專利名稱：時鐘部件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種時鐘部件及其制造方法。
更特別地，本發(fā)明涉及一種使用微制造技術(shù)形成的時鐘部件。
背景技術(shù)：
現(xiàn)在， 一些時鐘部件由硅制成，例如游絲(balance spring)和 擺輪。硅的有益之處歸功于其輕巧、具有彈性、其非磁性，并且其可以 采用微制造技術(shù)加工，尤其是采用深反應(yīng)離子蝕刻(DRIE)技術(shù)。
然而，硅確實具有一些缺點其易碎，換句話說，其不具有任何 可塑性，這使得例如難以將硅輪連接至輪軸上。而且，其極度輕巧不允 許諸如擺輪或擺陀的部件完全由硅制成且形成為小尺寸，所述部件必須 具有足夠的慣性或不平衡。
除了硅之外，自身也能夠由微制造技術(shù)加工以及預(yù)想其用途可以 用于制造時鐘部件的其他材料，具有相同的缺點。這些材料特別是鉆石、 石英、玻璃和金剛砂。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在允許微制造時鐘部件，用于之前由于所使用的材料的 所述缺點而迄今已經(jīng)不能預(yù)想的應(yīng)用。
為此目的，提供了一種時鐘部件，其包括可以由微制造技術(shù)形成 的結(jié)構(gòu)，其特征在于其還包括至少一個元件，形成在該結(jié)構(gòu)中或在該結(jié) 構(gòu)外圍，并且由不同于結(jié)構(gòu)的材料形成。
所述元件可以改變部件的機械屬性，使得該部件在給定應(yīng)用中可 使用，同時維持用于形成結(jié)構(gòu)的材料的優(yōu)點?？梢允褂迷撛缫?增加擺輪的慣性/質(zhì)量比率或者擺陀的不平衡/質(zhì)量比率，或者以吸收由輪軸驅(qū)動所產(chǎn)生的局部的一些應(yīng)力。將注意到，所述元件形成在結(jié)構(gòu)中 或結(jié)構(gòu)外圍，而不是添加至其處。因而，整個時鐘部件可以由微制造技 術(shù)制造，例如，允許微米等級精度的技術(shù)。因而，所述元件未削弱部件 的制造精度。
在隨附權(quán)利要求2至12中限定了根據(jù)本發(fā)明的時鐘部件的特定實 施例。
本發(fā)明還提供了一種制造時鐘部件的方法，包括由微制造技術(shù)形 成一結(jié)構(gòu)的步驟，其特征在于其還包括在結(jié)構(gòu)中或結(jié)構(gòu)外圍形成至少一 個元件的步驟，所述元件的材料不同于結(jié)構(gòu)的材料，從而最終時鐘部件 包括所述結(jié)構(gòu)和所述元件。
在隨附權(quán)利要求14至28中限定了該方法的特定實施例。


在參考隨附附圖閱讀了本發(fā)明的數(shù)個實施例的下列詳細描述之 后，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將變得清楚，其中
圖1和圖2分別是根據(jù)本發(fā)明的擺輪的頂視平面視圖和軸橫截面
視圖3是根據(jù)本發(fā)明的擺陀的透視圖； 圖 4 和圖 5 分別是根據(jù)本發(fā)明的擺輪的頂視平面視圖和軸橫截面
視圖6是根據(jù)另一實施例的擺陀的透視圖7示意性地示出了制造諸如圖1至3中所示的時鐘部件的方法； 圖8示意性地示出了制造諸如圖4和5中所示的時鐘部件的方法； 圖9示意性地示出了制造擺輪和小齒輪的方法；以及 圖IO示意性地示出了制造圖6中所示擺陀的方法。
具體實施例方式
參考圖1，根據(jù)本發(fā)明的用于時鐘機芯(movement)的擺輪 (balance,平衡裝置)1，包括主硅結(jié)構(gòu)2和金屬元件3。硅結(jié)構(gòu)2包 括環(huán)形中心部件4、從中心部件4徑向延伸的臂5、以及位于這些臂5的端部的封閉輪廓6，輪廓6其限定貫通的腔7，例如豆形。腔7分別 由金屬元件3填充，并且與這些元件3形成分隔邊緣段。
金屬元件3由具有比硅密度高的材料形成。因而，它們使得擺輪1 的外圍更重，并且增加擺輪的慣性以實現(xiàn)所需的慣性。由中心部件4和 臂5形成的擺輪1的內(nèi)部部件非常輕，因為其由硅形成，并且其很大程 度上是中空的。由于擺輪的內(nèi)部部件對慣性的影響小于外圍部件，可以 實現(xiàn)大慣性/質(zhì)量比率。因而，具有與傳統(tǒng)金屬擺輪相同的慣性，擺輪 l的總質(zhì)量更小。尤其，其優(yōu)點在于其減少了軸承中擺輪的輪軸的樞軸 上的摩擦。
在備選實施例中，邊緣可以是連續(xù)的，即邊緣段3、 6可以彼此接觸。
金屬元件3通常由金形成；然而，它們可以由另一金屬形成，尤 其是具有高密度的另一金屬，諸如鉑。
硅結(jié)構(gòu)2和金屬元件3由微制造或微形成技術(shù)形成。因而，擺輪1 可以制造具有高度的精度。因而，其慣性是精確的，其將有利于與游絲 配對(pairing),以獲得用于時鐘機芯的游絲調(diào)節(jié)設(shè)備的所需頻率。下 文將描述擺輪1的制造過程的實例。
如圖2中所示，金屬元件3與硅結(jié)構(gòu)2處于相同平面中，并且與 后者具有相同的恒定高度。這樣，金屬元件3可以占據(jù)大體積，而不增 加擺輪l的高度。然而，作為備選，金屬元件3可以延伸超出腔7，例 如以便于增強將這些元件3保持在硅結(jié)構(gòu)2中。
如圖1和2中所示，通過將由諸如金的軟金屬材料形成的環(huán)形件8 設(shè)置在硅結(jié)構(gòu)2的中心部件4中并且通過驅(qū)動由附圖標記9所標記的擺 輪的輪軸進入該環(huán)形件8，可以將擺輪1安裝在其輪軸上。環(huán)形件8尺 寸適于當將輪軸9驅(qū)動進入時變形，并且因而以吸收輪軸9施加的一些 應(yīng)力，以防止硅斷裂。在圖2中，附圖標記10和11標記擒縱 (escapement)機構(gòu)的大滾子和小滾子。
參考圖3,根據(jù)本發(fā)明的用于時鐘的自動上條機構(gòu)的擺陀12包括 主硅結(jié)構(gòu)13和金屬元件14。硅結(jié)構(gòu)13包括薄的主部件15和較厚的外 圍部件17，所述薄的主部件15包括孔16，用于將擺陀(oscillatingmass) 12安裝在輪軸或球軸承上。可以以與擺輪1相同的方式，即使 用軟材料形成的中間件，將擺陀12安裝在其輪軸或其球軸承上。
金屬元件14填充厚外圍部件17中的各個通孔腔18。金屬元件14 由密度比硅高的材料形成，例如金或鉑。因而，它們使得擺陀12的外 圍更重，并且增加其不平衡性以獲得所需的不平衡性。因而，擺陀12 的內(nèi)部部件15非常輕，因為其由硅制成并且薄。該內(nèi)部部件15可以挖 空，以制成為更輕。由于擺陀的內(nèi)部部件對不平衡性的影響小于外圍部 件，可以實現(xiàn)大的不平衡性/質(zhì)量比率。因而，具有與傳統(tǒng)金屬擺陀相 同的不平衡性，擺陀10的總質(zhì)量更小。這是有利的，尤其因為其減少 了摩擦。下文將描述擺陀12的制造處理的實例。
參考圖4和5，根據(jù)本發(fā)明用于時鐘機構(gòu)的齒輪20包括主硅結(jié)構(gòu) 21和環(huán)形金屬元件22，元件22形成在結(jié)構(gòu)21中的中央通孔腔中。輪 軸可以穿過元件22中的中央孔23。選擇該中央孔23的直徑小于輪軸 的直徑，以使得通過驅(qū)動將齒輪20安裝在輪軸上。由于形成元件22的 材料、例如金或鎳，與硅相反，具有高度可變形性，由輪軸所施加的一 些應(yīng)力將被元件22所吸收，這將防止硅斷裂。因而，諸如元件22的一
個元件構(gòu)成局部吸收驅(qū)動應(yīng)力而不削弱部件制造精度的裝置，因為如下 文中可見，元件22可以通過微制造或微成型技術(shù)而形成。
將可見的是，圖4、 5中所示的諸如元件22的金屬元件還可以形 成在擺輪1或擺陀12的硅結(jié)構(gòu)的中央腔中，并且可以代替環(huán)形件8。
而且，在所示實例中，元件22的高度與硅結(jié)構(gòu)21相同。在備選 實施例中，元件22的高度可以高于結(jié)構(gòu)21，以便于限定例如小齒輪， 其與齒輪20共軸并且固定地連接至其處。下面描述用于制造這個備選 實施例的實例性方法。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明備選實施例的擺陀25。該擺陀25與圖3中 所示的擺陀12不同，因為金屬元件14被形成在由附圖標記28所標記 的主硅結(jié)構(gòu)的外圍表面27上的金屬元件26所代替。元件26具有圓弧 形，并且在表面27的整個長度和高度上延伸。為了加強元件26和硅結(jié) 構(gòu)28之間的連接，可以在外圍表面27上提供嵌入在元件26中的錨固 突出。下文將描述制造擺陀25的典型方法。以與元件26類似的方式，可以在硅結(jié)構(gòu)的外圍表面上連續(xù)或不連續(xù)地形成環(huán)形金屬元件，以制造 例如擺輪。
圖7示意性地示出了制造圖1、 2和3所示的部件的典型方法。在 第一步驟(圖7a)中，具有一個或多個腔31的部件的硅結(jié)構(gòu)30，由深 反應(yīng)離子蝕刻(DRIE)形成。出于簡化的目的，示出結(jié)構(gòu)30僅具有單 一高度。在擺輪1的情況下，單一 DRIE步驟是必要的。在擺陀12的情 況下，執(zhí)行兩個DRIE步驟，以產(chǎn)生薄部件15和厚部件17。在第二步 驟(圖7b)中，第一層感光樹脂32、金屬層33和第二層感光樹脂34 相繼地形成在由例如硅或耐熱玻璃所形成的支承板35上。在第三步驟
(圖7c)中，支承板35以及其層32、 33、 34和硅結(jié)構(gòu)30粘合地連接 在一起，使用感光樹脂層34作為粘合劑。在第四步驟(圖7d)中，感 光樹脂34的己暴露部分、即朝向腔31的部分，借助于光刻方法、使用 硅結(jié)構(gòu)30作為掩膜而移除。在第五步驟(圖7e)，通過從金屬層33的 已暴露部分電鑄(電流增長)，以及通過使用腔31的硅壁作為模具，將 金屬形成在腔31中。然后，移除板35和層32、 33、 34 (圖7f)，留下 硅結(jié)構(gòu)30，其中金屬元件37形成在初始腔31中，并且執(zhí)行對平
(levelling)操作，例如通過研磨(lapping)，以使得元件37與結(jié)構(gòu) 30的高度相同。
在第四和第五步驟期間，可以以本身己知的方式遮蔽一些區(qū)域36， 以使得其不經(jīng)受電鑄。這些區(qū)域36例如是硅部件之間的空區(qū)(empty space),其是DRIE處理期間留出的，從而形成障礙物(bar)，保持結(jié) 構(gòu)30連接至同時形成在單一板中的其它結(jié)構(gòu)。這些障礙物在制造處理 末期斷裂以分離部件。
支承板35和硅結(jié)構(gòu)30可以以與上述不同的方式連接在一起(第 三步驟；圖7c)，例如通過將金屬層33熱壓至結(jié)構(gòu)30 (這種情況中， 省略了感光樹脂層34)或者通過由干燥的液體二氧化硅代替感光樹脂 層34。
在Debbie G. Jones和Albert P. Pisano發(fā)表在美國加利福尼亞 州阿納海姆市的2004 ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition的 Proceedings of IMECE04上的題為〃 Fabrication of ultra thick ferromagnetic structures in silicon"的文章中，可以發(fā)現(xiàn)關(guān)于上述方法的更多細節(jié)，其中描述了 用于在硅中制造鐵磁結(jié)構(gòu)的類似方法。
圖8示意性地示出了如何能夠形成中央環(huán)形金屬元件諸如圖4和5 中所示的元件22。圖8更精確地示出了如何能夠與外圍元件同時形成 該中央元件。第一至第四步驟分別類似于圖7a至7d的步驟。圖8a中 所示的第五步驟包括使用諸如SU-8樹脂的感光樹脂填充硅結(jié)構(gòu)30的腔 31。第六步驟(圖8b)包括通過光刻方法移除該SU-8樹脂，除了在相 應(yīng)于中央金屬元件中孔的中央腔38的中心部件處。第七步驟(圖8c) 包括在腔31、 38中形成金屬。在中央腔38中，該金屬僅形成為圍繞 SU-8樹脂的其余部分39。隨后，移除支承板35及其層32、 33和34 (圖 8d),并且移除SU-8樹脂的其余部分39 (圖8e)。因而，獲得例如用于 增加部件慣性的一個或多個外圍金屬元件40以及例如允許驅(qū)動輪軸的 中央環(huán)形元件41。
圖9示意性地示出了制造部件的典型方法，該部件包括諸如圖4 和5中所示的元件22的環(huán)形中央金屬元件，但是其具有更高的高度以 限定小齒輪。第一至第四步驟分別類似于圖7a至7d的步驟。圖9a中 所示的第五步驟包括在硅結(jié)構(gòu)30的中央腔中形成感光SU-8樹脂50， 并且超出該腔，至硅結(jié)構(gòu)30的上表面。第六步驟(圖9b)包括光構(gòu)建
(photo-structuring)感光樹脂50，以使用硅結(jié)構(gòu)30限定腔51，其 具有環(huán)形中央元件和其小齒輪的形式。第七步驟(圖9c)包括在腔51 中電鑄金屬。隨后，移除支承板35及其層32、 33和34以及感光樹脂 50 (圖9d和9e)，留下硅結(jié)構(gòu)30和形成在結(jié)構(gòu)30中并延伸超出該結(jié) 構(gòu)30以限定小齒輪22b的環(huán)形金屬元件22b。中央孔22c穿過組合22a、 22b，可以驅(qū)動輪軸進入該孔。在備選實施例中，環(huán)形元件22a可以限 定除了小齒輪之外的其他元件，例如凸輪或計時器心形件
(heart-piece)。
圖10示意性地示出了如何可以形成圖6中所示的擺陀25的金屬 元件26。在第一步驟中(圖10a)，通過兩個DRIE步驟形成硅結(jié)構(gòu)28， 具有相繼的感光樹脂層32、金屬層33和感光樹脂層34的支承板35連接至結(jié)構(gòu)28，移除位于結(jié)構(gòu)28外側(cè)的感光樹脂34的部分以暴露金屬 層33，而后以與圖8的部分39相似的方式，在結(jié)構(gòu)28外側(cè)形成感光 SU-8樹脂42的一部分，以使用硅結(jié)構(gòu)28形成腔43。在隨后步驟中(圖 10b)，在腔43中電鑄金屬。在隨后步驟中(圖10c)，移除支承板35 及其層32、 33、 34以及樹脂42。
在上述的所有方法中，在電鑄步驟之前，基本上由二氧化硅層覆 蓋硅結(jié)構(gòu)。該層是硅的自然氧化產(chǎn)生的。通過在電鑄之前將硅結(jié)構(gòu)放置 在氧化爐中，可以增加其厚度。二氧化硅事實上增強了硅的一些機械屬 性，諸如摩擦系數(shù)或機械強度。如果需要，還可以將其他覆層淀積在硅 結(jié)構(gòu)上。因而將理解，金屬元件并非必須直接接觸硅，而是可以接觸二 氧化硅壁或接觸特定覆層。
除了高水平的精度之外，將理解，上述根據(jù)本發(fā)明的制造部件的 方法允許由單板同時形成大量部件。
雖然上面已經(jīng)關(guān)于硅結(jié)構(gòu)描述了本發(fā)明，但是其可以應(yīng)用于能夠 由微制造技術(shù)、尤其由DRIE技術(shù)加工的其他材料，諸如金剛石、石英、 玻璃或金剛砂。
權(quán)利要求
1、一種時鐘部件，包括可以由微制造技術(shù)形成的結(jié)構(gòu)(2；13；21；28)，其特征在于，其還包括形成在結(jié)構(gòu)中或結(jié)構(gòu)外圍處并且由不同于所述結(jié)構(gòu)的材料所形成的至少一個元件(3；14；22；26)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的時鐘部件，其特征在于，所述材料是金屬。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的時鐘部件，其特征在于，結(jié)構(gòu)由硅制成。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的時鐘部件，其特征在于，結(jié)構(gòu)由金剛石、石英、玻璃或金剛砂制成。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任意一項所述的時鐘部件，其特征在于，所述元件(3; 14; 22)填充所述結(jié)構(gòu)(2; 13; 21)中的腔。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任意一項所述的時鐘部件，其特征在于，所述元件(3; 14; 22; 26)位于同一平面中，并且與該結(jié)構(gòu)(2; 13;21; 28)高度相同。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任意一項所述的時鐘部件，其特征在于，所述元件(22a、 22b)突出超出該結(jié)構(gòu)(30)的平面。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任意一項所述的時鐘部件，其特征在于，其包括擺輪(1)，而所述元件(3)位于結(jié)構(gòu)(2)的外圍處并且用于增加擺輪的慣性/質(zhì)量比率。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任意一項所述的時鐘部件，其特征在于，其包括用于自動上條機構(gòu)的擺陀(12; 25)，而所述元件(14; 26)位于結(jié)構(gòu)(13; 28)的外圍處并且用于增加擺陀的不平衡性/質(zhì)量比率。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任意一項所述的時鐘部件，其特征在于，其用于被驅(qū)動至支承構(gòu)件上，并且所述元件(22)包括用于接收該支承構(gòu)件的中央孔(23)。
11、 根據(jù)權(quán)利要求7至IO中任意一項所述的時鐘部件，其特征在于，所述元件(22a)在結(jié)構(gòu)(30)的平面外限定小齒輪(22b)、凸輪或計時器心狀件。
12、 根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的時鐘部件，其特征在于，其包括擺輪(1)、擺陀或輪(20)。
13、 一種制造時鐘部件的方法，包括由微制造技術(shù)形成結(jié)構(gòu)(2;13; 21; 28)的步驟，其特征在于，其還包括在結(jié)構(gòu)中或結(jié)構(gòu)外圍處形成至少一個元件(3; 14; 22; 26)的步驟，所述元件的材料不同于結(jié)構(gòu)的材料，從而最終時鐘部件包括所述結(jié)構(gòu)和所述元件。
14、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述材料是金屬。
15、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，形成所述元件的步驟通過電鑄實現(xiàn)。
16、 根據(jù)權(quán)利要求13至15中任意一項所述的方法，其特征在于，形成所述結(jié)構(gòu)的步驟通過使用DRIE技術(shù)實現(xiàn)。
17、 根據(jù)權(quán)利要求13至16中任意一項所述的方法，其特征在于，該結(jié)構(gòu)由硅制成。
18、 根據(jù)權(quán)利要求13至16中任意一項所述的方法，其特征在于，結(jié)構(gòu)由金剛石、石英、玻璃或金剛砂制成。
19、 根據(jù)權(quán)利要求13至18中任意一項所述的方法，其特征在于，形成所述元件的步驟包括在至少部分由結(jié)構(gòu)(30)限定的腔(31; 38;43; 51)中淀積所述材料，其中使用所述腔作為模具。
20、 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，腔(31)完全由結(jié)構(gòu)(30)限定。
21、 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，腔(38; 43; 51)部分由結(jié)構(gòu)(30)限定，而部分由感光樹脂(39; 42; 50)限定。
22、 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，形成所述元件(26)的步驟包括在由結(jié)構(gòu)(28)和形成在結(jié)構(gòu)(28)外側(cè)的感光樹脂(42)限定的腔(43)中淀積所述材料，從而在移除感光樹脂(42)之后，在結(jié)構(gòu)(28)的外圍表面(27)上形成元件(26)。
23、 使用如權(quán)利要求13至22中任意一項所述的方法以制造擺輪(1)的應(yīng)用，所述元件(3)置于結(jié)構(gòu)(2)的外圍處并且用于增加擺輪的慣性/質(zhì)量比率。
24、 使用如權(quán)利要求13至22中任意一項所述的方法以制造用于自動上條機構(gòu)的擺陀(12; 25)的應(yīng)用，所述元件(14; 26)置于結(jié)構(gòu)(13; 28)的外圍處并且用于增加擺陀的不平衡性/質(zhì)量比率。
25、 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，形成所述元件(22)的步驟包括將所述材料淀積在于其中央部包括感光樹脂(39)的結(jié)構(gòu)(30)的腔(38)中，從而在移除感光樹脂(39)之后，在腔中形成包括中央孔(23)的元件(22)。
26、 根據(jù)權(quán)利要求21或25所述的方法，其特征在于，腔(51)延伸至結(jié)構(gòu)(30)的平面外，并且成型使得在形成所述元件(22a)的步驟之后，該元件限定小齒輪(22b)、凸輪或計時器心狀件。
27、 使用如權(quán)利要求25或如權(quán)利要求25和26所述的方法以制造用于被驅(qū)動至支承構(gòu)件上的時鐘部件(20)的應(yīng)用，使用所述元件(22)的中央孔(23)以接收支承構(gòu)件。
28、 根據(jù)權(quán)利要求27所述的應(yīng)用，其特征在于，時鐘部件是擺輪、擺陀或輪。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種時鐘部件，諸如擺輪(1)、擺陀(12)或輪(20)，其包括根據(jù)微制造技術(shù)、諸如DRIE技術(shù)所制成的結(jié)構(gòu)(2)。該部件特征在于其還包括形成在結(jié)構(gòu)(2)中或外圍、并且材料不同于結(jié)構(gòu)(2)的至少一個部件(3)。該部件(3)通常是金屬，并且使用結(jié)構(gòu)(2)的腔(7)作為模具、通過電鑄而形成。
文檔編號G04F7/08GK101675392SQ200880014906
公開日2010年3月17日 申請日期2008年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月8日
發(fā)明者F·邁爾, S·馮貢滕, S·讓納雷 申請人:百達翡麗日內(nèi)瓦公司