用单晶材料制造钟表发条的方法及通过该方法获得的钟表发条

技术领域

本发明涉及一种由单晶材料、特别是由单晶硅制成的钟表发条。它还涉及一种制造这种钟表发条的方法。术语“发条”是指用于接收能量和/或产生力或运动的任何可弹性变形的元件。

背景技术

单晶硅是机械制表业中非常受欢迎的材料，因为它具有优越的特性，特别是其低密度、高耐腐蚀性、非磁性特性以及可通过微加工技术进行加工的能力。它用于制造平衡发条、摆轮、柔性导向振荡器、擒纵锚和擒纵轮。

然而，这种材料的缺点是机械强度低。它在外力作用下不发生预塑性变形(priorplastic deformation)，很容易断裂。

为了减轻这个缺点，通常采用氧化硅涂层来增强硅，如在专利申请WO2007/000271中所提出的。

就发条而言，除了其在机芯中的装配期间或在佩戴手表时可能受到的冲击或加速外，机械强度尽可能高也是重要的，因为它必须能够承受弹性变形而不断裂以执行其功能，并且还必须能够抵抗疲劳。

发明内容

本发明旨在提出一种提高由单晶硅制成的钟表发条的机械强度的新方法，该方法可以与包括用氧化硅涂覆硅的方法或旨在提高机械强度的任何其他处理方法结合或不结合。

更一般地，本发明旨在提供一种提高由单晶材料制成的钟表发条的机械强度的新方法。

为此，提供了一种用于用单晶材料制造钟表发条的方法，包括以下步骤：

a)绘制发条，

b)确定发条中的一个或多个薄弱区域，在一个或多个薄弱区域或一个或多个薄弱区域中的至少一个薄弱区域，发条在过度变形的情况下会断裂，

c)用在确定平面内延伸的单晶材料的晶片来制造发条，同时在晶片中对发条进行定向，使得当发条变形时，薄弱区域或每个薄弱区域中的宏观应力的方向基本上平行于材料的、与确定平面相交的解理面。

本发明还提出一种由单晶材料制成的钟表发条，该钟表发条在确定平面内可弹性变形并且包括一个或多个薄弱区域，在一个或多个薄弱区域或一个或多个薄弱区域中的至少一个薄弱区域，发条在过度变形的情况下断裂，其特征在于，当发条变形时，薄弱区域或每个薄弱区域中的宏观应力的方向基本上平行于材料的、与确定平面相交的解理面。

本发明还提供一种钟表机芯和一种包括这种发条的钟表。

附图说明

根据参照附图进行的以下详细描述，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，在附图中：

-图1是可以用根据本发明的方法制造的钟表发条的示例的俯视图，发条被示为处于变形状态，更准确地说处于正常操作中的其最大变形状态，并且它所承受的拉伸应力用灰色阴影表示；

-图2是图1所示的钟表发条的一部分的透视图，其中拉伸应力由灰色阴影表示；

-图3是示出了根据本发明的方法的不同步骤的示图；

-图4以俯视图(图4(a))和剖面图(图4(b))示意性地示出了具有晶片平面[110]的单晶硅晶片(100)；

-图5以俯视图(图5(a))和剖面图(图5(b))示意性地示出了具有晶片平面[100]的单晶硅晶片(110)；

-图6以俯视图(图6(a))和剖面图(图6(b))示意性地示出了具有晶片平面[112]的单晶硅晶片(111)。

具体实施方式

图1和图2示出了钟表发条，其在这种情况下是摇臂发条，该钟表发条包括刚性底座1和弹性臂2。刚性底座1旨在附接到钟表机芯的固定或移动框架，通常附接到机芯的夹板(plate)。弹性臂2从刚性底座1延伸，并起弹性作用。在使用时，弹性臂2以弯曲的方式工作，并通过其自由端3作用在摇臂上以使摇臂返回到确定的角度位置。为了以单晶硅制造这样的发条，根据特定实施例，本发明提出了图3所示并在下面描述的方法，该方法具有步骤E1至E3。

首先，通过计算机辅助设计绘制发条(步骤E1)，同时考虑发条将要执行的功能以及它将在机芯中占据的位置。

然后，通过有限元方法计算发条在其正常使用条件下在以弯曲方式加载时所承受的宏观应力的大小和方向(步骤E2)。计算考虑发条的尺寸和材料的弹性特性(弹性模量和泊松比)。在各向异性单晶硅的情况下，在这个阶段可以使用平均弹性模量和平均泊松比。由于硅的抗拉性远小于其抗压性，因此可以将模拟限制在弹性臂2在弯曲过程中受拉力作用的一侧，即图1中的右侧。发条的拉伸应力最大的区域4是薄弱区域，在薄弱区域中，当在发条的自由端施加一定力时发条会断裂。可以针对发条的、其在机芯中正常运行时的最大变形状态来执行本步骤E2中的计算。然而，经验表明，薄弱区域4的位置和该区域中的宏观应力的方向几乎不随变形程度而变化。

然后，通过蚀刻(例如深度反应离子蚀刻(DRIE)或激光蚀刻)单晶硅的晶片来制造发条(步骤E3)。蚀刻以发条在晶片中具有特定取向的方式进行，即这样的取向使得薄弱区域4中的应力的方向D平行于单晶硅的、与平均平面(mean plane)P相交(参见图4至6)的解理面，晶片在该平均平面P内延伸并且发条在使用时将在该平面内变形。

单晶硅具有类似金刚石的立方晶体结构，其中(i)在立方体的八个顶点中的每个顶点具有一个原子，(ii)在立方体的每个面的中心具有一个原子，(iii)在立方体的八个四面体位置中的四个四面体中，即在由立方体的一个角和该角的三个相邻面的中心的三个原子形成的四面体的中心处，具有一个原子。原子密度最大的晶面是解理面，即材料在承受过大应力时沿其断裂的薄弱面。在单晶硅的情况下，解理面是族{111}的平面。图4示出了在平面(100)中切割的单晶硅晶片5，其中晶片平面6沿方向[110]取向。虚线7表示平面(100)和族{111}的平面之间的交线(intersection)。图5示出了在平面(110)中切割的单晶硅晶片8，其中晶片平面9沿方向[100]取向。虚线10表示平面(110)和族{111}的平面之间的交线。最后，图6示出了在平面(111)中切割的单晶硅晶片11，其中晶片平面12沿方向[112]取向。虚线13表示平面(111)与族{111}的其他平面之间的交线。晶片被切割的平面与族{111}的平面之间的所述交线7、10和13构成解理方向。

因此，例如，在根据本发明的方法的步骤E3中，发条在晶片中以这样的方式取向，使得：如果发条由具有晶片平面[110]的硅(100)制成，则薄弱区域4中的应力的方向D平行于解理方向7之一，如果发条由具有晶片平面[100]的硅(110)制成，则薄弱区域4中的应力的方向D平行于解理方向10之一，如果发条由具有晶片平面[112]的硅(111)制成，则薄弱区域4中的应力的方向D平行于解理方向13之一。

图1和图2中所示的发条具有单个薄弱区域。对于其他发条形状，发条可能有几个薄弱区域，在该薄弱区域中拉伸应力最大，并且应力的方向可能根据薄弱区域而不同。如果在步骤E2中发现这样的配置，则发条在硅晶片中被定向为使得每个薄弱区域中的应力的方向平行于解理面之一。如果由于晶片的晶体学方向而无法做到这一点，则重新绘制发条(步骤E1)并重新计算应力(步骤E2)，直到发现发条的形状包括单个薄弱区域或两个以上薄弱区域，在单个薄弱区域或两个以上薄弱区域中，应力的各个方向可以分别平行于解理面之一。为了改变薄弱区域的位置并因此改变应力的方向，可以改变弹性叶片2的厚度。除了改变发条的形状之外或代替改变发条的形状，还可以选择在另一个晶面内切割的单晶硅晶片。

在步骤E2和E3之间，根据本发明的方法可以包括中间步骤EI1和EI2，其分别包括：考虑材料的各向异性和在晶片中选定的发条的取向，基于精确的弹性特性重新计算发条中的应力，以及修改发条的尺寸和/或形状以获得期望的刚度和/或期望的断裂应力。如果发条的修改是为了改变最大应力的方向，从而改变晶片中发条的取向，则这些中间步骤可以迭代地实施以改进发条特性。

与最大应力的方向不平行于任何解理面的发条相比，根据本发明制造的钟表发条的机械强度显著增加。特别是，对每批近三十个试样的两批试样进行了测试，试样由(100)硅制成，涂有氧化硅并在弯曲时受力，测试表明，当薄弱区域中的应力沿解理面定向时，断裂应力的中值约为4.7GPa，而当薄弱区域中的应力相对于解理面成45°定向时，断裂应力的中值约为3.4GPa。这种差异远远大于试样的两个取向之间的弹性模量的差异所能实现的改进。这样的结果是令人惊讶的，因为通过如本发明所期望的那样对解理面施加应力，人们可能预期机械强度的降低。一种可能的解释是，断裂始于微裂纹，其尖端受到微观应力，微观应力的方向与薄弱区域的宏观应力不同。

如上所述，根据本发明制造的单晶硅发条可以覆盖有氧化硅增强层。这种层的厚度通常至少为0.5μm，例如在0.5μm和5μm之间。可以考虑其他类型的加强层和/或其他处理以进一步增加机械强度，例如发条表面的平滑处理。

通过本发明获得的机械强度的改进可用于在正常操作中施加的给定力的情况下减小发条的尺寸，从而减小其在钟表机芯中占据的空间。

本发明可以应用于各种类型的钟表发条，特别是摇臂发条、锤形发条、杠杆发条、定位杆、柔性导向装置(例如在平移中导向的平行叶片或柔性枢轴，特别是振荡器柔性枢轴)或用于将这些部件安装在例如轴等的支撑部件上的钟表部件的弹性部件(例如齿轮或夹头)。特别地，本发明可以应用于专利申请EP 2175328的图10B中所示的平衡发条的弹性臂。

根据本发明制造的发条的单晶材料不一定是硅。在本发明的替代实施例中，它可以是金刚石、氧化铝(例如蓝宝石或红宝石)或碳化硅。

根据本发明制造的发条可用于例如手表、怀表或微型时钟的机芯。