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.
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
Die deutsche Übersetzung der europäischen Patentschrift
Die internationale Patentanmeldung
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:
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,
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,
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,
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:
Das in der
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
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
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
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
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.
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde ausschließlich zur Information des Lesers aufgenommen und ist nicht Bestandteil des europäischen Patentdokumentes. Sie wurde mit größter Sorgfalt zusammengestellt; das EPA übernimmt jedoch keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.