JP2014152400A - 少なくとも2つの高さ方向に異なる機能をもつ単一ピース微小機械構成部品を製造する方法 - Google Patents

少なくとも2つの高さ方向に異なる機能をもつ単一ピース微小機械構成部品を製造する方法 Download PDF

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Abstract

【課題】より低いコストで実装できる少なくとも高さ方向に2つの異なる機能をもつ部品を単一のピースとして微小機械構成部品を製造する方法を提案する。
【解決手段】本発明は、少なくとも高さ方向に2つの機能を有する単一ピースの微小機械構成部品(31、41、61、91)を製造する方法(1)に関する。本発明によると、本方法(1)は、単一の高さにおけるLIGAプロセスと、LIGAプロセスによる蒸着物を基材(2)上で直接機械加工することとの組み合わせを含む。
【選択図】図15

Description

本発明は、少なくとも高さ方向に2つの異なる機能をもつ部品を単一のピースで形成した微小機械構成部品を製造する方法に関する。
連続的なLIGAタイプのプロセスを用いて、即ち特定の構造を有する樹脂の鋳型と、電鋳(galvanoplasty)によって蒸着した上記鋳型の凹み内の金属とを含む積層から、高さ方向に複数の異なる機能をもつ部品を有する金属構成部品を形成することが公知である。
しかしながら、高さ方向に複数の機能をもつ部品を形成するためのこれらの連続的なプロセスは、機能を互いに対して適切にする必要があるため実装が困難である。その上、この困難は、単一の高さへの2度のガルバニ蒸着に比べて、はるかにコストがかかることが明らかになっている。
本発明の目的は、より低いコストで実装できる少なくとも高さ方向に2つの異なる機能をもつ部品を単一のピースとして微小機械構成部品を製造する方法を提案することにより、上述の欠点の全て又は一部を克服することである。
このため本発明は、少なくとも2つの機能高さを含む単一ピースの微小機械構成部品を製造する方法に関し、この方法は以下のステップ:
a)上層が導電性であるシリコン基材を形成するステップ;
b)基部が上記導電性の上層で形成されるキャビティを形成するために、感光性樹脂から鋳型を構成するステップ;
c)金属部品を形成するために、電鋳によって鋳型のキャビティを充填するステップ;
d)少なくとも高さ方向に2つの機能を有する単一ピースの微小機械構成部品を形成するために、金属部品の一部を選択的に機械加工するステップ;
e)微小機械構成部品を基材及び感光性樹脂から取り外すステップ
を含むことを特徴とする。
本発明によると有利には、少なくとも高さ方向に2つの異なる機能を有する単一ピースの微小機械構成部品は、LIGAプロセスによって形成される独特のパターンの金属部品から形成され、基材上の各金属部品の正確な位置決めを利用するために、基材上で直接機械加工されることが明らかである。
結果として、外側部分及び場合によっては内側部の寸法は、LIGAプロセスによって得られた高い精度を維持し、単一ピースの微小機械構成部品の残りの部分は、コストを節約するために、LIGAプロセスよりも不利な機械加工精度を有するよう構成する。このようにして、外側部分及び場合によっては内側部は極めて高い精度を維持しながら、製造がはるかに容易である少なくとも2つの異なる機能高さを含む単一ピースの微小機械構成部品を得る。
本発明の有利な特徴によると:
−シリコン基材をドープすることによって及び/又はシリコン基材に導電層を蒸着することによって、上層を導電性とし;
−シリコン基材は0.3〜1mmの厚さを有し;
−ステップb)は、基材の導電性の上層に感光性樹脂層を蒸着する段階f)、感光性樹脂の一部分を選択的に照射するステップg)、及び鋳型を構成するために感光性樹脂を現像するステップh)を含み;
−金属部品は、NiP又はNiP12等のニッケル−リンベースから形成され;
−本方法は、ステップc)とステップd)との間に、鋳型及び金属部品をラッピングによって平らにするステップi)を更に含み;
−本方法は、ステップe)において、感光性樹脂を取り除く段階j)、及び基材を取り除く段階k)を含み;
−本方法は、段階j)と段階k)との間に、微小機械構成部品〜基材アセンブリにコーティング層を蒸着する段階l)を更に含み;
−段階l)は、物理蒸着若しくは化学蒸着又は電鋳によって達成され;
−複数の微小機械構成部品が同一の基材上に形成される。
更に、本発明は時計に関し、この時計は、上記の変形例のいずれかによって得られる少なくとも2つの異なる機能高さを有する少なくとも1つの単一ピースの微小機械構成部品を含むことを特徴とする。
その他の特徴及び利点は、添付した図面を参照して非限定的な例として提供する以下の説明を読むことにより、より明らかになるであろう。
図1は、本発明の第1の実施形態による方法の最初のステップを示す図である。 図2は、本発明の第1の実施形態による方法の、図1に続くステップを示す図である。 図3は、本発明の第1の実施形態による方法の、図2に続くステップを示す図である。 図4は、本発明の第1の実施形態による方法の、図3に続くステップを示す図である。 図5は、本発明の第1の実施形態による方法の、図4に続くステップを示す図である。 図6は、本発明の第2の実施形態による方法の最終ステップを示す図である。 図7は、本発明の第2の実施形態による方法の、図6に続く最終ステップを示す図である。 図8は、本発明の第1の変形例による方法を用いて電鋳及びそれに続く機械加工を施した金属部品を示す斜視図である。 図9は、本発明の第1の変形例による方法を用いて電鋳及びそれに続く機械加工を施した金属部品を示す斜視図である。 図10は、本発明の第1の変形例による方法を用いて電鋳及びそれに続く機械加工を施した金属部品を示す斜視図である。 図11は、本発明の第2の変形例による方法を用いて電鋳及びそれに続く機械加工を施し、その後組み付けられた金属部品を示す斜視図である。 図12は、本発明の第2の変形例による方法を用いて電鋳及びそれに続く機械加工を施し、その後組み付けられた金属部品を示す斜視図である。 図13は、本発明の第2の変形例による方法を用いて電鋳及びそれに続く機械加工を施し、その後組み付けられた金属部品を示す斜視図である。 図14は、本発明の第3の変形例による方法を用いて電鋳及びそれに続く機械加工を施し、その後組み付けられた金属部品を示す斜視図である。 図15は、本発明の第3の変形例による方法を用いて電鋳及びそれに続く機械加工を施し、その後組み付けられた金属部品を示す斜視図である。 図16は、本発明の第3の変形例による方法を用いて電鋳及びそれに続く機械加工を施し、その後組み付けられた金属部品を示す斜視図である。 図17は、本発明による方法を説明するためのブロック図である。
本発明の目的は、より低いコストで実装できる少なくとも高さ方向に2つの異なる機能をもつ単一ピースの微小機械構成部品を製造する方法を提供することである。また、本方法から微小機械構成部品の全て又は一部を製造することも本発明の目的である。微小機械構成部品は、好ましくは時計に組込むためのものである。勿論、特に航空又は自動車産業等の他の分野で本発明を応用することも想定可能である。
図17に示すように、本発明は、少なくとも高さ方向に2つの機能を有する単一ピースの微小機械構成部品31、41、61、91を製造する方法1に関する。
方法1によると、図1に示すように、第1のステップ3は、上層4が導電性であるシリコン基材2を形成するためのものである。好ましくは、シリコン基材2をドープすることによって及び/又はシリコン基材2に導電層を蒸着することによって、上層4を導電性とする。
いずれにしても、後にガルバニ蒸着物ができる限り強力に基材2に付着することが極めて重要である。実際、ステップ9に関して、金属部品21、51、81が上層4、つまり基材2に極めて強力に固定されることがきわめて重要である。
本発明によると好ましくは、シリコン基材2は0.3〜1mmの厚さを有する。更に、導電層を使用する場合、層は金ベース、即ち純金又はその合金製であることが好ましい。最後に、層を、例えば物理蒸着又は化学蒸着又はその他のいずれの蒸着方法によって蒸着してよい。
方法1は、図2に示すように、基部が基材2の導電性上層4によって形成されるキャビティ8を形成するために、感光性樹脂6から鋳型を構成するための第2のステップ5へと続く。
図2は簡略図に過ぎず、極めて複雑な形状を構成できることは明らかである。よって、ステップ5において複数のキャビティ8(これらは必ずしも同一の形状を有する必要はない)を感光性樹脂6の中に形成してもよく、これによって複数の微小機械構成部品31、41、61、91を同一の基材2上に形成できる。
ステップ5は好ましくは3つの段階を含む。ステップ5は、基材2の導電性上層4に感光性樹脂6を蒸着する第1の段階を含む。この段階を、スピン・コーティング又は超音波スプレーによって達成してもよい。第2の段階は、感光性樹脂の一部を選択的に照明するためである。したがって、感光性樹脂の性質に応じて、即ち樹脂がポジ型であるかネガ型であるかに応じて、後にキャビティ8となる所望の部分、又は後にキャビティ8となる所望の部分以外の部分に焦点を合わせて照明することになることは明らかである。
最後に、ステップ5は、選択的に照明された感光性樹脂6を現像することにより、鋳型を構成する、即ちキャビティ8内に残った感光性樹脂6を硬化させる第3の段階で終了する。この第3の段階は、一般にキャビティ8を形成するための化学エッチング及びこれに続く、まだ存在するいずれの樹脂を硬化させるための熱処理によって達成される。
方法1は、図3に示すように、金属部品21、51、81を形成するために、電鋳によって鋳型のキャビティ8を充填する第3のステップ7へと続く。先に説明したように、金属部品21、51、81は、同一の突出パターンを有する。したがって、例えば高さの高い部分にその他の機能パターンが存在する等、LIGAプロセスの実装にあたっていずれの更なる困難が存在しないことは明らかである。
本発明によると有利には、ステップ5の極めて正確なフォトリソグラフィの結果として、極めて精度の高い外側部分及び内側部を有する金属部品21、51、81を作製することができる。「内側部」とは、ステップ7において、特定の構造を有するよう形成した感光性樹脂6の、キャビティ8内にあるいずれの部分から、金属部品21、51、81の開口部及び/又は孔を直接形成できる部位を意味する。
腕時計を製造するための微小機械構成部品31、41、61、91を製造する方法を実装するために、ルビー、鋼、又は真ちゅう部品とのいずれの接触に対して摩擦学的に有利な材料を使用するのが好ましい。更に、磁場に対する感受性が低いことも必要になる。最後に、ステップ9を容易にするために、材料は硬すぎないほうが好ましい。したがって、上述の制約を踏まえて、ステップ7で、ニッケル及びリンからなる合金(NiP)、特に、ほぼ12%に等しい割合のリンを有する合金(NiP12)でキャビティ8を充填することが適切であることがわかった。
方法1は、図4に示すように、少なくとも高さ(厚さ)方向に2つの異なる機能を有する微小機械構成部品31、41、61、91を形成する金属部品の一部を選択的に機械加工するステップ9へと続く。先に説明したように、金属部品21、51、81の厚さは同一の突出した外形を有し、後に複数の高さの少なくとも2つの機能パターンを形成するために変形させられる。したがって、連続的なLIGAプロセスによって積層状の複数の機能をもつ部分を形成する必要なしに、所望の微小機械構成部品31、41、61、91が得られる。
このように、各金属部品21、51、81が基材2の上層4上に強力に固着していることの重要性は明らかである。即ち、固着が不十分である場合、方法1は各金属部品21、51、81の基材2に対する正確な位置決めを利用できなくなるか、又は金属部品21、51、81が基材2から外れてしまうおそれさえある。
また、固着が強力である場合、各金属部品21、51、81が基材2上に正確に位置決めされるため、ステップ9において、各金属部品21、51、81が基材2上にある状態のままで、正確な寸法にプログラムできる自動機械を用いて機械加工できる。ステップ9は、各金属部品21、51、81を機械加工するためのものであるが、使用する工具がもたらす応力又は除去されることになる体積によって、特定の構造を有するように形成した感光性樹脂6も図4に空白で示すように機械加工されることに留意されたい。
最後に、方法1は、図5に示すように、微小機械構成部品31、41、61、91を感光性樹脂6から取り外すステップ11で終了する。このためステップ11は、第1の段階12において感光性樹脂6を取り除き、続いて第2の段階14において基材2を取り除くためのものである。段階12を例えばプラズマエッチングによって達成してもよく、段階14を好ましくは化学エッチングによって達成する。好ましい様式では、導電性上層4を形成するために導電性層を使用する場合、この層もまた段階14で除去され、場合によっては選択的化学エッチングによって除去される。
勿論、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、当業者には明らかである様々な変形や変更が可能である。特に、方法1は、ステップ7とステップ9との間に、感光性樹脂6からなる鋳型と金属部品21、51、81とをラッピングによって平らにするための任意のステップ10を含んでいてもよい。この任意のステップには、微小機械構成部品31、41、61、91の寸法を保証するため、即ち鋳型が完全に充填されることを保証するために必要となる。
同一の基材2上に複数の金属部品21、51、81が存在することを利用して、所定の層でこれら金属部品をコーティングすることも想定可能である。この方法1は、図6に示すように、段階12と段階14との間に、微小機械構成部品31、41、61、91〜基材2のアセンブリにコーティング層13を蒸着するための任意の段階16を含んでいてもよい。この段階16を、例えば物理蒸着又は化学蒸着、電鋳又はその他のいずれのタイプの蒸着によって達成してもよい。
このようにして、段階14の終了時に、図7に示すようにコーティング層13で部分的にコーティングされた微小機械構成部品31、41、61、91が得られる。コーティング層13は、好ましくは微小機械構成部品31、41、61、91の摩擦学的性質を改善するためのものであり、例えばグラフェン又はダイヤモンド様炭素等の炭素同素体から形成される。しかしながら、コーティング層13を、微小機械構成部品31、41、61、91の色又は硬度の変更等の別の機能のために使用してもよい。
例示的な時計での応用を、図8〜16に示す3つの変形例において示す。図8〜10に示す第1の変形例は、方法1のステップ7で得た金属部品21を示す。部品は、中央孔26を含み2種類の歯部22、24を有するほぼ星型の形態を採る。この方法1のステップ11の終了時には、図9に示すガンギ車31、又は図10に示すガンギ車41の形態の微小機械構成部品を得ることができ、これらは両方とも単一のピースで形成されており、また、コーティング層13がコーティングされていてもされていなくてもよい高さ方向に少なくとも2つの異なる機能をもつものである。
図9の場合、金属部品21の8つのアーム33は、端部が機械加工され、高さの低い部分において歯部22を形成する。金属部品21の残りの部分、特に孔26及び8つのアーム35は変化しないままであり、8つのアーム35の各端部が、高さの低い部分及び高さの高い部分において第2の歯部24を形成している。
代替として、図10の場合、金属部品21の8つのアーム43は、各アームの端部が高さの低い部分において歯部22を形成するように機械加工される。同様に、孔26の周辺領域を機械加工し、孔26が高さの低い部分にのみ存在するようにする。最後に、8つのアーム45及び高さの高い部分を機械加工し、第2の歯部24を高さの低い部分及び高さの高い部分に維持しつつ、アーム45の端部だけが残るようにする。
図11〜13に示す第2の変形例は、方法1のステップ7で得た金属部品51を示す。部品51は、クロス部分によって互いに対して接続される2つの平行な部分53、55を有する、ほぼH字形の形態を採る。図11に見ることができるように、クロス部分57は、残りの部分よりも断面が広がっている中央部分56を含む。
したがって、方法1のステップ11の終了時には、図12に示すフォークの形態をもつ微小機械構成部品61を得ることができ、これは単一ピースであり、またコーティング層13がコーティングされていてもされていなくてもよい少なくとも高さ方向に2つの異なる機能を保有する。即ち金属部品51は、2つの平行な部分53、55において2つの深さに、即ち高さ方向に3つの機能をもつ部品が形成されるように機械加工され、クロス部分57の広がっていない部分においては単一の深さに機械加工される。
したがって、図12に示す例では、フォーク状の微小機械構成部品61は、高さの低い部分には平行な部分53、55全体のみを含み、これらは2つの角状部62、64を形成する。中間の高さの部分は、平行な部分53、55及びクロス部分57の広がっていない部分を部分的にのみ含み、これらは肩部63、65を形成する。最後に、金属部品51のクロス部分57の中央部分56のみが残され、最上の高さの部分のみに中央スタッドが形成される。
次に、図13に見ることができるように、レバー73の孔76に中央スタッド56を嵌合してアンクル71を形成することによってフォーク状の微小機械構成部品61を設けることができる。レバー73は、LIGAプロセスによって一体型の矢形部78を備えた状態で得られる。レバー73はフォーク状の微小機械構成部品61に加えて、そのアーム72、74上のツメ石75、77及びアンクル真79を備えている。本発明によると有利には、本発明による方法1を用いてアンクル71の全体又は一部を得てもよいことは明らかである。例として、ツメ石75、77、レバー73、矢形部78及び孔76は単一ピースであってよく、本発明の方法1を用いて得ることができる。
図14〜16に示す第3の変形例は、方法1のステップ7で得られる金属部品81を示す。この部品81は、基部87によって互いに対して接続される2つの平行な部分83、85を有するほぼU字形の部品の形態を採る。図14に見ることができるように、基部87は、実質的に十字形の開口部86を形成するために平行な部分83、85より厚くなっている。
したがって、方法1のステップ11の終了時には、図15に示すフォーク状の形態をもつ微小機械構成部品を得ることができ、これは単一ピースであり、また、コーティング層13でコーティングされていてもされていなくてもよい少なくとも高さ方向に2つの異なる機能を有する。この金属部品81は、2つの平行な部分83、85において単一の深さに、そして基部87において2つの深さに機械加工され、即ち高さ方向に3つの機能をもつ部分が形成される。
図15の例では、フォーク状の低い高さ部分には平行な部分83、85全体のみを含み、これらは2つの角状部92、94を形成している。中間の高さの部分は基部87を部分的にのみ含み、最上の高さの部分を形成するための肩部95を介して収縮するシリンダ93を形成する。最後に、この収縮を利用して、高さの高い部分において開口部86を解放して、4つのスタッド96、97、98、99を形成する。
次に、図16に見ることができるように、レバー103の孔106の中に前記スタッド96、97、98、99を嵌合してアンクル101を形成することによって、フォーク状の微小機械構成部品91を設けることができる。レバー103は、LIGAプロセスによって一体型の矢形部108を備えた状態で得られる。第2の変形例と同様に、レバー103はフォーク状の微小機械構成部品91に加えて、アーム102、104上のツメ石、及びアンクル真を設ける。本発明によると有利には、本発明による方法1を用いてアンクル101の全体又は一部を得てもよいことは明らかである。例として、ツメ石、レバー103、矢形部108及び孔106は単一ピースであってよく、本発明の方法1を用いて得ることができる。
結果として、本発明によると有利には、外側部分22、24、53、55、56、83、85及び場合によっては内側部26、86は、LIGAプロセスによってもたらされる高い精度を保持し、単一ピースの微小機械構成部品31、41、61、91の残りの部分は製造コストを節約した機械加工精度を有するよう構成される。したがって、少なくとも高さ方向に2つの異なる機能を有する単一ピースの微小機械構成部品31、41、61、91が得られ、この構成部品は、極めて高い精度の外側部分22、24、53、55、56、83、85及び場合によっては内側部26、86を維持しながら極めて容易に製造できる。
勿論、本発明は、説明した実施例に限定されるものではなく、当業者には明らかである様々な変形や変更が可能である。特に、時計学の分野では、微小機械構成部品31、41、61、91はホイールセット又はアンクルの全て又は一部に限定されない。時計の他の部品、特に受け、地板又はヒゲゼンマイ等を想定してもよい。
更に、上で説明したように、特に航空又は自動車産業等、時計学以外の分野で本発明を応用することも想定できる。
1 方法
2 基材
4 基材の上層
6 感光性樹脂
8 キャビティ
21 金属部品
22 歯部
24 歯部
26 中央孔
31 微小機械構成部品
33 アーム
35 アーム
41 微小機械構成部品
43 アーム
45 アーム
51 金属部品
53 平行な部分
55 平行な部分
61 微小機械構成部品
63 肩部
65 肩部
71 アンクル
73 レバー
78 矢形部
79 アンクル真
81 金属部品
87 基部
91 微小機械構成部品
93 シリンダ
101アンクル
103 レバー

Claims (11)

  1. 少なくとも高さ方向に2つの機能を有す単一ピースの微小機械構成部品(31、41、61、91)を製造する方法(1)であって、以下のステップ:
    a)上層(4)が導電性であるシリコン基材(2)を形成するステップ;
    b)基部が前記前記導電性の上層(4)で形成されるキャビティ(8)を形成するために、感光性樹脂(6)から鋳型を構成するステップ;
    c)金属部品(21、51、81)を形成するために、電鋳によって前記鋳型のキャビティ(8)を充填するステップ;
    d)前記少なくとも高さ方向に2つの機能を有する単一ピースの微小機械構成部品(31、41、61、91)を形成するために、前記金属部品(21、51、81)の一部を選択的に機械加工するステップ;
    e)前記微小機械構成部品(31、41、61、91)を前記基材(2)及び前記感光性樹脂(6)から取り外すステップ
    を含むことを特徴とする、方法(1)。
  2. 前記シリコン基材(2)をドープすることによって及び/又は前記シリコン基材(2)に導電層を蒸着することによって、前記上層(4)を導電性とすることを特徴とする、請求項1に記載の方法(1)。
  3. 前記シリコン基材(2)は0.3〜1mmの厚さを有することを特徴とする、請求項1又は2に記載の方法(1)。
  4. 前記ステップb)は、以下の段階:
    f)前記基材(2)の前記導電性の上層(4)に前記感光性樹脂層(6)を蒸着する段階;
    g)前記感光性樹脂(6)の一部分を選択的に照射する段階;
    h)前記鋳型を構成するために前記感光性樹脂(6)を現像する段階;
    を含むことを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法(1)。
  5. 前記金属部品(21、51、81)は、ニッケル−リンベース(NiP、NiP12)から形成されることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法(1)。
  6. 前記方法は、前記ステップc)と前記ステップd)との間に、以下のステップ;
    i)前記鋳型及び前記金属部品(21、51、81)をラッピングによって平らにするステップ
    を含むことを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法(1)。
  7. 前記方法は、前記ステップe)において、以下の段階:
    j)前記感光性樹脂を取り除く段階;
    k)前記基材を取り除く段階
    を含むこと、及び
    前記方法(1)は、前記段階j)と前記段階k)との間に、以下の段階:
    l)前記微小機械構成部品(31、41、61、91)−前記基材(2)アセンブリにコーティング層を蒸着する段階
    を更に含むことを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載の方法(1)。
  8. 前記段階l)は、物理蒸着又は化学蒸着によって達成されることを特徴とする、請求項7に記載の方法(1)。
  9. 前記段階l)は、電鋳によって達成されることを特徴とする、請求項7に記載の方法(1)。
  10. 同一の前記基材(2)上に複数の前記微小機械構成部品(31、41、61、91)を形成することを特徴とする、請求項1〜9のいずれか1に記載の方法(1)。
  11. 請求項1〜10のいずれか1項に記載の、少なくとも高さ方向に2つの機能を有する単一ピースの微小機械構成部品(31、41、61、73、91、103)を含むことを特徴とする、時計。
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