專利名稱：微機電系統微型馬達和裝備該微型馬達的時計的制作方法
技術領域：
本發明涉及MEMS (微機電系統)類微型馬達和裝備該微型馬達的 時計。
本發明更特定地涉及形成在由晶體或非晶體材料，特別是基于硅的 材料制成的板中的MEMS微型馬達，板包括形成基片的下部層、和至 少一個促動器和一個轉子蝕刻到其中的上部層，促動器驅動轉子繞圓柱 形軸旋轉。
背景技術：
棘輪驅動的靜電MEMS微型馬達的轉子必須被精確地引導旋轉， 以便使得棘輪可能正確地工作。標準的方式為形成整合的固定輪軸，與 轉子和其穿孔同時產生。這樣的例子在文檔WO 2004/081695中描述。
帶有整合的輪軸的轉子的穿孔軸線徑向間隙不能小于通過術語稱 為DRIE (深反應離子蝕刻)的深等離子蝕刻技術可獲得的最小切割， 對于80微米的厚度通常為5微米。另一方面，硅對硅的側向摩擦增加 (|i = 0.4)。
發明內容
本發明的目的是以簡單和經濟的方式來解決這些問題。
為此目的，本發明建議了以上所提及的類型的微型馬達，其特征在 于軸連接到板，該軸為階梯的，且軸向延伸通過板的孔，且軸通過彈性 固定結構在孔中夾緊和定心，該彈性固定結構通過蝕刻在基片中產生， 且布置在孔的周邊上。
根據本發明的其他特征
-轉子通過軸的外部軸向壁引導旋轉；
-軸的外部軸向壁提供有涂層，其最小化與硅的摩擦；
-軸為仿形車削(profile-turn)的金屬4侖軸；
-板為絕緣體上硅的類型；
-轉子提供有棘輪齒，且促動器通過與棘輪合作的棘爪驅動轉子；
-微型馬達包括小齒輪，其與轉子共軸線且通過接收在提供在轉子 的厚度內的槽內的銷旋轉地連接到轉子，且小齒輪通過軸引導旋轉；
-除了彈性固定結構，補充固定裝置提供為將軸固定在板內，特別 是粘合劑或者焊接部。
本發明也建議了包括由根據前述特征的一個產生的微型馬達驅動 旋轉的齒輪系的時計。
當參考附圖閱讀如下的詳細描述時，本發明的其他特征和優點將變
得更清晰，附圖通過非限制性例子給出，且各圖為
圖1是示意性地表示了根據本發明的教示產生的時計的截面視圖； 圖2是部分地表示了圖1的時計的芯的透視圖，芯裝配有包括
MEMS微型馬達的驅動模塊；
圖3是示意性地表示了圖2的驅動模塊的俯視圖4是表示了圖2的驅動模塊和圍繞此驅動模塊的外殼的分解透視
圖5是根據平面5-5的軸截面放大視圖，圖中示意性地表示了驅動 模塊的部分且圖示了小齒輪和微型馬達的轉子的繞軸的旋轉組件；
圖6是根據平面X'X的軸截面示意性視圖，圖中圖示了由轉子通過
銷驅動小齒輪；
圖7是圖示了由轉子通過銷驅動小齒輪的示意俯視圖8是根據平面X'X的軸截面示意性視圖，圖中圖示了軸相對于轉
子的組件的變體；
圖9是示意性地表示了彈性固定結構的仰視圖，該彈性固定結構提 供在板內用于根據圖8的組件將軸夾緊和定心；
圖10是示意性地表示了硅晶片的俯視圖，且圖中圖示了晶片上的 多個微型馬達的構造的例子。
具體實施例方式
在圖1中示意性地表示了時計10,時計10包括裝配有根據本發明 的教示的驅動模塊13的手表，驅動模塊13在此布置在外殼12內。
時計10包括由水晶16封閉的手表外殼14、面盤18和在此包括指針20的模擬顯示裝置。提供了指針20以由根據本發明的驅動模塊13 通過包括例如減速裝置的齒輪系22驅動旋轉。驅動模塊13由電池24 供電。外殼12、驅動模塊13、齒輪系22和電池24在此安裝在板26上 且一起形成了時計10的芯27,此芯27固定在手表外殼14內部。當然， 芯27包括其他元件(未表示出)，特別是包括集成電路的電子模塊、 包括石英的時基、印刷電路板等。
在圖2中表示了時計10的芯27的部分，特別是板26,外殼12和 齒輪系22安裝在板26上。
驅動模塊13意圖于與時計輪嚙合，該時計輪在此在術語上稱為齒 輪系22的輸入輪28。
根據本發明的驅動模塊13的多種元件在圖3至圖7中更詳細地表示。
驅動模塊13包括由晶體或非晶體材料制成的板30,例如板30由硅 制成，板30包括形成了基片32的下部層和其中蝕刻了 MEMS(微機電 系統)類微型馬達36的上部層34。微型馬達36在此由兩個促動器38、 40形成，它們旋轉轉子42,轉子42蝕刻在上部層34內。
每個促動器38、 40包括在平行于板30的平面的方向Al、 A2上可 移動的觸針44、 46。每個觸針44、 46在其自由端提供有棘爪48、 50， 棘爪48、 50被提供以與提供在轉子42的外部外周邊緣上的棘輪齒52 合作以順序驅動轉子42旋轉。
優選地，每個觸針44、 46在將相關的促動器38、 40切割為兩個總 體上對稱的部分的方向Al、 A2上延伸。優選地，第一促動器38包括推 進棘爪48且第二促動器40包括牽拉棘爪50。
每個促動器38、 40是帶有交叉指型梳的靜電類促動器，且通過蝕 刻產生在硅板30內。板30在此是絕緣體上硅(SOI)類的板且包括硅 基片的厚的下部層32、氧化硅的中間層54和由硅制成的其厚度小于基 片32的厚度的上部層34。
每個促動器38、 40的固定部分包括提供為電連接到電子模塊的供 電盤56、 58,且每個促動器38、 40的可移動部分包括接觸盤57、 59, 其將這些可移動部分置于預先確定的電勢，在此處于零伏。
在硅板內形成的包括靜電促動器的微型馬達例如在文檔WO 2004/081695中描述和表示，在此通過參考將該文檔合并。在此文檔中，
馬達通過蝕刻產生在硅層內。馬達包括帶齒的驅動輪和促動指部，其與 輪的齒協作以旋轉輪。每個促動指部與可移動梳一起站立，可移動梳相 對于固定梳作為施加到固定梳的電壓的函數而位移。
使用SOI板的實施例參考在以上所提及的文檔中的圖7A至圖7D描述。
根據有利的實施例，每個促動器38、 40與被動棘爪49、 51相關， 被動棘爪49、 51的棘輪接合區位于嚙合區70和相關的棘爪的棘輪接合 區之間。這些被動棘爪49、 51被維持彈性地與轉子42嚙合以保證精確 的角向定位，特別是在驅動階段期間，當其他棘爪48、 50位移時。
根據在圖3至圖7中表示的實施例，轉子42由整合或插入的中心 滑動軸承60引導，其與棘爪48、 50同時產生且具有在4至IO微米之 間的直徑間隙，近似的下極限對應于80孩i米的》圭層厚度。|束爪48、 50 如果在切向路線中起作用則將運行良好，該切向路線顯著地大于此間 隙，即典型地在20至IOO微米之間。這對應于通過偏轉彈簧(未示出) 以觸針44、 46引導的可能的路線范圍。
轉子42的轉矩通過類似于曲柄的系統傳遞到小齒輪62。位于轉子 42的正上方的小齒輪62與轉子42共軸線且被中心軸64引導。小齒輪 62提供有接合在轉子42的槽68內的銷66。運行間隙c1—group、 cl一rot、 c1—pi提供在轉子42和小齒輪62的多種元件之間，如在圖7中所表示。 因此轉子42和小齒輪62角向聯接但側向獨立在xy平面內的間隙被 用于轉子42的軸承60和用于小齒輪62的軸64吸收。因此因為載荷的 側向反作用力不被軸承60在轉子42的水平上吸收，而是通過小齒輪62 的引導被軸64吸收。因此，保護了微型馬達36的微制造的元件在例如 沖擊的情況中不受由時計元件施加的較大的力。
提供了小齒輪62以與齒輪系22的輸入輪28在位于板30的外部外 周邊緣72附近的嚙合區70內嚙合。
根據有利的特征，轉子42提供在板30上以最小化轉子42的齒52 和對應于嚙合區70的板30的外部外周邊緣72之間的距離D。此外， 小齒輪62的外徑略微大于轉子42的外徑以在嚙合區70內相對于板30 突出。
為簡化圖7的示圖，轉子42表示為僅包括四個槽68且小齒輪62 僅包括四個銷66。才艮據有利的實施例，例如在圖3和圖4中特別地圖示的實施例，提供了八個槽68和八個銷66。
根據優選實施例，每個棘爪48、 50與轉子42的棘輪接合區的角向 位置在角向上相對于嚙合區70偏置。每個棘爪48、 50的棘輪接合區與 軸線X'X形成了(3角度。a代表了在給定時刻在通過在接合中鄰靠其槽 68的邊緣的銷66的半徑和軸線X'X (圖7)之間的角度。
然后對于小齒輪62、轉子42和銷66的圓的給定半徑明智地選擇所 有參數(oc、 P、 j一rot、 j—pi、 J—group),將有助于從轉子42到小齒輪 62的機械能傳遞的效率。因此，對于本發明具有(3=45度的特定的情況， 如果很好地調整間隙，則對于帶有四個銷的系統的效率接近85%，這改 進了相對于其中轉子42和小齒輪62相互粘合的情況的效率。實際上， 在后者的情況中，所有載荷在軸承60的水平處且垂直在轉子42的外周 和基片32之間因為樞轉轉矩將具有側向硅對硅摩擦的形式。然而，硅 對硅摩擦是有些不利的，其干靜態系數接近0.4。
此傳遞解決方法使得可以再次改變小齒輪62的直徑以根據載荷使 轉矩和轉速適合。此外，如果小齒輪62足夠大且突出超過板30的外周 邊緣72,則通過切口的嚙合被簡化，且驅動模塊13可以以模塊化方式 組裝在時計10的板26上，即不必拆卸/再組裝從動輪28。
根據多種變體
-轉子42微制造到位，且微制造在與促動器38、 40相同的基片32 上，以保i正匹配到軸承60且匹配到凈束爪；
-另 一個變體包括在同 一個晶片上或在另 一個晶片上分開地制造轉 子42,此轉子42然后組裝在板30或定子上。這允許在其中轉子被軸承 60引導的情況中，如果希望，則降低徑向間隙；
-由轉子42和/或小齒輪62形成了一族變體，轉子42和/或小齒輪 62由與DRIE加工不同的方法(激光切割、EDM、 LIGA、 ^:注塑等) 微制造，然后在板30上組裝到定子；
-由銷66形成了另一族變體，銷66通過第二光刻水平形成在小齒 輪62和/或轉子42內。
根據本發明的驅動模塊13通過允許使用多種直徑的小齒輪62而不 修改模塊13的剩余部分而允許了增加的模塊性，以用于適用于載荷。 因此，對于組件也獲得了增加的模塊性，因為用于連接到時計齒輪系22 的機械接口由于存在整合到驅動模塊13內且可旋轉地連接到微型馬達 36的小齒輪62而已經存在。
小齒輪62可以以例如黃銅的金屬產生，使得銷連接的銷66也以金 屬產生。小齒輪62也可以通過以塑料材料模制而與銷66成單件產生。 也可以構想具有模制上的金屬銷66的以塑料材料的小齒輪62的產生。
根據特別地在圖4和圖5中表示的實施例，小齒輪62的旋轉軸線 通過由仿形車削(profile-turned )金屬制成的階梯軸64形成，該階梯軸 64通過產生在基片32內的第一孔74插入在板30內，且階梯軸64被推 進到產生在外殼12的板106內的第二孔76內。在此實施例中，施加在 軸64上的徑向力被板106吸收。
軸64包括下端部分78，下端部分78與下部中間部分80限定了第 一肩表面82，肩表面82向頂部定向且軸向鄰靠—反30的下面。下部中間 部分80的直徑大體上等于第一孔74的直徑，且下部中間部分80延伸 到孔74內。軸包括上部中間部分84，上部中間部分84的直徑略農i小于 下部中間鄰近部分80的直徑且上部中間部分84延伸到小齒輪62的穿 孔86內，以引導小齒輪旋轉。上部中間部分84與上端部分88限定了 第二肩表面90,固定環92被維持為軸向鄰靠第二肩表面90，所述的固 定環被推在上端部分88上。
當轉子42的旋轉引導由軸承60產生時，軸承60以光刻蝕刻過程 以與第 一孔74相同的方式產生，這確定了軸64相對于軸承60的定心， 獲得了軸64、小齒輪62、軸承60和轉子42的非常好的定心。
進一步地，小齒輪62的下面包括與軸承60相對的凸部94,凸部94 防止小齒輪62軸向鄰靠轉子42,特別是在樞轉的情況中，這避免了對 轉子42的損傷。
在圖8和圖9中表示了另一個有利的實施例，其中軸64以壓配合 的方式通過圍繞第一孔74提供在基片32內的彈性固定結構96安裝在 板30內。在此實施例中，施加在軸64上的徑向力被基片32吸收且因 此被彈性固定結構96吸收。
彈性固定結構96在此由通過光刻形成在板30的后面內的柔性片98 形成。對于包括棘爪48、 50和轉子42的上部層34,前面的光刻同樣地 非常精確地相對于后面的光刻對齊和定心(誤差小于l微米)，且與軸 與板30以單件產生相比，結果是更精確地引導和定心，因為徑向間隙 可以同樣地降低到1微米。
由于此精確的對齊和此定心，可以免除軸承60,使得轉子42直接 地由軸64引導旋轉。因此，軸64可以同時引導轉子42和小齒輪62旋 轉。因為軸64通過仿形車削產生，這使得可以獲得非常有限的制造公 差，所以獲得了非常精確的組件，這保證了促動器38、 40的特別地可 靠的運行。轉子42然后由軸64的外部軸向壁引導。
軸64可以最后通過補充的固定裝置固定在板30內，例如通過以在 圖8中表示的焊縫99焊接到基片32或甚至通過粘合。
靠著軸64的摩擦的問題可以通過在軸64的外部軸向壁上沉積固體 薄層解決，這使得可以降低零件之間的摩擦。
彈性固定結構96可以特別地從在文檔CH 695 395中描述和表示的 例子中選擇，或從其他保證了軸64在板30上的精確的定心和夾緊的結 構中選擇，例如通過帶有自由端的柔性舌形成的結構。
有利地，特別地考慮圖3，促動器38、 40—起描繪了近似九十度的 角度，此角的平分線通過嚙合區70且通過轉子42的旋轉軸線Z'Z,使 得驅動模塊13具有一般的"V"形形狀，該"V"形形狀由板30的外輪 廓限定，此輪廓被優化。
板30包括承載了轉子42的中心部分100和兩個側向部分102、 104。 ^反30的外輪廓總體上對應于一起正交且形成了兩個側向部分 102、 104的兩個矩形與形成了中心部分100的橫向矩形的交叉，橫向矩
形描繪了相對于兩個其他矩形的每個的四十五度的角。每個側向部分 102、 104的表面的主要部分被促動器38、 40占據，而中心部分100的 表面的主要部分被轉子42占據。嚙合區70提供為靠近中心部分100的 外周邊緣72的一個。
優選地，區域56、 57、 58、 59布置在中心部分100上，在與嚙合 區70相對于轉子42的軸線Z'Z的相對側上。
可見驅動模塊13的"V"形形狀具有允許優化微型馬達36相對于 所使用的板30的表面的效率的優點和優化所使用的晶體或非晶體材料 的表面以產生微型馬達36和驅動模塊13的優點。因此，當板30從硅 晶片IOI產生時，如在圖IO中示意性地示出，"V"形形狀允許在晶片 表面上交錯復制板30,以最大化從給定的硅表面獲得的微型馬達36的 個數。特別地，根據在圖10中表示的例子，板30可以成平行的列以人 字形方式布置在晶片上，鄰近的兩個列Cn、 Cn+1在相對的方向上定向。
此外，兩個鄰近的列Cn、 Cn+1的兩個鄰近的玲反30具有其對齊的側向鄰 近部分102。
優選地，由兩個促動器38、 40所描繪的角度在九十度至一百四十 度之間。角度越大，則在晶片100上板30的交錯越被優化，但大的角 度要求促動器38、 40的觸針44、 46相對于其各自的對稱軸線Al、 A2 位移，這影響了促動器38、 40的機械效率。
根據在圖中表示的實施例，包含了驅動模塊13的外殼12包括下板 106，下板106被提供以固定在時計10的元件上，在此固定在芯的板12 上，且驅動模塊13的板30安裝在下板106上。外殼12包括保護蓋108, 保護蓋108覆蓋了固定在下板106上的驅動模塊13,在此通過螺釘109 固定，且其將驅動模塊13保持為靠著下板106。
下板106的上面在此包括空心或殼體110，驅動模塊13的板30以 大體上互補的方式接收在其內。
蓋108在其外部外圍邊緣的一個內包括打開凹口 112,且當蓋108 組裝在下板106上后，小齒輪62容納在此凹口 112內。
有利地，印刷電路114插入在下板106和蓋108之間，以允許微型 馬達36通過其盤56、 57、 58、 59電連接到時計10的電子模塊。
根據實施例變體(未表示)，驅動模塊13可以直接安裝在板26上， 這使得可以免除外殼12，特別地最小化了部件的個數，以便于芯27的 組裝和最小化驅動裝置的空間要求。保護元件可以提供在驅動模塊13 上以保護其部件。
權利要求
1.產生在由晶體或非晶體材料，特別是基于硅的材料制成的板(30)中的MEMS微型馬達(36)，該板包括形成基片(32)的下部層、和至少一個促動器(38，40)和一個轉子(42)蝕刻到其中的上部層(34)，促動器(38，40)驅動轉子(42)繞圓柱形軸(64)旋轉，其特征在于，軸(64)連接到板(30)，該軸(64)為階梯的，且軸向延伸通過板(30)的孔(74)，且軸(64)通過彈性固定結構(96)在孔(74)中夾緊和定心，該彈性固定結構通過蝕刻在基片(32)中產生，且布置在孔(74)的周邊上。
2. 根據權利要求1所述的微型馬達(36 )，其特征在于轉子(42 ) 通過軸(64)的外部軸向壁引導旋轉。
3. 根據權利要求1所述的微型馬達(36),其特征在于軸(64)的外部軸向壁提供有涂層，其最小化與硅的摩擦。
4. 根據權利要求1所述的微型馬達(36),其特征在于軸(64)為仿形車削的金屬輪軸。
5. 根據權利要求1所述的微型馬達(36),其特征在于板(30)為絕緣體上硅的類型。
6. 根據權利要求1所述的微型馬達(36),其特征在于轉子(42) 提供有棘輪齒，且促動器(38, 40 )通過與棘輪合作的棘爪(48, 50) 驅動轉子(42)。
7. 根據權利要求1所述的微型馬達(36),其特征在于微型馬 達包括小齒輪(62)，其與轉子(42)共軸線且通過接收在提供在轉子(42)的厚度內的槽(68)內的銷(66)旋轉地連接到轉子(42),且 小齒輪(62)通過軸(64)引導旋轉。
8. 根據權利要求1所述的微型馬達(36)，其特征在于除了彈 性固定結構(96),補充固定裝置提供為將軸(64)固定在板(30)內， 特別是粘合劑或者焊接部。
9. 時計(10)，其包括由根據權利要求1所述的微型馬達(36) 驅動旋轉的齒輪系(22)。
全文摘要
本發明涉及微機電系統微型馬達和裝備該微型馬達的時計。本發明建議了產生在由晶體或非晶體材料，特別是基于硅的材料制成的板中的MEMS微型馬達，該板包括形成基片的下部層、和至少一個促動器和一個轉子蝕刻到其中的上部層，促動器驅動轉子繞軸(64)旋轉，其特征在于，軸(64)連接到板(30)，該軸(64)為階梯的，且軸向延伸通過板(30)的孔(74)，且軸(64)通過彈性固定結構(96)在孔(74)中夾緊和定心，該彈性固定結構通過蝕刻在基片(32)中產生，且布置在孔(74)的周邊上。
文檔編號H02N1/00GK101183838SQ20071018692
公開日2008年5月21日 申請日期2007年11月13日 優先權日2006年11月13日
發明者A·贊耐特, F·布朗蒂歐, J-P·里貝歐蒂, L·帕拉特, N·戈雷, P-A·梅斯特, W·諾埃爾, Y·彼得曼德 申請人:伊塔瑞士鐘表制造股份有限公司