TWI738673B - 具有恆定截面之小型游絲及振盪器 - Google Patents

具有恆定截面之小型游絲及振盪器 Download PDF

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Abstract

本發明關於單件式游絲，其包括在內線圈和外線圈之間而纏繞在本身上的單一條帶，該條帶所具有的幾何形態使得當游絲的收縮角度具有360度的數值時，在從內線圈到倒數第二線圈的每條線圈之間則有恆定的距離。

Description

具有恆定截面之小型游絲及振盪器
本發明關於小型彈簧，尤其關於打算與平衡輪協同運作以形成振盪器的這種彈簧。
矽游絲的成本大致與其表面積成正比，亦即愈多的游絲可以蝕刻在同一晶圓上，則游絲的單位成本愈低。
然而，不可能隨機減少尺度，因為游絲的線圈在收縮或膨脹狀態下不可以彼此碰觸。
本發明的目的是藉由提出一種小型游絲而確保其線圈在收縮狀態或膨脹狀態下不彼此碰觸，而克服前面的所有或部分缺點。
為此，本發明關於單件式游絲，其包括單一條帶，在內線圈和外線圈之間而纏繞在本身，當該條帶休止時，在內線圈的開始和第二線圈的結束之間包括：第一 區，其中節距減少；第二區，其由第一區延伸，其中每條線圈之間的節距持續增加，使得當游絲的收縮角度具有360度的數值時，在從內線圈到倒數第二線圈(penultimate coil)的每條線圈之間則有恆定距離。
有利的根據本發明，要了解游絲是盡可能的緊湊，同時確保在收縮和也可能膨脹中的線圈之間有恆定的最小距離。因此，吾人可以嘗試使游絲的尺寸減到最小而不喪失計時的性質。以此種游絲而言，有可能使蝕刻在同一晶圓上的游絲數目最佳化以便減少單位成本。
依據本發明其他有利的變化例：於第二區，每條線圈之間的節距以恆定的數值而持續增加；第二區具有恆定的截面；第一區所具有的截面在內線圈的開始和其與第二區的接合之間有所減少；第一區具有相同於第二區的截面；游絲包括第三區，其由第二區延伸並且包括在倒數第二線圈的開始和外線圈的結束之間，其中節距持續增加，使得當游絲的膨脹角度具有360度的數值時，在倒數第二線圈和外線圈之間則有最小距離以避免其間有任何接觸；於第三區，節距以恆定的數值而持續增加；第三區包括：第一部分，其截面大致相同於第二區；以及第二部分，其由第一部分延伸，其截面隨著它接近外線圈的結束而增加； 第三區包括：第一部分，其截面大致相同於第二區；以及第二部分，其由第一部分的延伸，其截面相對於第二區而有所增加並且維持恆定直到外線圈的結束；游絲是矽基(silicon-based)。
再者，本發明關於振盪器，其特徵在於它包括平衡輪，其與根據前面任一變化例的游絲協同運作。
1:游絲
3:條帶
5:開始
7:結束
11:游絲
13:條帶
15:開始
17:結束
A:第一區
B:第二區
C1:第一部分
C2:第二部分
S2:第二線圈
SI:內線圈
SE:外線圈
SP:倒數第二線圈
從參考附圖而以非限制性示例所給出的下面敘述，將明顯出現其他的特徵和優點，而在附圖當中：圖1是根據本發明的游絲在收縮狀態的俯視圖；圖2是根據本發明的游絲在休止位置的俯視圖；圖3是根據本發明的游絲在膨脹狀態的俯視圖；圖4的圖形顯示線圈之間的節距改變為游絲之線圈數目的函數；圖5的圖形顯示線圈的厚度改變為游絲之線圈數目的函數；圖6的圖形顯示線圈之間的距離改變為游絲之線圈數目和游絲狀態的函數；圖7是根據本發明之游絲的替代選擇例在休止位置的俯視圖；圖8的圖形顯示線圈之間的節距改變為游絲的替代選擇例之線圈數目的函數；圖9的圖形顯示線圈的厚度改變為游絲的替代選擇例 之線圈數目的函數；圖10的圖形顯示線圈之間的距離改變為游絲的替代選擇例之線圈數目和游絲的替代選擇例之狀態的函數。
本發明關於小型游絲，其打算與平衡輪協同運作以形成用於時計的彈開平衡輪型的振盪器。當然，游絲可以包括與內線圈之開始整合的環夾和/或與外線圈之結束整合的釘柱附接，而不偏離本發明的範圍。然而，為了簡單敘述，沒有示範環夾和/或附接。
本發明的發展起初是要在矽基的同一晶圓上製造最大數目的游絲，同時確保每個游絲的線圈在收縮或膨脹狀態下不彼此碰觸。然而，要了解游絲不限於矽基材料。以非限制的方式而言，要了解相同的邏輯可適用於由LIGA方法所形成的游絲，亦即使用導電材料。
「矽基」一詞意謂材料包括單晶矽、摻雜的單晶矽、多晶矽、摻雜的多晶矽、多孔矽、氧化矽、石英、矽石、氮化矽或碳化矽。當然，當矽基材料是呈結晶相時，可以使用任何的結晶指向。
如圖2所示範，本發明因此關於單件式游絲1，其包括在內線圈SI和外線圈SE之間而纏繞在本身上的單一條帶3。根據本發明，游絲1的條帶3於圖2所示範的休止位置而在內線圈SI的開始5和第二線圈S2的開始之間乃包括第一區A，其中在內線圈SI和第二線圈S2之 間的節距有所減少。
有利而言，游絲1在第一區A的延伸包括第二區B，其中在每條線圈之間的節距持續增加，使得當游絲1是在收縮時，亦即當內線圈SI的開始5相對於游絲1的中央而已經實行大致-360度的旋轉時，如圖1所見，在從內線圈SI到倒數第二線圈SP的每條線圈之間則有大致恆定的距離。
較佳而言，如圖4所示範，每條線圈之間的節距在第二區B以恆定的數值而持續增加。再者，較佳的根據本發明，第二區B具有恆定的截面。因此，舉例而言，恆定的截面可以具有介於10微米和50微米之間的恆定厚度和介於50微米和250微米之間的恆定高度。
根據額外可選用的特徵，有利的根據本發明，游絲包括第三區C，其在第二區B的延伸並且包括在倒數第二線圈SP的開始和外線圈SE的結束7之間，其中在倒數第二線圈SP和外線圈SE之間，節距持續增加，使得當游絲1是在膨脹時，亦即當內線圈SI的開始5相對於游絲1的中央而已經實行大致+360度的旋轉時，如圖3所見，在倒數第二線圈SP和外線圈SE之間則有最小距離以避免接觸，特別是在倒數第二線圈SP和外線圈SE之間的接觸。
較佳而言，如圖4所示範，每條線圈之間的節距在第三區C以第二大致恆定的數值而持續增加。如圖4所見，第二大致恆定的數值較佳而言大於第二區B之第 一大致恆定的數值。進一步而言，較佳的根據本發明，第三區C包括第一部分C1，其具有大致相同於第二區B的厚度，然後包括第二部分C2，其中厚度則持續增加。
第一圖形顯示線圈之間的節距P之改變為游絲之線圈數目的函數，這示範於圖4。可以看到在游絲1的第一區A，節距以大致恆定的方式而減少直到第二區B的開始。於圖4，可以看到第二區B的節距大致恆定的增加而直到第三區C。區C的節距則大致恆定的增加而直到外線圈SE的結束7。如圖4所見，第三區C之大致恆定的節距增加要比B區明顯得多。
於補充的方式，第二圖形顯示線圈厚度E的改變為游絲之線圈數目的函數，這示範於圖5。可以看到在游絲1的第一區A，厚度減少而直到第二區B的開始。於圖5，可以看到第二區B具有恆定的厚度而直到第三區C。C區具有第一部分C1，其厚度維持恆定的，以及具有第二部分C2，其在第一部分C1的延伸，而其厚度朝向外線圈SE的結束7來增加。
最後，圖形顯示線圈之間的距離改變△P為游絲之線圈數目的函數，這示範於圖6。更特定而言，示範了游絲在圖1所代表之收縮狀態(標以方形□的曲線)、圖2所代表之休止狀態(標以三角形△的曲線)、圖3所代表之膨脹狀態(標以圓形○的曲線)的線圈之間的距離△P。
因而，於標以圓形(○)的膨脹狀態，可以看到在游絲1的第一區A，線圈之間的距離△P減少直到第二 區B的開始。之後，注意到在第二和第三區B和C，線圈之間的距離△P持續增加而直到附接於結束7之釘柱的固定點為止，線圈之間的距離再返回到最小數值。
這合乎邏輯，因為在其休止狀態，圖6之標以三角形(△)的曲線相同於圖4的曲線。最後，於標以方形(□)的收縮狀態，可以看到在游絲1的第一和第二區A和B，線圈之間的距離△P是大致恆定的並且等於最小數值。然後注意到在第三區C，線圈之間的距離△P朝向外線圈SE的結束7則持續增加。
於圖6，注意圓形(○)和方形(□)之曲線的最小數值並不相同。然而，它們或可在幾何上做成相同。
類似而言，圖4到6所述的數值僅使用作為範例。視游絲和/或其所屬之振盪器的組態而定，選擇的最小數值或可異於選擇作為圖6範例的20微米。因此清楚的是圓形(○)和方形(□)曲線的最小數值或可皆選擇成小於或大於20微米。
然而，有利的根據本發明，要了解游絲1的這些特殊特徵允許彈簧在休止時有最大緊湊度，同時保證在收縮和也可能膨脹中的線圈之間有恆定的最小距離。典型而言，游絲1在休止下具有11.4個線圈，而最大半徑差不多1.2毫米(亦即游絲1的幾何中央和外線圈SE的結束7之間的距離)。為了完整起見，研究透露出游絲1的幾何中央和內線圈SI的開始5之間的距離差不多是0.5毫米。游絲的尺寸因此可以減到最小，而不因此喪失計時的 性質。以本發明的游絲而言，有可能使蝕刻在同一晶圓上的游絲數目最佳化以便減少單位成本。
當然，本發明不限於示範的範例，而能夠有熟於此技藝者將想到的多樣變化和修改。尤其，幾何形態(亦即節距和截面的變化，舉例而言例如線圈的厚度和數目)可以取決於思及的應用來變化。
舉例來說，圖2的替代選擇例乃示範於圖7。本發明的替代選擇例因此關於單件式游絲11，其包括在內線圈SI和外線圈SE之間而纏繞在本身上的單一條帶13。根據本發明，游絲11的條帶13在圖7所示範的休止位置而在內線圈SI的開始15和第二線圈S2的開始之間包括第一區A，其中內線圈SI和第二線圈S2之間的節距有所減少。
有利而言，游絲11在第一區A的延伸包括第二區B，其中每條線圈之間的節距持續增加，使得當游絲11收縮時，亦即當內線圈SI的開始15相對於游絲11的中央而已經實行大致-360度的旋轉時(如同游絲1的情形)，在從內線圈SI到倒數第二線圈SP的每條線圈之間則有大致恆定的距離。
較佳而言，如所示範圖8，每條線圈之間的節距在第二區B以大致恆定的數值而持續增加。進一步而言，較佳的根據替代選擇例，第二區B具有恆定的截面。因此，舉例而言，恆定的截面可以具有介於10和50微米之間的恆定厚度和介於50微米和250微米之間的恆定高 度。
根據額外可選用的特徵，有利的根據本發明，游絲11包括第三區C，其在第二區B的延伸並且包括在倒數第二線圈SP的開始和外線圈SE的結束17之間，其中在倒數第二線圈SP和外線圈SE之間，節距持續增加，使得當游絲11膨脹時，亦即當內線圈SI的開始15相對於游絲11的中央而已經實行大致+360度的旋轉時(如同游絲1的情形)，在倒數第二線圈SP和外線圈SE之間則有最小距離以避免接觸，尤其是在倒數第二線圈SP和外線圈SE之間的接觸。
較佳而言，如圖8所示範，每條線圈之間的節距在第三區C以第二大致恆定的數值而持續增加。如圖8所見，第二大致恆定的數值較佳而言大於第二區B之第一大致恆定的數值。進一步而言，較佳的根據本發明，第三區C包括：第一部分C1，其厚度大致相同於第二區B；然後是第二部分C2，其厚度相對於B區而有所增加並且直到外線圈SE的結束17是恆定的。
第一圖形顯示線圈之間的節距P之改變為游絲11之線圈數目的函數，這示範於圖8。可以看到在游絲11的第一區A，節距減少而直到第二區B的開始。於圖8，可以看到第二區B的節距大致恆定的增加而直到第三區C。C區的節距大致恆定的增加而直到外線圈SE的結束17。如圖8所見，第三區C之大致恆定的節距增加要比B區明顯得多。
以補充方式，第二圖形顯示線圈厚度E的改變為游絲11之線圈數目的函數，這示範於圖9。可以看到在第一區A和第二區B，游絲11具有恆定的厚度而直到第三區C。C區包括：第一部分C1，其截面大致相同於第一和第二區A、B；以及第二部分C2，其在第一部分C1的延伸，其截面相對於第二區B而有所增加並且直到外線圈SE的結束17是恆定的。
最後，圖形顯示線圈之間的距離改變△P為游絲11之線圈數目的函數，這示範於圖10。更特定而言，示範了游絲11在其收縮狀態(標以方形□的曲線)、在圖7之休止狀態(標以三角形△的曲線)、在其膨脹狀態(標以圓形○的曲線)的線圈之間的距離△P。
因而，於標以圓形(○)的膨脹狀態，可以看到在游絲11的第一區A，線圈之間的距離△P減少而直到第二區B的開始。之後，注意到在第二和第三區B和C，線圈之間的距離△P持續增加而直到附接於結束17之釘柱的固定點為止，線圈之間的距離再返回到最小數值。
這合乎邏輯，因為在其休止狀態，圖10之標以三角形(△)的曲線相同於圖8的曲線。最後，於標以方形(□)的收縮狀態，可以看到在游絲11的第一區A，線圈之間的距離△P減少而直到第二區B的開始。然後在游絲11的第二區B，線圈之間的距離△P有利而言為恆定的並且等於最小數值。然後注意到在第三區C，線圈之間的距離△P朝向外線圈SE的結束17而持續的增加。
於圖10，注意圓形(○)和方形(□)之曲線的最小數值並不相同。然而，它們或可在幾何上做成相同。
類似而言，圖8到10所述的數值僅使用作為範例。視游絲和/或其所屬之振盪器的組態而定，選擇的最小數值或可異於選擇作為圖10範例的20微米。因此清楚的是圓形(○)和方形(□)曲線的最小數值或可皆選擇成小於或大於20微米。
然而，有利的根據本發明，要了解游絲11的這些特殊特徵允許彈簧在休止時有最大緊湊度，同時保證在收縮和也可能膨脹中的線圈之間有大致恆定的最小距離。典型而言，游絲11在休止下具有11.6個線圈，而最大半徑差不多1.6毫米(亦即游絲11的幾何中央和外線圈SE的結束17之間的距離)。為了完整起見，研究透露出游絲11的幾何中央和內線圈SI的開始15之間的距離差不多是0.5毫米。游絲的尺寸因此可以減到最小，而不因此喪失計時的性質。以本發明的游絲而言，有可能使蝕刻在同一晶圓上的游絲數目最佳化以便減少單位成本。
再者，附帶而言，或可減少線圈數目以更進一步減少游絲1、11的尺寸。
也清楚的是360°的收縮或膨脹角度或可為較小，而不偏離本發明的範圍。事實上，選擇這角度是因為機械理論上無法超越該角度。然而，重點不是距離為最小之時的角度，而是要確保絕不超過最小距離。因此要了解角度或可故意選擇成較低的，因為視機芯的組態而定，清 楚的是正常操作下將不超過這角度。
進一步而言，圖4的縱座標數值是非限制性的。因此，視第二區B的截面而定，第一區A和/或第三區C的最大節距可以有所變化。因此清楚的是僅維持著節距變化，但未必有相同的最小和/或最大數值。
類似而言，圖5的縱座標數值是非限制性的。因此，視第二區B的厚度而定，第一區A和/或第三區C的最大厚度可以有所變化。因此要了解僅維持著厚度變化，但未必有相同的最小和/或最大數值。
也可能組合圖2和7的範例，而不偏離本發明的範圍。舉例來說，或可因此設計發展出具有圖2之A和B區和圖7之C區的游絲，或是具有圖2之B和C區和圖7之A區的游絲。
最後，雖然基於厚度變化做了計算，但清楚的是變化必須理解為截面的變化，亦即游絲之條帶的高度和/或厚度的變化。
1:游絲
3:條帶
5:開始
7:結束
A:第一區
B:第二區
C1:第一部分
C2:第二部分
S2:第二線圈
SI:內線圈
SE:外線圈
SP:倒數第二線圈

Claims (10)

  1. 一種單件式游絲(1、11)，其包括：單一條帶(3、13)，依序具有內線圈(SI)、第二線圈(S2)、倒數第二線圈(SP)和外線圈(SE)，當該條帶(3、13)休止時，在該內線圈(SI)的開始(5、15)和該第二線圈(S2)的結束(7、17)之間界定出：第一區(A)，其中節距由該內線圈(SI)的開始減少；及第二區(B)，其由該第一區(A)之結束延伸，其中每條線圈之間的節距往該外線圈(SE)持續增加，使得當該游絲的收縮角度具有360度的數值時，在從該第二線圈(S2)到該倒數第二線圈(SP)的每條線圈之間則有恆定的距離，其中，於該第二區(B)中，每條線圈之間的該節距以恆定的數值持續增加。
  2. 根據申請專利範圍第1項的單件式游絲(1、11)，其中該第二區(B)具有恆定的截面。
  3. 根據申請專利範圍第1項的單件式游絲(1、11)，其中該第一區(A)所具有的截面在該內線圈(SI)的開始(5、15)和其與該第二區(B)的接合之間有所減少。
  4. 根據申請專利範圍第1項的單件式游絲(1、11)，其中該第一區(A)具有相同於該第二區(B)的截面。
  5. 根據申請專利範圍第1項的單件式游絲(1、11)，其中該游絲(1)另界定出第三區(C)，其由該第二區(B)延伸 並且形成在該倒數第二線圈(SP)的開始和該外線圈(SE)的結束(7、17)之間，其中該節距持續增加，使得當該游絲(1、11)的膨脹角度具有360度的數值時，在該倒數第二線圈(SP)和該外線圈(SE)之間則有最小距離以避免其間有任何接觸。
  6. 根據申請專利範圍第5項的單件式游絲(1、11)，其中於該第三區(C)，該節距以恆定的數值而持續增加。
  7. 根據申請專利範圍第5項的單件式游絲(1、11)，其中該第三區(C)包括：第一部分(C1)，其截面大致相同於該第二區(B)之截面；以及第二部分(C2)，其由該第一部分(C1)延伸，其截面朝向該外線圈(SE)的結束(7、17)而增加。
  8. 根據申請專利範圍第5項的單件式游絲(1、11)，其中該第三區(C)包括：第一部分(C1)，其截面大致相同於該第二區(B)之截面；以及第二部分(C2)，其由該第一部分(C1)延伸，其截面相對於該第二區(B)之截面而增加並且直到該外線圈(SE)的結束(7、17)是恆定的。
  9. 根據申請專利範圍第1項的單件式游絲(1、11)，其中該游絲(1、11)是矽基。
  10. 一種振盪器，其特徵在於該振盪器包括平衡輪，其與根據申請專利範圍第1至9項中任一項的單件式游絲(1、11)協同運作。
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