JP2004502910A

JP2004502910A - バネ、このバネを利用した駆動機構、機器および時計

Info

Publication number: JP2004502910A
Application number: JP2002509672A
Authority: JP
Inventors: 原　辰男
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2000-07-11
Filing date: 2001-07-06
Publication date: 2004-01-29
Also published as: WO2002004836A2; US20020191493A1; CN1418295A; WO2002004836A3

Abstract

電子制御式機械時計の駆動機構としての香箱車１に、ＤＬＣ薄膜からなる皮膜をコーティングした弾性素材の表面を有するゼンマイ１Ａを設ける。ゼンマイ１Ａは、皮膜により、優れた耐食性を備え、その摺動抵抗が低減されたものとなるうえ、靱性および硬度の両方を充分確保できるようになるので、比例限が大きくなり、ゼンマイ１Ａに蓄積されるエネルギ量が増える。

Description

【０００１】
技術分野
本発明は、機械要素として利用されるバネ、このバネを利用した駆動機構、機器および時計に関する。
【０００２】
背景技術
従来、弾性を備えた鋼やステンレス等の素材を加工し、用途に応じた弾性係数を備えた各種のバネが製造されている。
例えば、ガソリンエンジンの吸気バルブおよび排気バルブの駆動に利用されているコイル状のバネ、車両の足まわりに設けられる緩衝装置に利用されている板状のバネ、玩具や時計等の動力源として利用されている渦巻き状のゼンマイ等が知られている。
ここで、玩具を駆動するゼンマイは、玩具の駆動時間が短くてもよく、また、耐久性は、さほど要求されないので、鋼製あるいはステンレス製のものが採用されている。
【０００３】
一方、腕時計等の時計を駆動するゼンマイは、駆動時間が長く、また、耐久性が要求されるので、クロム、コバルトやニッケルを含む合金製等から形成され、許容応力および疲労強度に優れた高性能なゼンマイが利用されている。
ここで、コバルトやニッケルを含む合金製等から形成されたゼンマイは、酸等の化学薬品に侵食されにくく、充分な耐食性が確保されている。
【０００４】
また、ゼンマイを巻き締め、機械的エネルギを充分ゼンマイに蓄積した後、ゼンマイを開放し、ゼンマイに蓄積された機械的エネルギを取り出す際に、ゼンマイを収納する香箱等のケースとゼンマイとの接触、および、巻き締められたゼンマイの側面同士の接触により、摺動抵抗が発生し、この摺動抵抗により、前述の機械的エネルギが失われるので、二硫化モリブデン等を含む潤滑剤やテフロン（登録商標）加工等の表面処理等により、ゼンマイの摺動抵抗の低減が図られている。
【０００５】
このようなゼンマイ等のバネは、電池に比べて蓄積されるエネルギ量が小さいという問題がある。
例えば、腕時計では、ゼンマイに蓄積されるエネルギ密度は、一次電池の１／１０００程度、二次電池の１／１０程度であり、ゼンマイで駆動すると、駆動時間を２日間程度しか確保できないのに対し、一次電池で駆動すると、駆動時間を２年間以上確保できる。
【０００６】
なお、ゼンマイ等のバネに蓄積されるエネルギ量を増やすにあたり、耐食性が損なわれると、長期間にわたって利用できない場合があり、耐久性についての問題が生じる。
また、蓄積エネルギ量の増大に伴って、摺動抵抗が増大すると、バネから取り出せる機械的エネルギが減るので、蓄積エネルギ量を増大しても、実質的に利用できるエネルギの量が充分に確保できない可能性が生じる。
【０００７】
本発明の第１の目的は、蓄積されるエネルギ量が増えるようになるバネ、このバネを利用した駆動機構、機器および時計を提供することにある。
本発明の第２の目的は、優れた耐食性を備えたバネ、このバネを利用した駆動機構、機器および時計を提供することにある。
本発明の第３の目的は、摺動抵抗の低減が図れるようになるバネ、このバネを利用した駆動機構、機器および時計を提供することにある。
【０００８】
発明の開示
本発明の第１発明は、弾性を備えた素材を加工したバネであって、前記素材の表面の少なくとも一部に、前記素材とは、組成および機械的特性が異なる皮膜が形成されていることを特徴とする。
ここで、弾性を備えた素材とは、鋼やステンレス等の弾性に優れた、いわゆる弾性部材に限らず、合成樹脂等の比較的柔らかな材質からなり、ある程度の弾性を備えたものも含んだものである。
また、皮膜とは、素材の表面に他の物質を付着させた薄膜、素材である金属の表面を酸化させた酸化膜、および、素材の表面から内部に他の物質を拡散させた拡散層を含むものである。
【０００９】
このような本第１発明では、機械的特性が互いに異なる素材および皮膜でバネを形成するので、素材および皮膜のそれぞれに備えられた優れた機械的特性を活用することにより、バネに優れた耐食性を付与するとともに、その摺動抵抗を低減し、かつ、蓄積されるエネルギ量を増やすことが可能となる。
すなわち、バネに蓄えることができるエネルギＵは次式で表すことができる。
【００１０】
【数１】

【００１１】
この式において、Ｖはバネの体積、σはバネの比例限、Ｅはヤング率である。　この式から、バネに蓄えることができるエネルギＵが、ヤング率に反比例するとともに、比例限の二乗に比例しているので、所定のヤング率が確保されている場合には、バネの比例限を大きくすればよいことがわかる。
【００１２】
従って、素材および皮膜の一方に弾性に優れた材質を採用し、素材および皮膜の他方に靱性に優れた材質を採用すれば、ヤング率の確保と、比例限の増大との両方が実現でき、蓄積エネルギ量の増大を図れるようになる。
特に、硬質の皮膜を素材に形成すれば、ヤング率および比例限の両方の増大が図れ、バネに蓄積されるエネルギＵは、比例限の二乗に比例するので、ヤング率が大きくなっても、蓄積エネルギ量が確実に増大するようになる。
【００１３】
また、皮膜として耐食性に優れた材質のものを採用すれば、素材の化学的特性に関係なく、バネに優れた耐食性が付与されるようになる。
さらに、皮膜として自己潤滑性に優れた材質、あるいは、摩擦抵抗が小さい材質のものを採用すれば、潤滑剤の添加や表面処理を行わなくとも、バネの摺動抵抗の低減が図れるようになる。
【００１４】
以上のようなバネにおいては、前記皮膜として、前記素材よりも硬いものを設けることが好ましい。
このように皮膜を素材よりも硬くすれば、素材が比較的柔らかいものであっても、皮膜によって、充分大きなヤング率の確保が可能となるうえ、バネの比例限も向上して、素材の材質で充分な靱性を確保することが可能となり、バネの体積をさほど増加させることなく蓄積エネルギ量の増大が容易に図れるようになる。
【００１５】
ここで、バネには、一層の皮膜を設けるだけでなく、複数層の皮膜を設けてもよい。例えば、組成が互いに異なる複数層の皮膜を積層してもよいし、組成物の含有比率が著しく異なる複数の皮膜を積層してもよい。
このようにすれば、一種類の皮膜では、素材への付着強度、ならびに、バネの耐食性および摺動特性のすべてを改善できなくとも、特性の異なる複数種類の皮膜を設け、一の皮膜で付着強度を改善し、残りの皮膜でバネの耐食性および摺動特性等を改善することができ、高性能のバネが実現されるようになる。
【００１６】
例えば、高い硬度を備えているが、素材への付着強度が小さい第１の材質と、第１の皮膜および素材の両方に強く付着する第２の材質とを用意し、第２の材質からなる第２の皮膜を素材に直接形成し、この第２の皮膜の上に、第１の材質からなる第１の皮膜を形成すれば、付着強度の大きな第１の皮膜が得られるようになる。
あるいは、高い硬度を備えているが、耐食性および自己潤滑性に劣る第１の材質と、耐食性および自己潤滑性の両方に優れた第２の材質とを用意し、第１の材質からなる第１の皮膜を素材に直接形成し、この第１の皮膜の上に、第２の材質からなる第２の皮膜を形成すれば、耐食性および自己潤滑性の両方に優れたバネが得られるようになる。
【００１７】
また、前述のバネにおいて、前記素材を帯状に加工するとともに、渦巻き状に巻くことにより、当該バネをゼンマイとすることができる。
前述のバネをゼンマイとすれば、素材に皮膜をコーティングすることにより、蓄積されるエネルギ量が増えることとあいまって、ゼンマイの形態がエネルギを機械的に蓄積するのに好適なものであることから、同じサイズであれば、他の形態のバネよりもエネルギの蓄積量が多くなり、エネルギ密度の増大を図ることが可能となる。
【００１８】
さらに、前記素材は、弾性変形の際に圧縮力が加わる部分の表面に、前記皮膜が設けられていることが好ましい。
このようにすれば、皮膜の材質として、非常に硬く、かつ圧縮力に対して強いが、張力に対しては脆い特性を有するものを採用しても、あるいは、素材への付着強度が小さい皮膜を形成しても、圧縮力が加わる部分に皮膜を形成するので、バネを変形させても、素材から皮膜が剥がれることがなく、バネの耐久性を損なうことない。
【００１９】
そして、前記皮膜としては、前記素材よりも硬質の物質を当該素材の表面にコーティングした薄膜を採用することができる。
ここで、皮膜としてコーティング可能な材質は、非常に硬く、かつ、圧縮力に対して強いものが多数種類あり、しかも、このような材質は、容易に入手可能であるうえ、耐食性や摺動抵抗の小さいものが多いので、当該材質の皮膜を素材にコーティングすれば、エネルギの蓄積量の増大が図れるうえ、耐食性に優れ、かつ、摺動抵抗の小さいバネが容易に実現される。
【００２０】
例えば、主に炭素からなる皮膜を素材にコーティングすれば、ダイアモンドに近い硬度が得られ、バネに蓄積可能なエネルギ量が増大され、優れた耐食性がバネに付与され、かつ、バネの摺動抵抗を著しく低減される。
また、前記素材としては、非金属材料から形成されたものも採用できる。
【００２１】
前述のような本第１発明では、素材側の弾性が充分でなくとも、換言すれば、素材では充分なヤング率が確保できなくとも、皮膜側で充分な弾性が確保できるようになるので、非金属材料、例えば、合成樹脂で素材を形成しても何ら問題が生じない。
しかも、素材の材質として、靱性に優れた材質、例えば、アラミド繊維で補強された合成樹脂等が採用可能となり、靱性の向上により、この点からも、エネルギの蓄積量の増大が図れる。
【００２２】
さらに、前記皮膜としては、成膜温度が常温に近い物理的蒸着法により前記素材に形成されたものを採用するのが好ましい。
ここで、物理的蒸着法としては、成膜温度が０〜１００℃の範囲内となる高真空アーク放電蒸着法が採用でき、高真空アーク放電蒸着法によれば、炭素皮膜を素材に形成する場合には、成膜温度を２０〜６０℃の範囲内にできる。
このようにすれば、素材の材質として、熱の影響を受けやすい合成樹脂等の材質が採用可能となり、素材を形成する材質の選択範囲が広がる。
そして、精密加工が容易な合成樹脂等の材質で素材を形成すれば、射出成形等を利用することにより、高性能のバネを効率よく製造することが可能となる。
【００２３】
一方、前記皮膜としては、前述した素材の表面にコーティングした薄膜だけでなく、前記素材を構成する物質と強く結合する拡散物質を当該素材の表面から内部に拡散させることにより、当該素材よりも硬質に形成された拡散層も採用することができる。
このような拡散層を皮膜として採用した場合でも、前述の薄膜を皮膜として採用した場合と同様に、機械的特性が互いに異なる素材および皮膜でバネを形成するので、素材および皮膜のそれぞれに備えられた優れた機械的特性を活用することにより、バネに優れた耐食性を付与するとともに、その摺動抵抗を低減し、かつ、蓄積されるエネルギ量を増やすことが可能となる。
【００２４】
なお、素材がクロムを含むステンレス鋼等の合金である場合には、クロムとの結合力が強い窒素を拡散物質として採用するのが好ましい。
この際、前記素材は、熱拡散処理が可能な金属材料から形成されていることが好ましい。
このような金属材料を素材として採用すれば、合成樹脂等の他の材料に比較して金属材料は、高い温度に加熱しても、機械的特性や形状等を維持することが可能なので、素材の拡散処理を行うにあたり、処理温度を高温にでき、拡散物質の拡散速度を速め、拡散処理に要する時間の短縮が図れるようになる。
【００２５】
また、前記拡散層は、前記拡散物質の元素を含んで構成される分子からなるガスを高真空炉内に送り込み、当該素材の表面から内部に前記拡散物質を拡散させる拡散処理法により、前記素材に形成されたものであることが望ましい。
このようにすれば、素材の内部に拡散物質を混入して硬質な拡散層を形成するので、拡散層と素材との境界部分に脆弱な層が形成されることがなく、弾性変形を何度も繰り返しても、拡散層の欠損や剥離が生じることがなく、優れた耐久性を有するバネが得られるようになる。
【００２６】
本発明の第２発明は、上述のように形成したバネを利用していることを特徴とする駆動機構である。
このような本第２発明によれば、バネに蓄えることができるエネルギが増えるので、同じサイズの一般的な駆動機構よりも、連続的に駆動できる時間が長くなる。
【００２７】
また、素材および皮膜の材質を、駆動機構の用途に応じて適宜選択することにより、駆動機構の性能向上が図れる。
例えば、皮膜の材質として、耐食性に優れたのものを採用すれば、駆動機構の耐食性の向上が図れる。また、皮膜の材質として、自己潤滑性に優れたものを採用すれば、バネ自体が発生する駆動力が同じでも、駆動機構から取り出せる駆動力は、通常のバネを利用した駆動機構よりも強力となる。
【００２８】
本発明の第３発明は、上述のように形成したバネを利用していることを特徴とする機器である。
このような本第３発明によれば、前述の第２発明と同様に、バネに蓄えることができるエネルギが増えるので、連続的に運転できる時間が長くなる。
一方、運転時間を長くする必要がなければバネのサイズを小さくできるので、このバネを利用した駆動機構、ひいては、当該機器のサイズを小型化することが可能となる。
【００２９】
本発明の第４発明は、上述のように形成したバネを、電子制御式機械時計あるいは単なる機械式時計の動力源として利用するものである。
すなわち、本第４発明は、機械的エネルギを蓄積する機械的エネルギ蓄積手段と、この機械的エネルギ蓄積手段により駆動される発電機と、前記機械的エネルギ蓄積手段および前記発電機を相互に連結する輪列と、この輪列に結合された指針と、前記発電機の回転速度を制御する回転制御手段とを備えた電子制御式の時計、あるいは、機械的エネルギを蓄積する機械的エネルギ蓄積手段を備え、この機械的エネルギ蓄積手段により駆動される時計において、前記機械的エネルギ蓄積手段として、素材の表面の少なくとも一部に、前記素材とは機械的特性が異なる皮膜がコーティングされているバネを利用したことを特徴とするものである。
【００３０】
このような本第４発明によれば、バネに蓄えることができるエネルギが増え、バネの単位体積あたりのエネルギ、すなわち、エネルギ密度が大きくなるので、同じ寸法のものを採用する場合には、本第１発明のバネにより、時計の持続時間を長くすることが可能となる、あるいは、同じ持続時間を達成する場合には、バネの寸法が小さくなるので、時計の小型・軽量化が達成される。
【００３１】
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００３２】
［第１実施形態］
図１ないし図３には、本発明の第１実施形態に係る電子制御式機械時計が示されている。図１は、本第１実施形態における要部の断面図であり、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線における断面図であり、図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。
この電子制御式機械時計は、本発明に基づく機器であり、香箱車１の内部に収納されたゼンマイ１Ａを駆動機構とし、このゼンマイ１Ａで発電機２０を駆動するとともに、発電機２０の駆動速度を一定に調速することで、発電機２０に係合する指針１３，１４，１７を一定速度で回転させるようになっている。
【００３３】
図において、香箱車１には、前述のゼンマイ１Ａの他に、香箱１Ｂ、香箱真１Ｃおよび香箱蓋１Ｄが備えられている。
このうち、香箱真１Ｃは、地板２と輪列受３に支持され、角穴車４と一体で回転するように角穴ネジ５により固定されている。
角穴車４は、時計方向には回転するが反時計方向には回転しないように、こはぜ６と噛み合っている。なお、角穴車４を時計方向に回転し、ゼンマイ１Ａを巻き締める機構は、自動巻または手巻の機械時計と同様であるため、その説明を省略する。
【００３４】
ゼンマイ１Ａの回転駆動力は、歯車７〜１１からなる増速輪列を介して、発電機２０に伝達されている。
すなわち、香箱１Ｂから二番車７へは、回転数が７．０倍に増速され、二番車７から三番車８へは、回転数が６．４倍に増速され、三番車８から四番車９へは、回転数が９．３７５倍に増速され、四番車９から五番車１０へは、回転数が３．０倍に増速され、五番車１０から六番車１１へは、回転数が１０．０倍に増速され、六番車１１からロータ１２へは、回転数が１０．０倍に増速されるようになっている。これにより、香箱１Ｂの回転駆動力は、都合、１２６，０００倍に増速されてロータ１２に伝達されるようになっている。
【００３５】
これらの歯車７〜１１により、機械的エネルギ源であるゼンマイ１Ａの機械的エネルギを発電機２０に伝達する機械エネルギ伝達装置が構成されている。
二番車７には、筒かな７Ａと、筒かな７Ａに固定された分針１３とが設けられ、四番車９には、秒針１４が固定され、筒車７Ｂには、時針１７が固定されている。
ここで、香箱１Ｂの回転速度は、二番車７が毎時１回転、四番車９が毎分１回転、ロータ１２の回転速度が毎秒８回転となるように調速されている。このときの香箱１Ｂの回転速度は毎時１／７回転となっている。そして、これらの各針１３，１４，１７によって、時刻を指示する時刻指示装置が構成されている。
【００３６】
機械的エネルギ源であるゼンマイ１Ａは、図４に示されるように、全体が帯状に形成されるとともに渦巻き状に巻かれたバネである。図４（Ａ）は、香箱車１を横に破断した平断面図であり、図４（Ｂ）は、香箱車１を縦に破断した縦断面図である。
ゼンマイ１Ａの外側の端部には、他の部分よりも厚い係止部１Ｅが設けられ、この係止部１Ｅは、香箱車１の内側面に設けられた凹部１Ｆに固定されている。これら係止部１Ｅの凹部１Ｆへの固定により、巻き締められたゼンマイ１Ａが発生する時計方向の回転駆動力が香箱車１に受け止められるようになっている。
【００３７】
一方、ゼンマイ１Ａの内側の端部には、ゼンマイ１Ａの表裏を貫通する係止孔１Ｇが設けられ、この係止孔１Ｇは、香箱真１Ｃの側面に設けられた突起１Ｈと係合している。これら係止孔１Ｇおよび突起１Ｈの係合により、香箱真１Ｃの時計方向の回転駆動力が、巻き戻された状態のゼンマイ１Ａに受け止められるようになっている。
これにより、角穴車４に加えられる時計方向の回転駆動力により、ゼンマイ１Ａが巻き締められるようになっている。
【００３８】
ここで、ゼンマイ１Ａは、クロム、コバルト及びニッケルを含む合金からなる、靱性および耐久性に優れた素材を帯状に加工したものである。なお、ゼンマイ１Ａの素材を形成する合金の主要成分および含有率（重量％）は、次の通りである。
Ｃｏ：３０〜４５％、Ｎｉ：１０〜２０％、Ｃｒ：８〜１５％、Ｗ：　３〜５％、
Ｍｏ：　３〜１２％，Ｃ：０．０３％未満、　Ｔｉ：０．１〜２％、Ｍｎ：０．１〜２％、
Ｓｉ：　０．１〜２％、Ｆｅ：残
【００３９】
ゼンマイ１Ａの両面には、機械的特性が異なる皮膜がコーティングされている。なお、ゼンマイ１Ａを形成する合金としては、商品名ＳＰＲＯＮ（セイコー株式会社製）等が採用できる。
【００４０】
皮膜は、炭素のアモルファスであって、素材よりも硬い硬質のダイヤモンド・ライク・カーボン（以下、「ＤＬＣ」という。）からなる薄膜である。この皮膜は、固形カーボンを使用した高真空アーク放電による蒸着法で素材の表面に形成されたものである。この高真空アーク放電による蒸着法は、成膜温度が２０〜６０℃といった、常温に近い温度で蒸着が行える物理蒸着法である。
この皮膜は、酸やアルカリに溶解しない優れた耐食性を備えるとともに、その表面がなめららかで、摩擦係数が０．１程度の低いものとなっている。この皮膜により、ゼンマイ１Ａの表面には、優れた耐食性と、大きな自己潤滑性とが付与されている。
【００４１】
ここで、合金製の素材よりも硬いＤＬＣの皮膜を設け、皮膜によって、充分大きなヤング率の確保が可能されるようになっている。また、皮膜は、充分な靱性を確保できる範囲で通常よりも薄くなっている。これにより、ゼンマイ１Ａの厚さ寸法は、同じトルクを発生可能な通常のゼンマイよりも小さくなっている。
【００４２】
図１〜図３に戻って、発電機２０には、ロータ１２、ステータ１５およびコイルブロック１６が設けられている。このうち、ロータ１２は、ロータ磁石１２Ａ、ロータかな１２Ｂ、および、ロータ慣性円板１２Ｃを備えたものとなっている。ロータ慣性円板１２Ｃは、香箱１Ｂからの駆動トルク変動を緩和し、ロータ１２の回転数変動を少なくするためのものである。ステータ１５は、ステータ体１５Ａの周囲に４万ターンのステータコイル１５Ｂを設けたものである。
【００４３】
コイルブロック１６は、磁心１６Ａの周囲に１１万ターンのコイル１６Ｂを設けたものである。ここで、ステータ体１５Ａおよび磁心１６Ａは、ＰＣパーマロイ等の磁性体からなるものである。また、ステータコイル１５Ｂおよびコイル１６Ｂは、互いの出力電圧が加算されるように直列に接続されている。
発電機２０の回転速度は、以下に説明する回転制御回路２３により、予め設定された速度に調速されるようになっている。なお、発電機２０の回転速度は、通常の時計では、一つの設定値に設定されるが、クロノグラフ等の時計では、複数の設定値に切り替え可能に設定されている。
【００４４】
図５には、本第１実施形態における、回転制御回路２３を含んだ回路構成が示されている。
発電機２０は、ゼンマイ１Ａの回転駆動力により誘導起電力を発生する交流発電機である。発電機２０からの交流出力は、昇圧をも行う整流回路２１によって、電圧の昇圧および直流への変換が行われ、コンデンサを含んで構成された電源回路２２に供給されている。
回転制御回路２３は、所定周波数の信号を出力する発振回路２４と、この発振回路２４が出力する信号を分周する分周回路２５と、発電機２０に設けられているロータ１２の回転速度を検出する回転検出回路２６と、ロータ１２に加える制動力を制御する制動制御回路２７とを備えたものである。
【００４５】
発振回路２４は、温度変化等にほとんど左右されず、所定の周波数（３２．７６８ｋＨｚ）で安定して振動する水晶振動子２４Ａを用いた発振回路である。この発振回路２４の振動を基準としてロータ１２の回転が調節されるようになっている。
分周回路２５は、１２段のフリップフロップを備え、発振回路２４が出力する所定の周波数（３２．７６８ｋＨｚ）の信号を分周した、低い周波数（８Ｈｚ）の信号ｆｓを出力するものである。
回転検出回路２６は、発電機２０のロータ１２に回転速度に応じた信号である回転検出信号ＦＧを出力するものである。回転検出信号ＦＧは、ノイズを除去するためにバンドパス・フィルターを介して、発電機２０の出力電圧を取り出して波形整形したものである。
【００４６】
制動制御回路２７は、回転速度の基準となる信号ｆｓと回転検出信号ＦＧとを比較し、比較結果に応じて、発電機２０のステータコイル１５Ｂおよびコイル１６Ｂに流れる電流を調節することにより、発電機２０のロータ１２に加える電磁ブレーキの制動力を加減するものである。
例えば、ロータ１２に加わる電磁ブレーキの制動力を微妙に調節可能としたい場合には、制動制御回路２７として、トランジスタ等のスイッチング素子と直流抵抗とを直列に接続した回路を備え、スイッチング素子のＯＮ−ＯＦＦ動作を高速で繰り返させ、ＯＦＦ時間に対するＯＮ時間を調節することにより、電磁ブレーキの制動力を微妙に調節できるようにしたものが採用できる。
【００４７】
このような制動制御回路２７により、信号ｆｓに対して回転検出信号ＦＧの周波数が高いときは、ＯＦＦ時間に対するＯＮ時間を長くし、電磁ブレーキの制動力を強くする一方、信号ｆｓに対して回転検出信号ＦＧの周波数が低いときは、制動制御回路２７は、ＯＦＦ時間に対するＯＮ時間を短くし、電磁ブレーキの制動力を弱め、指針１３，１４，１７が正確に時刻を指示するようになっている。
【００４８】
前述のような本第１実施形態によれば、次のような効果が得られる。
すなわち、合金製の素材およびＤＬＣの皮膜といった機械的特性が互いに異なるものでゼンマイ１Ａを形成したので、素材により靱性が確保され、硬質の皮膜により充分なヤング率が確保されるので、ゼンマイ１Ａの比例限が増大し、ゼンマイ１Ａに蓄積できるエネルギ量を増大することができる。
【００４９】
そして、皮膜として優れた耐食性を備えるとともに、その表面がなめらかで、摩擦係数が低いＤＬＣの薄膜を採用し、このような皮膜で素材を覆ったので、ゼンマイ１Ａに優れた耐食性を付与できるうえ、その摺動抵抗が低減されるので、ゼンマイ１Ａから回転駆動力を取り出すにあたり、フリクションロスが低減され、より大きなトルクを得ることができる。
【００５０】
以上により、駆動機構としてのゼンマイ１Ａに蓄えることができるエネルギが増えるので、同じサイズの一般的なゼンマイよりも、連続的に電子制御式機械時計を駆動する時間が長くなり、電子制御式機械時計が動き続ける持続時間をより長いものとできる。
また、合金製の素材よりも硬いＤＬＣの皮膜を設け、皮膜によって、充分大きなヤング率の確保を可能とし、充分な靱性を確保できる範囲で、素材を薄くし、ゼンマイ１Ａの厚さ寸法を小さくできるようにしたので、完全に巻き戻された状態から、限界まで巻き締められた状態までのゼンマイ１Ａの有効巻き数が増え、この点からも、ゼンマイ１Ａに蓄積できるエネルギ量を増大することができる。
【００５１】
また、バネとして、素材を帯状に加工するとともに、渦巻き状に巻かれて形成されたゼンマイ１Ａとしたので、エネルギを機械的に蓄積するのに好適な形態となり、同じサイズであれば、他の形態のバネよりもエネルギの蓄積量が多くなり、エネルギ密度の増大を図ることができる。
さらに、皮膜の成膜方法として、固形カーボンを使用した高真空アーク放電による蒸着法を採用したので、焼き入れや焼き鈍し等の素材の熱処理を行った後に素材の表面に皮膜を成膜しても、この高真空アーク放電による蒸着法は、成膜温度が２０〜６０℃といった、常温に近い温度で蒸着が行える物理蒸着法であるので、素材が熱による影響を受けなくなり、皮膜成形後も、素材の特性を維持させることができる。
【００５２】
［第２実施形態］
図６および図７には、本発明の第２実施形態が示されている。本第２実施形態は、前記第１実施形態におけるバネとしてのゼンマイ１Ａを、キーボード３０のキー３１となる押しボタン３２を付勢するための板バネ３３としたものである。
【００５３】
図６において、キーボード３０は、パーソナルコンピュータの手入力用の機器であり、複数のキー３１を備えている。
キー３１の各々には、図７（Ａ）に示されるように、操作の際に押しボタン３２に加わる押圧力では撓まない比較的硬質の補強板３４と、この補強板３４の上に配置されたメンブレン接点部３５とが設けられている。
【００５４】
メンブレン接点部３５は、可撓性を有するとともに内面に電極パターンが形成された一対の電極シート３６と、これらの電極シート３６の間に設けられるとともに押しボタン３２の位置に応じて孔３７が形成されたスペーサ板３８とを備えたものである。このうち、電極シート３６の各々には、スペーサ板３８の孔３７の内部において対向する一対の接点３９が設けられている。
メンブレン接点部３５の上方の面には、板バネ３３が一体成形された板バネシート３３Ａが設けられている。板バネシート３３Ａは、比較的硬質の平板状の素材を備えたものである。この際、板バネシート３３Ａの素材の材質としては、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリアセタールおよびポリテトラフロロエチレン等の比較的弾性に富んだ合成樹脂、あるいは、金属が採用できる。
【００５５】
この板バネシート３３Ａのメンブレン接点部３５側の面３３Ｂには、ＤＬＣの皮膜が高真空アーク放電による蒸着法により設けられている。ここで、皮膜の素材への付着強度が充分確保できない材質で素材が形成されていても、圧縮力が加わる面３３Ｂに皮膜を形成し、板バネ３３を変形させても、素材から皮膜が剥がれないようになっている。
【００５６】
板バネ３３は、板バネシート３３Ａの一部分を、メンブレン接点部３５とは反対の方向へ切り起こすことにより形成されたものである。ここで、板バネ３３の素材は、には、弾性変形の際に圧縮力が加わる部分の表面である面３３Ｂに、前述のＤＬＣ皮膜がコーティングされている。
板バネ３３には、その一部分をメンブレン接点部３５側へ切り起こすことにより形成された押圧部３３Ｃが設けられている。これらの板バネ３３および押圧部３３Ｃは、板バネシート３３Ａの上面に設けられた箱状のハウジンク４０の内部に収納されている。
【００５７】
押しボタン３２は、ハウジンク４０よりも一回り大きい箱状の部材であり、ハウジンク４０を覆うとともに、上下に移動可能にキーボード３０に設けられている。押しボタン３２の内部には、板バネ３３へ向かって延びる突起３２Ａが設けられている。
これにより、板バネ３３の付勢力に抗して押しボタン３２を押すと、突起３２Ａが、図７（Ｂ）に示されるように、板バネ３３を介して押圧部３３Ｃをメンブレン接点部３５側へ押圧し、メンブレン接点部３５内の一対の接点３９を相互に接触させるようになっている。
【００５８】
このような本第２実施形態によれば、次のような効果が得られる。
すなわち、高真空アーク放電による蒸着法により、板バネシート３３Ａのメンブレン接点部３５側の面３３ＢにＤＬＣの皮膜を設け、板バネ３３の変形により、皮膜に圧縮力のみが加わり、張力が加わらないようにしたので、皮膜の素材への付着強度が充分確保できない材質で素材を形成しても、素材から皮膜が剥がれることがなく、板バネ３３の耐久性を向上することができる。
【００５９】
［第３実施形態］
図８には、本発明の第３実施形態が示されている。本第３実施形態は、前記第２実施形態における板バネ３３を、コイルスプリング４１としたものである。
図８において、キー４２は、前記第２実施形態のキー３１と同様に、押しボタン４３に加わる押圧力により、補強板３４の上に設けられたメンブレン接点部３５内の接点３９を互いに接触させるものである。
【００６０】
メンブレン接点部３５の上方は、平板状のカバー部材４４で覆われている。このカバー部材４４には、メンブレン接点部３５に設けられた接点３９の位置に応じて孔４４Ａが設けられている。この孔４４Ａには、合成樹脂エラストマ製の素材を備えたラバースプリング４５が嵌め込まれている。
【００６１】
このラバースプリング４５は、合成樹脂エラストマ製の素材の表面全体にＤＬＣ皮膜を形成したものである。この皮膜は、高真空アーク放電による蒸着法で形成されたものである。この皮膜により、ラバースプリング４５は、酸、アルカリおよび有機溶剤等に溶解しない優れた耐食性を備えたものとなっている。また、その素材となる合成樹脂エラストマが柔らかく、素材だけでは充分な弾性が得られなくとも、ＤＬＣ皮膜により、ラバースプリング４５は、充分な弾性を備えたものとなっている。ラバースプリング４５には、メンブレン接点部３５を押圧するために円柱状の突起４５Ａが設けられている。
【００６２】
これらの補強板３４、メンブレン接点部３５、カバー部材４４およびラバースプリング４５は、キーボード３０の筐体を形成するハウジンク４６内に設けられている。
ハウジンク４６には、メンブレン接点部３５に設けられた接点３９に応じた位置に形成された孔４７と、この孔４７を囲むように上方へ延びる筒状の案内部４８と、この案内部４８の外側に配置された断面Ｌ字形状の抜け止め部４９とが設けられている。
【００６３】
押しボタン４３の裏面には、ハウジンク４６の抜け止め部４９に係止される爪５０Ａを備えた係合突起５０、外周面が案内部４８と接触して押しボタン４３の上下移動を案内する筒状の摺動案内部５１、および、水平方向に移動しないようにコイルスプリング４１を係止させる突起５２が設けられている。
【００６４】
筒状の摺動案内部５１の内部には、有底筒状に形成された摺動部材５３が摺動可能に設けられている。
摺動部材５３は、水平方向に移動しないようにコイルスプリング４１を係止させる突起５４が底面に設けられたものである。摺動部材５３および押しボタン４３の間に、コイルスプリング４１が介装され、摺動部材５３およびメンブレン接点部３５の間に、ラバースプリング４５が介装されている。
これにより、コイルスプリング４１およびラバースプリング４５の付勢力に抗して押しボタン４３を押すと、ラバースプリング４５の突起４５Ａがメンブレン接点部３５を押圧し、メンブレン接点部３５内の一対の接点３９が接触するようになっている。
【００６５】
ここで、コイルスプリング４１は、鋼鉄製の線状に加工した素材の表面全体にＤＬＣ皮膜を形成したものである。この皮膜は、高真空アーク放電による蒸着法で形成されたものである。この皮膜により、コイルスプリング４１は、酸やアルカリに溶解しない優れた耐食性を備えるとともに、その表面の摩擦係数が低下されたものとなっている。
【００６６】
このような本第３実施形態によれば、次のような効果が得られる。
すなわち、ラバースプリング４５として、合成樹脂エラストマ製の素材の表面全体にＤＬＣ皮膜を形成したものを採用したので、ラバースプリング４５に、酸、アルカリおよび有機溶剤等に溶解しない優れた耐食性を付与できるうえ、その素材となる合成樹脂エラストマが柔らかく、素材だけでは充分な弾性が得られなくとも、ＤＬＣ皮膜により、ラバースプリング４５に、充分な弾性を付与することができる。このため、射出成形等で合成樹脂エラストマを成形することにより、高性能のラバースプリング４５を効率よく製造することができる。
【００６７】
また、コイルスプリング４１として、鋼鉄製の線状に加工した素材の表面全体にＤＬＣ皮膜を形成したものを採用したので、優れた耐食性を備え、キーボード３０の耐久性を向上できるうえ、コイルスプリング４１の表面の摩擦係数が低下されるので、スムースな操作が行えるようになり、その操作感を良好なものとできる。
【００６８】
［第４実施形態］
本発明の第４実施形態は、前記第１実施形態における物理的蒸着法により形成した薄膜からなる皮膜を、真空拡散法により、素材の表面から拡散物質を拡散させた拡散層からなる皮膜としたものである。本第４実施形態は、ゼンマイ１Ａに形成された皮膜以外については、前記第１実施形態と同様なので、ここでは、拡散層からなる皮膜についてのみ説明し、他の部分についての説明は省略する。
皮膜は、ゼンマイ１Ａの素材となる合金に含まれるクロムと強く結合する窒素を拡散物質として採用し、高真空炉の内部で窒素を素材の内部に拡散させる真空ガス窒化処理法で形成した拡散層である。
【００６９】
真空ガス窒化処理法としては、例えば、有限会社カナックの「カナック処理」および「ニューカナック処理」が採用できる。
「カナック処理」の概略について説明すると、素材が設置されるとともに高真空にされた真空炉内に、窒素原子を有するＮＨ_３を主成分とする窒化促進ガスを送り込み、素材を加熱（加熱温度：４８０〜５５０℃、加熱時間：３〜５時間）し、素材内に窒素を拡散し、窒素の拡散層を形成する拡散処理法である。
【００７０】
また、「ニューカナック処理」は、「カナック処理」で形成した拡散層をさらに強化するものであり、その概略について説明すると、「カナック処理」で処理した素材の拡散層に再度熱エネルギを与え、「カナック処理」による拡散層よりも窒素原子が高密度に分布する第１の拡散層を表面に形成するとともに、第１の拡散層よりも窒素原子の密度が低い第２の拡散層を第１の拡散層の裏側に形成する、二重構造の拡散層を形成する拡散処理法である。
【００７１】
このような本第４実施形態によれば、前記第１実施形態と同様の作用、効果を得ることができるとともに、素材の内部に窒素を拡散して硬質な拡散層を形成するので、拡散層と素材との境界部分に脆弱な層が形成されることがなく、弾性変形を何度も繰り返しても、拡散層の欠損や剥離が生じることがなく、優れた耐久性を有するゼンマイ１Ａを得ることができる、という効果を付加できる。
【００７２】
次に、本発明の効果を具体的な実施例に基づいて説明する。
【００７３】
［実施例］
本実施例は、前述の第１および第４実施形態における駆動機構として香箱車１に設けられたゼンマイ１Ａに、従来のゼンマイよりも多くのエネルギ量が蓄積できることを検証するためのものである。
本実施例のうち、実施例１では、ＳＰＲＯＮ製の素材の表面に、ＤＬＣ薄膜を形成したゼンマイ１Ａを採用し、実施例２では、ＳＰＲＯＮ製の素材の表面に、窒素の拡散層を「カナック処理」で形成したゼンマイ１Ａを採用した。
【００７４】
そして、実施例１では、所定のトルクが得られる範囲で、ゼンマイ１Ａの厚さ寸法をできるだけ小さくし、内径が１１．１ｍｍとされ、香箱真の直径が２．８ｍｍとされ、香箱周縁の側壁の厚さ寸法が１．４５ｍｍとされた香箱車１内に、前述のゼンマイ１Ａを収納し、巻き戻しの状態から巻き締めの状態まで、ゼンマイ１Ａを巻くことができる回数を求めた。
【００７５】
実施例２では、素材に拡散層を形成するために「カナック処理」を採用するとともに、実施例１と同等の性能が得られるように、ゼンマイ１Ａの作製を試みた結果、計画通り、実施例１と同等の性能を有するゼンマイ１Ａを得ることができた。
実施例１，２に係るゼンマイ１Ａの各部の寸法、ヤング率、最大トルクＴ、および、巻回数Ｎを表１に示す。
【００７６】
【表１】

【００７７】
［比較例］
本比較例は、前記実施例のゼンマイ１Ａの比較対照となる、従来からあるゼンマイの一例である。
本比較例では、ゼンマイ１Ａと同じ最大トルクが得られる、単なるＳＰＲＯＮ製のゼンマイを採用した。そして、前記実施例と同じ香箱車１内に、前述のゼンマイを収納し、巻き戻しの状態から巻き締めの状態まで、ゼンマイを巻くことができる回数を求めた。
このゼンマイの各部の寸法、ヤング率、最大トルクＴ、および、巻回数Ｎを表１に示す。
【００７８】
［実施例と比較例との対比］
実施例１，２と比較例とを比べると、実施例１，２の方が多くゼンマイをより巻くことができ、その分、電子制御式機械時計が動き続ける持続時間が延長されるようになり、実施例１，２では、比較例に対してエネルギ量を約１１％増加させることができた。
ここで、実施例１，２のゼンマイを単なる機械式時計に適用すれば、機械式時計に蓄積可能となるエネルギ蓄積量が約１１％増加し、機械式時計が動き続ける持続時間が延長されるようになる。
【００７９】
なお、本発明は、前述の各実施形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲で、その改良や変形等をも含むものである。
【００８０】
例えば、ゼンマイとしては、両面に硬質皮膜が形成されたものに限らず、渦巻き状に巻かれた状態の中心側（内側）の片面にのみに硬質皮膜が形成され、外周側（外側）の片面には硬質皮膜が形成されていないゼンマイでもよい。
このようにすれば、硬質皮膜には、常に圧縮応力が加わるが、引っ張り方向の応力が加わらないようになり、硬質皮膜は、圧縮応力に強いので、ゼンマイが巻き締められた際に大きな応力があっても、硬質皮膜が破損することはない、という効果や、ゼンマイの片側に形成されるので、硬質皮膜は、厚さ寸法が必要最低限に抑えられ、ゼンマイ全体の厚さ寸法が小さくなり、その分巻き数を多くすることができ、ゼンマイ駆動の持続時間を長くできる、という効果を付与することができる。
【００８１】
また、ゼンマイの両面に硬質皮膜を形成する場合には、一方の面に形成される硬質皮膜よりも厚さ寸法が大きい硬質皮膜を、他方の面に形成してもよく、例えば、圧縮応力が加わる面に形成される硬質皮膜を厚くし、引っ張り方向の応力が加わる面に形成される硬質皮膜を薄くしてもよく、あるいは、両方の面に形成される硬質皮膜の種類が互いに異なっていてもよく、換言すれば、一方の面に形成される硬質皮膜と異なる特性の硬質皮膜を、他方の面に形成してもよい。
さらに、バネの素材の材質としては、前記実施形態で示した合金、鋼鉄および合成樹脂に限らず、ステンレス等の他の合金、金属および非金属材料でもよく、本発明によれば、バネを形成する素材の材質の特性が良くなくとも、皮膜のコーティングにより、バネの性能を向上することができる。
【００８２】
また、皮膜となる薄膜としては、ＤＬＣ薄膜に限らず、多結晶あるいは単結晶のダイアモンド薄膜、あるいは、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化アルミニウム、炭化チタン、窒化チタンおよび立方晶窒化ホウ素等のセラミック系薄膜、もしくは、ニッケル−リン・メッキ等の金属系の薄膜でもよい。
さらに、皮膜としての薄膜の成膜方法としては、高真空アーク放電による蒸着法に限らず、他の蒸着法、スパッタ法、および、イオンプレーティング法等の物理的成膜方法、ならびに、熱ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ、および、光ＣＶＤ等の化学的成膜方法を採用してもよいが、成膜温度が常温に近いものを採用するのが好ましい。
【００８３】
また、皮膜となる拡散層としては、窒素の拡散層に限らず、他の元素からなる拡散層、例えば、素材が鉄鋼である場合には、炭素、ベリリウム、モリブデン、タングステン、バナジウム、チタンおよびタンタルの少なくとも一つを素材に浸透させた拡散層でもよい。
【００８４】
さらに、皮膜としての拡散層の形成方法としては、前述の「カナック処理」や「ニューカナック処理」等の気体による拡散処理法に限らず、固体の拡散剤と素材とを拡散炉に入れて密封し、この状態で加熱する固体拡散法や、拡散物質を含んだ液体に素材を漬け、この状態で加熱する液体拡散法も採用できるが、前記第４実施形態のように、「カナック処理」や「ニューカナック処理」を採用すれば拡散処理を行っても素材が変形しないので、精密機械である時計に最適なゼンマイを作製することができる、という効果が得られる。
【００８５】
また、素材に形成される皮膜は、一層に限らず、異なる種類の皮膜を複数層形成してもよい。このようにすれば、一種類の皮膜では、素材への付着強度、ならびに、バネの耐食性および摺動特性のすべてを改善できなくとも、特性の異なる複数種類の皮膜を設け、一の皮膜で付着強度を改善し、残りの皮膜でバネの耐食性および摺動特性等を改善することができ、高性能のバネを実現できる。
【００８６】
例えば、高い硬度を備えているが、素材への付着強度が小さい第１の材質と、第１の皮膜および素材の両方に強く付着する第２の材質とを用意し、第２の材質からなる第２の皮膜を素材に直接形成し、この第２の皮膜の上に、第１の材質からなる第１の皮膜を形成すれば、皮膜の付着強度を向上することができる。
あるいは、高い硬度を備えているが、耐食性および自己潤滑性に劣る第１の材質と、耐食性および自己潤滑性の両方に優れた第２の材質とを用意し、第１の材質からなる第１の皮膜を素材に直接形成し、この第１の皮膜の上に、第２の材質からなる第２の皮膜を形成すれば、バネの耐食性および自己潤滑性の両方を優れたものとすることができる。
【００８７】
さらに、時計としては、発電機の回転速度を制御する電子制御式機械時計に限らず、テンプとガンギ車とで回転速度を制御する通常の機械式時計でもよく、また、ゼンマイを収納した香箱を１個のみ備えたものに限らず、香箱を２個以上備えたものでもよい。
【００８８】
産業上の利用可能性
本発明は、機械要素として利用されるバネ、このバネを利用した駆動機構、機器および時計に関し、例えば、ガソリンエンジンの吸気バルブおよび排気バルブの駆動、車両の足まわりの緩衝装置、玩具や時計、ならびに、オルゴール等の動力源として利用されている渦巻き状のゼンマイ等として好適に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の第１実施形態の要部を示す平面図である。
【図２】
前記図１のＩＩ−ＩＩ線における断面図である。
【図３】
前記図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。
【図４】
前記第１実施形態の香箱車を示す断面図である。
【図５】
前記第１実施形態に係る発電機の回転制御回路を示すブロック図である。
【図６】
本発明の第２実施形態を示す平面図である。
【図７】
前記第２実施形態の要部を示す断面図である。
【図８】
本発明の第３実施形態の要部を示す断面図である。

Claims

弾性を備えた素材を加工したバネであって、前記素材の表面の少なくとも一部に、前記素材とは、組成および機械的特性が異なる皮膜が形成されていることを特徴とするバネ。
請求項１に記載のバネにおいて、前記皮膜が前記素材よりも硬いことを特徴とするバネ。
請求項１または請求項２に記載のバネにおいて、前記皮膜が複数層設けられていることを特徴とするバネ。
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のバネにおいて、前記素材が帯状に加工されるとともに、渦巻き状に巻かれることにより、当該バネがゼンマイとなっていることを特徴とするバネ。
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のバネにおいて、前記素材が弾性変形する際に、圧縮力が加わる部分の表面に、前記皮膜が設けられていることを特徴とするバネ。
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のバネにおいて、前記皮膜は、前記素材よりも硬質の物質を当該素材の表面にコーティングした薄膜であることを特徴とするバネ。
請求項６に記載のバネにおいて、前記素材が非金属材料から形成されていることを特徴とするバネ。
請求項６または請求項７に記載のバネにおいて、前記薄膜は、成膜温度が常温に近い物理的蒸着法により前記素材に形成されたものであることを特徴とするバネ。
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のバネにおいて、前記皮膜は、前記素材を構成する物質と強く結合する拡散物質を当該素材の表面から内部に拡散させることにより、当該素材よりも硬質に形成された拡散層であることを特徴とするバネ。
請求項９に記載のバネにおいて、前記素材は、熱拡散処理が可能な金属材料から形成されていることを特徴とするバネ。
請求項９または請求項１０に記載のバネにおいて、前記拡散層は、前記拡散物質の元素を含んで構成される分子からなるガスを高真空炉内に送り込み、当該素材の表面から内部に前記拡散物質を拡散させる拡散処理法により、前記素材に形成されたものであることを特徴とするバネ。
請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載のバネを動力源として利用していることを特徴とする駆動機構。
請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載のバネを利用していることを特徴とする機器。
機械的エネルギを蓄積する機械的エネルギ蓄積手段と、
この機械的エネルギ蓄積手段により駆動される発電機と、
前記機械的エネルギ蓄積手段および前記発電機を相互に連結する輪列と、
この輪列に結合された指針と、
前記発電機の回転速度を制御する回転制御手段と
を備えた電子制御式の時計であって、
請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載のバネを前記機械的エネルギ蓄積手段として利用していることを特徴とする時計。
機械的エネルギ蓄積手段を備え、この機械的エネルギ蓄積手段により駆動される時計であって、請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載のバネを前記機械的エネルギ蓄積手段として利用していることを特徴とする時計。