TWI438589B - 複合平衡輪及其製造方法 - Google Patents

Description

複合平衡輪及其製造方法

本發明有關一平衡輪及其製造方法，且更特別地是有關一複合平衡輪。

一時計之調整構件大致上包括一慣性輪、稱為一平衡輪，及一稱為游絲之共振器。關於該時計之工作品質，這些部分具有一決定性之角色。更確切地是，它們調整該機件、亦即它們控制該機件之頻率。

該平衡輪及該游絲事實上係不同的，這使得其製造該調整構件變得非常地複雜，該製造包括該平衡輪、該游絲發條、與該二部分之共振組件的製造。

如此，該平衡輪已用不同材料製成，但沒有解決與該平衡輪所倚靠的調整構件中之溫度改變有關的時振盪困難性。

本發明之一目的係藉由提出一複合平衡輪克服所有或部分上述缺點，其特色為溫度之函數可被更輕易地調整，且其係經由一包括更少步驟的製造方法所獲得。

本發明如此有關一複合平衡輪，其形成在一矽基材料層中，且包括藉由至少一支臂連接至輪緣之輪轂，其特徵為該輪緣包括至少一大約呈有缺口的圓環之形狀的額外部分，該圓環之密度比該矽基材料較高，而用於增加該平衡輪之慣性。

根據本發明之其他有利特色：-該至少一額外部分被安裝在該輪緣的主要面之一上，其放大該慣性調整；-該至少一額外部分被安裝在該輪緣的主要面之一中所製成的凹部中；-該至少一額外部分由該輪緣的主要面之一突出；-該至少一額外部分包括一系列在規則之間距隔開的外樁，以補償該至少一額外部分中之任何熱膨脹；-該至少一額外部分係由諸如金之金屬材料所形成，該材料具有一比矽遠較高之密度；-該輪轂包括至少一第二額外部分，用於承納在其中被驅動之平衡輪柱；-該至少一第二額外部分被安裝在該輪轂的主要面之一上；-該至少一第二額外部分被安裝在該輪轂的主要面之一中所製成的凹部中；-該至少一第二額外部分由該輪轂的主要面之一突出；-該至少一第二額外部分係大約圓柱形；-該至少一第二額外部分係由金屬材料所形成；-該至少一支臂係細長的，以便萬一任何衝擊被傳送至該平衡輪時，允許該支臂軸向及/或徑向地變形。

本發明亦有關一時計，其特徵為該時計包括一根據該等前述變體之任一項的平衡輪。

最後，本發明有關平衡輪之製造方法，包括以下步驟：

a)提供一由矽基材料所製成之基板；其特徵為該方法另包括以下步驟：

b)在該基板上選擇性地沈積至少一金屬層，以界定該平衡輪之至少一金屬部分的圖案；

c)在該基板中選擇性地蝕刻至少一孔腔，以界定包括該至少一金屬層的平衡輪之圖案；

d)由該基板釋放該平衡輪。

按照本發明之其他有利特色：-步驟b)包括步驟e)：至少局部地在該基板之表面上藉由連續之金屬層增長該沈積，以便形成一金屬部分，用於增加由矽基材料所製成之平衡輪及/或一用於承納一在其中被驅動之軸柱的金屬部分之質量；-步驟b)包括步驟f)：選擇性地蝕刻該基板中之至少一孔腔，用於承納該至少一金屬部分，及步驟g)：至少局部地在該至少一孔腔中藉由連續之金屬層增長該沈積，以便形成一用於增加該矽基材料之第三部分的質量之金屬部分及/或一軸柱將被驅動進入之金屬部分；-步驟b)包括步驟h)：拋光該金屬沈積；-數個複合平衡輪被製成在相同之基板上，其允許批次製造。

本發明有關一大致上標以1之方法，用於製造一時計機件用之平衡輪45、45'。如圖1至5及10所示，方法1包括連續之步驟，用於形成最少一型式之複合平衡輪，亦即其較佳地係由諸如矽及金屬之二不同材料所形成。

參考圖1、3及10，該第一步驟3在於採取一包括矽層之基板21。較佳地係於此步驟3中，選擇基板21，使得如在圖1及3所視，其厚度大約匹配平衡輪45、45'之矽部分的想要厚度。如此，基板21之厚度可為譬如包括於100及400微米之間。

有利地是根據本發明，在該第一步驟3之後，方法1能包括二具體實施例19、20，如圖10所示。

根據第一具體實施例19，於圖1所示之第二步驟5中，方法1包括一LIGA製程程(亦藉由該德國名字“rontgenLlthographie、Galvanoformung＆ Abformung”所已知)，包括使用一選擇性光致結構樹脂，用於在呈特別形狀之基板21上電鍍一金屬的一系列步驟。因該LIGA製程係很熟知的，其將不在此更詳細地敘述。然而，所沈積之金屬可為譬如金或鎳或這些金屬之合金。

於圖1所說明之範例中，步驟5可在於沈積一有缺口的圓環23及/或一圓柱體25。於圖1所說明之範例中，圓環23包括形狀被設計為大約呈一圓之弧形的一系列外樁22，且其被有利地用於增加該未來之平衡輪45的質量。其實，矽的優點之一係其對溫度變化之不敏感性。然而，其具有低密度之缺點。

因此，本發明之第一特色如此在於使用藉由電鍍所獲得之金屬增加平衡輪45之質量，以便增加該將來平衡輪45之慣性。然而，為了保持矽之優點，沈積在基板21上之金屬包括在每一個外樁22間之空間，其可補償圓環23之任何熱膨脹，同時避免傳送任何與該矽之此膨脹有關的應力。

於圖1所說明之範例中，圓柱體25係用於承納一有利地在其中驅動之平衡輪柱。其實，矽之另一缺點係其具有很小之彈性及塑性區，這意指其係很脆的。如此，本發明之另一特色在於緊繫平衡輪柱49不抵靠著矽，但在金屬圓柱體25之內徑24上，於步驟5期間電鍍。

有利地是，根據方法1，藉由電鍍所獲得之圓柱體25允許關於其幾何形狀之完全自由度。如此，特別地是，該內徑24係不須為圓形的，但譬如為多邊形，其可於旋轉中以匹配形狀之軸柱改善應力之傳送。

於圖2所示之第三步驟7中，孔腔26至34係譬如藉由DRIE方法選擇性地蝕刻於矽基板21中。

孔腔26至34較佳地是形成該未來平衡輪45之圖案35。如圖2之範例中所示，所獲得之圖案35包括一藉由四支臂40至43連接至輪轂39之輪緣37。然而，有利地是根據方法1，關於圖案35之幾何形狀，在基板21上方之蝕刻允許完全之自由度。如此，特別地是，該等支臂之數目及幾何形狀可為不同，且該邊緣係不須圓形的，但可為譬如橢圓的。再者，該等支臂可為較細長的，以在萬一任何衝擊被傳送至平衡輪45時，允許該等支臂軸向地及/或徑向地變形。

亦應注意的是以金屬圓柱體25之內徑24，在輪轂39中所製成之孔腔34形成一可承納軸柱之中空的空間。其最後應注意的是材料36之橋接件係形成至將圖案35固持至基板21。

根據具體實施例19，方法1以最後步驟9終止，其在於由基板21釋放該已製成之平衡輪45。有利地是，步驟9係僅只藉由施加充分之力量至平衡輪45以打破其材料36之橋接件所達成。此力量能夠譬如藉由機器加工或藉由操作員手動地產生。

在最後步驟9之後，如於圖6及7之範例中所示，平衡輪45係如此獲得，主要由具有一或二金屬部分23、25之矽所形成。其如此清楚的是該平衡輪45為複合型，且其具有材料之至少二型式及被製成為單體，其中元件35及元件23及/或25不能沒有被摧毀地分開。平衡輪45包括一藉由四支臂40、41、42及43徑向地連接至輪緣37之輪轂39。輪轂39係有利地亦軸向地連接至金屬圓柱體25，且輪緣37在其主要面的一部分上方包括有缺口的圓環。

根據第二具體實施例20，方法1包括圖3所示之第二步驟11，其中孔腔38及/或44譬如藉由DRIE方法被選擇性地蝕刻於矽基板21之厚度的一部分中。這些孔腔38、44形成凹部，該等凹部能被用作一用於至少一金屬部分23'、25'之容器。如於圖3所說明之範例中，所獲得之孔腔38及44可分別採取一圓環或圓盤之形式。

有利地是，根據方法1，藉由蝕刻法所獲得之孔腔38及/或44關於其幾何形狀留下完全之自由度。如此，特別地是，孔腔38及/或44不須為圓形的，但可為譬如多邊形。

於第三步驟13中，如圖4所示，方法1包括施行一流電增生或LIGA製程，用於在一特別之金屬形狀中充填孔腔38及/或44。較佳地是，所沈積之金屬可為譬如金或鎳或這些金屬之合金。

於圖4所說明之範例中，步驟13可在於沈積孔腔38中之一有缺口的圓環23'及/或於孔腔44中之圓柱體25'。再者，於圖4所說明之範例中，圓環23'具有大約在一圓的弧形中之一系列外樁22'，且其係有利地用於增加該未來平衡輪45'之質量。其實，如已經在上面所說明，該矽之一缺點係其低密度。

如此，關於具體實施例19，本發明的一特色如此在於使用藉由電鍍所獲得的金屬增加平衡輪45'之質量，其增加該未來平衡輪45'之慣性。然而，為了保持矽之優點，電鍍在基板21上之金屬具有於每一個外樁22'間之空間，其能補償圓環23'中之任何熱膨脹，同時防止傳送任何與此膨脹有關之應力至該矽。

於圖4所說明之範例中，圓柱體25'被用於承納一有利地係在其中驅動之平衡輪柱。其實，如已經在上面所說明，本發明之一有利特色在於緊繫該平衡輪柱，而不抵靠著該矽，但在金屬圓柱體25'之內徑24'上，該金屬圓柱體係於步驟13期間電鍍。有利地是根據方法1，該電鍍之圓柱體25'允許關於其幾何形狀之完全自由度。如此，特別地是，該內徑24'係不須為圓形，但譬如可為多邊形，其能於旋轉中以匹配形狀之軸柱改善力量之傳送。

較佳地是，方法1能包括藉由圖10中之虛線所說明的第四步驟15，在於拋光於步驟13期間所製成之金屬沈積23'、25'，以便使它們變平坦。

於圖5所示之第五步驟17中，孔腔26'至34'係譬如藉由DRIE製程選擇性地蝕刻於矽基板21中。

這些孔腔26'至34'較佳地是形成該未來平衡輪45'之圖案35'。如圖5之範例中所顯示，所獲得之圖案35'包括一藉由四支臂40'至43'連接至輪轂39'之輪緣37'。然而，有利地是根據方法1，該基板21上之蝕刻關於圖案35'之幾何形狀留下完全之自由度。如此，特別地是，該等支臂之數目及幾何形狀可為不同的，且該邊緣係不須為圓形的，但譬如可為橢圓的。再者，該等支臂可為較細長的，以如果任何衝擊被傳送至該調整構件45'允許它們軸向及/或徑向地變形。

亦應注意的是輪轂39'中所製成之孔腔34'與金屬圓柱體25'之內徑24'形成一可承納軸柱之中空的空間。其最後應注意的是材料36'之橋接件係形成至將圖案35'固持至基板21。

具體實施例20像具體實施例19終止、亦即於最後步驟9中終止，其在於由基板21釋放所製成之平衡輪45'。有利地是，步驟9係僅只藉由施加充分之力量至平衡輪45'以打破其材料36'之橋接件所達成。此力量能夠譬如藉由機器加工或藉由操作員手動地產生。

在最後步驟9之後，如於圖8及9之範例中所示，獲得主要地由矽所形成之平衡輪45'，其具有一或二金屬部分23'、25'。其如此清楚的是該平衡輪45'為複合型，其中該平衡輪45'包括至少二型式之材料及被製成為單體，其中元件35'及元件23'及/或25'不能沒有被摧毀地分開。該平衡輪45'包括一藉由四支臂40'、41'、42'及43'徑向地連接至輪緣37'之輪轂39'。輪轂39'有利地亦包括金屬圓柱體25'。最後，輪緣37'包括有缺口的圓環23'。

有利地是，根據在上面所說明的本發明之方法1，其清楚的是數個平衡輪45、45'被製成在相同之基板21上係可能的，其允許批次製造。

當然，本發明係不限於所說明之範例，但係能夠有對於那些熟諳此技藝者將為清楚之各種變體及修改。特別地是，根據具體實施例19、20之輪轂39、39'可不包括一金屬驅動之圓柱體25、25'。圓柱體25、25'能接著譬如被蝕刻於該矽輪轂39、39'中之韌性機構所取代，且能採取那些在歐洲專利第1 655 642號的圖10A至10E中所揭示者、或那些在歐洲專利第1 584 994號的圖1、3及5中所揭示者之形式，該等專利係以引用的方式倂入本文中。

其係亦可能顛倒具體實施例19及20中之電鍍金屬部分25、25'，亦即具體實施例19之突出部分25可被具體實施例20之整合部分25'所取代或反之亦然(其僅只需要方法1之最小修改)，或甚至用於整合在該輪轂中之部分25'，以由基板21突出。

按照類似推論，顛倒具體實施例19及20中所電鍍之金屬部分23、23'係亦可能的，亦即具體實施例19之突出部分23可被具體實施例20之整合部分23'所取代或反之亦然、或整合於該輪緣中之部分23'能由基板21突出。

再者，於釋放步驟9之後，方法1亦可有利地提供一修改平衡輪45、45'的慣性之步驟。此步驟能接著在於譬如藉由雷射蝕刻凹部，該等凹部被製成在輪緣37、37'之周邊壁面中及/或在電鍍金屬部分23、23'上。反之，慣性塊調整結構亦可被擬想，用於增加平衡輪45、45'之慣性。

最後，一像步驟15之拋光步驟亦可被施行於步驟5及步驟7之間。

1．．．方法

21．．．基板

22．．．外樁

22'．．．外樁

23．．．圓環

23'．．．圓環

24．．．內徑

24'．．．內徑

25．．．圓柱體

25'．．．圓柱體

26．．．孔腔

26'．．．孔腔

27．．．孔腔

27'．．．孔腔

28．．．孔腔

28'．．．孔腔

29．．．孔腔

29'．．．孔腔

30．．．孔腔

30'．．．孔腔

31．．．孔腔

31'．．．孔腔

32．．．孔腔

32'．．．孔腔

33．．．孔腔

33'．．．孔腔

34．．．孔腔

34'．．．孔腔

35．．．圖案

35'．．．圖案

36．．．材料

36'．．．材料

37．．．輪緣

37'．．．輪緣

38．．．孔腔

39．．．輪轂

39'．．．輪轂

40．．．支臂

40'．．．支臂

41．．．支臂

41'．．．支臂

42．．．支臂

42'．．．支臂

43．．．支臂

43'．．．支臂

44．．．孔腔

45．．．平衡輪

45'．．．平衡輪

其他特色及優點將由以下敘述清楚地顯現，該敘述係經由非限制之說明所給與，並參考所附圖面，其中：

-圖1與2顯示根據第一具體實施例之製造方法的連續步驟之視圖；

-圖3至5顯示根據第二具體實施例之方法的連續步驟之視圖；

-圖6及7係根據第一具體實施例的複合平衡輪之透視圖；

-圖8及9係根據第二具體實施例的複合平衡輪之透視圖；

-圖10係本發明的方法之流程圖。

23'．．．圓環

25'．．．圓柱體

37'．．．輪緣

39'．．．輪轂

40'．．．支臂

41'．．．支臂

42'．．．支臂

43'．．．支臂

45'．．．平衡輪

Claims (21)

1. 一種複合平衡輪(45、45')，其形成在一矽基材料層(21)中，且包括藉由至少一支臂(40、41、42、43)連接至輪緣(37、37')之輪轂(39、39')，其特徵為該輪緣(37、37')包括一大約呈有缺口的圓環(23、23')之形狀的額外部分，該圓環之密度比該矽基材料較高，以增加該平衡輪之慣性。
2. 如申請專利範圍第1項之複合平衡輪，其中該至少一額外部分(23)被安裝在該輪緣(37)的主要面之一上。
3. 如申請專利範圍第1項之複合平衡輪，其中該至少一額外部分(23')被安裝在該輪緣(37)的主要面之一中所製成的凹部(38)中。
4. 如申請專利範圍第3項之複合平衡輪，其中該至少一額外部分(23')由該輪緣(37)的主要面之一突出。
5. 如申請專利範圍第1項之複合平衡輪，其中該有缺口的圓環(23、23')包括一系列以規則之間距隔開的外樁(22、22')，以補償該至少一額外部分(23、23')中之任何熱膨脹。
6. 如申請專利範圍第1項之複合平衡輪，其中該至少一額外部分(23、23')係由金屬材料所形成。
7. 如申請專利範圍第1項之複合平衡輪，其中該輪轂(39、39')包括至少一第二額外部分(25、25')，用於承納一在其中被驅動之平衡輪柱。
8. 如申請專利範圍第7項之複合平衡輪，其中該至少一第二額外部分(25)被安裝在該輪轂(39)的主要面之一上。
9. 如申請專利範圍第7項之複合平衡輪，其中該至少一第二額外部分(25')被安裝在該輪轂(39)的主要面之一中所製成的凹部(44)中。
10. 如申請專利範圍第9項之複合平衡輪，其中該至少一第二額外部分(25')由該輪轂(39)的主要面之一突出。
11. 如申請專利範圍第7項之複合平衡輪，其中該至少一第二額外部分係實質上圓柱形(25、25')。
12. 如申請專利範圍第7項之複合平衡輪，其中該至少一第二額外部分(25、25')係由金屬材料所形成。
13. 如申請專利範圍第1項之複合平衡輪，其中該至少一支臂(40、41、42、43)係細長的，以便萬一任何衝擊被傳送至該平衡輪(45、45')時，能夠使該支臂軸向及/或徑向變形。
14. 一種時計，其特徵為該時計包括一根據申請專利範圍第1至13項之任一項的平衡輪(45、45')。
15. 一種複合平衡輪(45、45')之製造方法(1)，包括以下步驟：a)提供(3)矽基材料之基板(21)，其特徵為該製造方法另包括以下步驟：b)在該基板(21)上選擇性地沈積(5、13)至少一金屬層(23、23'、24、24')，以界定該平衡輪之至少一金屬部分的圖案，c)在該基板(21)中選擇性地蝕刻(7、17)至少一孔腔(26、27、28、29、30、31、32、33、34、26'、27'、28'、29'、30'、31'、32'、33'、34')，以界定包括該至少一金屬層的平衡輪(45、45')之圖案(35、35')，d)由該基板(21)釋放(9)該調整構件(45、45')。
16. 如申請專利範圍第15項的複合平衡輪之製造方法，其中該步驟b)包括以下步驟：e)至少局部地在該基板(21)之表面上方藉由連續之金屬層增長(5)該沈積，以便形成一金屬部分(23)，用於增加該平衡輪(45)之質量。
17. 如申請專利範圍第15項的複合平衡輪之製造方法，其中該步驟b)包括以下步驟：e')至少局部地在該基板(21)之表面上方藉由連續之金屬層增長(5)該沈積，以便形成一金屬部分(25)，用於承納一在其中被驅動之軸柱。
18. 如申請專利範圍第15項的複合平衡輪之製造方法，其中該步驟b)包括以下步驟：f)選擇性地蝕刻(11)該基板(21)中之至少一孔腔(38)，用於承納該至少一金屬部分；g)至少局部地在該至少一孔腔中藉由連續之金屬層增長(13)該沈積，以便形成一用於增加該第三矽部分之質量的金屬部分(23')。
19. 如申請專利範圍第15項的複合平衡輪之製造方法，其中該步驟b)包括以下階段：f')選擇性地蝕刻(11)該基板(21)中之至少一孔腔(44)，用於承納該至少一金屬部分；g')至少局部地在該至少一孔腔中藉由連續之金屬層增長(13)該沈積，以便形成一用於承納在其中被驅動之軸柱的金屬部分(25')。
20. 如申請專利範圍第15項的複合平衡輪之製造方法，其中該步驟b)之後為以下步驟：h)拋光(15)該金屬沈積(21)。
21. 如申請專利範圍第15至20項之任一項的複合平衡輪之製造方法，其中數個複合平衡輪(45、45')被製成在相同之基板(21)上。