專利名稱：由絕熱玻璃制成的用于鐘表機構機芯的螺旋游絲及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種由特種玻璃制成的用于鐘表機芯的游絲，該游絲的制
造方法使其機械特性、特別是楊氏模量熱系數(CTE)幾乎完全與溫度無 關，同時仍受益于非磁特性。
背景技術：
很長時間以來人們一直在尋求通過作用于構造和材料選擇方面而使外 界條件、特別是溫度和磁場的變化對游絲擺輪調節系統的等時性的影響最 小化。
對于游絲來說，自從發現殷鋼(invar)—該殷鋼為鐵-鎳合金-以后， 在二十世紀初，越來越復雜的合金復合物已經被提出以尋求最佳質量。例 如，歐洲專利No. 0886195公開了鈮和鋯的合金復合物，該復合物還包含 至少在一部分氧中形成的并使CTE值可控的填隙摻雜劑。鑒于復合物的復 雜性及稀有金屬的使用，使得最終產品的成本很高。而且，制造金屬游絲 依賴于復雜的冶金工藝(拉絲、硬化、退火等等)，冶金工藝不能保證對 要求的回彈特性的完美可復制性，這樣在組裝過程中仍需使擺輪機構和游 絲匹配。
很長時間以來人們也一直在尋求用沒有金屬缺陷的其他材料來代替合 金。1955年公布的瑞士專利No. 307683提出了用具有硅成分的玻璃制造游 絲，這樣它的膨脹系數的值實際為零而不需要添加任何稀有金屬。該專利 沒有公開如何制造這樣的游絲，也沒有公開該游絲對CTE有何影響。
更近期的文獻歐洲專利No. 1519250公開了一種游絲擺輪諧振器，該 諧振器由于沿著相對于石英晶體的晶軸的確定方向進行切割和構造而被熱
補償。只有合乎條件的人員才能完成這種制造。還可以觀察到，石英的晶 體性質使得游絲在沖擊下很脆，從而引起沿晶面擴展的裂縫。
發明內容
因此，本發明的目的是通過提供一種玻璃游絲來克服前述現有技術的 缺陷，該游絲通過一種既能局部地控制機械特性，特別是所述游絲的楊氏
模量熱系數(CTE)和彈性系數，又能夠以較低成4^比量生產的方法來制 造。
這樣選擇的用于制造由統一高度為h和局部寬度為l的線圏構成的玻 璃游絲的材料是一種初始楊氏模量熱系數(CTEo)優選地接近于零的可感 光構造的(photostructurable)玻璃。這種玻璃通過輻照局部地改變楊氏 模量膨脹系數(CTEi),所述輻照可以附加有高溫熱處理。
這種改變可以沿游絲在具有不同CTEi的一個或多個線圏或線圏區域 上進行。CTEi的改變也可以在線圏寬度的一部分上、在線圏的整個或一部 分長度上、或者僅僅在線圏高度的一個部分上執行。
這種游絲可以用具有楊氏模量熱系數CTEo的可感光構造的玻璃板根 據兩種依賴于相同原理的方法進行批量制造。
根椐第一種方法，穿過第一掩模在對應于隨后將必須在線圏之間空出 的空間的玻璃區域上進行UV照射。在下一步中，執行使已經被照射的區 域脆化的高溫熱處理，但是沒有任何破壞作用。在下一步中，穿過第二掩 模在線圈的整個或部分寬度上進行新的UV照射以將初始CTEo改變為值 CTEj，該第二掩才莫的孔口布置在線圏、線圏區域上方。前一步驟可以用第 三掩模重復進行，并且UV照射特征僅在線圏高度的一個部分上將初始 CTE。改變為值CTE2，這個步驟優選地在所述游絲的頂面和底面上同時進 行。
很明顯，第二和第三掩模可具有共同的孔口區域，從而初始CTEo變 成不同于先前值的值CTE3。
在最后一步中，使用蝕刻法除去已經通過UV和熱處理^皮脆化的線圏
之間的區域。
根據第二種方法，將玻璃板固定在耐酸蝕刻的基底上，并且使用第一
4^模通過uv照射和熱處理然后酸蝕刻首先使游絲成形。在這個步驟結束
時，線圏被分開但仍然連接在基底上。在至少一個隨后的步驟中，穿過掩
模進行UV照射，該掩模的孔口對應于其CTEj希望被改變的線圏區域。 在最后一步中，將游絲從基底釋放并可執行附加的熱處理以實現對CTE 的附加調整。
如果必要的話，在第一和第二種方法中，在用于改變CTEo的每次UV 照射之后，都可以進行附加的熱處理以獲得對CTE的附加調整。
根據本發明的另一方面，用于限定游絲輪廓的掩模也可用于沿所述游 絲或在確定的線圏區域上改變線圏的節距和/或寬度。
根據本發明的又一方面，通過對合適的輻照源的選擇，可以在線圏的 整個高度上、或者僅在線圏高度的一部分上局部地改變CTEo。
參考附圖，在下面對以非限制性舉例的方式給出的各種實施例的描述
中，將更清楚地看到本發明的其他特征和優點。其中 圖1示出玻璃游絲；
圖2至6示出改變游絲的選定區域的不同方法的俯視圖7至9示出用于改變游絲的選定區域的第一種方法的步驟；
圖IOA、 10B和10C示出由第一種方法改變的三個不同線圏的截面；
圖11至13示出用于改變游絲的選定區域的第二種方法；以及
圖14A、 14B和14C示出由第二種方法改變的三個不同線圏的直的截面。
具體實施例方式
圖1示出由具有低楊氏模量熱系數CTEo的可感光構造的玻璃制成的 游絲的俯視圖。大量以下玻璃類型是已知的該玻璃的基于硅酸鹽的組合
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物結合某種摻雜劑和/或添加劑，例如鈰的氧化物、銀、錫或銻，其將使玻 璃的受到紫外線輻照和熱處理的部分易于以各向異性的方式被化學蝕刻， 例如利用氫氟酸。這種特性是公知的，并且已經被用于制造例如微流體
(microfluidic)裝置。這種玻璃例如可從德國Schott AG獲得，其商標為 Foturan ,或者從日本的Hoya Corp獲得，其參考標記為PEG3。這些類 型的可感光構造的玻璃目前僅憑借其特性用于通過非常規加工技術獲得 MEMS。
圖2到6示出最初具有楊氏模量熱系數CETo的游絲的線圏區域L的 CTE的改變的示例的俯^L圖。
圖2示出，對于區域ll，在整個寬度l上，初始CTEo已經改變為CTEh 很明顯這種改變可以擴展到多個線圏，或者可以使楊氏模量熱系數為CTEo 和CTEi的線圏區域交替。
如圖3所示，也可以在一個區域ll中將初始楊氏模量熱系數CTEo改 變為具有值CTE^在一個區域12中改變為具有值CTE2，這些區域初L(值 為)CTE()的區域10分隔開。區域11和區域12也可以相聯接。
根據圖4所示的另一實施例，可以僅在其寬度l，小于1的游絲的一個 區域ll上改變初始楊氏模量熱系數CTEo。在所示的例子中，區域ll基 本位于中央，但很明顯它可以設置在外表面或內表面的厚度內，或者甚至 同時設置在兩者內。
圖5示出另一個變型，其中在寬度為l，的外部區域ll內楊氏模量熱系 數從值CTEo改變為值CTE!，在寬度為l"的內部區域12內改變為值CTE2。 這兩個區域相聯接。
圖6示出在沿著該直區段的游絲的給定范圍內，在區域11中具有值 CTEi，在區域12中具有值CTE2，在位于區域11和12之間的區域中具有 值CTEo的可能性。其他可能性將在下面的描述中說明。
通過具有這種改變所使用的可感光構造的玻璃的初始CTEo的自由， 可以在某種程度上形成一種優化的"表觀"CTE，以獲得幾乎獨立于溫度 變化的游絲擺輪系統頻率，即使初始CTEo稍微偏離最優值零。
還應指出，該方法和CTE的改變對膨脹系數(Xs具有有利的影響，這 與頻率的確定有關，即使這種影響相當不明顯。
現在將參考圖7到10c來描述根據本發明的玻璃游絲的第一實施例。
圖7到10c示出沿箭頭S的三個高度為h的相聯接的線圏的橫截面。 應當指出，為了使附圖更易理解，沒有遵循線圏的高/寬比。
如圖7所示，穿過掩模3對具有初始楊氏模量熱系數CTEo和通過機 加工和拋光獲得的厚度h的玻璃板1進行UV照射。掩模3包含窗口 3a， 該窗口的孔口位于區域15上方，該區域15隨后必須被去除以便在線圏之 間獲得希望具有的空間，即，節距p，該節距在這個例子中在每個點保持 恒定，線圏具有相同的寬度l。所使用的UV輻照源取決于所使用的玻璃的 吸收頻帶。例如，它是光傳分布峰值在200-400nm之間的UV燈。也可 以寸吏用其他的輻照源，例如發射峰值為308nm的EximerXeCL2激光，或 者發射峰值為248nm的KrF2。
在未示出的下一步驟中，根據玻璃的成分對可感光構造的玻璃板1進 行大約為600X:的高溫熱處理。這種熱處理使已經受到UV照射的區域15 更容易通過隨后的蝕刻而被選擇性地去除。
在圖8所示的步驟中，第二掩模5包括布置在線圏或線圏區域ll上方 的窗口 5a、 5b等，希望通過穿過所述窗口的UV輻照將該線圏或線圏區域 的初始CTE。改變為確定的值CTEb可以觀察到，這些窗口可以僅i文置在 線圏寬度的一部分上。作為示例，窗口 5a具有基本在線圏中部的寬度lb。 且窗口 5c在線圏的一個邊緣上具有寬度lc。
在工藝的這個階段，可以進行蝕刻，這將使區域15能夠被選擇性去除 并釋放線圏。這種蝕刻以常規方式進行，例如在環境溫度和超聲波下在大 約10%的氫氟酸浴中進行。
也可以進行附加的熱處理以獲得對改變的CTEs的附加調整。
圖10a和10b以示例的形式示出可能的構型。圖10a示出在兩個區域 10的每一側的寬度為lb的區域ll,其CTE已經改變為CTEp該區域IO 的初始CTEo沒有被改變。在圖10b中，在靠近線圏邊緣的寬度lc上CTEo
改變為值CTE^很明顯，根據掩模5的窗口的形狀，具有改變的CTE區 域的其他構型是可能的，并且這些構型可涉及一個線圏區域、多個線圏、 或整個游絲。
現參考圖9，可以看出在進行蝕刻之前，可以穿過掩模6對線圏或線 圏區域進行另外的UV照射，該掩模6在這個例子中包括具有與游絲寬度 相同的窗口 6d。通過選擇合適的UV輻照，例如248nm的Eximer KrF2 激光，并通過控制曝光時間，可在區域12中將楊氏模量熱系數從初始值 CTEo改變為值CTE2，該區域12僅僅穿過游絲的高度h的部分h，。
在這種情況下，如圖10c所示，希望在游絲的兩面上都照射游絲。
如果希望對所有的線圏都進行這種改變，很明顯不需要具有任何^^模。 那么可以設想， 一旦已經安裝游絲就可以執行這種UV照射，以便對CTE 值和進而頻率進行精密調節。
圖11到14c示出第二種制造方法和一定數量的變型，該變型也可應用 到第一種方法。在圖ll所示的第一步中，將具有在本文開頭描述的特征的 厚度為h的玻璃板1固定在耐酸蝕刻的基底2上。基底2例如為陶瓷板。
然后通過穿過掩模7的UV照射使游絲成形，該掩才莫7的窗口 7a、 7b 對應于線圏之間的自由空間，并且該掩模7的不透明部分確定了游絲的平 面輪廓。可以看到，通過選擇合適的掩模7，可以設計出具有可變節距pa、 Pb等、具有可變寬度h、 12、 13等、或二者兼具的游絲輪廓。如前面所述， 這種方法包括高溫熱處理以使剛才被照射的區域脆化。
在未示出的下一步中，如第一種方法中指出的，將被照射的部分通過 酸蝕刻去除。
在下一步中，如圖12所示，穿過第二掩模8進行UV照射，該掩模8 的窗口8c、 8d、 8e將限定線圏區域11,該線圏區域ll的楊氏模量熱系數 將從值CTEo改變為CTE"這可以通過執行補充的高溫熱處理實現。
通過使用附加掩模9，如圖13中所示，并且通過改變UV照射條件， 新的窗口9e、 9f、 9g將限定游絲的新的區域12，該區域12的楊氏模量熱 系數將改變為值CTE2，或者如窗口 8c和9e的情況，如果掩模8和9的窗
口或窗口區域重合，則將限定區域13,該區域13的楊氏模量熱系數將改 變為值CTE3。可以對被改變的區域進行補充的高溫熱處理。
在圖14a和14b所示的最后一步中，將游絲與基底2分離。在這個例 子中，將獲得分別具有值CTE、 CTE3/CTEo (圖14a ) 、 CTEz/CTEi (圖 14b) 、 CTE2/CTE。/CTEi的線圏或線圏區域。
通過作用于掩模的形狀和/或掩模的數量，本領域技術人員可以在不脫 離本發明的范圍的情況下設計其他的變型，以改進玻璃游絲的機械特性， 特別是對溫度變化的抵抗力，該溫度變化對等時性是有害的。
權利要求
1.一種用于鐘表的包含高度為h且局部寬度為l的線圈的玻璃游絲，其特征在于，該游絲由可感光構造的玻璃制成，該玻璃的厚度值為h且楊氏模量熱系數(CET0)接近于零。
2. 根據權利要求1所述的玻璃游絲，其特征在于，整個游絲 或者選定的線圏區域具有相對于所使用的可感光構造的玻璃的初始 楊氏模量熱系數(CETo)的改變的楊氏模量熱系數(CTEi)，所 述改變通過UV輻照以及可能的高溫熱處理來實現。
3. 根據權利要求2所述的玻璃游絲，其特征在于，針對游絲 的一個或多個區域在線圏的整個寬度上進行從CTEo到CTEj的改 變，每個區域的CTEi能夠具有不同的值。
4. 根據權利要求2所述的玻璃游絲，其特征在于，在游絲寬 度的一部分上進行從CTEo到CTEj的改變，同一線圏區域能夠具 有不同的CTEj值。
5. 根據權利要求1-4中任一項所述的玻璃游絲，其特征在 于，僅在線圏高度的一個部分上進行CTEo的改變。
6. 根據權利要求4所述的玻璃游絲，其特征在于， 一個線圏 區域在局部包4舌兩個以上不同的CTEj。
7. —種制造用于鐘表機芯的玻璃游絲的方法，該游絲由具有 高度為h、寬度為1的矩形橫截面的線圏形成，并且在線圏之間具 有節距p，其特征在于該方法包括以下步驟a) 取厚度為h的可感光構造的玻璃板，該玻璃板的楊氏模量 熱系數CTEo接近于零；b) 穿過第一掩模(3)進行UV照射，該第一掩模的窗口 (3a) 對應于隨后在線圏之間必須被釋放的空間；c) 進^f亍高溫熱處理；d) 穿過第二掩模(5)在楊氏模量熱系數希望從初始值CTEo 被改變為值CTEi的線圏區域上進行UV照射；以及 e) 進行蝕刻以去除在步驟b)和c)中已經被處理的區域。
8. 根據權利要求7所述的方法，其特征在于，在步驟e)之 后也進行熱處理。
9. 根據權利要求7或8所述的方法，其特征在于，利用附加 掩模(6)將步驟d)重復至少一次，該附加掩模的窗口 (6d)對 應于初始楊氏模量熱系數希望被改變為值CTE2的線圏區域。
10. 根據權利要求9所述的方法，其特征在于，第二掩模(5) 和附加掩模(6)具有用于將初始楊氏模量熱系數改變為值CTE3 的共同窗口區域。
11. 一種制造用于鐘表機芯的玻璃游絲的方法，該游絲由具有 高度為h、寬度為1的矩形橫截面的線圏形成，線圏之間具有節距 p，其特征在于該方法包括以下步驟a) 將厚度為h且楊氏模量熱系數CTEo接近于零的可感光構造 的玻璃板固定于耐酸蝕刻的基底上；b) 穿過第一掩模(7)進行UV照射，該第一掩模的窗口 (7a、 7b)具有和線圏之間的自由空間相同的輪廓；c) 進4亍高溫熱處理；d) 對穿過第一掩模的窗口被照射的區域進行蝕刻，以便將保 持在基底上的線圏經由其底部分離；e) 穿過第二掩模(8)進行第二次UV照射，該第二掩模的窗 口 ( 8c、 8d、 8e)對應于楊氏模量熱系數希望從初始值CTE0 被改變為值CTEt的線圏區域，以及f) 將游絲從基底分離。
12. 根據權利要求11所述的方法，其特征在于，在步驟e) 和f)之間也進4亍熱處理。
13. 根據權利要求11或12所述的方法，其特征在于，利用附 加掩模(9)將步驟e)重復至少一次，該附加掩模的窗口對應于 楊氏模量熱系數希望被改變為值CTE2的線圏區域。
14. 根據權利要求13所述的方法，其特征在于，第二掩模(8) 和附加掩模(9)具有用于將楊氏模量熱系數改變為值CTE3的共 同窗口區域。
15. 根據權利要求7或11所述的方法，其特征在于，所使用 的用于限定游絲輪廓的掩模(5、 7)包含用于改變線圏之間的節 距p和/或線圏的寬度1的窗口 。
全文摘要
本發明涉及一種螺旋游絲，該游絲由可感光構造的玻璃板通過UV輻照、熱處理和化學蝕刻制成，所述玻璃具有楊氏模量熱系數CTE<sub>0</sub>。通過穿過一個或多個掩模的UV輻照以及可能的熱處理，將螺旋游絲的選定區域的值CTE<sub>0</sub>改變為值CET<sub>i</sub>。
文檔編號G04B17/22GK101361027SQ200680051505
公開日2009年2月4日 申請日期2006年11月13日 優先權日2005年11月25日
發明者J·格魯普, T·黑塞勒 申請人:斯沃奇集團研究和開發有限公司