EP3101484A1 - Mechanisches schwingsystem für uhren und verfahren zum herstellen eines mechanischen schwingsystems für uhren - Google Patents

Mechanisches schwingsystem für uhren und verfahren zum herstellen eines mechanischen schwingsystems für uhren Download PDF

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EP3101484A1
EP3101484A1 EP16165465.2A EP16165465A EP3101484A1 EP 3101484 A1 EP3101484 A1 EP 3101484A1 EP 16165465 A EP16165465 A EP 16165465A EP 3101484 A1 EP3101484 A1 EP 3101484A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
balance spring
spring
balance
silicon
vibration system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP16165465.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Konrad Damasko
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Damasko GmbH
Original Assignee
Damasko GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=44951556&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=EP3101484(A1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Priority claimed from DE102009031841A external-priority patent/DE102009031841A1/de
Application filed by Damasko GmbH filed Critical Damasko GmbH
Publication of EP3101484A1 publication Critical patent/EP3101484A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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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

Definitions

  • the invention relates to a mechanical vibration system for watches according to claim 1 and a method for producing a mechanical vibration system for watches
  • the European patent application EP 1 445 670 A1 discloses a coil spring of amorphous or crystalline material (silicon wafer).
  • the winding cross-section of the spiral spring is 0.015 mm 2 .
  • the document does not mention anything regarding the structure of the vibration system and the grain size and other parameters of the balance spring.
  • German translation of the European patent specification EP 0 732 635 B1 merely discloses that with the claimed method, a coil spring for clockworks can be made.
  • the material of the base plate from which the micromechanical part is structured may be monocrystalline or polycrystalline silicon.
  • the document does not mention anything regarding the structure of the vibration system and the grain size and other parameters of the balance spring.
  • the international patent application WO 2006/123095 A2 discloses the production of a spiral spring, wherein the individual turns of the coil spring are cut out by means of a laser.
  • the coil spring is made of an iron-nickel alloy.
  • the object of the invention is to show a vibration system which avoids these disadvantages.
  • a mechanical vibration system according to claim 1 is formed.
  • a further object of the invention is to provide a method for producing a mechanical vibration system for watches, which avoids these disadvantages. To solve this problem, a method for producing a mechanical vibration system for watches according to claim 8 is formed.
  • Functional elements in the context of the invention are in particular those of a mechanical oscillating system for watches and in particular for mechanical watches or wristwatches, namely in particular the spiral and balance spring, the oscillating body or the balance wheel, the shaft of the oscillating body, elements for fixing the balance spring on the oscillating body or Elements for attachment of the balance spring on the shaft of the oscillating body and on a circuit board of the movement, the so-called double disc on the shaft of the oscillating body for deflecting the armature, the armature and the escape wheel.
  • Functional elements in the context of the invention are also gears of a movement generally.
  • the mechanical vibration system for watches especially for watches, from a balance spring and a balance wheel with a shaft for attachment of the balance spring.
  • the balance spring consists of a silicon material (in particular polycrystalline silicon), with a particle size in the range between 10 nm and 50000 nm.
  • a winding cross section of the balance spring is 0.001 mm 2 to 0.3 mm 2 .
  • the grain size is preferably in the range between 10 nm and 10000 nm.
  • the silicon material may be an epitaxially deposited polycrystalline silicon.
  • the coefficient of linear expansion of the balance spring is less than 8x10 -6 / K.
  • the balance spring is provided on the outer surface of its windings with a thermally generated layer of silicon oxide.
  • This layer has a maximum thickness of 4 microns, preferably of a maximum of 3 microns or smaller.
  • the silicon material is e.g. a polycrystalline silicon which is epitaxially deposited and from which the wafer is formed.
  • the turns of the balance spring are formed by cutting and / or etching from the wafer by means of a masking and etching technique.
  • the balance spring is suitably secured to the shaft, and an outboard end of the balance spring is held by a spring retainer block on a spring retainer adjustable by pivoting about an axis of the balance wheel.
  • the invention is based inter alia on the finding that a high accuracy, in particular a temperature-independent accuracy in a particularly simple manner in a mechanical vibration system with a balance spring of a non-metallic crystalline material having a particle size in the range between 10 nm and 50 000 nm and with a thermal expansion coefficient smaller 8 10 "7K and / or silicon by using molybdenum (Mo) for the vibrating body and the balance wheel is accessible, and in particular even at greatly reduced thickness of a silicon oxide coating of the balance spring.
  • Mo molybdenum
  • the oscillating body or balance wheel for example, designed so that the adjusting elements are held by clipping or latching on the oscillating body or on the inside of the balance wheel or a ring of the balance wheel, and / or that the oscillating body of molybdenum or a molybdenum in made of a high proportion alloy, wherein the aforementioned features may be used individually or in any combination.
  • the coil spring body is provided in the region of its outer end with a multi-wave section, wherein the coil spring (balance spring) is executed in a further development of the invention, for example, that of silicon and / or that it is made of polycrystalline silicon or a silicon ceramic, eg of silicon nitride, wherein the aforementioned features of the coil spring may be used individually or in any combination.
  • the balance spring 2 is made of silicon, preferably made of polycrystalline silicon.
  • the balance spring 2 is produced for example from a non-metallic crystalline material having a particle size in the range between 10 nm and 50,000 nm, preferably between 10 nm and 10,000 nm.
  • the non-metallic crystalline or sintered material has a coefficient of thermal expansion less than 8 10 -6 / K or the balance spring 2 is using a wafer made of this material or silicon, for example by cutting and / or etching (masking and etching).
  • the wafer is produced, for example, by epitaxial deposition of silicon.
  • the cross-sectional area of the spring coil is for example 0.001 mm 2 - 0.01 mm 2 .
  • the balance spring 2 is provided on the outer surface of its turns with a e.g. provided thermally generated layer of silicon oxide. This layer has a maximum thickness of 4 microns, preferably of at most 3 microns or smaller.
  • the oscillating mass or oscillating body i. the oscillating or balance wheel 3, which has, for example, the spoked wheel-like shape usual for such wheels, is made of molybdenum or of an alloy with a high molybdenum content.
  • the combination of silicon (for the balance spring 2) and molybdenum (for the balance wheel 3) provides an optimally temperature compensated mechanical vibration system, i. a mechanical vibration system whose gear or frequency accuracy in particular is independent of temperature changes.
  • FIG. 2 shows the coil spring 2 again in an individual representation.
  • a special feature of this coil spring is that in the area of its outer spring end at 2.1 is repeatedly wavy executed. This area results in an improved, very uniform vibration behavior of the spiral spring 2.
  • the spiral spring 2 with the section 2.1 is advantageously also for vibration systems of watches, especially watches, used in which the vibration mass is carried out differently than described above.
  • FIG. 3 shows a perspective view of a vibrating system 1 a with the coil spring 2a and the oscillating or balance wheel 3a.
  • the balance spring 2a and the balance wheel 3a are made of the same material and / or in the same manner as described above for the coil spring 2 and the balance wheel 3.
  • the balance wheel 3a is designed spoke-like, consisting of an outer ring 4, four radially extending from the ring 4 inwardly extending spokes 5 and a central hub portion 6, which has the opening 6.1 for attachment of the balance shaft and integral with the spokes 5 and the outer ring 4 is made.
  • the outer ring 4 is formed on its inside with a circumferential groove 7 and between the spokes 5 each having a fork-like attachment portion 8.
  • an adjusting element 9 which is integrally formed from a non-magnetic metallic material, e.g. made of molybdenum or of a corrosion-resistant steel.
  • the adjusting elements 9 consist of a circular-disk-shaped body 10 with a pin 11 which is arranged coaxially with the axis of this body and projecting beyond an end face of the centering element 9 with a circular-cylindrical outer surface. Furthermore, in the body 10 is a continuous, ie at both ends of the Disc-shaped body 10 is provided with an open and arcuately curved recess 12 which extends over an angular range of slightly less than 180 ° about the axis of the centering 9, in such a way that the centering element 9 and its body 10 has a continuous edge at its periphery , the center of gravity of the centering element 9 but offset radially to the axis of the centering element 9.
  • each centering element is rotatably provided on a mounting portion 8 about an axis parallel to the axis of the balance wheel 3a, with a certain stiffness in that the respective pin 11 is held by snapping or latching on the fork-like mounting portion 8 and each adjusting element 9 extends on the periphery with its disc-like body 10 in the groove 7, where it is axially secured and bears radially against the bottom of the groove 7.
  • each adjusting element 9 is pushed with its pin 11 radially on the associated fork-like mounting portion 8.
  • the center of mass of each adjusting element 9 u.a. displaced radially to the axis of the balance wheel 3a and thereby set the dynamic moment of inertia in the desired manner.
  • the balance spring 2a is fastened with the inner end in a suitable manner to the balance shaft, not shown.
  • the outer end of the coil spring 2a is held on a spring holder block or block 14 of a spring holder 15 which is adjustable by pivoting about the axis of the balance wheel 3a.
  • FIG. 6 is made of metallic material spring holder block 14 with a portion 14.1, with which it can be fixed in an opening 16 of the spring holder 15 by clipping or latching, and with a section 14.2 with two fork or clamp arms 17 and 18 executed which form between them a clamping gap 19 in which the coil spring 2a are secured by clamping can.
  • the clamping gap 19 is open to the underside facing away from the section 14.1 and also to two opposite end faces of the spring holder block 14 and is bounded by a surface 20 on the side facing the section 14.1.
  • the spring holder block 14 In the assembled state of the spring holder block 14 is oriented with its longitudinal extent parallel to the axis of the balance wheel 3a.
  • the outer portion of the coil spring 2a is inserted into the clamping gap 19 from the underside of the spring holder block 14 facing away from the section 14.1 or the spring holder 15.
  • the coil spring 2a is already held on the spring holder 15 mounted on the spring block 14 such that even a change and adjustment of the effective spring length, which is required for the frequency of the mechanical vibration system 1, by moving the coil spring 2a relative to the spring holder block 14 while maintaining the Clamping connection is possible.
  • the connection between the coil spring 2a and the spring holder block 14 is fixed, again using a suitable adhesive or fixing varnish.
  • the adjusting elements 9, but in particular the respective spring holder block 14, are preferably manufactured as so-called LIGA parts with the LIGA method known to those skilled in the art, which enables the production of metallic moldings with very small dimensions by the method steps lithography, electroplating and impression molding.
  • FIG. 7 schematically the formation of a bearing and / or sliding and / or mounting surface of a functional element 21 reproduced, which consists of silicon, preferably of polycrystalline, for example, epitaxially deposited polycrystalline silicon.
  • the bearing and / or sliding and / or mounting surface forming surface 22 of the functional element 21 is formed by a multilayer coating, at least consisting of a directly adjoining the silicon material of the functional element 21 coating 23 of silicon oxide, for example by thermal Oxidation or produced in any other suitable manner.
  • the coating 23 is followed by a metallic intermediate layer 24, which preferably consists of titanium nitride and / or titanium carbide and / or tungsten carbide and is applied, for example, in a PVD coating process.
  • the intermediate layer 24 may in turn be designed in a multi-layered manner, specifically in several individual layers, for example from the aforementioned materials.
  • the intermediate layer 24 is followed by a coating 25 forming the actual outer surface, which is embodied as a DLC coating and produced, for example, by CVD deposition.
  • the invention is based on the finding that improved adhesion of the layer 25 to the layer 23 is achieved by the metallic intermediate layer 24, so that the layer 25 is effectively prevented from flaking or loosening by the functional element 21 during assembly and during use of a clock , This is true not only for storage and sliding surfaces, but in particular for mounting surfaces and especially for those with or on which a clamping attachment, for example, a clamping attachment of the spiral or balance spring 2 or the oscillating body to a shaft, etc.

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Abstract

Es ist ein mechanisches Schwingsystem (1) für Uhren, insbesondere Armbanduhren und ein Verfahren zum Herstellen eines Schwingsystems (1) offenbart. Das Schwingsystem (1) besitzt eine Unruhfeder (2, 2a) und ein Unruhrad (3, 3a) mit einer Welle zur Befestigung der Unruhfeder (2, 2a). Die Unruhfeder (2, 2a) besteht aus einem Silizium-Werkstoff, mit einer Korngröße im Bereich zwischen 10 nm und 50000 nm. Ein Windungsquerschnitt der Unruhfeder (2, 2a) beträgt 0,001 mm2 bis 0,3 mm2.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein mechanisches Schwingsystem für Uhren gemäß Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines mechanischen Schwingsystems für Uhren
  • Es wurde bereits vorgeschlagen, die Feder oder Unruhfeder (Spiralfeder) eines mechanischen Schwingsystems aus Silizium zu fertigen und, u.a. zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit und zur Temperaturkompensation an deren Oberflächen, mit einer Schicht aus Siliziumoxid zu versehen. Insbesondere dann, wenn die Schicht aus Siliziumoxid thermisch erfolgt ist, besteht bei Schichtdicken, die für eine optimale
    Temperaturkompensation erforderlich wären, d.h. bei Schichtdicken größer als 4 µm u.a., die Gefahr einer Verformung, zumindest einer partiellen Verformung der Unruhfeder, was dann zu einer Beeinträchtigung der Ganggenauigkeit des Schwingsystems und/oder zu nicht reproduzierbaren Verhältnissen bei der Fertigung führt.
  • Die europäische Patentanmeldung EP 1 445 670 A1 offenbart eine Spiralfeder aus amorphem oder kristallinem Material (Siliziumscheibe). Der Windungsquerschnitt der Spiralfeder beträgt 0,015mm2. Das Dokument erwähnt nichts hinsichtlich des Aufbaus des Schwingsystems und der Korngröße und weiterer Parameter der Unruhfeder.
  • Die deutsche Übersetzung der europäischen Patentschrift EP 0 732 635 B1 offenbart lediglich, dass mit dem beanspruchten Verfahren auch eine Spiralfeder für Uhrwerke hergestellt werden kann. Das Material der Basisplatte aus der das mikromechanische Teil strukturiert wird, kann ein- oder polykristallines Silizium sein. Das Dokument erwähnt nichts hinsichtlich des Aufbaus des Schwingsystems und der Korngröße und weiterer Parameter der Unruhfeder.
  • Die internationale Patentanmeldung WO 2006/123095 A2 offenbart die Herstellung einer Spiralfeder, wobei die einzelnen Windungen der Spiralfeder mittels eines Lasers ausgeschnitten werden. Die Spiralfeder besteht aus einer Eisen-Nickel-Legierung.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schwingsystem aufzuzeigen, welches diese Nachteile vermeidet. Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein mechanisches Schwingsystem entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen eines mechanischen Schwingsystems für Uhren aufzuzeigen, welches diese Nachteile vermeidet. Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren zum Herstellen eines mechanischen Schwingsystems für Uhren entsprechend dem Patentanspruch 8 ausgebildet.
  • Funktionselemente im Sinne der Erfindung sind insbesondere solche eines mechanischen Schwingsystems für Uhren und dabei speziell für mechanische Uhren oder Armbanduhren, nämlich insbesondere die Spiral- und Unruhfeder, der Schwingkörper bzw. das Unruhrad, die Welle des Schwingkörpers, Elemente zur Befestigung der Unruhfeder am Schwingkörper bzw. Elemente zur Befestigung der Unruhfeder an der Welle des Schwingkörpers sowie an einer Platine des Uhrwerks, die sogenannte Doppelscheibe an der Welle des Schwingkörpers zum Auslenken des Ankers, der Anker sowie das Ankerrad. Funktionselemente im Sinne der Erfindung sind weiterhin auch Zahnräder eines Uhrwerks generell.
  • Nach einem Aspekt der Erfindung besteht das mechanische Schwingsystem für Uhren, insbesondere für Armbanduhren, aus einer Unruhfeder und einem Unruhrad mit einer Welle zur Befestigung der Unruhfeder. Die Unruhfeder besteht aus einem Silizium-Werkstoff (insbesondere polykristallines Silizium), mit einer Korngröße im Bereich zwischen 10 nm und 50000 nm. Ein Windungsquerschnitt der Unruhfeder beträgt 0,001 mm2 bis 0,3 mm2.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung liegt die Korngröße bevorzugt im Bereich zwischen 10 nm und 10000 nm. Der Silizium-Werkstoff kann ein epitaktisch abgeschiedenes polykristallines Silizium sein. Der Längenausdehnungskoeffizient der Unruhfeder ist kleiner als 8x10-6/K.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Unruhfeder an der Außenfläche ihrer Windungen mit einer thermisch erzeugten Schicht aus Siliziumoxid versehen. Diese Schicht besitzt eine Dicke von maximal 4 µm, bevorzugt von maximal 3µm oder kleiner.
  • Das Verfahren zum Herstellen eines mechanischen Schwingsystems für Uhren umfasst die folgenden Schritte:
    • dass für eine Unruhfeder ein Wafer erzeugt wird, wobei ein Silizium-Werkstoff eine Korngröße im Bereich zwischen 10 nm und 50000 nm besitzt;
    • dass die Unruhfeder mehrere Windungen besitzt, die mit einem Windungsquerschnitt von 0,001 mm2 bis 0,3 mm2 aus dem Wafer hergestellt werden;
    • dass Außenflächen der Windungen der Unruhfeder mit einer thermisch erzeugten Schicht aus Silizumoxid versehen werden; und
    • dass die Unruhfeder auf einer Welle eines Unruhrads des Schwingsystems befestigt wird.
  • Der Silizium-Werkstoff ist z.B. ein polykristallines Silizium, das epitaktisch abgeschieden und aus welchem der Wafer gebildet wird.
  • Die Windungen der Unruhfeder werden durch Schneiden und/oder Ätzen mittels einer Maskierungs-und Ätztechnik aus dem Wafer gebildet.
  • Mit einem innenliegenden Ende wird die Unruhfeder in geeigneter Weise an der Welle befestigt und ein außenliegendes Ende der Unruhfeder wird mit einem Federhalterklotz an einem durch Schwenken um eine Achse des Unruhrades einstellbaren Federhalter gehalten.
  • Der Erfindung liegt u.a. die Erkenntnis zugrunde, dass eine hohe Ganggenauigkeit, insbesondere auch eine temperaturunabhängige Ganggenauigkeit in besonders einfacher Weise bei einem mechanischen Schwingsystem mit einer Unruhfeder aus einem nicht metallischen kristallinen Werkstoff mit einer Korngröße im Bereich zwischen 10 nm und 50 000 nm und mit einem thermischen Längenausdehnungskoeffizienten kleiner 8 10"7K und/oder aus Silizium durch Verwendung von Molybdän (Mo) für den Schwingkörper bzw. das Unruhrad erreichbar ist, und zwar insbesondere auch bei stark reduzierter Dicke einer Siliziumoxid-Beschichtung der Unruhfeder.
  • Nach einem Aspekt der Erfindung sind bei dem mechanischen Schwingsystem für Uhren, insbesondere Armbanduhren, mit einer Unruhfeder und einem Schwingkörper die Unruhfeder aus Silizium und der Schwingkörper zur Temperaturkompensation aus Molybdän oder einer Molybdän in einem hohen Anteil enthaltenden Legierung gefertigt,
    wobei dieses Schwingsystem in Weiterbildung der Erfindung beispielsweise so ausgeführt ist,
    • dass die Unruhfeder an deren Oberflächen mit einer Schicht aus Siliziumoxid versehen ist,
    • und/oder
    • dass die Schicht aus Siliziumoxid eine Schichtdicke von maximal 4µm, vorzugsweise von maximal 3 µm, aufweist,
    • und/oder
    • dass der Schwingkörper ein rad- oder scheibenartiger Schwingkörper ist,
    • und/oder
    • dass die Unruhfeder aus polykristallinem Silizium hergestellt ist,
    • und/oder
    • dass an einem radial außenliegenden Bereich des Schwingkörpers oder eines diesen Schwingkörper bildenden Unruhrades Justierelemente zur Einstellung des dynamischen Trägheitsmomentes des Schwingkörpers in Bezug auf seine Schwingachse vorgesehen sind,
    • und/oder
    • dass die Zentrierelemente jeweils von wenigstens einem um eine Achse parallel oder im Wesentlichen parallel zur Schwingachse dreh- oder schwenkbar am Massenkörper mit einem gegenüber der Dreh- oder Schwenkachse versetzten Massenschwerpunkt aufweisen,
    • und/oder
    • dass die Justierelemente durch Klipsen oder Verrasten am Schwingkörper bzw. an der Innenseite des Unruhrades oder eines Ringes des Unruhrades gehalten sind, und/oder
    • dass ein Federhalterklotz mit einem Klemmschlitz zum klemmenden Halten der Spiral- oder Unruhfeder im Bereich ihres außenliegenden Federendes vorgesehen ist,
    wobei die vorgenannten Merkmale des Schwingsystems jeweils einzeln oder in beliebiger Kombination verwendet sein können.
  • In Weiterbildung der Erfindung sind der Schwingkörper oder das Unruhrad beispielsweise so ausgebildet, dass die Justierelemente durch Klipsen oder Verrasten am Schwingkörper bzw. an der Innenseite des Unruhrades oder eines Ringes des Unruhrades gehalten sind, und/oder dass der Schwingkörper aus Molybdän oder einer Molybdän in einem hohen Anteil enthaltenden Legierung gefertigt ist, wobei die vorgenannten Merkmale jeweils einzeln oder in beliebiger Kombination verwendet sein können.
  • Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist bei einer Spiralfeder für ein mechanisches Schwingsystem für Uhren der Spiralfederkörper im Bereich seines außenliegenden Endes mit einem mehrfach wellenförmig ausgeführten Abschnitt versehen, wobei die Spiralfeder (Unruhfeder) in Weiterbildung der Erfindung beispielsweise so ausgeführt ist, dass sie aus Silizium besteht, und/oder, dass sie aus polykristallinem Silizium oder einer Siliziumkeramik, z.B. aus Silizium- Nitrid, hergestellt ist,
    wobei die vorgenannten Merkmale der Spiralfeder jeweils einzeln oder in beliebiger Kombination verwendet sein können.
  • Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung sind der Schwingkörper oder das Unruhrad für ein mechanisches Schwingsystem für Uhren, insbesondere Armbanduhren, mit an einem radial außenliegenden Bereich des Schwingkörpers angebrachten Justierelementen zur Einstellung des dynamischen Schwingkörper Trägheitsmomentes des Schwingkörpers in Bezug auf seine Schwingachse, so ausgeführt, wobei der Schwingkörper in Weiterbildung der Erfindung beispielsweise so ausgeführt ist,
    • dass die Zentrierelemente jeweils von wenigstens einem um eine Achse parallel oder im Wesentlichen parallel zur Schwingachse dreh- oder schwenkbar am Massenkörper mit einem gegenüber der Dreh- oder Schwenkachse versetzten Massenschwerpunkt aufweisen,
    • und/oder
    • dass er speichenradartig ausgebildet ist,
    • und/oder
    • dass die Justierelemente durch Klipsen oder Verrasten am Schwingkörper bzw. an der Innenseite des Unruhrades oder eines Ringes des Unruhrades gehalten sind, und/oder
    • dass er aus Molybdän oder einer Molybdän in einem hohen Anteil enthaltenden Legierung gefertigt ist,
    wobei die vorgenannten Merkmale des Schwingkörpers jeweils einzeln oder in beliebiger Kombination verwendet sein können.
  • Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Funktionselement für Uhren, insbesondere mechanische Uhren oder Armbanduhren, geschaffen, wobei das Funktionselement in Weiterbildung der Erfindung beispielsweise so ausgeführt ist,
    • dass es aus einem nicht metallischen Werkstoff gefertigt ist, der ein kristalliner Werkstoff mit einer Korngröße im Bereich zwischen 10 nm und 50 000 nm und/oder mit einem thermischen Längenausdehnungskoeffizienten kleiner 8 10"7K I ist,
    • und/oder
    • dass bei Ausbildung als Spiralfeder der Windungsquerschnitt 0,001 mm2 bis 0,01 mm2 oder 0,001 mm2 bis 0,03 mm2 oder 0,001 mm2 bis 0,3 mm2 beträgt,
    • und/oder
    • dass es wenigstens eine Lager- und/oder Gleit- und/oder Montagefläche bildet, an der die Oberfläche des Funktionselementes aus einer inneren Schicht aus Siliziumoxid und einer die Außenfläche bildenden DLC-Beschichtung besteht,
    • und/oder
    • dass zwischen der von der DLC-Beschichtung gebildeten äußeren Schicht und der inneren Schicht aus Siliziumoxid wenigstens eine metallische Zwischenschicht vorgesehen ist,
    • und/oder
    • dass die Zwischenschicht ein- oder mehrlagig ausgeführt ist,
    • und/oder dass die Zwischenschicht bzw. die wenigstens eine Lage dieser Zwischenschicht aus Titan-Nitrid und/oder Titan-Carbid und/oder Wolfram-Carbid besteht,
    • und/oder
    • dass es als Spiral- oder Unruhfeder, als Schwingkörper, als Welle, insbesondere Unruh-Welle, als Anker, als Ankerrad, als Doppelscheibe an der Unruhwelle oder als Zahnrad ausgebildet ist,
    wobei die vorgenannten Merkmale des Funktionselementes jeweils einzeln oder in beliebiger Kombination verwendet sein können.
  • Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    in vereinfachter Funktionsdarstellung die wesentlichen Elemente eines mechanischen Schwingsystems einer Armbanduhr;
    Fig. 2
    in Draufsicht die Spiralfeder des Schwingsystems der Figur 1 ;
    Fig. 3
    in perspektivischer Teildarstellung ein mechanisches Schwingsystem für Uhren, insbesondere Armbanduhren, gemäß einer weiteren Ausführungsform;
    Fig. 4
    in Einzeldarstellung und in Draufsicht das Schwing- und Unruhrad des Schwingsystems der Figur 3;
    Fig. 5
    in perspektivischer Darstellung und in Draufsicht eines der Zentrierelemente des Unruhrades des Schwingsystems der Figur 3;
    Fig. 6
    in Einzeldarstellung einen Federhalter oder Halteklotz für die Spiral- oder Unruhfeder des Schwingsystems der Figur 3;
    Fig. 7
    in vereinfachter Darstellung einen Schnitt durch eine mehrlagige Beschichtung auf einem aus Silizium hergestellten Funktionselement.
  • Das in der Figur 1 allgemein mit 1 bezeichnete Schwingsystem besteht aus der Spiralfeder 2 und aus dem Schwing- oder Unruhrad 3. Die Unruhfeder 2 ist aus Silizium gefertigt, vorzugsweise aus polykristallinem Silizium. Die Herstellung der Unruhfeder 2 erfolgt dabei beispielsweise aus einem nicht metallischen kristallinen Werkstoff mit einer Korngröße im Bereich zwischen 10 nm und 50.000 nm, bevorzugt zwischen 10 nm - 10.000nm. Weiterhin besitzt der nicht metallische kristalline oder gesinterte Werkstoff einen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten kleiner 8 10-6/K oder die Unruhfeder 2 ist unter Verwendung eines Wafers aus diesem Werkstoff oder aus Silizium, z.B. durch Schneiden und/oder Ätzen (Maskierungs- und Ätztechnik). Der Wafer ist beispielsweise durch epitaktisches Abscheiden von Silizium erzeugt. Die Querschnittsfläche der Federwindung beträgt beispielsweise 0,001 mm2 - 0,01 mm2.
  • Die Unruhfeder 2 ist an der Außenfläche ihrer Windungen mit einer z.B. thermisch erzeugten Schicht aus Siliziumoxid versehen. Diese Schicht besitzt eine Dicke von maximal 4µm, bevorzugt von maximal 3µm oder kleiner.
  • Die Schwingmasse bzw. der Schwingkörper, d.h. das Schwing- oder Unruhrad 3, welches beispielsweise die für derartige Räder übliche speichenradartige Form aufweist, ist aus Molybdän oder aus einer Legierung mit einem hohen Molybdän-Anteil gefertigt. Durch die Kombination von Silizium (für die Unruhfeder 2) und Molybdän (für das Unruhrad 3) wird ein in optimaler Weise temperaturkompensiertes mechanisches Schwingsystem erhalten, d.h. ein mechanisches Schwingsystem, dessen Gang- oder Frequenzgenauigkeit insbesondere auch unabhängig von Temperaturänderungen ist.
  • Die Figur 2 zeigt die Spiralfeder 2 nochmals in Einzeldarstellung. Eine Besonderheit dieser Spiralfeder besteht darin, dass sie im Bereich ihres außenliegenden Federendes bei 2.1 mehrfach wellenförmig ausgeführt ist. Durch diesen Bereich ergibt sich ein verbessertes, sehr gleichmäßiges Schwingungsverhalten der Spiralfeder 2.
  • Die Spiralfeder 2 mit dem Abschnitt 2.1 ist in vorteilhafter Weise auch für Schwingsysteme von Uhren, insbesondere Armbanduhren, verwendbar, bei denen die Schwingmasse anders als vorstehend beschrieben ausgeführt ist.
  • Die Figur 3 zeigt in perspektivischer Darstellung ein Schwingsystem 1 a mit der Spiralfeder 2a und dem Schwing- oder Unruhrad 3a. Die Unruhfeder 2a sowie das Unruhrad 3a sind demselben Material und/oder in derselben Weise hergestellt, wie dies vorstehend für die Spiralfeder 2 und das Unruhrad 3 beschrieben wurde.
  • Das Unruhrad 3a ist speichenradartig ausgeführt, und zwar bestehend aus einem äußeren Ring 4, aus vier vom Ring 4 radial nach innen verlaufenden Speichen 5 und aus einem mittleren Nabenabschnitt 6, der die Öffnung 6.1 zur Befestigung der Unruh-Welle aufweist und einstückig mit den Speichen 5 und dem äußeren Ring 4 hergestellt ist.
  • Der äußere Ring 4 ist an seiner Innenseite mit einer umlaufenden Nut 7 sowie zwischen den Speichen 5 jeweils mit einem gabelartigen Befestigungsabschnitt 8 ausgebildet. An jedem Befestigungsabschnitt 8 ist ein Justierelement 9 vorgesehen, welches einstückig aus einem nicht magnetischen metallischen Material, z.B. aus Molybdän oder aus einem korrosionsbeständigen Stahl, gefertigt ist. Mit den Justierelementen 9, die ebenso wie die Speichen 5 in gleichmäßigen Winkelabständen um die Achse des Unruhrades 3a bzw. der Öffnung 6.1 verteilt angeordnet sind, kann das für die Frequenz bzw. Schwingungsdauer des Schwingsystems maßgebliche dynamische Trägheitsmoment des Unruhrades 3a eingestellt werden. Die Befestigungsabschnitte 8 sind jeweils unterhalb der Nut 7 vorgesehen.
  • Die Justierelemente 9 bestehen hierfür aus einem kreisscheibenförmigen Körper 10 mit einem achsgleich mit der Achse dieses Körpers angeordneten und über eine Stirnseite des Zentrierelementes 9 wegstehenden Zapfen 11 mit kreiszylinderförmiger Außenfläche. Weiterhin ist im Körper 10 eine durchgehende, d.h. an beiden Stirnseiten des scheibenförmigen Körpers 10 offene und bogenförmig gekrümmte Ausnehmung 12 vorgesehen, die sich über einen Winkelbereich von etwas weniger als 180° um die Achse des Zentrierelementes 9 erstreckt, und zwar derart, dass das Zentrierelement 9 bzw. dessen Körper 10 an seinem Umfang einen durchgehenden Rand aufweist, der Massenschwerpunkt des Zentrierelementes 9 aber radial zur Achse des Zentrierelementes 9 versetzt ist. An der dem Zapfen 11 abgewandten Oberseite ist der Körper 10 weiterhin mit einer schlitzförmigen, sich radial oder in etwa radial zur Achse des Zentrierelementes erstreckenden Vertiefung 13 versehen, die die Angriffs oder Betätigungsfläche für ein Einstell-Werkstück, beispielsweise für einen Schraubenzieher, bildet. Mit dem Zapfen 11 ist jedes Zentrierelement an einem Befestigungsabschnitt 8 um eine Achse parallel zur Achse des Unruhrades 3a drehbar vorgesehen, und zwar mit einer gewissen Schwergängigkeit dadurch, dass der jeweilige Zapfen 11 durch Einschnappen oder Verrasten an dem gabelartigen Befestigungsabschnitt 8 gehalten ist und jedes Justierelement 9 am Umfang mit seinem scheibenartigen Körper 10 in die Nut 7 hineinreicht, dort axial gesichert ist und radial gegen den Boden der Nut 7 anliegt.
  • Die Montage der Justierelemente 9 am Ring 4 erfolgt also derart, dass jedes Justierelement 9 mit seinem Zapfen 11 radial auf den zugehörigen gabelartigen Befestigungsabschnitt 8 aufgeschoben wird. Durch Drehen oder Schwenken der Justierelemente 9 um die Achse ihrer Zapfen 11 können der Masseschwerpunkt jedes Justierelementes 9 u.a. radial zur Achse des Unruhrades 3a verlagert und dadurch das dynamische Massenträgheitsmoment in der gewünschten Weise eingestellt werden. Nach der Einstellung der Justierelemente 9 werden diese durch einen geeigneten Kleber oder Fixierlack fixiert.
  • Die Unruhfeder 2a ist mit dem innenliegenden Ende in geeigneter Weise an der nicht dargestellten Unruhwelle befestigt. Das außenliegende Ende der Spiralfeder 2a ist an einem Federhalterklötzchen oder -klotz 14 eines durch Schwenken um die Achse des Unruhrades 3a einstellbaren Federhalters 15 gehalten.
  • Wie insbesondere der Figur 6 zu entnehmen ist, ist der aus metallischem Werkstoff hergestellte Federhalterklotz 14 mit einem Abschnitt 14.1, mit dem er in einer Öffnung 16 des Federhalters 15 durch Einklipsen oder Verrasten befestigt werden kann, sowie mit einem Abschnitt 14.2 mit zwei Gabel- oder Klemmarmen 17 und 18 ausgeführt, die zwischen sich einen Klemmspalt 19 bilden, in dem die Spiralfeder 2a durch Klemmen befestigt werden kann. Der Klemmspalt 19 ist zu der dem Abschnitt 14.1 abgewandten Unterseite sowie auch zu zwei einander gegenüberliegenden Stirnseiten des Federhalterklotzes 14 offen ist und an der dem Abschnitt 14.1 zugewandten Seite durch eine Fläche 20 begrenzt.
  • Im montiertem Zustand ist der Federhalterklotz 14 mit seiner Längserstreckung parallel zur Achse des Unruhrades 3a orientiert. Bei der Montage des Schwingsystems 1 wird der außenliegende Abschnitt der Spiralfeder 2a von der dem Abschnitt 14.1 bzw. dem Federhalter 15 abgewandten Unterseite des Federhalterklotzes 14 her in den Klemmspalt 19 eingeführt. Damit ist die Spiralfeder 2a bereits an dem am Federhalter 15 montierten Federhalterklotz 14 derart gehalten, dass noch eine Änderung und Einstellung der wirksamen Federlänge, die für die Frequenz des mechanischen Schwingungssystems 1 erforderlich ist, durch Verschieben der Spiralfeder 2a relativ zum Federhalterklotz 14 bei Aufrechterhaltung der Klemmverbindung möglich ist. Nach dieser Einstellung wird die Verbindung zwischen der Spiralfeder 2a und dem Federhalterklotz 14 fixiert, und zwar wiederum unter Verwendung eines geeigneten Klebers oder Fixierlacks.
  • Die Justierelemente 9, insbesondere aber der jeweilige Federhalterklotz 14, sind bevorzugt als sogenannte LIGA-Teile mit dem dem Fachmann bekannten LIGA-Verfahren gefertigt, welches durch die Verfahrensschritte Lithographie, Galvanik und Abformung die Herstellung von metallischen Formkörpern mit sehr kleinen Abmessungen ermöglicht.
  • In der Figur 7 ist schematisch die Ausbildung einer Lager- und/oder Gleit- und/oder Montagefläche eines Funktionselementes 21 wiedergegeben, welches aus Silizium, vorzugsweise aus polykristallinen, beispielsweise aus epitaktisch abgeschiedenem polykristallinen Silizium besteht. Die die Lager und/oder Gleit- und/oder Montagefläche bildende Oberfläche 22 des Funktionselementes 21 ist von einer mehrlagigen Beschichtung gebildet, und zwar zumindest bestehend aus einer an das Silizium-Material des Funktionselementes 21 unmittelbar anschließenden Beschichtung 23 aus Siliziumoxid, die z.B. durch thermische Oxidation oder auf andere geeignete Weise erzeugt ist. Auf die Beschichtung 23 folgt eine metallische Zwischenschicht 24, die bevorzugt aus Titan-Nitrid und/oder Titan-Carbid und/oder Wolfram-Carbid besteht und z.B. in einem PVD-Beschichtungsverfahren aufgebracht ist. Die Zwischenschicht 24 kann ihrerseits mehrschichtig ausgeführt sein, und zwar in mehreren Einzelschichten z.B. aus den vorgenannten Materialien. Auf die Zwischenschicht 24 folgt eine die eigentliche Außenfläche bildende Beschichtung 25, die als DLC-Beschichtung ausgeführt und beispielsweise durch CVD-Abscheidung erzeugt ist. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die metallische Zwischenschicht 24 eine verbesserte Haftung der Schicht 25 an der Schicht 23 erreicht wird, sodass ein Abplatzen oder Lösen der Schicht 25 von dem Funktionselement 21 bei der Montage und während der Verwendung einer Uhr wirksam verhindert ist. Dies gilt nicht nur für Lager- und Gleitflächen, sondern insbesondere auch für Montageflächen und dabei speziell auch für solche, mit oder an denen eine klemmende Befestigung erfolgt, beispielsweise eine klemmende Befestigung der Spiral- oder Unruhfeder 2 oder des Schwingkörpers an einer Welle usw.
  • Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrundeliegende Erfindungsgedanke verlassen wird. Anstelle des vorgenannten Silizium-Materials (z.B. polykristallinem Silizium) eignet sich insbesondere auch ein Sintermaterial auf Silizium-Basis bzw. Silizium-Sintermaterial und/oder der nicht metallische kristalline oder gesinterte Werkstoff mit der Korngröße im Bereich zwischen 10 nm und 50 000 nm und mit dem thermischen Längenausdehnungskoeffizienten kleiner 8 x 10-6/K.
    • Bezugszeichenliste
    • 1 , 1a
    mechanisches Schwingsystem
    2, 2a
    Unruhfeder
    3, 3a
    Unruhrad
    4
    Reifen oder Ring
    5
    Speiche
    6
    nabenartiger Abschnitt
    7
    Nut
    8
    Befestigungsabschnitt
    9
    Justierelement
    10
    scheibenförmiger Körper des Justierelementes 9
    1 1
    Zapfen des Justierelementes 9
    12
    Ausnehmung
    1 3
    Schlitz
    14
    Federhalterklötzchen
    14.1 , 14.2
    Abschnitt des Federhalterklötzchens
    15
    Federhalter
    16
    Öffnung
    17, 18
    Klemmarm
    19
    Klemmspalt
    20
    Anlagefläche
    21
    Funktionselement
    22
    Oberfläche des Funktionselementes 21
    23, 24, 25
    Beschichtung oder Lage

Claims (15)

  1. Mechanisches Schwingsystem (1) für Uhren, insbesondere Armbanduhren, mit einer Unruhfeder (2, 2a) und einem Unruhrad (3, 3a) mit einer Welle zur Befestigung der Unruhfeder (2, 2a), wobei
    die Unruhfeder (2, 2a) aus einem Silizium-Werkstoff besteht, mit einer Korngröße im Bereich zwischen 10 nm und 50000 nm und ein Windungsquerschnitt der Unruhfeder (2, 2a) 0,001 mm2 bis 0,3 mm2 beträgt.
  2. Mechanisches Schwingsystem (1) nach Anspruch 1, wobei der Silizium-Werkstoff polykristallines Silizium oder eine Siliziumkeramik, z.B. Silizium- Nitrid, ist
  3. Mechanisches Schwingsystem (1) nach den Ansprüchen 1 bis 2, wobei die Korngröße bevorzugt im Bereich zwischen 10 nm und 10000 nm liegt.
  4. Mechanisches Schwingsystem(1) nach Anspruch 1, wobei der Silizium-Werkstoff ein epitaktisch abgeschiedenes polykristallines Silizium ist.
  5. Mechanisches Schwingsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Windungsquerschnitt der Unruhfeder (2, 2a) 0,001 mm2 bis 0,01 mm2 oder 0,001 mm2 bis 0,03 mm2 beträgt.
  6. Mechanisches Schwingsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Längenausdehnungskoeffizient der Unruhfeder (2, 2a) kleiner als 8x10-6/K ist.
  7. Mechanisches Schwingsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Unruhfeder (2, 2a) an der Außenfläche ihrer Windungen mit einer thermisch erzeugten Schicht aus Siliziumoxid versehen ist und diese Schicht eine Dicke von maximal 4 µm, bevorzugt von maximal 3µm oder kleiner, besitzt.
  8. Verfahren zum Herstellen eines mechanischen Schwingsystems (1) für Uhren, umfassend die folgenden Schritte;
    • dass für eine Unruhfeder (2, 2a) ein Wafer erzeugt wird, wobei ein Silizium-Werkstoff eine Korngröße im Bereich zwischen 10 nm und 50000 nm besitzt;
    • dass die Unruhfeder (2, 2a) mehrere Windungen besitzt, die mit einem Windungsquerschnitt von 0,001 mm2 bis 0,3 mm2 aus dem Wafer hergestellt werden;
    • dass Außenflächen der Windungen der Unruhfeder (2, 2a) mit einer thermisch erzeugten Schicht aus Silizumoxid versehen werden; und
    • dass die Unruhfeder (2, 2a) auf einer Welle eines Unruhrads (3, 3a) des Schwingsystems (1) befestigt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Korngröße bevorzugt im Bereich zwischen 10 nm und 10000 nm liegt.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Silizium-Werkstoff ein polykristallines Silizium ist.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Silizium epitaktisch abgeschieden und dadurch der Wafer gebildet wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Windungsquerschnitt der Unruhfeder (2, 2a) 0,001 mm2 bis 0,01 mm2 oder 0,001 mm2 bis 0,03 mm2 beträgt.
  13. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Schicht aus Silizumoxid an den Außenflächen der Windungen mit einer Dicke von maximal 4 µm, bevorzugt von maximal 3µm oder kleiner abgeschieden wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Windungen der Unruhfeder (2, 2a) durch Schneiden und/oder Ätzen mittels einer Maskierungs- und Ätztecknik aus dem Wafer gebildet werden.
  15. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Unruhfeder (2, 2a) mit einem innenliegenden Ende in geeigneter Weise an der Welle befestigt wird und ein außenliegendes Ende der Unruhfeder (2, 2a) mit einem Federhalterklotz (14) an einem durch Schwenken um eine Achse des Unruhrades (3, 3a) einstellbaren Federhalter (15) gehalten wird.
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