DE102014119731A1

DE102014119731A1 - Spiralfeder und Verfahren zu deren Herstellung und Uhrwerk

Info

Publication number: DE102014119731A1
Application number: DE102014119731.3A
Authority: DE
Inventors: Stefan Männicke
Original assignee: Damasko Uhrenmanufaktur KG
Current assignee: Damasko Uhrenmanufaktur KG
Priority date: 2014-06-26
Filing date: 2014-12-30
Publication date: 2015-12-31
Also published as: WO2015198262A1

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 Kern (17) der Spiralfeder (4) ist aus Silizium und mindestens zwei lange Seitenflächen (22) verbinden mindestens zwei zwei kurzen Seitenflächen (24) miteinander. In mindestens einer oberen Seitenflächen (26) und entlang einer Windung (9) des Schwingungsbereichs (LA) ist mindestens eine Vertiefung (18) in einem zweiten Teilbereich (11) in der SiO2-Schicht (20) ausgebildet, deren Tiefe (T) zumindest bis auf den Kern (17) aus Silizium reicht.

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, dessen Querschnitt aus zwei langen Seiten und zwei kurzen Seitenflächen besteht. Die mindestens zwei langen Seiten und mindestens zwei kurzen Seiten sind über die Länge des Schwingungsbereichs mit einer SiO₂-Schicht versehen. Der Schwingungsbereich und die jeweils eine der kurzen Seiten bilden eine obere Seitenfläche bzw. eine untere Seitenfläche aus. Die obere Seitenfläche, die untere Seitenfläche und die beiden seitlichen Seitenflächen erstrecken sich entlang der Länge des Schwingungsbereichs der Spiralfeder.
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 Spiralfederbefestigungs-abschnitt 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 erste und eine zweite Beschichtung, die so ausgewählt sind, dass die Wärmeausdehnung im Wesentlichen null ist.
Das US-Patent US 8,562,206 B offenbart eine Spiralfeder. In jeder Windung der Spiralfeder ist eine Vielzahl von Öffnungen vorgesehen, die sich durch die Spirale der Feder erstrecken.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist, eine Spiralfeder bereitzustellen, die ein dauerhaft ausgezeichnetes Schwingungsverhalten zeigt, wobei die Spiralfeder einfach und reproduzierbar hinsichtlich des Schwingungsverhaltens herzustellen ist, die im Gewicht reduziert 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 und im Gewicht reduziert ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung einer Spiralfeder für mechanische Uhrwerke gemäß Patentanspruch 10 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 und die Spiralfeder selbst im Gewicht reduziert ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Uhrwerk gelöst, das die Merkmale des Patentanspruchs 19 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 sich daran anschließenden Schwingungsbereich mit mindestens einer Windung. Der Schwingungsbereich besteht aus einen massiven und polygonalen Kern aus Silizium mit mindestens zwei langen Seiten und mindestens zwei kurzen Seiten. Mindestens eine lange Seite ist mit einer kurzen Seite verbunden. Die mindestens zwei langen Seiten und mindestens zwei kurzen Seiten tragen jeweils über die Länge des Schwingungsbereichs eine SiO₂-Schicht, wobei sich der Schwingungsbereich und die jeweils eine der kurzen Seiten eine obere Seitenfläche bzw. eine untere Seitenfläche bilden. In mindestens die der oberen Seitenfläche und entlang mindestens einer Windung des Schwingungsbereichs ist mindestens eine Vertiefung in einem zweiten Teilbereich in der SiO₂-Schicht ausgebildet. Die Tiefe reicht zumindest bis auf den Kern aus Silizium.
Die Tiefe der Vertiefung ist dabei derart bemessen, dass sich die Vertiefung in den Kern aus Silizium hinein erstreckt.
Die erfindungsgemäße Spiralfeder hat den Vorteil, dass durch das Ausbilden der Vertiefungen Gewicht eingespart werden kann, ohne dabei die mechanische Stabilität, das Schwingverhalten zu destabilisieren und die Temperaturkompensation der Spiralfeder zu gefährden. Hinzu kommt, dass mit der erfindungsgemäßen und im Gewicht reduzierten Spiralfeder auch die Lager der Spiralfeder geschont werden, was sich wiederum positiv auch die Ganggenauigkeit der Uhr und eine Verlängerung der Serviceintervalle auswirkt.
In der Regel ist der Kern der Spiralfeder rechteckig und besitzt somit zwei lange Seiten und zwei kurze Seiten, die über die Länge des Schwingungsbereichs zwei lange Seitenflächen und zwei kurze Seitenflächen ausbilden. Der Kern hat somit zwei gegenüberliegende lange Seitenflächen und zwei gegenüberliegende kurze Seitenflächen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind nur an einer oberen Seitenfläche die mehreren Vertiefungen in der SiO₂-Schicht ausgebildet. Dabei ist eine Breite einer jeden Vertiefung kleiner oder gleich der Breite der kurzen Seitenfläche der Spiralfeder. Jeder der Vertiefungen weist einen Boden auf, der eine Rauhtiefe von kleiner als 10 µm besitzt. Bevorzugt ist die Rauhtiefe kleiner als 5µm. Weiter bevorzugt ist die Rauhtiefe kleiner als 3µm. Besonders bevorzugt ist die Rauhtiefe kleiner als 1µm.
Entlang einer Länge der Windungen des Schwingungsbereichs sind mehrere Vertiefungen in den zweiten Teilbereichen vorgesehen, die durch jeweils einen ersten Teilbereich voneinander getrennt sind. Die SiO₂-Schicht hat im ersten Teilbereich die durch die thermische Oxidation ausgebildete Dicke.
Die ersten Teilbereiche und die zweiten Teilbereiche sind auf der mindestens einen oberen Seitenfläche über die Länge des Schwingungsbereichs in einem geometrischen Muster angeordnet. Die ersten Teilbereiche und die zweiten Teilbereiche sind nach dem geometrischen Muster angeordnet, das fächerförmig ist. Dabei weicht eine Länge des ersten Teilbereichs oder zweiten Teilbereichs von einer äußeren Windung der Spiralfeder zu einer inneren Windung der Spiralfeder ab.
Eine weitere Ausführungsform der Anordnung der ersten Teilbereiche ist eine sektorförmige Ausbildung derselben auf der mindesten einen oberen Seitenfläche der Windungen der Spiralfeder. Die ersten Teilbereiche sind von den zweiten Teilbereichen voneinander getrennt. Gemäß einer Ausführungsform sind die ersten Teilbereiche als schräge Stege ausgebildet.
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 langen Seitenflächen und zwei gegenüberliegenden kurzen Seitenflächen. Die langen Seitenflächen und die kurzen Seitenflächen erstrecken sich entlang des Schwingungsbereichs der Spiralfeder. Über ein thermisches Oxidieren der Spiralfeder wird eine SiO₂-Schicht auf den langen und kurzen Seitenflächen entlang des Schwingungsbereichs auf den Kern ausgebildet. Zuletzt wird die SiO₂-Schicht in mindestens einem zweiten Teilbereich auf der mindestens einen oberen Seitenfläche entlang des Schwingungsbereichs abgetragen, so dass in dem zweiten Teilbereich die SiO₂-Schicht zumindest bis hinunter auf den Kern der Spiralfeder entfernt wird. Dabei bleiben Seitenwände aus SiO₂ entlang der Länge des Schwingungsbereichs stehen. Das Entfernen der SiO₂-Schicht wird vorteilhafter Weise mit einem Laser durchgeführt. Ebenso kann das Entfernen der SiO₂-Schicht mechanisch durchgeführt werden. Eine weitere Möglichkeit des Entfernens ist das Abtragen der SiO₂-Schicht auf mechanisch-chemische Art und Weise. Beispielsweise kann BHF gezielt aufgetragen werden, um das SiO₂-Schicht an der vorgesehen Stellen zu entfernen. Ein Abspülen der Spiralfeder mit Wasser sorgt für ein Entfernen der mit BHF angegriffenen Bereiche.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die ersten Teilbereiche als schräge Stege ausgebildet, die die zweiten Teilbereiche voneinander trennen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind alle Stege, unabhängig von deren Form, über die gesamte Länge des Schwingungsbereichs mit der gleichen Größe ausgebildet.
Das Entfernen der SiO₂-Schicht bis hinunter auf den Kern der Spiralfeder wird derart ausgeführt, dass eine Vertiefung auf der mindestens einen oberen Seitenfläche im zweiten Teilbereich entlang des Schwingungsbereichs ausgebildet wird. Die Vertiefung hat eine Länge und eine Breite, wobei die Breite kleiner oder gleich einer Breite der kurzen Seiten des Kerns ist.
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 hat die Spiralfeder in mindestens einer oberen Seitenfläche und entlang einer Windung des Schwingungsbereichs mindestens eine Vertiefung in einem zweiten Teilbereich in einer den Kern umgebenden SiO₂-Schicht ausgebildet, deren Tiefe zumindest bis auf den Kern aus Silizium reicht. Als Resultat erhält man ein Uhrwerk mit einer Spiralfeder, deren Kern aus Silizium nicht mehr vollständig von einer SiO₂-Schicht umgeben ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt 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 besitzt 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, die Ganggenauigkeit erhöht und die Lagerbelastungen des Uhrwerks der Spiralfeder reduziert.
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.
Wie oben bereits ausgeführt, stellt die vorliegende Erfindung in ihrer allgemeinsten Form eine Spiralfeder zur Verfügung, bei der zwei Teilbereiche vorgesehen sind. In einem zweiten Teilbereich ist die Vertiefung ausgebildet, so dann der Kern aus Silizium an zumindest einer Seitenfläche freigelegt ist. 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 gemäß dem Stand der Technik;
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 eine Ansicht des Querschnitts des Kerns aus Silizium;
6 eine Ansicht des Querschnitts des Kerns aus Silizium der allseitig mit einer Schicht umgeben ist;
7 in Einzeldarstellung und in Draufsicht eine Ausführungsform der Spiralfeder gemäß der vorliegenden Erfindung;
8 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Teils einer Windung der Spiralfeder, die auf der oberen Seitenfläche die Vertiefungen trägt;
9 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Teils einer Windung der Spiralfeder, die auf der oberen Seitenfläche gemäß einer weiteren Ausführungsform ausgebildet ist;
10 eine Draufsicht auf einen Teil einer Windung der Spiralfeder aus 8, bei der sich eine SiO₂-Schicht in den Vertiefungen entfernt ist;
11 eine Schnittansicht der Spiralfeder entlang der in 10 mit A-A gekennzeichneten Schnittlinie; und
12 eine vergrößerte Darstellung des in 11 mit B gekennzeichneten Bereichs.
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 dargestellte Ausführungsform stellt lediglich ein Beispiel dar und soll 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.
5 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 der durch thermisches Oxidieren oder einem anderen Verfahren entstandenen SiO₂-Beschichtung, eine Höhe H und eine Breite B. In 6 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 oberen und/oder unteren Seitenflächen 26, 28 ist ebenfalls eine SiO₂-Schicht 20 ausgebildet. Eine Möglichkeit des Aufbringens der SiO₂-Schicht 20 ist das thermische Oxidieren. Der resultierende Querschnitt des Kerns 17 hat insbesondere in den Windungen des Schwingungsbereichs LA eine Höhe H_OX und eine Breite B_OX.
Die 7 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 (PVD, Sublimation, etc.) auf dem Ausgangsmaterial (Wafer) auf. Ebenso ist ein Sinterprozess denkbar. 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 (siehe 4) 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.
Die in 7 dargestellte Spiralfeder 4 weist zumindest auf der oberen Seitenfläche 26 der Windungen 9 der Spiralfeder 4 eine Vielzahl von ersten Teilbereichen 10 und eine Vielzahl von zweiten Teilbereichen 11 auf, die sich hinsichtlich der Ausgestaltung unterscheiden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist im ersten Teilbereich 10 SiO₂ vorhanden und im zweiten Teilbereich 11 eine Vertiefung 18 (siehe 8 und 9) ausgebildet, die zumindest bis auf den Kern 17 aus Silizium reicht oder sich sogar in den Kern 17 aus Silizium hinein erstreckt. In den ersten und zweiten Teilbereichen 10 und 11 weist die Spiralfeder 4 die gleiche Breite B_OX auf. 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. Die ersten Teilbereiche 10 und die zweiten Teilbereiche 11 bilden jeweils einen Sektor. Andere Anordnungen der ersten und der zweiten Teilbereiche 10 und 11 sind denkbar.
Bei der in 7 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 4 eingreift und die damit den Federhaltepunkt 14 bildet. Die Aufnahme des Rückers bildet einen festen Federhaltepunkt 14 nach.
Die 8 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Windung 9 der Spiralfeder 4. Zumindest auf der oberen Seitenfläche 26 sind in den zweiten Teilbereichen 11 die Vertiefungen 18 ausgebildet. Die Vertiefungen 18 werden gemäß einer möglichen Ausführungsform mittels eines Laserabtragungsverfahrens in der SiO₂-Schicht 20 auf der oberen Seitenfläche 26 ausgebildet. Die ersten Teilbereiche 10 trennen die Vertiefungen 18 voneinander. In den ersten Teilbereichen 10 ist die SiO₂-Schicht 20 nicht entfernt.
Die 9 zeigt eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform eines Teils einer Windung 9 der Spiralfeder 4. Zumindest auf der oberen Seitenfläche 26 sind in den zweiten Teilbereichen 11 die Vertiefungen 18 ausgebildet. Die Vertiefungen 18 werden gemäß einer möglichen Ausführungsform mittels eines Laserabtragungsverfahrens in der SiO₂-Schicht 20 auf der oberen Seitenfläche 26 ausgebildet. Die ersten Teilbereiche 10 trennen die Vertiefungen 18 voneinander. In den ersten Teilbereichen 10 ist die SiO₂-Schicht 20 nicht entfernt. Bei der dargestellten Ausführungsform sind die zweiten Teilbereiche 11, die die Vertiefungen 18 enthalten, sektorförmig auf der mindestens einen oberen Seitenfläche 26 der Windungen 9 der Spiralfeder 4 ausgebildet. Die ersten Teilbereiche 10 sind als schräge Stege 32 ausgebildet und besitzen über alle Windungen die gleiche Größe.
Bei der in 10 gezeigten Draufsicht auf den Teil der Windung 9 aus 8 erkennt man, dass sich die Vertiefungen mit einer Länge L entlang der oberen Seitenfläche 26 erstrecken. Entlang einer Länge der Windungen 9 des Schwingungsbereichs LA sind mehrere Vertiefungen 18 in den zweiten Teilbereichen 11 vorgesehen, die von jeweils einem ersten Teilbereich 10 getrennt sind. Dabei trägt der erste Teilbereich 10 die SiO2-Schicht 20 mit einer Dicke D, wie dies aus der Schnittansicht der 11 entlang der in 10 mit A-A gekennzeichneten Linien zu erkennen ist.
In 12 ist eine vergrößerte Darstellung des mit B in 11 gekennzeichneten Bereichs. Die SiO2-Schicht ist im zweiten Teilbereich 11 bis hinunter auf den Kern 17 der Spiralfeder 4 entfernt. Die somit resultierende Vertiefung 18 auf der mindestens einen oberen Seitenfläche 2 besitzt im zweiten Teilbereich 11 die Länge L (siehe 10) und eine Breite B2. Die Breite B2 ist kleiner oder gleich einer Breite B_OX der oberen Seitenfläche 26. Eine Tiefe T der Vertiefung 18 reicht bis auf den Kern 17 aus Silizium. Aus der Vertiefung ist somit das gesamte durch thermische Oxidation oder ein anderes Verfahren aufgewachsene SiO₂ entfernt. Selbstverständlich kann sich die Vertiefung 18 auch in den Kern 17 aus Silizium hinein erstrecken.
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
18: Vertiefung
20: SiO₂-Schicht
22: lange Seite des Kerns
24: kurze Seite des Kerns
26: obere Seitenfläche
28: untere Seitenfläche
30: seitliche Seitenfläche
32: schräge Stege
UA: Achse der Unruhwelle
A: radialer Abstand
B: Breite des Kerns
B_OX: Breite des Kerns mit Beschichtung
B2: Breite der Vertiefung
D: Dicke der SiO₂-Schicht
H: Höhe des Kerns
H_OX: Höhe des Kerns mit Beschichtung
L: Länge der Vertiefung
LHA: Längsachse des Hebelarms
LHE: Längsachse des Hebelelements
LA: Schwingungsbereich
LS: Stabilisierungsbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1422436 A1 [0006]
EP 2284628 A2 [0007]
EP 2589568 A1 [0008]
CH 699780 A2 [0009]
WO 20117072960 A1 [0010]
US 8562206 B [0011]

Claims

Spiralfeder (4) mit einem Spiralfederbefestigungsabschnitt (4.1), einem daran anschließenden Schwingungsbereich (LA) mit mindestens einer Windung (9), wobei der Schwingungsbereich (LA) einen massiven und polygonalen Kern (17) aus Silizium mit mindestens zwei langen Seiten (22) und mindesten zwei kurzen Seiten (24) umfasst, wobei mindestens eine lange Seite (22) mit einer kurzen Seite verbunden ist wobei die mindestens zwei langen Seiten (22) und mindestens zwei kurzen Seiten (24) über die Länge des Schwingungsbereichs (LA) eine SiO₂-Schicht (20) tragen und wobei der Schwingungsbereich (LA) und die jeweils eine der kurzen Seiten (24) eine obere Seitenfläche (26) bzw. eine untere Seitenfläche (28) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens der oberen Seitenfläche (26) und entlang mindestens einer Windung (9) des Schwingungsbereichs (LA), mindestens eine Vertiefung (18) in einem zweiten Teilbereich (11) in der SiO₂-Schicht (20) ausgebildet ist, deren Tiefe (T) zumindest bis auf den Kern (17) aus Silizium reicht.
Spiralfeder (4) nach Anspruch 1, wobei die Tiefe (T) der Vertiefung (18) sich in den Kern (17) aus Silizium erstreckt.
Spiralfeder (4) nach den vorangehenden Ansprüchen 1, wobei ein Boden der mindestens einen Vertiefung (18) eine Rauhtiefe von kleiner als 10 µm besitzt.
Spiralfeder (4) nach den vorangehenden Ansprüchen, wobei nur an der oberen Seitenfläche (26) mehrere Vertiefungen (18) in der SiO₂-Schicht (20) ausgebildet sind.
Spiralfeder (4) nach den vorangehenden Ansprüchen, wobei eine Breite (B2) einer jeden Vertiefung (18) kleiner oder gleich der einer Breite (B_OX) der kurzen Seite (24) des Kerns (17) der Spiralfeder (4) mit der SiO₂-Schicht (20) ist.
Spiralfeder (4) nach den vorangehenden Ansprüchen, wobei sich entlang der Länge der Windungen (9) des Schwingungsbereichs (LA) mehrere Vertiefungen (18) in den zweiten Teilbereichen (11) vorgesehen sind, die von jeweils einem ersten Teilbereich (10) getrennt sind, der die SiO₂-Schicht (20) mit einer Dicke (D) trägt.
Spiralfeder (4) nach den vorangehenden Ansprüchen, wobei die ersten Teilbereiche (10) und die zweiten Teilbereiche (11) auf der mindestens einen oberen Seitenfläche (26) über die Länge des Schwingungsbereichs (LA) in einem geometrischen Muster angeordnet sind.
Spiralfeder (4) nach Anspruch 7, 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.
Spiralfeder (4) nach Anspruch 7, wobei die zweiten Teilbereiche (11) sektorförmig auf der mindestens einen oberen Seitenfläche (26) der Windungen (9) der Spiralfeder (4) und durch die ersten Teilbereiche (11) voneinander getrennt sind, die als schräge Stege ausgebildet sind.
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 langen Seiten (22) und zwei gegenüberliegenden kurzen Seiten (24), wobei sich eine obere Seitenfläche (26), eine untere Seitenfläche (28) und zwei Seitenflächen (30) entlang des Schwingungsbereich (LA) erstrecken; • thermisches Oxidieren der Spiralfeder (4), so dass eine SiO₂-Schicht (20) auf den seitlichen Seitenflächen (30) und der oberen Seitenflächen (26) und der unteren Seitenfläche (28) entlang des Schwingungsbereichs (LA) auf dem Kern (17) ausgebildet wird; • Entfernen der SiO₂-Schicht (20) in mindestens einem zweiten Teilbereich (11) auf der mindestens einen oberen Seitenfläche (26) entlang des Schwingungsbereichs (LA), so dass in dem zweiten Teilbereich (11) die SiO₂-Schicht (20) zumindest bis hinunter auf den Kern (17) der Spiralfeder (4) entfernt wird, so dass Seitenwände aus SiO₂ entlang der Länge des Schwingungsbereichs (LA) stehen bleiben.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Entfernen der SiO₂-Schicht (20) mit einem Laser durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Entfernen der SiO₂-Schicht (20) mechanisch durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Entfernen der SiO₂-Schicht (20) mechanisch-chemisch durchgeführt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 10 bis 13, wobei das Entfernen der SiO₂-Schicht (20) zumindest bis hinunter auf den Kern (17) der Spiralfeder (4) derart ausgeführt wird, dass mindestens eine Vertiefung (18) auf der mindestens einen oberen Seitenfläche (24) im zweiten Teilbereich (11) entlang des Schwingungsbereichs (LA) ausgebildet wird, die eine Länge (L) und eine Breite (B2) aufweist, die kleiner oder gleich einer Breite (B) der kurzen Seitenfläche (24) des Kerns (17) ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei entlang einer Länge der Windungen (9) des Schwingungsbereichs (LA) der Spiralfeder (4) auf mindestens der oberen Seitenfläche (26) mehrere Vertiefungen (18) in den zweiten Teilbereichen (11) eingebracht werden, die von jeweils einem ersten Teilbereich (10) getrennt sind, in dem die SiO₂-Schicht (20) eine Dicke (D) aufweist.
Verfahren nach den Ansprüchen 14 bis 15, wobei die ersten Teilbereiche (10) und die zweiten Teilbereiche (11) auf der mindestens einen oberen Seitenfläche (26) über die Länge des Schwingungsbereichs (LA) in einem geometrischen Muster angeordnet werden.
Verfahren nach den Ansprüchen 15 bis 16, wobei die ersten Teilbereiche (10) als schräge Stege ausgebildet werden, die die zweiten Teilbereiche (11) voneinander trennen.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die ersten Teilbereiche (10) und die zweiten Teilbereiche (11) derart nach einem fächerförmigen Muster angeordnet werden, so dass 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.
Uhrwerk aufweisend einen Schwingkörper (2), eine um eine Achse (UA) schwenkbar gelagerte Unruhwelle (3) und eine Spiralfeder (4) mit einem Kern (17) aus Silizium 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 dass die Spiralfeder (4) in mindestens einer oberen Seitenfläche (26) und entlang einer Windung (9) des Schwingungsbereichs (LA) mindestens eine Vertiefung (18) in einem zweiten Teilbereich (11) in einer den Kern (17) umgebenden SiO₂-Schicht (20) ausgebildet ist, deren Tiefe (T) zumindest bis auf den Kern (17) aus Silizium reicht.
Uhrwerk nach Anspruch 19, wobei die Spiralfeder (4) mit mehreren Vertiefungen (18) versehen ist, die jeweils eine Breite (B2) haben, die kleiner oder gleich der einer Breite (B1) der kurzen Seite (24) des Kerns der Spiralfeder (4) ist.
Mechanische Uhr mit einem Uhrwerk, das nach einem der Ansprüche 19 bis 20 ausgebildet ist.