TWI538765B - 將由第一材料所製成之構件組裝在由不具塑性域的第二材料所製成之部件中以形成總成的方法 - Google Patents

Description

將由第一材料所製成之構件組裝在由不具塑性域的第二材料所製成之部件中以形成總成的方法

本發明有關由不具塑性域的材料所製成之部件的總成，有關包括不同型態之材料的構件。

目前包含矽基部件的總成大致上係藉由焊接來鎖固。此型式之操作需要非常細緻之運用，使得其變昂貴。

EP 2 107 433號揭示第一、矽基部件，其被組裝在中介金屬部件上，且該整個總成接著被安裝在金屬軸柱上。然而，在此文件中所提出之實施例係無法令人滿意，且任一實施例於組裝期間造成該矽基部件破裂，或未充分地使該等部件彼此結合。

當然，於此文件中，該中介部件的一端部被折疊在該矽部件之上，而產生純粹軸向之應力，該應力導致該矽部件之破裂。再者，該文件提出琢面(faceting)之使用，其導致在該矽上之應力的非均勻分佈，且亦造成該矽部件破裂。

本發明之一目的係藉由提供無黏著劑之總成來克服所有或部分該等上述缺點，該總成可將由不具塑性域的材料所製成之部件譬如鎖固至包括諸如金屬或金屬合金的構件。

如此，本發明有關將由第一材料所製成之構件組裝在由不具塑性域的第二材料所製成之部件中的方法。該方法包含以下步驟：a)形成具有一孔之部件；b)將由第三材料所製成且包含一洞的中介部件***該孔，而沒有任何應力；c)將該構件引導進入該洞；d)為了以不破壞該部件之方式鎖固該總成，藉由使分別位在該中介部件之頂部及底部部份上的二工具在軸向上朝彼此移動，以使該中介部件彈性地及塑性地變形，如此藉由造成該部件之彈性變形，對該構件和對環繞該孔之該部件的壁施加徑向應力。

此方法有利地允許該構件被徑向地鎖固，而沒有任何軸向應力被施加至該部件。當然，有利地根據本發明，僅只徑向、彈性變形被施加至該部件。

再者，此組構有利地使該總成包括待鎖固之部件-中介部件-構件，而不會接合至普通、精確控制下之構件，同時確保該部件未遭受破壞性應力，縱使譬如係由單晶矽所形成。

最後，藉由適應各種零組件的製造中之分散性，此方法結合包括該部件-中介部件-構件之總成。

按照本發明之其他有利的特徵：-該中介部件的外部壁之形狀大致上匹配該部件之孔，以在環繞該孔之該部件的壁上施加大致上均勻之徑向應 力；-該部件中之孔為圓形的；-該部件環繞該孔的壁包含開槽，於步驟d)期間，該等開槽將在該中介部件的外表面上形成微溝槽，以防止該總成的元件間之任何相對移動；-該構件的外表面包含開槽，於步驟d)期間，該等開槽將在該中介部件的內表面上形成微溝槽，以防止該總成的元件間之任何相對移動；-該部件中之孔為不對稱的，以防止該總成的元件間之任何相對移動；-於步驟b)中，該孔的區段及該中介部件的外部區段間之差值係大約10微米；-於步驟c)中，該構件的區段及該中介部件的內部區段間之差值係大約10微米；-於步驟d)中，該變形施加夾緊力，其產生介於16至40微米之間的位移；-於步驟b)中，該中介部件包含與該洞同軸向之錐形凹陷，以於步驟d)中有利於藉由該中介部件的變形所造成之應力的定向；-該第二材料係由單晶矽之基底所形成；-該第三材料係由金屬或合金基底所形成；-該部件可為例如時計輪組、時計掣子、時計擺輪游絲、諧振器、或甚至微機電系統(MEMS)。

如上面所說明，本發明有關一總成及組裝該總成之方法，用於將易碎材料、亦即不具塑性域、諸如單晶矽基材料與諸如金屬或金屬合金的延展性材料結合。

此總成被設計用於時計學之領域內的應用。然而，其他領域可很滿意地設想，諸如尤其航空學、珠寶、汽車工業、或餐具。

於時計學之領域中，由於脆性材料之增加的重要性，此總成被需要，諸如那些基於矽、石英、剛玉、或更普通的陶瓷。藉由範例，其係可能設想完全或局部地來自易碎材料之基底形成該擺輪游絲、擺輪、掣子、橋接件、或甚至諸如該擒縱輪之輪組。

然而，總是能夠使用其製造已被掌握的普通鋼軸柱為一項限制，其難以使用不具塑性域之部件來調解。當然，當測試被進行時，其係不可能於鋼軸柱中驅動，且這系統地破壞易碎部份、亦即那些不具塑性域者。譬如，其變得清楚的是藉由該金屬軸柱之進入矽部件中的孔所產生之剪裂作用系統地破壞該部件。

在時計學之領域內，有一技術性偏見，其因此傾向於考慮矽部件未能耐受住比介於300及450MPa之間更多的應力而不會破裂。此值之大小在理論上係由該楊氏模數所估計，該楊氏模數以矽之彈性域為其特徵。

因此，用於在所估計之應力超過300及450MPa間之範圍的案例，藉由該矽中之刺穿洞所形成之彈性變形機制 如此被開發，如EP 1 445 670及WO 2006/122873及2007/099068所揭示者。

當額外之測試被進行時，藉由使中介部件變形及逐漸地增加被施加至該矽部件的應力，在任何起初的裂痕被偵測之前，其令人驚訝地變得清楚的是該矽部件能耐受住實際上遠較高的應力。如此，意外地，該等測試被延伸至介於1.5及2GPa之間的應力範圍，而不會破裂，亦即完全地超出分佈於300及450MPa間之技術性偏見。因此，廣泛地說，諸如矽、石英、剛玉或更普通的陶瓷之易碎材料不須遵循通常被使用於易碎部份之統計模型。

這是為什麼本發明有關將由譬如易延展材料、諸如鋼鐵之第一材料所製成的構件，藉著由安裝於該構件及該部件間之第三材料所製成的中介部件之變形，而組裝於不具塑性域的諸如矽基材料之第二材料所製成的部件中之孔的總成。

根據本發明，該中介部件包含一用於承納該構件之洞。再者，該彈性及塑性變形的中介部件徑向地抓牢或夾住該構件，且彈性地施加應力至該部件，以用不破壞該部件之方式鎖固該總成。

再者，以較佳之方式，該中介部件的外部壁之形狀大致上匹配該部件之孔，以便在環繞該孔之部件的壁上施加大致上均勻之徑向應力。當然，當研究被進行時，其對於該中介部件顯現為較佳的是藉由其在環繞該孔之部件的壁之上所造成的變形來均勻地分佈該徑向應力。

因此，如果該易碎部分中之孔係圓形的，其對於該中介部件的外部壁較佳的是大致上為連續圓柱體之形狀、亦即除了用於承納該構件之洞以外沒有徑向凹槽或刺穿軸向洞，以防止在環繞該孔的部件之壁的一小表面積上之任何限局性應力，該應力能使該易碎材料破裂。

當然，該易碎部件中之孔的形狀可譬如藉由不對稱而不同，以防止該總成的元件間之任何相對移動。如此，根據第一或另一選擇，此不對稱之孔可因此譬如大致上為橢圓的。

根據意欲防止任何相對移動的另一選擇，如在圖11所視，該部件3的壁可為設有突出進入孔4之開槽1。較佳地是，開槽1延伸遍及部件3的整個厚度，且包含最大高度h之圓頂式外表面。當然，開槽1可或未能大致上直線的。

其如此清楚的是這些高度h之開槽1當其係變形時將在該中介部件的外表面上形成微溝槽，而該高度h比孔4之直徑e1遠較小，以便形成榫眼及榫舌型接頭，用於可旋轉地鎖固孔4之壁及該中介部件的外表面。

其亦清楚的是這些開槽亦可存在構件5的外表面上，以獲得相同之效果，且進一步改善該未來總成之可旋轉的連接。

因此，如果該孔之區段為圓形的，具有一洞的中介部件(其形狀匹配該孔)可被解釋為具有連續之內部及外部壁的完整環件，亦即沒有任何溝槽或更大致上材料之任何 間斷點。如此，經由彈性及塑性變形，該中介部件之匹配形狀能夠在環繞該孔之部件的壁的最大化表面積之上產生大致上均勻的徑向應力。

當然，此匹配的壁形狀亦應用至該中介部件面對該構件的內部壁。其因此清楚的是該內部壁之形狀能匹配該構件的外部形狀，以便在該構件的外部壁之最大化表面積上產生該中介部件的內部壁之大致上均勻的徑向應力。

根據本發明之總成將參考顯示範例總成之圖1至10被清楚地了解。圖1至4顯示根據本發明之第一實施例。第一步驟因此在於不具塑性域的材料中形成部件3，且具有一孔4。如在圖1所示，孔4具有較佳地係被包括於0.5至2毫米間之區段e₁，且如果適當，圖11之突出進入孔4的開槽1具有於5至25微米間之高度。

此步驟可藉由乾式或濕式蝕刻法、譬如DRIE(deep reactive ion etching，深反應式離子蝕刻)所達成。

再者，於第二步驟中，該方法在於具有主要區段e₂的第二材料中形成該構件、即圖1及2的範例中之樞銷5。如前文所說明，該第二步驟可按照常見之軸柱裝配製程來施行。構件5較佳地係金屬，且譬如可為由鋼鐵所形成。

於第三步驟，該方法在於第三材料中形成該中介部件7，並具有內部區段e₄及外部區段e₃之洞8，其壁大致上匹配孔4之形狀。該第三步驟可如此藉由傳統機械加工及/或電成形製程所達成。中介部件7可如此具有介於100 與600微米間之厚度及一寬度l，亦即該外部區段e₃減去該內部區段e₄除以二(l=(e₃-e₄)/2)，包括於100至300微米之間。

較佳地係，該第三材料係比構件5之第二材料更易延展，以致該第二材料於該變形步驟期間係更少變形或全然不變形。中介部件7較佳地係金屬，且可如此包含鎳及/或金。然而，任何另一易延展之材料可被有利地加至該第三材料或替代該第三材料。

當然，該首先三個步驟不需觀察任何特別之順序，且甚至可被同時施行。

於第四步驟中，中介部件7被沒有任何接觸地***孔4。如圖1所視，這意指該孔4之區段e₁係大於或等於中介部件7的外部區段e₃。

較佳地係，於孔4或如果適當為開槽1之區段e₁及中介部件7的外部區段e₃間之差值大約係10微米，亦即有約5微米的間隙，其相對中介部件7分開部件3。

再者，較佳地係，根據本發明，中介部件7係使用工具11，13的其中一者11被固持在孔4中，該等工具被用於該變形步驟中。最後，於一較佳方式中，工具11包含用於接受構件5的凹陷12。

於第五步驟中，構件5沒有任何接觸地被導入中介部件7之洞8。如圖1所示，這意指洞8之區段e₄係大於或等於構件5的外部區段e₂。

較佳地係，洞8之區段e₄與構件5的外部區段e₂間 之差值大約係10微米，亦即有約5微米的間隙，其相對中介部件7分開構件5。

再者，根據本發明，構件5藉由使用工具11之大致上相當於構件5的區段e₂之區段的凹陷12被固持在洞8中。

最後，該方法包含第六步驟，其在於藉由在軸向A中將工具11，13朝彼此移動而彈性及/或塑性地變形中介部件7，以便藉由造成該部件3之彈性變形，分別對構件5和對環繞該孔4之該部件的壁施加徑向應力C，B。

當然，意外地，其係不需要提供經過環繞孔4的部件3之厚度的貫穿洞，如EP 1 445 670及WO 2006/122873及2007/099068所揭示者，以防止該部件破裂。如此，部件3將被彈性地變形，甚至在高應力之下、亦即用於矽高於450MPa，而不會具起初之裂痕。

如此，如圖2所示，分別藉由工具13及11於軸向A中壓按在中介部件7之頂部及底部部份上，將造成中介部件7之彈性及塑性變形，其係專門在方向B及C中徑向地變形、亦即朝部件3及朝構件5。一旦來自工具11，13之應力已被釋放，部件3施加一彈性返回，並將永久地鎖固包括構件5-中介部件7-部件3的總成。

較佳地係根據本發明，該等變形參數被設定，以致一方面於該未變形的中介部件7及孔4的壁間之間隙處，與另一方面於孔4的壁及構件5間之間隙處，該夾緊力係較大的。較佳地，該夾緊力產生一包括於16至40微米間之 位移。

因此，中介部件7之彈性及塑性變形被需要，以造成環繞孔4的部件3之彈性變形、及構件5之彈性及/或塑性變形兩者，以便將構件5、中介部件7、及部件3鎖固至彼此，如在圖2中所示。如圖2所示，其亦可發生該中介部件7之端部於變形期間淺薄地往下折疊至部件3上，然而，沒有施加任何軸向應力在部件3上。最後，應注意的是此彈性變形自動地中心定位包括構件5-中介部件7-部件3的總成。

有利地根據本發明，於該製程期間，沒有軸向力(根據定義，其係易於具破壞性)被施加至部件3。僅只根據工具11，13之程式的應力所控制之徑向彈性變形被施加至部件3。亦應注意的是於中介部件7之徑向變形B期間，該中介部件7之使用允許均勻之應力被施加在環繞孔4的部件之壁上，該中介部件的外部壁具有大致上與孔4相同之形狀，以便防止由易碎材料所製成之部件3破裂，且譬如適應於諸如開槽1之各種元件的製造中之任何分散。

如圖3及4中所示，於該變形步驟中，中介部件7較佳地係依次包含與洞8同軸之錐形凹陷10，以有利於藉由中介部件7的變形所造成之應力的徑向定向B，C，但亦造成該應力平緩的。當然，形成錐形凹陷10的斜面9抵靠著工具12導致一最初之接觸表面，其被減少至一圓，藉由強迫中介部件7的外部壁徑向地變形，而使平緩的夾緊力量抵靠著環繞孔4的部件之壁並抵靠著構件5。

於圖3及4中所說明之範例中，其被看出該錐形凹陷10與洞8相通，而在該斜面9及該洞8的邊緣之間形成一平坦部分。然而，如在下面所示，此特徵、亦即錐形凹陷10及洞8間之相通不是必要的，且其凹陷10及斜面9可為不同形狀及尺寸。

當然，本發明不被限制於所示範例，但係能夠有對於那些熟諳該技藝者將為明顯的各種變化及修改。特別地是，部件3亦可被軸向地鎖定在該第一實施例之另一選擇中。

藉由範例，圖5及6說明該方法之第二實施例。如此，圖5及6顯示另一選擇，其中構件15大致上係與構件5不同，其中該構件15具有一軸環16。因此，工具21之底部不再需要具有一用於接受構件15的凹陷12，但是僅只具有一貫穿洞22，其區段係至少等於或大於構件15之區段。

其如此清楚的是該中介部件7及如果適當之部件3能接著被軸環16所承載。再者，中介部件7在其底部上之變形係不再藉由工具21所直接地達成，而是經由軸環16，並對該方法具有無損失之優點。如此，部件3於中介部件7處係在彈性應力之下，且抵著構件15之軸環16被鎖定。

藉由範例，圖7至10顯示該方法之第三實施例。如此，圖7至10顯示另一選擇，其中該中介部件27，27'，27"，27'''大致上係與該第一實施例的中介部件7不同， 其中該中介部件27，27'，27"，27'''具有軸環26，26'，26"，26'''。因此，該第三實施例使用與該第一實施例相同之工具11，13。如此，部件3於中介部件27，27'，27"，27'''處係在彈性應力之下，且抵著軸環26，26'，26"，26'''被鎖定。

於圖7所說明之第一變化中，該中介部件27包含錐形凹陷30，其斜面29與洞28直接地相通、亦即沒有平坦部分。

於第二變化中，用於該中介部件27'，27"，27'''係亦可能包含錐形凹陷30'，30"，30'''，其斜面29'，29"，29'''不會與該洞28'，28"，28'''相通，但係由該處藉著環部31'，31"，31'''分開。該環部31'之高度可為如此比該斜面29'之端部的高度較少，而該環部31"之高度等於該斜面29"之端部的高度、或該環部31'''之高度大於該斜面29'''之端部的高度。當然，用於該第二變化，於該變形步驟中，工具13係與該斜面29'，29"，29'''相向，而不會與該環部31'，31"，31'''造成接觸。

上面所呈現之實施例可視該意欲的應用而定被彼此結合。再者，經由非限制性範例，該等總成5可被應用至時計之元件、諸如掣子、擒縱輪(escape wheel)、擺輪游絲、擺輪、橋接件、或更為普遍的輪組。

其係亦可能使用前文所揭示之總成代替WO 2009/115463(藉由參照併入本文中)之彈性機構48或圓柱體63，66，以便將單件式游絲擺輪諧振器固定至樞銷。

當然，像那些在前文所敘述之二構件亦可使用二不同的總成被鎖固至相同之軸柱，以便結合其個別之移動。

最後，根據本發明之總成亦可譬如將任何型式之時計或其他構件接合至軸柱、諸如音叉諧振器或更為普遍的MEMS(微機電系統)，該總成之本體係由不具塑性域之材料(矽、石英等)所形成。

1‧‧‧開槽

3‧‧‧部件

4‧‧‧孔

5‧‧‧構件

7‧‧‧中介部件

8‧‧‧洞

9‧‧‧斜面

10‧‧‧凹陷

11‧‧‧工具

12‧‧‧凹陷

13‧‧‧工具

15‧‧‧構件

16‧‧‧軸環

21‧‧‧工具

22‧‧‧貫穿洞

26‧‧‧軸環

26'‧‧‧軸環

26"‧‧‧軸環

26'''‧‧‧軸環

27‧‧‧中介部件

27'‧‧‧中介部件

27"‧‧‧中介部件

27'''‧‧‧中介部件

28‧‧‧洞

28'‧‧‧洞

28"‧‧‧洞

28'''‧‧‧洞

29‧‧‧斜面

29'‧‧‧斜面

29"‧‧‧斜面

29'''‧‧‧斜面

30‧‧‧凹陷

30'‧‧‧凹陷

30"‧‧‧凹陷

30'''‧‧‧凹陷

31'‧‧‧環部

31"‧‧‧環部

31'''‧‧‧環部

參考所附圖式，其他特徵及優點將經由非限制之揭示而清楚地顯現，其中：圖1及2係根據本發明之組裝方法的連續步驟之概要圖；圖3及4係根據本發明的中介部件之截面前視圖或立體圖；圖5及6係根據本發明之組裝方法的替代步驟之圖解；圖7至10係根據本發明的中介部件之變化的視圖；圖11係由易碎材料所製成之部件的另一替代孔之視圖。

3‧‧‧部件

7‧‧‧中介部件

13‧‧‧工具

15‧‧‧構件

16‧‧‧軸環

21‧‧‧工具

Claims (17)

1. 一種將由第一材料所製成之構件(5，15)組裝在由不具塑性域的第二材料所製成之部件(3)中以形成總成的方法，包含以下步驟：a)形成具有一孔(4)之部件(3)；b)將由第三材料所製成且包含一洞(8，28，28'，28"，28''')的中介部件(7，27，27'，27"，27''')***該孔(4)，而沒有任何應力；c)將該構件(5，15)引導進入該洞(8，28，28'，28"，28''')，而沒有任何應力；d)為了以不破壞該部件之方式鎖固該總成，藉由使分別位在該中介部件之頂部及底部部份上的二工具(11，13，21)在軸向上朝彼此移動，以使該中介部件(7，27，27'，27"，27''')彈性地及塑性地變形，如此藉由造成該部件(3)之彈性變形，對該構件(5，15)和對環繞該孔(4)之該部件(3)的壁施加徑向應力(B，C)。
2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該中介部件(7，27，27'，27"，27''')的外部壁之形狀大致上匹配該部件(3)之孔(4)，以在環繞該孔(4)之該部件(3)的壁上施加大致上均勻之徑向應力(B)。
3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該部件(3)之孔(4)為圓形的。
4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該部件(3)環繞該孔(4)的壁包含開槽(1)，於步驟d)中，該等 開槽將在該中介部件(7，27，27'，27"，27''')的外表面上形成微溝槽，以防止該總成的元件間之任何相對移動。
5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該構件(5)的外表面包含開槽，於步驟d)中，該等開槽將在該中介部件(7，27，27'，27"，27''')的內表面上形成微溝槽，以防止該總成的元件間之任何相對移動。
6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該部件(3)之孔(4)為不對稱的，以防止該總成的元件間之任何相對移動。
7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中於步驟b)中，該孔(4)的區段(e₁)及該中介部件(7，27，27'，27"，27''')的外部區段(e₃)間之差值係10微米。
8. 如申請專利範圍第1項之方法，其中於步驟c)中，該構件(5，15)的區段(e₂)及該中介部件(7，27，27'，27"，27''')的內部區段(e₄)間之差值係10微米。
9. 如申請專利範圍第1項之方法，其中於步驟d)中，該變形施加夾緊力，其產生介於16至40微米之間的位移。
10. 如申請專利範圍第1項之方法，其中於步驟b)中，該中介部件(7，27，27'，27"，27''')包含與該洞(8，28，28'，28"，28''')同軸向之錐形凹陷(10，30，30'，30"，30''')，以於步驟d)中有利於藉由該中介部件(7，27，27'，27"，27''')的變形所造成之應力的徑向 定向(B，C)。
11. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該第二材料係由單晶矽基底所形成。
12. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該第三材料係由金屬或金屬合金基底所形成。
13. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該部件(3)為時計輪組。
14. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該部件(3)為時計掣子。
15. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該部件(3)為時計擺輪游絲。
16. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該部件(3)為諧振器。
17. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該部件(3)為微機電系統(MEMS)。