雕刻計時器組件的方法和使用該方法獲得的計時器組件的制作方法
【專利摘要】本發明提供一種用于雕刻組件(1；3)的方法，包括對組件施加激光光束(5)，從而進行加工或從組件上去除材料，并實現對加工底部的表面(6)的著色，所述激光光束(5)的脈沖每一個都持續小于1皮秒。
【專利說明】雕刻計時器組件的方法和使用該方法獲得的計時器組件
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種雕刻方法，特別是一種用于對組件雕刻和著色的方法。本發明還 涉及一種元件或組件，尤其是一種計時器元件，特別是手表元件，其通過執行這樣的方法而 得到。本發明還涉及一種計時器，特別是手表，其包括這種元件。
【背景技術】
[0002] 當需要在鋼組件上制作具有彩底的凹槽時，通常采用加工、化學雕刻和著色方法 來獲得良好效果，該方法需要使用掩膜和劇毒化合物如Cr(VI)。除了使用有毒化合物產生 的問題，由于這些方法包括多個步驟，因此耗時并難以實施。
[0003] 可以看到，在計時應用中非常需要這樣的方法：造型美觀很重要，且雕刻和著色必 須不能有缺陷和毛邊。由于這樣雕刻和著色的組件常常成為外露組件，承受震動并暴露在 環境中（如座圈（bezel)、玻璃、后蓋、肩部（middle))，因此也要滿足堅固性需求。任何情 況中，組件被加工后必須經過徹底清潔，而著色必須足夠牢固能經受這些過程。
[0004] 專利申請EP0647720描述了使用具有kHz級脈沖重復率的納秒激光，在鋼表面上 獲得了紅色，其顏色取決于功率密度。
[0005] 專利US6180318提到對具有"圖像層"的金屬表面著色，該"圖像層"包括一層金 屬和金屬氧化物。如果想要獲得所需的著色，則這一額外的層是必要的。文獻中特別提及 鋁/氧化鋁圖像層。
[0006] 文獻W09411146涉及使用長度大于5ns的激光脈沖以在表面制造（暗色）彩色區 域，尤其是在包括鉻基涂層的表面上制造彩色區域。
[0007] 申請W02011163550描述了通過用皮秒激光在鋼上制造周期結構，從而在鋼表面 上獲得掩膜。
[0008] 申請W02008097374涉及使用飛秒激光在金屬樣本的表面上制造周期納米結構。 這些結構使得能夠獲得顏色（黑色、灰色、金色），且能夠對表面進行修飾。可在鋁上獲得黑 色，黑色強度取決于激光的影響。
【發明內容】
[0009] 本發明的目的是提供一種用于雕刻計時器的方法，可補救上述缺陷和改進現有技 術的已有方法。特別地，本發明提出一種雕刻方法，使現有方法的簡單化成為可能。
[0010] 根據本發明的雕刻方法通過權利要求1限定。
[0011] 雕刻方法的各種實施方式通過從屬權利要求2-13限定。
[0012] 可與各種實施例結合的一個變形中，除非技術上不相容，在材料被去除之前，待加 工底部表面的顏色可以與組件表面的不同。
[0013] 可與各種實施例和前述變形結合的一個變形中，除非技術上不相容，去除材料和 著色可以連續實施。
[0014] 可與各種實施例和前述變形結合的一個變形中，除非技術上不相容，光束的操作 參數在加工過程中和在著色過程中可以不同。
[0015] 可與各種實施例和前述變形結合的一個變形中，除非技術上不相容，橫向重疊度 (或更通常說的另一方向上的重疊度）可低于60%，或甚至約等于50%，或甚至低于10%， 或甚至低于5%,或甚至為0或基本為0。
[0016] 可與各種實施例和前述變形結合的一個變形中，除非技術上不相容，組件可由大 塊材料制造。
[0017] 可與各種實施例和前述變形結合的一個變形中，除非技術上不相容，組件可由包 括至少75%重量的金的材料制造。
[0018] 可與各種實施例和前述變形結合的一個變形中，除非技術上不相容，光束可聚焦 在組件表面或基本聚焦在組件表面上。
[0019] 可與各種實施例和前述變形結合的一個變形中，除非技術上不相容，去除材料和 著色可不通過外部添加材料實現。
[0020] 可與各種實施例和前述變形結合的一個變形中，除非技術上不相容，材料的去除 可產生凹槽，所述凹槽的深度大于10 y m，尤其是大于40 y m。
[0021] 可與各種實施例和前述變形結合的一個變形中，除非技術上不相容，加工過的底 部表面的著色可以制成黑色或白色。
[0022] 可與各種實施例和前述變形結合的一個變形中，除非技術上不相容，脈沖的重復 頻率可在IkHz至300kHz之間。
[0023] 可與各種實施例和前述變形結合的一個變形中，除非技術上不相容，激光的波長 可在300nm至IlOOnm之間。
[0024] 可與各種實施例和前述變形結合的一個變形中，除非技術上不相容，光束的功率 可在IW至6W之間，例如IkHz時1.4W，300kHz時5. 5W。
[0025] 可與各種實施例和前述變形結合的一個變形中，除非技術上不相容，脈沖的能量 可在0. 5 ii J至2mJ之間，尤其是在5 ii J至10 0 ii J之間。
[0026] 可與各種實施例和前述變形結合的一個變形中，除非技術上不相容，光束的能量 可使用半波片和/或偏振光束分光立方體調整，半波片使光束的線性偏振可被旋轉，和/或 偏振立方體使平行于光束傳播面的偏振被傳遞，垂直于傳播面的偏振被偏轉。
[0027] 可與各種實施例和前述變形結合的一個變形中，除非技術上不相容，激光光束可 以在組件上沿著平行或基本平行的曲線、尤其是線移動。
[0028] 可與各種實施例和前述變形結合的一個變形中，除非技術上不相容，激光光束可 以在組件上沿著在該方法的不同路徑中方向不同的曲線、尤其是線移動。特別地，激光光束 沿著在該方法的多個連續路徑中成一定角度、特別是直角的線移動。
[0029] 可與各種實施例和前述變形結合的一個變形中，除非技術上不相容，激光光束的 直徑可在5 ii m至60 ii m之間，尤其是在20至30 ii m之間，特別是大約30 ii m，特別是27 ii m。
[0030] 可與各種實施例和前述變形結合的一個變形中，除非技術上不相容，光束可以低 于250_ ? s 1移動,尤其是低于200mm ^s10
[0031] 可與各種實施例和前述變形結合的一個變形中，除非技術上不相容，激光光束可 在組件上沿多條路徑移動，尤其是約10條路徑或約20條路徑。
[0032] 可與各種實施例和前述變形結合的一個變形中，除非技術上不相容，材料的去除 產生凹槽，該凹槽在每條路徑上的平均深度大于或等于4 y m，尤其是在每條路徑上大于或 等于8 y m。
[0033] 除非技術上不相容，前述變形和/或前述實施例的所有特征可自由結合。
[0034] 根據本發明的元件或組件由權利要求14或15限定。
[0035] 根據本發明的鐘表機構由權利要求16限定。
[0036] 根據本發明的計時器由權利要求17限定。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0037] 附圖以示例的方式示出根據本發明的雕刻方法的實施例。
[0038] 圖1是根據本發明的雕刻方法獲得的王冠；
[0039] 圖2是根據本發明的雕刻方法獲得的組件；
[0040] 圖3是根據本發明的雕刻方法的示意圖；
[0041] 圖4表示在雕刻組件上由激光脈沖產生的沖擊的空間表示圖的主要特征；
[0042] 圖5表示在雕刻組件上由激光脈沖產生的沖擊的第一空間表示圖；
[0043] 圖6表示在雕刻組件上由激光脈沖產生的沖擊的第二空間表示圖；
[0044] 圖7表示為了應用根據本發明方法來制造凹槽的第一激光光束掃描模式；以及
[0045] 圖8表示為了應用根據本發明方法來制造凹槽的第二激光光束掃描模式。
【具體實施方式】
[0046] 本發明方法的一個實施方式中，可采用飛秒激光加工，在單次操作中對由金屬或 非金屬大塊材料制成的組件或元件進行雕刻和著色。因此，該方法使得能夠不添加額外材 料而制造凹槽，所述凹槽的底部表面顯示與材料原始顏色不同的顏色，尤其是在金、鉬、鋼 或鈦上制作黑色表面。這種進展是對傳統飛秒激光加工的一種新的應用，并且使得能夠在 單次操作中在金屬組件上形成凹槽并且對其底部著色。
[0047] 因此，可以在基底、尤其是金屬基底（如由鋼、鈦、金或鉬制成）上制作凹槽，凹槽 的底部在單次飛秒激光加工操作中、不添加額外材料而被著上黑色。
[0048] 還可以在基底、尤其是由陶瓷或玻璃（如由鋯、鋁或藍寶石）制成的基板上制作凹 槽，凹槽的底部在單次飛秒激光加工操作中、不添加額外材料而被著上白色。
[0049] 在用于雕刻組件的方法的一個實施方式中，激光光束被施加到組件上，從而進行 加工或從組件上去除材料，并對加工過的底部表面著色，激光光束的脈沖每一個都持續小 于1皮秒。因此，使用飛秒激光。
[0050] 這種技術使得能夠在單次處理步驟中快速、可靠、可重復的制造圖案，而不使用環 境不友好的產品。
[0051] 飛秒激光是一種特殊類型的激光，其產生長度為大約幾個飛秒到幾百飛秒的超短 波脈沖（IfS = 1飛秒=KT15秒）。術語"飛秒激光"和"飛秒脈沖激光"可相互替代。
[0052] 將雕刻和著色2個步驟合并在單次處理步驟中需要使用超短波脈沖激光，尤其是 飛秒脈沖激光。這是因為為了使對材料的損傷最小化，使用非常短的長度短于皮秒的脈沖 非常重要。
[0053] 與現有技術尋求獲得周期性結構相比，由于獲得的顏色可取決于視角，因此周期 性結構不是必須的。
[0054] 雕刻的組件可以是各種類型，特別地，可以是發條的王冠1、手表外部結構3的組 件，如座圈、法蘭盤或表殼后蓋、殼或表帶組件或甚至鐘表運動的組件，如運動坯件、金屬 板、連接梁、輪乃至杠桿。
[0055] 圖1表示通過實施根據本發明的方法，在方法中雕刻的發條上的王冠。形成圖案 的凹槽2已經被部分制作。這些凹槽的底部顯示與其他材料表面具有不同顏色和外觀的表 面，在這一情況下是黑色。
[0056] 圖2表示通過實施根據本發明的方法，經雕刻后的組件3。凹槽4已經被制作，形 成圖案。
[0057] 圖3顯示根據本發明雕刻方法的橫截面示意圖。組件1被激光光束5沖擊。這些 沖擊使得制造平均深度為h的凹槽2,這些凹槽的底部6被著色。
[0058] 下述實驗中使用的激光是飛秒激光（例如來自制造商Amplitude Syst細es，如網 址http ：//www. amplitude-systemes. com/描述的），該飛秒激光傳遞450fs長的脈沖，具 有在l-300kHz可調的可變重復率。使用的波長是1030nm，但其可通過二倍頻器或三倍頻器 產生二次諧波或三次諧波從而調整為515nm或343nm。傳遞的平均功率通常在重復率IkHz 時為1.4W，在重復率300kHz時為5. 5W。平均能量在18ii J和1.4mJ之間可調，而出口的激 光偏振是線性的。
[0059] 使光束成型的光學系統包括各種元件，使得能夠調整光束的傳輸能量、偏振和尺 寸。能量調節模塊由半波片和偏振光束分光立方體制成。半波片使激光光束的線性偏振可 被旋轉。偏振器立方體使平行于光束傳播面的偏振被傳遞，垂直于傳播面的偏振被偏轉。因 此該設備使由激光傳遞的用于加工的能量可以被精確選擇。在能量調節模塊之后放置四分 波片，使激光光束的線性偏振變成圓偏振。燒蝕效果會受到與追蹤路徑相關的線性偏振取 向的直接影響，而使用圓偏振則可以保證這種效果不會導致發生不均。但是，本發明既可采 用線性偏振又可用圓偏振。
[0060] 接著，由2個透鏡（發散透鏡和會聚透鏡）組成的無聚焦系統使得在聚焦前增加 光束尺寸。聚焦前光束尺寸的增加使聚焦光束的最終尺寸減小。實驗通過X2到X8之間 的反聚焦（afocal)進行。
[0061] 工作站裝有平移和回轉臺、掃描模塊、顯微型觀察系統，該工作站使得能夠對試樣 精確定位，并且使用了照明系統和用于真空除塵的系統。
[0062] 通過電控的光學光束偏離器使光束掃描整個目標物。通過控制軟件形成所需圖 案。使用的掃描頭是ScanLab的IntelliScan頭。掃描孔徑為14mm，并且對于llm/s的定 位速度，可獲得的標記速度約為4m/s。掃描模塊使用的透鏡是平場聚焦透鏡或遠心透鏡。 與彎曲的標準透鏡相比，平場聚焦透鏡和遠心透鏡使得在XY場的任意位置獲得聚焦面。這 使得能夠在場內任意位置保證穩定的聚焦光束尺寸。對于平場聚焦透鏡，光束定位直接與 掃描器施加的角度相關（proportional to)，而光束總是垂直于用于遠心透鏡的樣品。實驗 中測試的兩個透鏡中，平場聚焦透鏡焦距為100mm，遠心透鏡焦距為60mm。優選使用IOOmrn 的透鏡。
[0063] 對整個目標進行光束掃描足以對獲取的結果產生實質影響。特別地，如果需要同 時實施雕刻和著色，那么使用的掃描速度和掃描間距很關鍵。
[0064] 圖4顯示三束激光脈沖沖擊11在組件或目標物上的位置。兩個即時連續沖擊在 第一方向上排成一行，并且分離間距為L(測量兩個連續沖擊的中心）。間距由重復率T和 掃描速度V(如在第一方向上的移動速度）確定，L = V/T。例如，如果V = 100mm/S，T = 100kHz，則在大多數實驗中，L= Iii m。Rf。。是目標物或組件上的光束半徑，在半高處測量 (光束的直徑為Df。。= 2 ? RfJ。優選的，光束聚焦在待加工的組件的表面。
[0065] 掃描線一旦終止（第一方向上），光束就在垂直于第一掃描方向的第二方向上移 動距離L'，以開始一條新掃描線的加工過程：距離L'也被稱作"掃描間距"。
[0066] 距離L使縱向重疊度被限定，而距離L'則使橫向重疊度被限定。這些重疊度代表 第一方向（掃描方向）和第二方向上的兩個相鄰沖擊的共同區域。縱向重疊度〇(如在第 一方向上）被定義為：
[0067]
【權利要求】
1. 一種用于雕刻元件（1 ;3)的方法，其特征在于，包括對所述元件施加激光光束（5)， 從而進行加工或從所述元件上去除材料，并對加工過的底部表面（6)著色，所述激光光束 (5)的脈沖每一個都持續小于1皮秒。
2. 根據前述權利要求所述的方法，其中， -所述元件由鋼或鈦制造，所述光束的直徑、所述元件的掃描速度和所述脈沖的重復頻 率可選擇為使得第一方向上尤其是縱向上的重疊度高于85%，或甚至高于90%，或甚至高 于92%，或甚至高于94% ;或 -所述元件由金合金或鉬合金制造，所述光束的直徑、所述元件的掃描速度和所述脈沖 的重復頻率可選擇為使得第一方向上尤其是縱向上的重疊度高于90%，或甚至高于95% ; 或 -所述元件由陶瓷、紅寶石或藍寶石制造，所述光束的直徑、所述元件的掃描速度和所 述脈沖的重復頻率可選擇為使得第一方向上尤其是縱向上的重疊度高于90%，或甚至高于 95%。
3. 如權利要求1或2所述的方法，其中， -所述元件由鋼或鈦制造，所述光束的直徑、所述元件的掃描速度和所述脈沖的重復頻 率可選擇為使得第二方向上尤其是橫向上的重疊度介于〇%至< 100%之間，尤其是介于 20%至< 100%之間，優選介于50%至< 100%之間；或 -所述元件由金合金或鉬合金制造，所述光束的直徑、所述元件的掃描速度和所述脈沖 的重復頻率可選擇為使得第二方向上尤其是橫向上的重疊度為〇或基本為〇 ;或 -所述元件由陶瓷、紅寶石或藍寶石制造，所述光束的直徑、所述元件的掃描速度和所 述脈沖的重復頻率可選擇為使得第二方向上尤其是橫向上的重疊度在50%至< 100%之 間，優選80至< 100%之間或甚至90至< 100%之間。
4. 如前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述激光光束的操作參數使得能夠進行 加工或從所述元件上去除材料，并對加工過的所述底部表面著色。
5. 如前述權利要求中任一項所述的方法，其中去除材料和著色同時實施。
6. 如前述權利要求中任一項所述的方法，其中兩個脈沖對所述元件的沖擊區域部分重 疊，尤其是兩個連續脈沖對所述元件的沖擊區域部分重疊。
7. 如前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述光束的直徑、所述元件的掃描速度 和所述脈沖的重復頻率可選擇為使得第一方向上尤其是縱向上的重疊度高于90%，或甚至 高于92%或甚至高于94%。
8. 如前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述光束的直徑、所述元件的掃描速度 和所述脈沖的重復頻率可選擇為使得第一方向上尤其是縱向上的重疊度低于100%，或甚 至低于99. 8%。
9. 如前述權利要求中的任一項所述的方法，其中所述元件由鋼、尤其是904L鋼或P558 鋼制造，或由欽制造。
10. 如前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述元件由貴重材料、尤其是18克拉 金合金或Pt950鉬合金制造。
11. 如前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述元件由陶瓷、紅寶石或藍寶石制 造。
12. 如前述權利要求中任一項所述的方法，其中材料的去除產生凹槽，所述凹槽在每條 路徑上的平均深度大于或等于4 y m，尤其是在每條路徑上的平均深度大于或等于8 y m。
13. 如前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述激光光束的施加在所述元件上引 起的功率密度高于3X 1012W/cm2,甚至高于5X 1012W/cm2。
14. 一種元件，尤其是一種計時器元件，特別是一種手表元件，其通過實施如前面任一 項權利要求所述的方法而獲得。
15. -種元件，尤其是一種計時器外部元件，特別是法蘭盤、座圈、殼體、或玻璃、或腕帶 元件，其通過實施如前述權利要求1-13中任一項所述的方法而獲得。
16. -種包括如權利要求14或15所述兀件的鐘表機構。
17. -種計時器，尤其是一種手表，其包括前述權利要求所述的機構或權利要求14或 15所述的元件。
【文檔編號】B23K26/36GK104334311SQ201380014191
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2013年3月12日 優先權日:2012年3月12日
【發明者】亞歷山大·奧利韋拉 申請人:勞力士有限公司