JP4993769B2 - アナログ表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、アナログ表示手段例えば時計の指針に関する。

本発明は、時計の表示部材を製造する方法に関する。

時計の表示部材として使用される指針の製造は複雑であり、特に指針が上級の時計に適用される場合にはそうである。この様な指針は、特別に研磨した表面時にファセットを有する。

現在指針は、真鍮、鉄、金、アルミ、特殊合金で製造される。指針は、電気化学処理を施したり、塗装したり、酸化させたりする。使用される材料が金の場合には、何の処理も施さない。指針は通常機械加工あるいは打ちぬきにより形成される。

しかしこれらの材料に対して、機械加工と打ちぬきでは満足する正確な寸法は得られない。バリトリ、研磨等の更なる作業が、指針の最終形状を得るために必要である。

高品質の表面仕上げを指針に施すためには、複数回の処理が必要である。

現在の指針製造技術では所望の形状を達成することができず、それ故に時計のデザイナーの創作性を抑えてしまうことがある。

本発明の目的は、形状に対しより大きな設計の自由度を与えながら、製造が容易でかつ製造コストを最小にしながら、一連の指針を製造できるようにすることである。

本発明は、軸孔が形成される本体を有する時計用アナログ表示部材において、前記軸孔は駆動真に適合し、前記本体はシリコン・ベースの結晶材料から形成される。アナログ表示部材の本体は、時計の指針の形状をしている。

本発明の表示部材は、集積回路のマイクロ・エレクトロニクスとマイクロ構造体を製造するマイクロ・メカニクスで実証された技術を用いて容易に製造できる利点がある。

シリコンの密度は約２．４９ｋｇ／ｄｍ^３であるため非常に軽い。これにより表示部材の質量を最小にし、慣性とアンバランスの問題を解消する。特にシリコンが指針の形状を取ったときにはそうである。更に表示部材のアンバランスと慣性の減少は、表示部材の駆動手段のサイズと前記駆動手段のエネルギー消費に、好ましい影響を及ぼす。

本発明の他の特徴によれば、本発明の本体は、軸孔が形成される根本部分と、前記指針の表示部分を形成する先端部分を有する。先端部分は、ビームにより前記根本部分に接続され、前記ビームの幅は、前記駆動真を横切る面で、３０ミクロンと２００ミクロンの間である。
本発明の本体は、その肉厚内に、複数のボアを有する。
前記ボアは、駆動真に平行で、５０ミクロン未満の直径を有する。
前記本体の上部表面は、エンボス・パターンを有する。
前記本体の少なくとも１つの表面は、本体とは異なる材料製のコーティング層を具備する。
前記本体の肉厚内に集積回路要素を更に有する
前記結晶材料は、単結晶シリコンである。

本発明の時計は、アナログ表示部材を有する。

時計に搭載されるアナログ表示部材を製造する本発明の方法は、
前記アナログ表示部材は、軸孔が形成される本体を有し、
前記軸孔は、駆動真に適合し、
シリコン・ベースの結晶材料のウエハーをマイクロ・マシニングするステップを有し、前記結晶材料中に前記軸孔を具備するウエハーを形成する。

本発明の方法は、軽量部品の大量生産に適する。

本発明の他の特徴によれば、前記マイクロ・マシニング・ステップの間、フレキシブル部材が、前記本体の残りの部分に形成され、これによりアナログ表示部材を駆動真に前記フレキシブル部材の弾性変形を利用して組み立てる。
前記マイクロ・マシニング・ステップは、複数のアナログ表示部材をシリコン・ウエハーに同時に形成する。
前記マイクロ・マシニング・ステップは、前記シリコン・ウエハー上に、前記アナログ表示部材の本体の少なくとも一部の外形を再生するリソグラフ・ステップを有する。
本発明の方法は、前記アナログ表示部材の本体の１つの面にコーティング層を堆積するステップを更に有する。
本発明の方法は、エンボス・パターンを形成するために、前記本体の上部表面をマイクロ・マシニングするステップを更に有する。
本発明の方法は、ファセットを形成するために、本体の上部表面をマイクロ・マシニングするステップを含む。
前記結晶材料は、単結晶シリコンである。

図１−７は、本発明によるアナログ表示手段１０を製造する方法のステップを表す。

アナログ表示手段である指針１０の一例を図９に示す。

本発明によれば、各指針１０は、シリコン・ベースの結晶材料製の本体１１を有する。

本明細書において「シリコン・ベースの結晶材料」は、単結晶シリコン、多結晶シリコン、水晶等のシリコンを含有する結晶材料を意味する。

本発明の指針１０は、単結晶のシリコン・プレートであるシリコン・ウエハー１２をマイクロ・マシン加工して形成される。これらは集積回路を製造するために用いられ、この様なプレートは、通常「ウエハー」と称する。

一連の指針１０が同一のシリコン・ウエハー１２上に形成され、これは機械的マイクロ構造体をシリコン・ウエハー１２内に製造するマイクロ・エレクトロニクスから得られた技術を用いて「バッチ処理」と称する方法で製造される。

これらの技術は、圧力センサー、加速度計、マイクロ・アクチュエーター、マイクロ・ポンプ等を製造をするために既に用いられている。これらはドライエッチングとウエットエッチングの２種類の製造方法を含む。

これらの方法は、所定厚さの材料層を局部的に取り除くマスキング技術を用いる。

ドライエッチングは、例えばレーザービームあるいは高密度プラズマ・ソースを用いる。

本発明の一実施例によれば、シリコン・ウエハー１２をマイクロ・マシニングする技術は、シリコン・ウエハー１２の厚さ方向に指針１０を製造するのに用いられる。

電子研磨は、シリコン・エッチングに用いられる技術の一例である。この技術は、低電流密度でフッ化水素酸内でアノードで電気化学的にエッチングすることにより多孔性となった単結晶シリコンの特性を利用する。この技術は、高電流密度でシリコンを完全に取り除くことができる。シリコン電子研磨技術の一例は、非特許文献１に開示されている。離間した壁が多孔性シリコン製である同軸のマイクロ・チャネルの製造が開示されている。非特許文献１を本明細書の一部として参照する。

"Electrochmical Fabrication of Multiwalled Micro Channels" by R.W. Tjerkstra et al, pages 133-136 of "Proceedings of Micro Total Analysis Systems 98 Workshop" Banff, Canada, "Fundamentals of microfabrication" by Marc Madou, edited by CRC Press, and bearing the reference ISBN 0-8493-9451-1,

シリコン・マイクロ・マシニング方法の他の一例が、非特許文献２に開示されている。非特許文献２を本明細書の一部として参照する。

本発明の方法の使用ステップを以下説明する。

図１は、本発明の方法を実行する前のシリコン・ウエハー１２を示す。

図２は、シリコン・ウエハー１２の上部表面上に犠牲層１４を堆積するステップを示す。

図３は、マスク１６を介して犠牲層１４の処理を示し、これにより犠牲層１４の構造を局部的に変化させ、シリコン・ウエハー１２上で一連の指針１０を表すパターンを描く。

図５では、シリコン・ウエハー１２は、犠牲層１４を介して、好ましくは異方性エッチング技術を用いてエッチングされ、指針１０を表すパターンがシリコン・ウエハー１２の厚さ方向に描かれる。

図６に示すよう、残った犠牲層１４をその後除去する。

図７ａ，７ｂに示すように、指針１０が予め切られシリコン・ウエハー１２の本体にシリコン材料のブリッジを介してつながった状態にあるシリコン・ウエハー１２が、かくして得られる。

指針１０の最終製造ステップは、指針１０をシリコン・ウエハー１２から切り離すことである。

好ましくは本発明の方法は、指針１０を形成するシリコン上に、例えば金属をコーティングする堆積ステップを含む。このコーティング・ステップは、ＣＶＤあるいはＰＶＤにより堆積される。

本発明の方法は、指針１０を形成するシリコンの表面上に行われる科学的又は熱的な処理ステップを含む。これはシリコン表面のアスペクトを変更するためである。

エッチング・ステップを実行して、シリコン表面の外観を変更する、あるいはシリコン上に堆積されたコーティング層の表面を変更する。この外観表面の変更は、形状あるいは他のパターンを形成して興味を引く光学効果を提供する。この様な形状パターンは、例えばシリコン製の指針１０の表面にニードル・エッチングの外観を与える。この様なエッチング・ステップは、指針１０がシリコン・ウエハー１２に搭載されている時に行うことができる。

図９に示す実施例によれば、指針１０の上部表面は、シリコン・エッチングにより形成されたエンボス・パターン２４を有する。コーティング層２６がエンボス・パターン２４上に行われ、これにより指針１０に対しニードル・エッチングされた金属的な外観を与える。この結果は、本体１１が金属製である指針１０では、得ること非常に難しい。

図１０，１１に示す実施例によれば、２つの軸方向ファセット２８が、指針１０の上部表面にエッチングされる。

実施例によっては、軸方向ファセット２８とエンボス・パターン２４は、指針１０の表面にウエーブ（波）を形成するために、湾曲したプロファイルを有してもよい。

本発明の指針１０を製造する方法により、指針１０は様々な外観を有するよう形成できる。

本発明の方法は、複数のシリコン・ウエハー１２に対し並列に実行して、複数のシリコン・ウエハー１２に同時に同一特徴を具備する指針１０を製造することができる。

図８は、本発明の方法により製造された指針１０を具備する時計２０を示す。

各指針１０は、時計２０のムーブメント（図示せず）の真あるいは歯車に回転可能に接続される。指針１０は、駆動真３４で駆動される軸孔３２を具備する。

好ましくは軸孔３２の内側軸表面は層３６を具備する。層３６の材料は、層３６を変形させることによりあるいは層３６に対しスライドすることにより、指針１０を組み込むことのできる材料である。これにより本体１１を破損するリスクを抑える。

本発明の他の実施例によれば、本発明の指針１０は駆動真３４に接着あるいは溶接される。

図９に示す本発明の一実施例によれば、集積回路要素２２が、指針１０の本体１１内でシリコン・ウエハー１２の厚さ内に形成される。

集積回路要素２２は、従来のマイクロ・電子製造技術で製造されるが、この工程は、本発明の製造方法の前、途中、後でもよい。かくして集積回路要素２２は、図１に示すように、指針１０が製造されるシリコン・ウエハー１２内に形成することができる。

集積回路要素２２は、時計２０の制御回路に、指針１０の回転軸を介して、電気的に接続される。

集積回路要素２２は、例えば指針１０の肉厚内に発光ダイオードを有する。かくして指針１０は、シリコンの透明な特性を利用してその内側から輝く。

集積回路要素２２は、時計２０にの文字盤に対し指針１０の角度位置に関連する指示を与えるようなセンサーを有してもよい。

図１２−１４は、改良した実施例を示す。この実施例においては、指針１０はその全体がシリコン製である。即ち指針１０の機械的構造部分を形成する本体１１が、シリコン製であり指針１０の外側形状を規定する。本体１１は、１つあるいは複数のコーティング層例えば金属コーティング層を形成してもよい。

ここに示した実施例によれば、本体１１は管状の根本部分３８を有する。この根本部分３８に軸孔３２が形成され、指針１０を時計２０の駆動真３４に搭載する。軸孔３２は駆動真３４に適合し、その結果指針１０は、組み込むのと同様に、駆動真３４に固定される。

軸孔３２は舌状のフレキシブル部材４０を具備する。このフレキシブル部材４０は本体１１の根本部分３８と一体に形成され、軸孔３２の内側に突出する。フレキシブル部材４０は、指針１０が駆動真３４に搭載されるときに弾性変形する。かくして組立後はフレキシブル部材４０は、駆動真３４に把持力を加え、これにより指針１０を駆動真３４に軸方向に保持し、２つの部品を回転可能に接続する。

犠牲層１４は、シリコン・ウエハー１２をマイクロ・マシニングするステップの間に形成するのが好ましい。

本体１１は先端部分４２を有する。この先端部分４２は、指針１０の指示部分を形成する。この実施例では先端部分４２は三角形であるが、時計２０の文字盤上で所定の角度位置を示す他の如何なる適宜の形状も採りうる。

先端部分４２は、根本部分３８にビーム（梁）４４，４６により接続される。ビームの幅ｌ１は、駆動真３４に横切る面で、３０ミクロンと２００μの間であり、好ましくは５０ミクロンである。５０ミクロンの幅ｌ１が、ビーム（梁）４４，４６の剛性と微細さの両方の妥協点である。

かくして時計２０の装着者が指針１０の時間表示を特に上面から見た時に、根本部分３８と先端部分４２のみが見える指針１０を得ることができる。非常に薄いことと３０〜１００ミクロンの間の厚さ（好ましくは５０ミクロンの厚さ）と組み合わせることにより、幅１１が小さく、ビーム（梁）４４，４６が裸眼では見えない。かくして指針１０の下の要素、根本部分３８と先端部分４２の間の要素、特に時計２０の文字盤に表示される要素をより見やすくする。更に殆ど見ることのできないビーム（梁）４４，４６を使用することにより、指針１０の構造の一部を隠すことにより、指針１０の設計により多くの自由度を与えることができる。

本発明の指針１０は、３本以上のビーム（梁）４４，４６を有することもできる。ビーム（梁）４４，４６の数は、指針１０の形状に応じて特に先端部分４２の形状に応じて選択することができ、指針１０に対する十分な硬さと衝撃強さを保証できる。

図１３において、ビーム（梁）４６はリセス４８を具備する。このリセス４８は、その剛性と衝撃強さを犠牲にすることなく、指針１０を適宜の方法で軽量化する。リセス４８は、開口即ちウィンドウの形態であり、この開口は、ビーム（梁）４６を形成する２個の平行部分の間の材料のブリッジを規定し、ビーム（梁）４６の長さ全体に渡り整合し分布する。

図１４に示すように、指針１０の本体１１は、その軸方向の肉厚部分にほぼ円筒形状の複数のボア５０を有する。このボア５０は、駆動真３４にほぼ平行で、５０ミクロン以下の直径好ましくは３〜１０ミクロンの直径を有する。ボア５０の目的は、指針１０のアンバランスと慣性を減らすことである。ビームの質量は、指針１０のアンバランスと慣性に小さな影響しか与えないので、ボア５０は先端部分４２にのみ形成するのが好ましい。しかし本体１１の他の部分に形成することもできる。

ボア５０は本体１１の肉厚方向を貫通する。ボア５０は、十分小さな寸法で時計２０の使用者の裸眼では見ることができず、その結果ボア５０は、指針１０の美観に悪影響を及ぼすことはない。

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。

本発明によるシリコン・プレートから時計の指針を製造する方法の第１ステップにおけるシリコン・プレートの垂直方向断面図。 本発明によるシリコン・プレートから時計の指針を製造する方法の第２ステップにおけるシリコン・プレートの垂直方向断面図。 本発明によるシリコン・プレートから時計の指針を製造する方法の第３ステップにおけるシリコン・プレートの垂直方向断面図。 本発明によるシリコン・プレートから時計の指針を製造する方法の第４ステップにおけるシリコン・プレートの垂直方向断面図。 本発明によるシリコン・プレートから時計の指針を製造する方法の第５ステップにおけるシリコン・プレートの垂直方向断面図。 本発明によるシリコン・プレートから時計の指針を製造する方法の第６ステップにおけるシリコン・プレートの垂直方向断面図。 図６のステップでのシリコン・プレートの上面図。 図７ａの丸で囲んだ部分の拡大図。 本発明の方法により得られた指針を搭載する時計の上面図。 本発明の方法により得られた指針時計の垂直断面図。 ２個の軸方向ファセットを有する本発明の方法で得られた指針の上面図。 図１０の線１１−１１に沿った垂直方向断面図。 ２個の接続ビーム（梁）を有する本発明の方法で得られた指針の上面図。 図１２のビームの拡大図。 図１２の指針の遠位端部分の線１４−１４に沿って切った拡大断面図。

符号の説明

１０ 指針
１１ 本体
１２ シリコン・ウエハー
１４ 犠牲層
１６ マスク
１８ パターン
２０ 時計
２２ 集積回路要素
２４ エンボス・パターン
２６ コーティング層
２８ 軸方向ファセット
３２ 軸孔
３４ 駆動真
３６ 層
３８ 根本部分
４０ フレキシブル部材
４２ 先端部分
４４，４６ ビーム（梁）
４８ リセス
５０ ボア

Claims (18)

1. 軸孔（３２）が形成される本体（１１）を有する時計用アナログ表示部材（１０）において、
   前記軸孔（３２）は、駆動真（３４）に適合し、
   前記本体（１１）は、シリコン・ベースの結晶材料製であり、前記本体（１１）の残りの部分と一体に形成されるフレキシブル部材（４０）を有し、
   前記フレキシブル部材（４０）は、前記軸孔（３２）内に伸び、
   これにより、前記アナログ表示部材（１０）が、前記駆動真（３４）にフレキシブル部材（４０）の弾性変形により適合する
   ことを特徴とするアナログ表示部材。
2. 前記本体（１１）は、時計の指針（１０）の形状を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の部材。
3. 前記本体（１１）は、前記軸孔（３２）が形成される根本部分（３８）と、前記指針（１０）の表示部分を形成する先端部分（４２）を有し、
   前記先端部分（４２）は、ビーム（４４，４６）により、前記根本部分（３８）に接続され、
   前記ビーム（４４，４６）の幅は、前記駆動真（３４）を横切る面で、３０ミクロンと２００ミクロンの間である
   ことを特徴とする請求項１−２のいずれかに記載の部材。
4. 前記本体（１１）は、その肉厚内に、複数のボア（５０）を有し、
   前記ボア（５０）は、前記駆動真（３４）に平行で、５０ミクロン未満の直径を有する
   ことを特徴とする請求項１−３のいずれかに１記載の部材。
5. 前記本体（１１）の上部表面は、エンボス・パターン（２４）を有する
   ことを特徴とする請求項１−４のいずれかに記載の部材。
6. 前記本体（１１）の上部表面は、ファセット（２８）を有する
   ことを特徴とする請求項１−５のいずれかに記載の部材。
7. 前記本体（１１）の少なくとも１つの表面は、前記本体（１１）とは異なる材料製のコーティング層（２６）を具備する
   ことを特徴とする請求項１−６のいずれかに記載の部材。
8. 前記コーティング層（２６）は、金属製である
   ことを特徴とする請求項７記載の部材。
9. 前記本体（１１）の肉厚内に、集積回路要素（２２）を更に有する
   ことを特徴とする請求項１−８のいずれかに記載の部材。
10. 前記結晶材料は、単結晶シリコンである
    ことを特徴とする請求項１−９のいずれかに記載の部材。
11. 請求項１−１０のいずれかに記載のアナログ表示部材（１０）を有する時計。
12. 時計（２０）に搭載されるアナログ表示部材（１０）を製造する方法において、
    前記アナログ表示部材（１０）は、駆動真（３４）に適合する軸孔（３２）が形成される本体（１１）を有し、
    （Ａ） シリコン・ベースの結晶材料中に前記軸孔（３２）を具備する本体（１１）を形成する為に、前記シリコン・ベースの結晶材料のウエハー（１２）をマイクロ・マシニングするステップを有し、
    前記ステップ（Ａ）の間、フレキシブル部材（４０）が、前記本体（１１）の残りの部分に形成され、これにより、前記アナログ表示部材（１０）を駆動真（３４）に前記フレキシブル部材（４０）の弾性変形を利用して、組み立てる
    ことを特徴とするアナログ表示部材の製造方法。
13. 前記ステップ（Ａ）は、複数のアナログ表示部材（１０）を前記ウエハー（１２）に同時に形成する
    ことを特徴とする請求項１２記載の方法。
14. 前記ステップ（Ａ）は、前記ウエハー（１２）上に、前記アナログ表示部材（１０）の本体（１１）の少なくとも一部の外形を再生するリソグラフ・ステップを有する
    ことを特徴とする請求項１２又は１３記載の方法。
15. （Ｂ） 前記アナログ表示部材（１０）の本体（１１）の１つの面に、コーティング層（２６）を堆積するステップ
    を更に有する
    ことを特徴とする請求項１２−１４のいずれかに記載の方法。
16. （Ｃ） エンボス・パターン（２４）を形成するために、前記本体（１１）の上部表面をマイクロ・マシニングするステップ
    を更に有する
    ことを特徴とする請求項１２−１５のいずれかに記載の方法。
17. （Ｄ） ファセット（２８）を形成するために、本体（１１）の上部表面をマイクロ・マシニングするステップ
    を更に有する
    ことを特徴とする請求項１２−１５のいずれかに記載の方法。
18. 前記結晶材料は、単結晶シリコンである
    ことを特徴とする請求項１２−１７のいずれかに記載の方法。

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