JP5899252B2 - 少なくとも２つの高さ方向に異なる機能をもつ単一ピース微小機械構成部品を製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも高さ方向に２つの異なる機能をもつ部品を単一のピースで形成した微小機械構成部品を製造する方法に関する。

連続的なＬＩＧＡタイプのプロセスを用いて、即ち特定の構造を有する樹脂の鋳型と、電鋳（ｇａｌｖａｎｏｐｌａｓｔｙ）によって蒸着した上記鋳型の凹み内の金属とを含む積層から、高さ方向に複数の異なる機能をもつ部品を有する金属構成部品を形成することが公知である。

しかしながら、高さ方向に複数の機能をもつ部品を形成するためのこれらの連続的なプロセスは、機能を互いに対して適切にする必要があるため実装が困難である。その上、この困難は、単一の高さへの２度のガルバニ蒸着に比べて、はるかにコストがかかることが明らかになっている。

本発明の目的は、より低いコストで実装できる少なくとも高さ方向に２つの異なる機能をもつ部品を単一のピースとして微小機械構成部品を製造する方法を提案することにより、上述の欠点の全て又は一部を克服することである。

このため本発明は、少なくとも２つの機能高さを含む単一ピースの微小機械構成部品を製造する方法に関し、この方法は以下のステップ：
ａ）上層が導電性であるシリコン基材を形成するステップ；
ｂ）基部が上記導電性の上層で形成されるキャビティを形成するために、感光性樹脂から鋳型を構成するステップ；
ｃ）金属部品を形成するために、電鋳によって鋳型のキャビティを充填するステップ；
ｄ）少なくとも高さ方向に２つの機能を有する単一ピースの微小機械構成部品を形成するために、金属部品の一部を選択的に機械加工するステップ；
ｅ）微小機械構成部品を基材及び感光性樹脂から取り外すステップ
を含むことを特徴とする。

本発明によると有利には、少なくとも高さ方向に２つの異なる機能を有する単一ピースの微小機械構成部品は、ＬＩＧＡプロセスによって形成される独特のパターンの金属部品から形成され、基材上の各金属部品の正確な位置決めを利用するために、基材上で直接機械加工されることが明らかである。

結果として、外側部分及び場合によっては内側部の寸法は、ＬＩＧＡプロセスによって得られた高い精度を維持し、単一ピースの微小機械構成部品の残りの部分は、コストを節約するために、ＬＩＧＡプロセスよりも不利な機械加工精度を有するよう構成する。このようにして、外側部分及び場合によっては内側部は極めて高い精度を維持しながら、製造がはるかに容易である少なくとも２つの異なる機能高さを含む単一ピースの微小機械構成部品を得る。

本発明の有利な特徴によると：
−シリコン基材をドープすることによって及び／又はシリコン基材に導電層を蒸着することによって、上層を導電性とし；
−シリコン基材は０．３〜１ｍｍの厚さを有し；
−ステップｂ）は、基材の導電性の上層に感光性樹脂層を蒸着する段階ｆ）、感光性樹脂の一部分を選択的に照射するステップｇ）、及び鋳型を構成するために感光性樹脂を現像するステップｈ）を含み；
−金属部品は、ＮｉＰ又はＮｉＰ１２等のニッケル−リンベースから形成され；
−本方法は、ステップｃ）とステップｄ）との間に、鋳型及び金属部品をラッピングによって平らにするステップｉ）を更に含み；
−本方法は、ステップｅ）において、感光性樹脂を取り除く段階ｊ）、及び基材を取り除く段階ｋ）を含み；
−本方法は、段階ｊ）と段階ｋ）との間に、微小機械構成部品〜基材アセンブリにコーティング層を蒸着する段階ｌ）を更に含み；
−段階ｌ）は、物理蒸着若しくは化学蒸着又は電鋳によって達成され；
−複数の微小機械構成部品が同一の基材上に形成される。

更に、本発明は時計に関し、この時計は、上記の変形例のいずれかによって得られる少なくとも２つの異なる機能高さを有する少なくとも１つの単一ピースの微小機械構成部品を含むことを特徴とする。

その他の特徴及び利点は、添付した図面を参照して非限定的な例として提供する以下の説明を読むことにより、より明らかになるであろう。

図１は、本発明の第１の実施形態による方法の最初のステップを示す図である。 図２は、本発明の第１の実施形態による方法の、図１に続くステップを示す図である。 図３は、本発明の第１の実施形態による方法の、図２に続くステップを示す図である。 図４は、本発明の第１の実施形態による方法の、図３に続くステップを示す図である。 図５は、本発明の第１の実施形態による方法の、図４に続くステップを示す図である。 図６は、本発明の第２の実施形態による方法の最終ステップを示す図である。 図７は、本発明の第２の実施形態による方法の、図６に続く最終ステップを示す図である。 図８は、本発明の第１の変形例による方法を用いて電鋳及びそれに続く機械加工を施した金属部品を示す斜視図である。 図９は、本発明の第１の変形例による方法を用いて電鋳及びそれに続く機械加工を施した金属部品を示す斜視図である。 図１０は、本発明の第１の変形例による方法を用いて電鋳及びそれに続く機械加工を施した金属部品を示す斜視図である。 図１１は、本発明の第２の変形例による方法を用いて電鋳及びそれに続く機械加工を施し、その後組み付けられた金属部品を示す斜視図である。 図１２は、本発明の第２の変形例による方法を用いて電鋳及びそれに続く機械加工を施し、その後組み付けられた金属部品を示す斜視図である。 図１３は、本発明の第２の変形例による方法を用いて電鋳及びそれに続く機械加工を施し、その後組み付けられた金属部品を示す斜視図である。 図１４は、本発明の第３の変形例による方法を用いて電鋳及びそれに続く機械加工を施し、その後組み付けられた金属部品を示す斜視図である。 図１５は、本発明の第３の変形例による方法を用いて電鋳及びそれに続く機械加工を施し、その後組み付けられた金属部品を示す斜視図である。 図１６は、本発明の第３の変形例による方法を用いて電鋳及びそれに続く機械加工を施し、その後組み付けられた金属部品を示す斜視図である。 図１７は、本発明による方法を説明するためのブロック図である。

本発明の目的は、より低いコストで実装できる少なくとも高さ方向に２つの異なる機能をもつ単一ピースの微小機械構成部品を製造する方法を提供することである。また、本方法から微小機械構成部品の全て又は一部を製造することも本発明の目的である。微小機械構成部品は、好ましくは時計に組込むためのものである。勿論、特に航空又は自動車産業等の他の分野で本発明を応用することも想定可能である。

図１７に示すように、本発明は、少なくとも高さ方向に２つの機能を有する単一ピースの微小機械構成部品３１、４１、６１、９１を製造する方法１に関する。

方法１によると、図１に示すように、第１のステップ３は、上層４が導電性であるシリコン基材２を形成するためのものである。好ましくは、シリコン基材２をドープすることによって及び／又はシリコン基材２に導電層を蒸着することによって、上層４を導電性とする。

いずれにしても、後にガルバニ蒸着物ができる限り強力に基材２に付着することが極めて重要である。実際、ステップ９に関して、金属部品２１、５１、８１が上層４、つまり基材２に極めて強力に固定されることがきわめて重要である。

本発明によると好ましくは、シリコン基材２は０．３〜１ｍｍの厚さを有する。更に、導電層を使用する場合、層は金ベース、即ち純金又はその合金製であることが好ましい。最後に、層を、例えば物理蒸着又は化学蒸着又はその他のいずれの蒸着方法によって蒸着してよい。

方法１は、図２に示すように、基部が基材２の導電性上層４によって形成されるキャビティ８を形成するために、感光性樹脂６から鋳型を構成するための第２のステップ５へと続く。

図２は簡略図に過ぎず、極めて複雑な形状を構成できることは明らかである。よって、ステップ５において複数のキャビティ８（これらは必ずしも同一の形状を有する必要はない）を感光性樹脂６の中に形成してもよく、これによって複数の微小機械構成部品３１、４１、６１、９１を同一の基材２上に形成できる。

ステップ５は好ましくは３つの段階を含む。ステップ５は、基材２の導電性上層４に感光性樹脂６を蒸着する第１の段階を含む。この段階を、スピン・コーティング又は超音波スプレーによって達成してもよい。第２の段階は、感光性樹脂の一部を選択的に照明するためである。したがって、感光性樹脂の性質に応じて、即ち樹脂がポジ型であるかネガ型であるかに応じて、後にキャビティ８となる所望の部分、又は後にキャビティ８となる所望の部分以外の部分に焦点を合わせて照明することになることは明らかである。

最後に、ステップ５は、選択的に照明された感光性樹脂６を現像することにより、鋳型を構成する、即ちキャビティ８内に残った感光性樹脂６を硬化させる第３の段階で終了する。この第３の段階は、一般にキャビティ８を形成するための化学エッチング及びこれに続く、まだ存在するいずれの樹脂を硬化させるための熱処理によって達成される。

方法１は、図３に示すように、金属部品２１、５１、８１を形成するために、電鋳によって鋳型のキャビティ８を充填する第３のステップ７へと続く。先に説明したように、金属部品２１、５１、８１は、同一の突出パターンを有する。したがって、例えば高さの高い部分にその他の機能パターンが存在する等、ＬＩＧＡプロセスの実装にあたっていずれの更なる困難が存在しないことは明らかである。

本発明によると有利には、ステップ５の極めて正確なフォトリソグラフィの結果として、極めて精度の高い外側部分及び内側部を有する金属部品２１、５１、８１を作製することができる。「内側部」とは、ステップ７において、特定の構造を有するよう形成した感光性樹脂６の、キャビティ８内にあるいずれの部分から、金属部品２１、５１、８１の開口部及び／又は孔を直接形成できる部位を意味する。

腕時計を製造するための微小機械構成部品３１、４１、６１、９１を製造する方法を実装するために、ルビー、鋼、又は真ちゅう部品とのいずれの接触に対して摩擦学的に有利な材料を使用するのが好ましい。更に、磁場に対する感受性が低いことも必要になる。最後に、ステップ９を容易にするために、材料は硬すぎないほうが好ましい。したがって、上述の制約を踏まえて、ステップ７で、ニッケル及びリンからなる合金（ＮｉＰ）、特に、ほぼ１２％に等しい割合のリンを有する合金（ＮｉＰ１２）でキャビティ８を充填することが適切であることがわかった。

方法１は、図４に示すように、少なくとも高さ（厚さ）方向に２つの異なる機能を有する微小機械構成部品３１、４１、６１、９１を形成する金属部品の一部を選択的に機械加工するステップ９へと続く。先に説明したように、金属部品２１、５１、８１の厚さは同一の突出した外形を有し、後に複数の高さの少なくとも２つの機能パターンを形成するために変形させられる。したがって、連続的なＬＩＧＡプロセスによって積層状の複数の機能をもつ部分を形成する必要なしに、所望の微小機械構成部品３１、４１、６１、９１が得られる。

このように、各金属部品２１、５１、８１が基材２の上層４上に強力に固着していることの重要性は明らかである。即ち、固着が不十分である場合、方法１は各金属部品２１、５１、８１の基材２に対する正確な位置決めを利用できなくなるか、又は金属部品２１、５１、８１が基材２から外れてしまうおそれさえある。

また、固着が強力である場合、各金属部品２１、５１、８１が基材２上に正確に位置決めされるため、ステップ９において、各金属部品２１、５１、８１が基材２上にある状態のままで、正確な寸法にプログラムできる自動機械を用いて機械加工できる。ステップ９は、各金属部品２１、５１、８１を機械加工するためのものであるが、使用する工具がもたらす応力又は除去されることになる体積によって、特定の構造を有するように形成した感光性樹脂６も図４に空白で示すように機械加工されることに留意されたい。

最後に、方法１は、図５に示すように、微小機械構成部品３１、４１、６１、９１を感光性樹脂６から取り外すステップ１１で終了する。このためステップ１１は、第１の段階１２において感光性樹脂６を取り除き、続いて第２の段階１４において基材２を取り除くためのものである。段階１２を例えばプラズマエッチングによって達成してもよく、段階１４を好ましくは化学エッチングによって達成する。好ましい様式では、導電性上層４を形成するために導電性層を使用する場合、この層もまた段階１４で除去され、場合によっては選択的化学エッチングによって除去される。

勿論、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、当業者には明らかである様々な変形や変更が可能である。特に、方法１は、ステップ７とステップ９との間に、感光性樹脂６からなる鋳型と金属部品２１、５１、８１とをラッピングによって平らにするための任意のステップ１０を含んでいてもよい。この任意のステップには、微小機械構成部品３１、４１、６１、９１の寸法を保証するため、即ち鋳型が完全に充填されることを保証するために必要となる。

同一の基材２上に複数の金属部品２１、５１、８１が存在することを利用して、所定の層でこれら金属部品をコーティングすることも想定可能である。この方法１は、図６に示すように、段階１２と段階１４との間に、微小機械構成部品３１、４１、６１、９１〜基材２のアセンブリにコーティング層１３を蒸着するための任意の段階１６を含んでいてもよい。この段階１６を、例えば物理蒸着又は化学蒸着、電鋳又はその他のいずれのタイプの蒸着によって達成してもよい。

このようにして、段階１４の終了時に、図７に示すようにコーティング層１３で部分的にコーティングされた微小機械構成部品３１、４１、６１、９１が得られる。コーティング層１３は、好ましくは微小機械構成部品３１、４１、６１、９１の摩擦学的性質を改善するためのものであり、例えばグラフェン又はダイヤモンド様炭素等の炭素同素体から形成される。しかしながら、コーティング層１３を、微小機械構成部品３１、４１、６１、９１の色又は硬度の変更等の別の機能のために使用してもよい。

例示的な時計での応用を、図８〜１６に示す３つの変形例において示す。図８〜１０に示す第１の変形例は、方法１のステップ７で得た金属部品２１を示す。部品は、中央孔２６を含み２種類の歯部２２、２４を有するほぼ星型の形態を採る。この方法１のステップ１１の終了時には、図９に示すガンギ車３１、又は図１０に示すガンギ車４１の形態の微小機械構成部品を得ることができ、これらは両方とも単一のピースで形成されており、また、コーティング層１３がコーティングされていてもされていなくてもよい高さ方向に少なくとも２つの異なる機能をもつものである。

図９の場合、金属部品２１の８つのアーム３３は、端部が機械加工され、高さの低い部分において歯部２２を形成する。金属部品２１の残りの部分、特に孔２６及び８つのアーム３５は変化しないままであり、８つのアーム３５の各端部が、高さの低い部分及び高さの高い部分において第２の歯部２４を形成している。

代替として、図１０の場合、金属部品２１の８つのアーム４３は、各アームの端部が高さの低い部分において歯部２２を形成するように機械加工される。同様に、孔２６の周辺領域を機械加工し、孔２６が高さの低い部分にのみ存在するようにする。最後に、８つのアーム４５及び高さの高い部分を機械加工し、第２の歯部２４を高さの低い部分及び高さの高い部分に維持しつつ、アーム４５の端部だけが残るようにする。

図１１〜１３に示す第２の変形例は、方法１のステップ７で得た金属部品５１を示す。部品５１は、クロス部分によって互いに対して接続される２つの平行な部分５３、５５を有する、ほぼＨ字形の形態を採る。図１１に見ることができるように、クロス部分５７は、残りの部分よりも断面が広がっている中央部分５６を含む。

したがって、方法１のステップ１１の終了時には、図１２に示すフォークの形態をもつ微小機械構成部品６１を得ることができ、これは単一ピースであり、またコーティング層１３がコーティングされていてもされていなくてもよい少なくとも高さ方向に２つの異なる機能を保有する。即ち金属部品５１は、２つの平行な部分５３、５５において２つの深さに、即ち高さ方向に３つの機能をもつ部品が形成されるように機械加工され、クロス部分５７の広がっていない部分においては単一の深さに機械加工される。

したがって、図１２に示す例では、フォーク状の微小機械構成部品６１は、高さの低い部分には平行な部分５３、５５全体のみを含み、これらは２つの角状部６２、６４を形成する。中間の高さの部分は、平行な部分５３、５５及びクロス部分５７の広がっていない部分を部分的にのみ含み、これらは肩部６３、６５を形成する。最後に、金属部品５１のクロス部分５７の中央部分５６のみが残され、最上の高さの部分のみに中央スタッドが形成される。

次に、図１３に見ることができるように、レバー７３の孔７６に中央スタッド５６を嵌合してアンクル７１を形成することによってフォーク状の微小機械構成部品６１を設けることができる。レバー７３は、ＬＩＧＡプロセスによって一体型の矢形部７８を備えた状態で得られる。レバー７３はフォーク状の微小機械構成部品６１に加えて、そのアーム７２、７４上のツメ石７５、７７及びアンクル真７９を備えている。本発明によると有利には、本発明による方法１を用いてアンクル７１の全体又は一部を得てもよいことは明らかである。例として、ツメ石７５、７７、レバー７３、矢形部７８及び孔７６は単一ピースであってよく、本発明の方法１を用いて得ることができる。

図１４〜１６に示す第３の変形例は、方法１のステップ７で得られる金属部品８１を示す。この部品８１は、基部８７によって互いに対して接続される２つの平行な部分８３、８５を有するほぼＵ字形の部品の形態を採る。図１４に見ることができるように、基部８７は、実質的に十字形の開口部８６を形成するために平行な部分８３、８５より厚くなっている。

したがって、方法１のステップ１１の終了時には、図１５に示すフォーク状の形態をもつ微小機械構成部品を得ることができ、これは単一ピースであり、また、コーティング層１３でコーティングされていてもされていなくてもよい少なくとも高さ方向に２つの異なる機能を有する。この金属部品８１は、２つの平行な部分８３、８５において単一の深さに、そして基部８７において２つの深さに機械加工され、即ち高さ方向に３つの機能をもつ部分が形成される。

図１５の例では、フォーク状の低い高さ部分には平行な部分８３、８５全体のみを含み、これらは２つの角状部９２、９４を形成している。中間の高さの部分は基部８７を部分的にのみ含み、最上の高さの部分を形成するための肩部９５を介して収縮するシリンダ９３を形成する。最後に、この収縮を利用して、高さの高い部分において開口部８６を解放して、４つのスタッド９６、９７、９８、９９を形成する。

次に、図１６に見ることができるように、レバー１０３の孔１０６の中に前記スタッド９６、９７、９８、９９を嵌合してアンクル１０１を形成することによって、フォーク状の微小機械構成部品９１を設けることができる。レバー１０３は、ＬＩＧＡプロセスによって一体型の矢形部１０８を備えた状態で得られる。第２の変形例と同様に、レバー１０３はフォーク状の微小機械構成部品９１に加えて、アーム１０２、１０４上のツメ石、及びアンクル真を設ける。本発明によると有利には、本発明による方法１を用いてアンクル１０１の全体又は一部を得てもよいことは明らかである。例として、ツメ石、レバー１０３、矢形部１０８及び孔１０６は単一ピースであってよく、本発明の方法１を用いて得ることができる。

結果として、本発明によると有利には、外側部分２２、２４、５３、５５、５６、８３、８５及び場合によっては内側部２６、８６は、ＬＩＧＡプロセスによってもたらされる高い精度を保持し、単一ピースの微小機械構成部品３１、４１、６１、９１の残りの部分は製造コストを節約した機械加工精度を有するよう構成される。したがって、少なくとも高さ方向に２つの異なる機能を有する単一ピースの微小機械構成部品３１、４１、６１、９１が得られ、この構成部品は、極めて高い精度の外側部分２２、２４、５３、５５、５６、８３、８５及び場合によっては内側部２６、８６を維持しながら極めて容易に製造できる。

勿論、本発明は、説明した実施例に限定されるものではなく、当業者には明らかである様々な変形や変更が可能である。特に、時計学の分野では、微小機械構成部品３１、４１、６１、９１はホイールセット又はアンクルの全て又は一部に限定されない。時計の他の部品、特に受け、地板又はヒゲゼンマイ等を想定してもよい。

更に、上で説明したように、特に航空又は自動車産業等、時計学以外の分野で本発明を応用することも想定できる。

１ 方法
２ 基材
４ 基材の上層
６ 感光性樹脂
８ キャビティ
２１ 金属部品
２２ 歯部
２４ 歯部
２６ 中央孔
３１ 微小機械構成部品
３３ アーム
３５ アーム
４１ 微小機械構成部品
４３ アーム
４５ アーム
５１ 金属部品
５３ 平行な部分
５５ 平行な部分
６１ 微小機械構成部品
６３ 肩部
６５ 肩部
７１ アンクル
７３ レバー
７８ 矢形部
７９ アンクル真
８１ 金属部品
８７ 基部
９１ 微小機械構成部品
９３ シリンダ
１０１アンクル
１０３ レバー

Claims (10)

1. 高さ方向に少なくとも２つの異なる形状を有する単一ピースの微小機械構成部品（３１、４１、６１、９１）を製造する方法（１）であって、以下のステップ：
   ａ）上層（４）が導電性であるシリコン基材（２）を形成するステップ；
   ｂ）基部が前記導電性の上層（４）で形成されるキャビティ（８）を形成するために、感光性樹脂（６）から鋳型を構成するステップ；
   ｃ）金属部品（２１、５１、８１）を形成するために、電鋳によって前記鋳型のキャビティ（８）を充填するステップ；
   ｄ）前記高さ方向に少なくとも２つの異なる形状を有する単一ピースの微小機械構成部品（３１、４１、６１、９１）を形成するために、前記金属部品（２１、５１、８１）の一部を選択的に機械加工するステップ；及び
   ｅ）前記微小機械構成部品（３１、４１、６１、９１）を前記基材（２）及び前記感光性樹脂（６）から取り外すステップ
   を含むことを特徴とする、方法（１）。
2. 前記シリコン基材（２）をドープすることによって及び／又は前記シリコン基材（２）に導電層を蒸着することによって、前記上層（４）を導電性とすることを特徴とする、請求項１に記載の方法（１）。
3. 前記シリコン基材（２）は０．３〜１ｍｍの厚さを有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法（１）。
4. 前記ステップｂ）は、以下の段階：
   ｆ）前記基材（２）の前記導電性の上層（４）に前記感光性樹脂層（６）を蒸着する段階；
   ｇ）前記感光性樹脂（６）の一部分を選択的に照射する段階；
   ｈ）前記鋳型を構成するために前記感光性樹脂（６）を現像する段階；
   を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法（１）。
5. 前記金属部品（２１、５１、８１）は、ニッケル−リンベース（ＮｉＰ、ＮｉＰ１２）から形成されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法（１）。
6. 前記方法は、前記ステップｃ）と前記ステップｄ）との間に、以下のステップ；
   ｉ）前記鋳型及び前記金属部品（２１、５１、８１）を研磨によって平らにするステップ
   を含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法（１）。
7. 前記方法は、前記ステップｅ）において、以下の段階：
   ｊ）前記感光性樹脂を取り除く段階；
   ｋ）前記基材を取り除く段階
   を含むこと、及び
   前記方法（１）は、前記段階ｊ）と前記段階ｋ）との間に、以下の段階：
   ｌ）前記微小機械構成部品（３１、４１、６１、９１）−前記基材（２）アセンブリにコーティング層を形成する段階
   を更に含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法（１）。
8. 前記段階ｌ）は、物理蒸着又は化学蒸着によって達成されることを特徴とする、請求項７に記載の方法（１）。
9. 前記段階ｌ）は、電鋳によって達成されることを特徴とする、請求項７に記載の方法（１）。
10. 同一の前記基材（２）上に複数の前記微小機械構成部品（３１、４１、６１、９１）を形成することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法（１）。

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