鐘錶的齒輪系統的製作方法

2023-04-25 09:09:41

專利名稱：鐘錶的齒輪系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於鐘錶的例如為矽-金屬的複合齒輪系統(傳動裝置系統，gear system)，更具體地，本發明涉及包括能夠防止剪切應力的緊固裝置的這類系統。
背景技術：
為了防止剪切應力，在鐘錶學領域中已知使用具有多邊形、S卩非圓形截面的心軸， 以便驅動其心軸孔具有匹配所述多邊形截面的形狀的部件旋轉。但是，尤其是在齒輪系的 情況下，此構造在心軸中引入了非對稱性，這對於鐘錶機芯的等時性是不利的，並且要求固 定在相同心軸上的其它齒輪系採用同樣形狀的心軸孔。此外，在複合鐘錶構件、即包括兩種材料的構件的情況下，例如在帶齒的輪-小齒 輪類型的齒輪系統的情況下，如果其中一種材料包括非常受限的塑性範圍區域，比如結晶 矽、結晶氧化鋁或結晶二氧化矽，則難以將該構件附接到多邊形心軸上而不對該構件造成 損壞。

發明內容
本發明的一個目標是通過提出一種包括能夠防止剪切應力、而且能夠適配於具有 圓形截面的圓柱形心軸的緊固裝置的齒輪系統，來克服前述缺陷的全部或一部分。因此，本發明涉及一種包括相對於樞轉的心軸同軸地安裝的小齒輪和帶齒的輪的 齒輪系統，其特徵在於，該齒輪系統包括位於所述小齒輪和所述輪之間的以防止相對於彼 此的任何相對運動的緊固裝置。根據本發明的其它有利特徵-該緊固裝置包括其形狀至少部分地匹配所述小齒輪的截面的凹坑或造型 (pattern)凹腔，該凹坑或造型凹腔在所述輪的輪轂上製成以將所述小齒輪和所述輪緊固 成一起旋轉；-該凹坑在所述輪轂的厚度的一部分中製成，以便通過部分地包圍小齒輪來阻止 任何相對運動；-該心軸大致為具有圓形截面的圓柱形；-該心軸和小齒輪由金屬材料製成；-該小齒輪與心軸成一體；-所述帶齒的輪由可微機械加工材料製成；-可微機械加工材料選自結晶矽、結晶氧化鋁和結晶二氧化矽。-該緊固裝置進一步包括安裝在所述輪和小齒輪之間以便提高所述裝置的緊固力 的粘附或粘結材料。本發明還涉及一種鐘錶，其特徵在於，所述鐘錶包括根據前述任一變型的齒輪系 統。本發明最後涉及一種用可微機械加工材料以多個層級製造鐘錶構件的方法，該方法包括以下步驟a)提供由可微機械加工材料製成的基板；b)在所述基板的表面上構造包括第一造型的掩模；其特徵在於，所述方法包括以下步驟c)在所述基板的表面和所述第一掩模上構造第二掩模，所述第二掩模包括小於所 述第一掩模的第一造型的第二造型；d)執行各向異性蝕刻以便在基板的第一厚度上蝕刻第二造型；e)去除第二掩模；f)執行第二各向異性蝕刻，以便繼續沿第二造型的蝕刻並且開始在基板的第二厚 度上沿第一造型進行蝕刻；g)去除第一掩模；h)從基板釋放鐘錶構件。根據本發明的其它有利特徵-通過基板的整個厚度蝕刻第二造型；-第二造型具有其輪轂包括心軸孔的帶齒的輪的形狀；-第一造型具有帶齒的環的形狀，並且在基板的厚度中被部分地蝕刻；-第一掩模由氧化矽製成，第二掩模由感光樹脂製成；-在相同基板上製造多個構件。


從下文參照附圖作為非限制性舉例給出的描述中，其它特性和優點將變得清晰， 在附圖中-圖1至6是根據本發明在鐘錶構件的製造中的連續步驟的圖；-圖7至9是根據本發明在齒輪系統的最後組裝中的連續步驟的圖。
具體實施例方式如圖7至9所示，本發明涉及一種總體上由1指示的齒輪系統。該齒輪系統包括心 軸3、小齒輪5和帶齒的輪7。在圖7至9所示的示例中，小齒輪5和輪7用於同軸地安裝 在相同心軸3上。這種類型的齒輪系統1可例如應用於擒縱輪或撥針輪副(transmission wheel set)。當然，本發明可應用於其它鐘錶構件或非鐘錶學構件。如圖7至9所示，心軸3大致為具有圓形截面的圓柱形，即對於以常規方式安裝在 兩個支承件/軸承(未示出)之間具有非常好的對稱性，如上文所述。小齒輪5具有圓柱形的主體，其內徑截面大致匹配心軸3的外徑。小齒輪5包括 從所述主體沿徑向延伸以便與另一帶齒構件(未示出)協作的翼部9。在圖7至9所示的 示例中，小齒輪5具有大約二十個翼部9，但是，根據齒輪系統1的應用，該數量可更大或更 小。輪7包括輪緣11、被多邊形的或圓柱形的心軸孔15穿透的輪轂13、以及連接所述 輪轂和所述輪緣的四個臂17。如圖7至9中所示，輪緣11具有從所述輪緣沿徑向延伸以 便與另一帶齒構件(未示出)協作的周邊齒圈19。當然，根據應用，連接輪緣11和輪轂13
5的臂17的數量可更小或更大。根據本發明，輪轂13優選地包括緊固裝置21，該緊固裝置21用於防止輪7相對於 小齒輪5的任何相對移動，以便減少剪切應力。根據本發明，緊固裝置21主要包括在輪轂 13上形成的造型凹腔23，該造型凹腔23用於通過部分地覆蓋小齒輪5的下部而與小齒輪 5的下部協作。優選地，如圖7至9所示，造型凹腔23是在輪轂13中挖出的。此外，造型凹腔23 包括至少部分地匹配小齒輪5的下部的截面的形狀，即包括齒圈的環，在所述小齒輪的高 度的一部分上小齒輪5的翼部9和主體的至少一部分裝配到該齒圈中。因此，清楚的是，當 小齒輪5的下部滑入造型凹腔23時，該組件限制小齒輪5和輪7之間的任何角位移，從而 防止任何剪切應力。在圖7至9所示的示例中，造型凹腔23具有精確匹配小齒輪5的截面的形狀。但 是，清楚的是，造型凹腔23可包括比小齒輪5的翼部9更少的齒，並且仍可防止任何剪切應 力。這種造型凹腔可例如包括這樣的齒圈，即，該齒圈包含的齒數是小齒輪5具有的翼部9 的二分之一。優選地，齒輪系統1為複合類型，即齒輪系統1由至少兩種類型的材料形成。因此， 其中一個構件優選地由可微機械加工的材料形成，而其它構件由金屬材料形成。根據本發 明，使用可微機械加工的材料以便受益於小於1微米的製造精度。此材料可包括結晶矽、結 晶氧化鋁或結晶二氧化矽。當其它構件不需要具有比金屬材料能夠實現的尺寸精度更精確 的尺寸時，所述其它構件優選地由金屬材料製成。根據本發明，輪7優選地由可微機械加工的材料形成，而心軸3和小齒輪5由金屬 材料、例如鋼或黃銅製成。此構造可尤其用於擒縱輪類型的應用，以便獲得非常精確的推動 齒圈19以及造型凹腔23。實際上，如圖7中可見，輪7具有用於造型凹腔23的中間蝕刻深 度以及用於該構件的其餘部分的全部蝕刻。根據本發明的一種變型，緊固裝置21進一步包括安裝在凹坑23和小齒輪5之間 的粘結材料，以便提高所述裝置的緊固力。此材料可例如是焊料或粘合劑。實際上，使用粘 結材料的連接通常在牽引方面表現很好而在剪切方面表現差。因此清楚的是，由於緊固裝 置21的構造，緊固力受益於粘結材料的所述牽引優勢以及由於造型凹腔23局部覆蓋產生 的剪切優勢。粘結材料可例如被置於造型凹腔23的底部和小齒輪5的底部之間。粘結材料同 樣也可置於翼部9的周邊與造型凹腔23的齒圈之間。當造型凹腔23的形狀沒有精確匹配 小齒輪5的截面時，如上所述，則此後一種構造尤其有利。現在將參照圖1至6說明用可微機械加工材料以多個層級製造構件的方法。如前 文所述，由可微機械加工材料製成的構件優選地為帶齒的輪7。為了簡化所述附圖並且專注 於說明多個層級的蝕刻，在橫截面圖中僅示出輪轂13的一部分。當然，除了被貫穿蝕刻的 心軸孔15之外，其它凹腔也貫穿地製成以便界定輪轂13、臂17、輪緣11和齒圈19。在第一步驟中，如圖1所示，提供由可微機械加工的材料、優選地例如結晶矽、結 晶氧化鋁或結晶二氧化矽製成的基板31。此步驟可包括對於基板31的機械和/或化學背 部研磨拋光(backlapping)，以使基板31的厚度eT適配於最終構件、即輪7的厚度。在第二步驟中，在基板31的頂部上構造第一保護掩模33。此步驟可例如這樣實現在基板31的表面處進行選擇性氧化以便生長氧化矽，以使所述掩模形成確定的高度。 如從圖2可見，掩模33示出將在基板31的厚度的一部分％上蝕刻的造型凹腔23的造型 32。在第三步驟中，重疊在第二步驟中製成的掩模33上構造第二保護掩模35。此步驟 可通過對感光樹脂的光刻來進行。則在第一階段中，在基板31和保護掩模33上沉積感光 樹脂。然後在第二階段中，使用通過部分不透明掩模的照射來對該樹脂選擇性地暴露/曝 光。最後，被選擇性照亮的感光樹脂顯影從而僅留下保護掩模35，如圖3中所示，該掩模35 示出將在基板31的厚度中蝕刻的輪7的心軸孔25和其它貫穿凹腔的造型34。根據一個變型，第二掩模35還可通過如下方式製成，即，選擇性氧化基板31的表 面以便生長氧化矽，以使所述掩模形成預定的高度。在第四步驟中，如圖4所示，沿第二保護掩模35的造型34在基板31上執行各向 異性蝕刻。該蝕刻可以是幹的或溼的。優選地，將使用深反應離子蝕刻(DRIE)。如上文所 述，該蝕刻意味著輪7的心軸孔15以及其它貫穿凹腔可以開始被蝕刻。如圖4所示，在該 蝕刻結束時，基板31在其厚度&的一部分ei上沿造型34被蝕刻。在第五步驟中，去除第二掩模35。根據第二掩模35的性質，此步驟可分別包括去 除所構造的樹脂或者蝕刻氧化矽層直至造型32被暴露。在第六步驟中，在基板31上沿第一保護掩模33的造型32執行第二各向異性蝕 刻。此蝕刻也可以是幹的或溼的。以類似於第四步驟的方式，第二蝕刻繼續進行心軸孔15 的蝕刻以及輪7的其它貫穿孔的蝕刻，並且開始造型凹腔23的蝕刻。如圖5所示，在第二 蝕刻結束時，基板31在其整個厚度eT上沿造型34被蝕刻，並且在其厚度的一部分％上沿 造型32被蝕刻。根據本發明，優選地，如圖3或4所示，第二掩模35的造型34的截面在輪轂13處 小於第一掩模33的造型32的截面。這意味著造型34可被單獨蝕刻，然後造型34和32可 被共同蝕刻。在第七和最終步驟中，從基板31釋放完成的輪7。通過閱讀鐘錶構件7的製造方法，清楚的是，根據基板31的總厚度eT以及造型凹 腔23的深度e2，可從中推斷出在第四步驟中必須進行的最小蝕刻深度以便在基板31的 整個厚度中蝕刻界定了輪轂13、臂17、輪緣11和齒圈19的心軸孔15以及其它凹腔。還清 楚的是，有利地，該製造方法使得能夠在相同基板31上製造多個構件7。現在將參照圖7至9說明最終組裝方法。首先，必須將小齒輪5固定地安裝在心 軸3上。優選地，根據本發明，為了簡化所述組裝方法，以及還為了限制小齒輪5和心軸3 之間的任何滑動，小齒輪5和心軸3形成一體以便形成單個部件。當然，其它類型的組裝也 是可以的，例如釘入、粘結或焊接。在第二步驟中，將小齒輪5-心軸3的組件安裝在根據上述製造方法製造的、在示 例中為帶齒的輪的鐘表構件7上，以便形成複合齒輪系統1。在第一階段，使小齒輪5-心軸 3的組件朝構件7移動，以便心軸3的下端與輪7的心軸孔15相對，如圖7所示。在第二階 段中，繼續朝構件7移動，心軸3以推入配合方式滑動穿過心軸孔15，如圖8所示，最後，在 第三階段，小齒輪5的底部裝配到在輪7的輪轂13中挖出的凹坑23中。如上文所述，根據本發明的一個變型，可使用粘結材料來提高緊固小齒輪5和輪7 的力。在此變型中，可添加兩個附加階段。在最終組裝方法的第二階段和第三階段之間的中間階段可包括將所述材料沉積在造型凹腔23的底部中。此材料可以是焊料和/或粘合 劑例如聚合物粘合劑。則最終階段可在第三階段之後，並且將例如通過使所述焊料熔化和 /或使所述粘合劑聚合來使粘結材料起作用。還可設想兩個最終階段。第一最終階段可包括將所述材料沉積在造型凹腔23的 齒圈和小齒輪5的翼部9之間。此材料也可以是焊料和/或粘合劑例如聚合粘合劑。則第 二最終階段將例如通過使所述焊料熔化和/或使所述粘合劑聚合來使粘結材料起作用。如 上所述，當造型凹腔23的形狀沒有精確匹配小齒輪5的截面時，此實施例尤其有利。如圖9中所示，由此獲得帶齒的輪和小齒輪類型的複合齒輪系統1，該複合齒輪系 統1可集成在鐘錶中，並且包括由可微機械加工材料製成的輪7，該輪7的輪緣11具有齒圈 19，並且該輪7的輪轂13利用緊固裝置21有利地聯接到心軸3-小齒輪5的組件。當然，本發明並不局限於所舉出的示例，並且可具有本領域技術人員可想到的各 種變型和修改。特別地，造型凹腔23可至少部分地從輪轂13突出。實際上，這將增大心軸 3和輪轂13之間的接觸區域，從而將改進對輪7相對於心軸3的引導。所述接觸區域甚至 可匹配輪7的總高度，則造型凹腔23將從輪7的輪轂13完全突出，而不是至少部分地凹進。
權利要求
1.一種齒輪系統(1)，包括相對於樞轉的心軸(3)同軸地安裝的小齒輪(5)和帶齒的 輪(7)，以及位於所述小齒輪和所述輪之間以便防止兩者相對於彼此的任何相對運動的緊 固裝置(21)，其特徵在於，所述緊固裝置(21)包括造型凹腔(23)，所述造型凹腔(23)的形 狀至少部分地匹配所述小齒輪的截面，所述造型凹腔(23)在所述輪的輪轂(13)上製成以 便將所述小齒輪和所述輪緊固成一起旋轉。
2.根據權利要求1的系統(1)，其特徵在於，所述造型凹腔(23)在所述輪轂的一部分 厚度(e2)中製成，以便通過部分地包圍小齒輪(5)來阻止任何相對運動。
3.根據前述任一項權利要求的系統(1)，其特徵在於，所述心軸(3)大致為具有圓形截 面的圓柱形。
4.根據前述任一項權利要求的系統(1)，其特徵在於，所述心軸(3)和小齒輪(5)由金 屬材料製成。
5.根據前述任一項權利要求的系統(1)，其特徵在於，所述小齒輪(5)與心軸(3)成一體。
6.根據前述任一項權利要求的系統(1)，其特徵在於，所述帶齒的輪(7)由可微機械加 工材料製成。
7.根據權利要求6的系統(1)，其特徵在於，所述可微機械加工材料選自結晶矽、結晶 氧化鋁和結晶二氧化矽。
8.根據前述任一項權利要求的系統(1)，其特徵在於，所述緊固裝置(21)進一步包括 安裝在輪(7)和小齒輪(5)之間的粘結材料，以便提高所述裝置的緊固力。
9.一種鐘錶，其特徵在於，所述鐘錶包括根據前述任一項權利要求的齒輪系統(1)。
10.一種用可微機械加工材料在多個層級上製造齒輪系統的構件(7)的方法，所述方 法包括以下步驟a)提供由可微機械加工材料製成的基板(31)；b)在所述基板的表面上構造包含第一造型(32)的掩模(33)；其特徵在於，所述方法包括以下步驟c)在所述基板的表面和所述第一掩模(33)上構造第二掩模(35)，所述第二掩模(35) 包含小於所述第一掩模的第一造型(32)的第二造型(34)；d)執行各向異性蝕刻以便在基板(31)的第一厚度(ei)上蝕刻第二造型(34)；e)去除第二掩模(35)；f)執行第二各向異性蝕刻，以便繼續沿第二造型(34)進行蝕刻並且開始在基板(31) 的第二厚度(e2)上沿第一造型(32)進行蝕刻；g)去除第一掩模(33)；h)從基板(31)釋放鐘錶構件(7)。
11.根據權利要求10的方法，其特徵在於，所述第二造型(34)在基板(31)的整個厚度 (eT)中被蝕刻。
12.根據權利要求11的方法，其特徵在於，所述第二造型(34)具有帶齒的輪(7)的形 狀，該輪的輪轂(13)包括心軸孔(15)。
13.根據權利要求10-12中任一項的方法，其特徵在於，所述第一造型(32)具有帶齒的 環(23)的形狀，所述環(23)在基板(31)的厚度(e2)中被部分地蝕刻。
14.根據權利要求10-13中任一項的方法，其特徵在於，所述第一掩模(33)由氧化矽制 成，第二掩模(35)由感光樹脂製成。
15.根據權利要求10-13中任一項的方法，其特徵在於，所述第一掩模(33)和第二掩模 (35)由氧化矽製成。
16.根據權利要求10-15中任一項的方法，其特徵在於，在相同基板(31)上製造多個構 件⑵。
全文摘要
本發明涉及一種系統，該系統包括相對於樞轉心軸(3)同軸地安裝的小齒輪(5)和帶齒的輪(7)。根據本發明，齒輪系統(1)包括用於聯接所述小齒輪和所述輪的裝置(21)，以防止兩者相對於彼此運動。本發明還涉及用於製造帶齒的輪(7)的方法以及用於所述齒輪系統(1)的最終組裝的方法。本發明涉及鐘錶。
文檔編號G04D3/00GK102124415SQ200980131641
公開日2011年7月13日 申請日期2009年7月23日 優先權日2008年8月15日
發明者J-B·彼德斯, J-P·蒂埃博, M·韋拉爾多, P·卡森, T·科奴斯 申請人:尼瓦洛克斯-法爾股份有限公司