JP2012509197A - 微小機械構成部品の製造方法 - Google Patents

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Abstract


【課題】微小機械構成部品(31,41,51)の製造方法を提供する。
【解決手段】 本発明の微小機械構成部品(31,41,51)の製造方法は、(a)プレート(11,13)を形成するステップと、前記プレート(11,13)は、フレーム(15,17)を有し、前記フレーム(15,17)は、ブリッジ(12,14)で、前記微小機械構成部品のパーツ(19,21)に接続され、前記パーツ(19,21)は、貫通孔(16,18)を有し、(b)前記プレート(11,13)を、支持部材(23)上に重ねるステップと、(c)ピン(29)を、前記積層されたプレート(11,13)の貫通孔(16,18)内に把持手段を用いて固定し、微小機械構成部品(31,41,51)を形成するステップと、(d)前記プレート(11,13)から、前記微小機械構成部品(31,41,51)を切り離すステップと、を有する。
【選択図】 図8

Description

本発明は、微小機械構成部品の製造方法に関し、特に、微小機械加工された(micro-machined )構成要素あるいは電子成形された(electrofromed )構成要素の組立方法に関する。
時計業界においては、微小機械加工プロセスを用いて、構成要素あるいはその部品を形成している。微小機械加工プロセスは、例えば光リソグラフ技術で加工し、その後深反応性イオンエッチングあるいは電気メッキ、光リソグラフ技術を用いて、静電成長法(galvanic growth)を利用する。これらのプロセスにより、従来技術に比較して、精度を上げることができる。
複数の部品から構成要素を形成することは困難である。電子成形された構成要素の場合においては、2つのパーツの間をレーザー溶接する、例えば、軸真をレーザー溶接することによりパーツと軸真を変形させ連結している。レーザ溶接の結果、電気メッキ・プロセスから得られた高いレベルの精度が失われる。
本発明の目的は、上記の欠点を解決することである。本発明は、少なくとも3個の部品を含む微小機械構成部品を製造する技術である。本発明のプロセスにおける精度は、部品の組立精度に影響されない。
本発明の微小機械構成部品の製造方法は、
(a)プレートを形成するステップと、
前記プレートは、フレームを有し、
前記フレームは、ブリッジで、前記微小機械構成部品のパーツに接続され、
前記パーツは、貫通孔を有し、
(b)前記プレートを、支持部材上に重ねるステップと、
(c)ピンを、前記積層されたプレートの貫通孔内に把持手段を用いて固定し、微小機械構成部品を形成するステップと、
(d)前記プレートから、前記微小機械構成部品を切り離すステップと、
を有する。
本発明によれば、あらゆるプロセス(例、微小機械加工プロセス、電子成形プロセス、電子腐食(電蝕)プロセス、打ち抜きプロセス)からパーツを製造できるが、これは、パーツの最終組立の前に、パーツそのものあるいはそのフレームやピンを取り扱うことなく行うことができる。
本発明の微小機械構成部品の製造方法は、
(a)複数枚のプレートを形成するステップと、
前記複数枚のプレートは、フレームを有し、
前記複数枚のフレームは、ブリッジで、前記微小機械構成部品のパーツに接続され、
前記各パーツは、貫通孔を有し、
(b)前記複数枚のプレートを、支持部材上に重ねるステップと、
これにより、複数のパーツを重ね、
(c)ピンを、前記積層された複数枚のプレートの貫通孔内に固定し、微小機械構成部品を形成するステップと、
(d)前記各プレートから、前記微小機械構成部品を切り離すステップと、
を有する。
本発明の支持部材は、最終製品を正確に製造するガイドとして用いられるが、同時に、前記ステップ(a)で各パーツを製造する為に使用される各プロセス(微小機械加工プロセス、電子成形プロセス、電蝕プロセス、打ち抜きプロセス)の正確さを維持する。
本発明は、以下の変形例を有する。
*前記ステップ(a)−(d)は、複数枚のプレートを使用し、複数の階層で構成部品を形成する。
*各プレートに対し、前記ステップ(b)は、前記各プレートに対し、(b1)整合手段を用いて、前記プレートをガイドし、前記プレートを前記支持部材に対し信頼性高く方向付けるステップと、(b2)前記プレートを、前記支持部材に固定された見当孔軸に当てながら、前記プレートが前記見当孔軸の肩部に当たるまで、スライドさせ、前記プレートを前記支持部材に対し正確に配置するステップとを有する。
*前記整合手段は、面取されたリングを有し、前記リングは、前記支持部材の見当軸の延長部に搭載され、前記リングは、前記ステップ(a)で形成された前記プレートに形成された見当孔に嵌る。
*前記ステップ(b1)は、複数の整合手段を用いて行われ、これにより、前記ステップ(b1)のガイドの精度を上げる。
*見当孔が、前記プレートのフレームに形成される。或いは、前記見当孔は、前記フレームとパーツの間に形成される。
*前記ブリッジは、前記構成要素の前記部分に連結される端部に、狭小断面部を有し、前記狭小断面部は、、前記ステップ(d)を実行容易にする弱領域を形成する。
*複数の前記パーツが各プレートに形成され、これによりステップ(c)で複数の微小機械構成部品を形成する。
*前記ピン、がその各端部でピボット・シャンクにより伸び、前記ピボット・シャンクは、回転する軸真を形成するピボットを含む。
*前記ピンは、同軸リングを有し、前記同軸リングは、前記ホール内のピンの貫通を制限する停止部材として機能する。
*前記同軸リングは、ピニオンを形成する歯列を有する。
*前記複数のプレートの少なくとも一方は、電気メッキ・プロセス、微小機械加工プロセスを用いて、前記ステップ(a)で形成される。
*サブパーツが、前記ステップ(b)の前中後を通して、前記プレートに対し前記複数のパーツの一つのパーツ上に側面方向から搭載される。
本発明による2枚のプレートの斜視図。 本発明の方法の第1ステップを表す断面図。 本発明の方法の第2ステップを表す断面図。 本発明の方法の第3ステップを表す断面図。 本発明の方法で形成された微小機械構成部品の斜視図。 本発明の方法で形成された微小機械構成部品の斜視図。 本発明の方法で形成された微小機械構成部品の斜視図。 本発明の方法のフローチャート図。
図5−7に示すように、本発明は、微小機械構成部品31,41,51を製造する。図1に示すように、本発明の方法1は、パーツ19,21をピン29を用いて重ねることにより、それらを組み立てる。図8に示すように、本発明の方法1の第1ステップ3は、微小機械構成部品31,41,51のパーツ19,21を形成する。第2ステップ5は、前記パーツ19,21を含む第1プレート13,11を積み重ねる。第3ステップ7で、前記パーツ19,21を固定する。その後ステップ9で、微小機械構成部品31,41,51を切り離す。これにより、微小機械構成部品31,41,51をプレート11,13から形成する。
本発明によれば、第1ステップ3は、微小機械加工プロセスあるいは電気メッキプロセスを用いて行われる。微小加工プロセス(即ち1ミクロン以下の機械精度を持つプロセス)の一例は、光リソグラフ・プロセスである。この光リソグラフ・プロセスは、微小機械加工可能な材料製のプレート上に保護マスクを形成する、その後前記プレートの未保護領域を深反応性イオンエッチングでエッチングをする。微小機械加工可能材料の一例は、シリコン、結晶シリカ、結晶アルミ をベースにした材料である。しかし他の材料も使用可能である。
電気メッキ・プロセスは、例えば光リソグラフ技術を含み、モールドを形成し、そこに静電成長法が行われる。静電気成長材料の一例は、純粋なニッケル、ニッケル−リンの金属材料である。しかし他の材料も使用可能である。
図8に示すように、第1ステップ3は成形フェーズ2,4を含む。各成形フェーズ2,4は、微小機械加工プロセスあるいは電気メッキ・プロセスを用いて、プレート11,13を形成する(図1)。各プレート11,13は、それぞれフレーム15,17を含み、フレーム15,17は、ブリッジ12,14によりパーツ19,21に接続される。パーツ19,21は、最終製品である微小機械構成部品31,41,51を形成する。図1から分かるように、パーツ19,21は貫通孔16,18を有する。
最終製品である微小機械構成部品31,41,51は、同一プロセスあるいは異なるプロセスで形成可能である。微小機械加工あるいは電気メッキ技術以外の他のプロセスも、プレート11,13の形成に用いることができる。他の技術の一例は、電気腐食(電蝕)あるいは打ち抜き加工である。
図2−4に示す実施例において、本発明によれば、本発明の方法1の第2ステップ5は、プレート11,13を支持部材23の上に積層する。支持部材23は、見当軸22を含み、見当孔20,26に嵌める。見当孔20,26は、プレート13,11内に形成される。見当軸22−見当孔20,26の組立により、プレート13,11は支持部材23に対し正確に配置することができる。
本発明によれば、各見当軸22は肩部24を有する。これにより、プレート11,13と支持部材23との間の(垂直方向)距離をより正確に維持する。支持部材23は、整合手段25を有する。これにより、第1プレート13,11を支持部材23に対し正しく方向付ける。図2−4の実施例に示す実施例においては、整合手段25は、面取されたリングを有し、このリングを見当軸22の延長部に搭載して、第1プレート13,11に形成された見当孔20,26と共働させる。
図2に示す第2ステップ5の第1フェーズ6において、第1プレート13は支持部材23に搭載される。具体的には、最初に第1プレート13を支持部材23に方向Aに沿って近づける。次に第1プレート13を、点線で示したように整合手段25に合わせる。整合手段25は、第1プレート13を方向Bに沿ってガイドする。整合手段25と見当孔20は、第1プレート13を正確に方向付ける。その結果、見当孔20は、支持部材23の見当軸22と垂直方向にきちんと合うようになる。更に、第1プレート13を方向Aに沿って、見当軸22を見当孔20に挿入しながら、スライドさせ、最終的に、第1プレート13を見当軸22の肩部24に接触させる(配置する)。かくして、第1プレート13は支持部材23に対し正確に配置できる。
図3に示す第2ステップ5の第2フェーズ8において、第2プレート11は支持部材23に即ち第1プレート13の上に搭載される。具体的には、最初に第2プレート11を支持部材23に方向A’に沿って近づける。次に第2プレート11を、点線で示したように整合手段25に合わせる。整合手段25は、第2プレート11を方向B’に沿ってガイドする。整合手段25と見当孔26は、第2プレート11を正確に方向付ける。その結果、見当孔26は、支持部材23の見当軸22と垂直方向にきちんと合うようになる。更に、第2プレート11を方向A’に沿って、見当軸22を見当孔26に挿入しながら、スライドさせ、最終的に、第2プレート11を第1プレート11の上部に配置する。
かくして、プレート11,13を、支持部材23に対し正確に配置できる、最終的に互いに極めて正確に配置できる。第1プレート13のパーツ21は、第2プレート11のパーツ19の下にそれに接触して配置される。図3に示す実施例において、貫通孔16,18は、互いに垂直方向に整合している。
第1ステップ3と第2ステップ5は、2枚のプレート11,13を形成しそれらを積層することに限定されない。本発明の方法1は、複数枚あるいは1枚のプレートを第1ステップ3で形成してもよい。これにより、第2ステップ5で支持部材23上に複数個或いは単品の微小機械構成部品31,41,51を形成してもよい。第1ステップ3のフェーズの数、第2ステップ5のフェーズの数は、実施例より多くても少なくてもよい。
図4に示すように、本発明によれば、本発明の方法1は第3ステップ7を有し、積層されたパーツ19,21を固定して、微小機械構成部品31,41,51を形成する。第3ステップ7は、ピン29をパーツ19,21の貫通孔16,18内に搭載(挿入)することにより、行う。かくして支持部材23は、上部部分28を具備するポスト27を有する。これにより、パーツ19,21と、プレート11,13の間の相対的移動を阻止する。これは、ピン29を貫通孔16,18内に挿入することにより行われる。この様な相対移動は、ブリッジ12,14が破損するリスクを引き起こすことがある。これは本発明の方法1の第3ステップ7では好ましくない。
プレート11,13で使用される材料により、第3ステップ7の幾つかの実施例が考えられる。好ましい実施例は、溶接とボンディングである。プレート11,13の一方が、塑性変形領域が無いか限定された材料の場合には、次に述べるピンの挿入動作が困難となる。
図4に示す実施例においては、ピンの挿入動作に関連するものであるが、第3ステップ7において、ピン29を方向Cから貫通孔16,18に近づける。次に、ピン29を貫通孔16内に更に貫通孔18内に強制的に入れる。この強制的挿入は、自動化技術を用いて調整できる。かくして、パーツ19,21はピン29で固定され、微小機械構成部品31,41,51を形成する。
図4の実施例において、第2の溶接に関連する実施例であるが、第3ステップ7において、ピン29をハンダでコーティングする。次にピン29を方向Cに沿って積層された貫通孔16,18に近づける。次にピン29を貫通孔16内に挿入し、更に貫通孔18内に挿入する。Cの方向の精度は、自動化手段で改善できる。その後、ハンダが、例えば熱処理により固まる。パーツ19,21は、かくしてピン29に固定され、最終製品である微小機械構成部品31,41,51を生成する。
図4の実施例において、第3のボンディングに関連する実施例であるが、第3ステップ7において、ピン29を接着材(例、ポリマ接着材)でコーティングする。次にピン29を方向Cに沿って積層された貫通孔16,18に近づける。次にピン29を貫通孔16内に挿入し、更に貫通孔18内に挿入する。Cの方向の精度は、自動化手段で改善できる。その後、接着材が、例えば熱処理により活性化され、固まる。パーツ19,21は、かくしてピン29に固定され、最終製品である微小機械構成部品31,41,51を生成する。
本発明によれば、本発明の方法1のピン29は、第5ステップで積層されたパーツ19,21から形成された微小機械構成部品31,41,51を解放する、切り離す。ステップ9は、ブリッジ12,14を破壊することにより行われる。
第3ステップ7の実施例の全てに対し、ピン29は、ピン29が積層されたプレートの少なくとも1つから突出し、把持手段として用いることができるよう、固定する。その結果、プレート11,13のパーツ19,21を持つ必要が無くなる。本発明の方法1は、各パーツに対し高い表面品質を可能とする。ポスト27の貫通パーツ28は、支持部材23に搭載されるが、ピン29を第1プレート13の底部を越えて伸ばすことができる、あるいはピンが貫通孔16,18内に入る量を制限することができる。
本発明の第1変形例によれば、ピン29はリング30を有する。このリング30は、前記突起部分の停止部材を構成し、ピン29がパーツ内の貫通孔へ入る量を制限する。かくして、リング30は、製造品質を向上させる。更にピン29と一体に形成されたリング30は、ピニオンを構成する歯列を有することもできる。
本発明の第2変形例によれば、リング30に加えて、ピン29がピボット−シャンクによりその端部で伸びる。このピボット−シャンクは、回転軸真を構成するピボットを有する。本発明によれば、第3ステップ7において、積層したパーツの貫通孔内に複数の要素を固定することは、1本のピン29からピニオンを具備した回転軸真まで、その構成が変わる。
本発明の方法1を理解することにより、同一又は異なる複数のパーツ19,21をプレート11,13上に形成して、同一又は異なる微小機械構成部品31,41,51を大量生産することもできる。第3ステップ7の後ステップ9の前に、プレート11,13を時計のムーブメントの製造ラインに、そのまま分配することもできる。これの利点は、同時に取り扱うのは、複数の最終製品のプレート11,13のフレーム15,17のみである点、しかも積層したパーツ19,21が損傷するリスクなしに、行うことができる点である。
本発明の方法1により、製品の製造精度を改善でき、高品質の構成要素をフレキシブルな方法で製造することができる、即ち高品質の様々な材料の構成要素を、最終製品の部品を操作することなく、簡単な方法で大量に生産することができる。本発明の方法1は、マルチステーション製造ラインを用いて完全自動化が可能である。
図5−7を参照して、本発明の方法1による微小機械構成部品の製造例を説明する。図5の実施例において、時計の歯車セット31は、軸真33とピニオン35と歯車37とを有する。本発明の方法1により、ピニオン35は電気メッキプロセスで得られたプレートの一部となり、歯車37は微小機械加工プロセスで得られたプレートの一部となる。
図6の実施例において、時計の歯車セット41は、軸真43とピニオン45と歯車47,49とを有する。本発明の方法1により、ピニオン45は電気メッキプロセスで得られたプレートの一部となり、歯車47,49は微小機械加工プロセスで得られたプレートの一部となる。
上記の第1変形例によれば、ピニオン35,45は、それぞれ軸真33,43と一体に形成される。かくして本発明の方法1の第3ステップ7で、最終製品31,41を固定する組立体を構成する。
複数の微小機械構成部品を、使用される材料と上記の実施例に応じて、製造することができる。一例として、図7に示すように、本発明により、回転軸真53と、上部アーム55と、本体57と、ガード・ピン55’と、ピン53’とを有する時計のアンクル組立体51を製造できる。。
本発明の方法1により、アンクル組立体51は、シリコンベースの部品のみで形成できる。アンクル組立体51は、第1ステップ3で、微小機械加工プロセスにより製造された2枚のプレートを、第3ステップ7で、支持部材23の上に積層し、上部アーム55とガード・ピン55’を本体57に回転軸真53とピン53’で固定し、第3ステップ7で結合して、その後アンクル組立体51を、前記プレートから回転軸真53に、ステップ9で、力を加えることにより切り離す。
本発明の変形例として、第2ステップ5においては、図8の2重線で示すように、中間ステップ10により、プレート11,13とリング30との間の接着剤を塗る。この接着剤により、必要によっては、最終製品の2つの要素の間の局部的結合を改善できる。接着剤は、スクリーン印刷プロセスで堆積し、これにより正確な厚さと正確な表面領域の堆積が可能となる。
更にステップ9で破損が起こるような場所を提供するために、図1に示すように、ブリッジ12,14は、パーツ19,21に接続された端部で狭い領域を有する。
見当軸22−見当孔20,26の組立体の数は、実施例のそれと異なってもよい。更に見当孔20,26は、フレーム15,17とパーツ19,21との間に既に存在する見当孔で置換してもよい。
上記の説明において、全ての構成要素は、各ステップで垂直方向に搭載したが、これは発明の理解を容易にするためである。実際に、構成要素の組立方向は、方向A,A’,Cに限定されない。時計のアンクル組立体51の製造の場合には、第2ステップの前中後において、アンクル石を、フレーム15,17の穴あき側を介して用いて、本体57と上部アーム55を形成することもできる。アンクル石の配置は非常に重要であるので、第2ステップ5のフェース6,8で、支持部材23に対する組立を用いてアンクル石を、方向A,A’,Cに直交する方向に搭載できる。より一般的には、サブパーツを、前記パーツの一部の上に、前記プレートに対して側面方向に、ステップ第2ステップ5の前中後で、搭載できる。
以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。特許請求の範囲の構成要素の後に記載した括弧内の番号は、図面の部品番号に対応し、発明の容易なる理解の為に付したものであり、発明を限定的に解釈するために用いてはならない。また、同一番号でも明細書と特許請求の範囲の部品名は必ずしも同一ではない。これは上記した理由による。用語「又は」に関して、例えば「A又はB」は、「Aのみ」、「Bのみ」ならず、「AとBの両方」を選択することも含む。特に記載のない限り、装置又は手段の数は、単数か複数かを問わない。
1 本発明の方法
2,4 成形フェーズ
3 第1ステップ
5 第2ステップ
6 第1フェーズ
7 第3ステップ
8 第2フェーズ
9 ステップ
10 フェーズ
13 第1プレート
31,41,51 微小機械構成部品
19,21 パーツ
11,13 プレート
15,17 フレーム
12,14 ブリッジ
16,18 貫通孔
20,26 見当孔
22 見当軸
23 支持部材
24 肩部
25 整合手段
27 ポスト
28 パーツ
29 ピン
30 リング
31 時計の歯車セット
33 軸真
35 ピニオン
37 歯車
33,43 軸真
35,45 ピニオン
47,49 歯車
51 時計のアンクル組立体
53 回転軸真
53’
55 上部アーム
57 本体
55’

Claims (15)

  1. 微小機械構成部品(31,41,51)の製造方法において、
    (a)プレート(11,13)を形成するステップと、
    前記プレート(11,13)は、フレーム(15,17)を有し、
    前記フレーム(15,17)は、ブリッジ(12,14)で、前記微小機械構成部品となるパーツ(19,21)に接続され、
    前記パーツ(19,21)は、貫通孔(16,18)を有し、
    (b)前記プレート(11,13)を、支持部材(23)上に重ねるステップと、
    (c)ピン(29)を、前記積層されたプレート(11,13)の貫通孔(16,18)内に、把持手段を用いて固定し、微小機械構成部品(31,41,51)を形成するステップと、
    (d)前記プレート(11,13)から、前記微小機械構成部品(31,41,51)を切り離すステップと、
    を有する
    ことを特徴とする微小機械構成部品の製造方法。
  2. 前記ステップ(a)は、複数のプレート(11,13)を形成し、
    前記ステップ(b)は、前記複数のプレート(11,13)を前記支持部材(23)の上に積層し、
    前記ステップ(c)は、前記ピン(29)を、前記積層された複数のパーツ(19,21)のそれぞれの貫通孔(16,18)内に固定し、前記微小機械構成部品(31,41,51)を形成し、
    前記ステップ(d)は、形成された微小機械構成部品(31,41,51)を、前記プレート(11,13)から切り離す
    ことを特徴とする請求項1記載の製造方法。
  3. 前記ステップ(b)は、前記各プレート(11,13)に対し、以下のステップを実行する
    (b1)整合手段(25)を用いて、前記プレートをガイドし、前記プレートを前記支持部材(23)に対し正確に方向付けるステップ、
    (b2)前記プレートを、前記支持部材(23)に固定された見当軸(22)に当てながら、前記プレートが前記見当軸(22)の肩部(24)に当たるまで、スライドさせ、前記プレートを前記支持部材(23)に対し正確に配置するステップ
    ことを特徴とする請求項1又は2記載の製造方法。
  4. 前記整合手段は、面取されたリングを有し、
    前記リングは、前記支持部材(23)の見当孔軸の延長部に搭載され、
    前記リングは、前記ステップ(a)で形成された前記複数のプレートに形成された見当孔(20,26)と共働する
    ことを特徴とする請求項3記載の製造方法。
  5. 前記ステップ(b1)は、複数の整合手段(25)を用いて行われる
    ことを特徴とする請求項3又は4記載の製造方法。
  6. 見当孔(20,26)が、前記フレーム(15,17)に形成される
    ことを特徴とする請求項4又は5記載の製造方法。
  7. 前記見当孔(20,26)は、前記フレーム(15,17)と前記パーツ(19,21)との間に形成される
    ことを特徴とする請求項4又は5記載の製造方法。
  8. 前記ブリッジ(12,14)は、前記パーツ(19,21)側に、狭小断面部を有し、
    前記狭小断面部は、、前記ステップ(d)の実行を容易にする弱領域を形成する
    ことを特徴とする請求項1−7のいずれかに記載の製造方法。
  9. 複数の前記パーツ(19,21)が、各プレート(11,13)に形成され、これによりステップ(c)の複数の微小機械構成部品(31,41,51)を形成する
    ことを特徴とする請求項1−8のいずれかに記載の製造方法。
  10. 前記ピン(29)、がその各端部でピボット・シャンクにより伸び、
    前記ピボット・シャンクは、回転する軸真を形成するピボットを含む
    ことを特徴とする請求項1−9のいずれかに記載の製造方法。
  11. 前記ピン(29)は、同軸リング(30)を有し、
    前記同軸リング(30)は、前記貫通孔内のピンの貫通を制限する停止部材として機能する
    ことを特徴とする請求項1−10のいずれかに記載の製造方法。
  12. 前記同軸リング(30)は、ピニオンを形成する歯列を有する
    ことを特徴とする請求項11記載の製造方法。
  13. 前記プレートの少なくとも一方は、電気メッキ・プロセスを用いて、前記ステップ(a)で形成される
    ことを特徴とする請求項2−12のいずれかに記載の製造方法。
  14. 前記プレートの少なくとも一方は、微小機械加工プロセスを用いて、前記ステップ(a)で形成される
    ことを特徴とする請求項2−13のいずれかに記載の製造方法。
  15. サブパーツが、前記ステップ(b)の前中後を通して、前記プレートに対し前記パーツ上に側面方向から搭載される
    ことを特徴とする請求項1−14のいずれかに記載の製造方法。
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