialabtrag ausschließlich Bestandteile der Siliziumoxid-Oberflächenbeschichtung abgetragen. In diesem Fall ist der Silizium-Kern der Spiralfeder weiterhin vollständig von einer Siliziumoxid-Oberflächenbeschichtung umschlossen, welche aber in unterschiedlichen Teilbereichen unterschiedliche Dicken aufweist. Die Minimierung der Temperaturabhängigkeit des Schwingverhaltens der Spiralfeder durch den Materialabtrag ist in diesem Fall besonders vorteilhaft und genau zu erreichen. According to a further preferred embodiment, only mechanical components of the silicon oxide surface coating are removed by the mechanical or chemical removal of material. In this case, the silicon core of the spiral spring is also completely enclosed by a silicon oxide surface coating, but which has different thicknesses in different subregions. The minimization of the temperature dependence of the oscillation behavior of the coil spring by the removal of material is particularly advantageous and can be achieved precisely in this case.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist es auch möglich, dass durch den mechanischen oder chemischen Materialabtrag Bestandteile der Siliziumoxid-Oberflächenbeschichtung und Bestandteile des Silizium-Kerns abgetragen werden. In diesem Fall kann eine besonders deutliche Verringerung der durchschnittlichen Höhe der Spiralfeder vorgenommen werden, wodurch sich eine besonders ausgeprägte Erhöhung des Flächenträgheitsmoments und damit auch Stabilisierung des Schwingungsverhaltens der Spiralfeder ergibt. According to a further embodiment, it is also possible that components of the silicon oxide surface coating and components of the silicon core are removed by the mechanical or chemical removal of material. In this case, a particularly significant reduction in the average height of the coil spring can be made, resulting in a particularly pronounced increase in the area moment of inertia and so that stabilization of the vibration behavior of the coil spring results.

Bevorzugt ist die durch den chemischen oder mechanischen Materialabtrag verringerte durchschnittliche Höhe h1 in zumindest einem Teilbereich der Spiralfeder zumindest 2% geringer ist als die durchschnittliche Höhe h der Spiralfeder, besonders bevorzugt zumindest 10% und insbesondere bevorzugt ist die verringerte durchschnittliche Höhe h1 in zumindest einem Teilbereich der Spiralfeder zumindest 25% geringer ist als die durchschnittliche Höhe h der Spiralfeder. Preferably, the reduced by the chemical or mechanical material removal average height h 1 in at least a portion of the coil spring is at least 2% less than the average height h of the coil spring, more preferably at least 10% and particularly preferred is the reduced average height h 1 in at least a portion of the coil spring is at least 25% less than the average height h of the coil spring.

Die vorliegende Erfindung umfasst auch eine Spiralfeder für eine mechanische Uhr, wobei die Spiralfeder nach einem der oben beschriebenen Verfahren hergestellt ist. The present invention also includes a helical spring for a mechanical watch, wherein the helical spring is made according to one of the methods described above.

Außerdem umfasst die vorliegende Erfindung eine mechanische Uhr mit einer nach einem der oben beschriebenen Verfahren hergestellten Spiralfeder. In addition, the present invention includes a mechanical timepiece with a coil spring made according to one of the methods described above.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen The invention will be explained in more detail with reference to embodiments in conjunction with the drawings. Show it

1 eine perspektivische Ansicht einer Spiralfeder mit Unruhwelle; 1 a perspective view of a coil spring with balance shaft;

2 in Draufsicht eine erfindungsgemäße Spiralfeder; 2 in plan view, a spiral spring according to the invention;

3 einen Ausschnitt einer Seitenansicht der Spiralfeder gemäß 2. 3 a section of a side view of the coil spring according to 2 ,

Wege zur Ausführung der Erfindung Ways to carry out the invention

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung werden im Zusammenhang mit der 1 Teile eines aus dem Stand der Technik bekannten Schwingsystems für mechanische Uhrwerke beschrieben. For a better understanding of the present invention, in connection with the 1 Parts of a known from the prior art vibration system for mechanical movements described.

Dargestellt sind eine Unruhwelle 6 sowie eine Spiralfeder 1. Die Unruhwelle 6 weist ein oberes 6.1 und ein unteres Ende 6.2 auf, welche spitz zulaufen und zur drehbaren Lagerung der Unruhwelle 6 um deren Achse UA in entsprechend ausgebildeten oberen und unteren Lagereinheiten aufgenommen werden. Die Achse UA der Unruhwelle 6 ist damit zugleich auch die Spiralfederachse. Shown are a balance wave 6 and a coil spring 1 , The balance wave 6 has an upper one 6.1 and a lower end 6.2 on which taper and for the rotatable mounting of the balance shaft 6 be added to the axis UA in correspondingly formed upper and lower bearing units. The axis UA of the balance wave 6 is thus at the same time also the spiral spring axis.

Die Spiralfeder 1 weist einen ringförmigen Spiralfederbefestigungsabschnitt 7 auf. Der Spiralfederbefestigungsabschnitt 7 ist mit der Unruhwelle 6 drehfest verbunden, und zwar vorzugsweise verklebt und/oder mittels Formschluss. An dem äußeren Federhaltepunkt 8 ist die Spiralfeder 1 fest mit einer Platine oder einer Lagerplatine verbunden. Die Spiralfeder 1 weist einen inneren, mehrere Windungen umfassenden Schwingungsbereich 4 und einen äußeren Stabilisierungsbereich 5 auf. The spiral spring 1 has an annular coil spring attachment portion 7 on. The coil spring attachment section 7 is with the balance wave 6 rotatably connected, and preferably glued and / or by positive locking. At the outer spring breakpoint 8th is the coil spring 1 firmly connected to a circuit board or a bearing board. The spiral spring 1 has an inner, several turns comprehensive vibration range 4 and an outer stabilization area 5 on.

Die 2 zeigt in Draufsicht eine Spiralfeder 1 gemäß der Erfindung. Die Spiralfeder 1 ist bei der dargestellten Ausführungsform aus einem durch epitaktisches Abscheiden gewonnenen Ausgangsmaterial unter Verwendung eines Maskierungs-Ätz-Verfahrens hergestellt, und zwar derart, dass die einstückig ausgebildete und mehrere Windungen aufweisende Spiralfeder 1 mit dem inneren Spiralfederbefestigungsabschnitt 7 an der Unruhwelle befestigt und mit einem inneren Schwingungsbereich 4 und einem äußeren Stabilisierungsbereich 5 ausgeführt ist. Bei der dargestellten Ausführungsform befindet sich der äußere Stabilisierungsbereich 5 im Bereich der äußeren Windung und erstreckt sich über einen Winkelbereich α von 100°. The 2 shows in plan view a coil spring 1 according to the invention. The spiral spring 1 In the illustrated embodiment, it is fabricated from an epitaxial deposited source material using a masking etch process, such that the integrally formed multi-turn coil spring 1 with the inner coil spring attachment portion 7 attached to the balance shaft and with an internal vibration range 4 and an outer stabilization area 5 is executed. In the illustrated embodiment, the outer stabilization region is located 5 in the region of the outer winding and extends over an angular range α of 100 °.

Der Stabilisierungsbereich 5 ist bei der dargestellten Ausführungsform dadurch gebildet, dass die Spiralfeder 1 radial zu ihrer Federachse UA eine vergrößerte Breite und parallel zu ihrer Federachse UA eine verringerte Höhe aufweist. Der Stabilisierungsbereich 5 erstreckt sich vom Rücker 9 bis zum Beginn des Schwingungsbereichs, wobei die Grenze zwischen Stabilisierungsbereich und Schwingungsbereichs wie oben definiert zu bestimmen ist. Durch die im Stabilisierungsbereich 5 geänderte Querschnittsgeometrie wird eine Erhöhung des Flächenträgheitsmomentes erzielt und eine Verlagerung der Spiralfeder 1 beim Schwingen des Schwingsystems verhindert. The stabilization area 5 is formed in the illustrated embodiment in that the coil spring 1 Radial to its spring axis UA has an increased width and parallel to its spring axis UA has a reduced height. The stabilization area 5 extends from the back 9 to the beginning of the oscillation range, wherein the boundary between stabilization range and oscillation range is to be determined as defined above. By in the stabilization area 5 changed cross-sectional geometry is achieved an increase in the area moment of inertia and a displacement of the coil spring 1 prevented when swinging the vibration system.

Die aktive Länge der Spiralfeder 1, die den Stabilisierungsbereich einschließt, erstreckt sich ausgehend von dem inneren, mit dem Spiralfederbefestigungsabschnitt 7 verbundenen und in der 2 mit 10 bezeichneten Ende bis zu dem Rücker 9. The active length of the spiral spring 1 that includes the stabilizing portion extends from the inner, with the coil spring mounting portion 7 connected and in the 2 With 10 designated end to the back 9 ,

Vorstehend wurde bereits erwähnt, dass die Spiralfeder 1 aus Silizium in einem Maskierungs-Ätz-Verfahren gefertigt ist. Um die erforderliche Festigkeit und Temperaturunabhängigkeit zu erreichen, ist die Spiralfeder 1 an den Oberflächen durch thermische Behandlung mit einer Siliziumoxid-Schicht versehen. Ein für das Schwingverhalten der Spiralfeder 1 günstiges Längenverhältnis von Stabilisierungsbereich zu Schwingungsbereich wird durch die Positionierung des Rückers 9 erreicht. It has already been mentioned above that the spiral spring 1 is made of silicon in a masking-etching process. To achieve the required strength and temperature independence, is the coil spring 1 provided on the surfaces by thermal treatment with a silicon oxide layer. One for the oscillatory behavior of the spiral spring 1 favorable aspect ratio of stabilization range to vibration range is determined by the positioning of the Rückers 9 reached.

Die 3 zeigt einen Ausschnitt einer Seitenansicht der im Zusammenhang mit der 2 beschriebenen Spiralfeder. Dargestellt ist ein Ausschnitt aus dem Stabilisierungsbereich 5 der Spiralfeder 1, welcher zur Erhöhung des Flächenträgheitsmoments eine im Vergleich zum Schwingungsbereich 4 größere Masse pro Federlänge aufweist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Spiralfeder in einer Richtung parallel zu ihrer Federachse UA eine konstante Höhe h auf, welche der durchschnittlichen Höhe h entspricht. In 3 ist deutlich zu erkennen, dass die Spiralfeder einen Silizium-Kern 3 aufweist, der von einer Schicht 2 aus Siliziumoxid überzogen ist. Die Siliziumoxid-Schicht 2 weist eine Dicke d auf. The 3 shows a section of a side view of in connection with the 2 described spiral spring. Shown is a section of the stabilization area 5 the spiral spring 1 , which in order to increase the area moment of inertia in comparison to the vibration region 4 having greater mass per spring length. In the exemplary embodiment shown, the spiral spring has a constant height h in a direction parallel to its spring axis UA, which corresponds to the average height h. In 3 is clearly seen that the coil spring is a silicon core 3 that of a layer 2 is coated from silicon oxide. The silicon oxide layer 2 has a thickness d.

Die vor dem nachfolgenden Materialabtrag zunächst durchgängig in einer Dicke d auf dem Silizium-Kern 3 der Spiralfeder angebrachte Siliziumoxid-Oberflächenbeschichtung 2 bewirkt eine Überkompensation der Temperaturabhängigkeit des Elastizitätsmoduls des Silizium-Kerns, wodurch eine messbare Temperaturabhängigkeit der Rückholkonstante C der Spiralfeder bestehen bleibt. The first before the subsequent material removal in a continuous thickness d on the silicon core 3 the spiral spring mounted silicon oxide surface coating 2 causes overcompensation of the temperature dependence of the modulus of elasticity of the silicon core, whereby a measurable temperature dependence of the Rückholkonstante C of the coil spring remains.

Durch einen chemischen Materialabtrag mit Hilfe eines Ätzverfahrens wird dann die durchschnittliche Höhe h der Spiralfeder in einem Teilbereich des Stabilisierungsbereichs der Spiralfeder zu einer durchschnittlichen Höhe h1 verringert (siehe 3). Durch das Entfernen der Siliziumoxid-Schicht in diesem Teilbereich der Spiralfeder wird die durch die zuvor erfolgte Beschichtung in einer eigentlich zu großen Dicke d hervorgerufene Überkompensation der Temperaturabhängigkeit des Silizium-Kerns der Spiralfeder rückkompensiert. Auf diese Weise kann eine im Vergleich zur Kompensation durch Aufbringen eines Silizium-Überzugs mit vorbestimmter Dicke deutlich verbesserte Optimierung der Temperaturabhängigkeit des Schwingungsverhaltens der Spiralfeder vorgenommen werden. By a chemical material removal by means of an etching process, the average height h of the coil spring in a partial region of the stabilization region of the spiral spring is then reduced to an average height h 1 (see 3 ). By removing the silicon oxide layer in this partial region of the spiral spring, the overcompensation of the temperature dependence of the silicon core of the spiral spring, caused by the previously applied coating in a thickness that is actually too large, is back-compensated. In this way, a significantly improved compared to the compensation by applying a silicon coating with a predetermined thickness optimization of the temperature dependence of the vibration behavior of the coil spring can be made.

Durch den Materialabtrag, der im gezeigten Ausführungsbeispiel bis in den Silizium-Kern 3 hinein erfolgt, und der damit verbundenen Verringerung der durchschnittlichen Höhe h in einem Teilbereich zu der durchschnittlichen Höhe h1 wird eine Erhöhung des Flächenträgheitsmomentes im Stabilisierungsbereich der Spiralfeder bewirkt. Dadurch wird neben der Minimierung der Temperaturabhängigkeit des Schwingungsverhaltens gleichzeitig eine Stabilisierung des Schwingungsverhaltens der Spiralfeder erreicht. Due to the material removal, in the embodiment shown into the silicon core 3 in, and the associated reduction of the average height h in a partial area to the average height h 1 , an increase of the area moment of inertia is effected in the stabilization region of the spiral spring. As a result, in addition to minimizing the temperature dependence of the vibration behavior, a stabilization of the vibration behavior of the spiral spring is simultaneously achieved.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1
Spiralfeder spiral spring
2 2
Siliziumoxid-Oberflächenbeschichtung Silicon oxide surface coating
3 3
Silizium-Kern Silicon core
4 4
Schwingungsbereich vibration region
5 5
Stabilisierungsbereich stabilization area
6 6
Unruhwelle balance staff
6.1 6.1
oberes Ende der Unruhwelle upper end of the balance wave
6.2 6.2
unteres Ende der Unruhwelle lower end of the balance wave
7 7
Spiralfederbefestigungsabschnitt Coil spring mounting section
8 8th
Federhaltepunkt Spring breakpoint
9 9
Rücker regulator
10 10
inneres Ende des Schwingungsbereichs inner end of the oscillation range
UA UA
Achse der Unruhwelle Axis of the balance wave
α α
Winkelerstreckung des Stabilisierungsbereichs Angular extension of the stabilization region

Claims (9)

Verfahren zur Herstellung einer Spiralfeder (1) für mechanische Uhrwerke mit den Schritten – Bereitstellen einer aus Silizium gefertigten Spiralfeder mit einer Federachse (UA), wobei die Spiralfeder in einer Richtung parallel zu ihrer Federachse (UA) eine durchschnittliche Höhe h aufweist, – Erzeugen einer Siliziumoxid-Oberflächenbeschichtung (2) auf einem Silizium-Kern (3) der Spiralfeder, wobei die Oberflächenbeschichtung (2) eine über das zur Minimierung der Temperaturabhängigkeit der Rückholkonstante C der Spiralfeder erforderliche Maß hinausgehende Dicke d aufweist, – Verringerung der durchschnittlichen Höhe h der Spiralfeder zu einer durchschnittlichen Höhe h1 in zumindest einem Teilbereich der Spiralfeder (1) durch einen mechanischen oder chemischen Materialabtrag. Method for producing a spiral spring ( 1 mechanical movement mechanism comprising the steps of providing a helical spring made of silicon with a spring axis (UA), the helical spring having an average height h in a direction parallel to its spring axis (UA), producing a silicon oxide surface coating (US Pat. 2 ) on a silicon core ( 3 ) of the spiral spring, wherein the surface coating ( 2 ) has a thickness d exceeding that which is necessary for minimizing the temperature dependence of the return constant C of the spiral spring, reducing the average height h of the spiral spring to an average height h 1 in at least one partial region of the spiral spring ( 1 ) by a mechanical or chemical material removal. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralfeder (1) einen inneren Schwingungsbereich (4) und einen äußeren Stabilisierungsbereich (5) aufweist. Method according to claim 1, characterized in that the spiral spring ( 1 ) an inner vibration region ( 4 ) and an outer stabilization region ( 5 ) having. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verringerung der durchschnittlichen Höhe h der Spiralfeder zu einer durchschnittlichen Höhe h1 in zumindest einem Teilbereich des äußeren Stabilisierungsbereiches (5) der Spiralfeder (1) erfolgt. A method according to claim 2, characterized in that the reduction of the average height h of the coil spring to an average height h 1 in at least a portion of the outer stabilized region ( 5 ) of the spiral spring ( 1 ) he follows. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verringerung der durchschnittlichen Höhe h der Spiralfeder zu einer durchschnittlichen Höhe h1 ausschließlich in dem äußeren Stabilisierungsbereich (5) der Spiralfeder (1) erfolgt. A method according to claim 2, characterized in that the reduction of the average height h of the spiral spring to an average height h 1 exclusively in the outer stabilization region ( 5 ) of the spiral spring ( 1 ) he follows. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch den mechanischen oder chemischen Materialabtrag ausschließlich Bestandteile der Siliziumoxid-Oberflächenbeschichtung (2) abgetragen werden. Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that by the mechanical or chemical material removal exclusively components of the silicon oxide surface coating ( 2 ) are removed. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch den mechanischen oder chemischen Materialabtrag Bestandteile der Siliziumoxid-Oberflächenbeschichtung (2) und Bestandteile des Silizium-Kerns (3) abgetragen werden. Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that by the mechanical or chemical material removal components of the silica surface coating ( 2 ) and components of the silicon core ( 3 ) are removed. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die verringerte durchschnittliche Höhe h1 in zumindest einem Teilbereich der Spiralfeder zumindest 2%, bevorzugt zumindest 10%, insbesondere zumindest 25% geringer ist als die durchschnittliche Höhe h der Spiralfeder (1). Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the reduced average height h 1 in at least a portion of the coil spring at least 2%, preferably at least 10%, in particular at least 25% less than the average height h of the spiral spring ( 1 ). Spiralfeder (1) für eine mechanische Uhr, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralfeder (1) nach einem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 7 hergestellt ist. Spiral spring ( 1 ) for a mechanical watch, characterized in that the spiral spring ( 1 ) is produced by a process according to claims 1 to 7. Mechanische Uhr mit einer Spiralfeder (1) gemäß Anspruch 8. Mechanical clock with a spiral spring ( 1 ) according to claim 8.
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