雕刻计时器组件的方法和使用该方法获得的计时器组件的制作方法

雕刻计时器组件的方法和使用该方法获得的计时器组件的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种用于雕刻组件(1；3)的方法，包括对组件施加激光光束(5)，从而进行加工或从组件上去除材料，并实现对加工底部的表面(6)的着色，所述激光光束(5)的脉冲每一个都持续小于1皮秒。
【专利说明】雕刻计时器组件的方法和使用该方法获得的计时器组件

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种雕刻方法，特别是一种用于对组件雕刻和着色的方法。本发明还 涉及一种元件或组件，尤其是一种计时器元件，特别是手表元件，其通过执行这样的方法而 得到。本发明还涉及一种计时器，特别是手表，其包括这种元件。

【背景技术】
[0002] 当需要在钢组件上制作具有彩底的凹槽时，通常采用加工、化学雕刻和着色方法 来获得良好效果，该方法需要使用掩膜和剧毒化合物如Cr(VI)。除了使用有毒化合物产生 的问题，由于这些方法包括多个步骤，因此耗时并难以实施。
[0003] 可以看到，在计时应用中非常需要这样的方法：造型美观很重要，且雕刻和着色必 须不能有缺陷和毛边。由于这样雕刻和着色的组件常常成为外露组件，承受震动并暴露在 环境中（如座圈（bezel)、玻璃、后盖、肩部（middle))，因此也要满足坚固性需求。任何情 况中，组件被加工后必须经过彻底清洁，而着色必须足够牢固能经受这些过程。
[0004] 专利申请EP0647720描述了使用具有kHz级脉冲重复率的纳秒激光，在钢表面上 获得了红色，其颜色取决于功率密度。
[0005] 专利US6180318提到对具有"图像层"的金属表面着色，该"图像层"包括一层金 属和金属氧化物。如果想要获得所需的着色，则这一额外的层是必要的。文献中特别提及 铝/氧化铝图像层。
[0006] 文献W09411146涉及使用长度大于5ns的激光脉冲以在表面制造（暗色）彩色区 域，尤其是在包括铬基涂层的表面上制造彩色区域。
[0007] 申请W02011163550描述了通过用皮秒激光在钢上制造周期结构，从而在钢表面 上获得掩膜。
[0008] 申请W02008097374涉及使用飞秒激光在金属样本的表面上制造周期纳米结构。 这些结构使得能够获得颜色（黑色、灰色、金色），且能够对表面进行修饰。可在铝上获得黑 色，黑色强度取决于激光的影响。


【发明内容】

[0009] 本发明的目的是提供一种用于雕刻计时器的方法，可补救上述缺陷和改进现有技 术的已有方法。特别地，本发明提出一种雕刻方法，使现有方法的简单化成为可能。
[0010] 根据本发明的雕刻方法通过权利要求1限定。
[0011] 雕刻方法的各种实施方式通过从属权利要求2-13限定。
[0012] 可与各种实施例结合的一个变形中，除非技术上不相容，在材料被去除之前，待加 工底部表面的颜色可以与组件表面的不同。
[0013] 可与各种实施例和前述变形结合的一个变形中，除非技术上不相容，去除材料和 着色可以连续实施。
[0014] 可与各种实施例和前述变形结合的一个变形中，除非技术上不相容，光束的操作 参数在加工过程中和在着色过程中可以不同。
[0015] 可与各种实施例和前述变形结合的一个变形中，除非技术上不相容，横向重叠度 (或更通常说的另一方向上的重叠度）可低于60%，或甚至约等于50%，或甚至低于10%， 或甚至低于5%,或甚至为0或基本为0。
[0016] 可与各种实施例和前述变形结合的一个变形中，除非技术上不相容，组件可由大 块材料制造。
[0017] 可与各种实施例和前述变形结合的一个变形中，除非技术上不相容，组件可由包 括至少75%重量的金的材料制造。
[0018] 可与各种实施例和前述变形结合的一个变形中，除非技术上不相容，光束可聚焦 在组件表面或基本聚焦在组件表面上。
[0019] 可与各种实施例和前述变形结合的一个变形中，除非技术上不相容，去除材料和 着色可不通过外部添加材料实现。
[0020] 可与各种实施例和前述变形结合的一个变形中，除非技术上不相容，材料的去除 可产生凹槽，所述凹槽的深度大于10 y m，尤其是大于40 y m。
[0021] 可与各种实施例和前述变形结合的一个变形中，除非技术上不相容，加工过的底 部表面的着色可以制成黑色或白色。
[0022] 可与各种实施例和前述变形结合的一个变形中，除非技术上不相容，脉冲的重复 频率可在IkHz至300kHz之间。
[0023] 可与各种实施例和前述变形结合的一个变形中，除非技术上不相容，激光的波长 可在300nm至IlOOnm之间。
[0024] 可与各种实施例和前述变形结合的一个变形中，除非技术上不相容，光束的功率 可在IW至6W之间，例如IkHz时1.4W，300kHz时5. 5W。
[0025] 可与各种实施例和前述变形结合的一个变形中，除非技术上不相容，脉冲的能量 可在0. 5 ii J至2mJ之间，尤其是在5 ii J至10 0 ii J之间。
[0026] 可与各种实施例和前述变形结合的一个变形中，除非技术上不相容，光束的能量 可使用半波片和/或偏振光束分光立方体调整，半波片使光束的线性偏振可被旋转，和/或 偏振立方体使平行于光束传播面的偏振被传递，垂直于传播面的偏振被偏转。
[0027] 可与各种实施例和前述变形结合的一个变形中，除非技术上不相容，激光光束可 以在组件上沿着平行或基本平行的曲线、尤其是线移动。
[0028] 可与各种实施例和前述变形结合的一个变形中，除非技术上不相容，激光光束可 以在组件上沿着在该方法的不同路径中方向不同的曲线、尤其是线移动。特别地，激光光束 沿着在该方法的多个连续路径中成一定角度、特别是直角的线移动。
[0029] 可与各种实施例和前述变形结合的一个变形中，除非技术上不相容，激光光束的 直径可在5 ii m至60 ii m之间，尤其是在20至30 ii m之间，特别是大约30 ii m，特别是27 ii m。
[0030] 可与各种实施例和前述变形结合的一个变形中，除非技术上不相容，光束可以低 于250_ ? s 1移动,尤其是低于200mm ^s10
[0031] 可与各种实施例和前述变形结合的一个变形中，除非技术上不相容，激光光束可 在组件上沿多条路径移动，尤其是约10条路径或约20条路径。
[0032] 可与各种实施例和前述变形结合的一个变形中，除非技术上不相容，材料的去除 产生凹槽，该凹槽在每条路径上的平均深度大于或等于4 y m，尤其是在每条路径上大于或 等于8 y m。
[0033] 除非技术上不相容，前述变形和/或前述实施例的所有特征可自由结合。
[0034] 根据本发明的元件或组件由权利要求14或15限定。
[0035] 根据本发明的钟表机构由权利要求16限定。
[0036] 根据本发明的计时器由权利要求17限定。

【专利附图】

【附图说明】
[0037] 附图以示例的方式示出根据本发明的雕刻方法的实施例。
[0038] 图1是根据本发明的雕刻方法获得的王冠；
[0039] 图2是根据本发明的雕刻方法获得的组件；
[0040] 图3是根据本发明的雕刻方法的示意图；
[0041] 图4表示在雕刻组件上由激光脉冲产生的冲击的空间表示图的主要特征；
[0042] 图5表示在雕刻组件上由激光脉冲产生的冲击的第一空间表示图；
[0043] 图6表示在雕刻组件上由激光脉冲产生的冲击的第二空间表示图；
[0044] 图7表示为了应用根据本发明方法来制造凹槽的第一激光光束扫描模式；以及
[0045] 图8表示为了应用根据本发明方法来制造凹槽的第二激光光束扫描模式。

【具体实施方式】
[0046] 本发明方法的一个实施方式中，可采用飞秒激光加工，在单次操作中对由金属或 非金属大块材料制成的组件或元件进行雕刻和着色。因此，该方法使得能够不添加额外材 料而制造凹槽，所述凹槽的底部表面显示与材料原始颜色不同的颜色，尤其是在金、钼、钢 或钛上制作黑色表面。这种进展是对传统飞秒激光加工的一种新的应用，并且使得能够在 单次操作中在金属组件上形成凹槽并且对其底部着色。
[0047] 因此，可以在基底、尤其是金属基底（如由钢、钛、金或钼制成）上制作凹槽，凹槽 的底部在单次飞秒激光加工操作中、不添加额外材料而被着上黑色。
[0048] 还可以在基底、尤其是由陶瓷或玻璃（如由锆、铝或蓝宝石）制成的基板上制作凹 槽，凹槽的底部在单次飞秒激光加工操作中、不添加额外材料而被着上白色。
[0049] 在用于雕刻组件的方法的一个实施方式中，激光光束被施加到组件上，从而进行 加工或从组件上去除材料，并对加工过的底部表面着色，激光光束的脉冲每一个都持续小 于1皮秒。因此，使用飞秒激光。
[0050] 这种技术使得能够在单次处理步骤中快速、可靠、可重复的制造图案，而不使用环 境不友好的产品。
[0051] 飞秒激光是一种特殊类型的激光，其产生长度为大约几个飞秒到几百飞秒的超短 波脉冲（IfS = 1飞秒=KT15秒）。术语"飞秒激光"和"飞秒脉冲激光"可相互替代。
[0052] 将雕刻和着色2个步骤合并在单次处理步骤中需要使用超短波脉冲激光，尤其是 飞秒脉冲激光。这是因为为了使对材料的损伤最小化，使用非常短的长度短于皮秒的脉冲 非常重要。
[0053] 与现有技术寻求获得周期性结构相比，由于获得的颜色可取决于视角，因此周期 性结构不是必须的。
[0054] 雕刻的组件可以是各种类型，特别地，可以是发条的王冠1、手表外部结构3的组 件，如座圈、法兰盘或表壳后盖、壳或表带组件或甚至钟表运动的组件，如运动坯件、金属 板、连接梁、轮乃至杠杆。
[0055] 图1表示通过实施根据本发明的方法，在方法中雕刻的发条上的王冠。形成图案 的凹槽2已经被部分制作。这些凹槽的底部显示与其他材料表面具有不同颜色和外观的表 面，在这一情况下是黑色。
[0056] 图2表示通过实施根据本发明的方法，经雕刻后的组件3。凹槽4已经被制作，形 成图案。
[0057] 图3显示根据本发明雕刻方法的横截面示意图。组件1被激光光束5冲击。这些 冲击使得制造平均深度为h的凹槽2,这些凹槽的底部6被着色。
[0058] 下述实验中使用的激光是飞秒激光（例如来自制造商Amplitude Syst細es，如网 址http ：//www. amplitude-systemes. com/描述的），该飞秒激光传递450fs长的脉冲，具 有在l-300kHz可调的可变重复率。使用的波长是1030nm，但其可通过二倍频器或三倍频器 产生二次谐波或三次谐波从而调整为515nm或343nm。传递的平均功率通常在重复率IkHz 时为1.4W，在重复率300kHz时为5. 5W。平均能量在18ii J和1.4mJ之间可调，而出口的激 光偏振是线性的。
[0059] 使光束成型的光学系统包括各种元件，使得能够调整光束的传输能量、偏振和尺 寸。能量调节模块由半波片和偏振光束分光立方体制成。半波片使激光光束的线性偏振可 被旋转。偏振器立方体使平行于光束传播面的偏振被传递，垂直于传播面的偏振被偏转。因 此该设备使由激光传递的用于加工的能量可以被精确选择。在能量调节模块之后放置四分 波片，使激光光束的线性偏振变成圆偏振。烧蚀效果会受到与追踪路径相关的线性偏振取 向的直接影响，而使用圆偏振则可以保证这种效果不会导致发生不均。但是，本发明既可采 用线性偏振又可用圆偏振。
[0060] 接着，由2个透镜（发散透镜和会聚透镜）组成的无聚焦系统使得在聚焦前增加 光束尺寸。聚焦前光束尺寸的增加使聚焦光束的最终尺寸减小。实验通过X2到X8之间 的反聚焦（afocal)进行。
[0061] 工作站装有平移和回转台、扫描模块、显微型观察系统，该工作站使得能够对试样 精确定位，并且使用了照明系统和用于真空除尘的系统。
[0062] 通过电控的光学光束偏离器使光束扫描整个目标物。通过控制软件形成所需图 案。使用的扫描头是ScanLab的IntelliScan头。扫描孔径为14mm，并且对于llm/s的定 位速度，可获得的标记速度约为4m/s。扫描模块使用的透镜是平场聚焦透镜或远心透镜。 与弯曲的标准透镜相比，平场聚焦透镜和远心透镜使得在XY场的任意位置获得聚焦面。这 使得能够在场内任意位置保证稳定的聚焦光束尺寸。对于平场聚焦透镜，光束定位直接与 扫描器施加的角度相关（proportional to)，而光束总是垂直于用于远心透镜的样品。实验 中测试的两个透镜中，平场聚焦透镜焦距为100mm，远心透镜焦距为60mm。优选使用IOOmrn 的透镜。
[0063] 对整个目标进行光束扫描足以对获取的结果产生实质影响。特别地，如果需要同 时实施雕刻和着色，那么使用的扫描速度和扫描间距很关键。
[0064] 图4显示三束激光脉冲冲击11在组件或目标物上的位置。两个即时连续冲击在 第一方向上排成一行，并且分离间距为L(测量两个连续冲击的中心）。间距由重复率T和 扫描速度V(如在第一方向上的移动速度）确定，L = V/T。例如，如果V = 100mm/S，T = 100kHz，则在大多数实验中，L= Iii m。Rf。。是目标物或组件上的光束半径，在半高处测量 (光束的直径为Df。。= 2 ? RfJ。优选的，光束聚焦在待加工的组件的表面。
[0065] 扫描线一旦终止（第一方向上），光束就在垂直于第一扫描方向的第二方向上移 动距离L'，以开始一条新扫描线的加工过程：距离L'也被称作"扫描间距"。
[0066] 距离L使纵向重叠度被限定，而距离L'则使横向重叠度被限定。这些重叠度代表 第一方向（扫描方向）和第二方向上的两个相邻冲击的共同区域。纵向重叠度〇(如在第 一方向上）被定义为：
[0067]

【权利要求】
1. 一种用于雕刻元件（1 ;3)的方法，其特征在于，包括对所述元件施加激光光束（5)， 从而进行加工或从所述元件上去除材料，并对加工过的底部表面（6)着色，所述激光光束 (5)的脉冲每一个都持续小于1皮秒。
2. 根据前述权利要求所述的方法，其中， -所述元件由钢或钛制造，所述光束的直径、所述元件的扫描速度和所述脉冲的重复频 率可选择为使得第一方向上尤其是纵向上的重叠度高于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钼合金制造，所述光束的直径、所述元件的扫描速度和所述脉冲 的重复频率可选择为使得第一方向上尤其是纵向上的重叠度高于90%，或甚至高于95% ; 或 -所述元件由陶瓷、红宝石或蓝宝石制造，所述光束的直径、所述元件的扫描速度和所 述脉冲的重复频率可选择为使得第一方向上尤其是纵向上的重叠度高于90%，或甚至高于 95%。
3. 如权利要求1或2所述的方法，其中， -所述元件由钢或钛制造，所述光束的直径、所述元件的扫描速度和所述脉冲的重复频 率可选择为使得第二方向上尤其是横向上的重叠度介于〇%至< 100%之间，尤其是介于 20%至< 100%之间，优选介于50%至< 100%之间；或 -所述元件由金合金或钼合金制造，所述光束的直径、所述元件的扫描速度和所述脉冲 的重复频率可选择为使得第二方向上尤其是横向上的重叠度为〇或基本为〇 ;或 -所述元件由陶瓷、红宝石或蓝宝石制造，所述光束的直径、所述元件的扫描速度和所 述脉冲的重复频率可选择为使得第二方向上尤其是横向上的重叠度在50%至< 100%之 间，优选80至< 100%之间或甚至90至< 100%之间。
4. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述激光光束的操作参数使得能够进行 加工或从所述元件上去除材料，并对加工过的所述底部表面着色。
5. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其中去除材料和着色同时实施。
6. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其中两个脉冲对所述元件的冲击区域部分重 叠，尤其是两个连续脉冲对所述元件的冲击区域部分重叠。
7. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述光束的直径、所述元件的扫描速度 和所述脉冲的重复频率可选择为使得第一方向上尤其是纵向上的重叠度高于90%，或甚至 高于92%或甚至高于94%。
8. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述光束的直径、所述元件的扫描速度 和所述脉冲的重复频率可选择为使得第一方向上尤其是纵向上的重叠度低于100%，或甚 至低于99. 8%。
9. 如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述元件由钢、尤其是904L钢或P558 钢制造，或由钦制造。
10. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述元件由贵重材料、尤其是18克拉 金合金或Pt950钼合金制造。
11. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述元件由陶瓷、红宝石或蓝宝石制 造。
12. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其中材料的去除产生凹槽，所述凹槽在每条 路径上的平均深度大于或等于4 y m，尤其是在每条路径上的平均深度大于或等于8 y m。
13. 如前述权利要求中任一项所述的方法，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. 一种元件，尤其是一种计时器元件，特别是一种手表元件，其通过实施如前面任一 项权利要求所述的方法而获得。
15. -种元件，尤其是一种计时器外部元件，特别是法兰盘、座圈、壳体、或玻璃、或腕带 元件，其通过实施如前述权利要求1-13中任一项所述的方法而获得。
16. -种包括如权利要求14或15所述兀件的钟表机构。
17. -种计时器，尤其是一种手表，其包括前述权利要求所述的机构或权利要求14或 15所述的元件。
【文档编号】B23K26/36GK104334311SQ201380014191
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2013年3月12日 优先权日:2012年3月12日
【发明者】亚历山大·奥利韦拉 申请人:劳力士有限公司