JP2005106819A - 温度調節されたばねてんぷ共振器 - Google Patents

Abstract

【課題】温度変化による速度変化の格段に小さいばねてんぷを提供すること。
【解決手段】結晶軸ｚに対して角θを形成するように石英単結晶から予めカットした薄辺のフォトリソグラフィおよびエッチング加工によりゼンマイの高さｈのひげゼンマイを製作することによって、ひげゼンマイの熱的振舞いをてんぷの熱的振舞いに適応させ、それによって温度変化による速度変化を減少させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、機械式時計ムーブメントの熱的変化の日差を電子石英時計の日差に同等のレベルに短縮するための温度調節された、ばねてんぷ共振器に関する。

機械式ムーブメントの日差の変化は本質的に調節部材、特にばねてんぷ次第とされ、その振動周波数が温度変化もしくは磁場の存在等の外的要因の変化により影響されることがよく知られている。温度はとりわけてんぷの慣性モーメントと螺旋体の弾性定数との両者に作用し、実際にこれら２つのパラメータの関数とされるばねてんぷの振動周波数を変化させる。

てんぷに関しては、てんぷの振動運動が磁性材料の接近によって乱されないように、一般にグルシジュール等の非磁性合金により製作される。てんぷの慣性モーメント、即ちてんぷの回転半径の変化に対する温度の影響を極減するために、きわめて多数のデバイスが１９００年代から提案されているが、それらのデバイスは本質的にカット・バイメタル・てんぷの原理に基づくとされている。

それらのデバイスについては、本発明はてんぷの幾何学的特徴に係わるものでないので、これ以上の説明は省く。

ひげゼンマイに関しては、弾性が通常使用温度範囲内で実質的に一定の合金でひげゼンマイを製造することによって温度変化による速度変化を極減する方法が古来久しく知られ、今もなおそれで十分と考えられている。それらの合金は、特にクロムやチタン、さらに他に様々な元素（Ｃ、Ｍｏ、Ｂｅ他）を硬化剤として含有する鉄ニッケル合金とされる。そのような合金は、むしろ「エリンバー」等の呼称でよく知られ、最高級品の場合は、１度ごとに速度変化２４時間内±０．６秒を得ることが可能とされるが、それでもなお磁場の影響を感じる。しかも、これらの部品の製造は複雑な冶金学的工程に依存し、所望の特徴の完全な再現性は保証されないため、てんぷとひげゼンマイを組立時に整合させることが依然として不可欠とされる。

本発明は、熱膨張率と弾性率の熱的変化によって、ひげゼンマイの製造中その弾性定数をてんぷの慣性モーメントに適応可能とする非磁性材料製のひげゼンマイにより速度変化の格段に小さいばねてんぷを提供し、それによって前述した従来技術の欠点を克服することをその目的とする。

ひげゼンマイのユニタリ・トルクとも称されるひげゼンマイの弾性定数は、Ｅを弾性率、ｈをひげゼンマイの高さ、θをその厚さ、Ｌをその展開した長さとする式Ｉの解であることが想起される。
Ｃ＝Ｅｈｅ³／１２Ｌ （Ｉ）
ばねてんぷの振動数は、式IIにより式Ｉに関係づけられる。
ｆ＝（１／２π）（√（Ｃ／Ｉ）） （II）
ただし、Ｉはてんぷの慣性モーメントを表し、式IIIに対応する。
Ｉ＝ｍｒ² （III）
ただし、ｍは質量、ｒは回転半径を表し、明らかにてんぷの熱膨張率αに依存する。

したがって本発明は、ひげゼンマイが、軸ｘを電気軸とし軸ｙを機械軸とし、ゼンマイの高さｈを結晶軸ｚと実質的に同じ向きとする結晶軸ｘ、ｙ、ｚの石英単結晶から製作された高さｈのゼンマイにより形成される機械式時計ムーブメント用のばねてんぷに関する。より正確には、高さｈが軸ｘに対して＋２５度と−２５度の間、好ましくは＋１０度と−１５度の間で可変の角度θを形成し、それによってひげゼンマイのジオメトリを変えることなくその弾性定数を変更可能とする。

ひげゼンマイのこの設計により、前記ひげゼンマイの弾性定数（式Ｉ）をてんぷの線熱膨張率αにきわめて簡単に調和させることができ、それによって前記てんぷの慣性モーメント（式III）が変わり、その結果、ばねてんぷ共振器の振動数（式II）が温度調節される。

ひげゼンマイの製造に石英を使用することによって、その優れた熱的特徴に加えて、特にエージング、酸化および磁場に対する感度に関して優れた機械的かつ化学的特性を保有する利点も提供される。

本発明はまた、そのようなひげゼンマイの、
結晶軸ｘｙｚの石英棒から薄辺をカットし、その厚さをゼンマイの所望の高さｈまで薄くする工程と、
ひげゼンマイの所望形状に輪郭を決めたマスクをフォトリソグラフィにより薄辺の表面に形成する工程と、
生成された輪郭の外側に位置する石英を湿式法もしくは乾式法エッチングによって除去し、ひげゼンマイを解放する工程と、から成る製造方法に関する。

フォトリソグラフィとエッチング技法により、一方ではひげゼンマイの外側取付部と中央のコレットをひげゼンマイ自体と同時に石英薄辺に形成し、他方で、ゼンマイの厚さｅやそのピッチ等、ひげゼンマイの他のパラメータを開発のどの時点でも選択することが可能とされる。

ひげゼンマイの弾性トルクを変え、それを与えられたてんぷの線熱膨張率に調和させるには、石英薄辺を結晶軸ｚに関して角度（Π／２）−θ、即ちひげゼンマイの高さｈの方向に対して角度θで軸ｘの周りに回転させることと同等、の面に沿ってカットする、、カットする。

以下に、本発明の他の特徴および長所を添付図面を参照して説明する。ただし、説明は例として示すもので本発明を制限するものではない。

図１は、本発明によるひげゼンマイ製造方法の第１工程を示す。この工程は、結晶軸をｘｙｚとする石英棒１を用意し、例えば、１ミリメートルの数十分の１を薄辺３の所望の高さｈとし、その厚さの薄辺３を切り出すことからなる。精確な所望の高さｈは、ブランクを切り出し、次いでこれを知られている、化学的、物理的もしくは物理化学的手段により機械加工作業に掛けて薄辺を高さｈまで薄くすることによって得ることができる。この薄辺は、結晶軸ｚに垂直な面ｘｙに角度θを形成している面ｘｙ’沿いに、即ち面ｘｙを軸ｘ中心にθ角回転させてカットする。

この薄辺３の平坦部分を示す図２で分かるように、軸ｚ’沿いの高さｈの方向は結晶軸ｚに対して角度θとなっている。

図２はまた、中央湾曲部近辺を拡大したひげゼンマイ部分に関して、本発明による方法の次の諸工程を模式的に示す。それらの工程は、ミクロ構造の知られた製造方法に従って、ひげゼンマイの輪郭５を決めるためのマスクをフォトリソグラフィにより形成し、かつひげゼンマイ生成のために除去しなければならない前記輪郭領域７の外側を決める。

所望の場合には、フォトリソグラフィやエッチング加工によって外側取付部および中央取付部、即ちひげゼンマイに一体のリングもしくはコレットの同時形成が可能である。またこの方法では、ひげゼンマイの他のパラメータ、即ちゼンマイの厚さおよび／またはそのピッチ等をひげゼンマイの開発中どの時点でも自由に選択してその効率を向上させることができる。

輪郭の外側に位置する領域７は、例えば電子時計用の音叉の製造方法等、知られた方法に従って、取り除くことができる。湿式エッチング、とりわけフッ化水素酸とフッ化アンモニウムの混合物（ＨＦ／ＮＨ₄Ｆ）によるエッチングが可能である。ドライ・エッチング、とりわけ反応性イオン・エッチングを使用する方法も可能である。

次に図３に、石英ひげゼンマイと電子時計用音叉の温度による速度変化を秒毎日で示す（曲線ａ、ｂ）。ただし、てんぷは熱膨張率α＝１４ １０⁻⁶Ｋ⁻¹の材料により製造のもであり、てんぷおよび音叉いずれも角度θ＝２度で製造される。また、縦線により、ＣＯＳＣ（Ｃｏｎｔｒｏｌｅ Ｏｆｆｉｃｉｅｌ Ｓｕｉｓｓｅ ｄｅｓ Ｃｈｒｏｎｏｍｅｔｒｅｓ；訳注、Ｃｏｎｔｒｏｌｅのｒとｌの間のｏはその上に＾が付き、Ｃｈｒｏｎｏｍｅｔｒｅｓのｍとｔの間のｅの上には｀が付く）基準により比較のために保存すべき温度範囲、即ち＋８℃と＋３８℃の間を示す。これにより、曲線ａとｂがＣＯＳＣ基準範囲内できわめて相互接近していることが認められ、折返し点１０からの最大変化値がそれぞれΔａ＝０．５秒毎日およびΔｂ＝１．２秒毎日である。

図４は、温度による速度変化を表す曲線群を示し、角度θを変えるのみで下記表１に示すように熱膨張率の異なるてんぷ同士間の速度変化を最小限とすることが可能であることを示す。
表１

熱膨張係数α 角度θ

曲線ｄ ５.１０⁻⁶Ｋ⁻¹ −１４.６゜
曲線ｅ １０.１０⁻⁶Ｋ⁻¹ −７゜
曲線ｆ １５.１０⁻⁶Ｋ⁻¹ ＋７゜
曲線ｇは、基準とした電子時計用音叉の曲線に相当する。

これにより、３０℃を含むＣＯＳＣ基準範囲内で、最大変化は約Δｍａｘ＝−０．６秒毎日、即ち２４時間内０．０２秒毎度台とされ、最高級の金属製ひげゼンマイで得られる値より格段に低いことが認められる。

本発明による石英ひげゼンマイ製造方法の重要な工程を示す図である。 本発明による石英ひげゼンマイ製造方法の重要な工程を示す図である。 本発明による石英ひげゼンマイの温度による速度変化を比較曲線とともに示すグラフ図である。 様々の切取り角度でカットされた石英薄辺により製造のひげゼンマイに関する図３と同等のグラフ図である。

符号の説明

１ 石英棒、３ 薄辺、５ 輪郭、７ 輪郭領域

Claims (12)

1. 弾性定数Ｃのひげゼンマイと、慣性モーメントＩのてんぷとを含む機械式時計ムーブメント用のばねてんぷ共振器において、ひげゼンマイが単体石英単結晶から製作の高さｈとするゼンマイで形成されることを特徴とするばねてんぷ共振器。
2. 石英が、軸ｘを電気軸とし軸ｙを機械軸とする結晶軸ｘｙｚ沿いに結晶化していることを特徴とする請求項１に記載のばねてんぷ共振器。
3. ゼンマイの高さｈ沿いの方向ｚ’が、軸ｘを中心に回転後、石英の結晶化軸ｚに対して角度θを形成することを特徴とする請求項２に記載のばねてんぷ共振器。
4. 角度θの値を、＋２５°と−２５°の間、好ましくは＋１０度と−１５度の間とすることを特徴とする請求項３に記載のばねてんぷ共振器。
5. 角度θの極限値により、前記ひげゼンマイの弾性定数をてんぷの熱膨張率に調和させることを特徴とする請求項４に記載のばねてんぷ共振器。
6. ひげゼンマイの弾性定数Ｃとてんぷの慣性モーメントＩを、両者の熱的特徴に関して、角度θの値を適切に選択することにより整合させることを特徴とする請求項３に記載のばねてんぷ共振器。
7. 中央湾曲部をリングもしくはコレットを介しててんぷに固定したひげゼンマイを含むばねてんぷ共振器の製造方法において、ひげゼンマイの高さｈが、
   軸ｘを電気軸とし軸ｙを機械軸とする結晶軸ｘｙｚの石英棒から軸ｘ、ｙ、ｚを有する薄辺をカットし、必要によりゼンマイの高さｈまで薄くする工程と、
   ひげゼンマイの所望形状に輪郭を決めたマスクをフォトリソグラフィにより薄辺の表面に形成する工程と、
   生成された輪郭の外側に位置する石英を湿式法もしくは乾式法エッチングによって除去し、ひげゼンマイを解放する工程と、を実行することによって得られることを特徴とする方法。
8. ひげゼンマイを形成する薄辺が、石英の結晶軸ｘｙｚにより決められ面に関して軸ｘ中心の回転により角度θを形成する面ｘｙ’ｚ’沿いに石英からカットして形成され、前記角度θを＋２５度と−２５度の間、好ましくは＋１０度と−１５度の間で可変とすることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. ひげゼンマイの輪郭の外側に位置する石英を除去するエッチングを湿式法、好ましくはＨＦ／ＮＨ₄Ｆ溶液によるエッチングにより行うことを特徴とする請求項７に記載の方法。
10. ひげゼンマイの輪郭の外側に位置する石英を除去するエッチングを反応式イオン・エッチング等の乾式法により行うことを特徴とする請求項７に記載の方法。
11. フォトリソグラフィとエッチング工程により、ひげゼンマイの外部および中央固定リングまたはコレットへの取付部形成をひげゼンマイとゼンマイの厚さやそのピッチ等、他の製作パラメータの選択と同時に可能とすることを特徴とする請求項７に記載の方法。
12. 得られたひげゼンマイの弾性定数をカット角度θの極限値をてんぷの熱膨張率に調和させることを特徴とする請求項８に記載の方法。

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