用于钟表的抗震轴承 |
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| 申请号 | CN201280061202.6 | 申请日 | 2012-12-07 | 公开(公告)号 | CN103988133B | 公开(公告)日 | 2017-03-01 |
| 申请人 | 斯沃奇集团研究和开发有限公司; | 发明人 | M·T·黑塞勒; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及用于钟表的抗震 轴承 ，所述抗震轴承包括弹性结构(10)和由所述弹性结构承载的中心部分(14)，所述中心部分具有用于接纳钟表的转动元件的枢轴的 盲孔 (16A)。所述弹性结构和所述中心部分由一个一体式部件(6)形成，该一体式部件由单晶 石英 制成，所述盲孔至少部分地具有被截去顶端或未被截去顶端的三 角 锥体的形状，所述枢轴的端部抵靠所述盲孔。本发明还涉及用于制造这种类型的抗震轴承的方法，其中在用于单晶石英的 各向异性 蚀刻 浴中对一体式部件进行机加工。优选地，分别在所述部件的两个侧面上设置两个掩膜(20，26)，用以同时从两个侧面蚀刻石英。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种制造抗震轴承的方法，所述抗震轴承包括弹性结构(10)和由所述弹性结构承载的中心部分(14)，所述中心部分具有用于接纳钟表的转动元件的枢轴的盲孔(16；16A； |
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| 说明书全文 | 用于钟表的抗震轴承技术领域背景技术[0002] 专利CH700496描述了一种由单晶硅形成的抗震轴承，其包括中心部分和将中心部分连接到外周边环状部分上的径向弹性臂。中心部分包括具有四面角锥体/四面体形状的扩口孔。首先，应注意到的是，四面体孔的底部对于支承枢轴而言不是最优的。关于所述类型的孔的制造，上述专利提供了各向异性湿式化学蚀刻法。为此，文中提到，硅基底必须适当取向以能够机加工角锥体形状的孔。接下来，为了机加工一体式硅部件的其余部分、尤其是弹性臂，该专利提出使用另一机加工技术，即，深度反应离子蚀刻法(DRIE)。后一种技术要求使用与用于各向异性湿式化学蚀刻的装置不同的复杂昂贵的装置。因此，根据上述专利的抗震轴承的制造成本相对较高。应注意到，在不同的装置中使用对硅部件进行机加工的两种不同的技术，以不必要地使制造硅抗震轴承的方法复杂化了，这并非出于专利CH700496作者的本意。事实上，其缘于由单晶硅的特性引起的需求。实际上，获得角锥体形的扩口孔所需的硅基底的取向不能提供具有臂——所述臂具有基本上竖直的侧壁——或者外周边环状部分的弹性结构。 [0003] 总体上，本发明的发明人已经发现，硅不允许机加工具有基本上竖直的壁的结构，并且不允许借助在酸性浴中的蚀刻而呈现出弯曲。此外，为了在单晶硅晶片中获得具有竖直壁的孔口，只有在晶片中的特定的硅晶体取向(与用于获得角锥体形状的孔的取向不相容)是可能的。用于这样的竖直壁的可能的方向受到限制，并且竖直壁仅由平的表面形成。 [0004] 专利申请WO2009/060074描述了一种包括一体式硅部件和与之关联的被穿孔的宝石的抗震轴承。所述一体式部件限定出弹性结构和托钻。其通过众所周知的光刻和蚀刻技术而形成在硅晶片内。这个专利文献提到，一体式部件可以由硅或其它优选地能容易地通过光刻和化学蚀刻技术进行机加工的单晶材料制成。但除了硅之外并未给出其它示例。关于硅，如上所述地，尽管可以获得具有竖直壁的槽或孔口，但是设计受到限制。尤其是，不可能通过对硅晶体晶片进行化学蚀刻来获得上述专利文献的附图中示出的所有设计。上述专利的涉及由单晶材料制成的抗震轴承的制造方法的技术是不明确的。只有明确地提到了硅的情况。硅晶体实施例的限制和缺陷已在针对专利CH700496所做的讨论中叙述过。此外，文中对于化学蚀刻给出的含义是不清楚的。任何情况下，可以得出这样的结论，即，诸如图中示出的那些弹性结构不是在酸性浴中制得的，而是通过如专利CH700496中的深度反应离子蚀刻制成的。 [0005] 专利申请WO2009/060074的申请人也申请了专利申请EP2015147(相同的优先权日)。后一文献中公开了一种由单晶材料片体形成的抗震轴承；所述片体限定出弹性结构和中心部分，该中心部分具有用于接纳摆轮枢轴的盲孔。在一变型中，弹性结构限定出三个交错/搭叠排列的螺旋形。盲孔具有平底圆柱形形状，如图中所示。应注意到的是，平底圆柱形形状并非是最优的，因为枢轴以不规则方式抵靠圆柱形部分移动和摩擦，这是因为孔比被引入到其中的枢轴的部分宽。根据该专利文献提出的主要实施例，使用了单晶硅片体或晶片，利用已知的光刻技术(也被称为化学工艺)对所述单晶硅片体或晶片进行机加工。 发明内容[0006] 本发明的目的是解决一体式单晶部件机加工复杂且昂贵的问题，并且提供这样的抗震轴承，即，该抗震轴承由一体式部件形成，该一体式部件限定出弹性结构和中心部分，在该中心部分中机加工出用于接纳转动元件/转动轮副的枢轴的孔，可以相对低的成本高品质地在工业上机加工出所述抗震轴承。 [0007] 本发明的另一目的是提供前述类型的抗震轴承，其具有盲孔，该盲孔的形状对于适当地对中转动元件的在所述盲孔中枢转的轴以及使摩擦最小化而言是有利的。 [0008] 本发明的另一目的是提供这样的抗震轴承，即，其具有吸引人的且具有特别可辨识的外观。 [0009] 本发明涉及用于钟表的抗震轴承，所述抗震轴承包括弹性结构和由所述弹性结构承载的中心部分，所述中心部分具有用于接纳钟表的转动元件的枢轴的盲孔。所述弹性结构和所述中心部分由一个一体式部件形成，所述一体式部件由单晶石英形成，所述盲孔具有三个倾斜平面，所述三个倾斜平面共同限定出被截去顶端的或未被截去顶端的三角锥体/三棱锥体。 [0010] 在一优选变型中，所述一体式部件是被穿孔的晶片，该晶片的垂直于其两个主表面的轴线几乎与所述单晶石英的光轴平行。 [0011] 本发明还涉及用于制造抗震轴承的两个主要实施方法，其中弹性结构和由该弹性结构承载并且具有盲孔的中心部分是由单晶石英制成的。 [0012] 根据本发明的制造方法使得可以通过仅要求在化学浴中进行机加工的相对不那么昂贵的方法来获得高品质的透明的抗震轴承。此外，所述方法使得可以机加工出用于轴承的盲孔，该盲孔的底部至少部分地由三角锥体限定，转动元件的枢轴抵靠所述三角锥体的平面。所述盲孔确保了以改进的方式对中转动元件的轴并使摩擦最小化。透明的轴承还具有更容易检查孔中的油的存在的技术优点。 [0013] 本发明的其它具体特征和优点将在本发明的下述详细描述中陈述。 附图说明[0014] 以下将参考以非限制性示例的方式给出的附图对本发明进行描述，其中： [0015] -图1是根据本发明的抗震轴承的实施例的截面图。 [0016] -图2是形成图1中的抗震轴承的被穿孔的单晶石英片体的俯视图。 [0017] -图3是单晶石英的晶体的示意透视图，其中示出将被切割下来用于制造图2中的被穿孔的片体的晶片。 [0018] -图4A是石英晶片的截面图，在石英晶片的两个主表面上覆盖有选择成耐受石英蚀刻浴的掩膜。 [0020] -图5是在根据本发明的方法机加工的石英晶片中获得的盲孔的平面图。 [0021] -图6是在根据本发明的方法机加工的石英晶片中获得的盲孔的第二变型的平面图。 [0022] -图7是沿图6的线VII-VII的针对一变型的截面图，该变型与图6中的实施例的区别仅在于盲孔的初始部分不具有竖直的壁而是具有陡坡。 [0023] -图8A和8B是与图4A和4B对应的具有较厚的石英晶片和具有较大直径的盲孔的截面图，所述盲孔的形状与图6和图7中示出的盲孔的形状相似。 具体实施方式[0024] 以下将参考图1、2、3和5对根据本发明的抗震轴承2进行描述。该抗震轴承设置在钟表的桥夹板或基板4中，并且由单晶石英晶片6(晶片限定出盘状或圆形的板)和基底8构成，所述基底具有用于晶片6的凹腔/容纳部。所述晶片包括：弹性结构10，该弹性结构由在晶片中机加工出的基本上圆形的槽12形成；和中心部分14，该中心部分由所述弹性结构承载并且具有盲孔16，该盲孔用于接纳钟表机芯的转动元件/转动轮副(未示出)的枢轴。基本上圆弧形状的所述槽在其之间限定出弹性的螺旋形的臂，所述螺旋形的臂将中心部分连接到晶片6的外周边区域。所述弹性结构和中心部分因此通过由单晶硅石英制成的一体式部件形成。 [0025] 由于弹性结构设置在中心部分14的外周边处，因此后者可能经历在晶片6的平面中的运动，也可能在某种程度上经历竖向运动。为此，一槽优选地设置在弹性结构10与基底8的凹腔的底部之间。轴承2限定出悬浮式的抗震轴承。将理解的是，基底包括用于使转动元件的心轴通过的孔，并且在发生剧烈的轴向和/或竖向振动时用作止挡构件。将理解的是，止挡构件可以多种方式设置，在一变型中，在不使用中间元件的情况下将晶片6直接设置在夹板或主夹板4中。 [0026] 弹性结构在晶片6的平面中可以具有多种设计变型。以弹性方式将中心部分14连接到基底8的外周边部分上即可。然而，图2中所示类型的交错/搭叠排列的螺旋形的臂的设置是有利的，因为弹性臂的长度相对于具有径向臂的构型而言增加了。为此，选择石英晶片是卓越的，因为可以通过浴中的蚀刻工艺来获得这种类型的设计，这将在下文解释。 [0027] 根据本发明，在中心部分14的底面中机加工出的盲孔16具有三个倾斜平面40A、40B、40C，所述三个倾斜平面一起至少部分限定出三角锥体/三棱锥体(参见图5)。根据一变型，三个平面中的每一个都关于盲孔的中心轴线Z限定出约40°的角度，即，这些平面中的每一个的中央直线42都关于盲孔的中心轴线限定出约40°的角度。尤其是在孔的直径变得更大时，盲孔的底部可以具有其它平面(参见图6)。这些不同的平面产生自根据本发明的以下描述的制造方法所提供的石英蚀刻。 [0028] 在优选变型中，盲孔在其初始部分中还具有基本上竖直的侧壁(参见图7)。因此，三个平面并未延伸到一体式部件的外表面处——盲孔在该外表面处通向外部——并且盲孔的介于所述外表面与三个平面之间的侧表面的陡峭度/倾斜度或多个陡峭度比这三个平面的陡峭度大。根据一具体变型，盲孔的侧表面相对于盲孔的中心轴线限定出的倾斜度/陡峭度(或多个倾斜度)小于20度(20°)。 [0029] 根据优选实施例，单晶石英晶片6选择成使得垂直于其两个主表面的轴线Z近似是单晶石英的光轴。图3示意性地示出石英晶体18和切片6A，该切片从所述石英晶体中切割下来用以制造板，随后在所述板中机加工出根据本发明的晶片6。 [0030] 根据制造这种类型的抗震轴承——该抗震轴承包括弹性结构和中心部分，所述中心部分由所述弹性结构承载并具有盲孔，该盲孔用于接纳钟表的转动元件的枢轴——的方法的第一实施例或第一实施方式，所述弹性结构和所述中心部分由一个一体式部件形成，提供以下步骤： [0031] A)制造单晶石英晶片，该单晶石英晶片的两个主表面——分别是第一和第二表面——基本上定向成与单晶石英的晶体结构的光轴垂直； [0032] B)在单晶石英晶片的第一表面上形成第一掩膜，所述第一掩膜通过光刻构造，从而在第一表面上限定出设置在所述晶片中的弹性结构和盲孔的轮廓； [0033] C)通过将所述晶片插入到化学蚀刻浴中来在单晶石英晶片中机加工出弹性结构和盲孔，所述化学蚀刻浴适于对单晶石英进行非常有利于沿着所述光轴进行蚀刻的各向异性蚀刻，所述第一掩膜选择成耐受所述蚀刻浴的蚀刻。 [0034] 应注意到，在相对小的孔直径、尤其是小于约120微米(120μm)的情况下，沿着孔的中心轴线形成孔的速度比在所述(光)轴的方向上机加工所述弹性结构的速度慢，从而可以通过简单地从第一表面蚀刻来同时获得所述盲孔和弹性结构。 [0035] 根据优选变型，被机加工出的弹性结构具有包括弯曲的槽和/或孔口的设计，所述槽或孔口的边缘至少部分地具有弯曲的线；这如上所述地优化了所述弹性结构。 [0036] 在所述第一实施方式的如图4A和4B中示出的优选变型中，提供了下述步骤： [0037] A)制造单晶石英晶片6A，该单晶石英晶片的两个主表面——分别是第一和第二表面——基本上定向成与单晶石英的晶体结构的光轴Z垂直； [0038] B)在单晶石英晶片的第一表面上形成第一掩膜20，在所述晶片的第二表面上形成第二掩膜26，所述第一掩膜和第二掩膜通过光刻构造，从而分别在所述第一表面和所述第二表面上限定出弹性结构10的轮廓，第一掩膜20还限定出设置在晶片6中的盲孔16A的轮廓； [0039] C)通过将所述晶片插入到化学蚀刻浴中来在单晶石英晶片中机加工出弹性结构10和盲孔16A，所述化学蚀刻浴适于对单晶石英进行非常有利于沿着所述光轴进行蚀刻的各向异性蚀刻，所述第一和第二掩膜选择成耐受所述化学蚀刻浴的蚀刻。 [0040] 因此，同时在所述石英晶片的两个侧面上蚀刻该石英晶片，以形成弹性结构。这首先使得可以减少在蚀刻浴中的机加工时间，并且还可以获得具有竖直壁的孔口。这种变型尤其适合盲孔具有相对大的直径、尤其是大于150微米(150μm)的情形。这样，可以很容易地在同一化学蚀刻浴中同时机加工弹性结构和制造盲孔。然而，应注意到的是，这种变型即使对于在盲孔具有较小直径时制造弹性结构而言也是有利的。 [0041] 在一具体变型中，石英晶片的两个主表面的法线关于单晶石英的晶体结构的光轴形成了约2度(2°)的角度(双折射角度)。石英蚀刻浴尤其含有氢氟酸(HF)。在一变型中，所述石英蚀刻浴还含有氟化铵(NH4F)。 [0042] 用于制造两个掩膜的光刻方法是标准的。光敏层22、28分别沉积在例如是铬-金层(Cr-Au)的金属层20、26上。然后选择性地照射每个光敏层并使其显影，用以获得与所形成的掩膜对应的孔口。这样，光敏层22具有用于所述弹性结构的孔口24A和用于所述盲孔的孔口25；而光敏层28仅具有用于弹性结构10的孔口24B。当光敏层22和28已经被构造后，将晶片6A放置在适于蚀刻金属层20和26的化学浴中，从而限定出用于随后的局部石英蚀刻的两个对应的掩膜(与金属层附图标记相同) [0043] 最后，将形成有两个掩膜的晶片6A放置在化学浴中，该化学浴选择成通过有利于基本上在光轴Z上进行蚀刻来对单晶石英执行强力地各向异性蚀刻。在所述化学浴中经历确定的时间之后——该确定的时间尤其随着晶片的厚度和随着所要求的盲孔的深度而变化——获得了被穿孔的具有圆形的槽12的晶片6，所述槽具有基本上竖直的壁。此外，获得了底部具有如上所述的倾斜平面的盲孔16A(图4B的截面中的对称的V形轮廓是示意性的，因为在横向截面中，角锥体的两个平面总体上并不以相同的倾斜程度被横贯)。在图4B示出的变型中，孔的底部仅由三角锥体形成。作为示例，晶片6具有约200微米的厚度，盲孔的直径是100或200微米。 [0044] 根据制造上述类型的抗震轴承的方法的第二实施例或第二实施方式，该方法包括以下步骤： [0045] A)制造单晶石英晶片，该单晶石英晶片的两个主表面——分别是第一和第二表面——基本上定向成与单晶石英的晶体结构的光轴垂直； [0046] B)在单晶石英晶片的第一表面上形成第一初始掩膜，所述第一初始掩膜通过光刻构造，从而在第一表面上限定出弹性结构的轮廓，但未限定出用于接纳转动元件的枢轴的盲孔的轮廓； [0047] C)通过将所述晶片放入到化学蚀刻浴中来部分地在单晶石英晶片中机加工出由在所述步骤B)中得到的第一初始掩膜限定的弹性结构，所述化学蚀刻浴适于对单晶石英进行非常有利于沿着所述单晶石英的光轴进行蚀刻的各向异性蚀刻，所述第一初始掩膜选择成耐受所述化学蚀刻浴的蚀刻； [0048] D)构造所述第一初始掩膜，从而限定出盲孔的轮廓，并获得第一最终掩膜； [0049] E)通过将所述晶片再次放置到所述化学蚀刻浴中来对弹性结构进行最后的机加工，同时机加工出由在所述步骤D)中构造出的所述第一最终掩膜限定的盲孔。 [0050] 图8A和8B中示意性示出了本发明的方法的第二实施方式的优选变型。在该优选变型中，在步骤C)之前，在单晶石英晶片的第二表面上形成第二掩膜，所述第二掩膜通过光蚀刻构造而成，从而在所述第二表面上限定出所述弹性结构的轮廓。这个变型容许在晶片36A的两个侧面上蚀刻，如图8A中所示。图8A示意性示出了单晶石英晶片36A在经历了根据这里描述的变型的方法的步骤C)之后并且在对光敏层23进行照射和显影以在所述层中获得孔口25A之后所呈现的截面，其中在所述层中获得孔口25A用于使孔25(图8B)能够被制造在初始掩膜21A中，从而获得最终掩膜21。所述最终掩膜使得可以在弹性结构10的最后机加工阶段中机加工出盲孔16B，用以获得图8B中示出的被穿孔的晶片36。利用光敏层29构造出第二掩膜27。为了蚀刻掩膜21A和27，通过光蚀刻来分别构造光敏层23和29，然后分别得到与希望的弹性结构10对应的孔口24A和24B。在掩膜21A中蚀刻孔口25之前，即，在这里所描述的方法的步骤D)之前，将晶片36A放置在各向异性石英蚀刻浴中经历第一阶段或第一时间段。在晶片已经被从浴中移出以后，部分地机加工出如图8A所示的弹性结构。在晶片36A的两个侧面上获得了凹槽32和33。 [0051] 根据优选变型，在前述的步骤B)和步骤C)之间，照射光敏层23——该光敏层曾用于第一初始掩膜21A的部分构造以限定出弹性结构——用以在光敏层中形成与希望的盲孔对应的孔口25A(图8A)。应注意到的是，光敏层23的用以获得孔口25A而进行的显影可以发生在步骤C)之前或之后。因此，在这里，第一掩膜的构造在两个阶段中于蚀刻浴中实现，所述蚀刻浴选择成用于对沉积在单晶石英晶片上的金属层进行蚀刻并形成所述第一掩膜。 [0052] 根据本发明的方法的第二实施方式使得可以确定两个不同的时间段用于在针对单晶石英的各向异性蚀刻浴中机加工出弹性结构和机加工出盲孔。这优化了用于弹性结构和用于盲孔的蚀刻时间。因此，作为示例，单晶石英晶片具有300微米的厚度，盲孔的直径约等于200微米。弹性结构的第一蚀刻阶段的时间段持续例如约两个小时(2h)，所述弹性结构和盲孔的第二蚀刻阶段的时间段持续例如约两个小时。盲孔的深度例如在100和150微米之间。 [0053] 如图6和7中所示，尤其在盲孔的直径大于150微米时，除了与图5中描述的相对应的基本三角锥体的平面40A、40B、40C以外，平面42也呈现在盲孔16B的底部的中央区域中，每个平面限定出关于竖向轴线Z的相对较大的角度(尤其是约60°)。因此，所述基本三角锥体被截取顶端，即，其顶部的区域被切割成平面，每个平面的倾斜度比三角锥体的所述三个平面的倾斜度小。优选地，盲孔1B在其初始部分中具有基本上竖直的壁44。轮副的被引入到盲孔中的心轴的枢轴50优选地构造成使得所述枢轴的抵靠盲孔底部的抵接点位于主三角锥体的三个平面的区域46中，这些区域46关于枢轴50的转动轴线Z形成基本上40°的角度。 |
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