TWI520900B - 製造微機械組件的方法 - Google Patents

Description

製造微機械組件的方法

本發明相關於製造微機械組件的方法，並且更明確地說，相關於此類型的用來組裝微加工(micro-machined)及/或電鑄(electroformed)組件的方法。

在製造錶的工業中，藉著使用微加工製程或電鍍來製造組件或組件的部件是有利的，其中微加工製程例如是光微影術，然後深反應離子蝕刻(deep reactive ion etching)，而電鍍例如是光微影術，然後鍍鋅生長(gelvanic growth)。與傳統技術相比，這些製程的製造可有增進的精確度。

然而，從數個部件形成組件有難度。因此，在電鑄組件的情況中，在兩個部件與例如心軸(arbour)之間的雷射熔接易於使部件及心軸變形，因而喪失從電鍍製程所獲得的非常高位準的精確度。另外，不論製程為何，均非常難以獲得兩個組件與例如樞轉心軸之間的組裝精確度。

本發明的目的為藉著提出一種製造包含例如至少三個部件的微機械組件的方法而克服所有或部份的上述缺點，其中該方法或製程的精確度不會由於部件的組裝精確度而改變。

因此，本發明相關於一種製造一個階層(one-level)的微機械組件的方法，包含以下步驟：

(a)　形成至少一個板件，此至少一個板件包含框架，而此框架藉著至少一個材料橋接部而連接於該組件的一個部件，其中此部件具有孔；其特徵在於此方法另外包含以下步驟：

(b)　將該至少一個板件堆疊倚靠支座；

(c)　將銷固定於該至少一個堆疊的部件的孔內，以使用該銷成為夾持機構(gripping means)形成上述組件；

(d)　將所形成的組件從該至少一個板件釋放。

有利地，根據本發明，可從任何製程(微加工、電鑄、電蝕(electroerosion)、沖壓(stamping))來製造部件，而在該部件的最終組裝之前，不需處理部件本身，而只需處理該框架及該銷。

根據本發明，製造具有數個階層的微機械組件的方法包含以下步驟：

(a)　形成至少兩個板件，此至少兩個板件的每一個包含框架，而此框架藉著至少一個材料橋接部而連接於該組件的一個部件，其中每一個部件具有孔；其特徵在於此方法另外包含以下步驟：

(b)　將該至少兩個板件堆疊倚靠支座，以堆疊該部件中的至少兩個；

(c)　將銷固定於該至少兩個堆疊的部件的每一個的孔內，以形成上述組件；

(d)　將所形成的組件從每一個板件釋放。

有利地，支座被使用成為導件，用來以更為精確的方式製造最終組件，而同時仍然保持在步驟(a)期間被用來形成每一個部件的製程(微加工、電鑄、電蝕、沖壓)的精確度。

根據本發明的其他有利特徵：在步驟(a)、(b)、(c)、及(d)的期間，至少兩個板件被用來在至少兩個階層上形成組件；對於每一個板件，步驟(b)包含以下步驟：(e)使用對準機構引導該板件，以將該板件相對於支座可靠地定向；及(f)將該板件倚靠被固定於支座的至少一個心軸滑動，直到板件抵靠該心軸的肩部，使得該板件相對於支座被可靠地放置；該對準機構的每一個包含至少一個截角環部(bevelled ring)，此至少一個截角環部被安裝於支座的該至少一個心軸的延伸部份(extension)，並且此至少一個截角環部在步驟(a)的期間與形成於該至少兩個板件的每一個的凹部合作；至少兩個對準機構被使用在步驟(e)中，以增進引導的可靠度；每一個凹部係形成於該至少兩個板件的框架，或是由在該至少兩個板件的每一個的框架與部件之間的空間構成；該至少一個材料橋接部的每一個包含在連接於組件的該部件的端部處的狹窄區段，以產生可便利步驟(d)的弱質區域；數個部件形成在每一個板件上，以在步驟(c)中形成數個組件；銷在其端部的每一個處以包含樞軸的樞軸柄部(pivot-shank)延伸，以形成樞轉心軸；銷包含同軸環件，此同軸環件被使用成為用來限制該銷穿透該孔的止擋構件；該同軸環件具有裝齒(toothing)，以形成小齒輪；該板件中的至少一個在步驟(a)中是使用電鍍及/或微加工製程而形成；在步驟(b)之前、步驟(b)的期間、或步驟(b)之後，至少一個副部件(sub-part)可相對於該板件被橫向地安裝在該部件中的至少一個上。

從以下參考所附圖式以非限制性的舉例說明方式所給予的敘述會使其他特徵及有利點更清楚地呈現。

如圖8所示，本發明相關於製造微機械組件31、41、51的方法1。方法1係用來藉著使用銷29將至少兩個各別的部件19、21堆疊而穩固地組裝此至少兩個各別的部件19、21。方法1包含製造或形成最終組件31、41、51的部件19、21的步驟3、將包含該部件的板件11、13堆疊的步驟5、固定該部件的步驟7、然後將藉此形成的組件31、41、51從板件11、13釋放的步驟9。

有利地，根據本發明，形成組件31、41、51的部件19、21的第一步驟3可使用微加工及/或電鍍製程實施。微加工製程亦即具有幾近等於或小於微米的加工精確度的製程，並且可包含例如光微影術，以在由可微加工的材料形成的板件上形成保護遮罩(mask)，然後以例如深反應離子蝕刻來蝕刻該板件的未受保護的部份。因此，可微加工的材料可由例如以矽、結晶矽石(crystallised silica)、或結晶礬土(crystallised alumina)為基礎的材料構成。當然，可使用其他材料。

電鍍製程可包含例如光微影術，以形成模，而在此模內執行鍍鋅生長。因此，鍍鋅生長的材料可由例如如同純鎳或鎳-磷的金屬材料構成。當然，可使用其他材料。

製造步驟3包含至少兩個各別的形成階段2、4。使用該微加工及/或電鍍製程的各階段2、4是用來形成如圖1所示的各別板件11、13。各板件11、13包含框架15、17，而框架15、17由至少一個材料橋接部12、14連接於要被用來製造最終組件31、41、51的部件19、21。如在圖1中可見的，每一個部件19、21較佳地包含通孔16、18。

因此，很清楚最終組件31、41、51可從同一製程或從數個不同製程製造。當然，可使用微加工及/或電鍍以外的可製造這些板件11、13等的其他製程，例如電蝕或沖壓。

根據本發明，方法1包含用來將板件11、13堆疊倚靠支座23的第二步驟5。在圖2至4所示的例子中，支座23包含至少一個心軸22，用來與形成於要被堆疊的板件13、11的相關聯的凹部20、26合作。心軸22與凹部20、26的此組裝使得板件13、11可相對於支座23被精確地定位。

較佳地，根據本發明，每一個心軸22具有肩部24，以使板件13、11與支座23之間的距離較為準確。支座23較佳地也包含對準機構25，用來將板件13、11相對於支座23可靠地定向。在圖2至4所示的例子中，對準機構25包含安裝於每一個心軸22的延伸部份的截角環部，用來與形成於板件13、11的凹部20、26之一合作。

在圖2所示的第二步驟5的第一階段6中，第一板件13被安裝倚靠支座23。首先，板件13沿著方向A移動而靠近支座23。其次，以虛線顯示的板件13與對準機構25會合，以使對準機構25沿著方向B引導板件13。對準機構25與凹部20將板件13準確地定向，使得凹部20以支座23的每一個心軸22而被鉛垂地放置。然後，板件13藉著以其凹部20倚靠其心軸22而沿著方向A滑動，直到板件13最終與每一個心軸22的肩部24接觸，如圖2所示。因此，很清楚板件13相對於支座23被非常精確地定位。

在圖3所示的第二步驟5的第二階段8中，第二板件11藉著相對於第一板件13被堆疊而被安裝倚靠支座23。首先，板件11沿著方向A’移動而靠近支座23。其次，以虛線顯示的板件11與對準機構25會合，以使對準機構25沿著方向B’引導板件11。對準機構25與凹部26將板件11準確地定向，使得凹部26以支座23的每一個心軸22而被鉛垂地放置。然後，板件11藉著以其凹部26倚靠其心軸22而沿著方向A’滑動，直到板件11最終與第一板件13的頂部接觸，如圖3所示。

因此，很清楚板件11及13相對於支座23並且也相關於彼此被非常精確地定位。也應注意板件13的部件21位在板件11的部件19的下方並且與部件19接觸。最後，也可看見在圖3所示的例子中，孔16及18幾近互相鉛垂地對準。

當然，第一及第二步驟3及5不限於形成及堆疊兩個單一板件11及13。的確，方法1有利地使多於或少於兩個的板件可在步驟3中形成，以從在步驟5中支座23上的多於或少於兩個的堆疊的部件製造組件31、41、51。也很清楚在步驟3中需要更多或較少的階段2、4，而在步驟5中需要更多或較少的階段6、8。

根據本發明，方法1包含用來固定堆疊的部件19、21的每一個以形成微機械組件31、41、51的第三步驟7。較佳地，根據本發明，固定步驟7是藉著將銷29安裝在每一個部件19、21的孔16、18內而達成。因此，支座23較佳地也包含具有中空頂部部份28的支柱27，以在銷29被插入至部件19、21的各別孔16、18內時，防止部件19、21與其板件11、13之間的任何相對移動。的確，任何此種相對移動會牽涉使材料橋接部12、14破斷的危險，而此在方法1的此第三步驟7中為不想要有的。

取決於用來形成板件11、13等的材料的本質，可設想出第三步驟7的數個實施例。因此，根據本發明，較佳實施例為打入(driving in)、熔接、及黏結。當然，如果板件11、13等之一是由不具有或只具有非常有限的塑性變形範圍的材料製成，則將會難以實施打入操作。

在相關於打入的第一實施例中，在圖4所示的例子中，首先，在第三步驟7中，銷29沿著方向C移動靠近堆疊的孔16、18的每一個。其次，銷29被強制性地打入板件11及13的孔16及18內。有利地，可使用自動機來調整打入的力。如此，每一個部件19、21被固定於銷29且形成最終組件31、41、51。

在與熔接相關的第二實施例中，在圖4所示的例子中，首先，在第三步驟7中，銷29被塗覆以軟焊料。其次，銷29沿著方向C移動靠近堆疊的孔16、18的每一個。然後，銷29被插入至板件11及13的孔16及18內。有利地，可藉著使用自動機來增進方向C的準確度。隨後，使用例如熱處理以使軟焊料凝固。如此，每一個部件19及21被固定於銷29且形成最終組件31、41、51。

在與黏結相關的第三實施例中，在圖4所示的例子中，首先，在第三步驟7中，銷29被塗覆以黏著性材料，例如聚合物黏著劑。其次，銷29沿著方向C移動靠近堆疊的孔16、18的每一個。然後，銷29被插入至板件11及13的孔16及18內。有利地，可藉著使用自動機來增進方向C的準確度。隨後，黏著性材料藉著例如被加熱而活化。如此，每一個部件19及21被固定於銷29且形成最終組件31、41、51。

根據本發明，方法1包含將所形成的微機械組件31、41、51從在第二步驟5中堆疊的板件11、13等的每一個釋放的第四步驟9。步驟9較佳地藉著施加可使材料橋接部12、14斷開的力而達成。

較佳地，對於第三步驟7的所有實施例，銷29被固定成為使得銷29從堆疊的板件中的至少一個突出，並且可被使用成為夾持機構，亦即使得板件11、13等的每一個的部件19、21等不需被處理。有利地，方法1因此使部件的每一個可有高表面品質。也很清楚安裝在支座23上的支柱27的中空頂部部份28可使銷29通過超過板件13的底部，且/或限制銷被驅入孔16、18等內的程度。

根據本發明的第一種變化，銷29具有環件30，此環件30在該突出部份上形成止擋構件，以限制銷29貫穿部件的孔的程度。因此，環件30提供製造品質的增進。另外，可與銷29成整體的環件30也可有利地包含可形成小齒輪的裝齒，如以下會說明的。

根據本發明的第二種變化，除環件30外，銷29也還可在其端部的每一個處以包含樞軸的樞軸柄部延伸，以形成樞轉心軸。有利地，根據本發明，如此很清楚可在第三步驟7中將眾多個元件固定於堆疊的部件的孔，其可從簡單的銷29變化至裝配有至少一個小齒輪的樞轉心軸。

在研讀方法1時很清楚，可在每一個板件11、13等上形成數個相同或不相同的部件19、21等，以大量生產相同或不相同的最終組件31、41、51。也很清楚在第三步驟7之後，板件11、13等可在第四步驟9被執行之前被直接傳送至例如時計機心(timepiece movement)的生產線。如此的有利點在於同一時間只有許多最終組件的板件11、13等的框架15、17等被處理，而不會有該堆疊的部件19、21等由於處理而受損的危險。

有利地，方法1因此提供增進的製造精確度，以及以有彈性的方式製造高品質複合組件的可能性，亦即以非常簡單的方式及以眾多個板件製造高品質的包含數種不同材料的組件，而不需操縱最終組件的部件。因此，很清楚方法1可整個被自動化，例如使用多站生產線。

以下參考圖5至7，其中呈現根據方法1的微機械組件的製造例子。在圖5所示的例子中，顯示時計輪組(timepiece wheel set) 31，其包含樞轉心軸33、小齒輪35、及有齒輪件37。方法1可例如容許小齒輪35為經由電鍍製程獲得的板件的部件，而容許輪件37為藉著微加工製程而獲得的板件的部件。

在圖6所示的例子中，顯示時計輪組41，其包含樞轉心軸43、小齒輪45、及兩個有齒輪件47、49。方法1可例如容許小齒輪45為藉著電鍍製程而獲得板件的部件，而容許輪件47、49為藉著微加工製程而獲得板件的部件。

有利地，根據以上所說明的第一種變化，小齒輪35、45也可分別與心軸33、43成整體，且因而形成可在方法1的第三步驟7中固定最終組件31、41的總成。

因此，很清楚多種微機械組件可根據所使用的材料、所使用的實施例、及/或所選擇的變化而被製造。因此，舉例而言，如圖7所示，也可設想製造時計擒縱叉總成(timepiece pallet assembly) 51，其包含樞轉心軸53、頂臂55、主體57、及保護銷(guard-pin) 55’，以及可能有的銷53’。

方法1可例如容許只使用以矽為基礎的部件來獲得擒縱叉總成51。擒縱叉總成51可從在步驟3中藉著微加工製程而形成且在步驟5中被堆疊在支座23上的兩個板件獲得，其中頂臂55及保護銷55’係在步驟7中藉著黏結而分別由心軸53及銷53’固定於主體57，然後擒縱叉總成51在最後的步驟9中是藉著在心軸53上施力而從該板件被釋放。

當然，本發明不限於所示的例子，而可承受各種不同的變化及修改，而這些對於熟習此項技術者而言是很明顯的。特別是，在步驟5中可包含如在圖8中以雙線顯示的中間步驟10，其係在各堆疊的板件11、13等之間及/或其與環件30之間沈積黏著性材料。此黏著性材料在必要時增進最終組件的兩個元件之間的局部結合。黏著性材料可藉著網板印刷製程而被沈積，此容許有具有精確的厚度及表面面積的沈積。

另外，為提供在步驟9中所發生的斷開的位置，如圖1所示，材料橋接部12、14的每一個可在連接於其相關聯的部件19、21的端部處包含狹窄區段。

也可能有更多或較少的心軸22與凹部20、26之間的組裝。另外，這些凹部20、26可由已經存在於板件11、13的框架15、17與部件19、21之間的凹部取代。

最後，為方便瞭解本發明，在以上的說明中的所有組件在每一個步驟中均被幾近直立地安裝。事實上，組件的組裝方向不限於方向A、A’、或C。舉例而言，在製造擒縱叉總成51的情況中，可設想在步驟5之前、步驟5的期間、或步驟5之後，將擒縱叉瓦(pallet stone)經由被用來形成主體57及/或頂臂55的板件11、13的框架15、17的穿入側(pierced side)安裝。的確，因為擒縱叉瓦的定位非常重要，所以在步驟5的階段6、8等中的倚靠支座23的組裝可被用來將擒縱叉瓦於相對於方向A、A’、C幾近垂直的方向非常精確地安裝。更概括地說，很清楚可在步驟5之前、步驟5的期間、或步驟5之後，將至少一個副部件相對於該板件橫向地安裝在該部件中的至少一個上。

1．．．製造微機械組件的方法

2．．．形成階段

3．．．第一步驟

4．．．形成階段

5．．．第二步驟

6．．．第一階段

7．．．第三步驟

8．．．第二階段

9．．．第四步驟

10．．．中間步驟

11．．．板件

12．．．材料橋接部

13．．．板件

14．．．材料橋接部

15．．．框架

16．．．通孔

17．．．框架

18．．．通孔

19．．．部件

20．．．凹部

21．．．部件

22．．．心軸

23．．．支座

24．．．肩部

25．．．對準機構

26．．．凹部

27．．．支柱

28．．．中空頂部部份

29．．．銷

30．．．環件

31．．．微機械組件，時計輪組

33．．．樞轉心軸

35．．．小齒輪

37．．．有齒輪件

41．．．微機械組件，時計輪組

43．．．樞轉心軸

45．．．小齒輪

47．．．有齒輪件

49．．．有齒輪件

51．．．微機械組件，時計擒縱叉總成

53．．．樞轉心軸

53’．．．銷

55．．．頂臂

55’．．．保護銷

57．．．主體

A．．．方向

A’．．．方向

B．．．方向

B’．．．方向

C．．．方向

圖1為根據本發明的兩個板件的示意圖。

圖2至4為本發明的方法的連續步驟的示意圖。

圖5至7為可經由本發明的方法製成的微機械組件的示意圖。

圖8為根據本發明的方法的流程圖。

1．．．製造微機械組件的方法

2．．．形成階段

3．．．第一步驟

4．．．形成階段

5．．．第二步驟

6．．．第一階段

7．．．第三步驟

8．．．第二階段

9．．．第四步驟

10．．．中間步驟

Claims (14)

1. 一種製造微機械組件的方法，包含以下步驟：(a)形成至少兩個板件，該至少兩個板件的每一個包含框架，而該框架藉著至少一個材料橋接部而連接於該組件的部件，其中該部件具有孔；其中該方法另外包含以下步驟：(b)將該至少兩個板件堆疊倚靠支座，以堆疊該部件中的至少兩個；(c)將銷固定於該至少兩個堆疊的部件的每一個的孔內，以使用該銷成為夾持機構而形成該組件；(d)將所形成的該組件從該至少兩個板件釋放。
2. 如申請專利範圍第1項所述的製造微機械組件的方法，其中步驟(b)包含對於每一個板件的以下步驟：(e)使用對準機構引導該板件，以將該板件相對於該支座準確地定向；(f)將該板件倚靠被固定於該支座的至少一個心軸滑動，直到該板件抵靠該心軸的肩部，以將該板件相對於該支座準確地放置。
3. 如申請專利範圍第2項所述的製造微機械組件的方法，其中該對準機構的每一個包含至少一個截角環部，該至少一個截角環部被安裝於該支座的該至少一個心軸的延伸部份，並且該至少一個截角環部在步驟(a)中與形成於該至少兩個板件的每一個的凹部合作。
4. 如申請專利範圍第2項所述的製造微機械組件的方 法，其中在步驟(e)中的引導操作是使用至少兩個對準機構而實施，以增進該引導的準確度。
5. 如申請專利範圍第3項所述的製造微機械組件的方法，其中該凹部的每一個形成於該至少兩個板件的該框架。
6. 如申請專利範圍第3項所述的製造微機械組件的方法，其中該凹部的每一個為在該至少兩個板件的每一個的該框架與該部件之間的空間。
7. 如申請專利範圍第1項所述的製造微機械組件的方法，其中該至少一個材料橋接部的每一個包含在連接於該組件的該部件的端部處的狹窄區段，以產生可便利步驟(d)的弱質區域。
8. 如申請專利範圍第1項所述的製造微機械組件的方法，其中數個部件形成在每一個板件上，以在步驟(c)中形成數個組件。
9. 如申請專利範圍第1項所述的製造微機械組件的方法，其中該銷在其每一個端部處以包含樞軸的樞軸柄部延伸，以形成樞轉心軸。
10. 如申請專利範圍第1項所述的製造微機械組件的方法，其中該銷具有同軸環件，該同軸環件被使用成為用來限制該銷穿透該孔的止擋構件。
11. 如申請專利範圍第10項所述的製造微機械組件的方法，其中該同軸環件具有裝齒，以形成小齒輪。
12. 如申請專利範圍第1項所述的製造微機械組件的方 法，其中該板件中的至少一個在步驟(a)中是使用電鍍製程而形成。
13. 如申請專利範圍第1項所述的製造微機械組件的方法，其中該板件中的至少一個在步驟(a)中是使用微加工製程而形成。
14. 如申請專利範圍第1項所述的製造微機械組件的方法，其中在步驟(b)之前、步驟(b)的期間、或步驟(b)之後，至少一個副部件相對於該板件被橫向地安裝在該部件中的至少一個上。