专利名称：由绝热玻璃制成的用于钟表机构机芯的螺旋游丝及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种由特种玻璃制成的用于钟表机芯的游丝，该游丝的制
造方法使其机械特性、特别是杨氏模量热系数(CTE)几乎完全与温度无 关，同时仍受益于非磁特性。
背景技术：
很长时间以来人们一直在寻求通过作用于构造和材料选择方面而使外 界条件、特别是温度和磁场的变化对游丝摆轮调节系统的等时性的影响最 小化。
对于游丝来说，自从发现殷钢(invar)—该殷钢为铁-镍合金-以后， 在二十世纪初，越来越复杂的合金复合物已经被提出以寻求最佳质量。例 如，欧洲专利No. 0886195公开了铌和锆的合金复合物，该复合物还包含 至少在一部分氧中形成的并使CTE值可控的填隙掺杂剂。鉴于复合物的复 杂性及稀有金属的使用，使得最终产品的成本很高。而且，制造金属游丝 依赖于复杂的冶金工艺(拉丝、硬化、退火等等)，冶金工艺不能保证对 要求的回弹特性的完美可复制性，这样在组装过程中仍需使摆轮机构和游 丝匹配。
很长时间以来人们也一直在寻求用没有金属缺陷的其他材料来代替合 金。1955年公布的瑞士专利No. 307683提出了用具有硅成分的玻璃制造游 丝，这样它的膨胀系数的值实际为零而不需要添加任何稀有金属。该专利 没有公开如何制造这样的游丝，也没有公开该游丝对CTE有何影响。
更近期的文献欧洲专利No. 1519250公开了一种游丝摆轮谐振器，该 谐振器由于沿着相对于石英晶体的晶轴的确定方向进行切割和构造而被热
补偿。只有合乎条件的人员才能完成这种制造。还可以观察到，石英的晶 体性质使得游丝在沖击下很脆，从而引起沿晶面扩展的裂缝。
发明内容
因此，本发明的目的是通过提供一种玻璃游丝来克服前述现有技术的 缺陷，该游丝通过一种既能局部地控制机械特性，特别是所述游丝的杨氏
模量热系数(CTE)和弹性系数，又能够以较低成4^比量生产的方法来制 造。
这样选择的用于制造由统一高度为h和局部宽度为l的线圏构成的玻 璃游丝的材料是一种初始杨氏模量热系数(CTEo)优选地接近于零的可感 光构造的(photostructurable)玻璃。这种玻璃通过辐照局部地改变杨氏 模量膨胀系数(CTEi),所述辐照可以附加有高温热处理。
这种改变可以沿游丝在具有不同CTEi的一个或多个线圏或线圏区域 上进行。CTEi的改变也可以在线圏宽度的一部分上、在线圏的整个或一部 分长度上、或者仅仅在线圏高度的一个部分上执行。
这种游丝可以用具有杨氏模量热系数CTEo的可感光构造的玻璃板根 据两种依赖于相同原理的方法进行批量制造。
根椐第一种方法，穿过第一掩模在对应于随后将必须在线圏之间空出 的空间的玻璃区域上进行UV照射。在下一步中，执行使已经被照射的区 域脆化的高温热处理，但是没有任何破坏作用。在下一步中，穿过第二掩 模在线圈的整个或部分宽度上进行新的UV照射以将初始CTEo改变为值 CTEj，该第二掩才莫的孔口布置在线圏、线圏区域上方。前一步骤可以用第 三掩模重复进行，并且UV照射特征仅在线圏高度的一个部分上将初始 CTE。改变为值CTE2，这个步骤优选地在所述游丝的顶面和底面上同时进 行。
很明显，第二和第三掩模可具有共同的孔口区域，从而初始CTEo变 成不同于先前值的值CTE3。
在最后一步中，使用蚀刻法除去已经通过UV和热处理^皮脆化的线圏
之间的区域。
根据第二种方法，将玻璃板固定在耐酸蚀刻的基底上，并且使用第一
4^模通过uv照射和热处理然后酸蚀刻首先使游丝成形。在这个步骤结束
时，线圏被分开但仍然连接在基底上。在至少一个随后的步骤中，穿过掩
模进行UV照射，该掩模的孔口对应于其CTEj希望被改变的线圏区域。 在最后一步中，将游丝从基底释放并可执行附加的热处理以实现对CTE 的附加调整。
如果必要的话，在第一和第二种方法中，在用于改变CTEo的每次UV 照射之后，都可以进行附加的热处理以获得对CTE的附加调整。
根据本发明的另一方面，用于限定游丝轮廓的掩模也可用于沿所述游 丝或在确定的线圏区域上改变线圏的节距和/或宽度。
根据本发明的又一方面，通过对合适的辐照源的选择，可以在线圏的 整个高度上、或者仅在线圏高度的一部分上局部地改变CTEo。
参考附图，在下面对以非限制性举例的方式给出的各种实施例的描述
中，将更清楚地看到本发明的其他特征和优点。其中 图1示出玻璃游丝；
图2至6示出改变游丝的选定区域的不同方法的俯视图7至9示出用于改变游丝的选定区域的第一种方法的步骤；
图IOA、 10B和10C示出由第一种方法改变的三个不同线圏的截面；
图11至13示出用于改变游丝的选定区域的第二种方法；以及
图14A、 14B和14C示出由第二种方法改变的三个不同线圏的直的截面。
具体实施例方式
图1示出由具有低杨氏模量热系数CTEo的可感光构造的玻璃制成的 游丝的俯视图。大量以下玻璃类型是已知的该玻璃的基于硅酸盐的组合
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物结合某种掺杂剂和/或添加剂，例如铈的氧化物、银、锡或锑，其将使玻 璃的受到紫外线辐照和热处理的部分易于以各向异性的方式被化学蚀刻， 例如利用氢氟酸。这种特性是公知的，并且已经被用于制造例如微流体
(microfluidic)装置。这种玻璃例如可从德国Schott AG获得，其商标为 Foturan ,或者从日本的Hoya Corp获得，其参考标记为PEG3。这些类 型的可感光构造的玻璃目前仅凭借其特性用于通过非常规加工技术获得 MEMS。
图2到6示出最初具有杨氏模量热系数CETo的游丝的线圏区域L的 CTE的改变的示例的俯^L图。
图2示出，对于区域ll，在整个宽度l上，初始CTEo已经改变为CTEh 很明显这种改变可以扩展到多个线圏，或者可以使杨氏模量热系数为CTEo 和CTEi的线圏区域交替。
如图3所示，也可以在一个区域ll中将初始杨氏模量热系数CTEo改 变为具有值CTE^在一个区域12中改变为具有值CTE2，这些区域初L(值 为)CTE()的区域10分隔开。区域11和区域12也可以相联接。
根据图4所示的另一实施例，可以仅在其宽度l，小于1的游丝的一个 区域ll上改变初始杨氏模量热系数CTEo。在所示的例子中，区域ll基 本位于中央，但很明显它可以设置在外表面或内表面的厚度内，或者甚至 同时设置在两者内。
图5示出另一个变型，其中在宽度为l，的外部区域ll内杨氏模量热系 数从值CTEo改变为值CTE!，在宽度为l"的内部区域12内改变为值CTE2。 这两个区域相联接。
图6示出在沿着该直区段的游丝的给定范围内，在区域11中具有值 CTEi，在区域12中具有值CTE2，在位于区域11和12之间的区域中具有 值CTEo的可能性。其他可能性将在下面的描述中说明。
通过具有这种改变所使用的可感光构造的玻璃的初始CTEo的自由， 可以在某种程度上形成一种优化的"表观"CTE，以获得几乎独立于温度 变化的游丝摆轮系统频率，即使初始CTEo稍微偏离最优值零。
还应指出，该方法和CTE的改变对膨胀系数(Xs具有有利的影响，这 与频率的确定有关，即使这种影响相当不明显。
现在将参考图7到10c来描述根据本发明的玻璃游丝的第一实施例。
图7到10c示出沿箭头S的三个高度为h的相联接的线圏的横截面。 应当指出，为了使附图更易理解，没有遵循线圏的高/宽比。
如图7所示，穿过掩模3对具有初始杨氏模量热系数CTEo和通过机 加工和抛光获得的厚度h的玻璃板1进行UV照射。掩模3包含窗口 3a， 该窗口的孔口位于区域15上方，该区域15随后必须被去除以便在线圏之 间获得希望具有的空间，即，节距p，该节距在这个例子中在每个点保持 恒定，线圏具有相同的宽度l。所使用的UV辐照源取决于所使用的玻璃的 吸收频带。例如，它是光傳分布峰值在200-400nm之间的UV灯。也可 以寸吏用其他的辐照源，例如发射峰值为308nm的EximerXeCL2激光，或 者发射峰值为248nm的KrF2。
在未示出的下一步骤中，根据玻璃的成分对可感光构造的玻璃板1进 行大约为600X:的高温热处理。这种热处理使已经受到UV照射的区域15 更容易通过随后的蚀刻而被选择性地去除。
在图8所示的步骤中，第二掩模5包括布置在线圏或线圏区域ll上方 的窗口 5a、 5b等，希望通过穿过所述窗口的UV辐照将该线圏或线圏区域 的初始CTE。改变为确定的值CTEb可以观察到，这些窗口可以仅i文置在 线圏宽度的一部分上。作为示例，窗口 5a具有基本在线圏中部的宽度lb。 且窗口 5c在线圏的一个边缘上具有宽度lc。
在工艺的这个阶段，可以进行蚀刻，这将使区域15能够被选择性去除 并释放线圏。这种蚀刻以常规方式进行，例如在环境温度和超声波下在大 约10%的氢氟酸浴中进行。
也可以进行附加的热处理以获得对改变的CTEs的附加调整。
图10a和10b以示例的形式示出可能的构型。图10a示出在两个区域 10的每一侧的宽度为lb的区域ll,其CTE已经改变为CTEp该区域IO 的初始CTEo没有被改变。在图10b中，在靠近线圏边缘的宽度lc上CTEo
改变为值CTE^很明显，根据掩模5的窗口的形状，具有改变的CTE区 域的其他构型是可能的，并且这些构型可涉及一个线圏区域、多个线圏、 或整个游丝。
现参考图9，可以看出在进行蚀刻之前，可以穿过掩模6对线圏或线 圏区域进行另外的UV照射，该掩模6在这个例子中包括具有与游丝宽度 相同的窗口 6d。通过选择合适的UV辐照，例如248nm的Eximer KrF2 激光，并通过控制曝光时间，可在区域12中将杨氏模量热系数从初始值 CTEo改变为值CTE2，该区域12仅仅穿过游丝的高度h的部分h，。
在这种情况下，如图10c所示，希望在游丝的两面上都照射游丝。
如果希望对所有的线圏都进行这种改变，很明显不需要具有任何^^模。 那么可以设想， 一旦已经安装游丝就可以执行这种UV照射，以便对CTE 值和进而频率进行精密调节。
图11到14c示出第二种制造方法和一定数量的变型，该变型也可应用 到第一种方法。在图ll所示的第一步中，将具有在本文开头描述的特征的 厚度为h的玻璃板1固定在耐酸蚀刻的基底2上。基底2例如为陶瓷板。
然后通过穿过掩模7的UV照射使游丝成形，该掩才莫7的窗口 7a、 7b 对应于线圏之间的自由空间，并且该掩模7的不透明部分确定了游丝的平 面轮廓。可以看到，通过选择合适的掩模7，可以设计出具有可变节距pa、 Pb等、具有可变宽度h、 12、 13等、或二者兼具的游丝轮廓。如前面所述， 这种方法包括高温热处理以使刚才被照射的区域脆化。
在未示出的下一步中，如第一种方法中指出的，将被照射的部分通过 酸蚀刻去除。
在下一步中，如图12所示，穿过第二掩模8进行UV照射，该掩模8 的窗口8c、 8d、 8e将限定线圏区域11,该线圏区域ll的杨氏模量热系数 将从值CTEo改变为CTE"这可以通过执行补充的高温热处理实现。
通过使用附加掩模9，如图13中所示，并且通过改变UV照射条件， 新的窗口9e、 9f、 9g将限定游丝的新的区域12，该区域12的杨氏模量热 系数将改变为值CTE2，或者如窗口 8c和9e的情况，如果掩模8和9的窗
口或窗口区域重合，则将限定区域13,该区域13的杨氏模量热系数将改 变为值CTE3。可以对被改变的区域进行补充的高温热处理。
在图14a和14b所示的最后一步中，将游丝与基底2分离。在这个例 子中，将获得分别具有值CTE、 CTE3/CTEo (图14a ) 、 CTEz/CTEi (图 14b) 、 CTE2/CTE。/CTEi的线圏或线圏区域。
通过作用于掩模的形状和/或掩模的数量，本领域技术人员可以在不脱 离本发明的范围的情况下设计其他的变型，以改进玻璃游丝的机械特性， 特别是对温度变化的抵抗力，该温度变化对等时性是有害的。
权利要求
1.一种用于钟表的包含高度为h且局部宽度为l的线圈的玻璃游丝，其特征在于，该游丝由可感光构造的玻璃制成，该玻璃的厚度值为h且杨氏模量热系数(CET0)接近于零。
2. 根据权利要求1所述的玻璃游丝，其特征在于，整个游丝 或者选定的线圏区域具有相对于所使用的可感光构造的玻璃的初始 杨氏模量热系数(CETo)的改变的杨氏模量热系数(CTEi)，所 述改变通过UV辐照以及可能的高温热处理来实现。
3. 根据权利要求2所述的玻璃游丝，其特征在于，针对游丝 的一个或多个区域在线圏的整个宽度上进行从CTEo到CTEj的改 变，每个区域的CTEi能够具有不同的值。
4. 根据权利要求2所述的玻璃游丝，其特征在于，在游丝宽 度的一部分上进行从CTEo到CTEj的改变，同一线圏区域能够具 有不同的CTEj值。
5. 根据权利要求1-4中任一项所述的玻璃游丝，其特征在 于，仅在线圏高度的一个部分上进行CTEo的改变。
6. 根据权利要求4所述的玻璃游丝，其特征在于， 一个线圏 区域在局部包4舌两个以上不同的CTEj。
7. —种制造用于钟表机芯的玻璃游丝的方法，该游丝由具有 高度为h、宽度为1的矩形横截面的线圏形成，并且在线圏之间具 有节距p，其特征在于该方法包括以下步骤a) 取厚度为h的可感光构造的玻璃板，该玻璃板的杨氏模量 热系数CTEo接近于零；b) 穿过第一掩模(3)进行UV照射，该第一掩模的窗口 (3a) 对应于随后在线圏之间必须被释放的空间；c) 进^f亍高温热处理；d) 穿过第二掩模(5)在杨氏模量热系数希望从初始值CTEo 被改变为值CTEi的线圏区域上进行UV照射；以及 e) 进行蚀刻以去除在步骤b)和c)中已经被处理的区域。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤e)之 后也进行热处理。
9. 根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，利用附加 掩模(6)将步骤d)重复至少一次，该附加掩模的窗口 (6d)对 应于初始杨氏模量热系数希望被改变为值CTE2的线圏区域。
10. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，第二掩模(5) 和附加掩模(6)具有用于将初始杨氏模量热系数改变为值CTE3 的共同窗口区域。
11. 一种制造用于钟表机芯的玻璃游丝的方法，该游丝由具有 高度为h、宽度为1的矩形横截面的线圏形成，线圏之间具有节距 p，其特征在于该方法包括以下步骤a) 将厚度为h且杨氏模量热系数CTEo接近于零的可感光构造 的玻璃板固定于耐酸蚀刻的基底上；b) 穿过第一掩模(7)进行UV照射，该第一掩模的窗口 (7a、 7b)具有和线圏之间的自由空间相同的轮廓；c) 进4亍高温热处理；d) 对穿过第一掩模的窗口被照射的区域进行蚀刻，以便将保 持在基底上的线圏经由其底部分离；e) 穿过第二掩模(8)进行第二次UV照射，该第二掩模的窗 口 ( 8c、 8d、 8e)对应于杨氏模量热系数希望从初始值CTE0 被改变为值CTEt的线圏区域，以及f) 将游丝从基底分离。
12. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在步骤e) 和f)之间也进4亍热处理。
13. 根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，利用附 加掩模(9)将步骤e)重复至少一次，该附加掩模的窗口对应于 杨氏模量热系数希望被改变为值CTE2的线圏区域。
14. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，第二掩模(8) 和附加掩模(9)具有用于将杨氏模量热系数改变为值CTE3的共 同窗口区域。
15. 根据权利要求7或11所述的方法，其特征在于，所使用 的用于限定游丝轮廓的掩模(5、 7)包含用于改变线圏之间的节 距p和/或线圏的宽度1的窗口 。
全文摘要
本发明涉及一种螺旋游丝，该游丝由可感光构造的玻璃板通过UV辐照、热处理和化学蚀刻制成，所述玻璃具有杨氏模量热系数CTE<sub>0</sub>。通过穿过一个或多个掩模的UV辐照以及可能的热处理，将螺旋游丝的选定区域的值CTE<sub>0</sub>改变为值CET<sub>i</sub>。
文档编号G04B17/22GK101361027SQ200680051505
公开日2009年2月4日 申请日期2006年11月13日 优先权日2005年11月25日
发明者J·格鲁普, T·黑塞勒 申请人:斯沃奇集团研究和开发有限公司