硅游丝制造技术

本发明专利技术涉及硅游丝，其作为用于机械钟表振荡器的扭矩恢复元件，该振荡器具有振荡频率，该扭矩恢复元件包括具有N圈数的螺旋游丝主体，该螺旋游丝主体具有用于通过游丝内桩接合旋转惯性元件的内端子端和用于与固定的夹板元件接合的外端子端，并且该螺旋游丝主体具有宽度、高度和总弧长；其中螺旋游丝主体包括由沿晶轴<110>定向的单晶硅片形成的芯部；并且其中螺旋游丝主体包括至少一个外周材料涂层，该涂层的热弹性常数不同于螺旋游丝主体的芯部的热弹性常数，以便将包括扭矩恢复元件的振荡器的振荡频率保持为对周围温度的变化基本不敏感。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及螺旋游丝，特别是由硅制成的钟表游丝及其设计。
技术介绍
游丝是机械钟表的关键组件。游丝是振荡器的两个主要组件中的一个，另一个是摆轮。时钟的振荡器通过其简谐运动提供时间调节措施。摆轮起惯性元件的作用，并且附接至螺旋形游丝的内端子。游丝的外端子通常刚性地附接至固定压钉(stud)。在理想的振荡器中，游丝向摆轮提供与摆轮相对于平衡位置的角位移成比例的恢复扭矩，并且运动方程将其描述为线性二阶系统。平衡位置被定义为摆轮的角位置，使得当振荡器处于静态时，游丝在摆轮上施加的净扭矩为零。当振荡器的固有频率独立于其振幅以及其它外部因素，诸如温度变化、磁场等等时，振荡器被视为等时的。由于钟表的精确性很大程度上由振荡器的固有频率的稳定性确定，所以等时性是机械钟表的最重要的特性之一。在历史上，游丝已经被视为制造钟表的最具有挑战性的组件之一，特别是关于手表中使用的机械机件。对于钟表维修之前的通常为数年的整个使用期，要求游丝以通常从3至5赫兹的频率持续地挠曲，该频率为现代机械钟表振荡器的频率范围。游丝也是机械机件中的最小组件之一，具有通常在30至40微米范围内的螺旋条宽度。游丝还必须由抵抗温度变化对机械特性尤其是杨氏模量的影响的材料形成，以便保持正确的计时，并且最小化波动。此外，随着消费电子产品的普及导致的电场和磁场的量增大，现代游丝还必须能够抵抗或者基本最小化磁场对其的影响。这是由于游丝的刚性的精确性和一致性是要求很高的参数，因此甚至0.1％的刚性变化也能够导致高达1分钟/天的钟表不精确性，这在钟表和手表行业中是不可接受的，并且手表行业的技术人员在历史上已经耗费了很大努力，以通过设计和制造技术提供最小化这些影响的游丝。传统的游丝由始于John Harrison在约300年前使用的硬化钢，到Charles Guillaume在1919年专利技术的艾林瓦(Elinvar)合金，到最近由H.C.Reinhard Straumann博士专利技术的尼瓦罗克斯(Nivarox)合金的金属合金制成。几乎所有现代游丝都由尼瓦罗克斯合金(一种基于铁和镍的合金)的一些变体制成。游丝以拉伸工艺制成，其中条状材料被拉成细丝。然后将直条卷成螺旋，之后被处理以稳定螺旋的形状。这种工艺具有几种已知的缺点，包括：(a)拉伸工艺通常不是一种高精度技术，具有在几微米范围内的公差，相当百分比的游丝条宽度通常在30至40微米范围内，导致刚性不一致，(b)金属合金，诸如尼瓦罗克斯合金固有地具有在使用中在延长应力后稍微蠕变和变型的趋势，所以金属游丝不能在超过一年的连续运行后保持其原始的螺旋形状，这可能需要调节，并且不可避免地影响计时精确性，和(c)虽然通过重掺杂痕量元素，诸如铬，尼瓦罗克斯合金材料的热弹性常数和磁敏感性与早期的金属游丝相比已经明显降低，但是还未完全消除这些问题和缺点。为了解决或者最小化采用用于游丝的尼瓦罗克斯合金和其它金属合金以及它们的制造方法的上述问题，过去十年已经注意到在游丝制造中引入使用硅和微细加工技术。使用能够实现比传统的金属成型技术、诸如拉伸具有明显更大精
确性的亚微米精度的微细加工工艺生产硅游丝。使用硅的优点包括：(a)与大多数金属合金相比，这种材料不随着时间而蠕变和氧化，因而保持机械特性和整体性，(b)这种材料完全无磁性，和(c)通过提供具有硅芯部和二氧化硅薄层的游丝，使得游丝的净热弹性常数接近于零，可以将正常运行参数的温度敏感性最小化或者基本消除。因而，使用制作硅游丝的技术在过去十年已经具有多种进步，包括文献DE 10127733(2001年6月7日)中公开的，该文献公开了使用硅微机械游丝，其中单晶硅处于<100>或者<111>平面，两个定向都被公开为同样适合。该游丝为对大范围热应力具有良好抵抗力，并且具有良好的形状稳定性的螺旋游丝。也可用二氧化硅涂层覆盖所公开的游丝。文献EP 1422436(2002年6月25日)描述了一种减小用于钟表的单个螺旋游丝的热漂移，以便实现接近于零的温度系数的方法。该方法和装置使用的螺旋游丝有意具备机械钟表的摆轮，并且由从一阶和二阶热弹性常数的<100>单晶硅片切割的螺旋杆形成，螺旋游丝的线匝具有宽度w和厚度t，由此二氧化硅涂层使得能够最小化螺旋游丝的弹簧常数的热系数。因而，所述螺旋游丝理想地包括对游丝宽度的调制。文献EP2224293(2004年4月29日)公开了一种包括调节装置的钟表机件，该调节装置包括摆轮和可以由硅形成的平面游丝。平面游丝在其外圈上包括加硬部分，该加硬部分被布置成使得多圈的变形基本同心。加硬部分在游丝的外端之前终止，并且特征在于在外圈的端子部分与游丝的倒数第二圈之间对于所述倒数第二圈足够大，从而在游丝在机件中高达基本相应于摆轮的最大旋转角度的振幅的膨胀期间保持径向自由。这在使用时有助于保持游丝的同心性，因而有助于保
持良好计时。该文献公开了可以使用EP 0732635的方法形成硅游丝。已知专利技术人名称是Patek Philippe的该专利公开了下文所述的其摆轮游丝的结构。在2006年，Patek Philippe公开地发布了由制成的摆轮游丝。通过允许补偿温度变化的真空氧化工艺获得这种游丝。如EP2224293中所述和所要求的，通过不卷起而是在外端处具有显著更厚区域的端子弯曲，使得能够存在同心特性(摆轮游丝关于其中心的对称膨胀和收缩)。文献EP 2215531(2007年11月28日)描述了一种用于制表业的机械振荡器，包括由单晶硅(Si)形成的螺旋游丝沿晶轴<111>定向，该螺旋游丝具有为了获得螺旋游丝的弹性扭矩根据温度的变化而选择的涂层，以摆轮的转动惯量补偿根据温度的变化。该文件以与在EP1422436中使用的<001>单晶硅相同的方式使用轴<111>的单晶硅材料，并且使用涂层以提供温度不敏感游丝，也以Spiromax游丝由具有氧化物涂层的Silinvar形成的方式提供对温度变化不敏感的游丝。最近的硅游丝也已经可用，然而，这种使用商业上受限，并且考虑到与已经大量地使用几十年的金属合金游丝相比，硅游丝少于十年的明显短时间段的有限使用以及未大规模使用，所以由硅形成的游丝的长期稳定性和整体性还未有机会被评定，以及与工业标准金属或者金属合金游丝诸如Nivorax金属合金游丝相比较。
技术实现思路
专利技术的目标本专利技术的目标在于提供一种克服或者至少改进与现有技术的那些缺点相关联的至少一些缺点的硅游丝。专利技术简述在第一方面，本专利技术提供一种用于机械钟表振荡器的扭矩恢复元件，振荡器具有振荡频率，该扭矩恢复元件包括具有N圈数的螺旋游丝主体，该螺旋游丝主体具有用于通过游丝内桩接合旋转惯性元件的内端子端和用于与固定的夹板元件接合的外端子端，并且螺旋游丝主体具有宽度、高度和总弧长；其中螺旋游丝主体包括由沿晶轴<110>定向的单晶硅片形成的芯部；并且其中螺旋游丝主体包括至少一个外周材料涂层，该涂层具有与螺旋游丝主体的芯部不同的热弹性常数，以便将包括扭矩恢复元件的振荡器的振荡频率保持为对周围温度的变化基本不敏感。优选地，螺旋游丝主体为基本矩形横截面。优选地，螺旋游丝主体具有从20μm至60μm范围内的宽度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于机械钟表振荡器的扭矩恢复元件，该振荡器具有振荡频率，所述扭矩恢复元件包括：具有N圈数的螺旋游丝主体，所述螺旋游丝主体具有用于通过游丝内桩与旋转惯性元件接合的内端子端和用于与固定的夹板元件接合的外端子端，并且具有宽度、高度和总弧长；其中所述螺旋游丝主体包括由沿晶轴<110>定向的单晶硅片形成的芯部；并且其中所述螺旋游丝主体包括至少一个外周材料涂层，所述涂层的热弹性常数不同于所述螺旋游丝主体的芯部的热弹性常数，以便将包括所述扭矩恢复元件的振荡器的振荡频率保持为对周围温度的变化基本不敏感。

【技术特征摘要】
2015.02.17 HK 15101776.11.一种用于机械钟表振荡器的扭矩恢复元件，该振荡器具有振荡频率，所述扭矩恢复元件包括：具有N圈数的螺旋游丝主体，所述螺旋游丝主体具有用于通过游丝内桩与旋转惯性元件接合的内端子端和用于与固定的夹板元件接合的外端子端，并且具有宽度、高度和总弧长；其中所述螺旋游丝主体包括由沿晶轴<110>定向的单晶硅片形成的芯部；并且其中所述螺旋游丝主体包括至少一个外周材料涂层，所述涂层的热弹性常数不同于所述螺旋游丝主体的芯部的热弹性常数，以便将包括所述扭矩恢复元件的振荡器的振荡频率保持为对周围温度的变化基本不敏感。2.根据权利要求1所述的扭矩恢复元件，其中所述螺旋游丝主体具有基本矩形的横截面。3.根据权利要求1或者权利要求2所述的扭矩恢复元件，所述扭矩恢复元件具有从20μm至60μm范围内的宽度，从100μm至400μm范围内的高度，以及从50μm至200μm范围内的总弧长。4.根据上述权利要求中任一项所述的扭矩恢复元件，所述扭矩恢复元件具有从5至20范围内的圈数。5.根据上述权利要求中任一项所述的扭矩恢复元件，其中所述游丝的所述至少一个外周涂层由二氧化硅形成。6.根据权利要求5所述的扭矩恢复元件，其中所述至少一个外周涂层具有从3μm至6μm范围内的厚度7.根据上述权利要求中任一项所述的扭矩恢复元件，其中<110>单晶硅片的方向角产生在刚性微调中使用的整体游丝刚性的小变化。8.根据上述权利要求中任一项所述的扭矩恢复元件，其中所述螺旋游丝主体具有基于圈数的沿总弧长的至少一部分的周期性变化的宽度，以便补偿由于硅片平面上的各向异性杨氏模量产生的变化的游丝分段刚性。9.根据权利要求8所述的扭矩恢复元件，其中<110>单晶硅片的宽度根据下列方程变化：b(θ)=b01-1|2sin2(θ)[1+3cos2(θ)](1-S12S11-S442S11)3]]>10.根据上述权利要求中任一项所述的扭矩恢复元件，其中所述螺...

【专利技术属性】
技术研发人员：程浩，高培铿，
申请(专利权)人：动力专家有限公司，
类型：发明
国别省市：中国香港;81