DE102014106114A1

DE102014106114A1 - Spiralfeder und Verfahren zu deren Herstellung und Uhrwerk

Info

Publication number: DE102014106114A1
Application number: DE102014106114.4A
Authority: DE
Inventors: Stefan Männicke
Original assignee: Damasko Uhrenmanufaktur KG
Current assignee: Damasko Uhrenmanufaktur KG
Priority date: 2014-04-30
Filing date: 2014-04-30
Publication date: 2015-11-05

Abstract

Beschrieben wird eine Spiralfeder (4) und ein Verfahren zur Herstellung einer Spiralfeder (4). Die Spiralfeder (4) ist mit einem Spiralfederbefestigungsabschnitt (4.1), einem daran anschließenden Schwingungsbereich (LA) versehen, der mindestens eine Windung (9) besitzt. Der Schwingungsbereich (LA) ist ein Kern (17) aus Silizium mit mindestens einer ersten Außenfläche (31), einer zweiten Außenfläche (32), einer dritten Außenfläche (33) und einer vierten Außenfläche (34). Mindestens eine Außenfläche (31, 32, 33, 34) des Kerns hat über die Länge des Schwingungsbereichs (LA) in mindestens einem ersten Teilbereich (10) ein erstes Material trägt und in mindestens einem zweiten Teilbereich (11) ein mindestens zweites anderes Material.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Spiralfeder mit einem aktiven Schwingungsbereich, der sich an einen Spiralfederbefestigungsabschnitt anschließt. Der Schwingungsbereich umfasst mindestens eine Windung, wobei der Schwingungsbereich aus einem Kern aus Silizium mit mindestens einer ersten Außenfläche, einer zweiten Außenfläche, einer dritten Außenfläche und einer vierten Außenfläche besteht.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Spiralfeder für mechanische Uhrwerke.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Uhrwerk mit einem Schwingkörper, einer um eine Achse schwenkbar gelagerte Unruhwelle und einer Spiralfeder mit einem aktiven Schwingungsbereich. Die Spiralfeder ist durch einen die Unruhwelle umschließenden Spiralfederbefestigungsabschnitt mit der Unruhwelle verbunden. Die Spiralfeder ist an einem äußeren Federhaltepunkt gehalten. Der aktive Schwingungsbereich erstreckt sich von einem an den Spiralfederbefestigungsabschnitt anschließenden inneren Ende des aktiven Schwingungsbereichs bis zu dem äußeren Federhaltepunkt.
Stand der Technik
Schwingsysteme für mechanische Uhrwerke, insbesondere für Armbanduhren, werden in der Fachwelt auch als Unruh bezeichnet. Die Unruh umfasst einen Schwingkörper, welcher mittels einer Unruhwelle schwenkbar um eine Drehachse gelagert ist. Ferner ist eine Spiral- bzw. Unruhfeder vorgesehen, die zusammen mit der Masse des Schwingkörpers das schwingungsfähige und taktgebende System bildet.
Bei der Herstellung der Spiralfedern sind Toleranzen nicht auszuschließen. Dies gilt in verstärktem Maße für Spiralfedern aus Silizium, die an ihren Oberflächen bzw. Außenflächen zur Erzielung der notwendigen Festigkeit und/oder Temperaturunabhängigkeit mit einer einheitlichen Beschichtung aus Siliziumdioxid versehen werden. In der Regel erfolgt diese Beschichtung durch thermische Oxidation.
Aus der EP 1 422 436 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen von Spiralfedern für das Schwingsystem von mechanischen Uhren aus einkristallinem Silizium bekannt. Der Silizium-Kern der Spiralfeder ist dabei vollkommen mit Siliziumdioxid ummantelt.
Die europäische Patentanmeldung EP 2 284 628 A2 offenbart einen Resonator (Spiralfeder), der thermisch kompensiert ist und einen Kern aus monokristallinem Silizium besitzt. Die thermische Oxidation der Spiralfeder ist gemäß einer Ausführungsform derart ausgebildet, dass mindestens eine Außenfläche des Schwingbereichs des Kerns mit einer Beschichtung versehen ist und mindestens eine andere Fläche mit keiner Beschichtung versehen ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Schwingbereich des Kerns an mindestens zwei angerenzenden Außenflächen mit einer Beschichtung versehen, wobei sich diese Beschichtungen in der Dicke unterscheiden.
Die europäische Patentanmeldung EP 2 589 568 A1 offenbart ein mikromechanisches Teil, das einen Kern aus einem Halbleitermaterial, und einer Beschichtung aus einem elektrisch isolierenden Material, wie z.B. Diamant oder Siliziumdioxid. Die Beschichtung ist auf einer Oberfläche des Kerns ausgebildet. Der Kern weist eine innere Schicht und eine äußere Schicht auf, wobei die elektrische Leitfähigkeit der Außenschicht größer als die der inneren Schicht ist.
Die schweizerische Patentanmeldung CH 699 780 A2 offenbart eine Feder, die aus einem Siliziumstab mit einer Außenfläche besteht. Der Siliziumstab hat einen Elastizitätsmodul und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Es ist ein Material vorgesehen, das teilweise den Wärmekoeffizienten kompensiert, wobei das Material Invar, Elinvar, Kovar oder Siliziumdioxid ist. Das Material ist in Form einer Abdeckung auf den Siliziumstab aufgebracht.
Die internationale Patentanmeldung WO 20117072960 A1 offenbart einen thermisch kompensierten Resonator. Der Körper des Resonators hat einen Kern aus Silizium Material. Der Körper oder Kern trägt zumindest eine erst und eine zweite Beschichtung, die so ausgewählt sind, dass die Wärmeausdehnung im Wesentlichen null ist.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist, eine Spiralfeder bereitzustellen, die ein dauerhaft ausgezeichnetes Schwingungsverhalten zeigt, wobei die Spiralfeder einfach und reproduzierbar herzustellen hinsichtlich des Schwingungsverhaltens herzustellen ist, ohne dabei die erforderliche Temperaturkompensation zu vernachlässigen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Spiralfeder gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zur Herstellung einer Spiralfeder für mechanische Uhrwerke bereitzustellen, das einfach und zuverlässig durchzuführen ist und woraus eine Spiralfeder mit einen dauerhaft ausgezeichneten Schwingungsverhalten resultiert, die ebenfalls die erforderliche Temperaturkompensation aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung einer Spiralfeder für mechanische Uhrwerke gemäß Patentanspruch 9 gelöst.
Zusätzlich ist es Aufgabe der Erfindung, ein Uhrwerk bereitzustellen, das einfach und zuverlässig arbeitet und wobei eine Spiralfeder ein dauerhaftes und ausgezeichnetes Schwingungsverhalten besitzt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Uhrwerk gelöst, das die Merkmale des Patentanspruchs 13 umfasst.
Weitere vorteilhafte Aspekte, Details und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den Figuren.
Der „aktive Schwingungsbereich“ der Spiralfeder erstreckt sich von dem an den Spiralfederbefestigungsabschnitt der Spiralfeder anschließenden inneren Ende des aktiven Schwingungsbereichs bis zu dem äußeren Federhaltepunkt.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spiralfeder mit einem Spiralfederbefestigungsabschnitt und einem daran anschließenden Schwingungsbereich mit mindestens einer Windung. Der Schwingungsbereich besteht aus einem Kern aus Silizium mit mindestens einer ersten Außenfläche, einer zweiten Außenfläche, einer dritten Außenfläche und einer vierten Außenfläche. Eine Außenfläche des Kerns trägt dabei über die Länge des Schwingungsbereichs in mindestens einem ersten Teilbereich ein erstes Material und in mindestens einem zweiten Teilbereich ein zweites anderes Material.
In der Regel ist der Kern der Spiralfeder rechteckig und besitzt somit vier Außenflächen, also eine erste Außenfläche, eine zweite Außenfläche, eine dritte Außenfläche und eine vierte Außenfläche. Der Kern hat somit zwei gegenüberliegende Seitenflächen und zwei gegenüberliegende Deckflächen. Die Seitenflächen entsprechen der zweiten Außenfläche und vierten Außenfläche und die Deckflächen entsprechen der ersten Außenfläche und der dritten Außenfläche.
Die Spiralfeder ist mit dem ersten Material und dem zweiten Material, das über die Länge des Schwingungsbereichs auf mindesten einer Deckfläche aufgebracht ist derart gestaltet, dass die Spiralfeder einen im Wesentlichen konstanten Querschnitt besitzt. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind an gegenüberliegenden Außenflächen bzw. Deckflächen des Kerns mehrere der ersten Teilbereiche mit dem ersten Material und mehrere der zweiten Teilbereiche mit dem zweiten Material ausgebildet.
Gemäß einer möglichen Ausführungsform ist das Material des ersten Teilbereichs Siliziumnitrid. Andere Materialien für die Maskierung der mindestens einen Deckfläche der Kerns sind ebenfalls denkbar, diese sind z.B. AlGaInAs oder Ga_XIn_1-YAs_YP_1-Y, oder TiN und TaN, die sich aus den Elementen Al, Ga, In, As, C, Ta, Ti zusammensetzen. Die Materialien müssen in ausreichendem Maße mit dem Kern verbunden sein und in einem gewissen Maße der thermischen Oxidation widerstehen. Das Material des zweiten Teilbereichs ist Siliziumdioxid und wird durch thermische Oxidation der nicht maskierten Stellen der Außenflächen des Kerns der Spiralfeder gebildet.
Die Maske bzw. die Maskierung selbst stellt eine Vorlage für die Prozesse dar, mit denen mikrofeine, geometrische Strukturen auf bzw. in die Oberfläche des Halbleitersubstrats gebracht werden (Transistoren, Leiterbahnen etc.). Typische Materialien sind neben Fotolack auch Siliziumdioxid oder -nitrid. Letztere werden auch als Hartmasken bezeichnet, da sie anders als Fotolacke deutlich widerstandsfähig gegenüber den diversen Prozessen in der Halbleitertechnik sind, wie zum Beispiel Plasma- oder nasschemisches Ätzen. Für moderne Fertigungsschritte kommen aber auch weitere Materialien wie amorpher Kohlenstoff sowie metallische Schichten aus Tantalnitrid, (TaN) oder Titannitrid (TiN) als Hartmaske zum Einsatz.
Ein gängiges Verfahren zur Herstellung einer Maskierungsschicht ist die Fotolithografie, mit der eine Maskierungsschicht aus Fotolack erzeugt wird, die als Ätz- oder Implantationsmaske verwendet werden kann. Um Diffusionsprozesse durchzuführen dient die Lackmaske allerdings nur zur Strukturierung der eigentlichen Diffusionsmaske aus z. B. Siliziumdioxid, da eine Lackmaske nicht für hohe Prozesstemperaturen geeignet ist. Hier kommen wiederum Hartmasken zum Einsatz.
Bei der vorliegenden Erfindung könnte z.B. außer der SiN-Maske mit z.B. einer Dicke von 300 nm und dadurch ausgebildeten Stufen, einer der vorstehenden Werkstoffe noch als Füllmaterial zur Einebnung der Stufe aufgebracht werden, was schon wieder mehr als zwei Materialien bedeutet. Es ist also möglich, dass ein zweites bzw. mehrere Materialien in entsprechend mehreren Teilbereichen auf der Deckfläche der Spiralfeder vorgesehen sein können.
Die ersten Teilbereiche und die zweiten Teilbereiche sind auf der mindestens einen Außenfläche bzw. der Deckfläche über die Länge des Schwingungsbereichs in einem geometrischen Muster angeordnet. Die ersten Teilbereiche mit dem ersten Material und die zweiten Teilbereiche mit dem zweiten anderen Material können dabei periodisch aufeinander folgen. Das geometrische Muster ist fächerförmig und eine Länge des ersten Teilbereichs oder zweiten Teilbereichs nimmt von einer äußeren Windung der Spiralfeder zu einer inneren Windung der Spiralfeder ab.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Spiralfeder für mechanische Uhrwerke zeichnet durch mehrere Schritte aus. Zunächst erfolgt ein Bereitstellen mindestens einer aus Silizium gefertigten Spiralfeder. Die Spiralfeder umfasst ein Schwingungsbereich, einen Kern aus Silizium (mono- oder polykristallin) mit zwei gegenüberliegenden Seitenflächen und zwei gegenüberliegenden Deckflächen. Die Seitenflächen und die Deckflächen erstrecken sich entlang des Schwingungsbereichs. Dann wird eine Maskierung in mindestens einem ersten Teilbereich auf mindestens eine Deckfläche entlang des Schwingungsbereichs aufgebracht. Über ein thermisches Oxidieren der Spiralfeder wird eine SiO₂- Schicht auf den Seitenflächen und zumindest auf den nicht maskierten zweiten Teilbereichen der mindestens einen Deckfläche entlang des Schwingungsbereichs auf dem Kern ausgebildet. Zuletzt wird die SiO₂-Schicht auf der mindestens einen Deckfläche entlang des Schwingungsbereichs derart entfernt, dass die Spiralfeder mit der Maskierung und der SiO₂-Schicht über die Länge des Schwingungsbereichs einen im Wesentlichen konstanten Querschnitt besitzt. Die Maskierung wird dabei freigelegt und ist vom keinem SiO₂ bedeckt, das sich eventuell beim thermischen Oxidieren auf der Maskierung gebildet hat.
Die Maskierung wird im ersten Teilbereich mit einer derartigen Dicke aufgetragen, dass diese Dicke in etwa der Dicke der durch das thermische Oxidieren der in den zweiten Teilbereichen der mindestens einen Deckfläche gebildeten SiO₂-Schicht entspricht.
Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens kann das Entfernen der SiO₂-Schicht auf der mindestens eine Deckfläche entlang des Schwingungsbereichs mit einem Ätzprozess durchgeführt werden. Die Maskierung wird in dem mindestens einen Teilbereich freigelegt. Gemäß einer anderen Ausführungsform des Verfahrens wird das Entfernen der SiO₂-Schicht auf der mindestens eine Deckfläche entlang des Schwingungsbereichs mit einem Schleifprozess durchgeführt. Auch hier wird dabei die Maskierung in dem mindestens einen Teilbereich freigelegt.
Das erfindungsgemäße mechanische Uhrwerk besitzt einen Schwingkörper, eine um eine Achse schwenkbar gelagerte Unruhwelle und eine Spiralfeder mit einem aktiven Schwingungsbereich. Die Spiralfeder ist durch einen die Unruhwelle umschließenden Spiralfederbefestigungsabschnitt mit der Unruhwelle verbunden und an einem äußeren Federhaltepunkt gehalten. Der aktive Schwingungsbereich erstreckt sich von einem an den Spiralfederbefestigungsabschnitt anschließenden inneren Ende des aktiven Schwingungsbereichs bis zu dem äußeren Federhaltepunkt. Erfindungsgemäß weist der aktive Schwingungsbereich der Spiralfeder zumindest zwei Teilbereiche auf, nämlich einen ersten Teilbereich und einen sich an den ersten Teilbereich in Richtung des inneren Endes des Schwingungsbereichs anschließenden zweiten Teilbereich. Eine Außenfläche trägt über die Länge des Schwingungsbereichs in dem mindestens einen ersten Teilbereich ein erstes Material und in dem mindestens einen zweiten Teilbereich ein zweites anderes Material. Wesentlich ist, dass die Spiralfeder über die Länge des Schwingungsbereichs einen im Wesentlichen konstanten Querschnitt besitzt.
Der vorliegenden Erfindung legt die Erkenntnis zu Grunde, dass ein verbessertes Schwingverhalten durch eine möglichst thermisch kompensierte Spiralfeder mit einem definierten Flächenträgheitsmoment erreicht werden kann. Durch das verbesserte Schwingverhalten werden die Lager der Spiralfeder geringer belastet und unterliegen daher einem geringerem Verschleiß, was wiederum zu einer verbesserten Ganggenauigkeit der Uhr über einen längeren Zeitraum führt. Eine beliebige Reduktion des Federquerschnitts ist aber nicht möglich, da in diesem Fall keine ausreichende Steifigkeit der Feder erzielt werden würde.
Unter der „Höhe“ bzw. der „Breite“ einer Spiralfeder wird im Falle einer eventuell variierenden Höhe bzw. variierenden Breite der auf die entsprechende Länge der Spiralfeder normierte Mittelwert der über die jeweilige Länge der Spiralfeder variierenden Höhe bzw. variierenden Breite einer Spiralfeder verstanden. Die Spiralfeder hat somit in ihrem Schwingungsbereich einen konstanten Querschnitt des Kerns aus Silizium.
Durch die nachfolgend näher erläuterten bevorzugten Ausführungsformen wird ein zunehmend stabileres Schwingverhalten der Spiralfeder erreicht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem äußeren Federhaltepunkt um einen festen Ansteckpunkt oder es ist der äußere Federhaltepunkt durch einen Rücker gebildet.
Bevorzugt ist die Spiralfeder aus Silizium gefertigt und weist zumindest an den Seitenflächen des Kerns eine Beschichtung aus Siliziumdioxid auf, die beim thermischen Oxidieren der Spiralfedern gebildet wird.
Wie oben bereits ausgeführt, stellt die vorliegende Erfindung in ihrer allgemeinsten Form eine Spiralfeder zur Verfügung, bei der zwei Teilbereiche aus unterschiedlichen Materialien, mit jeweils gleicher Höhe, voneinander getrennt sind. Es soll klar gestellt werden, dass die vorliegende Erfindung auch diejenigen Ausführungsformen von Spiralfedern umfasst, die in einem Abschnitt ihrer äußeren Windung einen Stabilisierungsbereich in Form einer zusätzlichen Masse aufweisen. Diese zusätzliche Masse kann beispielsweise durch eine Verbreiterung der Feder in diesem Abschnitt erreicht werden.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
1 beispielhaft eine perspektivische Ansicht eines Schwingsystems für Uhrwerke von mechanischen Uhren;
2 beispielhaft einen Schnitt entlang einer die Achse der Unruhwelle aufnehmenden Ebene durch das Schwingsystem des Uhrwerks gemäß 1;
3 beispielhaft eine perspektivische Seitenansicht der freigestellten Komponenten des Schwingungssystems gemäß 1 und 2 für ein Uhrwerk;
4 eine perspektivische Ansicht der Spiralfeder in Verbindung mit der Unruhwelle eines Uhrwerks;
5 in Einzeldarstellung und in Draufsicht eine Ausführungsform der Spiralfeder gemäß der vorliegenden Erfindung;
6 eine Ansicht des Querschnitts des Kerns aus Silizium;
7 eine Ansicht des Querschnitts des Kerns aus Silizium der allseitig mit einer Schicht umgeben ist;
8 eine vergrößerte Seitenansicht eines Teils einer Windung der Spiralfeder, die in einem ersten Teilbereich eine Maskierung trägt;
9 eine Seitenansicht eines Teils einer Windung der Spiralfeder aus 8, bei der sich eine SiO₂-Schicht im zweiten Teilbereich nach einer gewissen Zeit der thermischen Oxidation ausgebildet hat; und
10 eine Seitenansicht eines Teils einer Windung der Spiralfeder aus 9, bei der durch einen Abtragungsprozess ein einheitlicher Querschnitt der Spiralfeder hergestellt wird.
Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der Übersicht halber nur Bezugszeichen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind. Die dargestellten Ausführungsformen stellen lediglich Beispiele dar und sollen nicht als Beschränkung der Erfindung aufgefasst werden.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird im Zusammenhang mit den 1 bis 3 ein aus dem Stand der Technik bekanntes Schwingsystem für mechanische Uhrwerke beschrieben.
Das Schwingsystem 1 umfasst einen Schwingkörper in Form eines Schwungrads 2, eine Unruhwelle 3 sowie eine Spiralfeder 4. Das Schwungrad 2 besteht aus einem äußeren Kreisringabschnitt 2.1, der über mehrere Speichen 2.2 mit einem Nabenabschnitt 2.3 verbunden ist. Der Nabenabschnitt 2.3 weist eine von der Kreisform abweichende, zentrale Durchgangsbohrung auf, in welcher ein zugeordneter Wellenabschnitt 3’ der Unruhwelle 3 aufgenommen ist, dessen konzentrische Außenseite einen Formschluss mit dem Nabenabschnitt 2.3 des Schwungrades 2 herstellt. Damit ist das Schwungrad 2 drehfest mit der Unruhwelle 3 verbunden. Darüber hinaus sind an der zum Drehzentrum des Schwungrades 2 weisenden Innenseite des äußeren Kreisringabschnitts 2.1 mehrere Schwungmassen 2.4 angebracht.
Die Unruhwelle 3 weist ferner ein oberes und unteres freies Ende 3.1, 3.2 auf, welche spitz zulaufen und zur drehbaren Lagerung der Unruhwelle 3 um deren Achse UA in entsprechend ausgebildeten oberen und unteren Lagereinheiten aufgenommen werden. In den 1 und 2 ist beispielhaft eine obere Lagereinheit dargestellt. Die Achse UA der Unruhwelle 3 ist damit zugleich auch die Drehachse des Schwungrades 2 und die Achse der Spiralfeder 4.
Die Spiralfeder 4 besteht aus einem vorzugsweise ringförmigen, inneren Spiralfederbefestigungsabschnitt 4.1 und einem äußeren Spiralfederendabschnitt 4.2. Dazwischen befinden sich mehrere Spiralfederringabschnitte 4.3, welche in einer Ebene senkrecht und vorzugsweise konzentrisch zur Achse der Spiralfeder 4 verlaufen, welche mit der Achse UA der Unruhwelle 3 übereinstimmt.
Der vorzugsweise ringförmige, innere Spiralfederbefestigungsabschnitt 4.1 ist mit der Unruhwelle 3 drehfest verbunden, und zwar vorzugsweise verklebt und/oder mittels Formschluss. Hierzu weist die Unruhwelle 3 einen zur Aufnahme des inneren Spiralfederbefestigungsabschnitts 4.1 ausgebildeten Wellenabschnitt 3’’ auf, der oberhalb des das Schwungrad 2 aufnehmenden Wellenabschnitts 3’ angeordnet ist.
Zur in Bezug auf die Unruhwelle 3 drehfesten Befestigung des äußeren Spiralfederendabschnitts 4.2 ist die Halteanordnung 5 zur Einstellung des Zentrums der Spiralfeder 4 vorgesehen. Die Halteanordnung 5 umfasst zumindest einen Haltearm 6 und ein Halteelement 7, welches im Bereich des äußeren freien Endes des Haltearms 6 entlang der Längsachse LHA des Hebelarms 6 verschiebbar befestigt ist.
Der Haltearm 6 weist ein inneres Haltearmende 6.1 und ein äußeres Haltearmende 6.2 auf, wobei das innere Haltearmende 6.1 einen offenen Kreisring ausbildet und im Bereich des äußeren Haltearmendes 6.2 eine längliche Führungsausnehmung 6.3 vorgesehen ist. Die längliche Führungsausnehmung 6.3 ist zur variablen Befestigung des Halteelementes 7 am Haltearm 6 vorgesehen. Das innere Haltearmende 6.1 ist über nicht näher bezeichnete Haltemittel, welche auch die oberen und unteren Lagereinheiten zur drehbaren Lagerung der Unruhwelle 3 aufnehmen können, drehfest befestigt, und zwar derart, dass der offene Kreisring des inneren Haltearmendes 6.1 die Achse UA der Unruhwelle 3 konzentrisch umgibt.
Das Halteelement 7 weist einen im Wesentlichen zylinderförmigen, länglichen Grundkörper 7.1 mit einer oberen und unteren Stirnseite 7.11, 7.12 und einer Längsachse LHE auf, welcher eine zur oberen Stirnseite 7.11 geöffnete Sacklochbohrung 7.2 mit einem Innengewinde zur Aufnahme einer Schraube 8 aufweist. Mittels der Schraube 8, welche durch die längliche Führungsausnehmung 6.3 des Haltearms 6 geführt wird, ist das Halteelement 7 fest mit dem Haltearm 6 verschraubbar, und zwar derart, dass die Längsachse LHA des Haltearms 6 und die Längsachse LHE des Halteelementes 7 senkrecht zueinander verlaufen.
Auf der gegenüberliegenden unteren Stirnseite 7.12 des Grundkörpers 7.1 des Halteelementes 7 ist eine sich senkrecht zur Längsachse LHE des Grundkörpers 7.1 erstreckende und nach unten offene Führungsausnehmung 7.3 vorgesehen, die zur radial führenden Aufnahme des äußeren Spiralfederendabschnitts 4.2 ausgebildet ist. Eine die Längsachse LHE des Grundkörpers 7.1 aufnehmende Ebene teilt die Führungsausnehmung 7.3 näherungsweise in zwei gegenüberliegende, gleiche Hälften des gabelartig ausgebildeten unteren freien Endes des Halteelementes 7.
Im montierten Zustand ist damit mittels der Halteanordnung 5 der radiale Abstand A zwischen der Achse UA der Unruhwelle 3 und der Längsachse LHE des Halteelementes 7 und damit des äußeren Spiralfederendabschnitts 4.2 einstellbar. Durch eine entsprechende radiale zur Achse UA gerichtete Verschiebung des Halteelementes 7 und damit des äußeren Spiralfederendabschnitts 4.2 ist das Spiralfederzentrum justierbar, und zwar vorzugsweise derart, dass die Spiralfederringabschnitte 4.3 jeweils denselben Abstand zueinander aufweisen und konzentrisch um die Achse UA verlaufen.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Spiralfeder 4, die mit ihrem Spiralfederbefestigungsabschnitt 4.1 drehfest mit der Unruhwelle 3 verbunden ist. Den Schwingungsbereich LA bilden die Spiralfederringabschnitte 4.3 der Spiralfeder 4. Die Spiralfederringabschnitte 4.3 reichen von einem inneren Ende 13 des Spiralfederbefestigungsabschnitts 4.1 bis zu einem Stabilisierungsbereich LS und bilden den Schwingungsbereich LA. Die hier dargestellte Ausführungsform des Stabilisierungsbereichs LS stellt eine von mehreren möglichen Ausführungsformen dar und soll nicht als Beschränkung der Erfindung aufgefasst werden.
Die 5 zeigt in Einzeldarstellung und Draufsicht eine Spiralfeder 4 des mechanischen Schwingsystems 1 entsprechend einer möglichen Ausführungsform der Erfindung. Die Spiralfeder 4 ist bei der dargestellten Ausführungsform z.B. aus einem Ausgangsmaterial (Wafer) aus monokristallinem Silizium oder aus polykristallinem Silizium hergestellt. Bei polykristallinem Silizium wächst diese z.B. durch ein Abscheideverfahren auf dem Ausgangsmaterial auf. Unter Verwendung eines Maskierungs-Ätz-Verfahrens erhält man eine einstückig ausgebildete und mehrere Windungen 9 aufweisende Spiralfeder 4, die im Wesentlichen aus Silizium besteht und den inneren Spiralfederbefestigungsabschnitt 4.1 aufweist, mit dem die Spiralfeder 4 an der Unruhwelle 3 befestigt wird.
Der aktive Schwingungsbereich LA der Spiralfeder 4 erstreckt sich von dem an den Spiralfederbefestigungsabschnitt 4.1 der Spiralfeder 4 anschließenden inneren Ende 13 des aktiven Schwingungsbereichs LA bis zu dem äußeren Federhaltepunkt 14 bzw. dem Beginn 15 des Stabilisierungsbereichs LS (siehe Ausführungsform 4). Dieser ist bei der in den 1–3 dargestellten Ausführungsformen durch die Verbindung der außenliegenden Spiralfederringabschnitte 4.3 mit dem Halteelement 7 gebildet.
Die dargestellte Spiralfeder 4 weist zumindest auf einer ersten Außenfläche 31 eine Vielzahl von ersten Teilbereichen 10 und eine Vielzahl von zweiten Teilbereichen 11 auf, die sich hinsichtlich des Materials unterscheiden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Material des ersten Teilbereiches 10 Siliziumnitrid und das Material des zweiten Teilbereichs 11 Siliziumdioxid, das durch thermische Oxidation der im ersten Teilbereich 10 mit Siliziumnitrid maskierten ersten Außenfläche 31 der Spiralfeder 4 gebildet wird.
In den ersten und zweiten Teilbereichen 10 und 11 weist die Feder die gleiche Breite auf. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weisen alle zweiten Teilbereiche 11 eine gemeinsame Höhe auf. Ebenso weisen alle ersten Teilbereiche 10 eine gemeinsame Höhe auf, die sich bei der fertigen Spiralfeder 4 von der Höhe der zweiten Teilbereiche 11 nicht unterscheiden. Ausgehend von dem Federhaltepunkt 14 erstreckt sich in Richtung des inneren Endes 13 des aktiven Schwingungsbereichs LA zunächst ein zweiter Teilbereich 11, gefolgt von einem ersten Teilbereich 10 und so weiter. Gemäß der hier dargestellten Ausführungsform umfassen sämtliche Windungen 9 der dargestellten Spiralfeder 4 jeweils insgesamt acht zweite Teilbereiche 11 und acht erste Teilbereiche 10. Um die in Richtung des inneren Federendes 13 abnehmende Federlänge pro Windung 9 auszugleichen, werden die ersten und zweiten Teilbereiche 10 und 11 in Richtung auf das innere Federende 13 hin mit immer geringerer Ausdehnung in Richtung bzw. Länge der Federlänge ausgestaltet. Andere Anordnungen der ersten und der zweiten Teilbereiche 10 und 11 sind denkbar.
Bei der in 5 gezeigten Ausführungsform wurde von einem nach der Einstellung festen Federhaltepunkt 14 ausgegangen. Es besteht aber auch die Möglichkeit der Verwendung eines sogenannten Rückers, der im Wesentlichen durch einen um die Achse UA der Unruhwelle 3 schwenkbaren Hebel gebildet ist. An dem äußeren Ende weist der Hebel eine beispielsweise von zwei Stiften gebildete Aufnahme auf, in die die Spiralfeder eingreift und die damit den Federhaltepunkt bildet. Die Aufnahme des Rückers bildet einen festen Federhaltepunkt nach.
6 zeigt einen Querschnitt durch einen Kern 17 einer Windung 9 der Spiralfeder 4. Der Kern 17 hat über die Gesamte Länge der Windungen 9 des Schwingungsbereichs LA einen im Wesentlichen konstanten Querschnitt. Der Kern 17 hat ohne Beschichtung eine Höhe H und eine Breite B. In 7 ist der Kern 17 mit einer allseitig umgebenden Beschichtung versehen, die zumindest an den zwei gegenüberliegenden Seitenflächen 22 des Kerns 7 eine durchgehende SiO₂- Schicht 20 ist, die durch die thermische Oxidation des Kerns 17 gebildet wird. Auf zumindest einer der Deckflächen 24 ist ebenfalls in den nicht maskierten zweiten Teilbereichen 11 eine SiO₂-Schicht 20 vorgesehen. Der nach der thermischen Oxidation und einem abschließenden Abtragungsprozess, hat der resultierende Querschnitt des Kerns 17 des Schwingungsbereichs LA eine Höhe H_B und eine Breite B_B. Der Kern 17 mit zwei gegenüberliegenden Seitenflächen 22 weist eine durchschnittliche Höhe H auf. Zwei gegenüberliegende Deckflächen 24 weisen eine durchschnittliche Breite B auf, wobei sich die Seitenflächen 22 und die Deckflächen 24 des Kerns 17 der Spiralfeder 4 entlang des Schwingungsbereichs LA erstrecken.
Die 8, 9 und 10 zeigen eine graphische Wiedergabe des Verfahrens zur Herstellung einer Spiralfeder, die zumindest auf einer Deckfläche 24 die ersten Teilbereiche 10 und die zweiten Teilbereiche 11 aus unterschiedlichen Materialien trägt. Die Ausgestaltung der Windungen 9 des Schwingungsbereichs LA der Spiralfeder 4, ist in 8 in einer Seitenansicht eines Teils der Windung 9 des Schwingungsbereichs LA dargestellt. Der Kern 17 aus Silizium trägt in dem mindestens ersten Teilbereich 10 eine Maske 18. Die Wirkung der Maske 18 ist, dass die thermische Oxidation des Kerns 17 und das Aufwachsen der SiO₂-Schicht im Bereich der Maske 18 anders abläuft und somit zu einer anderen Ausbildung der SiO₂-Schicht 20 führt. Die Maske 18 ist eine Diffusionssperre für Sauerstoff. Im ersten Teilbereich 10 ist der Kern 17 nicht durch die Maske 18 bedeckt und somit für Sauerstoff ungehindert zugänglich. Die Maske 18 besitzt eine Dicke 18D, die derart gewählt ist, dass sie im Wesentlichen der Dicke der sich beim thermischen Oxidieren ausbildenden SiO₂-Schicht 20 ist. Je nach Wahl der Bedingungen beim thermischen Oxidieren wird die Dicke 18D der Maske 18 gewählt.
Bei der in 9 gezeigten Ausbildung der SiO₂-Schicht 20 wird auch ein Teil der Maske 18 oxidiert und es bildet sich auf der Maske 18 ebenfalls eine SiO₂-Schicht 20 aus. Im zweiten Teilbereich 11, hat sich eine SiO₂-Schicht 20 ausgebildet, die im Wesentlichen eine Höhe besitzt, die der Maske 18 entspricht. In Falle einer Siliziumnitrid-Maske wird der Stickstoff aus der Maske gegen Sauerstoff ersetzt. Bei Abschluss der thermischen Oxidation hat sich somit auf der Spiralfeder 4 auf dem ersten Teilbereich 10 ebenfalls eine SiO₂-Schicht 20 ausgebildet. Der erste Teilbereich hat somit eine Dicke 18B, die kleiner oder größer sein kann als die Dicke 18D der Maske 18 vor der thermischen Oxidation.
In 10 ist eine Seitenansicht eines Teils einer Windung 9 dargestellt, bei der Durch einen Abtragungsprozess zwischen dem ersten Teilbereich 10 und dem zweiten Teilbereich 11 eine einheitliche Höhe 18A eingestellt wird. Somit resultiert daraus eine Spiralfeder 4, die nach der Maskierung und der thermischen Oxidation über die Länge des Schwingungsbereich LA einen im Wesentlichen konstanten Querschnitt 17Q besitzt.
Bezugszeichenliste

1: Schwingsystem bzw. Unruh
2: Schwungkörper
2.1: äußerer Kreisringabschnitt
2.2: Speichen
2.3: Nabenabschnitt
2.4: Schwungmasse
3: Unruhwelle
3’, 3’’: Wellenabschnitte
3.1: oberes freies Ende
3.2: unteres freies Ende
4: Spiralfeder
4.1: Spiralfederbefestigungsabschnitt
4.2: Spiralfederendabschnitt
4.3: Spiralfederringabschnitte
4.4: äußeres Federende
5: Halteanordnung
6: Haltearm
6.1: inneres Haltearmende
6.2: äußeres Haltearmende
6.3: längliche Führungsausnehmung
7: Haltelement
7.1: Grundkörper
7.11: obere Stirnseite
7.12: untere Stirnseite
7.2: Sacklochbohrung
7.3: Führungsausnehmung
8: Schraube
9: Windung
10: erster Teilbereich
11: zweiter Teilbereich
13: inneres Ende des Schwingungsbereichs
14: Federhaltepunkt
15: Beginn des Stabilisierungsbereichs
17: Kern
17Q: Querschnitt der fertigen Spiralfeder
18: Maskierung
18A: Höhe nach dem Abtragungsprozess
18B: Dicke nach thermischer Oxidierung
18D: Dicke der Maskierung
22: Seitenflächen des Kerns
24: Deckflächen des Kerns
31: erste Außenfläche
32: zweite Außenfläche
33: dritte Außenfläche
34: vierte Außenfläche
UA: Achse der Unruhwelle
A: radialer Abstand
B: Breite des Kerns ohne Beschichtung
B_B: Breite des Kerns mit Beschichtung
H: Höhe des Kerns ohne Beschichtung
H_B: Höhe des Kerns mit Beschichtung
LHA: Längsachse des Hebelarms
LHE: Längsachse des Hebelelements
LA: Schwingungsbereich
LS: Stabilisierungsbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1422436 A1 [0006]
EP 2284628 A2 [0007]
EP 2589568 A1 [0008]
CH 699780 A2 [0009]
WO 20117072960 A1 [0010]

Claims

Spiralfeder (4) mit einem Spiralfederbefestigungsabschnitt (4.1), einem daran anschließenden Schwingungsbereich (LA) mit mindestens einer Windung (9), wobei der Schwingungsbereich (LA) einen Kern (17) aus Silizium mit mindestens einer ersten Außenfläche (31), einer zweiten Außenfläche (32), einer dritten Außenfläche (33) und einer vierten Außenfläche (34), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Außenfläche (31, 32, 33, 34) über die Länge des Schwingungsbereichs (LA) in mindestens einem ersten Teilbereich (10) ein erstes Material trägt und in mindestens einem zweiten Teilbereich (11) ein mindestens zweites anderes Material trägt.
Spiralfeder (4) nach Anspruch 1 wobei die Spiralfeder (4) mit dem ersten Material und dem zweiten Material über die Länge des Schwingungsbereich (LA) einen im Wesentlichen konstanten Querschnitt (17Q) besitzt.
Spiralfeder (4) nach Anspruch 1, wobei an gegenüberliegenden Außenflächen des Kerns mehrere der ersten Teilbereiche (10) mit dem ersten Material und mehrere der zweiten Teilbereiche (11) mit dem zweiten Material ausgebildet sind.
Spiralfeder (4) nach den vorangehenden Ansprüchen, wobei das Material des ersten Teilbereichs (10) Siliziumnitrid oder AlGaInAs oder Ga_XIn_1-YAs_YP_1-Y, oder TiN und TaN ist.
Spiralfeder (4) nach den Ansprüchen 1 bis 4, wobei das Material des zweiten Teilbereichs (11) Siliziumdioxid ist.
Spiralfeder (4) nach den vorangehenden Ansprüchen, wobei die ersten Teilbereiche (10) und die zweiten Teilbereiche (11) auf der mindestens einen Außenfläche (31, 32, 33, 34) über die Länge des Schwingungsbereichs (LA) in einem geometrischen Muster angeordnet sind.
Spiralfeder (4) nach Anspruch 6, wobei die ersten Teilbereiche (10) mit dem ersten Material und die zweiten Teilbereiche (11) mit dem zweiten anderen Material periodisch aufeinander folgen.
Spiralfeder (4) nach Anspruch 6, wobei die ersten Teilbereiche (10) und die zweiten Teilbereiche (11) nach einem geometrischen Muster, das fächerförmig ist, angeordnet sind und eine Länge (L) des ersten Teilbereichs (10) oder zweiten Teilbereichs (11) von einer äußeren Windung der Spiralfeder (4) zu einer inneren Windung der Spiralfeder (4) abnimmt.
Verfahren zur Herstellung einer Spiralfeder (4) für mechanische Uhrwerke, gekennzeichnet durch die Schritte: • Bereitstellen mindestens einer aus Silizium gefertigten Spiralfeder (4); wobei ein Schwingungsbereich (LA) der Spiralfeder (4), einen Kern (17) mit zwei gegenüberliegenden Seitenflächen (22) und zwei gegenüberliegenden Deckflächen (24), wobei sich die Seitenflächen (22) und die Deckflächen (24) entlang des Schwingungsbereichs (LA) erstrecken; • Aufbringen einer Maskierung in mindestens einen ersten Teilbereich (10) auf mindestens eine Deckfläche (24) entlang des Schwingungsbereichs (LA) • thermisches Oxidieren der Spiralfeder (4), so dass eine SiO₂-Schicht (20) auf den Seitenflächen (22) und zumindest auf den nicht maskierten zweiten Teilbereichen (11) der mindestens eine Deckfläche (24) entlang des Schwingungsbereichs (LA) auf dem Kern (17) ausgebildet wird; • Entfernen der SiO₂-Schicht (20) auf der mindestens einen Deckfläche (24) entlang des Schwingungsbereichs (LA), so dass die Spiralfeder (4) mit der Maskierung und der SiO₂-Schicht über die Länge des Schwingungsbereich (LA) einen im Wesentlichen konstanten Querschnitt (17Q) besitzt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Maskierung im ersten Teilbereich (10) mit einer derartigen Dicke (DM) aufgetragen wird, die in etwa der Dicke (DO) der durch das thermische Oxidieren in den zweiten Teilbereichen (11) der mindestens einen Deckfläche (24) gebildeten SiO₂-Schicht entspricht.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Entfernen der SiO₂-Schicht (20) auf der mindestens eine Deckfläche (24) entlang des Schwingungsbereichs (LA) mit einem Ätzprozess durchgeführt wird und dabei die Maskierung in dem mindestens einen Teilbereich freigelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Entfernen der SiO₂-Schicht (20) auf der mindestens eine Deckfläche (24) entlang des Schwingungsbereichs (LA) mit einem Schleifprozess durchgeführt wird und dabei die Maskierung in dem mindestens einen ersten Teilbereich (10) freigelegt wird.
Uhrwerk aufweisend einen Schwingkörper (2), eine um eine Achse (UA) schwenkbar gelagerte Unruhwelle (3) und eine Spiralfeder (4) mit einem aktiven Schwingungsbereich (LA), wobei die Spiralfeder (4) durch einen die Unruhwelle (3) umschließenden Spiralfederbefestigungsabschnitt (4.1) mit der Unruhwelle (3) verbunden ist, und die Spiralfeder (4) an einem äußeren Federhaltepunkt (14) gehalten ist, wobei sich der aktive Schwingungsbereich (LA) von einem an den Spiralfederbefestigungsabschnitt (4.1) anschließenden inneren Ende (13) des aktiven Schwingungsbereichs (LA) bis zu dem äußeren Federhaltepunkt (14) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Außenfläche (31, 32, 33, 34) über die Länge des Schwingungsbereichs (LA) in mindestens einem ersten Teilbereich (10) ein erstes Material und in mindestens einem zweiten Teilbereich (11) ein zweites anderes Material trägt.
Uhrwerk nach Anspruch 13, wobei die Spiralfeder (4) mit dem ersten Material und dem mindesten einen zweiten Material über die Länge des Schwingungsbereichs (LA) einen im Wesentlichen konstanten Querschnitt (17Q) besitzt.
Mechanische Uhr mit einem Uhrwerk, das nach einem der Ansprüche 13 bis 14 ausgebildet ist.