JP2008501967A - 温度補償天輪／ヒゲゼンマイ発振器 - Google Patents

Abstract

本発明は、温度補償されたゼンマイと天輪とからなる組立体を有する機械式携帯時計の発振器に関する。前記ゼンマイは、該ゼンマイとそれが取り付けられる天輪とのドリフトが熱的に補償されるようにその断面が選択される石英基板中に形成される。この基板の断面は、単一又は二重回転の断面の形式で具現化することができる。この発明は時計に使用することができる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、一般に機械式発振器に関し、より詳しくは、ヒゲゼンマイと天輪とから形成される温度補償組立体を有する、携帯時計用機械式発振器に関する。

調速機とも称される、時計の機械式発振器は、天輪と称されるはずみ車と、ヒゲゼンマイと称される渦巻形のばねとを有して形成されている。該渦巻状のばねは、その一端が天輪の部材に固定されており、他端が、前記天輪の部材が軸支回動するアンクル受けに固定されている。天輪／ヒゲゼンマイはその平衡位置を中心として、時計の動作を決定するので、可能な限り一定に保たれなければならない周波数で発振する。均質で均一なヒゲゼンマイに対しては、このような発振機構の発振周期は次の式によって与えられる。

ここにおいて、
Ｊ_ｂは天輪／ヒゲゼンマイの全慣性モーメントであり、
Ｌ_ｓはヒゲゼンマイの活性部分の長さであり、
Ｅ_ｓはヒゲゼンマイの弾性率であり、
Ｉ_ｓはヒゲゼンマイの一部の第二モーメントである。

温度変動は、次式のように発振周期の変動に帰着する。一次の階数：

即ち、Ｊ_ｂ、Ｌ_ｓ及びＩ_ｓに対する拡張効果とＥ_ｓに対する熱弾性効果である。温度が上昇すると、最初の３つの項目は一般的に正（天輪の拡張、ヒゲゼンマイの伸長、及びヤング率の低下）であって遅れを生じるのに対し、最後の項目（ヒゲゼンマイの断面の増加）は負になって進みをもたらす。過去において、この問題を軽減するために、温度による周波数のドリフトを補償するいくつかの方法が提案されてきた。特に言及するのは、天輪（例えば、鋼と真鍮とによって作られるバイメタル性の天輪）の慣性モーメントの熱的調節による補償方法と、ヒゲゼンマイに非常に小さな熱係数を有する特別な合金（例えば、インバール）を使用することによる補償方法とである。これらの方法は複雑であり、実施するのに難しく、結果として高価なものとなっている。

より最近は、欧州特許出願 EP 02026417.5 において、本願出願人は、珪素基板中で製造される渦巻状ばねのばね定数を熱補償する方法を記載した。インバール型の鋼（例えば、住宅用鉄鋼Nivarox-Far S.A.）で作られたヒゲゼンマイの場合は、２〜３ppm/℃でやや過剰に補償しす過ぎる場合もあるが、酸化珪素で作られた渦巻状ばねが、ばねそのものの熱的挙動を調節することが可能になる。この過剰補償の限度は、実際に製造することのできる前記酸化物の最大厚さ（現在のところ４μm未満）と、珪素製ヒゲゼンマイの断面の最小許容幅（40μmより大きい）とによる。結果として、天輪も熱的に補償されなければならない。これは、例えば、「グルシドゥール」型の合金（「グルシニウム」とも称される銅−ベリリウム合金）、又は非常に小さい熱膨張係数を有する他の合金を用いることによって得ることができる。この方法も複雑であり、より従来的な他の方法を超えるものではなく、例えば、発振器内の様々な摩擦効果、バランスを欠いた天輪、ヒゲゼンマイの質量中心が中心から外れることによる欠点など、他の等時性の欠点を修正することができない。

欧州特許出願 EP 02026417.5

本発明の目的は、時計の発振器用のヒゲゼンマイを提案することによって、従来技術の欠点を低減することである。熱変動に関するヒゲゼンマイの挙動は、天輪／ヒゲゼンマイ組立体を可能な限り前記熱変動に依存しないようにすることを可能にする。より正確には、本発明のヒゲゼンマイは、自動補償されているのみならず、天輪の熱ドリフトも補償されるように製造することができる。

本発明の他の目的は、天輪／ヒゲゼンマイの構造に固有に等時性の欠点を補償することができるようにすることである。

これらの目的は、請求項に記載されている特徴を有する発振器によって達成される。

より正確には、本発明のヒゲゼンマイは結晶性石英基板中で製造され、そのカット面は、ヒゲゼンマイと天輪とからなる組立体が熱的に補償されるように選択される。

本発明の他の特長によると、ヒゲゼンマイの形状は、天輪／ヒゲゼンマイ組立体の不等時性の欠点を補償するように選択される。

石英は、電子携帯時計の分野ではよく知られており、圧電現象によって発振器として機能させるために研究されてきた。従来技術の時計用語の語彙の影響によって、発振という用語が使われているが、振動という用語がより適している。周波数は約32 KHzにまで達することができる。使用される石英結晶の挙動は動作条件下で必ずしも安定ではなく、また、この欠点を低減するために、石英結晶のカット面は、様々な振動モードを組み合わせて全体として安定な挙動が得られるように選択される。

ここで、機械式の時計で使用される渦巻状の天輪は実際に発振し、この現象は純粋に機械的である。発振の振動数は多くても約５Ｈｚである。

前記２つの方法における石英の挙動は、全く類似していない。当業者にとっては、電子時計から得られる情報を機械式の時計において使用する理由は全くない。電子時計において使用される石英の発振器に関して蓄積された知識を、直接的に渦巻状のばねに導入することはできない。

石英製の渦巻状ばねの熱的挙動は、石英結晶の光軸Ｚに対するカット面の傾斜角度によって実質的に決定される。図１に示されるように、ヒゲゼンマイを含む平面はZY／φ／θ二重回転（IEEE規格による表記）によって同定され、ここにおいて、φは経度、θは余緯度（結晶の光軸Ｚに対するヒゲゼンマイの軸の傾斜）である。

張力と剪断力との両方における結晶の硬度は、一般に、０℃に近い位置で負の湾曲を描く逆転温度点を有している。結晶は、低温ではより硬くなる。したがって、室温、即ち25℃での、結晶の一次の熱係数は一般に負の湾曲を有する負の値である。該係数は、数10〜数100 ppm／℃で変化する。石英は、室温で、カット面、即ち構造体の配向によって硬度の一次熱係数を相殺し、さらに数10 ppm／℃の値を有して該係数を正にするのが可能な希少な結晶の１つである。

酸化珪素又はインバール型の鉄鋼で作られたヒゲゼンマイとは異なり、石英製のヒゲゼンマイはグルシドゥール型の補償された天輪を必要としない。石英製のヒゲゼンマイは、ステンレス鋼で作られた最も標準的なグレードの低い天輪の熱ドリフトを補償することを可能にし、また、ある点においては、32 KHzの石英製音叉の熱ドリフトよりも望ましいものにする。

本発明による天輪／ヒゲゼンマイ発振器は、以下に記載の特徴の全て又は一部を有している。
−ヒゲゼンマイは石英基板中に作られ、そのカット面は、二重ZY／φ／θ回転カット面である。
−ヒゲゼンマイは石英基板中に作られ、そのカット面は、一重Ｘ／θ回転カット面である。
−ヒゲゼンマイは石英基板中に作られ、そのカット面は、一重Ｙ／θ回転カット面である。
−角度θは、前記ヒゲゼンマイの一次の熱係数αが天輪の熱ドリフトを補償するようになっている。
−角度θは、前記天輪／ヒゲゼンマイ組立体の熱ドリフトを示す曲線が時計学のテンプレート内にあるようになっている。
−ヒゲゼンマイの厚さ、及び場合によってはピッチが、天輪の等時性の欠点を補償するように調節されている。

本発明の他の目的、特徴、及び効果は、本発明を制限しない例を用いて添付の図面を参照してなされる以下の記載を読むことによって明らかになろう。

先に記載したように、石英製のヒゲゼンマイの熱的挙動は、それが製造される板のカット面に実質的に依存する。これに関して、ZY／φ／θ二重回転カット面について、図１に示されているように、温度25℃での、ヒゲゼンマイの硬度の一次の熱係数α、二次の熱係数β、及び三次の熱係数γが、それぞれ図２ａ〜２ｃに示されている。縦軸は、α、β、及びγの値を、それぞれppm/℃、ppb/℃²、及びppt/℃³の単位で示している。図３ａ〜３ｃは、図２のグラフの等位線を示している。一次の熱係数αに関する図３ａを特に考慮すると、この値が実際的に角度φからは独立しており、角度θと共に変化することが理解される。さらに、二次及び三次の熱係数が無視し得ることがわかるので、本発明によるヒゲゼンマイを製造するのには、例えばＸ／θカットなどの単一回転カットで十分である。即ち、単一回転カットによってヒゲゼンマイの熱ドリフトを補償することができるだけではなく、それが接続される天輪の熱ドリフトも補償することができる。このようなカット面を有する板が図４に示されている。これは、結晶の光軸Ｘを中心として角度θの単一回転を行うことによって得ることができる。このタイプの板において製造されるヒゲゼンマイは、最大限の弾性対称性、即ち、ＹＺ平面に関する対称性と、ヒゲゼンマイの軸（回転後のＺ’軸）に関する対称性を有する。これらのヒゲゼンマイは、二重回転カット板で製造されたヒゲゼンマイよりも弾力性という点でよくバランスが取れており、その熱補償能力に何等制限もない。単一回転をＹ軸を中心として行うことができることも指摘しておく。

図５ａ〜５ｂは、Ｘ／θ単一回転カット面内で形成されたヒゲゼンマイについて、角度θの関数としての、硬度の熱係数α、β及びγの変化を示している。これらの係数は、軸θ＝０に関して実質的に対称である。一次の係数αのみを考慮すれば（他の高次の係数ははるかに小さく、無視可能な影響しか及ぼさない）、θ＝±24.0゜の場合にこれが０に等しく、θ＝０の場合に最大値を取ることに注意されたい。この点において、αは13.466 ppm/℃に等しく、これはＸ／θ＝０カット面を有する石英で作られたヒゲゼンマイについて達成することのできる最大の温度補償値に対応する。天輪の熱ドリフトは、天輪が作られる材料に依存する。現在のステンレス鋼は、通常、10〜15 ppm/℃の間で変化する熱膨張係数を有しており、また、真鍮についてのこの係数の値は17 ppm/℃である。図６は、Ｘ／θ単一回転カット面内で作られたヒゲゼンマイを有する様々な天輪の材料について、達成することのできる熱補償の２〜３の例を示している。曲線Ｃ１〜Ｃ３は、様々な型の鋼鉄製の天輪を有する発振器の周波数の熱ドリフトを示しており、曲線Ｃ４は真鍮製の天輪を有する発振器の周波数の熱変動に対応する。携帯時計／クロノメータに対して課される時計学的なテンプレート（フレームＲ）（23℃±15℃の温度範囲において、周波数変動が±８秒未満／日）に対して、鉄鋼製の天輪などのより一般的な天輪のドリフトを補償することを可能にする石英製のヒゲゼンマイのＸ／θカット面を見出すことが可能である。しかしながら、真鍮製の天輪（曲線Ｃ４）については、石英製のヒゲゼンマイによる最大補償値によっても、この時計学テンプレートの要求を完全に満たすことができない。したがって、任意の天輪材料に対して、調速機構組立体の可能な限り良い熱補償を提供する石英製のヒゲゼンマイのカットの角度θを決定することが可能である。

本発明の他の特徴によると、石英製のヒゲゼンマイは、発振器の等時性の欠点を補償することもできる。不等時性の主要な原因の１つは、天輪の発振の振幅における変動である。不等時性変動は、角度の１度当たり数ppm、通常２ppmのオーダーのものであり、一般的な角度変動は±25％である。不等時性を補償する公知の一方法は、天輪の鋲Ｐに近い位置にあるヒゲゼンマイの端部の曲率を変えることである。この方法は、特に訓練された人による調節ステップを必要とするが、産業化という視点からは最適の状態ではない。本発明の一変形例によると、その横断面の幅を変えてヒゲゼンマイの巻きの局所的硬度を変えることが提案されている。この変更は、前記鋲と反対側にある巻きの部分の慣性と局所的な硬度とを増加させる効果を有する。横断面の幅を変化させる関数としては、例えば、ｋcos（θm−θ）という型の関数を挙げることができる。ここでｋは比例係数であり、θは対象の断面における極角度であり、θmは天輪の鋲の位置の極角度である。ｋが0.4であるときに、不等時性の補償は角度１度当たり約１ppmである。任意の発振器に対するｋの正確な値は経験的に決定されるか、数値的なシミュレーションによって決定される。図７はその横断面の幅にそのような調整が加えられたヒゲゼンマイを示している。巻きの横断面の幅の調整は、各巻きの間の間隔を一定に保つように巻きの間のピッチを調整することも伴う。巻きの間のピッチを調整することによって（図示されていない）、発振の振幅が大きいときに各巻きが相互に接触するのを防ぐことができる。上記ヒゲゼンマイは、湿式（化学）エッチング又は乾式（プラズマ）エッチングなどの、石英を機械加工する分野の当業者に公知のあらゆる方法によって製造することができる。

特に好ましい態様に関連して本発明を記載してきたが、その範囲から離れることなく、調整又は変更を行うことができることが理解される。例えば、巻きの間のピッチの増加を伴うのであれ、そうでないのであれ、ヒゲゼンマイの中心から鋲に向かう巻きの厚さの直線的な変更など、他の方法による巻きの厚さの調整を検討することもできる。

図１は、結晶の軸に関してZY／φ／θ二重回転した石英板を示している。 図２ａは、図１に示されているような板中で製造されるヒゲゼンマイの一次の熱係数αの挙動を示している。 図２ｂは、図１に示されているような板中で製造されるヒゲゼンマイの二次の熱係数αの挙動を示している。 図２ｃは、図１に示されているような板中で製造されるヒゲゼンマイの三次の熱係数γの挙動を示している。 図３ａは図２ａの熱係数の等位曲線を示している。 図３ｂは図２ｂの熱係数の等位曲線を示している。 図３ｃは図２ｃの熱係数の等位曲線を示している。 図４は、Ｘ軸を中心として単一回転した石英板を示している。 図５ａは、図４の石英板から製造されたヒゲゼンマイの硬度の熱係数αにおける変動を示している。 図５ｂは、図４の石英板から製造されたヒゲゼンマイの硬度の熱係数βにおける変動を示している。 図５ｃは、図４の石英板から製造されたヒゲゼンマイの硬度の熱係数γにおける変動を示している。 図６は、天輪の熱係数αにＸ／θカットのヒゲゼンマイを合わせた周波数の熱ドリフトを示している。 図７は、不等時性補償を有するヒゲゼンマイの好ましい態様を示している。

Claims (13)

1. ヒゲゼンマイと天輪とを有する機械式発振器であって、該ヒゲゼンマイが１枚の石英基板内で作られ、前記ヒゲゼンマイと天輪との熱ドリフトを補償するように該石英基板のカット面が選択されることを特徴とする機械式発振器。
2. 前記石英基板のカット面が二重ZY／φ／θ回転カット面であることを特徴とする、請求項１に記載の機械式発振器。
3. 前記石英基板のカット面が単一Ｘ／θ回転カット面であることを特徴とする、請求項１に記載の機械式発振器。
4. 前記石英基板のカット面が単一Ｙ／θ回転カット面であることを特徴とする、請求項１に記載の機械式発振器。
5. 前記角度θが、前記ヒゲゼンマイの硬度の一次の熱係数αが、該ヒゲゼンマイが取り付けられている天輪の熱ドリフトを補償するようなものであることを特徴とする、請求項３又は４に記載の機械式発振器。
6. 前記機械式発振器の熱ドリフトを示す曲線が時計学的テンプレートの範囲内に収まるように、前記角度θが決定されることを特徴とする、請求項３〜５のいずれか一項に記載の機械式発振器。
7. 前記天輪が鋼鉄製であり、前記角度θが０゜と±24゜との間の値を有することを特徴とする、請求項３〜６のいずれか一項に記載の機械式発振器。
8. 前記天輪が真鍮製であり、前記角度θが０゜の値を有することを特徴とする、請求項３〜６のいずれか一項に記載の機械式発振器。
9. 前記ヒゲゼンマイの巻きの厚さが、天輪の等時性の欠点を補償するように調節されることを特徴とする、前記請求項のいずれか一項に記載の機械式発振器。
10. 前記厚さの調節がｋcos(θm−θ)の型の周期関数（但し、ｋは比例係数、θはヒゲゼンマイの厚さを調節する部分の極角度、θmはヒゲゼンマイの鋲の位置の極角度である。）でなされることを特徴とする、請求項９に記載の機械式発振器。
11. 前記比例係数が0.4であることを特徴とする、請求項１０に記載の機械式発振器。
12. 前記厚さの調節が、ヒゲゼンマイの渦の中心からその鋲に向かって厚さの直線的な変更としてなされることを特徴とする、請求項９に記載の機械式発振器。
13. 前記ヒゲゼンマイの巻きの間のピッチが、隣接する２つの一巻き間の間隔が一定であるようになっていることを特徴とする、請求項９に記載の機械式発振器。

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