WO2014203086A1 - Schwingsystem für mechanische uhrwerke, spiralfeder und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Schwingsystem für mechanische uhrwerke, spiralfeder und verfahren zu deren herstellung Download PDF

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WO2014203086A1
WO2014203086A1 PCT/IB2014/060169 IB2014060169W WO2014203086A1 WO 2014203086 A1 WO2014203086 A1 WO 2014203086A1 IB 2014060169 W IB2014060169 W IB 2014060169W WO 2014203086 A1 WO2014203086 A1 WO 2014203086A1
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WO
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spiral spring
region
height
core
maximum height
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Application number
PCT/IB2014/060169
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English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Männicke
Original Assignee
Damasko Uhrenmanufaktur KG
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Publication date
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04B—MECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
    • G04B17/00—Mechanisms for stabilising frequency
    • G04B17/04—Oscillators acting by spring tension
    • G04B17/06—Oscillators with hairsprings, e.g. balance
    • G04B17/066—Manufacture of the spiral spring

Definitions

  • the invention relates to a vibration system for mechanical movements.
  • the vibration system comprises a vibrating body and a balance shaft pivotally mounted about an axis.
  • a coil spring has formed an active vibration region.
  • the coil spring is connected to the balance shaft by a coil spring attachment portion surrounding the balance shaft, so that the coil spring is held at an outer spring retention point.
  • the active vibration region extends from an inner end of the active vibration region adjacent to the coil spring attachment section to the outer spring retention point.
  • the invention relates to a coil spring.
  • the spiral spring is constructed from a spiral spring attachment section, an adjoining oscillation area with at least one turn and a stabilization area adjoining the oscillation area.
  • the coil spring has a silicon core that has a substantially constant cross-section over the length of the vibration region, prior to thermal oxidation.
  • the invention relates to a method for producing a spiral spring for mechanical movements.
  • the balance comprises a vibrating body, which is mounted pivotably about an axis of rotation by means of a balance shaft. Further, a spiral or balance spring is provided, which forms the oscillatory and clocking system together with the mass of the vibrating body.
  • a spiral or balance spring is provided, which forms the oscillatory and clocking system together with the mass of the vibrating body.
  • tolerances can not be excluded. This applies to a greater extent to coil springs made of silicon, which are provided on their surfaces to achieve the necessary strength and / or temperature independence with a coating of silicon dioxide. As a rule, this coating takes place by thermal oxidation.
  • the active spring length extends between the inner coil spring end and the outer breakpoint of the coil spring.
  • the inner coil spring end is located at the location where the coil spring has a width radial to the spring axis that is equal to or substantially equal to the width of its turns.
  • the active spring length is also called active vibration range.
  • WO 2013/056706 A1 proposes not to provide an additional mass in the area of the outer turn of the spiral spring, but rather to increase the area moment of inertia of the spiral spring.
  • Such an increase in the area moment of inertia can be achieved in a simple manner by means of a reduced height and increased width of the helical spring in comparison to the inner walls of the helical spring in the area of the outer turn. Since the increase of the width with the third power enters into the calculation of the area moment of inertia and the decrease of the height has only a linear effect, the coil spring can be designed so that an increase of the area moment of inertia without mass increase is possible.
  • EP 1 422 436 A1 discloses a method for producing spiral springs for the oscillatory system of mechanical clocks made of monocrystalline silicon.
  • the silicon core of the coil spring is completely encased in silicon dioxide.
  • European Patent Application EP 2 284 628 A2 discloses a resonator (coil spring) which is thermally compensated and has a core of monocrystalline silicon.
  • the thermal oxidation of the coil spring is formed according to an embodiment such that at least one surface of the oscillating region of the core is provided with a coating and at least one other surface is provided with no coating.
  • the oscillating region of the core is provided with a coating on at least two adjacent surfaces, these coatings differing in thickness.
  • the US patent application US 2011/069591 A1 discloses a vibrating system for a mechanical movement. It consists of a flat spiral spring made of a tortuous strip, which is shaped so that the coil spring oscillates almost concentrically and almost no force is exerted on its retaining pins and points on the movement. The stiffness of the coil spring gradually decreases toward its center. This is achieved by changing the cross section of the core of the coil spring.
  • the US-patent US 7,682,068 B2 relates to mechanical oscillators for watches.
  • the oscillators comprise an arrangement of a spiral and a temperature-compensated equilibrium.
  • the spiral is cut from a quartz substrate.
  • the crystallographic direction of the cutting plane is chosen to thermally compensate for the thermal drifts of the spiral and their corresponding balance.
  • the immediately adjacent loops of the spirals can be spaced apart by such a wide gap that they do not collide even at large oscillation amplitudes.
  • the object of the invention is to provide constant and permanently unchanged vibration behavior of a vibration system for mechanical movements whose spiral spring shows a permanently excellent vibration behavior, is easy and reproducible to manufacture and the Mass of the coil spring reduced, without neglecting the required temperature compensation.
  • a further object of the invention is to provide a helical spring for mechanical movements, which shows a permanently excellent vibration behavior, is simple and reproducible to produce and reduces the mass of the coil spring, without neglecting the required temperature compensation.
  • the “active vibration region” of the coil spring extends from the inner end of the active vibration region adjacent to the coil spring attachment portion of the spiral spring to the outer spring support point.
  • the present invention provides a vibrating system for mechanical movements, comprising a vibrating body, a balance shaft pivotally mounted about an axis and a coil spring with an active vibration region to Available.
  • the coil spring is connected to the balance shaft by a balance spring mounting portion surrounding the balance shaft and held at an outer spring support point.
  • the active vibration region extends from an inner end of the active vibration region adjacent to the coil spring attachment section to the outer spring retention point.
  • the active oscillation area of the spiral spring has at least two partial areas, namely a first partial area and a second partial area adjoining the first partial area in the direction of the inner end of the oscillation area.
  • the spiral spring has, parallel to the axis of the balance shaft coinciding with the axis of the balance spring, a first maximum height in its first partial region and a second maximum height in its second partial region. Radially to the axis of the coil spring, the coil spring has a width in its first portion and in its second portion.
  • the present invention is based on the finding that an improved vibration behavior can be achieved by the lowest possible mass of the coil spring. Due to the reduced mass, the bearings of the coil spring are loaded less and therefore subject to less wear, which in turn leads to an improved accuracy of the clock over a longer period. However, any reduction of the spring cross-section is not possible, since in this case no sufficient stiffness of the spring would be achieved.
  • the present invention thus provides a spiral spring in which a portion of greater height is followed by a portion of lesser height, wherein the portions have an equal width.
  • the "normal value” or the “width” of a spiral spring is understood to mean the mean value of the height or varying width of a spiral spring varying over the respective length of the spiral spring. It should be noted that the coil spring is not provided with any coating. Usually coil springs are made for manufacturing reasons with a constant height and a constant width in the respective sub-areas. The spiral spring thus has a constant cross section of the silicon core in its oscillation range.
  • the overall spring length of the coil spring extends from the inner coil spring end to the outer spring support point.
  • the inner end of the active vibration region is located at the point where the oscillation region of the coil spring merges with the coil spring attachment section that serves to fix the coil spring to the balance shaft.
  • the outer spring retention point is determined either by a fixed spring retention point or by the position of a recoiler.
  • the active vibration region extends to this outer spring breakpoint.
  • the boundary between the individual subregions of the spiral spring according to the invention is defined by the fact that the height h (n + i ) of the spiral spring is between 1% and 3% lower in its n + 1st subregion than the height h Tn of the spiral spring in its nth subarea.
  • the boundary between the subregions is immediately obvious.
  • a discontinuity in height corresponding to a step forms at the boundary between the sub-regions.
  • the boundary between the subregions can be determined by a person skilled in the art with the aid of simple measurements.
  • the boundary between the subregions is recognizable. However, there is no discontinuity at the border between the sub-regions. Due to the choice of masking, after the thermal oxidation, a wave-like structure is formed which has a first maximum height in a first partial region and a second maximum height in a second partial region.
  • a simple mathematical evaluation can be used to calculate each point at which the average height of a partial area deviates from the average height of the adjacent area by at least 1%.
  • the point from which the said condition is met represents the boundary between the two subregions.
  • the spiral spring has n subregions, wherein the nth subregion has a height h Tn and n is an integer.
  • n 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 100, 105, 110, 15, 120, 125, 130, 135, 140, 145, 150, 155, 160, 165, 170, 175, 180, 185, 190, 195, 200, 210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280, 290, 300, 310, 320, 330, 340, 350, 360, 370, 380, 390, 400, 410, 420, 430, 440, 450, 460, 470, 480, 490 or 500.
  • At least one turn of the spiral spring has m subregions, wherein the m th subregion has a height h Tm and m is an integer.
  • m 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 1 1, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 100, 105, 110, 115, 120, 125, 130, 135, 140, 145, 150, 155, 160, 165, 170, 175, 180, 185, 190, 195 or 200.
  • the individual turns of the spiral spring can have the same number of partial areas or a different number. It is also possible for a plurality of walls to have the same number of partial areas, but for other coils a number of partial areas deviating therefrom.
  • nth subarea of greater height is followed by an n + 1st subarea of lesser height.
  • This n + 1st subarea is followed by an n + 2nd subarea, which has a greater height than the n + 1st subarea.
  • the height of the n + 2nd subregion can be greater or less.
  • a partial area of lesser height extends from the outer spring-holding point in the direction of the inner end of the oscillation area.
  • a partial area of lesser height is located in the outermost wall of the spiral spring in the area adjoining the outer spring holding point.
  • advantageous embodiments can also result if a partial area of greater height extends from the outer spring holding point in the direction of the inner end of the oscillation area.
  • all subregions of lesser height have the same height h ge .
  • all subsections with larger ones are particularly preferred Height the same height h gr .
  • it is at the outer spring support point to a fixed Ansteckddling or it is the outer spring support point formed by a back.
  • the spiral spring is made of silicon and has at least partially a coating of silicon dioxide.
  • the present invention provides in its most general form a spiral spring in which two partial areas of greater maximum height are separated from each other by a partial area of lesser maximum height.
  • the present invention includes all conceivable embodiments of coil springs having a stabilizing portion in the form of an additional mass in a portion of its outer turn. This additional mass can be achieved for example by broadening the spring in this section.
  • Such a section of the spring which is usually referred to as a "stabilization area” is provided in these cases in addition to the two partial areas of greater height and the partial area of smaller height arranged between these partial areas. which have a constant width, the coil spring has an increased width in the stabilization region.
  • the present invention also includes a mechanical timepiece with a mechanical vibration system, wherein the vibration system is configured as described above.
  • a spiral spring comprises a spiral spring attachment section, an adjoining oscillation area with at least one turn and a stabilization area adjoining the oscillation area.
  • the coil spring has a silicon core that has a substantially constant cross-section over the length of the vibration region, prior to thermal oxidation. After the thermal oxidation, the coil spring has formed in the oscillating region at least a first partial region with a first maximum height and at least one second partial region with a second maximum height. The first maximum height is greater than the second maximum height.
  • a plurality of the first subregions having the first maximum height and a plurality of the second subregions having the second maximum height may be formed.
  • the core of silicon in one embodiment of the invention, carries in the at least one first subregion a Si0 2 layer with a first maximum height and in the at least second subregion a Si0 2 layer with a second maximum height.
  • the silicon core in the at least one first partial region has a SiO 2 layer with a first maximum height, wherein no SiO 2 layer is present in the at least second partial region.
  • the core of silicon in the at least one first subregion may comprise a Si0 2 layer having a first maximum Height and have formed in the at least second portion of a recess in the core of silicon.
  • the core of silicon in the at least one first subregion carries a SiO 2 layer having a first maximum height and in the at least second subregion a mask whose thickness is less than the first height the Si0 2 - layer in the first part.
  • the material of the masking is also converted to Si0 2 and a substantially undulating structure of the succession of the first and second forms Subareas off.
  • the inventive method for producing a spiral spring for mechanical movements characterized by the following steps:
  • a swinging portion of the coil spring has a core with two opposite side surfaces with an average height h and two opposite top surfaces with an average width b, wherein the side surfaces and the top surfaces along the
  • FIG. 1 shows by way of example a perspective view of a vibration system for mechanical watches (prior art)
  • FIG. 2 shows by way of example a section along an axis of the balance shaft receiving plane through the oscillating system according to FIG. 1 (prior art) and
  • Fig. 3 by way of example a perspective side view of the exempted
  • Fig. 4 is a perspective view of the coil spring in conjunction with the
  • Fig. 5 in detail and in plan view an embodiment of the
  • Fig. 6 in detail and in plan view another embodiment of the coil spring according to the present invention.
  • Fig. 7 is a view of the cross section of the core of silicon
  • Fig. 8 is a view of the cross section of the core of silicon with a
  • Si0 2 - layer is surrounded;
  • Fig. 10 is a side view of part of a coil of the coil spring which carries a mask; a side view of a portion of a winding of the coil spring with a Si0 2 - layer, which has formed after a period of thermal oxidation; Fig.
  • FIG. 12 is a side view of a portion of a coil of the coil spring with a Si0 2 - layer, which has formed after the completed thermal oxidation; a side view of a portion of a winding in which a continuous Si0 2 - layer is applied; a side view of a portion of a turn, in which according to an embodiment in at least a partial area, the Si0 2 - layer has been completely removed; a side view of a portion of a turn, in which according to a further embodiment, in at least a partial area, the Si0 2 - layer has been partially removed; and FIG. 16 shows a side view of a part of a turn in which, in accordance with an additional embodiment, the SiO 2 layer has been completely removed in at least one partial area and part of the silicon has been removed.
  • the oscillating system 1 comprises a vibrating body in the form of a flywheel 2, a balance shaft 3 and a coil spring 4.
  • the flywheel 2 consists of an outer circular ring section 2.1, which is connected via a plurality of spokes 2.2 with a hub section 2.3.
  • the hub portion 2.3 has a deviating from the circular, central through hole, in which an associated shaft portion 3 'of the balance shaft 3 is added, the concentric outer side makes a positive connection with the hub portion 2.3 of the flywheel 2.
  • the flywheel 2 is rotatably connected to the balance shaft 3.
  • several inertia 2.4 are attached at the center of rotation of the flywheel 2 facing inside of the outer annulus section 2.1.
  • the balance-wheel shaft 3 also has an upper and lower free end 3.1, 3.2, which taper in a pointed manner and are received for the rotatable mounting of the balance-wheel shaft 3 about its axis UA in correspondingly formed upper and lower bearing units.
  • an upper bearing unit is shown by way of example.
  • the axis UA of the balance shaft 3 is thus at the same time the axis of rotation of the flywheel 2 and the axis of the coil spring 4.
  • the coil spring 4 consists of a preferably annular, inner coil spring mounting portion 4.1 and an outer Spiralfederendabites 4.2. In between there are several spiral spring ring sections 4.3, which extend in a plane perpendicular and preferably concentric to the axis of the coil spring 4, which coincides with the axis UA of the balance shaft 3.
  • the preferably annular, inner coil spring mounting portion 4.1 is rotatably connected to the balance shaft 3, preferably glued and / or by positive engagement.
  • the balance-wheel shaft 3 has a shaft section 3 "designed to receive the inner spiral-spring fastening section 4.1, which shaft section 3" is arranged above the shaft section 3 receiving the flywheel 2.
  • the holding assembly 5 is provided for adjusting the center of the coil spring 4.
  • the holding arrangement 5 comprises at least one Holding arm 6 and a holding element 7 which is slidably mounted in the region of the outer free end of the support arm 6 along the longitudinal axis LHA of the lever arm 6.
  • the holding arm 6 has an inner retaining arm end 6.1 and an outer retaining arm end
  • the inner retaining arm 6.1 is about unspecified holding means which can accommodate the upper and lower bearing units for rotatable mounting of the balance shaft 3, rotatably secured, in such a way that the open circular ring of the inner armrest 6.1 surrounds the axis UA of the balance shaft 3 concentric ,
  • the holding element 7 has a substantially cylindrical, elongated base body 7.1 with an upper and lower end face 7.1 1, 7.12 and a longitudinal axis LHE, which has a 7.15 opened to the upper end face blind hole 7.2 with an internal thread for receiving a screw 8.
  • the screw 8 which is guided by the elongated guide recess 6.3 of the support arm 6, the holding element 7 is firmly screwed to the support arm 6, in such a way that the longitudinal axis LHA of the support arm 6 and the longitudinal axis LHE of the support member 7 are perpendicular to each other.
  • a plane receiving the longitudinal axis LHE of the main body 7.1 divides the guide recess 7.3 approximately into two opposite, equal halves of the fork-shaped lower free end of the holding element 7. In the assembled state is thus by means of the holding assembly 5 of the radial distance A between the axis UA of the balance shaft 3 and the longitudinal axis LHE of the holding element 7 and thus of the outer Spiralfederendabitess 4.2 adjustable.
  • the coil spring center is adjustable, and preferably such that the Spiralfederringabroughe 4.3 each have the same distance from one another and extend concentrically about the axis UA.
  • Figure 4 shows a perspective view of an embodiment of the coil spring 4, which is rotatably connected with its coil spring mounting portion 4.1 with the balance shaft 3.
  • the oscillation area LA form the spiral spring ring sections 4.3 of the spiral spring 4.
  • the spiral spring ring sections 4.3 extend from an inner end 13 of the spiral spring attachment section 4.1 to a stabilization area LS and form the oscillation area LA.
  • FIG. 5 shows, in a detail view and a plan view, a spiral spring 4 of the mechanical vibration system 1 according to an embodiment of the invention.
  • the coil spring 4 in the illustrated embodiment is e.g. made of a starting material (wafer) of monocrystalline silicon or polycrystalline silicon. For polycrystalline silicon, this grows e.g. by a deposition process on the starting material. Using a masking-etching process to obtain an integrally formed and a plurality of turns 9 having coil spring 4, which consists essentially of silicon and the inner coil spring mounting portion 4.1, with which the coil spring 4 is attached to the balance shaft 3.
  • the active oscillation region LA of the coil spring 4 extends from the inner end 13 of the active oscillation region LA adjoining the spiral spring attachment section 4.1 of the spiral spring 4 to the outer spring retention point 14 or the beginning 15 of the stabilization region LS (see embodiment FIG. 4). This is formed in the embodiments shown in Figures 1 - 3 by the connection of the outer Spiralfederringabitese 4.3 with the holding element 7.
  • the illustrated coil spring 4 has a plurality of second portions 1 1 with a lower height and a plurality of first portions 10 having a greater height.
  • the height h T2 of the second portion 1 1 is thus by 1% to max. 3% less than the height h T i of the first portion 10th
  • the spring has the same width.
  • all second subregions 1 1 have a common height.
  • all the first partial areas 10 have a common height, which, however, differs from the height of the second partial areas 11.
  • first a second sub-area 11 of lesser height extends, followed by a first sub-area 10 of greater height, and so on.
  • all windings 9 of the illustrated spiral spring 4 each comprise a total of eight second partial regions 11 of lesser height and eight first partial regions 10 of greater height.
  • first and second portions 10 and 11 in the direction of the inner spring end 13 out with ever lesser extent in the direction of the spring length configured.
  • Other arrangements of the first and second portions 10 and 11 are conceivable.
  • FIG. 5 shows a further embodiment of the coil spring 4
  • the illustrated coil spring 4 has a plurality of second portions 1 1 with a lower height and a plurality of first portions 10 having a greater height. The height h T2 of the second portion 1 1 is thus by 1% to max.
  • the third subarea of greater height is also designated by the reference numeral 12, this subarea corresponding in its characteristics to a first subarea 10.
  • FIG. 7 shows a cross section through a core 17 of a winding 9 of the spiral spring 4.
  • the core 17 has a substantially constant cross section over the entire length of the windings 9 of the oscillation region LA.
  • the core 17 has a height H and a width B.
  • the core 17 is provided with an all-around Si0 2 layer 20, which is formed by the thermal oxidation of the core 17.
  • the resulting after the thermal oxidation of the core section 17 of the vibration region LA has a height H 0 x and a width ⁇ 0 ⁇ .
  • the core 17 with two opposite side surfaces 22 has an average height H.
  • Two opposite top surfaces 24 have an average width B, wherein the side surfaces 22 and the top surfaces 24 of the core 17 of the coil spring 4 extend along the vibration region LA.
  • FIG. 9 the region of the oxidized core 17 identified by the dashed circle K from FIG. 8 is shown enlarged.
  • a portion of the silicon at the surface of the core 17 is converted to Si0 2 .
  • Si0 2 continues to grow, so that ultimately the height H 0 x and a width box of the cross section of the turns 9 of the oscillation area LA result.
  • the dashed line in FIG. 9 indicates the height H and the width B of the unoxidized core 17.
  • Figures 10, 11 and 12 illustrate an embodiment of the embodiment of the turns 9 of the oscillation area LA of the coil spring 4, wherein a side view of a portion of a winding 9 of the oscillation area LA shown is.
  • the effect of the mask 18 is that the thermal oxidation of the core 17 and the growth of the Si0 2 - layer in the region of the mask 18 runs differently and thus to a other training of Si0 2 - layer 20 leads.
  • the mask 18 is a diffusion barrier for oxygen.
  • the core 17 is not covered by the mask 18 and thus freely accessible to oxygen.
  • the mask 18 has a thickness 18D, which initially corresponds to the second height h T2 in the second subregion 11. Due to the thermal oxidation, an SiO 2 layer 20 grows in the first subarea 10 (see FIG.
  • the SiO 2 layer 20 has a maximum first height h T i.
  • the SiO 2 - Layer 20 is subjected to thermal oxidation until the mask 18 itself and also in Si0 2 has been converted, in the case of a silicon nitride mask, the nitrogen from the mask is replaced by the oxygen the coil spring 4 first portions 10 and second portions 1 1 formed, but which are not distinguishable from each other by such sharp boundaries, as for example in the illustration of FIG. 15 of the Fal l is.
  • the periodic succession of the first partial regions 10 and the second partial regions 11 show a certain wave structure.
  • the first portion 10 have a maximum first height hT1 and the second portion 1 1 has a maximum second height hT1. Due to the wave structure, the maximum first height hT1 or the maximum second height hT2 within the first partial area 10 and the second partial area 11 is not constant. Nevertheless, the subareas can be clearly distinguished from one another with the means known to a person skilled in the art.
  • FIG. 13 shows a side view of part of a winding 9, in which a continuous SiO 2 layer 20 is applied.
  • FIGS. 13 to 15 the different embodiments are shown, to what extent the SiO 2 layer 20 is removed in order to cover the second partial area 11 in the respective case to train the desired type.
  • FIG. 14 shows the embodiment in which the SiO 2 layer 20 is removed so far in the second subregion 11 that the core 17 in the second subregion 11 is exposed in the second subregion 11.
  • the SiO 2 layer 20 is formed with a first height h T i.
  • no Si0 2 - layer 20 is present.
  • the second height h T2 in the second sub-area 1 1 thus has the value "zero".
  • FIG. 15 shows an embodiment in which the silicon core 17 in the at least one first partial region 10 carries a SiO 2 layer 20 with a first height H T i.
  • the Si0 2 - layer 20 is removed and formed a recess 19 in the core 17 made of silicon.
  • the recess 19 has a depth 19 T.
  • the second height h T2 in the second subregion 11 thus has a negative value, if one starts from the silicon surface of the core as a reference.
  • the SiO 2 is removed by means of known removal methods.

Abstract

Beschrieben wird ein Schwingsystem (1) für mechanische Uhrwerke, eine Spiralfeder (4) und ein Verfahren zur Herstellung einer Spiralfeder (4). Die Spiralfeder (4) ist mit einem Spiralfederbefestigungsabschnitt (4.1), einem daran anschließenden Schwingungsbereich (LA) mit mindestens einer Windung (9) und einem an den Schwingungsbereich (LA) anschließenden Stabilisierungsbereich (LS) versehen. Ein Kern (17) aus Silizium besitzt über die Länge des Schwingungsbereichs (LA) vor dem thermischen Oxidieren im Wesentlichen einen konstanten Querschnitt (17Q). Nach dem thermischen Oxidieren weist die Spiralfeder (4) im Schwingungsbereich (LA) mindestens einen ersten Teilbereich (10) mit einer ersten Höhe (hT1) und mindestens einen zweiten Teilbereich (11) mit einer zweiten Höhe (hT2) auf. Dabei ist die erste Höhe (hT1) größer ist, als die zweite Höhe (hT2).

Description

Schwingsystem für mechanische Uhrwerke, Spiralfeder und Verfahren zu deren Herstellung
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Schwingsystem für mechanische Uhrwerke. Insbesondere umfasst das Schwingsystem einen Schwingkörper und eine um eine Achse schwenkbar gelagerte Unruhwelle. Eine Spiralfeder hat einen aktiven Schwingungsbereich ausgebildet. Die Spiralfeder ist durch einen die Unruhwelle umschließenden Spiralfederbefestigungsabschnitt mit der Unruhwelle verbunden, so dass die Spiralfeder an einem äußeren Federhaltepunkt gehalten wird. Der aktive Schwingungsbereich erstreckt sich von einem an den Spiralfederbefestigungsabschnitt anschließenden inneren Ende des aktiven Schwingungsbereichs bis zu dem äußeren Federhaltepunkt.
Ferner betrifft die Erfindung eine Spiralfeder. Die Spiralfeder ist aus einem Spiralfederbefestigungsabschnitt, einem sich daran anschließenden Schwingbereich mit mindestens einer Windung und einem an den Schwingbereich anschließenden Stabilisierungsbereich aufgebaut. Die Spiralfeder hat einen Kern aus Silizium der über die Länge des Schwingbereichs, vor dem thermischen Oxidieren, einen im Wesentlichen konstanten Querschnitt besitzt.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Spiralfeder für mechanische Uhrwerke.
Stand der Technik
Schwingsysteme für mechanische Uhrwerke, insbesondere für Armbanduhren, werden in der Fachwelt auch als Unruh bezeichnet. Die Unruh umfasst einen Schwingkörper, welcher mittels einer Unruhwelle schwenkbar um eine Drehachse gelagert ist. Ferner ist eine Spiral- bzw. Unruhfeder vorgesehen, die zusammen mit der Masse des Schwing körpers das schwingungsfähige und taktgebende System bildet. Bei der Herstellung der Spiralfedern sind Toleranzen nicht auszuschließen. Dies gilt in verstärktem Maße für Spiralfedern aus Silizium, die an ihren Oberflächen zur Erzielung der notwendigen Festigkeit und/oder Temperaturunabhängigkeit mit einer Beschichtung aus Siliziumdioxid versehen werden. In der Regel erfolgt diese Beschichtung durch thermische Oxidation.
Es ist bekannt, die Spiralfeder eines mechanischen Schwingsystems im Bereich der äußeren Windung zur Schaffung einer zusätzlichen Masse oder Ausgleichsmasse mit einer Verdickung auszubilden, um eine oszillierende Verlagerung der Spiralfeder beim Schwingen des Schwingsystems zu vermeiden. Um diesen Effekt zu erreichen, ist eine optimale Abstimmung der Masse der Verdickung in Bezug auf die Masse der gesamten aktiven Federlänge der Spiralfeder notwendig. Die aktive Federlänge erstreckt sich zwischen dem inneren Spiralfederende und dem äußeren Haltepunkt der Spiralfeder. Das innere Spiralfederende ist an der Stelle lokalisiert, an der die Spiralfeder radial zur Federachse eine Breite aufweist, die gleich oder im Wesentlichen gleich der Breite ihrer Windungen ist. Die aktive Federlänge wird auch als aktiver Schwingungsbereich bezeichnet. Die WO 2013/056706 A1 schlägt vor, im Bereich der äußeren Windung der Spiralfeder nicht notwendigerweise eine zusätzliche Masse vorzusehen, sondern eine Erhöhung des Flächenträgheitsmoments der Spiralfeder vorzunehmen. Eine solche Erhöhung des Flächenträgheitsmoments kann in einfacher Weise durch eine im Vergleich zu den inneren Wndungen der Spiralfeder im Bereich der äußeren Windung verringerte Höhe und vergrößerte Breite der Spiralfeder erreicht werden. Da die Zunahme der Breite mit der dritten Potenz in die Berechnung des Flächenträgheitsmoments eingeht und die Abnahme der Höhe sich nur linear auswirkt, kann die Spiralfeder so ausgebildet werden, dass eine Erhöhung des Flächenträgheitsmoments ohne Massenzunahme möglich ist.
Aus der EP 1 422 436 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen von Spiralfedern für das Schwingsystem von mechanischen Uhren aus einkristallinem Silizium bekannt. Der Silizium-Kern der Spiralfeder ist dabei vollkommen mit Siliziumdioxid ummantelt. Die europäische Patentanmeldung EP 2 284 628 A2 offenbart einen Resonator (Spiralfeder), der thermisch kompensiert ist und einen Kern aus monokristallinem Silizium besitzt. Die thermische Oxidation der Spiralfeder ist gemäß einer Ausführungsform derart ausgebildet, dass mindestens eine Fläche des Schwingbereichs des Kerns mit einer Beschichtung versehen ist und mindestens eine andere Fläche mit keiner Beschichtung versehen ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Schwingbereich des Kerns an mindestens zwei angerenzenden Flächen mit einer Beschichtung versehen, wobei sich diese Beschichtungen in der Dicke unterscheiden.
Die US-amerikanische Patentanmeldung US 2011/069591 A1 offenbart ein Schwingsystem für ein mechanisches Uhrwerk. Es umfasst eine flache Spiralfeder aus einem gewundenen Streifen, der so ausgeformt ist, dass die Spiralfeder fast konzentrisch schwingt und nahezu keine Kraft auf ihre Haltezapfen und -punkte am Uhrwerk ausgeübt wird. Die Steifigkeit der Spiralfeder nimmt zu ihrer Mitte hin allmählich ab. Dies wird durch eine Veränderung des Querschnitts des Kerns der Spiralfeder erreicht.
Die US-amerikanische Patentschrift US 7,682,068 B2 betrifft mechanische Oszillatoren für Armbanduhren. Die Oszillatoren umfassen eine Anordnung aus einer Spirale und einem temperaturkompensierten Gleichgewicht. Die Spirale ist aus einem Quarzsubstrat geschnitten. Die kristallographische Richtung der Schnittebene ist so gewählt, dass die thermischen Drifts der Spirale und ihrem korrespondierendem Gleichgewicht thermisch kompensiert werden. Die unmittelbar benachbarten Schleifen der Spiralen können insbesondere durch einen derart breiten Spalt beabstandet werden, dass sie auch bei großen Schwingungsamplituden nicht kollidieren.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist, konstantes und dauerhaft unverändertes Schwingverhalten eines Schwingsystems für mechanische Uhrwerke bereitzustellen, dessen Spiralfeder ein dauerhaft ausgezeichnetes Schwingungsverhalten zeigt, einfach und reproduzierbar herzustellen ist und die Masse der Spiralfeder reduziert, ohne dabei die erforderliche Temperaturkompensation zu vernachlässigen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Schwingsystem für mechanische Uhrwerke gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, eine Spiralfeder für mechanische Uhrwerke bereitzustellen, die ein dauerhaft ausgezeichnetes Schwingungsverhalten zeigt, einfach und reproduzierbar herzustellen ist und die Masse der Spiralfeder reduziert, ohne dabei die erforderliche Temperaturkompensation zu vernachlässigen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Schwingsystem für mechanische Uhrwerke gemäß Patentanspruch 9 gelöst. Zusätzlich ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Spiralfeder für mechanische Uhrwerke bereitzustellen, das einfach und zuverlässig durchzuführen ist und woraus eine Spiralfeder mit einen dauerhaft ausgezeichneten Schwingungsverhalten resultiert, die ebenfalls die erforderliche Temperaturkompensation aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung einer Spiralfeder für mechanische Uhrwerke gelöst, das die Merkmale des Patentanspruchs 15 umfasst. Weitere vorteilhafte Aspekte, Details und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den Figuren.
Der„aktive Schwingungsbereich" der Spiralfeder erstreckt sich von dem an den Spiralfederbefestigungsabschnitt der Spiralfeder anschließenden inneren Ende des aktiven Schwingungsbereichs bis zu dem äußeren Federhaltepunkt.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Schwingsystem für mechanische Uhrwerke, aufweisend einen Schwingkörper, eine um eine Achse schwenkbar gelagerte Unruhwelle und eine Spiralfeder mit einem aktiven Schwingungsbereich, zur Verfügung. Die Spiralfeder ist durch einen die Unruhwelle umschließenden Spiralfederbefestigungsabschnitt mit der Unruhwelle verbunden und an einem äußeren Federhaltepunkt gehalten. Der aktive Schwingungsbereich erstreckt sich von einem an den Spiralfederbefestigungsabschnitt anschließenden inneren Ende des aktiven Schwingungsbereichs bis zu dem äußeren Federhaltepunkt. Erfindungsgemäß weist der aktive Schwingungsbereich der Spiralfeder zumindest zwei Teilbereiche auf, nämlich einen ersten Teilbereich und einen sich an den ersten Teilbereich in Richtung des inneren Endes des Schwingungsbereichs anschließenden zweiten Teilbereich auf. Die Spiralfeder weist parallel zu der mit der Achse der Unruhwelle zusammenfallenden Achse der Spiralfeder in ihrem ersten Teilbereich eine erste maximale Höhe und in ihrem zweiten Teilbereich eine zweite maximale Höhe auf. Radial zur Achse der Spiralfeder weist die Spiralfeder in ihrem ersten Teilbereich und in ihrem zweiten Teilbereich eine Breite auf. Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass ein verbessertes Schwingverhalten durch eine möglichst geringe Masse der Spiralfeder erreicht werden kann. Durch die verringerte Masse werden die Lager der Spiralfeder geringer belastet und unterliegen daher einem geringerem Verschleiß, was wiederum zu einer verbesserten Ganggenauigkeit der Uhr über einen längeren Zeitraum führt. Eine beliebige Reduktion des Federquerschnitts ist aber nicht möglich, da in diesem Fall keine ausreichende Steifigkeit der Feder erzielt werden würde.
Experimentelle Untersuchungen haben nun gezeigt, dass eine Verringerung der Masse bei gleichzeitig ausreichender Steifigkeit der Feder in idealer Weise erreicht werden kann, indem die Spiralfeder in zumindest einem Teilbereich eine gegenüber dem mindestens einen benachbarten Teilbereich zwischen 1 % und 3% reduzierte Höhe aufweist, wobei die Höhe auf die maximale Höhe der Spiralfeder bezogen ist. Durch das gezielte Absenken der Höhe der Spiralfeder in diesem Teilbereich bei konstanter Federbreite wird also eine Verminderung der Masse der Spiralfeder bei im Wesentlichen gleich bleibender Steifigkeit erzielt. In ihrer allgemeinsten Form stellt die vorliegende Erfindung also eine Spiralfeder zur Verfügung, bei der ein Teilbereich mit größerer Höhe von einem Teilbereich mit geringerer Höhe gefolgt ist, wobei die Teilbereiche eine gleiche Breite aufweisen. Durch diese verringerte Höhe in dem genannten Teilbereich der Spiralfeder wird in einfacher Weise ein Teilbereich mit einer verringerten Masse geschaffen. Gleichzeitig stellt sich ein zusätzlicher vorteilhafter Effekt dahingehend ein, dass bei einer Herstellung der Feder durch ein Ätzverfahren eine umso größere Genauigkeit in der Konformität der Federbreite erreicht wird.
Unter der„Höhe" bzw. der„Breite" einer Spiralfeder wird im Falle einer eventuell variierenden Höhe bzw. variierenden Breite der auf die entsprechende Länge der Spiralfeder normierte Mittelwert der über die jeweilige Länge der Spiralfeder variierenden Höhe bzw. variierenden Breite einer Spiralfeder verstanden. Dabei ist zu beachten, dass die Spiralfeder noch mit keiner Beschichtung versehen ist. Üblicherweise werden Spiralfedern aus fertigungstechnischen Gründen mit einer konstanten Höhe und einer konstanten Breite in den jeweiligen Teilbereichen gefertigt. Die Spiralfeder hat somit in ihrem Schwingungsbereich einen konstanten Querschnitt des Kerns aus Silizium.
Die Gesamtfederlänge der Spiralfeder erstreckt sich von dem inneren Spiralfederende bis zu dem äußeren Federhaltepunkt. Das innere Ende des aktiven Schwingungsbereichs ist an der Stelle lokalisiert, an dem der Schwingungsbereich der Spiralfeder in den Spiralfederbefestigungsabschnitt, der der Befestigung der Spiralfeder an der Unruhwelle dient, übergeht. Der äußere Federhaltepunkt wird entweder durch einen fest fixierten Federhaltepunkt oder durch die Position eines Rückers festgelegt. Der aktive Schwingungsbereich erstreckt sich bis zu diesem äußeren Federhaltepunkt.
Die Grenze zwischen den einzelnen Teilbereichen der erfindungsgemäßen Spiralfeder ist dadurch festgelegt, dass die Höhe h(n+i) der Spiralfeder in ihrem n+1ten Teilbereich zwischen 1 % und 3% geringer ist, als die Höhe hTn der Spiralfeder in ihrem n-ten Teilbereich. Im Falle konstanter Höhen hTn und hT(n+i) ist die Grenze zwischen den Teilbereichen sofort offensichtlich. Gemäß einer Ausführungsform bildet sich an der Grenze zwischen den Teilberiechen eine Unstetigkeit in der Höhe entsprechend einer Stufe aus . Im Falle variierender Höhen hTn und hT(n+i) kann die Grenze zwischen den Teilbereichen durch den Fachmann mit Hilfe einfacher Messungen bestimmt werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Grenze zwischen den Teilbereichen erkennbar. Es bildet sich jedoch an der Grenze zwischen den Teilberiechen keine Unstetigkeit aus. Aufgrund der Wahl der Maskierung wwird sich nach der thermischen Oxidation eine wellenartige Struktur ausbilden, die in einem ersten Teilbereich eine erste maximale Höhe und in einem zweiten Teilbereich eine zweite maximale Höhe aufweist.
Nach der Bestimmung der Höhe der Spiralfeder in definierten Längenabschnitten über die gesamte Federlänge hinweg kann durch eine einfache mathematische Auswertung jeder Punkt berechnet werden, an dem die durchschnittliche Höhe eines Teilbereichs von der durchschnittlichen Höhe des anschließenden Bereichs um wenigstens 1 % abweicht. Der Punkt, ab dem die genannte Bedingung erfüllt ist, stellt die Grenze zwischen den beiden Teilbereichen dar. Obwohl also die Grenze zwischen den einzelnen Teilbereichen bei Inaugenscheinnahme einer bestimmten Spiralfeder nicht unbedingt sofort offenbart ist, können die Grenzen bzw. die Übergänge für alle Teilbereiche einer beliebigen Spiralfeder durch eine für den Fachmann leicht durchzuführende und einfach auswertbare Messung eindeutig bestimmt werden.
Durch die nachfolgend näher erläuterten bevorzugten Ausführungsformen wird ein zunehmend stabileres Schwingverhalten der Spiralfeder erreicht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Spiralfeder n- Teilbereiche auf, wobei der n-te Teilbereich eine Höhe hTn aufweist und n eine ganze Zahl ist. Besonders bevorzugt ist n = 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 1 1 , 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 , 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 100, 105, 1 10, 1 15, 120, 125, 130, 135, 140, 145, 150, 155, 160, 165, 170, 175, 180, 185, 190, 195, 200, 210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280, 290, 300, 310, 320, 330, 340, 350, 360, 370, 380, 390, 400, 410, 420, 430, 440, 450, 460, 470, 480, 490 oder 500. Besonders bevorzugt weist zumindest eine Windung der Spiralfeder m-Teilbereiche auf, wobei der m-te Teilbereich eine Höhe hTm aufweist und m eine ganze Zahl ist. Insbesondere bevorzugt ist m = 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 1 1 , 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 , 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 100, 105, 110, 115, 120, 125, 130, 135, 140, 145, 150, 155, 160, 165, 170, 175, 180, 185, 190, 195 oder 200.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen zumindest w-Windungen der Spiralfeder m Teilbereiche auf, wobei w = 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 1 1 , 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 oder 20 ist. Die einzelnen Windungen der Spiralfeder können die gleiche Anzahl an Teilbereichen oder eine unterschiedliche Anzahl aufweisen. Es können auch mehrere Wndungen die gleiche Anzahl an Teilbereichen aufweisen, andere Windungen hingegen eine davon abweichende Zahl an Teilbereichen.
Aus der oben angegebenen Definition der Grenze zwischen zwei Teilbereichen folgt zwangsläufig, dass auf einen n-ten Teilbereich mit größerer Höhe ein n+1ter Teilbereich mit geringerer Höhe folgt. Auf diesen n+1ten Teilbereich folgt ein n+2ter Teilbereich, der eine größere Höhe als der n+1te Teilbereich aufweist. Im Vergleich zum n-ten Teilbereich kann aber die Höhe des n+2ten Teilbereichs größer oder geringer sein.
Bevorzugt erstreckt sich von dem äußeren Federhaltepunkt in Richtung des inneren Endes des Schwingungsbereichs ein Teilbereich geringerer Höhe. In diesem Fall ist also in der äußersten Wndung der Spiralfeder in dem an den äußeren Federhaltepunkt angrenzenden Bereich ein Teilbereich mit geringerer Höhe lokalisiert.
Es können sich aber auch vorteilhafte Ausführungsformen ergeben, wenn sich von dem äußeren Federhaltepunkt in Richtung des inneren Endes des Schwingungsbereichs ein Teilbereich größerer Höhe erstreckt.
Besonders bevorzugt weisen alle Teilbereiche mit geringerer Höhe dieselbe Höhe hge auf. Insbesondere bevorzugt weisen zudem auch alle Teilbereiche mit größerer Höhe dieselbe Höhe hgr auf. Für diese Ausführungsform ergeben sich deutliche Vorteile bei der Herstellung durch einen Ätzprozess, da eine deutlich geringere Anzahl an Ätzmasken erforderlich ist. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem äußeren Federhaltepunkt um einen festen Ansteckpunkt oder es ist der äußere Federhaltepunkt durch einen Rücker gebildet.
Bevorzugt ist die Spiralfeder aus Silizium gefertigt und weist zumindest teilweise eine Beschichtung aus Siliziumdioxid auf.
Im Falle der Fertigung der Spiralfeder aus Silizium ergibt sich durch die verringerte Höhe in dem genannten Teilbereich der Spiralfeder zudem eine verbesserte Bruchfestigkeit der Feder. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass Silizium mit abnehmender Querschnittsfläche eine zunehmende Flexibilität aufweist. In den Bereich mit geringerer Höhe besteht also eine geringere Gefahr eines Bruchs der Feder. Durch die vergrößerte Flexibilität wird auch ein verbessertes Schwingverhalten bei Stößen erreicht, da sich die Feder nach einer Auslenkung durch einen Stoß schneller wieder in ihren gewünschten Schwingungszustand einschwingt.
Wie oben bereits ausgeführt, stellt die vorliegende Erfindung in ihrer allgemeinsten Form eine Spiralfeder zur Verfügung, bei der zwei Teilbereiche größerer maximaler Höhe durch einen Teilbereich mit geringerer maximaler Höhe voneinander getrennt sind. Es soll klar gestellt werden, dass die vorliegende Erfindung auch alle denkbaren Ausführungsformen von Spiralfedern umfasst, die in einem Abschnitt ihrer äußeren Windung einen Stabilisierungsbereich in Form einer zusätzlichen Masse aufweisen. Diese zusätzliche Masse kann beispielsweise durch eine Verbreiterung der Feder in diesem Abschnitt erreicht werden. Ein solcher, üblicherweise als„Stabilisierungsbereich" bezeichneter, Abschnitt der Feder ist in diesen Fällen zusätzlich zu den erfindungsgemäß vorgesehenen zwei Teilbereichen größerer Höhe und dem zwischen diesen Teilbereich angeordneten Teilbereich mit geringerer Höhe vorgesehen. Im Gegensatz zu den genannten drei Teilbereichen, die eine konstante Breite aufweisen, besitzt die Spiralfeder im Stabilisierungsbereich eine vergrößerte Breite.
Die vorliegende Erfindung umfasst außerdem eine mechanische Uhr mit einem mechanischen Schwingsystem, wobei das Schwingsystem wie oben beschrieben ausgebildet ist.
Eine Spiralfeder umfasst einen Spiralfederbefestigungsabschnitt, einen daran anschließenden Schwingbereich mit mindestens einer Windung und einen an den Schwingbereich anschließenden Stabilisierungsbereich. Die Spiralfeder hat einen Kern aus Silizium, der über die Länge des Schwingbereichs, und zwar vor dem thermischen Oxidieren, im Wesentlichen einen konstanten Querschnitt besitzt. Nach dem thermischen Oxidieren hat die Spiralfeder im Schwingbereich mindestens einen ersten Teilbereich mit einer ersten maximalen Höhe und mindestens einen zweiten Teilbereich mit einer zweiten maximalen Höhe ausgebildet. Die erste maximale Höhe ist größer als die zweite maximale Höhe.
Auch an gegenüberliegenden Seiten der Spiralfeder können gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mehrere der ersten Teilbereiche mit der ersten maximalen Höhe und mehrere der zweiten Teilbereiche mit der zweiten maximalen Höhe ausgebildet sein.
Der Kern aus Silizium trägt, hinsichtlich einer Ausführungsform der Erfindung, in dem mindestens einen ersten Teilbereich eine Si02 - Schicht mit einer ersten maximalen Höhe und in dem mindestens zweiten Teilbereich eine Si02 - Schicht mit einer zweiten maximalen Höhe.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform hat der Kern aus Silizium in dem mindestens einen ersten Teilbereich eine Si02 - Schicht mit einer ersten maximalen Höhe ausgebildet, wobei in dem mindestens zweiten Teilbereich keine Si02 - Schicht vorhanden ist.
Nach einer anderen Ausführungsform kann der Kern aus Silizium in dem mindestens einen ersten Teilbereich eine Si02 - Schicht mit einer ersten maximalen Höhe und im dem mindestens zweiten Teilbereich eine Vertiefung im Kern aus Silizium ausgebildet haben.
Ferner besteht bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die Möglichkeit, dass der Kern aus Silizium in dem mindestens einen ersten Teilbereich eine Si02 - Schicht mit einer ersten maximalen Höhe und im dem mindestens zweiten Teilbereich eine Maske trägt, deren Dicke geringer ist als die erste Höhe der Si02 - Schicht im ersten Teilbereich. Für den Fall, dass die Spiralfeder mit der Maskierung der thermischen Oxidation ausgesetzt ist, um die erforderliche Si02 - Schicht auszubilden, wird das Material der Maskierung ebenfalls in Si02 umgewandelt und es bildet sich eine im Wesentlichen wellenförmige Struktur der Aufeinanderfolge der ersten und zweiten Teilbereiche aus.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Spiralfeder für mechanische Uhrwerke, zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus:
• Bereitstellen mindestens einer aus Silizium gefertigten Spiralfeder; wobei ein Schwingbereich der Spiralfeder einen Kern mit zwei gegenüberliegenden Seitenflächen mit einer durchschnittlichen Höhe h und zwei gegenüberliegenden Deckflächen mit einer durchschnittlichen Breite b aufweist, wobei sich die Seitenflächen und die Deckflächen entlang des
Schwingbereichs erstrecken;
• Thermisches Oxidieren der Spiralfeder, so dass eine Si02 - Schicht zumindest auf dem Kern des Schwingbereichs der Spiralfeder derart ausgebildet wird, dass die Spiralfeder eine maximale Breite und eine maximale Höhe H aufweist; und
• Ausbilden auf zumindest einer Deckfläche des Schwingbereichs von zumindest zwei Teilbereichen, nämlich einen ersten Teilbereich und einen sich an den ersten Teilbereich in Richtung eines inneren Endes des Schwingungsbereichs anschließenden zweiten Teilbereichs, wobei die Spiralfeder in ihrem ersten Teilbereich eine erste maximale Höhe und in ihrem zweiten Teilbereich eine zweite maximale Höhe aufweist, die sich in der Höhe unterscheiden. Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 beispielhaft eine perspektivische Ansicht eines Schwingsystems für mechanische Uhren (Stand der Technik),
Fig. 2 beispielhaft einen Schnitt entlang einer die Achse der Unruhwelle aufnehmenden Ebene durch das Schwingsystem gemäß Fig. 1 (Stand der Technik) und
Fig. 3 beispielhaft eine perspektivische Seitenansicht der freigestellten
Komponenten des Schwingungssystems gemäß Fig. 1 und 2 (Stand der Technik);
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht der Spiralfeder in Verbindung mit der
Unruhwelle;
Fig. 5 in Einzeldarstellung und in Draufsicht eine Ausführungsform der
Spiralfeder gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 in Einzeldarstellung und in Draufsicht eine andere Ausführungsform der Spiralfeder gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 eine Ansicht des Querschnitts des Kerns aus Silizium;
Fig. 8 eine Ansicht des Querschnitts des Kerns aus Silizium der mit einer
Si02 - Schicht umgeben ist;
Fig. 9 eine vergrößerte Darstellung des in Fig. 8 mit dem gestrichelten Kreis
K gekennzeichneten Bereichs;
Fig. 10 eine Seitenansicht eines Teils einer Windung der Spiralfeder, die eine Maskierung trägt; eine Seitenansicht eines Teils einer Windung der Spiralfeder mit einer Si02 - Schicht, die sich nach einer gewissen Zeit der thermischen Oxidation ausgebildet hat; Fig. 12 eine Seitenansicht eines Teils einer Windung der Spiralfeder mit einer Si02 - Schicht, die sich nach der abgeschlossene thermischen Oxidation ausgebildet hat; eine Seitenansicht eines Teils einer Windung, bei der eine durchgehende Si02 - Schicht aufgetragen ist; eine Seitenansicht eines Teils einer Windung, bei der gemäß einer Ausführungsform in mindestens einem Teilbereich die Si02 - Schicht komplett entfernt wurde; eine Seitenansicht eines Teils einer Windung, bei der gemäß einer weiteren Ausführungsform in mindestens einem Teilbereich die Si02 - Schicht zum Teil entfernt wurde; und Fig. 16 eine Seitenansicht eines Teils einer Windung, bei der gemäß einer zusätzlichen Ausführungsform in mindestens einem Teilbereich die Si02 - Schicht komplett und ein Teil des Siliziums entfernt wurde.
Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der Übersicht halber nur Bezugszeichen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind. Die dargestellten Ausführungsformen stellen lediglich Beispiele dar und sollen nicht als Beschränkung der Erfindung aufgefasst werden.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 3 ein aus dem Stand der Technik bekanntes Schwingsystem für mechanische Uhrwerke beschrieben. Das Schwingsystem 1 umfasst einen Schwingkörper in Form eines Schwungrads 2, eine Unruhwelle 3 sowie eine Spiralfeder 4. Das Schwungrad 2 besteht aus einem äußeren Kreisringabschnitt 2.1 , der über mehrere Speichen 2.2 mit einem Nabenabschnitt 2.3 verbunden ist. Der Nabenabschnitt 2.3 weist eine von der Kreisform abweichende, zentrale Durchgangsbohrung auf, in welcher ein zugeordneter Wellenabschnitt 3' der Unruhwelle 3 aufgenommen ist, dessen konzentrische Außenseite einen Formschluss mit dem Nabenabschnitt 2.3 des Schwungrades 2 herstellt. Damit ist das Schwungrad 2 drehfest mit der Unruhwelle 3 verbunden. Darüber hinaus sind an der zum Drehzentrum des Schwungrades 2 weisenden Innenseite des äußeren Kreisringabschnitts 2.1 mehrere Schwungmassen 2.4 angebracht.
Die Unruhwelle 3 weist ferner ein oberes und unteres freies Ende 3.1 , 3.2 auf, welche spitz zulaufen und zur drehbaren Lagerung der Unruhwelle 3 um deren Achse UA in entsprechend ausgebildeten oberen und unteren Lagereinheiten aufgenommen werden. In den Figuren 1 und 2 ist beispielhaft eine obere Lagereinheit dargestellt. Die Achse UA der Unruhwelle 3 ist damit zugleich auch die Drehachse des Schwungrades 2 und die Achse der Spiralfeder 4. Die Spiralfeder 4 besteht aus einem vorzugsweise ringförmigen, inneren Spiralfederbefestigungsabschnitt 4.1 und einem äußeren Spiralfederendabschnitt 4.2. Dazwischen befinden sich mehrere Spiralfederringabschnitte 4.3, welche in einer Ebene senkrecht und vorzugsweise konzentrisch zur Achse der Spiralfeder 4 verlaufen, welche mit der Achse UA der Unruhwelle 3 übereinstimmt.
Der vorzugsweise ringförmige, innere Spiralfederbefestigungsabschnitt 4.1 ist mit der Unruhwelle 3 drehfest verbunden, und zwar vorzugsweise verklebt und/oder mittels Formschluss. Hierzu weist die Unruhwelle 3 einen zur Aufnahme des inneren Spiralfederbefestigungsabschnitts 4.1 ausgebildeten Wellenabschnitt 3" auf, der oberhalb des das Schwungrad 2 aufnehmenden Wellenabschnitts 3' angeordnet ist.
Zur in Bezug auf die Unruhwelle 3 drehfesten Befestigung des äußeren Spiralfederendabschnitts 4.2 ist die Halteanordnung 5 zur Einstellung des Zentrums der Spiralfeder 4 vorgesehen. Die Halteanordnung 5 umfasst zumindest einen Haltearm 6 und ein Halteelement 7, welches im Bereich des äußeren freien Endes des Haltearms 6 entlang der Längsachse LHA des Hebelarms 6 verschiebbar befestigt ist. Der Haltearm 6 weist ein inneres Haltearmende 6.1 und ein äußeres Haltearmende
6.2 auf, wobei das innere Haltearmende 6.1 einen offenen Kreisring ausbildet und im Bereich des äußeren Haltearmendes 6.2 eine längliche Führungsausnehmung
6.3 vorgesehen ist. Die längliche Führungsausnehmung 6.3 ist zur variablen Befestigung des Halteelementes 7 am Haltearm 6 vorgesehen. Das innere Haltearmende 6.1 ist über nicht näher bezeichnete Haltemittel, welche auch die oberen und unteren Lagereinheiten zur drehbaren Lagerung der Unruhwelle 3 aufnehmen können, drehfest befestigt, und zwar derart, dass der offene Kreisring des inneren Haltearmendes 6.1 die Achse UA der Unruhwelle 3 konzentrisch umgibt.
Das Halteelement 7 weist einen im Wesentlichen zylinderförmigen, länglichen Grundkörper 7.1 mit einer oberen und unteren Stirnseite 7.1 1 , 7.12 und einer Längsachse LHE auf, welcher eine zur oberen Stirnseite 7.1 1 geöffnete Sacklochbohrung 7.2 mit einem Innengewinde zur Aufnahme einer Schraube 8 aufweist. Mittels der Schraube 8, welche durch die längliche Führungsausnehmung 6.3 des Haltearms 6 geführt wird, ist das Halteelement 7 fest mit dem Haltearm 6 verschraubbar, und zwar derart, dass die Längsachse LHA des Haltearms 6 und die Längsachse LHE des Halteelementes 7 senkrecht zueinander verlaufen. Auf der gegenüberliegenden unteren Stirnseite 7.12 des Grundkörpers 7.1 des Halteelementes 7 ist eine sich senkrecht zur Längsachse LHE des Grundkörpers 7.1 erstreckende und nach unten offene Führungsausnehmung 7.3 vorgesehen, die zur radial führenden Aufnahme des äußeren Spiralfederendabschnitts 4.2 ausgebildet ist. Eine die Längsachse LHE des Grundkörpers 7.1 aufnehmende Ebene teilt die Führungsausnehmung 7.3 näherungsweise in zwei gegenüberliegende, gleiche Hälften des gabelartig ausgebildeten unteren freien Endes des Halteelementes 7. Im montierten Zustand ist damit mittels der Halteanordnung 5 der radiale Abstand A zwischen der Achse UA der Unruhwelle 3 und der Längsachse LHE des Halteelementes 7 und damit des äußeren Spiralfederendabschnitts 4.2 einstellbar. Durch eine entsprechende radiale zur Achse UA gerichtete Verschiebung des Halteelementes 7 und damit des äußeren Spiralfederendabschnitts 4.2 ist das Spiralfederzentrum justierbar, und zwar vorzugsweise derart, dass die Spiralfederringabschnitte 4.3 jeweils denselben Abstand zueinander aufweisen und konzentrisch um die Achse UA verlaufen. Figur 4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Spiralfeder 4, die mit ihrem Spiralfederbefestigungsabschnitt 4.1 drehfest mit der Unruhwelle 3 verbunden ist. Den Schwingungsbereich LA bilden die Spiralfederringabschnitte 4.3 der Spiralfeder 4. Die Spiralfederringabschnitte 4.3 reichen von einem inneren Ende 13 des Spiralfederbefestigungsabschnitts 4.1 bis zu einem Stabilisierungsbereich LS und bilden den Schwingungsbereich LA.
Die Figur 5 zeigt in Einzeldarstellung und Draufsicht eine Spiralfeder 4 des mechanischen Schwingsystems 1 entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung. Die Spiralfeder 4 ist bei der dargestellten Ausführungsform z.B. aus einem Ausgangsmaterial (Wafer) aus monokristallinem Silizium oder aus polykristallinem Silizium hergestellt. Bei polykristallinem Silizium wächst diese z.B. durch ein Abscheideverfahren auf dem Ausgangsmaterial auf. Unter Verwendung eines Maskierungs-Ätz-Verfahrens erhält man eine einstückig ausgebildete und mehrere Windungen 9 aufweisende Spiralfeder 4, die im Wesentlichen aus Silizium besteht und den inneren Spiralfederbefestigungsabschnitt 4.1 aufweist, mit dem die Spiralfeder 4 an der Unruhwelle 3 befestigt wird.
Der aktive Schwingungsbereich LA der Spiralfeder 4 erstreckt sich von dem an den Spiralfederbefestigungsabschnitt 4.1 der Spiralfeder 4 anschließenden inneren Ende 13 des aktiven Schwingungsbereichs LA bis zu dem äußeren Federhaltepunkt 14. bzw. dem Beginn 15 des Stabilisierungsbereichs LS (siehe Ausführungsform Fig. 4). Dieser ist bei der in den Figuren 1 - 3 dargestellten Ausführungsformen durch die Verbindung der außenliegenden Spiralfederringabschnitte 4.3 mit dem Halteelement 7 gebildet. Die dargestellte Spiralfeder 4 weist eine Vielzahl von zweiten Teilbereichen 1 1 mit einer geringeren Höhe sowie ein Vielzahl von ersten Teilbereichen 10 mit einer größeren Höhe auf. Die Höhe hT2 des zweiten Teilbereichs 1 1 ist also um 1 % bis max. 3% geringer ist als die Höhe hTi des ersten Teilbereichs 10.
In den ersten und zweiten Teilbereichen 10 und 1 1 weist die Feder die gleiche Breite auf. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weisen alle zweiten Teilbereiche 1 1 eine gemeinsame Höhe auf. Ebenso weisen alle ersten Teilbereiche 10 eine gemeinsame Höhe auf, die sich aber von der Höhe der zweiten Teilbereiche 1 1 unterscheidet. Ausgehend von dem Federhaltepunkt 14 erstreckt sich in Richtung des inneren Endes 13 des aktiven Schwingungsbereichs LA zunächst ein zweiter Teilbereich 11 mit geringerer Höhe, gefolgt von einem ersten Teilbereich 10 mit größerer Höhe und so weiter. Gemäß der hier dargestellten Ausführungsform umfassen sämtliche Windungen 9 der dargestellten Spiralfeder 4 jeweils insgesamt acht zweite Teilbereiche 11 mit geringerer Höhe und acht erste Teilbereiche 10 mit größerer Höhe. Um die in Richtung des inneren Federendes 13 abnehmende Federlänge pro Windung 9 auszugleichen, werden die ersten und zweiten Teilbereiche 10 und 11 in Richtung auf das innere Federende 13 hin mit immer geringerer Ausdehnung in Richtung der Federlänge ausgestaltet. Andere Anordnungen der ersten und der zweiten Teilbereiche 10 und 11 sind denkbar.
Durch die geringere Höhe der Spiralfeder 4 in den zweiten Teilbereichen 11 bei konstanter Breite wird eine Verringerung der Masse erzielt.
Bei der in Figur 5 gezeigten Ausführungsform wurde von einem nach der Einstellung festen Federhaltepunkt 14 ausgegangen. Es besteht aber auch die Möglichkeit der Verwendung eines sogenannten Rückers, der im Wesentlichen durch einen um die Achse UA der Unruhwelle 3 schwenkbaren Hebel gebildet ist. An dem äußeren Ende weist der Hebel eine beispielsweise von zwei Stiften gebildete Aufnahme auf, in die die Spiralfeder eingreift und die damit den Federhaltepunkt bildet. Die Aufnahme des Rückers bildet einen festen Federhaltepunkt nach. Figur 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Spiralfeder 4 Die dargestellte Spiralfeder 4 weist eine Vielzahl von zweiten Teilbereichen 1 1 mit einer geringeren Höhe sowie ein Vielzahl von ersten Teilbereichen 10 mit einer größeren Höhe auf. Die Höhe hT2 des zweiten Teilbereichs 1 1 ist also um 1 % bis max. 3% geringer, als die Höhe hTi des ersten Teilbereichs 10. Ebenso ist die Höhe hT2 des zweiten Teilbereichs 11 um 1 % bis max. 3% geringer, als die Höhe hT3 eines dritten Teilbereichs 12. Exemplarisch ist auch der dritte Teilbereich mit größerer Höhe mit dem Bezugszeichen 12 gekennzeichnet, wobei dieser Teilbereich in seiner Ausprägung einem ersten Teilbereich 10 entspricht.
Figur 7 zeigt einen Querschnitt durch einen Kern 17 einer Windung 9 der Spiralfeder 4. Der Kern 17 hat über die Gesamte Länge der Windungen 9 des Schwingungsbereichs LA einen im Wesentlichen konstanten Querschnitt. Der Kern 17 hat ein Höhe H und eine Breite B. In Figur 8 ist der Kern 17 mit einer allseitig umgebenden Si02 - Schicht 20 versehen, die durch die thermische Oxidation des Kerns 17 gebildet wird. Der nach der thermischen Oxidation resultierende Querschnitt des Kerns 17 des Schwingungsbereichs LA hat eine Höhe H0x und eine Breite Β0χ. Der Kern 17 mit zwei gegenüberliegenden Seitenflächen 22 weist eine durchschnittliche Höhe H auf. Zwei gegenüberliegende Deckflächen 24 weisen eine durchschnittliche Breite B auf, wobei sich die Seitenflächen 22 und die Deckflächen 24 des Kerns 17 der Spiralfeder 4 entlang des Schwingungsbereichs LA erstrecken.
In Figur 9 ist der aus Figur 8 mit dem gestrichelten Kreis K gekennzeichnete Bereich des oxidierten Kerns 17 vergrößert dargestellt. Bei der thermischen Oxidation des Kerns 17 wird ein Teil des Siliziums an der Oberfläche des Kerns 17 in Si02 umgewandelt. Zusätzlich wächst Si02 weiter auf, so dass letztendlich die Höhe H0x und ein Breite Box des Querschnitts der Windungen 9 des Schwingungsbereichs LA resultieren. Die gestrichelte Linie in Figur 9 deutet die Höhe H und die Breite B des nicht oxidierten Kerns 17 an. Die Vorteile der thermischen Oxidation einer Spiralfeder 4 sind einem Fachmann hinlänglich bekannt.
Die Figuren 10, 11 und 12 verdeutlichen eine Ausführungsform der Ausgestaltung der Windungen 9 des Schwingungsbereichs LA der Spiralfeder 4, wobei eine Seitenansicht eines Teils einer Windung 9 des Schwingungsbereichs LA dargestellt ist. Der Kern 17 aus Silizium trägt in dem mindestens zweiten Teilbereich 1 1 eine Maske 18. Die Wirkung der Maske 18 ist, dass die thermische Oxidation des Kerns 17 und das Aufwachsen der Si02 - Schicht im Bereich der Maske 18 anders abläuft und somit zu einer anderen Ausbildung der Si02 - Schicht 20 führt. Die Maske 18 ist eine Diffusionssperre für Sauerstoff. Im ersten Teilbereich 10 ist der Kern 17 nicht durch die Maske 18 bedeckt und somit für Sauerstoff ungehindert zugänglich. Die Maske 18 besitzt eine Dicke 18D, die zunächst der zweiten Höhe hT2 in zweiten Teilbereich 11 entspricht. Aufgrund der thermischen Oxidation wächst im ersten Teilbereich 10 eine Si02 - Schicht 20 auf (siehe Fig. 1 1), die beidseitig sogenannte „Vogelschnäbel" ausbilden, die sich unter die Maske 18 erstrecken. Dadurch wird die Maske 18 an den Rändern angehoben. Die Dicke 18D der Maske 18 ist geringer als die Si02 - Schicht 20 in dem mindestens einen ersten Teilbereich 10. Die Si02 - Schicht 20 hat eine maximale erste Höhe hTi . Bei der in Fig. 12 gezeigten Ausbildung der Si02 - Schicht 20 wird die Maske solange der thermischen Oxidation ausgesetzt, bis die Maske 18 selbst und auch in Si02 umgewandelt wurde. In Falle eine Siliziumnitrid - Maske wird der Stickstoff aus der Maske gegen die Sauerstoff ersetzt. Bei Abschluss der thermischen Oxidation haben sich somit auf der Spiralfeder 4 erste Teilbereiche 10 und zweite Teilbereiche 1 1 ausgebildet, die aber nicht durch so scharfe Grenzen voneinander unterscheidbar sind, wie dies zum Beispiel bei der Darstellung der Fig. 15 der Fall ist. Die periodische Aufeinanderfolge der ersten Teilbereiche 10 und der zweiten Teilbereiche 11 zeige eine gewisse Wellenstruktur. Hierbei besitzen der erste Teilbereich 10 eine maximale erste Höhe hT1 und der zweite Teilbereich 1 1 eine maximale zweite Höhe hT1. Aufgrund der Wellenstruktur ist die maximale erste Höhe hT1 bzw. die maximale zweite Höhe hT2 innerhalb des ersten Teilbereichs 10 und des zweiten Teilbereichs 1 1 nicht konstant. Dennoch lassen sich die Teilbereiche eindeutig voneinander mit den einem Fachmann bekannten Mitteln unterscheiden.
In Figur 13 ist eine Seitenansicht eines Teils einer Windung 9 dargestellt, bei der eine durchgehende Si02 - Schicht 20 aufgetragen ist. In den Figuren 13 bis 15 sind die unterschiedlichen Ausführungsformen dargestellt, in welchem Ausmaß die Si02 - Schicht 20 abgetragen wird, um den zweiten Teilbereich 1 1 in der jeweils gewünschten Art auszubilden. Figur 14 zeigt die Ausführungsform bei der im zweiten Teilbereich 11 die Si02 - Schicht 20 derart weit abgetragen wird, dass im zweiten Teilbereich 1 1 der Kern 17 im zweiten Teilbereich 1 1 freigelegt ist. Im ersten Teilbereich 10 ist die Si02 - Schicht 20 mit einer ersten Höhe hTi ausgebildet. Im mindestens zweiten Teilbereich 1 1 ist keine Si02 - Schicht 20 vorhanden ist. Die zweite Höhe hT2 im zweiten Teilbereich 1 1 hat somit den Wert „Null".
Bei der in Figur 15 gezeigten Ausführungsform ist in dem mindestens einen ersten Teilbereich 10 eine Si02 - Schicht 20 mit einer ersten Höhe hTi und in dem mindestens zweiten Teilbereich 11 eine Si02 - Schicht 20 mit einer zweiten Höhe hT2 vorgesehen. Figur 15 zeigt eine Ausführungsform, bei der der Kern 17 aus Silizium in dem mindestens einen ersten Teilbereich 10 eine Si02 - Schicht 20 mit einer ersten Höhe HTi trägt. Im dem mindestens zweiten Teilbereich 11 ist die Si02 - Schicht 20 abgetragen und eine Vertiefung 19 im Kern 17 aus Silizium ausgebildet. Die Vertiefung 19 besitzt eine Tiefe 19T. Die zweite Höhe hT2 im zweiten Teilbereich 11 hat somit einen negativen Wert, wenn man von der Siliziumoberfläche des Kerns als Referenz ausgeht. Bei den in den Figuren 14 bis 16 beschriebenen Ausführungsformen wird das Si02 mittels bekannter Abtragungsverfahren abgetragen.
Bezugszeichenliste
1 Schwingsystem bzw. Unruh
2 Schwungkörper
2.1 äußerer Kreisringabschnitt
2.2 Speichen
2.3 Nabenabschnitt
2.4 Schwungmasse
3 Unruhwelle
3', 3" Wellenabschnitte
3.1 oberes freies Ende
3.2 unteres freies Ende
4 Spiralfeder
4.1 Spiralfederbefestigungsabschnitt
4.2 Spiralfederendabschnitt
4.3 Spiralfederringabschnitte
4.4 äußeres Federende
5 Halteanordnung
6 Haltearm
6.1 inneres Haltearmende
6.2 äußeres Haltearmende
6.3 längliche Führungsausnehmung
7 Haltelement
7.1 Grundkörper
7.1 1 obere Stirnseite
7.12 untere Stirnseite
7.2 Sackloch bohrung
7.3 Führungsausnehmung
8 Schraube
9 Windung
10 Teilbereich mit größerer Höhe
1 1 Teilbereich mit geringerer Höhe
12 Teilbereich mit größerer Höhe 13 inneres Ende des Schwingungsbereichs
14 Federhaltepunkt
15 Beginn des Stabilisierungsbereichs 17 Kern
18 Maske
18D Dicke der Maske
19 Vertiefung
19T Tiefe der Vertiefung
22 Seitenflächen des Kerns
24 Deckflächen des Kerns
UA Achse der Unruhwelle
A radialer Abstand
B Breite des Kerns
Box Breite des oxidierten Kerns
H Höhe des Kerns
Hox Höhe des oxidierten Kerns
hTi erste Höhe des ersten Teilbereichs hT2 zweite Höhe des zweiten Teilbereichs
LHA Längsachse des Hebelarms
LHE Längsachse des Hebelelements
LA Schwingungsbereich
LS Stabilisierungsbereich

Claims

Patentansprüche
Schwingsystem (1) für mechanische Uhrwerke, aufweisend einen Schwingkörper (2), eine um eine Achse (UA) schwenkbar gelagerte Unruhwelle (3) und eine Spiralfeder (4) mit einem aktiven Schwingungsbereich (LA),
wobei die Spiralfeder (4) durch einen die Unruhwelle (3) umschließenden Spiralfederbefestigungsabschnitt (4.1) mit der Unruhwelle (3) verbunden ist, und die Spiralfeder (4) an einem äußeren Federhaltepunkt (14) gehalten ist, wobei sich der aktive Schwingungsbereich (LA) von einem an den Spiralfederbefestigungsabschnitt (4.1) anschließenden inneren Ende (13) des aktiven Schwingungsbereichs (LA) bis zu dem äußeren Federhaltepunkt (14) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass
der aktive Schwingungsbereich (LA) der Spiralfeder (4) zumindest zwei Teilbereiche aufweist, nämlich einen ersten Teilbereich (10) und einen sich an den ersten Teilbereich (10) in Richtung des inneren Endes (13) des Schwingungsbereichs (LA) anschließenden zweiten Teilbereich (1 1), wobei die Spiralfeder (4) parallel zu der mit der Achse (UA) der Unruhwelle (3) zusammenfallenden Achse der Spiralfeder (4) in ihrem ersten Teilbereich (10) eine maximale Höhe (HTi) und in ihrem zweiten Teilbereich (1 1) eine maximale Höhe
(HT2) aufweist, und
die Spiralfeder (4) radial zur Achse der Spiralfeder (4) in ihrem ersten Teilbereich (10) und in ihrem zweiten Teilbereich (1 1) eine Breite bT aufweist.
Schwingsystem (1) nach Anspruch 1 , wobei die Spiralfeder (4) n-Teilbereiche aufweist, wobei der n-te Teilbereich eine Höhe hTn und eine Breite bT aufweist und n = 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 1 1 , 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190, 200, 250, 300, 350, 400, 450 oder 500 ist.
Schwingsystem (1) nach Anspruch 1 , wobei zumindest eine Windung (9) der Spiralfeder (4) m-Teilbereiche aufweist, wobei der m-te Teilbereich eine Höhe hTm und eine Breite bT aufweist und m eine ganze Zahl ist. Schwingsystem (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass m = 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 , 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 1 10, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190 oder 200 ist.
Schwingsystem (1) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei zumindest w- Windungen der Spiralfeder (4) m-Teilbereiche aufweisen, wobei w = 2,
3,
4,
5,
6,
7,
8,
9,
10,
1 1 ,
12,
13,
14,
15,
16,
17,
18,
19 oder 20 ist.
Schwingsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei erste Teilbereiche (10) mit einer geringeren Höhe und zweite Teilbereiche (1 1) mit einer größeren maximalen Höhe periodisch aufeinander folgen.
Schwingsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spiralfeder (4) aus einem Kern aus Silizium hergestellt der zumindest teilweise eine Beschichtung aus Siliziumdioxid trägt.
Mechanische Uhr mit einem mechanischen Schwingsystem (1), wobei das Schwingsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Spiralfeder (4) mit einem Spiralfederbefestigungsabschnitt (4.1), einem daran anschließenden Schwingungsbereich (LA) mit mindestens einer Windung (9) und einem an den Schwingungsbereich (LA) anschließenden Stabilisierungsbereich (LS), wobei ein Kern (17) aus Silizium über die Länge des Schwingungsbereichs (LA) vor dem thermischen Oxidieren im Wesentlichen einen konstanten Querschnitt (17Q) besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem thermischen Oxidieren die Spiralfeder (4) im Schwingungsbereich (LA) mindestens einen ersten Teilbereich (10) mit einer ersten maximalen Höhe (hTi) und mindestens einen zweiten Teilbereich (11) mit einer zweiten maximalen Höhe (hT2) ausgebildet hat, wobei die erste maximale Höhe (hTi) größer ist, als die zweite maximale Höhe (hT2)-
Spiralfeder (4) nach Anspruch 9, wobei an gegenüberliegenden Seiten mehrere der ersten Teilbereiche (10) mit der ersten maximalen Höhe (hTi) und mehrere der zweiten Teilbereiche (11) mit der zweiten maximalen Höhe (hT2) ausgebildet sind.
1 1. Spiralfeder (4) nach den Ansprüchen 9 oder 10, wobei der Kern (17) aus Silizium in dem mindestens einen ersten Teilbereich (10) eine Si02 - Schicht
(20) mit einer ersten maximalen Höhe (hTi) und in dem mindestens zweiten Teilbereich (1 1) eine Si02 - Schicht (20) mit einer zweiten maximalen Höhe (hT2) trägt. 12. Spiralfeder (4) nach den Ansprüchen 9 oder 10, wobei der Kern (17) aus Silizium in dem mindestens einen ersten Teilbereich (10) eine Si02 - Schicht (20) mit einer ersten maximalen Höhe (hTi) trägt und in dem mindestens zweiten Teilbereich (11) keine Si02 - Schicht (20) vorhanden ist. 13. Spiralfeder (4) nach den Ansprüchen 9 oder 10, wobei der Kern (17) aus Silizium in dem mindestens einen ersten Teilbereich (10) eine Si02 - Schicht (20) mit einer ersten maximalen Höhe (hTi) trägt und im dem mindestens zweiten Teilbereich (1 1) eine Vertiefung (19) im Kern (17) aus Silizium hinein ausgebildet ist.
14 Spiralfeder (4) nach den Ansprüchen 9 oder 10, wobei der Kern (17) aus Silizium in dem mindestens einen ersten Teilbereich (10) eine Si02 - Schicht (20) mit einer ersten maximalen Höhe (hTi) und in dem mindestens zweiten Teilbereich (11) eine Maske (18) trägt, deren Dicke (18D) geringer ist, als die erste maximalen Höhe (hTi) der Si02 - Schicht (20) im ersten Teilbereich (10).
15. Verfahren zur Herstellung einer Spiralfeder (4) für mechanische Uhrwerke, gekennzeichnet durch die Schritte:
• Bereitstellen mindestens einer aus Silizium gefertigten Spiralfeder (4); wobei ein Schwingungsbereich (LA) der Spiralfeder (4), einen Kern (17) mit zwei gegenüberliegenden Seitenflächen (22) mit einer durchschnittlichen Höhe H und zwei gegenüberliegenden Deckflächen (24) mit einer durchschnittlichen Breite B aufweist, wobei sich die Seitenflächen (22) und die Deckflächen (24) entlang des Schwingungsbereichs (LA) erstrecken; • thermisches Oxidieren der Spiralfeder (4), so dass ein Si02 - Schicht (20) zumindest auf dem Kern (17) des Schwingungsbereichs (LA) der Spiralfeder (4) derart ausgebildet wird, dass die Spiralfeder (4) eine maximale Breite (Β0χ) und eine maximale Höhe (H0x) aufweist; und
· Ausbilden auf zumindest einer Deckfläche (24) des Schwingungsbereichs
(LA) von zumindest zwei Teilbereichen, nämlich einen ersten Teilbereich (10) und einen sich an den ersten Teilbereich (10) in Richtung eines inneren Endes (13) des Schwingungsbereichs (LA) anschließenden zweiten Teilbereich (1 1), wobei der erste Teilbereich (10) eine erste maximale Höhe (hTi) und der zweiten Teilbereich (11) eine zweite maximale Höhe (hT2) aufweist, die sich in der Höhe unterscheiden.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei im zweiten Teilbereich (1 1) die Si02 - Schicht (20) teilweise entfernt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15, wobei im zweiten Teilbereich (1 1) die Si02 - Schicht (20) bis hin zum Silizium des Kerns (17) entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei im zweiten Teilbereich (11) zusätzlich ein Teil des Silizium des Kerns (17) entfernt und eine Vertiefung (19) im Kern (17) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei im zweiten Teilbereich (1 1) eine Maske (18) vorgesehen ist, durch die eine Ausbildung einer Si02 - Schicht (20) auf dem Kern (17) des Siliziums vermieden ist.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Maske (18) des zweiten Teilbereichs (1 1) entfernt wird.
21 Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Maske (18) des zweiten Teilbereichs (1 1) ebenfalls in eine Si02 - Schicht (20)
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