WO2015198261A1 - Herstellungsverfahren für eine spiralfeder für mechanische uhrwerke und spiralfeder - Google Patents

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WO2015198261A1
WO2015198261A1 PCT/IB2015/054781 IB2015054781W WO2015198261A1 WO 2015198261 A1 WO2015198261 A1 WO 2015198261A1 IB 2015054781 W IB2015054781 W IB 2015054781W WO 2015198261 A1 WO2015198261 A1 WO 2015198261A1
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WO
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region
spring
stabilization
coil spring
spiral spring
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PCT/IB2015/054781
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English (en)
French (fr)
Inventor
Konrad Damasko
Stefan Männicke
Original Assignee
Damasko Uhrenmanufaktur KG
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    • 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
    • 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
    • G04B17/32—Component parts or constructional details, e.g. collet, stud, virole or piton
    • G04B17/325—Component parts or constructional details, e.g. collet, stud, virole or piton for fastening the hairspring in a fixed position, e.g. using a block

Definitions

  • the invention relates to a manufacturing method for a spiral spring for mechanical movements.
  • the invention relates to a spiral spring for mechanical movements.
  • the spiral spring has a spiral spring attachment section, a subsequent oscillation area with at least one turn and a stabilization area adjoining the oscillation area.
  • the vibration region and the stabilization region have a massive silicon core.
  • the oscillation region and the stabilization region are enclosed at least in sections by an SiO 2 layer.
  • the balance comprises a vibrating body, which is mounted pivotably about an axis of rotation by means of a balance shaft. Further, a vibrating or spiral spring or balance spring is provided, which forms the oscillatory and clocking system together with the mass of the oscillating body.
  • the active spring length is that length of the coil spring, which is effective during the swing, that is subject to the elastic deformation and extends between the inner coil spring end and the outer breakpoint of the coil spring.
  • the inner coil spring end is located at the point where the coil spring has a width radial to the spring axis that is equal to or substantially equal to the width of all turns (common turn width).
  • tolerances can not be excluded. This applies, as stated, to a greater extent for spiral springs of silicon, which are provided on their surfaces to achieve the necessary strength and / or temperature independence with a coating of silicon oxide. As a rule, this coating takes place by thermal oxidation.
  • European patent EP 1 473 604 B1 discloses a flat scroll for a movement having a stiffened portion on its outer turn to make the turns of the coils substantially concentric. This stiffened section ends before the outer end of the spiral. The distance between an end portion of the outer turn and the penultimate turn of the spiral is sufficiently large so that this penultimate turn remains radially free upon expansions of the spiral reaching amplitudes substantially equal to the maximum rotation angle of the balance in said movement.
  • the invention has for its object to provide a manufacturing method for a coil spring for a mechanical movement, so that the spiral spring produced despite the manufacturing tolerances achieved an improved vibration behavior of the coil spring and minimizes the burden of the bearing of the movement, so that the accuracy improves and the maintenance intervals are extended ,
  • a further object of the invention is to provide a coil spring which, despite the manufacturing tolerances, exhibits a permanently excellent vibration behavior, wherein the coil spring, which is reduced in weight, can be produced easily and reproducibly with regard to the vibration behavior, without neglecting the required temperature compensation.
  • the "oscillation range" of the spiral spring is the spiral length of the spiral spring in which the oscillation proceeds unhindered the natural frequency of the spiral spring is also the stabilization area prevailing, which also contributes to vibration of the coil spring.
  • the present invention is characterized by a manufacturing method for a spiral spring for mechanical movements, comprising the following steps:
  • the removal of the S1O2 layer can also be carried out in a second partial region of the oscillation region of the spiral spring (4).
  • the removal can be carried out chemically and / or mechanically.
  • etchant z for the chemical removal is used as etchant z.
  • Ablation can also be performed with a laser.
  • the removal in the stabilization region is carried out in a section, so that a depression is formed in the region of the section.
  • the silicon dioxide layer is removed in the section at least to the core of silicon. Even in the oscillatory region, the removal extends at least to the core of silicon. It is also possible that the removal extends both in the stabilization region and in the oscillatory region into the core of silicon.
  • the recesses on the upper side surface of the oscillating region and / or the recess in the stabilizing region have a bottom which has a roughness depth of less than 10 pm.
  • the roughness depth is less than 5pm. More preferably, the roughness depth is less than 3pm. Particularly preferably, the roughness depth is less than 1 ⁇
  • the coil spring according to the invention has a
  • the vibration region and the stabilization region have a massive silicon core.
  • the oscillation region and the stabilization region are enclosed at least in sections by an SiO 2 layer.
  • a depression is made, the depth of which extends at least to the silicon core.
  • the coil spring according to the invention has the advantage that weight can be saved by forming the recesses, without destabilizing the mechanical stability and the vibration behavior and jeopardizing the temperature compensation of the coil spring.
  • the bearings of the coil spring are protected with the inventive and reduced in weight coil spring, which in turn has a positive effect on the accuracy of the clock and an extension of the service intervals.
  • At least one depression in a second subregion in the S 1 O 2 layer is also formed in the vibration region and along at least one turn of the vibration region.
  • the depth of the depression extends at least to the core of silicon.
  • a plurality of depressions are provided in the second partial regions, which are each separated from a first partial region which carries the SiO 2 layer.
  • the second partial regions each have an equal length on the at least one upper side surface of the turns of the spiral spring and are separated from one another by the first partial regions, which likewise have an equal length.
  • the recesses in the vibration region extend on the upper side surface over the entire width of the winding.
  • the depression on the upper side surface in the stabilization region extends over the entire width of the region.
  • the depressions in the oscillation region are formed on the upper side surface as wells, and that the depression on the upper side surface in the stabilization region is also formed as a trough.
  • the depressions in the vibration region are formed on the upper side surface as wells, and that the depression on the upper side surface in the stabilization region extends over the entire width of the region.
  • the invention provides a vibrating system for mechanical movements, comprising a vibrating body, a balance shaft pivotally mounted about a shaft and a coil spring having a total spring length, wherein the total spring length of an inner vibration region composed of a vibration spring length and an outer stabilization region with a stabilizing spring length available.
  • the coil spring is connected to the balance shaft with a coil spring attachment portion and encloses the balance shaft with the coil spring attachment portion.
  • the present invention is based on the finding that an improved vibration behavior does not necessarily result from an in the Stabilization region of the coil spring increased mass is achieved, but by increasing the area moment of inertia of the coil spring in its stabilization region.
  • 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 spiral spring in comparison with the oscillation range of the spiral spring in the stabilization region. 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 only has a linear effect, the spiral spring can be designed so that an increase of the area moment of inertia without mass increase is possible.
  • the area moment of inertia (FT) can be calculated for a rectangular cross section of the coil spring as follows, where h denotes the height of the spiral spring and b the width of the spiral spring:
  • the height is reduced by 1% while the width of the coil spring is increased by 1 % an increase of the second moment of area by 2%.
  • the average height h s t is obtained by reducing the height by 1% while increasing the width of the spiral spring 1% no change in mass.
  • the inventive change in the geometric cross section of the coil spring in the stabilization region with respect to the vibration region thus an increase in the area moment of inertia without increasing the mass is possible.
  • the stabilization section of this spiral spring results in an increase of the area moment of inertia by a factor of 4, while the mass remains constant.
  • the present invention relates to any form of coil springs in which a reduction in height and an increase in width in the claimed type is made. This also includes embodiments which, despite the reduction in height, experience an increase in mass due to the increase in the width in the stabilization region.
  • average height or the average width of a helical spring is understood to mean the mean value of the spring length that is normalized over the respective spring length or the varying width of a helical spring.
  • average height or the average width of a helical spring is understood to mean the mean value of the spring length that is normalized over the respective spring length or the varying width of a helical spring.
  • coil springs for manufacturing reasons with a constant height and a constant width, but which may differ between the vibration range and stabilization range manufactured. For various reasons, it may happen that a coil spring in Vibration range and / or in the stabilization region has a varying height or varying width.
  • the total spring length is composed of the inner vibration region and the outer stabilization region.
  • 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 vibration region is located at the point where the oscillation region of the coil spring merges with the coil spring attachment section which 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 outer stabilizing portion corresponds to a portion of the coil spring extending from the spring-holding point toward the oscillation portion of the coil spring, the boundary between the stabilizing portion and the oscillating portion being set by the average height h s t of the coil spring being at least 1% lower in its stabilizing range as the average height h sc of the coil spring in the inner vibration region and at the same time the average width b s t of the coil spring in its stabilization region is at least 1% greater than the average width b sc of the coil spring in the inner vibration region.
  • the boundary between the stabilization area and the oscillation area is immediately obvious since a discontinuity in height and a discontinuity in width corresponding to one step are formed.
  • the boundary between stabilization area and oscillation area can be determined by the person skilled in the art with the aid of simple measurements.
  • the point at which the average height of the area adjoining the spring support point in the direction of the oscillation area is at least 1% lower can be calculated by a simple mathematical evaluation as the height of the area adjoining the coil spring attachment portion toward the outer stabilization area. Also, the point at which the average width of the area adjoining the spring stop point in the direction of the oscillation area is larger by at least 1% than the width of the area adjoining the coil spring attachment section toward the outer stabilization area can be calculated. The point from which both conditions are met is the boundary between "inner oscillation range” and "outer stabilization range”.
  • the boundary between “inner oscillation range” and “outer stabilization range” is not immediately apparent when a particular coil spring is inspected,
  • the limit for each coil spring can be determined unambiguously by a measurement that is easy to carry out for the person skilled in the art and can be easily evaluated.
  • the corresponding limit can be determined by calculating the point at which the average height or width of the area adjoining the spring stop point in the direction of the oscillation area is at least 10% or one of corresponding to the preferred preferred embodiment - is less than or greater than the height or width of the adjoining the inner coil spring attachment portion in the direction of the outer stabilization region range.
  • the spiral spring in the outer stabilization region has an average height h s t which is at least 2% or 3% or 4% or 5% or 6% or 7% or 8% or 9% or 10% less than the average height h sc in the inner oscillation range.
  • the spiral spring in the outer stabilization region has an average height h s t which is at least 12% or 14% or 16% or 18% or 20% or 22% or 24% or 25% less than the average height h sc in inner vibration range.
  • the spiral spring in the outer stabilization region has an average height h s t that is at least 30% or 35% or 40% or 45% or 50% lower than the average height h sc in the inner oscillation range.
  • the spiral spring has a constant height h sc in the inner oscillation range.
  • the spiral spring has a constant height h s t in the outer stabilization region.
  • a constant height brings manufacturing advantages with it, as z. B. in etching a smaller number of etching masks is used.
  • the spiral spring has an average width b s t, which is at least 2% or 3% or 4% or 5% or 6% or 7% or 8% or 9% or 10%, radially to the axis of the spiral spring. is greater than the average width b sc in the inner oscillation range.
  • the spiral spring in the outer stabilization region has an average width b s t which is at least 12% or 14% or 16% or 18% or 20% or 22% or 24% or 25% greater than the average width b sc im inner vibration range.
  • the spiral spring in the outer stabilization region has an average width b s t which is at least 30% or 35% or 40% or 45% or 50% greater than the average width b sc in the inner oscillation range.
  • an additional mass provided in the outer stabilization region improves the oscillatory behavior of the spiral spring. By broadening the spring in the stabilization region, such an additional mass can be provided, although the spring in this region has a reduced height compared to the inner vibration region.
  • the width of the coil spring in the stabilization region may be about twice the width that the coil spring has outside the stabilization region. If this spiral spring has a height in the stabilization region which corresponds approximately to half the height which the spiral spring has outside the stabilization region, then the geometric cross-sectional shape of the spiral spring is changed, but its mass per unit length remains constant. At the same time, however, the area moment of inertia is increased, as a result of which the desired optimum behavior of the spiral spring in the oscillating state of the oscillating system, ie. H. the avoidance of the displacement of the coil spring results.
  • the stabilization of the oscillatory behavior of the spiral spring is then further improved if at least one stabilization factor for the spiral spring, namely the area inertia stabilization factor (NFT) and / or the spring constant stabilizing factor (nk) is selected in the manner described below.
  • NFT area inertia stabilization factor
  • nk spring constant stabilizing factor
  • the coil spring consists of an inner oscillation area and an outer stabilization area in which the height is reduced and optionally the width is increased
  • the inner vibration range extends over an angular range of 0 ° to 3 A, d. H. from the inner end of the vibration region to the beginning of the outer stabilization region.
  • the outer stabilization range is in the angular range 3 A to 3 E and extends to the outer spring breakpoint.
  • the slope of the loop geometry can be of any functional relationship.
  • a helical spring with a linear pitch is used by way of example.
  • the width, the material used and the cross-sectional geometry within the oscillation range and the stabilization range are freely selectable with the proviso that the coil spring in the outer stabilization region has an average height h s t parallel to its axis that is at least 1% less than the average Height h sc in the inner oscillation range.
  • r [B): r0 I
  • the angle 3 A which describes the beginning of the stabilization range
  • the angle, 9 E which determines the total length of the coil spring
  • the angle values 3 A and 3 E assigned the associated lengths LA and LE.
  • LA is the total spring length up to the angle 3 A with the relation:
  • FT (I) is below the course of the moment of inertia as a function of the length of the coil spring and E is below the modulus of elasticity of the material used for the coil spring.
  • the parameter values are determined so that the respective physical size of the stabilization range from LA ⁇ 3 A) to LE ⁇ 3 E) is set in relation to the oscillation range from 0 to LA ⁇ 3 A).
  • This quotient Q1 of the coil spring is then set in relation to a corresponding quotient Q2 of a reference coil spring.
  • the reference coil spring is a spring having the same number of turns and spring length LE a Windungsquerites corresponding to the winding cross section of the oscillation range of the coil spring, so in terms of shape and number of turns of the coil spring, but without formation of the stabilization region by reducing the height of the spring.
  • FT and nk is thus influenced only by the stabilizing measures in the outer region of the spiral spring.
  • FT represents the ratio of the courses of the moment of inertia distributions FT (I) as a function of the length of the spiral spring in the section of the stabilization region to the vibration region and this in the overall comparison to the reference coil spring:
  • FT (I) is the course of the area moment of inertia as a function of the length I
  • FTn (l) is the course of the area moment of inertia of the reference coil spring as a function of the spring length (I).
  • the stabilization factor nFT is chosen to be in the range 10 ⁇ nFT ⁇ 65.
  • the stabilization factor r ⁇ k is the ratio of the spring constant of the stabilizing angle range 3 A to 3 E to the spring constant of the oscillation range 0 to 3 A and this in comparison to the ratio of the spring constant in the analog angular ranges of the reference coil spring:
  • the stabilization factor r ⁇ W is chosen to be in the range 1, 5 ⁇ r
  • the average height h sc and the average width b sc of the spiral spring in their inner oscillation range and the average height h s t and the average width b s t of the spiral spring are matched to one another in their outer stabilization region
  • FT) has a value lying in a predetermined setpoint range assigned to the area moment of inertia stabilization factor (n , FT) and / or a spring constant stabilization factor (r
  • FT) is represented by the ratio of a first quotient to a second quotient, wherein the first quotient is the ratio of the area moment of inertia of the outer n stabilization region of the coil spring to the area moment of inertia of
  • FT (I) the course of the moment of area moment of the spiral spring as a function of the spring length (I) and FTn (l) the course of the moment of area moment of the reference spring as a function of the spring length (I), wherein the the area of inertia stabilization factor (r
  • k) is represented by the ratio of a first quotient to a second quotient, the first quotient being the ratio of the spring constant of the outer stabilizing region of the spiral spring to the spring constant of the inner oscillating region of the spiral spring and the second quotient the ratio of the spring constants of a spring length corresponding to the stabilization region to the spring constant of a spring length of a reference spiral spring corresponding to the oscillation range are, in accordance with the formula: stable ⁇ M - ⁇ E)
  • the reference coil spring is a spring which corresponds in terms of geometric shape, number of turns, turn and spring length (LE) of the coil spring, however, the average height h sc of the reference coil spring equal to their average Height h s t and the average width b sc of the reference coil spring is equal to their average width b s t.
  • 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 stabilization region preferably extends over an angular range of 10 ° to 360 °, particularly preferably from 20 ° to 270 °, particularly preferably from 30 ° to 180 °, very particularly preferably from 40 ° to 100 ° .
  • the stabilization region extends over an angular range of at least 10 °, particularly preferably of at least 20 °, particularly preferably of at least 30 °, very particularly preferably of at least 40 °, of at least 60 °, at least 90 ° or at least 120 ° ,
  • the angular range extends from the outer spring-holding point in the direction of the oscillation range of the spiral spring.
  • the spiral spring preferably consists of a non-metallic material, preferably of diamond or of silicon with a coating of silicon oxide.
  • the present invention also includes a mechanical timepiece with a mechanical vibration system, wherein the vibration system is as above is formed described and provided with a coil spring, which is produced by the manufacturing method according to the invention.
  • Figure 1 by way of example a perspective view of a
  • FIG. 2 shows by way of example a section along an axis of FIG
  • FIG. 3 shows, by way of example, a perspective side view of the released components of the vibration system according to FIGS. 1 and 2;
  • Figure 4 is a perspective view of the coil spring in conjunction with the balance shaft of a clockwork
  • Figure 5 in detail and in plan view a spiral spring produced by the method according to the invention with a fixed spring-holding point; in individual representation and in plan view of a spiral spring according to the invention with reminder produced by the method according to the invention; a plan view of a Si wafer, in which already the coil springs made by etching or cutting but are connected to the Si wafer; a detail view of the designated in Figure 6 with A area. a view of the core of a turn of the oscillating region in cross section;
  • FIG. 16 shows an individual view and a top view of an embodiment of the invention
  • Figure 17 is an enlarged perspective view of a portion of a coil spring coil formed on the upper side surface according to another embodiment
  • Figure 18 is an enlarged perspective view of a part of a
  • Figure 19 is a perspective plan view of an additional item
  • FIG. 20 shows a perspective detailed view of the stabilization region of the spiral spring from FIG. 19;
  • FIG. 21 is a plan view of the constant width portion of FIG.
  • FIG. 22 is a side view of the constant width portion of FIG.
  • the oscillating system 1 comprises a vibrating body 2, which is designed in the form of a flywheel, a balance shaft 3 and the coil spring 4.
  • Das 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 flywheels 2.4 are attached at the center of rotation of the flywheel 2 facing inside of the outer circular ring section 2.1.
  • the balance-wheel shaft 3 also has an upper free end 3.1 and lower free end 3.2, which taper in a pointed manner and are received for rotatably supporting the balance-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 also the axis of rotation of the flywheel 2 and the coil spring axis.
  • the coil spring 4 consists of a preferably annular, inner coil spring attachment section 4.1 and an outer spiral spring end section 4.2. In between there are a plurality of turns 9, which extend in a plane perpendicular and preferably concentric to the axis UA of the balance shaft 3 or the spiral spring axis, 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 coil-spring fastening section 4.1, which shaft section 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 6.2 of the holding arm 6 along the longitudinal axis LHA of the holding arm 6.
  • the retaining arm 6 has an inner retaining arm end 6.1 and an outer retaining arm end 6.2, the inner retaining arm end 6.1 forming an open circular ring and an elongate guide recess 6.3 being provided in the region of the outer retaining arm end 6.2.
  • the elongated guide recess 6.3 is provided for the variable attachment of the holding element 7 on the support arm 6.
  • 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, elongate base body 7.1 with an upper end face 7.1 1 and lower end face 7.12 and a longitudinal axis LHE, which has a blind opening 7.2 opened to the upper end side 7.1 1 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.
  • the coil spring center is adjustable, and preferably such that the turns 9 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 region LA form the turns 9 of the spiral spring 4.
  • the turns 9 extend from an inner end 12 of the coil spring attachment portion 4.1 to a stabilization region LS.
  • the vibration region LA and the stabilization region LS contribute to the vibration of the coil spring 4.
  • the embodiment of the stabilization region LS shown here represents one of several possible embodiments and should not be construed as limiting the invention.
  • FIG. 5 shows, in a detail view and a top view, a spiral spring 4 of the mechanical vibration system 1, which comprises the spiral spring 4 produced according to one embodiment of the production method of the invention.
  • the coil spring 4 is shown in the Embodiment z. B. from a silicon starting material, such as monocrystalline silicon or polycrystalline silicon produced.
  • a silicon starting material such as monocrystalline silicon or polycrystalline silicon produced.
  • masking etching methods are used, in such a way that the integrally formed and a plurality of turns 9 having coil spring 4 is attached to the inner coil spring mounting portion 4.1 on the balance shaft 3 and executed with an outer stabilization LS.
  • the stabilizing region LS also oscillates in the oscillation of the spiral spring 4.
  • the outer stabilizing region LS is in the region of the outer winding 9 and extends over an angular range ⁇ of 100 °.
  • the stabilization region LS is formed in the illustrated embodiment, inter alia, in that the coil spring 4 has a region 26 radially to its spring axis, which has an increased radial width to its axis and a reduced height parallel to its axis.
  • the stabilization region LS extends from the spring support point 14 to the beginning of the oscillation region LA, wherein the boundary between stabilization region LS and oscillation region LA is to be determined as defined above.
  • the frequency of the oscillating system 1 is set, for example, by a suitable choice of the mass of the flywheel 2 provided on the flywheel 2.
  • flywheel masses 2.4 are preferably used, which have a different height parallel to the axis UA of the balance shaft 3 in order to achieve a different mass in the axial direction.
  • the spiral spring 4 is made of silicon in a masking-etching process. In order to achieve the required strength and temperature independence, it is advantageous to provide the spiral spring 4 or a blank forming this spring on the surfaces by thermal treatment with a silicon dioxide layer 20 (see FIGS. 10 and 11).
  • the production method eg masking-etching method results in not insignificant tolerances of the shape of the spiral spring 4. To nevertheless achieve a favorable for the behavior of the coil spring 4 in the oscillating system aspect ratio of stabilization range LS to vibration range LA (see FIG. 6), the spring holding point 14 is positioned in the stabilization region LS so that an optimal vibration behavior is achieved.
  • a spring-holding point 14 would be fixed after setting.
  • a so-called reverse 15 which is essentially formed by a lever 16 which is pivotable about the axis of the balance shaft 3.
  • the lever 16 has a receptacle 17 formed, for example, by two pins, in which the spiral spring 4 engages and thus forms the spring-holding point 14.
  • the coil spring 4 is fixedly connected to the spring holding point 14 with a board or a bearing plate.
  • the receptacle 17 of the reminders 15 forms a solid spring stop 14 after.
  • the spiral spring 4 shown in Figure 6 has a total of ten turns 9 and an outer stabilization region LS, which in turn adjoins the length of the inner vibration region LA to the outer attachment 18 (spring holding point), which determines the total length of the coil spring 4.
  • the stabilization region LS extends over an angle ⁇ of about 100 ° and consists of a section 26.1 of increasing width, adjoining the length LA, of an adjoining section 26.2 of constant width, from a section 26.3 which decreases towards the outer end 4.4 towards the width, and an end portion 26.4 of the stabilization region LS, which extends up to the spring retainer 14 formed by the reminder 15.
  • the sections 26.1 and 26.3 each extend over an angular range of approximately 15 ° in the case of the spiral spring 4.
  • the middle section 26.2 has a larger angular range of about 30 ° compared to sections 26.1 and 26.3.
  • the spiral spring 4 has an essentially constant width B ox (see FIG. 10) and an essentially constant height H ox (see FIG. 10) of the turns 9 in the inner oscillation range.
  • FIG. 7 shows a plan view of a Si wafer 40 in which the spiral springs 4 have already been produced by etching or cutting.
  • the Si wafer 40 may be monocrystalline or polycrystalline.
  • FIG. 8 shows a detailed view of that marked A in FIG.
  • Separation of the coil spring 4 is preferably carried out by a
  • FIG. 9 shows a cross section through a core 25 of a turn 9 of the spiral spring 4 in the oscillation area LA.
  • the core 25 has a substantially constant cross section over the entire length of the turns 9 of the oscillation region LA.
  • the core 25 has a height H and a width B.
  • the core 25 is provided with an S 1 O 2 layer 20 surrounding on all sides, which is formed by the thermal oxidation of the core 25.
  • the resulting after the thermal oxidation of the cross-section of the spiral spring 4 has a height Hox and a width box in the oscillation area LA.
  • the core 25 with two opposite side surfaces 22 has an average height H.
  • Two opposite cover surfaces 24 have an average width B, wherein the side surfaces 22 and the top surfaces 24 of the core 25 of the coil spring 4 extend along the vibration region LA.
  • FIG. 11 the region of the oxidized core 25 marked with the dashed circle K from FIG. 9 is shown enlarged.
  • a portion of the silicon at the surface of the core 25 is converted to S 1 O 2.
  • S 10O2 continues to increase, so that ultimately the height Hox and the width Box of the cross section of the turns 9 of the oscillation area LA result.
  • the dashed line in FIG. 11 indicates the height H and the width B of the unoxidized core 25.
  • Figure 12 shows a plan view of a coil spring 4, which is produced by the method according to the invention.
  • the region 26 of the stabilization region LS (see FIG. 5) has the section 26.2 with a constant width.
  • the section 26.2 of constant width B A has a height H A formed which is smaller than the height H ox of the coil spring 4 after the thermal oxidation of the core 25 made of silicon.
  • the height H A is formed by the fact that the silicon dioxide layer 20 is removed on the portion 26.2, which is the upper side surface 28 of the stabilizing region LS, at least up to the core 25 of silicon.
  • the section 26.2 with constant width B A is substantially parallel to the turns 9 of the coil spring 4th
  • FIG. 13 shows a perspective detail view of the stabilization region LS of the spiral spring 4 from FIG. 12.
  • the dashed lines in FIG. 13 mark the steps 21 which have formed by removing the silicon dioxide layer 20 in the section 26.2 having a constant width B A.
  • Figure 14 shows a plan view of a further embodiment of the coil spring 4, which is produced by the method according to the invention.
  • the stabilization region LS of the spiral spring 4 is designed such that the width B A of the stabilization region LS of the spiral spring 4 steadily increases up to the outer end 4.4.
  • the stabilization region LS begins at the point of the spiral spring 4 indicated by the dashed arrow 23.
  • the stabilization region LS is essentially parallel to the turns 9 of the spiral spring 4 with its inside 32.
  • the section 26 of the stabilization region LS has a height H A which is smaller than the height H ox of the coil spring 4 after the thermal oxidation of the core 25 made of silicon.
  • the outer end 4.4 of the coil spring 4 essentially serves as a spring-holding point, and the section 11 can also extend up to this spring-holding point or the outer end 4.4 of the spiral spring 4.
  • FIG. 15 shows a perspective detail view of the stabilization region LS of the spiral spring 4 from FIG. 14.
  • the dashed lines in FIG. 15 also mark the steps 21 formed by removing the silicon dioxide layer 20 in the section 26 of the stabilization region LS.
  • the spiral spring 4 shown in FIG. 16 has no stabilization region LS. 16 shows only the description of the embodiment of the oscillating region LA of the spiral spring 4.
  • the spiral spring 4 has at least on the upper side surface 51 (see FIGS. 17 and 18) of the turns 9 a multiplicity of first partial regions 10 and a multiplicity of second partial regions 1 1 formed, which differ in terms of design.
  • 10 S 10 O2 is present in the first subarea and in the second subarea 1 1 1 a recess 55 is formed, which extends at least as far as the core 25 of silicon or even extends into the core 25 of silicon.
  • the spiral spring 4 has the same width box.
  • first a second partial area 11 follows, followed by a first partial area 10 and so on.
  • all windings 9 of the illustrated spiral spring 4 each comprise a total of eight second partial regions 11 and eight first partial regions 10.
  • the first and second partial regions 10 and 1 become 1 in the direction of the inner spring end 12 out with ever lesser extent in the direction or length of the spring length configured.
  • the first partial areas 10 and the second partial areas 11 each form a sector. Other arrangements of the first and second portions 10 and 1 1 are conceivable.
  • FIG. 17 shows a perspective view of another embodiment of a part of a turn 9 of the spiral spring 4.
  • the depressions 55 are formed in the second partial regions 11.
  • the depressions 55 are formed on the upper side surface 51 in the S1O2 layer 20 according to a possible embodiment by means of a laser ablation process.
  • the first portions 10 separate the recesses 55 from each other. In the first subareas 10, the S1O2 layer 20 is not removed.
  • the second portions 1 which contain the recesses 55, sector-shaped on the at least one upper side surface 51 of the turns 9 of the coil spring 4 is formed.
  • the first portions 10 are formed as inclined ridges 52 and have all the turns 9 the same size. Likewise, the recesses 55 have the same size over all turns 9.
  • FIG. 18 shows a perspective view of a further embodiment of a part of a winding 9 of the spiral spring 4 of the oscillation area LA.
  • the recesses 55 formed at least on the upper side surface 51 are in the second portions 1 1, the recesses 55 formed.
  • the depressions 55 are formed on the upper side surface 51 in the SiO 2 layer 20 according to a possible embodiment by means of a laser ablation process.
  • the first portions 10 separate the recesses 55 from each other. In the first subareas 10, the S1O2 layer 20 is not removed.
  • Figure 19 shows a perspective top view of an additional embodiment of the coil spring 4, which is produced by the method according to the invention.
  • the region 26 of the stabilization region LS has the section 26.2 with a constant width.
  • the section 26.2 of constant width B A has a height H A which is smaller than the height Hox of the coil spring 4 after the thermal oxidation of the core 25 made of silicon.
  • the height H A is formed by the fact that the S 1 O 2 layer 20 on the section 26. 2 is removed from silicon at least up to the core 25.
  • the section 26.2 with constant width B A is substantially parallel to the turns 9 of the coil spring 4.
  • Figure 21 shows a plan view of the section 26.2 with a constant width box of the stabilizing LS of the coil spring 4 of Figure 12.
  • the width box of the coil spring 4 results from the thermal oxidation of the coil spring 4.
  • the produced by thermal oxidation on the core 25 of silicon dioxide Layer 20 has been removed in section 26.2 by means of mechanical and / or chemical processes at least down to the core 25.
  • steps 21 are formed, which delimit the section 26.2.
  • the material of the stages 21 is S1O2 formed by the thermal oxidation.
  • FIG. 22 shows a side view of the constant width section of the stabilization region LS taken along section line AA of FIG. 21.
  • the section 26.2 has a height H A.
  • a depression 35 formed thereby has a depth T.
  • the sum of the depth T of the depression 35 and the height H A in the section 26.2 is the height H ox of the spiral spring 4.
  • the depression 35 is clearly limited by the two-sided steps 21.
  • the material removal in the stabilization region LS of the spiral spring 4 is carried out chemically.
  • the application of the etchant can be carried out by means of a metering device, an oil dispenser or a syringe, a stick made of plastic or wood, etc.
  • the application can be done manually, hablautomatisch or automatically with a robot.
  • the etchant is BHF
  • the etch rate is usually between 50 nm and 100 nm per minute.
  • the thickness of the SiO.sub.2 layer 20 to be removed is between 2 .mu.m and 5 .mu.m, depending on the width of the region in the stabilization region LS where the SiO.sub.2 layer 20 has to be removed. It may be necessary to repeat the application of the etchant several times until at least the SiO 2 layer 20 is removed down to the core 25 made of silicon.
  • adjacent areas to be removed area such as between the windings 9 or on top of the windings 9 of the coil spring 4, for example, filled or covered with a polymer.
  • the coil spring 4 can be protected from attack by the etchant.
  • the removal is preferably on the widened areas of the Stabilization LS performed. After the removal process, the remaining etchant is washed off and neutralized.
  • the removal of the S1O 2 layer 20 can also be done with a laser
  • the removal of the S1O 2 - layer 20 can be carried out purely mechanically.
  • the removal of the SiO 2 layer 20 can be carried out mechanically-chemically.

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Abstract

Es ist ein Herstellungsverfahren für eine Spiralfeder (4) für mechanische Uhrwerke offenbart. Zunächst erfolgt ein Vereinzeln einer Vielzahl von Spiralfedern (4) bei einem Silizium-Wafer. Anschließend wird ein thermisches Oxidieren der noch mit dem Silizium-Wafer verbundenen aber freigelegten Spiralfedern (4) durchgeführt. Abschließend erfolgt ein Abtragen der SiO2 – Schicht (20) in zumindest einem Bereich (11) des Stabilisierungsbereichs (LS) bis zumindest auf den Kern (25) der Spiralfeder (4).

Description

Herstellungsverfahren für eine Spiralfeder für mechanische Uhrwerke und Spiralfeder
Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für eine Spiralfeder für mechanische Uhrwerke.
Ferner betrifft die Erfindung eine Spiralfeder für mechanische Uhrwerke. Die Spiralfeder hat einen Spiralfederbefestigungsabschnitt, einen daran anschließenden Schwingungsbereich mit mindestens einer Windung und einen sich an den Schwingungsbereich anschließenden Stabilisierungsbereich. Der Schwingungsbereich und der Stabilisierungsbereich haben einen massiven Kern aus Silizium. Der Schwingungsbereich und der Stabilisierungsbereich sind zumindest abschnittsweise von einer S1O2 - Schicht umschlossen.
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 Schwing- oder Spiralfeder bzw. Unruhfeder vorgesehen, die zusammen mit der Masse des Schwingkörpers das schwingungsfähige und taktgebende System bildet.
Aus der DE 10 2008 061 182 A1 ist die Herstellung von Schwing- oder Spiralfedern aus Silizium, insbesondere aus polykristallinem Silizium sowie aus Siliziumcarbid bekannt. Bei Verwendung derartiger Spiralfedern zur Bildung eines mechanischen Schwingsystems für mechanische Uhrwerke kann es im Rahmen der Herstellung zu Toleranzen kommen, welche sich nachteilig auf das Schwingungsverhalten des mechanischen Schwingsystems auswirken. Bekannt ist auch, die Schwing- oder 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 des Massengewichtes der Verdickung in Bezug auf das Gesamt-Massengewicht der aktiven Federlänge der Spiralfeder notwendig. Die aktive Federlänge ist dabei diejenige Länge der Spiralfeder, die während des Schwingens wirksam ist, d.h. der elastischen Verformung unterliegt und sich zwischen dem inneren Spiralfederende und dem äußeren Haltepunkt der Spiralfeder erstreckt. 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 sämtlicher Windungen (übliche Windungsbreite) ist. Bei der Herstellung der Spiralfedern sind Toleranzen nicht auszuschließen. Dies gilt, wie ausgeführt, in verstärktem Maße für Spiralfedern aus Silizium, die an ihren Oberflächen zur Erzielung der notwendigen Festigkeit und/oder Temperaturunabhängigkeit mit einer Beschichtung aus Siliziumoxid versehen werden. In der Regel erfolgt diese Beschichtung durch thermische Oxidation.
Das europäische Patent EP 1 473 604 B1 offenbart eine flache Spirale für ein Uhrwerk, die an ihrer äußeren Windung einen versteiften Abschnitt besitzt, um die Verformungen der Windungen im Wesentlichen konzentrisch zu gestalten. Dieser versteifte Abschnitt endet vor dem äußeren Ende der Spirale. Der Abstand zwischen einem Endteil der äußeren Windung und der vorletzten Windung der Spirale ist hinreichend groß, so dass diese vorletzte Windung bei Dehnungen der Spirale, welche Amplituden erreichen, die im Wesentlichen dem maximalen Rotationswinkel der Unruh bei dem genannten Uhrwerk entsprechen, radial frei bleibt.
Im US Patent US 209,642 ist bereits offenbart, den äußeren Bereich einer Spiralfeder zur Verbesserung des Schwingungsverhaltens zu versteifen. Die schweizerische Patentschrift CH 327 796 offenbart eine Spiralfeder, die ebenfalls einen versteiften Abschnitt in der letzten Windung aufweist. Die Versteifung ist durch Abkannten, Falten oder Verdicken hergestellt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Herstellungsverfahren für eine Spiralfeder für ein mechanisches Uhrwerk bereitzustellen, so dass die hergestellte Spiralfeder trotz der Fertigungstoleranzen ein verbessertes Schwingungsverhalten der Spiralfeder erreicht und die Belastung der Lager des Uhrwerks minimiert, so dass die Ganggenauigkeit verbessert und die Wartungsintervalle verlängert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Herstellungsverfahren für eine Spiralfeder für ein mechanisches Uhrwerk gelöst, das die Merkmale des Patentanspruchs 1 umfasst. Weitere vorteilhafte Aspekte, Details und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den Figuren.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, eine Spiralfeder bereitzustellen, die trotz der Fertigungstoleranzen ein dauerhaft ausgezeichnetes Schwingungsverhalten zeigt, wobei die Spiralfeder, die im Gewicht reduziert ist, einfach und reproduzierbar hinsichtlich des Schwingungsverhaltens herzustellen ist, ohne dabei die erforderliche Temperaturkompensation zu vernachlässigen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Spiralfeder für mechanische Uhrwerke gelöst, die die Merkmale des Anspruchs 13 umfasst.
Der „Schwingungsbereich" der Spiralfeder ist im Sinne der Erfindung diejenige Spirallänge der Spiralfeder, in dem die Schwingung ungehindert abläuft. Im Stabilisierungsbereich wird durch eine Erhöhung des Flächenträgheitsmomentes der innere Schwingungsbereich stabilisiert. Für die Eigenfrequenz der Spiralfeder ist auch der Stabilisierungsbereich maßgebend, der ebenfalls zu Schwingung der Spiralfeder beiträgt.
Die vorliegende Erfindung zeichnet sich durch ein Herstellungsverfahren für eine Spiralfeder für mechanische Uhrwerke aus, das die folgenden Schritte umfasst:
• Vereinzeln einer Vielzahl von Spiralfedern, wobei ein Silizium-Wafer einem Ätzprozess unterzogen wird;
• Auftragen einer S1O2 - Schicht auf die noch mit dem Silizium-Wafer verbundenen aber freigelegten Spiralfedern, so dass eine S1O2 - Schicht mit einer Dicke zwischen 2pm und 5pm ausgebildet wird und einen Kern der Spiralfeder aus Silizium umgibt; und
• Abtragen der S1O2 - Schicht in zumindest einem Bereich des Stabilisierungsbereichs bis zumindest auf den Kern der Spiralfeder.
Das Abtragen der S1O2 - Schicht kann zumindest auch in einem zweiten Teilbereich des Schwingungsbereichs der Spiralfeder (4) durchgeführt werden.
Das Abtragen kann chemisch und/oder mechanisch durchgeführt werden. Für das chemische Abtragen wird als Ätzmittel z. B. BHF verwendet. Das Abtragen kann auch mit einem Laser durchgeführt werden.
Der Abtrag im Stabilisierungsbereich wird in einem Abschnitt durchgeführt, so dass im Bereich des Abschnitts eine Vertiefung ausgebildet wird. Die Siliziumdioxid-Schicht wird im Abschnitt zumindest bis auf den Kern aus Silizium abgetragen. Auch im Schwingbereich erstreckt sich der Abtrag zumindest bis auf den Kern aus Silizium. Ebenso ist es möglich dass sich der Abtrag sowohl im Stabilisierungsbereich als auch im Schwingbereich bis in den Kern aus Silizium hinein erstreckt. Die Vertiefungen an der oberen Seitenfläche des Schwingbereichs und/oder die Vertiefung im Stabilisierungsberiech besitzen einen Boden, der eine Rauhtiefe von kleiner als 10pm besitzt. Bevorzugt ist die Rauhtiefe kleiner als 5pm. Weiter bevorzugt ist die Rauhtiefe kleiner als 3pm. Besonders bevorzugt ist die Rauhtiefe kleiner als 1 μητ
Die erfindungsgemäße Spiralfeder besitzt einen
Spiralfederbefestigungsabschnitt, einen sich daran anschließenden Schwingungsbereich mit mindestens einer Windung, und einen sich an den Schwingungsbereich anschließenden Stabilisierungsbereich. Der Schwingungsbereich und der Stabilisierungsbereich haben einen massiven Kern aus Silizium. Der Schwingungsbereich und der Stabilisierungsbereich sind von einer S1O2 - Schicht zumindest abschnittsweise umschlossen. Zumindest in einem Bereich des Stabilisierungsbereichs der oberen Seitenfläche ist eine Vertiefung eingebracht, deren Tiefe zumindest bis auf den Kern aus Silizium reicht.
Die erfindungsgemäße Spiralfeder hat den Vorteil, dass durch das Ausbilden der Vertiefungen Gewicht eingespart werden kann, ohne dabei die mechanische Stabilität und das Schwingverhalten zu destabilisieren und die Temperaturkompensation der Spiralfeder zu gefährden. Hinzu kommt, dass mit der erfindungsgemäßen und im Gewicht reduzierten Spiralfeder auch die Lager der Spiralfeder geschont werden, was sich wiederum positiv auf die Ganggenauigkeit der Uhr und eine Verlängerung der Serviceintervalle auswirkt.
Gemäß einer möglichen Ausführungsform ist auch im Schwingungsbereich und entlang mindestens einer Windung des Schwingungsbereichs mindestens eine Vertiefung in einem zweiten Teilbereich in der S 1O2 - Schicht ausgebildet. Die Tiefe der Vertiefung reicht zumindest bis auf den Kern aus Silizium. Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Vertiefungen auszubilden. Entlang der Länge der Windungen des Schwingungsbereichs sind mehrere Vertiefungen in den zweiten Teilbereichen vorgesehen, die von jeweils einem ersten Teilbereich getrennt sind, der die S1O2 - Schicht trägt. Eine weitere Möglichkeit ist, dass die zweiten Teilbereiche auf der mindestens einen oberen Seitenfläche der Windungen der Spiralfeder jeweils eine gleiche Länge besitzen und durch die ersten Teilbereiche, die ebenfalls eine gleiche Länge besitzen, voneinander getrennt sind.
Die Vertiefungen im Schwingungsbereich erstrecken sich auf der oberen Seitenfläche über die gesamte Breite der Windung. Die Vertiefung auf der oberen Seitenfläche im Stabilisierungsbereich erstreckt sich über die gesamte Breite des Bereichs. Eine weitere Möglichkeit ist, dass die Vertiefungen im Schwingungsbereich auf der oberen Seitenfläche als Wannen ausgebildet sind, und dass die Vertiefung auf der oberen Seitenfläche im Stabilisierungsbereich ebenfalls als Wanne ausgebildet ist. Eine weitere Ausgestaltung ist, dass die Vertiefungen im Schwingungsbereich auf der oberen Seitenfläche als Wannen ausgebildet sind, und dass die Vertiefung auf der oberen Seitenfläche im Stabilisierungsbereich sich über die gesamte Breite des Bereichs erstreckt.
Die Erfindung stellt ein Schwingsystem für mechanische Uhrwerke, aufweisend einen Schwingkörper, eine um eine Achse schwenkbar gelagerte Unruhwelle und eine Spiralfeder mit einer Gesamtfederlänge, wobei sich die Gesamtfederlänge aus einem inneren Schwingungsbereich mit einer Schwingungsfederlänge und einem äußeren Stabilisierungsbereich mit einer Stabilisierungsfederlänge zusammensetzt, zur Verfügung. Die Spiralfeder ist mit einem Spiralfederbefestigungsabschnitt mit der Unruhwelle verbunden und umschließt mit dem Spiralfederbefestigungsabschnitt die Unruhwelle.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass ein verbessertes Schwingverhalten nicht unbedingt durch eine im Stabilisierungsbereich der Spiralfeder vergrößerte Masse erreicht wird, sondern durch eine Erhöhung des Flächenträgheitsmomentes der Spiralfeder in ihrem Stabilisierungsbereich. Eine solche Erhöhung des Flächenträgheitsmomentes kann in einfacher Weise durch eine im Vergleich zum Schwingungsbereich der Spiralfeder im Stabilisierungsbereich verringerte Höhe und vergrößerte Breite der Spiralfeder erreicht werden. Da die Zunahme der Breite mit der dritten Potenz in die Berechnung des Flächenträgheitsmomentes eingeht und die Abnahme der Höhe sich nur linear auswirkt, kann die Spiralfeder so ausgebildet werden, dass eine Erhöhung des Flächenträgheitsmomentes ohne Massenzunahme möglich ist.
Das Flächenträgheitsmoment (FT) kann für einen rechteckigen Querschnitt der Spiralfeder wie folgt berechnet werden, wobei h die Höhe der Spiralfeder und b die Breite der Spiralfeder bezeichnet:
FT h*b3 d Fl d FT
I 3b2h
ÖD
Figure imgf000009_0001
AFT = 3& 2* * &b - b3 *
Bei konstant bleibender Masse:
Ah = &h *—
Ü
Figure imgf000010_0001
Damit ergibt sich die prozentuelle Änderung zu:
&FT _ &b oder
Figure imgf000010_0002
Verringert sich also die Höhe der Spiralfeder um 1 % und vergrößert sich die Breite der Spiralfeder um 1 %, so nimmt das Flächenträgheitsmoment bei konstanter Masse um 2% zu.
Dieses Ergebnis lässt sich durch eine simple Berechnung der Auswirkungen einer Verringerung der Höhe der Spiralfeder um 1 % und einer Vergrößerung der Breite der Spiralfeder um 1 % auf das Flächenträgheitsmoment bestätigen:
Für den Schwingungsbereich ergibt sich für das Flächenträgheitsmoment:
FTsc — hsc ' bsc
Für den Stabilisierungsbereich ergibt sich für das Flächenträgheitsmoment:
Figure imgf000010_0003
Erfindungsgemäß weist die Spiralfeder im äußeren Stabilisierungsbereich parallel zur Achse der Spiralfeder eine durchschnittliche Höhe hst auf, die zumindest 1 % geringer ist als die durchschnittliche Höhe hsc im inneren Schwingungsbereich, es gilt also: hst = 0,99 ■ hsc- Gleichzeitig weist die Spiralfeder im äußeren Stabilisierungsbereich radial zur Achse der Spiralfeder eine durchschnittliche Breite bst auf, die zumindest 1% größer ist als die durchschnittliche Breite bsc im inneren Schwingungsbereich, woraus sich ergibt: bst = 1,01 ■ bsc.
Für das Verhältnis der Flächenträgheitsmomente ergibt sich damit:
FTst/ FTsc = (hSfbst3)/(hsc bsc3) = (0,99 hSc (1,01 bSc)3)/(hsc bsc3) = 0,99-1,013«
1,02
Unabhängig von den konkreten Werten für die durchschnittliche Höhe hst, die durchschnittliche Höhe hsc, die durchschnittliche Breite bst und die durchschnittliche Breite bsc ergibt sich also bei Verringerung der Höhe um 1% bei gleichzeitiger Vergrößerung der Breite der Spiralfeder um 1% eine Erhöhung des Flächenträgheitsmoments um 2%.
Vergleicht man die Massen der beiden Bereiche normiert auf eine definierte Länge, so ergibt sich das Verhältnis von Masse des Stabilisierungsbereichs zur Masse des Schwingungsbereichs wie folgt: mst/ msc = (hSfbst)/(hsc bsc) = (0,99 hSc-1,01 bsc)/(hSc bsc) = 0,99-1,01 « 1,00
Wiederum unabhängig von den konkreten Werten für die durchschnittliche Höhe hst, die durchschnittliche Höhe hsc, die durchschnittliche Breite bst und die durchschnittliche Breite bsc ergibt sich also bei Verringerung der Höhe um 1% bei gleichzeitiger Vergrößerung der Breite der Spiralfeder um 1% keine Veränderung der Masse. Durch die erfindungsgemäße Veränderung des geometrischen Querschnitts der Spiralfeder im Stabilisierungsbereich gegenüber dem Schwingungsbereich wird also eine Erhöhung des Flächenträgheitsmoments ohne Vergrößerung der Masse möglich. Als weiteres einfaches Beispiel sei eine Spiralfeder genannt, bei der im Stabilisierungsbereich die Breite um 100% (entsprechend einem Faktor 2) vergrößert ist, während die Höhe um 50% (entsprechend einem Faktor 0,5) verringert ist. Für den Stabilisierungsabschnitt dieser Spiralfeder ergibt sich eine Zunahme des Flächenträgheitsmomentes um einen Faktor 4, während die Masse konstant bleibt.
Durch die Verringerung der durchschnittlichen Höhe kann in vielen Fällen eine Stabilisierung des Schwingungsverhaltens der Spiralfeder erreicht werden, ohne dass der Stabilisierungsbereich mit einer zusätzlichen Masse versehen werden muss. Damit wird verhindert, dass die Spiralfeder aufgrund der durch die zusätzlichen Masse bedingten erhöhten Trägheit ihre maximale Schwingungsamplitude erst zu einem späteren Zeitpunkt erreicht. Außerdem wird sowohl eine durch Massenzunahme bedingte höhere Reibung in den Lagern der Spiralfeder als auch eine durch eine zusätzlich vorgesehene Masse hervorgerufene Unwucht der Spiralfeder vermieden.
Es soll aber klar gestellt werden, dass sich die vorliegende Erfindung auf jede Form von Spiralfedern bezieht, bei der eine Verringerung der Höhe und eine Vergrößerung der Breite in der beanspruchten Art vorgenommen wird. Darunter fallen auch Ausführungsformen, die trotz der Verringerung der Höhe eine Zunahme der Masse aufgrund der Vergrößerung der Breite im Stabilisierungsbereich erfahren.
Unter der„durchschnittlichen Höhe" bzw. der„durchschnittlichen Breite" einer Spiralfeder wird der auf die entsprechende Federlänge normierte Mittelwert der über die jeweilige Federlänge variierenden Höhe bzw. variierenden Breite einer Spiralfeder verstanden. Üblicherweise werden Spiralfedern aus fertigungstechnischen Gründen mit einer konstanten Höhe und einer konstanten Breite, die sich aber zwischen Schwingungsbereich und Stabilisierungsbereich unterscheiden können, gefertigt. Aus verschiedenen Gründen kann es aber vorkommen, dass eine Spiralfeder im Schwingungsbereich und/oder im Stabilisierungsbereich eine variierende Höhe bzw. variierende Breite aufweist. Da sich die durch die vorliegende Erfindung ergebende Verbesserung des Schwingungsverhaltens auch in diesen Fällen einstellt, solange nur die durchschnittliche Höhe der Spiralfeder in ihrem Stabilisierungsbereich um wenigstens 1 % geringer ist als die durchschnittlich Höhe im Schwingungsbereich, wird auf die oben definierte „durchschnittliche Höhe" bzw.„durchschnittliche Breite" abgestellt.
Wie oben bereits beschrieben, setzt sich die Gesamtfederlänge aus dem inneren Schwingungsbereich und dem äußeren Stabilisierungsbereich zusammen. Nachfolgend soll die Abgrenzung der beiden Bereiche„innerer Schwingungsbereich" und „äußerer Stabilisierungsbereich" klar gestellt werden. Die Gesamtfederlänge der Spiralfeder erstreckt sich von dem inneren Spiralfederende bis zu dem äußeren Federhaltepunkt. Das innere Ende des 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 äußere Stabilisierungsbereich entspricht einem Abschnitt der Spiralfeder, der sich von dem Federhaltepunkt in Richtung des Schwingungsbereichs der Spiralfeder erstreckt, wobei die Grenze zwischen Stabilisierungsbereich und Schwingungsbereich dadurch festgelegt ist, dass die durchschnittliche Höhe hst der Spiralfeder in ihrem Stabilisierungsbereich zumindest 1 % geringer ist als die durchschnittliche Höhe hsc der Spiralfeder in deren inneren Schwingungsbereich und gleichzeitig die durchschnittliche Breite bst der Spiralfeder in ihrem Stabilisierungsbereich zumindest 1 % größer ist als die durchschnittliche Breite bsc der Spiralfeder in deren inneren Schwingungsbereich. Im Falle konstanter Höhen hst und hsc und konstanter Breiten bst und bsc ist die Grenze zwischen Stabilisierungsbereich und Schwingungsbereich sofort offensichtlich, da eine Unstetigkeit in der Höhe und eine Unstetigkeit in der Breite entsprechend einer Stufe ausgebildet sind. Im Falle variierender Höhen hst und hsc und variierender Breiten bst und bsc kann die Grenze zwischen Stabilisierungsbereich und Schwingungsbereich durch den Fachmann mit Hilfe einfacher Messungen bestimmt werden. Nach der Bestimmung der Höhe und der Breite der Spiralfeder in definierten Längenabschnitten über die gesamte Federlänge hinweg kann durch eine einfache mathematische Auswertung der Punkt berechnet werden, an dem die durchschnittliche Höhe des an den Federhaltepunkt in Richtung des Schwingungsbereichs anschließenden Bereichs um mindestens 1 % geringer ist als die Höhe des an den Spiralfederbefestigungsabschnitt in Richtung des äußeren Stabilisierungsbereichs anschließenden Bereichs. Ebenso kann der Punkt berechnet werden, an dem die durchschnittliche Breite des an den Federhaltepunkt in Richtung des Schwingungsbereichs anschließenden Bereichs um mindestens 1 % größer ist als die Breite des an den Spiralfederbefestigungsabschnitt in Richtung des äußeren Stabilisierungsbereichs anschließenden Bereichs. Der Punkt, ab dem beide genannten Bedingungen erfüllt sind, stellt die Grenze zwischen „innerem Schwingungsbereich" und „äußerem Stabilisierungsbereich" dar. Obwohl also die Grenze zwischen „innerem Schwingungsbereich" und „äußerem Stabilisierungsbereich" bei Inaugenscheinnahme einer bestimmten Spiralfeder nicht sofort offenbar ist, kann die Grenze für jede Spiralfeder durch eine für den Fachmann leicht durchzuführende und einfach auswertbare Messung eindeutig bestimmt werden. Analog kann im Zusammenhang mit den nachfolgend näher beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen die entsprechende Grenze dadurch bestimmt werden, dass der Punkt berechnet wird, an dem die durchschnittliche Höhe bzw. Breite des an den Federhaltepunkt in Richtung des Schwingungsbereichs anschließenden Bereichs um mindestens 10% - oder einem der entsprechenden bevorzugten Ausführungsform entsprechenden Wertes - geringer bzw. größer ist als die Höhe bzw. Breite des an den inneren Spiralfederbefestigungsabschnitt in Richtung des äußeren Stabilisierungsbereichs anschließenden Bereichs. Bevorzugt weist die Spiralfeder im äußeren Stabilisierungsbereich eine durchschnittliche Höhe hst auf, die zumindest 2% oder 3% oder 4% oder 5% oder 6% oder 7% oder 8% oder 9% oder 10% geringer ist als die durchschnittliche Höhe hsc im inneren Schwingungsbereich. Besonders bevorzugt weist die Spiralfeder im äußeren Stabilisierungsbereich eine durchschnittliche Höhe hst auf, die zumindest 12% oder 14% oder 16% oder 18% oder 20% oder 22% oder 24% oder 25% geringer ist als die durchschnittliche Höhe hsc im inneren Schwingungsbereich. Insbesondere bevorzugt weist die Spiralfeder im äußeren Stabilisierungsbereich eine durchschnittliche Höhe hst auf, die zumindest 30% oder 35% oder 40% oder 45% oder 50% geringer ist als die durchschnittliche Höhe hsc im inneren Schwingungsbereich.
Mit einer Veränderung der Querschnittsgeometrie der Spiralfeder im Stabilisierungsbereich durch eine Verringerung der Höhe bei gleichzeitiger Vergrößerung der Breite, wird eine zunehmende Vergrößerung des Flächenträgheitsmomentes und ein zunehmend stabileres Schwingverhalten der Spiralfeder erreicht. Durch ein einfaches Drehen der rechteckigen Querschnittsfläche einer üblichen Spiralfeder um 90° wird ohne Veränderung der Masse eine Zunahme des Flächenträgheitsmomentes und eine damit einhergehende Stabilisierung des Schwingverhaltens der Spiralfeder erreicht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Spiralfeder im inneren Schwingungsbereich eine konstante Höhe hsc auf. Besonders bevorzugt weist die Spiralfeder im äußeren Stabilisierungsbereich eine konstante Höhe hst auf. Eine konstante Höhe bringt fertigungstechnische Vorteile mit sich, da z. B. in Ätzverfahren eine geringere Zahl an Ätzmasken zur Verwendung kommt.
Bevorzugt weist die Spiralfeder im äußeren Stabilisierungsbereich radial zur Achse der Spiralfeder eine durchschnittliche Breite bst auf, die zumindest 2% oder 3% oder 4% oder 5% oder 6% oder 7% oder 8% oder 9% oder 10% größer ist als die durchschnittliche Breite bsc im inneren Schwingungsbereich. Besonders bevorzugt weist die Spiralfeder im äußeren Stabilisierungsbereich eine durchschnittliche Breite bst auf, die zumindest 12% oder 14% oder 16% oder 18% oder 20% oder 22% oder 24% oder 25% größer ist als die durchschnittliche Breite bsc im inneren Schwingungsbereich. Insbesondere bevorzugt weist die Spiralfeder im äußeren Stabilisierungsbereich eine durchschnittliche Breite bst auf, die zumindest 30% oder 35% oder 40% oder 45% oder 50% größer ist als die durchschnittliche Breite bsc im inneren Schwingungsbereich. Bekanntermaßen verbessert eine im äußeren Stabilisierungsbereich vorgesehene zusätzliche Masse das Schwingverhalten der Spiralfeder. Durch eine Verbreiterung der Feder im Stabilisierungsbereich kann eine solche zusätzliche Masse vorgesehen werden, obwohl die Feder in diesem Bereich eine im Vergleich zum inneren Schwingungsbereich verringerte Höhe aufweist.
Alternativ kann aber auch eine Spiralfeder eingesetzt werden, die ohne zusätzliche Masse im Stabilisierungsbereich auskommt. Beispielsweise kann die Breite, die die Spiralfeder im Stabilisierungsbereich aufweist, etwa dem Doppelten der Breite entsprechen, die die Spiralfeder außerhalb des Stabilisierungsbereichs besitzt. Weist diese Spiralfeder im Stabilisierungsbereich eine Höhe auf, die etwa der Hälfte der Höhe entspricht, die die Spiralfeder außerhalb des Stabilisierungsbereichs besitzt, so wird zwar die geometrische Querschnittsform der Spiralfeder verändert, ihre Masse pro Längeneinheit bleibt aber konstant. Gleichzeitig wird aber das Flächenträgheitsmoment erhöht, wodurch sich das angestrebte optimale Verhalten der Spiralfeder im schwingenden Zustand des Schwingsystems, d. h. die Vermeidung der Verlagerung der Spiralfeder, ergibt.
Nach einer weiteren der Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnis wird die Stabilisierung des Schwingverhaltens der Spiralfeder dann noch weiter verbessert, wenn wenigstens ein Stabilisierungsfaktor für die Spiralfeder, nämlich der Flächenträgheitsmomentestabilisierungsfaktor (nFT) und/oder der Federkonstantestabilisierungsfaktor (nk) in der nachstehend beschriebenen Weise gewählt wird.
Die nachfolgenden Überlegungen, die sich mit den Maßnahmen zur Stabilisierung des Schwingverhaltens der Spiralfeder und deren Grundlagen befassen, gehen davon aus, dass sich die Spiralfeder aus einem inneren Schwingungsbereich und aus einem äußeren Stabilisierungsbereich zusammensetzt, in dem die Höhe verringert und optional die Breite vergrößert ist. Der innere Schwingungsbereich erstreckt sich dabei über einen Winkelbereich von 0° bis 3 A, d. h. vom inneren Ende des Schwingungsbereichs bis an den Anfang des äußeren Stabilisierungsbereichs. Der äußere Stabilisierungsbereich liegt im Winkelbereich 3 A bis 3 E und erstreckt sich bis an den äußeren Federhaltepunkt.
Die Steigung der Schleifengeometrie kann von beliebigem funktionalen Zusammenhang sein. Zur Beschreibung des Verfahrens wird beispielhaft eine Spiralfeder mit linearer Steigung verwendet. Ebenfalls ist die Breite, das verwendete Material und die Querschnittsgeometrie innerhalb des Schwingungsbereiches und des Stabilisierungsbereiches mit der Maßgabe frei wählbar, dass die Spiralfeder im äußeren Stabilisierungsbereich parallel zu ihrer Achse eine durchschnittliche Höhe hst aufweist, die zumindest 1 % geringer ist als die durchschnittliche Höhe hsc im inneren Schwingungsbereich.
Der Radius r(3 ) der Spiralfeder ist eine Funktion des Winkels 3 und wird allgemein durch folgende Beziehung definiert: r[B) := r0 I Für eine lineare Steigung der Spiralfeder gilt: P
:= rO + ■θ
2·π
Hierbei sind:
rO = Radius an der Stelle {3 =0)
P = Steigungsfaktor der Spiralfeder
Der Winkel 3 A, der den Beginn des Stabilisierungsbereiches beschreibt, und der Winkel ,9 E, der die Gesamtlänge der Spiralfeder festlegt, können frei gewählt werden. Aus empirischen Messungen wurden Idealwerte zur Erreichung eines stabilen Verhaltens ermittelt.
Die zugehörige Bezugsfeder zur Spiralfeder ist eindeutig definiert durch das verwendete Material, den Anfangsradius rO, die Anfangsgeometrie an der Stelle ,9 =0 und die aktive Länge der Spirale LE, bzw. dem Endwinkelwert 3 E. Zur Vereinfachung werden den Winkelwerten 3 A und 3 E die zugehörigen Längen LA und LE zugeordnet.
LA ist die Gesamtfederlänge bis zum Winkel 3 A mit der Beziehung:
Figure imgf000018_0001
LE ist die Spiralenlänge oder Länge der Spiralfeder bis zum Winkel 3 E, mit der Beziehung:
Figure imgf000018_0002
FT (I) ist nachfolgend der Verlauf des Flächenträgheitsmomentes als Funktion der Länge der Spiralfeder und E ist nachfolgend das Elastizitätsmodul des für die Spiralfeder verwendeten Materials.
Grundsätzlich werden die Parameterwerte so ermittelt, dass die jeweilige physikalische Größe des Stabilisierungsbereiches von LA {3 A) bis LE {3 E) ins Verhältnis zum Schwingungsbereich von 0 bis LA {3 A) gesetzt wird. Dieser Quotient Q1 der Spiralfeder wird dann mit einem entsprechenden Quotienten Q2 einer Bezugsspiralfeder ins Verhältnis gesetzt. Die Bezugsspiralfeder ist eine Feder, die bei gleicher Windungszahl und Federlänge LE einen Windungsquerschnitt aufweist, der dem Windungsquerschnitt des Schwingungsbereichs der Spiralfeder entspricht, also hinsichtlich Form und Windungszahl der Spiralfeder, allerdings ohne Ausbildung des Stabilisierungsbereichs durch Verringerung der Höhe der Feder. Der ermittelte Stabilisierungsfaktor r|FT und nk wird also nur durch die stabilisierenden Maßnahmen im Außenbereich der Spiralfeder beeinflusst.
Stabilisierungsfaktor r\FT
Der Stabilisierungsfaktor r|FT gibt das Verhältnis der Verläufe der Flächenträgheitsmomentenverteilungen FT(I) als Funktion der Länge der Spiralfeder im Abschnitt des Stabilisierungsbereiches zum Schwingungsbereich und dies im Gesamtvergleich zur Bezugsspiralfeder wieder:
Figure imgf000020_0001
FT(I) ist der Verlauf des Flächenträgheitsmomentes als Funktion der Länge I, FTn(l) ist der Verlauf des Flächenträgheitsmomentes der Bezugsspiralfeder als Funktion der Federlänge (I).
Um eine optimale Stabilisierung des Schwingverhaltens der Spiralfeder zu erreichen, ist der Stabilisierungsfaktor nFT so gewählt, dass er im Bereich 10 <nFT < 65 liegt.
Stabilisierungsfaktor nk
Der Stabilisierungsfaktor r\k ist das Verhältnis der Federkonstanten des stabilisierenden Winkelbereiches 3 A bis 3 E zur Federkonstanten des Schwingungsbereiches 0 bis 3 A und dies im Gesamtvergleich zum Verhältnis der Federkonstanten in den analogen Winkelbereichen der Bezugsspiralfeder:
f k
stabil(M - $E)
^SchwingiO - ϋΑ) Spriale
χϋΑ- - ΰΕ)
l(0 - A4) Bezugsspirale
Hierbei sind kstabii die Federkonstante des Stabilisierungsbereichs der Spiralfeder, kSchwing die Federkonstante des Schwingungsbereiches der Spiralfeder und k die Federkonstante der Bezugsspiralfeder. Um eine optimale Stabilisierung des Schwingverhaltens der Spiralfeder zu erreichen, ist der Stabilisierungsfaktor r\W so gewählt, dass er im Bereich 1 ,5 < r|k < 65, bevorzugt im Bereich 1 ,5 < r\W < 25 liegt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind daher die durchschnittliche Höhe hsc und die durchschnittliche Breite bsc der Spiralfeder in ihrem inneren Schwingungsbereich sowie die durchschnittliche Höhe hst und die durchschnittliche Breite bst der Spiralfeder in ihrem äußeren Stabilisierungsbereich derart aufeinander abgestimmt, dass ein Flächenträgheitsmomentestabilisierungsfaktor (r|FT) einen in einem dem Flächenträgheitsmomentestabilisierungsfaktor (n,FT) zugeordneten, vorbestimmten Sollwertbereich liegenden Wert aufweist und/oder ein Federkonstantestabilisierungsfaktor (r|k) einen in einem dem Federkonstantestabilisierungsfaktor (nk) zugeordneten, vorbestimmten Sollwertbereich liegenden Wert aufweist, wobei sich der Flächenträgheitsmomentestabilisierungsfaktor (r|FT) durch das Verhältnis eines ersten Quotienten zu einem zweiten Quotienten darstellt, wobei der erste Quotient das Verhältnis des Flächenträgheitsmomentes des äußeren Stabilisierungsbereichs der Spiralfeder zu dem Flächenträgheitsmoment des inneren Schwingungsbereichs der Spiralfeder und der zweite Quotient das Verhältnis des Flächenträgheitsmomentes einer dem Stabilisierungsbereich entsprechenden Federlänge zu dem Flächenträgheitsmoment einer dem Schwingungsbereich entsprechenden Federlänge einer Bezugsspiralfeder sind, und zwar entsprechend der Formel:
Figure imgf000022_0001
wobei FT(I) der Verlauf des Flächenträgheitsmomentes der Spiralfeder als Funktion der Federlänge (I) und FTn(l) der Verlauf des Flächenträgheitsmomentes der Bezugsfeder als Funktion der Federlänge (I) sind, wobei der dem Flächenträgheitsmomentestabilisierungsfaktor (r|FT) zugeordnete Sollwertbereich zwischen 10 und 65 liegt, wobei sich der Federkonstantestabilisierungsfaktor (r|k) durch das Verhältnis eines ersten Quotienten zu einem zweiten Quotienten darstellt, wobei der erste Quotient das Verhältnis der Federkonstanten des äußeren Stabilisierungsbereichs der Spiralfeder zur Federkonstanten des inneren Schwingungsbereichs der Spiralfeder und der zweite Quotient das Verhältnis der Federkonstanten einer dem Stabilisierungsbereich entsprechenden Federlänge zur Federkonstanten einer dem Schwingungsbereich entsprechenden Federlänge einer Bezugsspiralfeder sind, und zwar entsprechend der Formel: stabil{M - §E)
{ kSchwing(0 - A4 ) )SpriaU
(A4 - Ag)
(0 A4) ) Bezugsspirale wobei kstabii die Federkonstante des Stabilisierungsbereichs der Spiralfeder, kschwing die Federkonstante des Schwingungsbereiches der Spiralfeder und k die Federkonstante der Bezugsspiralfeder sind, wobei der dem Federkonstantestabilisierungsfaktor (nk) zugeordnete Sollwertbereich zwischen 1 ,5 und 65 liegt, wobei die Bezugsspiralfeder eine Feder ist, die hinsichtlich geometrischer Form, Windungszahl, Windungsquerschnitt und Federlänge (LE) der Spiralfeder entspricht, wobei jedoch die durchschnittliche Höhe hsc der Bezugsspiralfeder gleich ihrer durchschnittlichen Höhe hst und die durchschnittliche Breite bsc der Bezugsspiralfeder gleich ihrer durchschnittlichen Breite bst 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.
In Kombination mit allen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erstreckt sich der Stabilisierungsbereich bevorzugt über einen Winkelbereich von 10° bis 360°, besonders bevorzugt von 20° bis 270°, insbesondere bevorzugt von 30° bis 180°, ganz besonders bevorzugt von 40° bis 100°. Gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen erstreckt sich der Stabilisierungsbereich über einen Winkelbereich von mindestens 10°, besonders bevorzugt von mindestens 20°, insbesondere bevorzugt von mindestens 30°, ganz besonders bevorzugt von mindestens 40°, von mindestens 60°, mindestens 90° oder mindestens 120°. Wie bereits erläutert, erstreckt sich der Winkelbereich ab dem äußeren Federhaltepunkt in Richtung des Schwingungsbereichs der Spiralfeder.
Bevorzugt besteht die Spiralfeder aus einem nichtmetallischen Werkstoff, vorzugsweise aus Diamant oder aus Silizium mit einer Beschichtung aus Siliziumoxid.
Die vorliegende Erfindung umfasst außerdem eine mechanische Uhr mit einem mechanischen Schwingsystem, wobei das Schwingsystem wie oben beschrieben ausgebildet ist und mit einer Spiralfeder versehen ist, die nach dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren hergestellt ist.
Im Folgenden sollen Ausführungsbeispiele die Erfindung und ihre Vorteile anhand der beigefügten Figuren näher erläutern. Die Größenverhältnisse in den Figuren entsprechen nicht immer den realen Größenverhältnissen, da einige Formen vereinfacht und andere Formen zur besseren Veranschaulichung vergrößert im Verhältnis zu anderen Elementen dargestellt sind. Dabei zeigen:
Figur 1 beispielhaft eine perspektivische Ansicht eines
Schwingsystems für mechanische Uhren, das die nach dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren produzierte Spiralfeder umfasst;
Figur 2 beispielhaft einen Schnitt entlang einer die Achse der
Unruhwelle aufnehmenden Ebene durch das Schwingsystem gemäß Fig. 1 ;
Figur 3 beispielhaft eine perspektivische Seitenansicht der freigestellten Komponenten des Schwingungssystems gemäß Fig. 1 und 2;
Figur 4 eine perspektivische Ansicht der Spiralfeder in Verbindung mit der Unruhwelle eines Uhrwerks;
Figur 5 in Einzeldarstellung und in Draufsicht eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Spiralfeder mit festem Federhaltepunkt; in Einzeldarstellung und in Draufsicht eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte erfindungsgemäße Spiralfeder mit Rücker; eine Draufsicht auf einen Si-Wafer, bei dem bereits die Spiralfedern durch Ätzen oder Ausschneiden hergestellt aber von mit dem Si-Wafer verbunden sind; eine Detailansicht des in Fig. 6 mit A kennzeichneten Bereichs; eine Ansicht des Kerns einer Windung des Schwingbereichs im Querschnitt;
eine Ansicht des Kerns einer Windung des Schwingbereichs im
Querschnitt nach dem thermischen Oxidieren;
eine Detailansicht des in Figur 10 mit K gekennzeichneten
Bereichs;
eine Draufsicht auf eine Spiralfeder, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist; eine perspektivische Detailansicht des Stabilisierungsbereichs der Spiralfeder aus Figur 12; eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Spiralfeder, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist; eine perspektivische Detailansicht des Stabilisierungsbereichs der Spiralfeder aus Figur 14;
Figur 16 in Einzeldarstellung und in Draufsicht eine Ausführungsform der
Spiralfeder gemäß der vorliegenden Erfindung; Figur 17 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Teils einer Windung der Spiralfeder, die auf der oberen Seitenfläche gemäß einer weiteren Ausführungsform ausgebildet ist;
Figur 18 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Teils einer
Windung der Spiralfeder, die auf der oberen Seitenfläche die Vertiefungen trägt;
Figur 19 eine perspektivische Draufsicht auf eine zusätzliche
Ausführungsform der Spiralfeder, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist;
Figur 20 eine perspektivische Detailansicht des Stabilisierungsbereichs der Spiralfeder aus Figur 19;
Figur 21 eine Draufsicht auf den Abschnitt mit konstanter Breite des
Stabilisierungsbereichs; und
Figur 22 eine Seitenansicht des Abschnitts mit konstanter Breite des
Stabilisierungsbereichs entlang der Schnittlinie A-A aus Fig. 21 .
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
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 3 ein bekanntes Schwingsystem 1 für mechanische Uhrwerke beschrieben, bei dem die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Spiralfeder 4 eingebaut wird.
Das Schwingsystem 1 umfasst einen Schwingkörper 2, der in Form eines Schwungrads ausgebildet ist, eine Unruhwelle 3 sowie die 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 der 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 Kreisringabschnittes 2.1 mehrere Schwungmassen 2.4 angebracht.
Die Unruhwelle 3 weist ferner ein oberes freies Ende 3.1 und unteres freies Ende 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 der Spiralfederachse.
Die Spiralfeder 4 besteht aus einem vorzugsweise ringförmigen, inneren Spiralfederbefestigungsabschnitt 4.1 und einem äußeren Spiralfederendabschnitt 4.2. Dazwischen befinden sich mehrere Windungen 9, welche in einer Ebene senkrecht und vorzugsweise konzentrisch zur Achse UA der Unruhwelle 3 bzw. der Spiralfederachse 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 Wellenabschnittes 3' angeordnet ist. Zur in Bezug auf die Unruhwelle 3 drehfesten Befestigung des äußeren Spiralfederendabschnittes 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 6.2 des Haltearms 6 entlang der Längsachse LHA des Haltearms 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 Stirnseite 7.1 1 und unteren Stirnseite 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 Spiralfederendabschnittes 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 Spiralfederendabschnittes 4.2 einstellbar. Durch eine entsprechende radiale zur Achse UA gerichtete Verschiebung des Halteelementes 7 und damit des äußeren Spiralfederendabschnittes 4.2 ist das Spiralfederzentrum justierbar, und zwar vorzugsweise derart, dass die Windungen 9 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 Windungen 9 der Spiralfeder 4. Die Windungen 9 reichen von einem inneren Ende 12 des Spiralfederbefestigungsabschnitts 4.1 bis zu einem Stabilisierungsbereich LS. Der Schwingungsbereich LA und der Stabilisierungsbereich LS tragen zur Schwingung der Spiralfeder 4 bei. Die hier dargestellte Ausführungsform des Stabilisierungsbereichs LS stellt eine von mehreren möglichen Ausführungsformen dar und soll nicht als Beschränkung der Erfindung aufgefasst werden.
Die Figur 5 zeigt in Einzeldarstellung und Draufsicht eine Spiralfeder 4 des mechanischen Schwingsystems 1 , das die gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens der Erfindung hergestellte Spiralfeder 4 umfasst. Die Spiralfeder 4 ist bei der dargestellten Ausführungsform z. B. aus einem Silizium-Ausgangsmaterial, wie z.B. monokristallinem Silizium oder polykristallinem Silizium, hergestellt. Hierzu werden Maskierungs-Ätz-Verfahren angewendet, und zwar derart, dass die einstückig ausgebildete und mehrere Windungen 9 aufweisende Spiralfeder 4 mit dem inneren Spiralfederbefestigungsabschnitt 4.1 an der Unruhwelle 3 befestigt und mit einem äußeren Stabilisierungsbereich LS ausgeführt ist. Der Stabilisierungsbereich LS schwingt ebenfalls bei der Schwingung der Spiralfeder 4. Bei der dargestellten Ausführungsform befindet sich der äußere Stabilisierungsbereich LS im Bereich der äußeren Windung 9 und erstreckt sich über einen Winkelbereich α von 100°.
Der Stabilisierungsbereich LS ist bei der dargestellten Ausführungsform unter anderem auch dadurch gebildet, dass die Spiralfeder 4 radial zu ihrer Federachse einen Bereich 26 besitzt, der radial zu ihrer Achse eine vergrößerte Breite und parallel zu ihrer Achse eine verringerte Höhe aufweist. Der Stabilisierungsbereich LS erstreckt sich vom Federhaltepunkt 14 bis zum Beginn des Schwingungsbereichs LA, wobei die Grenze zwischen Stabilisierungsbereich LS und Schwingungsbereich LA wie oben definiert zu bestimmen ist. Durch die im Stabilisierungsbereich LS geänderte Querschnittsgeometrie wird eine Erhöhung des Flächenträgheitsmomentes erzielt und eine Verlagerung der Spiralfeder 4 beim Schwingen des Schwingsystems 1 verhindert.
Die aktive Länge der Spiralfeder 4, die an der Schwingung teilnimmt und den Stabilisierungsbereich LS einschließt, erstreckt sich ausgehend von dem inneren, mit dem Spiralfederbefestigungsabschnitt 4.1 verbundenen und in der Figur 5 mit 12 bezeichneten Ende bis zu dem Federhaltepunkt 14. Dieser ist bei der in den Figuren 1 - 3 dargestellten Ausführungsform durch die Verbindung der außenliegenden Spiralfederabschnitte 4.3 mit dem Halteelement 7 gebildet. Die Frequenz des Schwingsystems 1 wird beispielsweise durch entsprechende Wahl der Masse der an dem Schwungrad 2 vorgesehenen Schwungmasse 2.4 eingestellt. Verwendet werden hierfür bevorzugt Schwungmassen 2.4, die zur Erzielung einer unterschiedlichen Masse in der Achsrichtung parallel zur Achse UA der Unruhwelle 3 eine unterschiedliche Höhe aufweisen.
Vorstehend wurde bereits erwähnt, dass die Spiralfeder 4 aus Silizium in einem Maskierungs-Ätz-Verfahren gefertigt ist. Um die erforderliche Festigkeit und Temperaturunabhängigkeit zu erreichen, ist es vorteilhaft, die Spiralfeder 4 bzw. einen diese Feder bildenden Rohling an den Oberflächen durch thermische Behandlung mit einer Siliziumdioxid-Schicht 20 (siehe Fig. 10 und 1 1 ) zu versehen. Durch das Herstellungsverfahren (z.B. Maskierungs-Ätz-Verfahren) ergeben sich nicht unerhebliche Toleranzen der Form der Spiralfeder 4. Um dennoch ein für das Verhalten der Spiralfeder 4 im Schwingsystem günstiges Längenverhältnis von Stabilisierungsbereich LS zu Schwingungsbereich LA (siehe Fig. 6) zu erreichen, ist der Federhaltepunkt 14 im Stabilisierungsbereich LS so positioniert, dass ein optimales Schwingverhalten erreicht wird.
Mit der Einstellung des Längenverhältnisses von Stabilisierungsbereich LS zu Schwingungsbereich LA werden auch negative Einflüsse auf das Schwingverhalten des Schwingsystems 1 eliminiert, die aus Toleranzen der Feder- oder Antriebskraft einer z.B. in einem Federgehäuse untergebrachten Antriebsfeder resultieren, insbesondere auch einer solchen Antriebsfeder, die zur Erhöhung der Federkraft oder zur Verlängerung der Gangzeit, beispielsweise mit Diamant, beschichtet ist. Weiterhin kann durch Einstellung des Längenverhältnisses von Stabilisierungsbereich LS zu Schwingungsbereich LA auch eine optimale Amplitude für die Schwingung des Schwingkörpers 2 erreicht werden, beispielsweise in einem Winkelbereich zwischen 280° und 330°, und zwar wiederum trotz Toleranzen der Feder- oder Antriebskraft einer im Federgehäuse untergebrachten Spiralfeder 4.
Im Zusammenhang mit der in Figur 5 gezeigten Ausführungsform wurde von einem nach der Einstellung festen Federhaltepunkt 14 ausgegangen. Wie in Figur 6 gezeigt besteht aber auch die Möglichkeit der Verwendung eines sogenannten Rückers 15, der im Wesentlichen von einem um die Achse der Unruhwelle 3 schwenkbaren Hebel 16 gebildet ist. An dem äußeren Ende weist der Hebel 16 eine beispielsweise von zwei Stiften gebildete Aufnahme 17 auf, in die die Spiralfeder 4 eingreift und die damit den Federhaltepunkt 14 bildet. An ihrem äußeren Ende 4.4 ist die Spiralfeder 4 beim Federhaltepunkt 14 fest mit einer Platine oder einer Lagerplatine verbunden.
Die Aufnahme 17 des Rückers 15 bildet einen festen Federhaltepunkt 14 nach. Durch Einstellen des Rückers 15 kann der Federhaltepunkt 14 im Stabilisierungsbereich LS so eingestellt werden, dass ein optimales Verhältnis der Länge des Stabilisierungsbereichs LS zur Länge des Schwingungsbereichs LA und somit ein optimales Schwingverhalten erreicht wird.
Die in Figur 6 gezeigte Spiralfeder 4 weist insgesamt zehn Windungen 9 und einen äußeren Stabilisierungsbereich LS auf, welcher sich wiederum an die Länge des inneren Schwingungsbereiches LA zur äußeren Befestigung 18 (Federhaltepunkt) hin anschließt, der die Gesamtlänge der Spiralfeder 4 bestimmt. Bei der dargestellten Ausführungsform erstreckt sich der Stabilisierungsbereich LS über einen Winkel α von etwa 100° und besteht aus einem sich an die Länge LA anschließenden Abschnitt 26.1 mit zunehmender Breite, aus einem sich daran anschließenden Abschnitt 26.2 mit konstanter Breite, aus einem Abschnitt 26.3, an welchem in Richtung zum äußeren Ende 4.4 hin die Breite abnimmt, und einem Endabschnitt 26.4 des Stabilisierungsbereichs LS, der sich bis zu dem durch den Rücker 15 gebildeten Federhaltepunkt 14 erstreckt. Die Abschnitte 26.1 und 26.3 erstrecken sich bei der Spiralfeder 4 jeweils über einen Winkelbereich von etwa 15°. Der mittlere Abschnitt 26.2 besitzt einen im Vergleich zu den Abschnitten 26.1 und 26.3 größeren Winkelbereich von rund 30°. Die Spiralfeder 4 besitzt im inneren Schwingungsbereich eine im Wesentlichen konstante Breite Box (siehe Figur 10) und eine im Wesentlichen konstante Höhe Hox (siehe Figur 10) der Windungen 9.
Figur 7 zeigt eine Draufsicht auf einen Si-Wafer 40, bei dem bereits die Spiralfedern 4 durch Ätzen oder Ausschneiden hergestellt wurden. Der Si- Wafers 40 kann monokristallin oder polykristallin sein.
Figur 8 zeigt eine Detailansicht des in Fig. 7 mit A gekennzeichneten
Bereichs des Si-Wafers 40. Es ist für einen Fachmann selbstverständlich, dass das Material der Spiralfeder 4 unterschiedlich sein kann. Die
Vereinzelung der Spiralfeder 4 erfolgt bevorzugt durch ein
Trockenätzverfahren, wodurch das die Spiralfeder 4 umgebende Material 41 des Si-Wafers 40 abgetragen wird. Letztendlich erhält man die Spiralfeder 4 in der in Silizium ausgeformten Form.
Figur 9 zeigt einen Querschnitt durch einen Kern 25 einer Windung 9 der Spiralfeder 4 im Schwingungsbereichs LA. Der Kern 25 hat über die Gesamte Länge der Windungen 9 des Schwingungsbereichs LA einen im Wesentlichen konstanten Querschnitt. Der Kern 25 hat ein Höhe H und eine Breite B. In Figur 10 ist der Kern 25 mit einer allseitig umgebenden S 1O2 - Schicht 20 versehen, die durch die thermische Oxidation des Kerns 25 gebildet wird. Der nach der thermischen Oxidation resultierende Querschnitt der Spiralfeder 4 hat im Schwingungsbereich LA eine Höhe Hox und eine Breite Box. Der Kern 25 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 25 der Spiralfeder 4 entlang des Schwingungsbereichs LA erstrecken.
In Figur 11 ist der aus Figur 9 mit dem gestrichelten Kreis K gekennzeichnete Bereich des oxidierten Kerns 25 vergrößert dargestellt. Bei einer möglichen Ausführung des Prozesses der thermischen Oxidation des Kerns 25 wird ein Teil des Siliziums an der Oberfläche des Kerns 25 in S 1O2 umgewandelt. Zusätzlich wächst S 1O2 weiter auf, so dass letztendlich die Höhe Hox und die Breite Box des Querschnitts der Windungen 9 des Schwingungsbereichs LA resultieren. Die gestrichelte Linie in Figur 1 1 deutet die Höhe H und die Breite B des nicht oxidierten Kerns 25 an. Die Vorteile der thermischen Oxidation einer Spiralfeder 4 sind einem Fachmann hinlänglich bekannt.
Figur 12 zeigt eine Draufsicht auf eine Spiralfeder 4, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Der Bereich 26, des Stabilisierungsbereichs LS (siehe Figur 5) besitzt den Abschnitt 26.2 mit konstanter Breite. Der Abschnitt 26.2 mit konstanter Breite BA hat eine Höhe HA ausgebildet, die kleiner ist als die Höhe Hox der Spiralfeder 4 nach der thermischen Oxidation des Kerns 25 aus Silizium. Die Höhe HA wird dadurch ausgebildet, dass die Siliziumdioxid-Schicht 20 auf dem Abschnitt 26.2, der die obere Seitenfläche 28 des Stabilisierungsbereichs LS darstellt, zumindest bis auf den Kern 25 aus Silizium abgetragen wird. Der Abschnitt 26.2 mit konstanter Breite BA ist im Wesentlichen parallel zu den Windungen 9 der Spiralfeder 4.
Figur 13 zeigt eine perspektivische Detailansicht des Stabilisierungsbereichs LS der Spiralfeder 4 aus Figur 12. Die gestrichelten Linien in Figur 13 markieren die Stufen 21 , die sich durch das Entfernen der Siliziumdioxid- Schicht 20 im Abschnitt 26.2 mit konstanter Breite BA ausgebildet haben. Figur 14 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Spiralfeder 4, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Der Stabilisierungsbereich LS der Spiralfeder 4 ist derart ausgebildet, dass die Breite BA des Stabilisierungsbereichs LS der Spiralfeder 4 bis zum äußeren Ende 4.4 stetig zunimmt. Der Stabilisierungsbereich LS beginnt an der mit dem gestrichelten Pfeil 23 gekennzeichneten Stelle der Spiralfeder 4. Der Stabilisierungsbereich LS ist mit seiner Innenseite 32 im Wesentlichen parallel zu den Windungen 9 der Spiralfeder 4. Der Abschnitt 26 des Stabilisierungsbereichs LS hat eine Höhe HA ausgebildet, die kleiner ist als die Höhe Hox der Spiralfeder 4 nach der thermischen Oxidation des Kerns 25 aus Silizium. Das äußere Ende 4.4 der Spiralfeder 4 dient im Wesentlichen als Federhaltepunkt und der Abschnitt 1 1 kann sich auch bis zu diesem Federhaltepunkt bzw. dem äußeren Ende 4.4 der Spiralfeder 4 erstrecken.
Figur 15 zeigt eine perspektivische Detailansicht des Stabilisierungsbereichs LS der Spiralfeder 4 aus Figur 14 Die gestrichelten Linien in Figur 15 markieren auch hier die Stufen 21 , die sich durch das Entfernen der Siliziumdioxid-Schicht 20 im Abschnitt 26 des Stabilisierungsbereichs LS ausgebildet haben.
Die in Figur 16 dargestellte Spiralfeder 4 hat keinen Stabilisierungsbereich LS ausgebildet. Die Darstellung aus Figur 16 dient lediglich der Beschreibung der Ausgestaltung der Schwingbereichs LA der Spiralfeder 4. Die Spiralfeder 4 hat zumindest auf der oberen Seitenfläche 51 (siehe Figur 17 und 18) der Windungen 9 eine Vielzahl von ersten Teilbereichen 10 und eine Vielzahl von zweiten Teilbereichen 1 1 ausgebildet, die sich hinsichtlich der Ausgestaltung unterscheiden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist im ersten Teilbereich 10 S 1O2 vorhanden und im zweiten Teilbereich 1 1 eine Vertiefung 55 ausgebildet, die zumindest bis auf den Kern 25 aus Silizium reicht oder sich sogar in den Kern 25 aus Silizium hinein erstreckt. In den ersten und zweiten Teilbereichen 10 und 1 1 des Schwingungsbereichs LA weist die Spiralfeder 4 die gleiche Breite Box auf. Ausgehend von dem Federhaltepunkt 14 erstreckt sich in Richtung des inneren Endes 12 des aktiven Schwingungsbereichs LA zunächst ein zweiter Teilbereich 1 1 , gefolgt von einem ersten Teilbereich 10 und so weiter. Gemäß der hier dargestellten Ausführungsform umfassen sämtliche Windungen 9 der dargestellten Spiralfeder 4 jeweils insgesamt acht zweite Teilbereiche 1 1 und acht erste Teilbereiche 10. Um die in Richtung des inneren Federendes 12 abnehmende Federlänge pro Windung 9 auszugleichen, werden die ersten und zweiten Teilbereiche 10 und 1 1 in Richtung auf das innere Federende 12 hin mit immer geringerer Ausdehnung in Richtung bzw. Länge der Federlänge ausgestaltet. Die ersten Teilbereiche 10 und die zweiten Teilbereiche 1 1 bilden jeweils einen Sektor. Andere Anordnungen der ersten und der zweiten Teilbereiche 10 und 1 1 sind denkbar.
Figur 17 zeigt eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform eines Teils einer Windung 9 der Spiralfeder 4. Zumindest auf der oberen Seitenfläche 51 sind in den zweiten Teilbereichen 1 1 die Vertiefungen 55 ausgebildet. Die Vertiefungen 55 werden gemäß einer möglichen Ausführungsform mittels eines Laserabtragungsverfahrens in der S1O2 - Schicht 20 auf der oberen Seitenfläche 51 ausgebildet. Die ersten Teilbereiche 10 trennen die Vertiefungen 55 voneinander. In den ersten Teilbereichen 10 ist die S1O2 - Schicht 20 nicht entfernt. Bei der dargestellten Ausführungsform sind die zweiten Teilbereiche 1 1 , die die Vertiefungen 55 enthalten, sektorförmig auf der mindestens einen oberen Seitenfläche 51 der Windungen 9 der Spiralfeder 4 ausgebildet. Die ersten Teilbereiche 10 sind als schräge Stege 52 ausgebildet und besitzen über alle Windungen 9 die gleiche Größe. Ebenso besitzen die Vertiefungen 55 über alle Windungen 9 die gleiche Größe.
Die Figur 18 zeigt eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Teils einer Windung 9 der Spiralfeder 4 des Schwingungsbereichs LA. Zumindest auf der oberen Seitenfläche 51 sind in den zweiten Teilbereichen 1 1 die Vertiefungen 55 ausgebildet. Die Vertiefungen 55 werden gemäß einer möglichen Ausführungsform mittels eines Laserabtragungsverfahrens in der S 1O2 - Schicht 20 auf der oberen Seitenfläche 51 ausgebildet. Die ersten Teilbereiche 10 trennen die Vertiefungen 55 voneinander. In den ersten Teilbereichen 10 ist die S1O2 - Schicht 20 nicht entfernt.
Figur 19 zeigt eine perspektivische Draufsicht auf eine zusätzliche Ausführungsform der Spiralfeder 4, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Der Bereich 26 des Stabilisierungsbereichs LS besitzt den Abschnitt 26.2 mit konstanter Breite. Der Abschnitt 26.2 mit konstanter Breite BA hat eine Höhe HA ausgebildet, die kleiner ist als die Höhe Hox der Spiralfeder 4 nach der thermischen Oxidation des Kerns 25 aus Silizium. Die Höhe HA wird dadurch ausgebildet, dass die S 1O2 - Schicht 20 auf dem Abschnitt 26.2 zumindest bis auf den Kern 25 aus Silizium abgetragen wird. Der Abschnitt 26.2 mit konstanter Breite BA ist im Wesentlichen parallel zu den Windungen 9 der Spiralfeder 4. Der Unterschied zu dem in Figur 13 dargestellten Ausführungsbeispiel ist, dass bei der in Figur 20 gezeigten Seitenansicht des Bereiches des Stabilisierungsbereichs LS der Spiralfeder 4 im Abschnitt 26.2 mit konstanter Breite BA Seitenwände 33 stehen bleiben. Im Abschnitt 26.2 ist somit eine Wanne 34 ausgebildet, die zumindest bis auf den Kern 25 aus Silizium reicht.
Figur 21 zeigt eine Draufsicht auf den Abschnitt 26.2 mit konstanter Breite Box des Stabilisierungsbereichs LS der Spiralfeder 4 aus Figur 12. Die Breite Box der Spiralfeder 4 resultiert aus der thermischen Oxidation der Spiralfeder 4. Die durch thermische Oxidation auf dem Kern 25 aus Silizium erzeugte Siliziumdioxid-Schicht 20 wurde im Abschnitt 26.2 mittels mechanischer und/oder chemischer Prozesse zumindest bis hinunter zum Kern 25 entfernt. Durch das Entfernen der Siliziumdioxid-Schicht 20 bilden sich deutlich sichtbare Stufen 21 aus, die den Abschnitt 26.2 begrenzen. Das Material der Stufen 21 ist S1O2, das durch die thermische Oxidation gebildet wurde. Figur 22 zeigt eine Seitenansicht des Abschnitts mit konstanter Breite des Stabilisierungsbereichs LS entlang der Schnittlinie A-A aus Fig. 21 . Nach der thermischen Oxidation der Spiralfeder 4 resultiert daraus eine Höhe Hox im Schwingungsbereich LA und im Stabilisierungsberiech LS. Durch das mechanische und/oder chemische Entfernen der S iO2-Schicht 20 resultiert im Abschnitt 26.2 eine Höhe HA. Eine dadurch gebildete Absenkung 35 hat eine Tiefe T. Die Summe aus der Tiefe T der Absenkung 35 und der Höhe HA im Abschnitt 26.2 ist die Höhe Hox der Spiralfeder 4. Die Absenkung 35 ist deutlich durch die beidseitigen Stufen 21 begrenzt.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Materialabtrag im Stabilisierungsbereich LS der Spiralfeder 4 chemisch durchgeführt. Das Auftragen des Ätzmittels kann mittels einer Dosiereinrichtung, einem Ölgeber oder einer Spritze, einem Stäbchen aus Kunststoff oder Holz usw. durchgeführt werden. Das Auftragen kann manuell, hablautomatisch oder automatisch mit einem Roboter erfolgen. Für den Fall, dass das Ätzmittel BHF ist, liegt üblicherweise die Ätzrate zwischen 50nm und 100nm pro Minute. Die abzutragende Dicke der S 1O2 - Schicht 20 beträgt zwischen 2pm und 5pm, je nach der Breite des Bereichs im Stabilisierungsbereich LS wo die S1O2 - Schicht 20 abgetragen werden muss. Eventuell muss das Auftragen des Ätzmittels mehrmals wiederholt werden bis zumindest die SiO2 - Schicht 20 bis auf den Kern 25 aus Silizium abgetragen ist.
Es ist ebenfalls denkbar, dass angrenzende Bereiche zum abzutragenden Bereich, wie z.B. zwischen den Windungen 9 oder oben auf den Windungen 9 der Spiralfeder 4, z.B. mit einem Polymer aufgefüllt oder abgedeckt werden. Durch das Auffüllen und/oder Abdecken kann die Spiralfeder 4 vor dem Angriff durch das Ätzmittel geschützt werden. Dadurch ist es auch möglich den chemischen Abtrag auch im Schwingbereich auf kleinen Breiten der Windungen der Spiralfeder 4 durchzuführen. Vorzugsweise wird der Abtrag natürlich vorzugsweise auf den verbreiterten Bereichen des Stabilisierungsbereichs LS durchgeführt. Nach dem Abtragungsvorgang wird da verbliebene Ätzmittel abgewaschen und neutralisiert.
Das Entfernen der S1O2 - Schicht 20 kann auch mit einem Laser
durchgeführt werden. Ebenso kann das Entfernen der S1O2 - Schicht 20 rein mechanisch durchgeführt werden. Hinzu kommt, dass das Entfernen der S1O2 - Schicht 20 mechanisch-chemisch durchgeführt werden kann.
Bezugszeichenliste
Schwingsystem bzw. Unruh
Schwingkörper
äußerer Kreisringabschnitt
Speichen
Nabenabschnitt
Schwungmasse
Unruhwelle
Wellenabschnitte
oberes freies Ende
unteres freies Ende
Spiralfeder
Spiralfederbefestigungsabschnitt äußerer Spiralfederendabschnitt äußeres Ende
Halteanordnung
Haltearm
inneres Haltearmende
äußeres Haltearmende
längliche Führungsausnehmung
Halteelement
Grundkörper
obere Stirnseite
untere Stirnseite
Sacklochbohrung
Führungsausnehmung
Schraube
Windung
erster Teilbereich
zweiter Teilbereich 12 inneres Ende des Schwingungsbereichs
14 Federhaltepunkt
15 Rücker
16 Hebel
17 Aufnahme
18 Befestigung
20 Siliziumdioxid-Schicht
21 Stufe
22 Seitenflächen
23 Pfeil
24 Deckflächen
25 Kern
26 Bereich
26.1 Abschnitt zunehmender Breite
26.2 Abschnitt konstanter Breite
26.3 Abschnitt abnehmender Breite
26.4 Endabschnitte des Stabilisierungsbereichs LS
28 oberen Seitenfläche des Stabilisierungsbereichs
32 Innenseite des Stabilisierungsbereichs
33 Seitenwand
34 Wanne
35 Absenkung
40 Si-Wafer
41 umgebendes Material
51 obere Seitenfläche
52 schräge Stege
55 Vertiefung
UA Achse der Unruhwelle
A radialer Abstand
B Breite des Kerns
H Höhe des Kerns
Box Breite des oxidierten Querschnitts Hox Höhe des oxidierten Querschnitts
BA Breite des Abschnitts 26.2
HA Höhe des Abschnitts 26.2
T Tiefe
LHA Längsachse des Hebelarms
LHE Längsachse des Hebelelements
LA Schwingungsbereich
LS Stabilisierungsbereich
α Winkelerstreckung des Stabilisierungsbereichs LS

Claims

Patentansprüche
1. Herstellungsverfahren für eine Spiralfeder (4) für mechanische Uhrwerke, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte;
• vereinzeln einer Vielzahl von Spiralfedern (4), wobei ein Silizium- Wafer einem Ätzprozess unterzogen wird;
• auftragen einer S1O2 - Schicht (20) auf die noch mit dem Silizium- Wafer verbundenen, aber freigelegten Spiralfedern (4), so dass eine S1O2 - Schicht (20) mit einer Dicke zwischen 2pm und 5pm ausgebildet wird und einen Kern (25) der Spiralfeder (4) aus Silizium umgibt; und
• abtragen der S1O2 - Schicht (20) in zumindest einem Bereich (26) des Stabilisierungsbereichs (LS) bis zumindest auf den Kern (25) der Spiralfeder (4).
2. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 , wobei das Abtragen der S1O2 - Schicht (20) zumindest auch in einem zweiten Teilbereich (1 1 ) des Schwingungsbereichs (LA) der Spiralfeder (4) durchgeführt wird.
3. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Abtragen mit einem Laser durchgeführt wird.
4. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Abtragen chemisch durchgeführt wird.
5. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Abtragen mechanisch - chemisch durchgeführt wird.
6. Herstellungsverfahren nach den Ansprüchen 4 oder 5, wobei für das chemische Abtragen als Ätzmittel BHF verwendet wird.
7. Herstellungsverfahren nach Anspruch 6, wobei ein Auftrag des einen Ätzmittels manuell, halbautomatisch oder automatisch durchgeführt wird.
8. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Abtragen mechanisch durchgeführt wird.
9. Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Abtrag im Stabilisierungsbereich (LS) in einem Abschnitt (26) durchgeführt wird, so dass in einem Abschnitt (26.2) des Abschnitts (26) eine Vertiefung (55) ausgebildet wird, und die Siliziumdioxid- Schicht (20) im Abschnitt (26.2) zumindest bis auf den Kern (25) aus Silizium abgetragen wird.
10. Herstellungsverfahren nach Anspruch 9, wobei die Vertiefung (55) im Abschnitt (26.2) über die gesamte Breite (BA) des Abschnitts (26.2) abgetragen wird.
11. Herstellungsverfahren nach Anspruch 9, wobei im Abschnitt (26.2) die Siliziumdioxid-Schicht (20) derart abgetragen wird, dass eine Wanne (34) ausgebildet wird.
12. Schwingsystem für mechanische Uhrwerke, aufweisend einen Schwingkörper (2), eine um eine Achse (UA) schwenkbar gelagerte Unruhwelle (3), wobei eine Spiralfeder (4) des Schwingsystems mit einem Herstellungsverfahren nach den Ansprüchen 1 - 1 1 hergestellt ist.
13. Spiralfeder (4) mit einem Spiralfederbefestigungsabschnitt (4.1 ), einem daran anschließenden Schwingungsbereich (LA) mit mindestens einer Windung (9), und einen sich an den Schwingungsbereich (LA) anschließenden Stabilisierungsbereich (LS) der Spiralfeder, wobei der Schwingungsbereich (LA) und der Stabilisierungsbereich (LS) einen massiven Kern (25) aus Silizium umfassen, und der Schwingungsbereich (LA) und der Stabilisierungsbereich (LS) von einer S1O2 - Schicht (20) zumindest abschnittsweise umschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einem Bereich (26) des Stabilisierungsbereich (LS) der oberen Seitenfläche (28) eine Vertiefung (55) eingebracht ist, deren Tiefe (T) zumindest bis auf den Kern (25) aus Silizium reicht.
14. Spiralfeder (4) nach Anspruch 13, wobei im Schwingungsbereichs (LA) und entlang mindestens einer Windung (9) des Schwingungsbereichs (LA), mindestens eine Vertiefung (55) in einem zweiten Teilbereich (1 1 ) in der S 1O2 - Schicht (20) ausgebildet ist, deren Tiefe (T) zumindest bis auf den Kern (25) aus Silizium reicht.
15. Spiralfeder (4) nach Anspruch 13 oder 14, wobei im Stabilisierungsbereich (LS) oder im Schwingungsbereichs (LA) die Tiefe (T) der Vertiefung (55) sich in den Kern (25) aus Silizium erstreckt.
16. Spiralfeder (4) nach den Ansprüchen 14 und 15, wobei entlang der Länge der Windungen (9) des Schwingungsbereichs (LA) mehrere Vertiefungen (55) in den zweiten Teilbereichen (1 1 ) vorgesehen sind, die von jeweils einem ersten Teilbereich (10) getrennt sind, der die S1O2 - Schicht (20) mit einer Dicke (D) trägt.
17. Spiralfeder (4) nach Anspruch 16, wobei die zweiten Teilbereiche (1 1 ) auf der mindestens einen oberen Seitenfläche (51 ) der Windungen (9) der Spiralfeder (4) jeweils eine gleiche Länge besitzen und durch die ersten Teilbereiche (1 1 ), die ebenfalls eine gleiche Länge besitzen, voneinander getrennt sind.
18. Spiralfeder (4) nach den Ansprüchen 13 bis 17, wobei sich die Vertiefungen (55) im Schwingungsbereich (LA) auf der oberen Seitenfläche (51 ) über die gesamte Breite der Windung (9) erstrecken und sich die Vertiefung (55) auf der oberen Seitenfläche (28) im Stabilisierungsbereich (LS) über die gesamte Breite des Bereichs (26) erstreckt.
19. Spiralfeder (4) nach den Ansprüchen 13 bis 17, wobei die Vertiefungen (55) im Schwingungsbereich (LA) auf der oberen Seitenfläche (51 ) als Wannen (34) ausgebildet sind und die Vertiefung (55) auf der oberen Seitenfläche (28) im Stabilisierungsbereich (LS) ebenfalls als Wanne (34) ausgebildet ist.
20. Spiralfeder (4) nach den Ansprüchen 13 bis 17, wobei die Vertiefungen (55) im Schwingungsbereich (LA) auf der oberen Seitenfläche (51 ) als Wannen (34) ausgebildet sind und sich die Vertiefung (55) auf der oberen Seitenfläche (28) im Stabilisierungsbereich (LS) über die gesamte Breite des Bereichs (26) erstreckt.
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