TWI486729B - 時計的齒輪系統 - Google Patents

Description

時計的齒輪系統

本發明係有關於一種供時計用的複合齒輪系統，例如矽金屬，特別是有關於包含一種能防止剪應力之固定裝置的此種型態的系統。

為防止剪應力，在鐘錶的領域中已知可使用具有多邊形，亦即非圓形的截面的心軸，用以驅動心軸孔形狀吻合於該多邊形截面的零件轉動。但是，此種結構，特別是在齒輪組的情形中，會造成心軸上的不對稱，這對於時計運動的等時性有著不利的影響，且必須要其他固定在同一心軸上的齒輪組採用相同形狀的心軸孔。

再者，在複合的時計構件的情形中，亦即包含二種材料的構件，例如齒狀輪小齒輪型態的齒輪系統，如果該等材料中有一者包含極有限的塑性範圍區域的話，例如結晶矽、結晶礬土、以及晶矽石，其將不易於將該構件結合至多邊形心軸而不損傷之。

本發明的目的在於提出一種齒輪系統，其包含一可防止剪應力並且適用於具有圓形截面之圓柱狀心軸的固定裝置，以供克服前述缺點的全部或一部分。

因此，本發明係有關於一種齒輪系統，包含一小齒輪 及一齒狀輪，係相對於一轉動心軸做同軸裝設，其特徵在於包含一固定裝置，設置於該小齒輪與該齒狀輪之間，以防止其中之一者相對於另一者的任何相對運動。

根據本發明的其他有利特點：

- 該固定裝置包含一形狀係至少部分地吻合於該小齒輪之截面的凹部或型樣腔穴，其係形成於該齒狀輪的轂部，以供在轉動中將該小齒輪及該齒狀輪固定在一起。

- 該凹部係形成於該轂部厚度的一部分內，以供部分地包覆該小齒輪而防止任何的相對運動。

- 該心軸約略呈具有圓形截面的圓柱狀。

- 該心軸及該小齒輪係由金屬材料製成。

- 該小齒輪係與該心軸成為一體。

- 該齒狀輪係由一可微加工的材料製成。

- 該可微加工材料是選自包含結晶矽、結晶礬土、以及晶矽石的族群。

- 該固定裝置進一步包含一黏附或黏著劑材料，設置於該齒狀輪與該小齒輪之間，以增進該裝置的固著力量。

本發明亦係有關於一種時計，其特徵在於包含根據前述各種變化的齒輪系統。

本發明最後係有關於一種以具有數個階層的可微加工材料製作一時計構件的方法，包含下列步驟：a)提供由可微加工材料製成的一基材； b)在該基材的表面上構築出具有一第一型樣的一遮罩；其特徵在於包含下列的步驟：c)在該基材的表面及該第一遮罩上構築出一第二遮罩，該第二遮罩包含一第二型樣，其係小於該第一遮罩的該第一型樣；d)進行異向性蝕刻，以將該第二型樣蝕刻至超過該基材的一第一厚度；e)移除該第二遮罩；f)進行第二異向性蝕刻，以繼續進行沿著該第二型樣的蝕刻，並開始進行沿著該第一型樣的蝕刻至超過該基材的一第二厚度；g)移除該第一遮罩；h)自該基材上釋放開該時計。

根據本發明的其他有利特點：

- 該第二型樣係蝕刻貫穿該基材的整個厚度。

- 該第二型樣具有一齒狀輪的形狀，其轂部包含一心軸孔。

- 該第一型樣具有一齒狀環的形狀，並係部分地蝕刻於該基材的厚度內。

- 該第一遮罩是由氧化矽製作的，而該第二遮罩則是由一感光樹脂製作的。

- 在該同一基材上製作出數個構件。

自下面以非限制性方式示範的說明，並參照所附圖 式，可以清楚得知其他的特點及優點。

如第7圖至第9圖所示，本發明係有關於一種齒輪系統，係以參考編號1加以標示。其包含一心軸3、一小齒輪5、以及一齒狀輪7。在第7圖至第9圖所示的範例中，小齒輪5及輪7是供以同軸方式裝設於同一心軸3上。此種型態的齒輪系統1可以例如應用於擒縱輪或傳動輪組上。當然，本發明亦可應用於其他的時計構件或非鐘錶的構件上。

如第7圖至第9圖所示，心軸3是約略呈具有圓形截面的圓柱形狀，亦即完美地對稱，可由習用的方式裝設於二軸承(未顯示)之間，如前面所說明的。

小齒輪5具有一圓柱形狀的本體，其內徑截面約略吻合於心軸3的外徑。小齒輪5包含翼部9，係自該本體徑向突出，以供配合於另一齒狀構件(未顯示)。在第7圖至第9圖所示的範例中，小齒輪5具有大約二十個翼部9，但是此數量可依齒輪系統1的應用情形而加大或減小。

輪7包含一輞部11、一穿設有多邊形或圓柱狀心軸孔15的轂部13、以及連接該轂部及該輞部的四臂部17。如第7圖至第9圖所示，輞部11具有周邊齒狀物19，其係沿著徑向自該輞部上突伸出，以供配合於另一齒狀構件(未顯示)。當然，連接輞部11及轂部13的臂部17的 數量可依應用的情形而減小或加大。

根據本發明，轂部13最好包含一固定裝置21，用以防止齒狀輪7相對於小齒輪5的任何相對運動，以減少剪應力。根據本發明，固定裝置21主要包含一型樣腔穴23，形成於轂部13上，以供部分地覆蓋住小齒輪5的下半部而能配合之。

最好，如第7圖至第9圖中所示，型樣腔穴23是挖空於轂部13內。再者，型樣腔穴23具有至少能部分地吻合於小齒輪5下半部之截面的形狀，亦即一環狀而具有可供至少一部分的翼部9及小齒輪5本體能在該小齒輪之至少部分高度內套置於其內的齒狀物。很明顯的，當小齒輪5的下半部滑入至型樣腔穴23內時，其組合體可限制小齒輪5與齒狀輪7間的任何角位移，因此可防止任何的剪應力。

在第7圖至第9圖所示的範例中，型樣腔穴23具有能完全吻合於小齒輪5之截面的形狀。但是，很明顯的，型樣腔穴23可以具有比小齒輪5之翼部9少的齒狀物而仍能防止任何的剪應力。此型樣腔穴可以包含例如比小齒輪5所具有之翼部9少二倍的齒狀物。

最好，齒輪系統1是複合的型態，亦即其係由至少二種材料製成的。因此，該等構件之一者最好是由一可微加工的材料製成，而其他則是由金屬材料製成。根據本發明，一可微加工材料是用來獲取製造精度小於一微米的好處。此材料可包括結晶矽、結晶礬土、或晶矽石。在其他 的構件不需要具有較金屬材料所能得到的更精密的尺寸時，他們最好是由金屬材料製成。

根據本發明，齒狀輪7最好是由可微加工材料製成，而心軸3及小齒輪5則由金屬材料製成，例如鋼或黃銅。此種結構特別可應用在擒縱輪型態的應用中，以製得非常精密的脈衝齒狀物19及型樣腔穴23。事實上，如第7圖中所可看到的，齒狀輪7具有做為型樣腔穴23的中間蝕刻深度，以及該構件其餘部位的全蝕刻。

根據本發明之一變化，固定裝置21可進一步包含一黏著劑材料，設置於凹部23與小齒輪5之間，以增進該裝置的固著力量。此材料可以是例如焊料或黏著劑。事實上，使用黏著劑材料所形成的連接情形在牽引力上通常可以相當的好，但是在剪力上則較差。因此，很明顯的，由於固定裝置21的結構之故，該固著力量可以獲得該黏著劑材料的牽引力上的好處，及該型樣腔穴23之部分遮蓋的剪力上的好處。

此黏著劑材料可以例如設置於型樣腔穴23的底部及小齒輪5的底部之間。此黏著劑材料同樣可設置於翼部9之周邊與型樣腔穴23的齒狀物之間。後一結構在型樣腔穴23的形狀並非如前面所說地完全吻合於小齒輪5之截面時，特別地有用。

現在將配合第1圖至第6圖來說明以可微加工材料製作具有數個階層的構件的方法。如先前說明的，由可微加工材料製成的構件最好是一齒狀輪7。為簡化圖式並集中 於解說數個階層上的蝕刻，圖中僅將轂部13的一部分以剖面形式顯示出來。當然除了完全蝕穿的心軸孔15以外，其他的孔穴亦可完全貫穿，以界定出轂部13、臂部17、輞部11、以及齒狀物19。

在第一步驟中，如第1圖中所示，其提供一可微加工材料的基材31，例如最好是結晶矽、結晶礬土、或晶矽石。此步驟可包含基材31的機械方式及/或化學方式的背研光(Backlapping)階段，以使基材31的厚度e_T 能配合於最終構件，亦即齒狀輪7，的厚度。

在第二步驟中，一第一保護遮罩33構築於基材31的頂面上。此步驟可藉由例如在基材31的頂面進行選擇性氧化，以長出氧化矽來形成該遮罩至預定高度而達成之。如第2圖中可看到的，遮罩33顯示出型樣腔穴23要蝕刻於基材31之厚度的一部分e₂ 內的型樣32。

在第三步驟中，一第二保護遮罩35構築成疊覆於第二步驟中所形成的遮罩33上。此步驟可藉由對一感光樹脂進行光微影術而實施之。接著，在一第一階段中，將感光樹脂沉積於基材31及保護遮罩33上。接著，在一第二階段中，利用輻射穿透一部分不透明遮罩來將該樹脂加以選擇性曝光。最後，將選擇性照射過的感光樹脂加以顯像而僅留下保護遮罩35，如第3圖中所示，其顯示出齒狀輪7要蝕刻在基材31厚度內的心軸孔15及其他貫穿孔穴的型樣34。

根據一變化，第二遮罩35亦可藉由在基材31之表面 進行選擇性氧化，以長出氧化矽來形成該遮罩至預定高度，而加以製作之。

在第四步驟中，如第4圖中所示，在基材31上沿著第二保護遮罩35的型樣34進行異向性遮罩。此遮罩可以是乾式或濕式。最好是使用深式反應離子蝕刻(DRIE)。如前面說明的，此蝕刻代表齒狀輪7中的心軸孔15及其他貫穿孔穴均可開始進行蝕刻。如第4圖中所示，在此蝕刻結束時，基材31是沿著型樣34蝕刻至超過其厚度e_T 的一部分e₁ 。

在第五步驟中，將該第二遮罩35加以移除。依第二遮罩35的本質而定，此步驟可包含將構築出的樹脂加以移除，或是將氧化矽層加以蝕刻至曝露出型樣32。

在第六步驟中，在基材31上沿著第一保護遮罩33的型樣32進行第二異向性蝕刻。此蝕刻也可以是輸式或濕式。以類似於第四步驟的方法，該第二蝕刻可繼續進行心軸孔15的蝕刻，以及齒狀輪7之其他貫穿孔洞的蝕刻，並開始進行型樣腔穴23的蝕刻。如第5圖中所示，在第二蝕刻結束時，基材31會沿型樣34而蝕刻超過其整個厚度e_T ，並沿型樣32蝕刻超過其厚度之一部分e₂ 。

根據本發明，最好第二遮罩35的型樣34在轂部13上的截面，如第3圖或第4圖所示，是小於第一遮罩33的型樣32的截面。此表示說，型樣34可以單獨地蝕刻，而後再將型樣34及32一起蝕刻。在第七暨最終步驟中，完成的齒狀輪7會自基材31上釋放開。

閱讀時計構件7之製造方法中可以清楚得知，依基材31之總厚度e_T 及型樣腔穴23之厚度e₂ 而定，可以推論出在第四步驟必須要進行的最小蝕刻深度e₁ ，以便能讓界定出轂部13、臂部17、輞部11、以及齒狀物19的心軸孔15及其他孔穴能蝕刻於基材31的整個厚度內。也很清楚的，有利的是，此製造方法可以讓數個構件7製造於同一基材31上。

現在將配合第7圖至第9圖來說明最終的組裝方法。首先，小齒輪5心須要牢固地裝設在心軸3上。最好，根據本發明，為簡化該組裝方法，並限制小齒輪5及心軸3間的任何滑動，該第一者係與該第二者形成為一體，以構成一單一部件。當然，其他形式的組裝也是可行的，如同例如驅入(Driving In)、黏結或焊接。

在第二步驟中，小齒輪5心軸3組合體裝設至根據前面說明之製造方法製作的時計構件7上，其在此範例中是一齒狀輪，以便組成複合齒輪系統1。在第一階段中，小齒輪5心軸3組合體朝向構件7移動，以使心軸3的下方末端面對於齒狀輪7的心軸孔15，如第7圖中所示。在第二階段中，繼續朝向構件7移動，使心軸3以壓配(Push Fit)的方式滑動通過心軸孔15，如第8圖所示，直到第三階段中小齒輪5的底部套入至挖空於齒狀輪7之轂部13內的凹部23內。

如前面說明的，根據本發明的一變化，一黏著劑材料可用來增進固定小齒輪5及齒狀輪7的力量。在此變化 中，要加入二個額外的階段。一位於最終組裝方法之第二及第三階段之間的中間階段，包括將該材料沉積於型樣腔穴23的底部上。此材料可以是焊料及/或諸如聚合物黏著劑之類的黏著劑。一最終階段可在第三階段後進行，用以活化該黏著劑材料，例如藉由熔化該焊料及/或聚合該黏著劑。

可以想像得出二個最終階段。第一者可包括將該材料沉積於型樣腔穴23的齒狀物與小齒輪5的翼部9之間。此材料也可以是焊料及/或諸如聚合物黏著劑之類的黏著劑。第二最終階段即可接著活化該黏著劑材料，例如藉由熔化該焊料及/或聚合該黏著劑。此實施例在型樣腔穴23的形狀並非如前面所說地完全吻合於小齒輪5的截面時，是特別地有用。

如第9圖所示，如此可以得到該齒狀輪及小齒輪型態的複合齒輪系統1，其可整合於一時計內，且其可包含由可微加工材料製成的齒狀輪7，其輞部11設有齒狀物19，且其轂部13可有利地透過固定裝置21而連接至心軸3小齒輪5組合體上。

當然，本發明並不僅限於所示的範例，亦可實施多種熟知此技藝之人士可以理解的變化及替換。詳細地說，型樣腔穴23可以是至少部分地自轂部13突出。事實上，這可增加心軸3及轂部13間的接觸區域，可改善齒狀輪7相對於心軸3的導引。該接觸區域甚至可以配合於齒狀輪7的總高度，而型樣腔穴23即可完全地自齒狀輪7的轂 部13上突出，而不是至少部分地凹入。

1‧‧‧齒輪系統

3‧‧‧心軸

5‧‧‧小齒輪

7‧‧‧齒狀輪

9‧‧‧翼部

11‧‧‧輞部

13‧‧‧轂部

15‧‧‧心軸孔

17‧‧‧臂部

19‧‧‧齒狀物

21‧‧‧固定裝置

23‧‧‧型樣腔穴

31‧‧‧基材

32‧‧‧型樣

33‧‧‧第一保護遮罩

34‧‧‧型樣

35‧‧‧第二保護遮罩

第1圖至第6圖是根據本發明的時計構件製造方法的連續步驟的圖式。

第7圖至第9圖是根據本發明的齒輪系統的最終組裝的連續步驟的圖式。

1‧‧‧齒輪系統

3‧‧‧心軸

5‧‧‧小齒輪

7‧‧‧齒狀輪

9‧‧‧翼部

11‧‧‧輞部

13‧‧‧轂部

15‧‧‧心軸孔

17‧‧‧臂部

19‧‧‧齒狀物

21‧‧‧固定裝置

23‧‧‧型樣腔穴

Claims (16)

1. 一種齒輪系統，包含相對於一轉動心軸做同軸裝設的一小齒輪及一齒狀輪，以及一固定裝置，設置於該小齒輪與該齒狀輪之間，以防止其中之一者相對於另一者的任何相對運動，其中該固定裝置包含一形狀係至少部分地吻合於該小齒輪之截面的型樣腔穴，其係形成於該齒狀輪的轂部，以供在轉動中將該小齒輪及該齒狀輪固定在一起。
2. 如申請專利範圍第1項所述之齒輪系統，其中該型樣腔穴是形成於該轂部厚度的一部分內，以藉部分地包覆該小齒輪而防止任何的相對運動。
3. 如申請專利範圍第1項所述之齒輪系統，其中該心軸約略呈具有圓形截面的圓柱狀。
4. 如申請專利範圍第1項所述之齒輪系統，其中該心軸及該小齒輪係由金屬材料製成。
5. 如申請專利範圍第1項所述之齒輪系統，其中該小齒輪係與該心軸成為一體。
6. 如申請專利範圍第1項所述之齒輪系統，其中該齒狀輪係由一可微加工材料製成。
7. 如申請專利範圍第6項所述之齒輪系統，其中該可微加工材料是選自包含結晶矽、結晶礬土、以及晶矽石的族群。
8. 如申請專利範圍第1項所述之齒輪系統，其中該固定裝置進一步包含一黏著劑材料，設置於該齒狀輪與該 小齒輪之間，以增進該裝置的固著力量。
9. 一種時計，其包含根據申請專利範圍第1項的齒輪系統。
10. 一種以可微加工材料在數個階層上製作一齒輪系統之一構件的方法，包含下列步驟：a)提供由可微加工材料製成的一基材；b)在該基材的表面上構築出具有一第一型樣的一遮罩該方法之特徵在於其包含下列的步驟：c)在該基材的表面及該第一遮罩上構築出一第二遮罩，該第二遮罩包含一第二型樣，其係小於該第一遮罩的該第一型樣；d)進行異向性蝕刻，以將該第二型樣蝕刻至超過該基材的一第一厚度；e)移除該第二遮罩；f)進行第二異向性蝕刻，以繼續進行沿著該第二型樣的蝕刻，並開始進行沿著該第一型樣的蝕刻至超過該基材的一第二厚度；g)移除該第一遮罩；h)自該基材上釋放開該時計。
11. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該第二型樣係蝕刻至該基材的整個厚度。
12. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中該第二型樣具有一齒狀輪的形狀，其轂部包含一心軸孔。
13. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該第一型樣具有一齒狀環的形狀，其係部分地蝕刻於該基材的厚度內。
14. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該第一遮罩是由氧化矽製作的，而該第二遮罩則是由一感光樹脂製作的。
15. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該等第一及第二型遮罩是由氧化矽製作的。
16. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中在同一基材上製作出數個構件。