EP4180879A1 - Mikromechanische baugruppe, verfahren zu deren herstellung und deren verwendung - Google Patents

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EP4180879A1
EP4180879A1 EP21207650.9A EP21207650A EP4180879A1 EP 4180879 A1 EP4180879 A1 EP 4180879A1 EP 21207650 A EP21207650 A EP 21207650A EP 4180879 A1 EP4180879 A1 EP 4180879A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
functional component
axle
shaft
recess
assembly
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.)
Pending
Application number
EP21207650.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Gluche
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.)
GFD Gesellschaft fuer Diamantprodukte mbH
Original Assignee
GFD Gesellschaft fuer Diamantprodukte mbH
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
Application filed by GFD Gesellschaft fuer Diamantprodukte mbH filed Critical GFD Gesellschaft fuer Diamantprodukte mbH
Priority to EP21207650.9A priority Critical patent/EP4180879A1/de
Publication of EP4180879A1 publication Critical patent/EP4180879A1/de
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    • 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
    • G04B13/00—Gearwork
    • G04B13/02—Wheels; Pinions; Spindles; Pivots
    • G—PHYSICS
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    • G04B13/02—Wheels; Pinions; Spindles; Pivots
    • G04B13/021—Wheels; Pinions; Spindles; Pivots elastic fitting with a spindle, axis or shaft
    • G04B13/022—Wheels; Pinions; Spindles; Pivots elastic fitting with a spindle, axis or shaft with parts made of hard material, e.g. silicon, diamond, sapphire, quartz and the like
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    • 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
    • G04B15/00—Escapements
    • G04B15/14—Component parts or constructional details, e.g. construction of the lever or the escape wheel
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    • G04B17/00—Mechanisms for stabilising frequency
    • G04B17/32—Component parts or constructional details, e.g. collet, stud, virole or piton

Definitions

  • the present invention relates to micromechanical assemblies that have at least one functional component and at least one axis and/or shaft, these being non-positively connected by means of press joining.
  • the invention also relates to a method for producing such micromechanical assemblies and their use in watch movements.
  • the escapement of a watch is an escape wheel with Axle and/or integrated drive (on the axle) and an armature with an armature shaft.
  • the components of the assemblies are usually made of metallic materials in a conventional design.
  • the axles are typically turned from steel and, if necessary, integrated gearing for the drive.
  • the axes are hardened after machining.
  • the pin diameters are usually rolled on high-quality shafts, on the one hand to set a micrometer-precise diameter of the pin and on the other hand to compact and harden the surface of the pin and, if necessary, to additionally smooth the friction contact surfaces. In order to further minimize friction, additional polishing steps can also be carried out.
  • the escape wheel or the anchor (hereafter: functional component) have so far been manufactured separately. Stamping, milling, turning, toothing or laser cutting processes are used for this.
  • metallic materials are also used, eg steel in different alloys such as 20AP ® or non-magnetic metallic alloys such as Phynox ® (cobalt alloy).
  • a press connection is usually used, which can optionally be reinforced by a joint connection (e.g. riveting the escapement wheel seat).
  • a rivet structure is already provided on the axle, which is plastically deformed after the wheel is pressed on so that the wheel sits frictionally on the axle.
  • the object of the present invention is therefore to put a non-ductile material on a conventionally manufactured axle made of a ductile material to be mounted force-fit and at the same time to completely dispense with gluing processes and intermediate pieces.
  • the at least one functional component has at least one essentially cylindrical recess for receiving the axle.
  • the axle or shaft is formed from a ductile material and the at least one functional component has a plurality of tooth-shaped structures or teeth on the inner circumference of the recess. At least the areas of the tooth-shaped structures that come into contact with the axle or shaft are formed from a brittle and hard material.
  • ductile material is to be understood as meaning a material which has a range of plastic deformation, the beginning of which lies in the stress-strain diagram of 40-1700 MPa due to the elastic limit R p0.2 .
  • the elastic limit R p0.2 also often referred to as the 0.2% yield strength, is the (uniaxial) mechanical stress at which the permanent elongation related to the initial length of the sample (ie plastic elongation after relief) is 0.2% amounts to.
  • brittle-hard material is to be understood as meaning a material which is advantageously from the material class of semiconductors (4th main group of the periodic table (in particular silicon, germanium, diamond) or ceramics (in particular silicon, aluminum zirconium and yttrium based ceramics) is selected. It has no region of plastic deformation and a transverse rupture stress greater than 1 GPa, preferably more than 2 GPa.
  • the at least one functional component and the at least one axle or shaft are non-positively connected in the area of the recess by press joining.
  • the invention is based on the fact that the tooth-like structures are formed at least in regions, preferably completely, from the brittle material.
  • the tooth-like structures have a sufficiently high mechanical stability, as a result of which the tooth-like structures can be prevented from breaking out during press joining. Due to the high mechanical stability, the tooth-like structures dig into the ductile material of the axle or shaft during press joining and thus ensure a particularly stable fixing of the axle or shaft to the functional component.
  • the hard, brittle material of the functional component has a high hardness of more than 50 GPa, preferably from 60 to 110 GPa (the hardness is determined using the HIT nanoindention method). This prevents the tooth structures, in particular the sensitive tooth tip, from changing their shape due to wear during the pressing-in process.
  • the at least one functional component preferably has from 3 to 21 tooth-like structures, preferably from 5 to 19 tooth-like structures and particularly preferably from 7 to 11 tooth-like structures. It is advantageous here that the number of tooth-like structures is odd, since this leads to a smaller concentricity error.
  • the tooth-like structures preferably have an opening angle ⁇ in the range from 10° to 120°, preferably from 20° to 60° and particularly preferably from 20° to 50° and in particular from 45°.
  • tooth-like structures are at least partially chamfered from the top and/or bottom. All tooth-like structures are particularly preferably bevelled from the top and/or bottom. In this case, at least the tooth-like structures have chamfers on the structure edges.
  • the ductile material preferably has a Vickers hardness of 350 to 920 HV, particularly preferably 400 to 800 HV, very particularly preferably 550 to 700 HV.
  • the brittle material is selected from the group consisting of single crystal diamond, polycrystalline diamond, nanocrystalline diamond, diamond-like amorphous carbon (DLC), and combinations thereof.
  • the at least one functional component consists of the brittle-hard material, i.e. the functional component is a full diamond component, for example.
  • the functional component is a substrate made of a material selected from the group consisting of silicon, hard metal, steel, ceramic materials, in particular Si 3 N 4 and SiC, , SiO 2 , Si x O y , SiO x N y (where x, y are natural numbers) and combinations thereof, or consists of them, and has an at least regional coating of the hard and brittle material.
  • This coating is then applied in particular to the surfaces of the functional component that are in contact with the axle or the shaft.
  • the coating preferably has a layer thickness in the range from 1 to 100 ⁇ m, preferably from 2 to 50 ⁇ m and particularly preferably from 4 to 10 ⁇ m.
  • the coating is preferably a coating applied isotropically, for example by means of chemical vapor deposition (CVD).
  • the hard material coating preferably consists of diamond.
  • the bending stress is determined by statistical evaluation of fracture tests, e.g. in the B3B load test according to the literature references above. It is defined as the breaking stress at which there is a 63% probability of breaking.
  • the modulus of elasticity or Young's modulus is determined according to the method according to " Young's modulus, fracture strength, and Poisson's ratio of nanocrystalline diamond films", J. Appl. Phys. 116, 124308 (2014 ), in particular paragraph III.
  • the surface roughness R RMS is determined according to DIN EN ISO 25178. The mentioned surface roughness makes an additional mechanical polishing of the grown material superfluous.
  • the hardness is determined using the nanoindention method HIT.
  • the at least one functional component contains or consists of silicon and the coating consists of nanocrystalline diamond.
  • the at least one functional component preferably has a thickness in the range from 10 ⁇ m to 2 mm, preferably from 50 ⁇ m to 1 mm and particularly preferably from 100 ⁇ m to 500 ⁇ m.
  • the recess in the at least one functional component preferably has a diameter in the range from 0.1 to 1 mm, preferably from 0.2 to 0.5 mm and particularly preferably from 0.3 to 0.4 mm.
  • the recess and/or the axis or shaft has a taper of ⁇ 1° to 3°, particularly preferably of 0° to 2.5° and very particularly preferably of 0.5° to 2°. This taper makes it easier to insert the axle or shaft into the recess of the functional component. At the same time, the formation of chips when pressing into the ductile material of the axle or shaft is prevented.
  • a variant according to the invention provides that the press fit area is conically shaped in the direction of the axis, ie the diameter d p of the axis decreases down towards, is therefore not constant.
  • the adhesion of the components is largely defined by the overlap Ü in the press fit area. The larger the overlap, the greater the frictional connection, anti-twist security and press-out force.
  • the conicity can also be achieved by a conical design of the press fit area in the ductile material of the shaft/axle.
  • the press-fit area is conical, i.e. with an increasing diameter in the direction of the pressing direction of the functional component. This is particularly important when a corresponding conical design of the recess in the functional component is not possible due to the microtechnical processing.
  • the at least one functional component has at least one further recess, e.g. in the radial direction, running from the recess to the outer edge of the functional component, which enables elastic deformation of the functional component in the area of the axle plate and thus the functional component the axle or encloses the shaft in a press fit. This is particularly advantageous if the component is subsequently to be moved again in position.
  • An alternative embodiment provides for the functional component and the axle or shaft to be provided with an additional fixation in the area of the contact surfaces for the assembly group connected by press joining.
  • This can be rivets or an adhesive. This is particularly necessary in the event that particularly high axial extrusion forces are required.
  • the micromechanical assembly is a clockwork assembly with an axis or a shaft and a functional component, wherein the functional component is selected in particular from the group consisting of gear, escapement wheel, anchor, pinion, double roller, safety knife, lever stone, lifting stone, safety roller, journals and combinations thereof.
  • the recess of the functional component is conical and the axis is inserted at the larger opening of the recess. This eases insertion, prevents chip formation in the ductile material, and allows for a larger contact area between the axle and the teeth of the press fit (recess). It is particularly preferred that the larger recess of the functional component has an inscribed circle diameter that is larger than the diameter of the axle in the area of the press fit. It is also necessary for the smaller area of the recess to have a smaller inscribed circle diameter than the diameter of the axle in the area of the press fit.
  • a preferred embodiment provides that the axle or shaft is processed in the later contact area with the functional component using a rolling process. This ensures that the narrow diameter specifications are achieved and the surface of the axle has a sufficiently smooth surface quality. Rough surfaces increase the risk of undesirable chip formation during the pressing process and lead to an increase in the press-in force.
  • a support plate (so-called plateau) is preferably implemented in step a) in order to ensure the correct height level of the functional component on the axis, the support plate preferably having a cavity for receiving any chips that may occur during press joining. To do this, the support plate can be screwed directly onto the axle.
  • the functional component lies flat on the plateau. This also ensures flat running. In this case, the larger the diameter of the support plate, the more precise the flat run. However, in the case of rotating components, the moment of inertia of the axis must be taken into account, which also increases with increasing diameter of the plateau.
  • step d) the non-positive connection is realized by additional rivets or an adhesive
  • shoots can also be produced and pressed onto the axle.
  • the drive/wheel contact can also be made of diamond for the first time in the gear train.
  • these components are then lubrication-free, have a low coefficient of friction, low mass inertia and are low-wear.
  • a lubrication-free operation of the gearing can be achieved because, for example, diamond has a very low coefficient of sliding friction. This is a significant advantage, especially for future applications in the micro-drive area, since high speeds of the drive motor are required here, which are then reduced to the application speed/torque range via multi-stage reductions of a micro-gear.
  • the low moment of inertia, the low coefficient of sliding friction and the wear resistance of the functional components play an important role here.
  • the micromechanical assembly is used as a clockwork assembly, particularly as a gear, escapement wheel, anchor, pinion, double roller of a balance wheel, lever jewel of a double roller, lever jewel, bearing journal, and combinations thereof.
  • 1 1 shows a functional component 2 in the form of an escapement wheel with a recess 4.
  • the recess 4 has a plurality of tooth-shaped structures 5, 5′, which implements a press fit of the axle inserted into the recess 4 (not shown here).
  • figure 1 also shows a sectional representation of the partial section AA, which represents the interface between the escapement wheel 2 and the recess 4.
  • the detail view of the partial section AA shows that the inscribed circle diameter d i of the surface side O of the functional component 2 is smaller than the inscribed circle diameter d a on the underside U of the functional component 2 .
  • the axis or shaft 3 (not shown here) is inserted from the underside U into the recess 4 of the functional component 2 .
  • the functional component 2 thus has an inscribed circle diameter that increases over the thickness t, which leads to a conicity (characterized by the flank angle ⁇ ) of the functional component 2 at the interface to the recess 4 .
  • the 2 shows a functional component 2 and here in particular the area of the axle plate 12, which has a recess 4 in the form of an axle hole.
  • the axle plate 12 has an outside diameter d AP and in the center of the axle plate 12 there is the recess 4 with the inscribed circle diameter d i .
  • the detailed view shows that several tooth-shaped structures 5, 5', 5", 5′′′ are arranged on the recess 4, with the inscribed circle diameter d i being defined by the tips of these tooth-shaped structures.
  • the tooth-shaped structures 5, 5', 5 ", 5′′′ have a rounding radius r Z at the tip, which is usually in the range of 5 to 10 ⁇ m. In the case of a diamond-coated functional component, this rounding radius rz usually corresponds to the layer thickness applied.
  • Each tooth has an opening angle ⁇ , which is preferably in the range of 45°.
  • the axis 3 shows an axis or shaft 3, which can be pressed into a recess 4 of a functional component 2, in plan view.
  • the structure of the axis 3 is explained in more detail using a sectional view of the partial section AA.
  • the axis 3 has a pin 13 for storage.
  • the cross section shows that this is followed by a tapered area 14 and a press fit area 15 with a radius r p corresponding to a diameter d p .
  • the tapered area 14 makes it possible to prevent chip formation during the pressing process and to avoid scoring in this area that is undesirable for optical reasons.
  • the press-fit area 15 has a diameter d p that is larger than the inscribed circle diameter d i of the functional component 2, as shown in FIG 1 is shown.
  • the press-fit region 15 it is also possible here for the press-fit region 15 to be conically shaped in the axial direction, ie the diameter d p of the axis increases downwards, so it is not constant.
  • the maximum diameter dp in the press-fit area of the axle is dpmax in this case.
  • This results in an overlap of Ü d pmax -d i .
  • the adhesion of the components is largely defined by the overlap Ü in the press fit area. The larger the overlap, the greater the frictional connection, anti-twist security and press-out force.
  • Such a configuration enables in particular the reliable press connection of a non-conical recess 4 of the functional component.
  • a plateau 16 is also shown in partial section A-A, with which the height level of the functional component 2 is defined and, in addition, a sufficiently good axial run-out of the functional component 2 is made possible.
  • the plateau 16 has an undercut 17 adjoining the press-fit region 15, through which a planar support of the functional component 2 on the plateau 16 is made possible and any chips produced by the pressing process can be absorbed.
  • figure 5 shows an axis or shaft 3, which can be pressed in a recess 4 on the functional component 2, in plan view.
  • the axis or shaft 3 shown here can be fixed with an additional rivet connection. This can be of particular advantage when high axial strength, ie high extrusion forces, are required.
  • the rivet lug 19 can be plastically deformed in the later course of the fixation, so that there is an additional rivet connection between the functional component 2 and the axle or shaft 3 .
  • the further details in figure 5 correspond to the variant 4 .
  • an assembly 1 according to the invention which consists of a functional component 2 in the form of an escapement wheel and an axle 3 .
  • the assembly is first shown in the top view and details can be found in the sectional view according to part section AA.
  • section AA in this case, the axis 3 is in direct contact with the functional component 2 , the height level of the functional component 2 being defined by the plateau 16 .
  • the free seat 17 enables the functional component 2 to rest flat on the plateau 16 and can possibly accommodate any chips that may arise during the pressing process.
  • Figure 6c Another variant is shown, which is essentially the structure of Figure 6b is equivalent to.
  • the functional component is made up of a substrate 6 (eg made of silicon) with a coating 7, preferably a hard material coating.
  • a diamond coating is particularly suitable as a hard material coating. Due to its high breaking stress, the diamond coating also enables filigree tooth shapes with a small included angle ⁇ to be pressed without damage.
  • the axle plate is additionally mechanically reinforced by the diamond layer and a failure fracture in the radial direction only occurs at significantly higher press-in forces than with an uncoated axle plate.
  • Figure 7a shows a further variant of an assembly 1 according to the invention in plan view.
  • This consists of the functional component 2 and the axle 3 .
  • a sectional view that clarifies the structure of the functional component 2 results from the partial section AA.
  • This is in particular from the detail view in Figure 7b to be taken, which shows that in contrast to Figure 6b here there is no conicity of the functional component 2 nor of the axis 3. Rather is here provide the functional component with a cylindrical recess which is in planar contact with the axis 3. This achieves a maximum contact length L in the press fit area and thus a maximum frictional connection.
  • chip formation can be avoided in that the functional component 2 has a chamfer 21 at the lower end.
  • FIG. 8 shows a plan view of an assembly 1 according to the invention with a functional component 2 in the form of an anchor wheel, the area of the anchor plate 12 being shown here essentially.
  • a functional component 2 in the form of an anchor wheel, the area of the anchor plate 12 being shown here essentially.
  • the tooth-shaped structures engage in the more ductile material of the axis 3 This is illustrated again in the second detailed view, in which the tooth-shaped structure has dug into the material of the axle as a result of the press-joining process of the tooth structure 5 in the material of the axis 3 allows security against twisting and a non-positive connection, which ensures that the axis 3 is securely fixed in the recess 4 of the functional component 2 .
  • Figure 9a is the top view of a variant of an assembly 1 according to the invention with a functional component 2 in the form of an escapement wheel, in whose central recess an axle 3 is inserted.
  • the arrangement of the axis 3 in the functional component 2 is illustrated using a sectional view according to the partial section AA.
  • the functional component 2 has a conical flank, which enables simple assembly and avoids the formation of chips.
  • the plastically deformable rivet flag 19 (as shown in figure 5 shown) was formed in such a way that it is pressed onto the functional component 2 from the top. It is advantageous here if the functional component has a chamfer 24 on the upper side.
  • FIG. 10 shows a top view of a variant of an assembly 1 according to the invention with a functional component 2 in the form of an armature, the axle plate 12 being shown essentially.
  • the axle plate has a central recess 4 according to the invention with tooth-shaped structures.
  • the anchor plate 12 has a recess 25 running from the recess 4 to the outer edge 26 of the functional component. This enables an elastic deformation of the functional component, as a result of which the functional component 2 can enclose the axle or shaft 3 (not shown here) with a press fit.
  • a similar variant is shown 11 for an escapement wheel, with the axle plate 12 having four recesses 25, 25', 25", 25′′′ running from the recess 4 to the outer edges 26, 26', 26", 26" of the functional component.
  • the recesses are to be made in this way that the effects on the functional zones, ie above all the effect of elastic deformation and the associated change in geometry of the component are minimized.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft mikromechanische Baugruppen, die mindestens ein Funktionsbauteil und mindestens eine Achse und/oder Welle aufweisen, wobei diese mittels Pressfügen kraftschlüssig verbunden sind. Ebenso betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung solcher mikromechanischen Baugruppen und deren Verwendung in Uhrwerken.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft mikromechanische Baugruppen, die mindestens ein Funktionsbauteil und mindestens eine Achse und/oder Welle aufweisen, wobei diese mittels Pressfügen kraftschlüssig verbunden sind. Ebenso betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung solcher mikromechanischen Baugruppen und deren Verwendung in Uhrwerken.
  • Auf dem Gebiet der Uhrwerksbaugruppen sind Mikrogetriebe und Uhrenbauteile aus metallischen Werkstoffen bekannt. Die Grundkomponenten bestehen dabei aus jeweils mindestens 2 Baugruppenkomponenten:
    1. 1. einer Achse mit Lagerstellen (z.B. mit Lagerzapfen und ggf. integriertem Trieb)und
    2. 2. einem Funktionsbauteil (z.B. Zahnrad, Ankerrad oder Anker)
  • Bei der Hemmung einer Uhr handelt es sich hierbei um ein Ankerrad mit Achse und/oder integrierten Trieb (auf der Achse) sowie einem Anker mit Ankerwelle.
  • Es gibt viele weitere Anwendungen innerhalb einer mechanischen Uhr, wie z.B. alle Räder des Räderwerkes, der Unruh mit Doppelrolle oder z.B. alle Räder eines Mikrogetriebes für Elektromotoren bzw. andere Mikroantriebskomponenten.
  • Üblicherweise sind die Bauteile der Baugruppen in konventioneller Bauart aus metallischen Werkstoffen gefertigt. Die Achsen werden typischerweise aus Stahl gedreht und sofern notwendig, gleich eine Verzahnung für den Trieb integriert. Um die Lagerstellen (z.B. als Gleitlager in Uhren ausgeführt) verschleißresistent zu halten, werden die Achsen nach der Bearbeitung gehärtet. Die Zapfendurchmesser werden üblicherweise bei hochwertigen Wellen rouliert, um einerseits einen mikrometergenauen Durchmesser der Zapfen einzustellen und andererseits die Oberfläche der Zapfen zu verdichten und zu härten und die Reibkontaktoberflächen ggf. zusätzlich zu glätten. Um die Reibung weiter zu minimieren, können darüber hinaus zusätzliche Polierschritte erfolgen.
  • Das Ankerrad oder der Anker (im Folgenden: Funktionsbauteil) werden bislang separat gefertigt. Hierzu werden u.a. Stanz-, Fräs-, Dreh-, Verzahn- oder Laserschneidverfahren verwendet. Im Fall von Ankerrädern und Ankern werden ebenfalls metallische Werkstoffe eingesetzt, z.B. Stahl in unterschiedlichen Legierungen wie z.B. 20AP® oder amagnetische metallische Legierungen wie z.B. Phynox® (Kobaltlegierung).
  • Sobald die Achse oder Welle und die Funktionskomponente hergestellt sind, müssen beide montiert werden. Dazu bedient man sich üblicherweise einer Pressverbindung, die zur Sicherheit auch optional noch durch eine Fügeverbindung verstärkt werden kann (z.B. Nieten des Ankerradsitzes). Entsprechend wird auf der Achse bereits eine Nietstruktur (sog. Nietfahne) vorgesehen, die nach dem Aufpressen des Rades plastisch so verformt wird, dass das Rad kraftschlüssig auf der Achse sitzt.
  • Da es sich üblicherweise um rotierende Bauteile handelt, ist bei der Montage sicherzustellen, dass sowohl der Rundlauf (radiale Abweichung zur Bezugsachse innerhalb einer Umdrehung des Funktionsbauteils) als auch der Planlauf (oft auch als Flachlauf bezeichnet, axiale Abweichung zur Bezugsachse innerhalb einer Umdrehung es Funktionsbauteils) der Baugruppe entsprechend den Vorgaben erfüllt werden. Insbesondere bei Uhrenbauteilen sind die Spezifikationen für Flach- und Rundlauf sehr eng toleriert (wenige µm). Gleichzeitig muss sichergestellt sein, dass das Funktionsbauteil bezüglich der Verdrehsicherheit (radiale Festigkeit gegen Verdrehung relativ zur Achse/Welle) als auch Auspresskraft (axiale Festigkeit gegen Verschiebung relativ zur Achsmitte) ausreichend spezifiziert ist. Ein sich lösendes Funktionsbauteil führt meist zum Totalausfall der Uhr, bzw. des Mikrogetriebes.
  • Seit einigen Jahren gibt es eine neue Klasse von Funktionsbauteilen aus neuen Materialien wie z.B. Silizium, Diamant und Kombinationen daraus. Diese Werkstoffe sind sehr leicht und werden mittels mikrotechnischen Fertigungsverfahren (z.B. Plasmaätzen) aus Scheiben, sog. Wafern, hergestellt. Da die Bauteilgeometrie üblicherweise mittels Photolithographie definiert wird, können auch sehr komplexe und präzise Formen ohne Mehraufwand hergestellt werden. Allerdings sind diese Werkstoffe nicht duktil, sondern sprödhart, d.h. bei mechanischer Belastung oberhalb der kritischen mechanischen Spannung werden die Funktionsbauteile ohne vorherige Ankündigung brechen. Da beispielsweise Silizium darüber hinaus eine sehr niedrige und zudem kristallisationsabhängige Bruchspannung aufweist, muss bezüglich der Montage auf die gängigen Verfahren verzichtet werden. Stattdessen werden diese Bauteile meist geklebt. Kleben wiederum ist ein aufwändiges und teures Montageverfahren Montageverfahren und ist aufgrund des notwendigen Klebespaltes hinsichtlich Rund- und Planlauf nicht besonders präzise.
  • Aus der EP 2 637 066 A2 ist ein Verfahren bekannt, bei dem Komponenten aus einem sprödharten Material zusammengesetzt werden, wobei im Anschluss eine Beschichtung mit einem Isoliermaterial sowie eine Metallisierung erfolgt. Auch dieses Verfahren ist aufgrund der Vielzahl der Schritte sehr aufwändig.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen nicht-duktilen Werkstoff auf eine konventionell gefertigte Achse aus einem duktilen Werkstoff kraftschlüssig zu montieren und dabei gleichzeitig auf Klebeprozesse und Zwischenstücke vollständig zu verzichten.
  • Diese Aufgabe wird durch die mikromechanische Baugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das Verfahren zu dessen Herstellung mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Anspruch 15 nennt erfindungsgemäße Verwendungen der mikromechanischen Baugruppe.
  • Erfindungsgemäß wird eine mikromechanische Baugruppe bereitgestellt enthaltend
    • mindestens ein Funktionsbauteil sowie
    • mindestens eine Achse oder Welle.
  • Das mindestens eine Funktionsbauteil weist dabei mindestens eine im Wesentlichen zylindrische Ausnehmung zur Aufnahme der Achse auf.
  • Gemäß der Erfindung ist die Achse oder Welle aus einem duktilen Material gebildet und das mindestens eine Funktionsbauteil weist am inneren Umfang der Ausnehmung mehrere zahnförmige Strukturen bzw. Zähne auf. Dabei sind zumindest die mit der Achse oder Welle in Kontakt tretenden Bereiche der zahnförmigen Strukturen aus einem sprödharten Material gebildet.
  • Unter duktilem Material ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Material zu verstehen, das einen Bereich plastischer Verformung aufweist, dessen Beginn durch die Elastizitätsgrenze Rp0,2 im Spannung Dehnungsdiagramm von 40-1700 MPa liegt. Dabei ist die Elastizitätsgrenze Rp0,2, auch oft als 0,2-%-Dehngrenze bezeichnet, diejenige (einachsige) mechanische Spannung, bei der die auf die Anfangslänge der Probe bezogene bleibende Dehnung (d. h. plastische Dehnung nach Entlastung) 0,2 % beträgt.
  • Unter sprödhartem Material ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Material zu verstehen, das vorteilhafter Weise aus der Werkstoffklasse der Halbleiter (4. Hauptgruppe des Periodensystems (insbesondere Silizium, Germanium, Diamant) oder der Keramiken (insbesondere Silizium-, Aluminium-Zirkon und Yttrium-basierte Keramiken) ausgewählt ist. Es weist keinen Bereich plastischer Verformung und eine Biegebruchspannung von mehr als 1 GPa, vorzugsweise mehr als 2 GPa auf.
  • Erfindungsgemäß sind das mindestens eine Funktionsbauteil und die mindestens eine Achse oder Welle im Bereich der Ausnehmung durch Pressfügen kraftschlüssig verbunden.
  • Die Erfindung beruht darauf, dass die zahnartigen Strukturen zumindest bereichsweise, bevorzugt vollständig aus dem sprödharten Material gebildet sind. Dadurch weisen die zahnartigen Strukturen eine ausreichend hohe mechanische Stabilität auf, wodurch ein Ausbrechen der zahnartigen Strukturen beim Pressfügen verhindert werden kann. Aufgrund der hohen mechanischen Stabilität graben sich die zahnartigen Strukturen beim Pressfügen vielmehr in das duktile Material der Achse bzw. Welle ein und sorgen so für eine besonders stabile Fixierung der Achse oder Welle mit dem Funktionsbauteil.
  • Von Vorteil ist auch, wenn der sprödharte Werkstoff des Funktionsbauteils eine hohe Härte von mehr als 50 GPa, bevorzugt von 60 bis 110 GPa aufweist (die Härte wird gemäß dem Nanoindentionsverfahren HIT bestimmt). Hierdurch wird verhindert, dass während des Einpressvorgangs die Zahnstrukturen, insbesondere die empfindliche Zahnspitze durch Verschleiß Ihre Form ändert.
  • Vorzugsweise weist das mindestens eine Funktionsbauteil von 3 bis 21 zahnartige Strukturen, bevorzugt von 5 bis 19 zahnartige Strukturen und besonders bevorzugt von 7 bis 11 zahnartige Strukturen auf. Dabei ist es vorteilhaft, dass die Anzahl der zahnartigen Strukturen ungerade ist, da dies zu einem kleineren Rundlauffehler führt.
  • Eine Erhöhung der Zahnanzahl führt einerseits zu einer Erhöhung der Einpresskraft als auch zu erhöhter Verdrehsicherheit und Auspresskraft. Insbesondere bei kleinen Ausnehmungen di bzw. kleinen Achsdurchmessern dp, sollte daher die Zahnanzahl erhöht werden, um einen sicheren Sitz der Bauteile zu gewährleisten.
  • Die zahnartigen Strukturen weisen vorzugsweise einen Öffnungswinkel β im Bereich von 10° bis 120°, bevorzugt von 20° bis 60° und besonders bevorzugt von 20° bis 50° und insbesondere von 45° auf. Je größer der Öffnungswinkel β, desto größer die Einpresskraft und damit auch die korrespondierende Belastung auf die Achsplatte. Daher wird das Übermaß Ü zwischen Inkreisdurchmesser di des Funktionsbauteils und des Achsdurchmessers im Presssitzbereich (dp=2rP ) sehr genau (im Bereich von 1 bis 5 µm) eingestellt werden.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die zahnartigen Strukturen zumindest teilweise von der Ober- und/oder Unterseite angliert sind. Besonders bevorzugt sind alle zahnartigen Strukturen von der Ober- und/oder Unterseite angliert. In diesem Fall weisen zumindest die zahnartigen Strukturen Fasen an den Strukturkanten auf.
  • Es ist bevorzugt, dass das duktile Material der mindestens einen Achse oder Welle ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus
    1. a) Eisenhaltigen Materialien, insbesondere Stähle, bevorzugt
      • härtbare Stähle, wie z.B. Automatenstahl 20AP der Firma Sandvik, oder Automatenstähle wie z.B. C100Pb 1.1268
      • niedrig- und hochlegierte Stähle sowie Edelstähle, insbesondere rostfreie Stähle der Werkstoffklassen 1.4XXX, wie z.B. 1.4197 (X20CrNiMoS13),
      • Maragingstähle wie Phynox(Elgiloy), Durnico (Durimphy), Durinox (Ultrafort), insbesondere unmagnetische Varianten dieser Maragingstähle,
    2. b) Eisenfreien metallischen Materialien, bevorzugt Al, Ni, Cr, Co, Cu, Mn, V, Ti, Sc, W, Ta, Mo, Nb, Pt, Au, Rh, und Legierungen hiervon, insbesondere Messing, Bronze, CuBe;
    3. c) metallischen Karbide der refraktären Metalle Ti, Ta, W, Mo, Ni;
    4. d) Hochtemperaturlegierungen mit Refraktärmetallbestandteilen, insbesondere TZM (Molybdän, 0,50 % Titan, 0,08 % Zirconium, 0,01-0,04 % Kohlenstoff); MHC (1,2 % Hafnium, 0,05 % Kohlenstoff); ZHM (1,2 % Hafnium, 0,4 % Zirconium, 0,12 % Kohlenstoff),
    5. e) Verbundwerkstoffen aus keramischen Werkstoffen in einer metallischen Matrix (Cermets), Hartmetallen, gesinterten CarbidHartmetallen, wie z.B. Cobalt oder Nickel-gebundenen Wolframkarbiden oder Titankarbiden;
    6. f) Kombinationen von den Materialien a) bis e).
  • Dabei ist es bevorzugt, dass das duktile Material bevorzugt eine Vickers-Härte von 350 bis 920HV, besonders bevorzugt von 400 bis 800HV, ganz besonders bevorzugt von 550 bis 700HV aufweist.
  • Es ist weiter bevorzugt, dass das sprödharte Material ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einkristallinem Diamant, polykristallinem Diamant, nanokristallinem Diamant, diamantartigem amorphen Kohlenstoff (DLC) und Kombinationen hiervon.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass das mindestens eine Funktionsbauteil aus dem sprödharten Material besteht, d.h. das Funktionsbauteil ist z.B. ein Volldiamant-Bauteil.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass das Funktionsbauteil ein Substrat aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silizium, Hartmetall, Stahl, keramischen Materialien, insbesondere Si3N4 und SiC, , SiO2, SixOy, SiOxNy (mit x,y natürliche Zahlen) sowie Kombinationen hiervon enthält oder daraus besteht und eine zumindest bereichsweise Beschichtung aus dem sprödharten Material aufweist. Diese Beschichtung ist dann insbesondere an den Flächen des Funktionsbauteils aufgetragen, die mit der Achse oder der Welle in Kontakt stehen. Die Beschichtung weist vorzugsweise eine Schichtdicke im Bereich von 1 bis 100 µm, bevorzugt von 2 bis 50 µm und besonders bevorzugt von 4 bis 10 µm auf. Bei der Beschichtung handelt es sich vorzugsweise um eine isotrop, z.B. mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) aufgetragene Beschichtung.
  • Es ist bevorzugt, dass die Beschichtung eine Hartstoffbeschichtung ist und bevorzugt mindestens eine der folgenden Eigenschaften erfüllt:
    • eine Biegebruchspannung σ0 von mindestens 2 GPa, bevorzugt mindestens 5 GPa und besonders bevorzugt mindestens 7 GPa,
    • ein E-Modul von maximal 1000 GPa, bevorzugt maximal 700 GPa und besonders bevorzugt von maximal 450 GPa,
    • eine Oberflächenrauigkeit von 3 bis 100 nm RRMS, bevorzugt von 4 bis 30 nm RRMS,
    • eine Härte von mindestens 30 GPa, insbesondere von 60 bis 110 GPa.
  • Dabei besteht die Hartstoffbeschichtung bevorzugt aus Diamant.
  • Bezüglich der Definition der Biegebruchspannung wird auf die folgenden Literaturstellen verwiesen:
    • R. Morrell et al., Int. Journal of Refractory Metals & Hard Materials, 28 (2010), S. 508-515;
    • R. Danzer et al. in "Technische keramische Werkstoffe", herausgegeben von J. Kriegesmann, HvB Verlag, Ellerau, ISBN 978-3-938595-00-8, Kapitel 6.2.3.1 - Der 4-Kugelversuch zur Ermittlung der biaxialen Biegefestigkeit spröder Werkstoffe".
  • Die Biegebruchspannung wird dabei durch statistische Auswertung von Bruchversuchen z.B. im B3B-Belastungsversuch gemäß den oben stehenden Literaturangaben ermittelt. Sie ist dabei definiert als die Bruchspannung, bei der eine Bruchwahrscheinlichkeit von 63 % vorliegt.
  • Der E-Modul oder Youngsche Modul wird nach dem Verfahren gemäß "Youngs modulus, fracture strength, and Poisson's ratio of nanocrystalline diamond films", J. Appl. Phys. 116, 124308 (2014), insbesondere paragraph III. B. Static measurement of Young's modulus, bestimmt.
  • Die Oberflächenrauheit RRMS wird wie folgt berechnet: R RMS = 1 2 ∬ Z x y 2 dxdy
    Figure imgb0001
    • A = Auswertefläche
    • Z(x,y) = die lokale Rauhigkeitsverteilung
  • Die Oberflächenrauhigkeit RRMS wird nach DIN EN ISO 25178 bestimmt. Die genannte Oberflächenrauheit macht ein zusätzliches mechanisches Polieren des gewachsenen Materials überflüssig.
  • Die Härte wird über das Nanoindentionsverfahren HIT bestimmt.,
  • Eine bevorzugt Ausführungsform sieht vor, dass das mindestens eine Funktionsbauteil Silizium enthält oder hieraus besteht und die Beschichtung aus nanokristallinem Diamant besteht.
  • Vorzugsweise weist das mindestens eine Funktionsbauteil eine Dicke im Bereich von 10 µm bis 2 mm, bevorzugt von 50 µm bis 1 mm und besonders bevorzugt von 100 µm bis 500 µm auf.
  • Vorzugsweise weist die Ausnehmung in dem mindestens einen Funktionsbauteil einen Durchmesser im Bereich von 0,1 bis 1 mm, bevorzugt von 0,2 bis 0,5 mm und besonders bevorzugt von 0,3 bis 0,4 mm auf.
  • Dabei ist es bevorzugt, dass die Ausnehmung und/oder die Achse oder Welle eine Konizität von -1° bis 3°, besonders bevorzugt von 0° bis 2,5° und ganz besonders bevorzugt von 0,5° bis 2° aufweist. Durch diese Konizität wird die Einführung der Achse oder Welle in die Ausnehmung des Funktionsbauteils erleichtert. Gleichzeitig wird die Spanbildung beim Einpressen auf das duktile Material der Achse bzw. Welle verhindert.
  • Eine erfindungsgemäße Variante sieht vor, dass der Presssitzbereich in Achsrichtung konisch geformt ist, d.h. der Durchmesser dp der Achse nimmt nach unten hin zu, ist also nicht konstant. Der maximale Durchmesser dp im Presssitzbereich der Achse sei für diesen Fall dpmax. Dadurch ergibt sich ein Überlapp von Ü=dpmax-di. Der Kraftschluss der Bauteile wird maßgeblich durch den Überlapp Ü im Presssitzbereich definiert. Je größer der Überlapp, desto höher der Kraftschluss, die Verdrehsicherheit und Auspresskraft.
  • Grundsätzlich kann die Konizität auch durch eine konische Ausführung des Presssitzbereiches im duktilen Material der Welle/Achse erreicht werden. Dazu wird der Presssitzbereich konisch, d.h. mit einem zunehmenden Durchmesser in Richtung der Pressrichtung des Funktionsbauteils ausgeführt. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn eine entsprechende konische Ausführung der Ausnehmung im Funktionsbauteil durch die mikrotechnische Bearbeitung nicht möglich ist.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass das mindestens eine Funktionsbauteil mindestens eine von der Ausnehmung zum äußeren Rand des Funktionsbauteils verlaufende weitere Ausnehmung, z.B. in radialer Richtung, aufweist, die eine elastische Verformung des Funktionsbauteils im Bereich der Achsplatte ermöglicht und damit das Funktionsbauteil die Achse oder Welle im Klemmsitz umschließt. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Bauteil nachträglich nochmals in der Position verschoben werden soll.
  • Eine alternative Ausführungsform sieht vor, dass für die durch Pressfügen verbundene Baugruppe das Funktionsbauteil und die Achse bzw. Welle im Bereich der Kontaktflächen mit einer zusätzlichen Fixierung versehen wird. Hierbei kann es sich um Nieten oder um einen Klebstoff handeln. Dies ist insbesondere für den Fall notwendig, dass besonders hohe axiale Auspresskräfte benötigt werden.
  • Es ist bevorzugt, dass die mikromechanische Baugruppe ein Uhrwerksbaugruppe mit einer Achse oder einer Welle sowie einem Funktionsbauteil ist, wobei das Funktionsbauteil insbesondere ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Zahnrad, Ankerrad, Anker, Trieb, Doppelrolle, Sicherheitsmesser, Hebelstein, Hebestein, Sicherheitsrolle, Lagerzapfen und Kombinationen hiervon.
  • Erfindungsgemäß wird ebenso ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Baugruppe, wie sie zuvor beschrieben wurde, bereitgestellt, bei dem:
    1. a) mindestens eine durch Drehen hergestellte Achse oder Welle bereitgestellt wird,
    2. b) mindestens ein Funktionsbauteil in Wafer-Technologie mittels Plasmaätzen hergestellt wird, wobei in dem mindestens einen Funktionsbauteil mindestens eine Ausnehmung zur Aufnahme der Achse oder Welle erzeugt wird,
    3. c) die mindestens eine Achse oder Welle in die mindestens eine Ausnehmung des Funktionsbauteils eingeführt wird und
    4. d) die Achse oder Welle und das Funktionsbauteil mittels Pressfügen kraftschlüssig verbunden werden.
  • Es ist bevorzugt, dass die Ausnehmung des Funktionsbauteils konisch ist und die Achse an der größeren Öffnung der Ausnehmung eingeführt wird. Dies erleichtert das Einführen, verhindert die Spanbildung im duktilen Material und ermöglicht eine größere Kontaktzone zwischen der Achse und den Zähnen des Presssitzes (der Ausnehmung). Besonders bevorzugt ist, dass die größere Ausnehmung des Funktionsbauteils einen Inkreisdurchmesser aufweist der größer ist als der Durchmesser der Achse im Bereich des Presssitzes. Ferner ist notwendig, dass der kleinere Bereich der Ausnehmung einen kleineren Inkreisdurchmesser aufweist als der der Durchmesser der Achse im Bereich des Presssitzes.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Achse oder Welle in dem späteren Kontaktbereich mit dem Funktionsbauteil mit einem Roulierverfahren bearbeitet wird.. Hierdurch wird sichergestellt, dass die engen durchmesservorgaben erreicht und die Oberfläche der Achse eine ausreichend glatte Oberflächenqualität aufweist. Raue Oberflächen erhöhen das Risiko einer unerwünschten Spanbildung bei Pressvorgang und führen zu einer Erhöhung der Einpresskraft.
  • Vorzugsweise wird in Schritt a) eine Auflageplatte (sog. Plateau) ausgeführt, um das richtige Höhenniveau des Funktionsbauteils auf der Achse zu gewährleisten, wobei die Auflageplatte bevorzugt einen Hohlraum zur Aufnahme eines gegebenenfalls beim Pressfügen entstehenden Spans aufweist. Hierzu kann die Auflageplatte auf der Achse direkt angedreht werden. Das Funktionsbauteil liegt auf dem Plateau flächig auf. Damit ist auch der Flachlauf sichergestellt. Hierbei gilt, dass je größer der Durchmesser der Auflageplatte ist, umso präziser der Flachlauf ist. Allerdings muss bei rotierenden Komponenten das Trägheitsmoment der Achse beachtet werden, das mit zunehmendem Durchmesser des Plateaus ebenfalls zunimmt.
  • Es ist bevorzugt, dass in Schritt d) die kraftschlüssige Verbindung durch zusätzliche Nieten oder einen Klebstoff realisiert wird
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können auch Triebe hergestellt werden und auf die Achse gepresst werden. Damit kann erstmals auch im Räderwerk der Trieb/Radkontakt aus Diamant hergestellt werden. Dies hat den Vorteil, dass diese Bauteile dann schmierungsfrei sind, einen niedrigen Reibkoeffizient, eine geringe Massenträgheit aufweisen und verschleißarm sind. Ferner kann dadurch ein schmierungsfreier Betrieb der Verzahnung erreicht werden, weil z.B. Diamant einen sehr niedrigen Gleitreibkoeffizient aufweist. Das ist vor allem für zukünftige Anwendungen im Mikroantriebsbereich ein wesentlicher Vorteil, da hier hohe Drehzahlen des Antriebsmotors vorausgesetzt werden, die dann über mehrstufige Untersetzungen eines Mikrogetriebes in den Anwendungsdrehzahl-/Drehmomentbereich untersetzt werden. Hierbei spielen vor allem das niedrige Trägheitsmoment, der geringe Gleitreibkoeffizient und die Verschleißresistenz der Funktionsbauteile eine wichtige Rolle.
  • Die mikromechanische Baugruppe wird als Uhrwerksbaugruppe, insbesondere als Zahnrad, Ankerrad, Anker, Trieb, Doppelrolle einer Unruh, Hebelstein einer Doppelrolle, Hebestein, Lagerzapfen und Kombinationen hiervon, verwendet.
  • Anhand der nachfolgenden Figuren und Beispiele soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten spezifischen Ausführungsformen einzuschränken.
    • Fig. 1
    zeigt eine Variante eines Funktionsbauteils einer erfindungsgemäßen Baugruppe in der Aufsicht und im Querschnitt
    Fig. 2
    zeigt eine Variante einer Ausnehmung eines erfindungsgemäßen Funktionsbauteils in der Aufsicht und im Querschnitt
    Fig. 3
    zeigt verschiedene Varianten einer Ausnehmung eines erfindungsgemäßen Funktionsbauteils in der Aufsicht bezüglich der Anzahl und Öffnungswinkel der zahnförmigen Strukturen
    Fig. 4
    zeigt eine Variante einer erfindungsgemäßen Baugruppe mit Funktionsbauteil und integrierter Achse in der Aufsicht und im Querschnitt
    Fig. 5
    zeigt eine weitere Variante einer erfindungsgemäßen Baugruppe mit Funktionsbauteil und integrierter Achse mit zusätzlicher Nietverbindung in der Aufsicht und im Querschnitt
    Fig. 6a/b/c
    zeigen Varianten einer erfindungsgemäßen Baugruppe mit Funktionsbauteil und integrierter Achse in der Aufsicht und im Querschnitt
    Fig. 7a/b
    zeigen eine Variante einer erfindungsgemäßen Baugruppe mit Funktionsbauteil und integrierter Achse in der Aufsicht und im Querschnitt
    Fig. 8
    zeigt eine Variante einer erfindungsgemäßen Baugruppe mit Funktionsbauteil und integrierter Achse in der Aufsicht
    Fig. 9a/b
    zeigen eine weitere Variante einer erfindungsgemäßen Baugruppe mit Funktionsbauteil und integrierter Achse in der Aufsicht und im Querschnitt
    Fig. 10
    zeigt eine Aufsicht eines erfindungsgemäßen Funktionsbauteils mit zusätzlicher Ausnehmung
    Fig. 11
    zeigt eine Aufsicht eines erfindungsgemäßen Funktionsbauteils mit zusätzlichen Ausnehmungen
  • Fig. 1 zeigt ein Funktionsbauteil 2 in Form eines Ankerrades mit einer Ausnehmung 4. Die Ausnehmung 4 weist mehrere zahnförmige Strukturen 5, 5' auf, die einen Presssitz der in die Ausnehmung 4 eingefügten Achse (hier nicht dargestellt) realisiert.
  • Figur 1 zeigt weiterhin eine Schnittdarstellung des Teilschnitts A-A, der die Grenzfläche zwischen Ankerrad 2 und Ausnehmung 4 darstellt.
  • Aus der Detailaufnahme des Teilschnitts A-A geht hervor, dass der Inkreisdurchmesser di der Oberflächenseite O des Funktionsbauteils 2 kleiner als der Inkreisdurchmesser da auf der Unterseite U des Funktionsbauteils 2 ist. Die Achse oder Welle 3 (hier nicht dargestellt) wird dabei von der Unterseite U in die Ausnehmung 4 des Funktionsbauteils 2 eingeführt. Das Funktionsbauteil 2 weist somit einen über die Stärke t zunehmenden Inkreisdurchmesser auf, der zu einer Konizität (charakterisiert durch den Flankenwinkel α) des Funktionsbauteils 2 an der Grenzfläche zur Ausnehmung 4 führt.
  • Fig. 2 zeigt ein Funktionsbauteil 2 und hier insbesondere den Bereich der Achsplatte 12, die eine Ausnehmung 4 in Form eines Achsloches aufweist. Die Achsplatte 12 hat einen Außendurchmesser dAP und im Zentrum der Achsplatte 12 befindet sich die Ausnehmung 4 mit dem Inkreisdurchmesser di. Aus der Detailansicht geht hervor, dass an der Ausnehmung 4 mehrere zahnförmige Strukturen 5, 5', 5", 5‴ angeordnet sind, wobei der Inkreisdurchmesser di durch die Spitzen dieser zahnförmigen Strukturen definiert wird. Die zahnförmigen Strukturen 5, 5', 5", 5‴ weisen an der Spitze einen Verrundungsradius rZ auf, der in der Regel im Bereich von 5 bis 10 µm liegt. Im Fall eines diamantbeschichteten Funktionsbauteils korrespondiert dieser Verrundungsradius rz meist mit der aufgetragenen Schichtdicke Jeder Zahn weist einen Öffnungswinkel β auf, der vorzugsweise im Bereich von 45° liegt.
  • In Fig. 3 sind verschiedene Varianten des Funktionsbauteils mit Ausnehmung 4 dargestellt, wobei hier zum einen die Anzahl der zahnförmigen Strukturen 5, 5', 5", 5"' und deren Öffnungswinkel variiert wurde. Bei den vertikal angeordneten Varianten weist die oberste Variante 18 Zähne, die mittlere Variante 9 Zähne und die untere Variante 3 Zähne auf. Bei den horizontal angeordneten Varianten weist die linke Variante einen Öffnungswinkel von 120°, die mittlere Variante einen Öffnungswinkel von 60°, und die rechte Variante einen Öffnungswinkel β von 45° auf. Bevorzugt ist hierbei eine Variante mit 9 zahnförmigen Strukturen 5, 5', 5", 5‴ und einem Öffnungswinkel von β = 45°. Je größer der Öffnungswinkel β, desto größer die Einpresskraft und damit auch die korrespondierende Belastung auf die Achsplatte. Daher muss das Übermaß Ü zwischen Inkreisdurchmesser di des Funktionsbauteils und des Achsdurchmessers im Presssitzbereich (dp=2rP ) sehr genau (wenige µm) eingestellt werden. Im oben genannten Fall und bei einer Ausnehmung 4 im Bereich von 0,3 bis 0,4 mm werden für das Übermaß Ü zwischen 2 und 10µm gefordert um eine Verdrehsicherheit von 1mNm und eine Auspresskraft von 1Nm sicher zu erreichen.
  • Eine Erhöhung der Zahnanzahl führt einerseits zu einer Erhöhung der Einpresskraft als auch zu erhöhter Verdrehsicherheit und Auspresskraft. Insbesondere bei kleinen Ausnehmungen di bzw. kleinen Achsdurchmessern dp, sollte daher die Zahnanzahl erhöht werden, um einen Sichern Sitz der Bauteile zu gewährleisten.
  • Fig. 4 zeigt eine Achse bzw. Welle 3, die in eine Ausnehmung 4 eines Funktionsbauteils 2 eingepresst werden kann, in der Aufsicht. Anhand einer Schnittdarstellung des Teilschnittes A-A wird der Aufbau der Achse 3 näher erläutert. Die Achse 3 weist dabei einen Zapfen 13 zur Lagerung auf. Der Querschnitt zeigt, dass sich hieran ein verjüngter Bereich 14 sowie ein Presssitzbereich 15 mit Radius rp korrespondierend Durchmesser dp anschließt. Der verjüngte Bereich 14 ermöglicht es, dass beim Pressvorgang eine Spanbildung verhindert werden kann und aus optischen Gründen unerwünschte Riefen in diesem Bereich vermieden werden. Der Presssitzbereich 15 weist einen Durchmesser dp auf, der größer ist als der Inkreisdurchmesser di des Funktionsbauteils 2, so wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Hierbei ist es alternativ auch möglich, dass der Presssitzbereich 15 in Achsrichtung konisch geformt ist, d.h. der Durchmesser dp der Achse nimmt nach unten hin zu, ist also nicht konstant. Der maximale Durchmesser dp im Presssitzbereich der Achse sei für diesen Fall dpmax. Dadurch ergibt sich ein Überlapp von Ü=dpmax-di. Der Kraftschluss der Bauteile wird maßgeblich durch den Überlapp Ü im Presssitzbereich definiert. Je größer der Überlapp, desto höher der Kraftschluss, die Verdrehsicherheit und Auspresskraft. Eine solche Konfiguration ermöglicht insbesondere die zuverlässige Pressverbindung einer nicht-konischen Ausnehmung 4 des Funktionsbauteils.
  • Im Teilschnitt A-A ist weiterhin ein Plateau 16 dargestellt, mit dem das Höhenniveau des Funktionsbauteils 2 definiert wird und darüber hinaus ein ausreichend guter Planlauf des Funktionsbauteils 2 ermöglicht wird. Das Plateau 16 weist angrenzend an den Presssitzbereich 15 einen Freistich 17 auf, durch den eine flächige Auflage des Funktionsbauteils 2 auf dem Plateau 16 ermöglicht wird und ggf. entstehende Späne durch den Pressvorgang aufgenommen werden können.
  • Figur 5 zeigt eine Achse bzw. Welle 3, die in einer Ausnehmung 4 an das Funktionsbauteil 2 eingepresst werden kann, in der Aufsicht. Im Unterschied zu Fig. 4 kann die hier dargestellte Achse bzw. Welle 3 mit einer zusätzlichen Nietverbindung fixiert werden. Dies kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn eine hohe axiale Festigkeit, also hohe Auspresskräfte gefordert werden.
  • Die Schnittdarstellung des Teilschnittes A-A zeigt, dass die Achse 3 einen Zapfen 13 aufweist. Hieran schließt sich ein verjüngter Bereich 14 sowie ein Presssitzbereich 15 an. Zwischen dem verjüngten Bereich 14 und dem Presssitzbereich 15 mit Presssitzdurchmesser dp=2rp weist die Achse 3 zusätzlich einen Freistich 18 und eine Nietfahne 19 auf. Die Nietfahne 19 kann im späteren Verlauf der Fixierung plastisch verformt werden, so dass eine zusätzliche Nietverbindung zwischen dem Funktionsbauteil 2 und der Achse oder Welle 3 besteht. Die weiteren Details in Fig. 5 entsprechen der Variante nach Fig. 4.
  • In Fig. 6a ist eine erfindungsgemäße Baugruppe 1 dargestellt, die aus einem Funktionsbauteil 2 in Form eines Ankerrades und einer Achse 3 besteht. Die Baugruppe ist zunächst in der Aufsicht dargestellt und Details sind der Schnittdarstellung gemäß Teilschnitt A-A zu entnehmen. Gemäß Teilschnitt A-A steht hierbei die Achse 3 mit dem Funktionsbauteil 2 in unmittelbarem Kontakt, wobei das Höhenniveau des Funktionsbauteils 2 durch das Plateau 16 definiert wird. Der Freisitz 17 ermöglicht die flächige Auflage des Funktionsbauteils 2 auf dem Plateau 16 und kann ggf. entstehende Späne, die beim Pressvorgang entstehen könnten, aufnehmen.
  • In Fig. 6b können in der Detailansicht des Teilschnittes A-A diese Details entnommen werden. Weiter ist aus der Detailansicht in Fig. 6b zu entnehmen, dass durch den Pressvorgang eine Nut 20 in der Achse 3 entstanden ist. Ferner ist zu erkennen, dass das Funktionsbauteil und die Achse über die Länge L im Kraftschluss sind. Je größer die Länge L, desto besser der Kraftschluss und umso höher die Verdrehsicherheit und Auspresskraft. Vorteilhaft ist deshalb, wenn die Kontaktlänge L mindestens 1/3 der Gesamtlänge des Presssitzbereichs, hier korrespondierend zur Stärke t des Funktionsbauteils. Vorteilhafterweise sollte L>0,5t betragen. Den besten Kraftschluss wird erreicht, wenn möglichst die gesamte Stärke des Bauteils in Kontakt mit dem Presssitzbereich der Achse ist L=t.
  • In Fig. 6c ist eine weitere Variante dargestellt, die im Wesentlichem dem Aufbau von Fig. 6b entspricht. Das Funktionsbauteil ist hier aber aus einem Substrat 6 (z.B. aus Silizium) mit einer Beschichtung 7, bevorzugt einer Hartstoffbeschichtung, aufgebaut. Als Hartstoffbeschichtung eignet sich insbesondere eine Diamantbeschichtung.. Aufgrund seiner hohen Bruchspannung ermöglicht die Diamantschicht auch das schadenfreie Pressen von filigranen Zahnformen mit kleinem Öffnungswinkel β. Darüber hinaus wird die Achsplatte durch die Diamantschicht zusätzlich mechanisch verstärkt und ein Versagensbruch in Radialer Richtung tritt erst bei deutlich höheren Einpresskräften auf, als bei einer unbeschichteten Achsplatte.
  • Fig. 7a zeigt eine weitere Variante einer erfindungsgemäßen Baugruppe 1 in der Aufsicht. Diese besteht aus dem Funktionsbauteil 2 und der Achse 3. Aus dem Teilschnitt A-A resultiert eine Schnittdarstellung, die den Aufbau des Funktionsbauteils 2 verdeutlicht. Dies ist insbesondere aus der Detailansicht in Fig. 7b zu entnehmen, die zeigt, dass im Unterschied zu Fig. 6b hier keine Konizität des Funktionsbauteils 2 noch der Achse 3 vorliegt. Vielmehr ist hier das Funktionsbauteil mit einer zylindrischen Ausnehmung versehen, die in planem Kontakt mit der Achse 3 steht. Dadurch wird einen maximale Kontaktlänge L im Presssitzbereich und damit ein maximaler Kraftschluss erreicht. Im vorliegenden Fall kann eine Spanbildung dadurch vermieden werden, dass das Funktionsbauteil 2 am unteren Ende eine Fase 21 aufweist.
  • Fig. 8 zeigt in einer Aufsicht eine erfindungsgemäße Baugruppe 1 mit einem Funktionsbauelement 2 in Form eines Ankerrades, wobei hier im Wesentlichen der Bereich der Ankerplatte 12 dargestellt ist. Im Zentrum der Ankerplatte 12 befindet sich eine Achse 3. Gemäß der ersten Detailansicht wird verdeutlicht, wie die Achse 3 über die zahnförmigen Strukturen 5, 5', 5" in Kontakt steht. Hierbei greifen die zahnförmigen Strukturen in das duktilere Material der Achse 3 ein. Dies wird in der zweiten Detailansicht nochmals verdeutlicht, in der die zahnförmige Struktur durch den Vorgang des Pressfügens in das Material der Achse eingegraben hat. Sofern es hier zu einer Spanbildung kommt, können die Späne in den Hohlraumbereichen 22, 23 gesammelt werden. Das Eingreifen der Zahnstruktur 5 in das Material der Achse 3 erlaubt eine Verdrehsicherheit und einen Kraftschluss, der für eine sichere Fixierung der Achse 3 in der Ausnehmung 4 des Funktionsbauteils 2 sorgt.
  • Fig. 9a ist die Aufsicht einer Variante einer erfindungsgemäßen Baugruppe 1 mit einem Funktionsbauteil 2 in Form eines Ankerrades, in dessen zentraler Ausnehmung eine Achse 3 eingefügt ist. Die Anordnung der Achse 3 im Funktionsbauteil 2 ist anhand einer Schnittdarstellung gemäß dem Teilschnitt A-A verdeutlicht. Das Funktionsbauteil 2 weist hierbei eine konische Flanke auf, die eine einfache Montage ermöglicht und eine Spanbildung vermeidet. Zusätzlich ist aus der Detailansicht in Fig. 9b zu erkennen, dass an der Oberseite die plastisch verformbare Nietfahne 19 (so wie sie in Fig. 5 dargestellt ist) so geformt wurde, dass sie von der Oberseite auf das Funktionsbauteil 2 gepresst ist. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn das Funktionsbauteil an der Oberseite eine Fase 24 aufweist.
  • Fig. 10 zeigt eine Aufsicht einer Variante einer erfindungsgemäßen Baugruppe 1 mit einem Funktionsbauteil 2 in Form eines Ankers, wobei im Wesentlichen die Achsplatte 12 dargestellt ist. Die Achsplatte weist zentrale eine erfindungsgemäße Ausnehmung 4 mit zahnförmigen Strukturen auf. Zusätzlich weist die Ankerplatte 12 eine von der Ausnehmung 4 zum äußeren Rand 26 des Funktionsbauteils verlaufende Ausnehmung 25 auf. Diese ermöglicht eine elastische Verformung des Funktionsbauteils, wodurch das Funktionsbauteil 2 die Achse oder Welle 3 (hier nicht dargestellt) im Klemmsitz umschließen kann.
  • Eine ähnliche Variante zeigt Fig. 11 für ein Ankerrad, wobei hier die Achsplatte 12 vier von der Ausnehmung 4 zu den äußeren Rändern 26, 26', 26", 26" des Funktionsbauteils verlaufende Ausnehmungen 25, 25', 25", 25‴ aufweist.. Die Ausnehmungen sind so einzubringen, dass die Auswirkungen auf die Funktionszonen, d.h. vor allem der Effekt der elastischen Verformung und der damit verbundenen Geometrieänderung des Bauteils minimiert werden.

Claims (15)

  1. Mikromechanische Baugruppe (1) enthaltend
    • mindestens ein Funktionsbauteil (2) sowie
    • mindestens eine Achse oder Welle (3),
    wobei das mindestens eine Funktionsbauteil (2) mindestens eine im Wesentlichen zylindrische Ausnehmung (4) zur Aufnahme der Achse oder Welle (3) aufweist,
    wobei die Achse oder Welle (3) aus einem duktilen Material gebildet ist und das mindestens eine Funktionsbauteil (2) am inneren Umfang der Ausnehmung (4) mehrere zahnförmige Strukturen (5, 5',...) aufweist und zumindest die mit der Achse oder Welle (3) in Kontakt tretenden Bereiche der zahnförmigen Strukturen (5, 5',...) aus einem sprödhartem Material gebildet sind und
    wobei das mindestens eine Funktionsbauteil (2) und die mindestens eine Achse oder Welle (3) im Bereich der Ausnehmung durch Pressfügen kraftschlüssig verbunden sind.
  2. Mikromechanische Baugruppe (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Funktionsbauteil (2) von 3 bis 21 zahnförmige Strukturen (5, 5',...), bevorzugt von 5 bis 19 zahnförmige Strukturen (5, 5',...) und besonders bevorzugt von 7 bis 11 zahnförmige Strukturen (5, 5',...) aufweist, wobei vorzugsweise die zahnförmigen Strukturen (5, 5',...) einen Öffnungswinkel im Bereich von 10° bis 120°, bevorzugt von 20° bis 60° und besonders bevorzugt von 20° bis 50° und insbesondere von 45° aufweisen.
  3. Mikromechanische Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die zahnförmigen Strukturen (5, 5',...) zumindest teilweise, bevorzugt alle zahnförmigen Strukturen (5, 5',...), von der Ober- und/oder Unterseite angliert sind.
  4. Mikromechanische Baugruppe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das duktile Material der mindestens einen Achse oder Welle (3) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus
    a) eisenhaltigen Materialien, insbesondere Stähle, bevorzugt härtbare Stähle, niedrig- und hochlegierte Stähle, Maragingstähle,
    b) eisenfreien metallischen Materialien, bevorzugt Al, Ni, Cr, Co, Cu, Mn, V, Ti, Sc, W, Ta, Mo, Nb, Pt, Au, Rh, und Legierungen hiervon, insbesondere Messing, Bronze, CuBe;
    c) metallischen Karbide der refraktären Metalle Ti, Ta, W, Mo, Ni;
    d) Hochtemperaturlegierungen mit Refraktärmetallbestandteilen, insbesondere TZM,
    e) Verbundwerkstoffen aus keramischen Werkstoffen in einer metallischen Matrix, Hartmetallen, gesinterten Carbidhartmetallen, wie z.B. Cobalt oder Nickel-gebundenen Wolframkarbiden oder Titankarbiden;
    f) Kombinationen von den Materialien a) bis e).
    wobei das duktile Material bevorzugt eine Vickers-Härte von 350 bis 900HV, besonders bevorzugt von 400 bis 800HV, ganz besonders bevorzugt von 550 bis 700HV aufweist.
  5. Mikromechanische Baugruppe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das sprödharte Material ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einkristallinem Diamant, polykristallinem Diamant, nanokristallinem Diamant, diamantartigem amorphen Kohlenstoff (DLC) und Kombinationen hiervon.
  6. Mikromechanische Baugruppe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Funktionsbauteil (2) aus dem sprödharten Material besteht
    oder
    dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Funktionsbauteil (2) ein Substrat (6) aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silizium, Hartmetall, Stahl, keramischen Materialien, insbesondere SiO2, Si3N4 und SiC, sowie Kombinationen hiervon enthält und eine zumindest bereichsweise Beschichtung (7) aus dem sprödharten Material aufweist, wobei die Beschichtung (7) vorzugsweise eine Schichtdicke im Bereich von 1 bis 100 µm, bevorzugt von 2 bis 50 µm und besonders bevorzugt von 4 bis 10 µm aufweist und insbesondere eine isotrop aufgetragene Beschichtung ist.
  7. Mikromechanische Baugruppe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (7) eine Hartstoffbeschichtung ist und bevorzugt mindestens eine der folgenden Eigenschaften erfüllt:
    - eine Biegebruchspannung σ0 von mindestens 2 GPa, bevorzugt mindestens 5 GPa und besonders bevorzugt mindestens 7 GPa,
    - ein E-Modul von maximal 1000 GPa, bevorzugt maximal 700 GPa und besonders bevorzugt von maximal 450 GPa,
    - eine Oberflächenrauigkeit von 3 bis 100 nm RRMS, bevorzugt von 4 bis 30 nm RRMS,
    - eine Härte von mindestens 50 GPa, insbesondere von 60 bis 110 GPa
    wobei die Hartstoffbeschichtung bevorzugt aus Diamant besteht.
  8. Mikromechanische Baugruppe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Funktionsbauteil (2) Silizium enthält und die Beschichtung (7) aus nanokristallinem Diamant besteht.
  9. Mikromechanische Baugruppe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Funktionsbauteil (2) eine Dicke im Bereich von 10 µm bis 2 mm, bevorzugt von 50 µm bis 1 mm und besonders bevorzugt von 100 µm bis 500 µm µm aufweist.
  10. Mikromechanische Baugruppe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (4) und/oder die Achse oder Welle (3) eine Konizität von -1° bis 3°, bevorzugt von 0° bis 2,5° und besonders bevorzugt von 0,5° bis 2° aufweist und/oder die Ausnehmung (4) einen Durchmesser im Bereich von 0,1 bis 1 mm, bevorzugt von 0,2 bis 0,5 mm und besonders bevorzugt von 0,3 bis 0,4 µm aufweist.
  11. Mikromechanische Baugruppe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass, im Querschnitt der Baugruppe betrachtet, das Verhältnis von Kontaktlänge L des Kontakts von Funktionsbauteil (2) zu Achse oder Welle (3) zur gesamten Länge des Presssitzbereichs t gilt: L > 1/3t, bevorzugt L > 1/2t, besonders bevorzugt L > 3/4t und/oder dass der Überlapp Ü=dpmax-di im Bereich von 1 bis 25 µm, bevorzugt 2 bis 15 µm, besonders bevorzugt 3 bis 8 µm beträgt.
  12. Mikromechanische Baugruppe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die mikromechanische Baugruppe (1) eine Uhrwerksbaugruppe mit einer Achse oder einer Welle sowie einem Funktionsbauteil ist, wobei das Funktionsbauteil insbesondere ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Zahnrad, Ankerrad, Anker, Trieb, Doppelrolle, Sicherheitsmesser, Hebelstein, Hebestein, Lagerzapfen, Sicherheitsrolle und Kombinationen hiervon.
  13. Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Baugruppe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem
    a) mindestens eine durch Drehen hergestellt Achse oder Welle (3) bereitgestellt wird,
    b) mindestens ein Funktionsbauteil (2) in Wafer-Technologie mittels Plasmaätzen hergestellt wird, wobei in dem mindestens einen Funktionsbauteil (2) mindestens eine Ausnehmung (4) zur Aufnahme der Achse oder Welle (3) erzeugt wird,
    c) die mindestens eine Achse oder Welle (3) in die mindestens eine Ausnehmung (4) des Funktionsbauteils (2) eingeführt wird und
    d) die Achse oder Welle (3) und das Funktionsbauteil (2) mittels Pressfügen kraftschlüssig verbunden werden.
  14. Verfahren nach Anspruch 13,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (4) des mindestens einen Funktionsbauteils (2) konisch ist und die Achse oder Welle (3) an der größeren Öffnung der Ausnehmung (4) eingeführt wird.
  15. Verwendung der mikromechanischen Baugruppe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 als Uhrwerksbaugruppe, insbesondere als Zahnrad, Ankerrad, Anker, Trieb, Doppelrolle einer Unruh, Hebestein, Hebelstein einer Doppelrolle, Lagerzapfen und Kombinationen hiervon.
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