JP2009517637A - 時計のムーブメント用の熱ガラス製ゼンマイとその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 ヤング率の熱係数（CTE0)がゼロのガラス製テンプ・スプリングを提供する。
【解決手段】 本発明の方法は、（a）ヤング率の熱係数CTE0がゼロに近い光構造ガラス製プレートを用意するステップと、（b）ウインドウ（３a）を有するマスク（３）を通して、ＵＶ照射を行うステップと、前記ウインドウ（３a）は、コイル間で後で分離されるスペースに対応し、（c）高温熱処理をするステップと、（d）初期のヤング率の熱係数CTE0からCTE1に変化させるべきコイル・ゾーンに、第２マウス（５）を通して、ＵＶ照射を実行するステップと、（e）前記ステップ（c）と（d）で処理された領域を除去するために、エッチングするステップとを有する。
【選択図】 図１
Description
本発明は、特殊なガラス製の時計用ムーブメントのテンプ・スプリング（ひげゼンマイ）と、このゼンマイの機械的特性特にヤング率の熱係数（Young's modulus thermal coefficiient:CTE)と温度とを、そのゼンマイの非磁性特性を維持しながら、無関係にする即ち切り離す方法に関する。
長い間、外部環境の変動（特に温度と磁界）が、スプリング付きテンプの調整システムの等時性に及ぼす影響を、スプリングの材料の選択と構成を変更することにより、最小にすることが求められていた。
テンプ・スプリングに関しては、２０世紀初頭のインバー（Fe-Ni合金）の発見以来、より複雑な組成の合金が最適の品質を提供するために、提案されてきた。特許文献１によれば、例えばニオブとジルコニウムの合金化合物にさらに酸素の少なくとも一部に形成された金属間の添加剤を含有させた合金化合物により、ヤング率の熱変化（ＣＴＥ）を制御している。複雑な組成の合金とレアメタルの使用により最終製品の価格が上がってきている。さらに金属製のテンプ・スプリングを複雑な合金製造プロセス（ワイヤー引き抜き、硬化、アニール処理等）で製造することは、所望の弾性特性の完全な再現性を保証できず、テンプとスプリングを予め対にした組み立てが、必要である。
長い間、上記金属の欠点を有さない別の材料で、合金を置換することが試みられてきた。特許文献２は、シリコンを含有したガラスでテンプ・スプリングを製造することを提案している。この特許文献２によれば、膨張係数を、レアメタルを添加することなく、ほぼゼロに抑えることができる。しかし特許文献２には、このようなテンプ・スプリングを如何に製造するか、そしてこのような膨張係数がヤング率の熱係数（CTE)にどような影響を及ぼすかを、開示していない。
特許文献３は、熱補償されたスプリング付きテンプの共振器を開示する。この熱補償を、水晶の結晶軸に対し所定の方向に沿って材料を切断し構成することにより、行っている。しかしこの様な製造方法を実施できるのは熟練者のみである。水晶の結晶特性により、テンプ・スプリングは衝撃に対し脆くなり、結晶面に沿って裂け目が伝搬する原因となる。
本発明の目的は、上記の従来技術の欠点を解決することである。本発明により、ガラス製のテンプ・スプリングは、その機械的特性（特にヤング率の熱係数（CTE)）と弾性係数（coefficeint of elasticity）の両方）を制御する方法により、製造され、そして低コストで大量生産に適した方法で、ガラス製テンプ・スプリングが製造できる。
均一高さhと幅lのコイルから形成されるガラス製テンプ・スプリングを製造するのに適した材料は、ヤング率の熱係数（CTE0)がほぼゼロとなる光構造ガラス(photostructurable glass)である。このようなガラスは、光照射により局部的にヤング率の熱係数（CTEi)が変化する。この光照射の後に高温熱処理を行い処理を終わらせることもできる。
このヤング率の熱係数の変動は、テンプ・スプリングに沿って異なるCTEiを有する１個あるいは複数個のコイルあるいはコイルゾーンに、施される。このCTEiの変化は、コイルの幅の一部、その長さ全部、あるいはコイルの高さの一部にのみ、施すことができる。
このテンプ・スプリングは、本発明による２つの方法により、ヤング率の熱係数CTE0を有する光構造ガラスのプレートからバッチ処理で製造できる。
本発明の第１方法によれば、ＵＶ照射は、ガラスのゾーン上に第１マスクを介して実行される。このガラスのゾーンは、コイル間で後で自由空間となる（除去される）スペースに対応する。次のステップで、高温熱処理が実行され、照射された領域を、破壊的な影響を与えず、脆くさせる。次のステップで、新たなＵＶ照射を第２マスクを介して実行し、初期のCTE0をCTEiの値に変える。この第２マスクの開口は、コイル又はコイル・ゾーンの幅の全部あるいは一部の上に配置される。前のステップは、第３のマスクを利用して繰り返すこともでき、ＵＶ照射は、コイルの高さの一部のみを、初期のCTE0をCTE2の値に変化させることもできる。このステップは、テンプ・スプリングの上部表面と底部表面に、同時に実施することもできる。
第２マスクと第３マスクは共通の開口ゾーンを有する。その結果、初期のCTE0を前の値とは異なるCTE３に変える。
最終ステップで、ＵＶ照射と熱処理により脆くなったコイル間のゾーンを、エッチングで除去する。
本発明の第２方法によれば、ガラス・プレートを酸エッチングに対し耐性を有する基板に固定する。テンプ・スプリングを、第１マスクの手段とＵＶ照射と熱処理とその後の酸エッチングにより、最初に成形する。このステップの最後にコイルどうしを分離するが、コイルは基板は繋がっている。その後のステップで、少なくとも１回、ＵＶ照射をマスクを介して実行する。そのマスクの開口は、そのCTEiを変化させようとするコイル・ゾーンに対応する。最終ステップにおいて、テンプ・スプリングを、基板から取り外しさらに熱処理を実行して、そのCTEをさらに調整することもできる。
必要によっては、第１方法と第２方法の両方で行われたCTE0を変化させるＵＶ照射の後、そのCTEをさらに調整するために、さらなる熱処理を実行してもよい。
本発明の他の態様によれば、テンプ・スプリングの外形を規定するマスクを用いて、テンプ・スプリングに沿ったコイルあるいは所定のコイル・ゾーンのピッチと／または幅を変化させることもできる。
本発明の他の態様によれば、適宜の光源を選択することにより、コイルの高さ全体、あるいはその高さの一部のみで、局部的にCTE0を変化させることもできる。
図１は、ヤング率の熱係数CTE0が低い光構造ガラスから形成されたテンプ・スプリングの上面図を示す。この種のガラスは多数公知である。この種のガラスは、ある種のドーピング剤と／または添加剤（例、酸化セリウム、銀、スズ、アンチモン等）をガラス成分の一部として含有したケイ酸塩ベースの組成物である。これらの組成物に紫外線照射と熱処理を施して、フッ化水素酸で異方性化学エッチングする。これらの技術は、公知で、例えば微小流体装置を製造するのに用いられている。このようなガラスは、Schott AG（ショットAG社；ドイツ本社）製のフォツラン（商標名；FOTURAN）あるいはHOYA株式会社からPEG３の名称で市販されている。この種の光構造ガラスは、その特性ゆえに、新規の機械加工方法で、MEMSを得るのに、使用されている。
図２−６は、初期のヤング率の熱係数CTE0を有するテンプ・スプリングのコイル・ゾーンｌのCTEを変化させた上面図である。
図２は、ゾーン１１で幅lに渡って初期のCTE0をCTE1に変化させた状態を示す。この変化は、複数個のコイルに渡って行われるか、ヤング率の熱係数CTE0を有するコイル・ゾーンとCTE1を有するコイル・ゾーンが交互に現れるよう、行われる。
図３に示すように、最初のヤング率の熱係数CTE0を、ゾーン１１でCTE1に、ゾーン１２でCTE2に変化させることもできる。これらのゾーン１１、１２は、CTE0のゾーン１０で分離される。ゾーン１１、１２を結合することもできる。
図４で示す本発明の他の実施例によれば、初期のヤング率の熱係数CTE0を、幅lよりも狭い幅l'を有するゾーン１１のみで変えることもできる。ここに示した実施例においては、ゾーン１１は、中央にあるが、外側表面または内側表面で、厚さ方向に具備することも、さらにはまた同時に外側表面または内側表面の両方に具備することも、可能である。
図５には、本発明の他の実施例を示す。ヤング率の熱係数がCTE0から、幅l'のゾーン１１内ではCTE1に変化し、幅l''のゾーン１２ではCTE2に変化している。そしてこれらの２つのゾーンは結合している。
図６には、ストレートな断面に沿って、テンプ・スプリングのあるゾーンにおいて、ゾーン１１をCTE1に、ゾーン１２をCTE2に、ゾーン１１と１２の間のゾーンをCTE0に変化させている。他の可能性を以下説明する。
使用される光構造ガラスの初期のヤング率の熱係数CTE0を変えることにより、初期のヤング率の熱係数CTE0が最適の値であるゼロから少ししか離れてない場合でも、温度変動からほぼ独立したスプリング付きテンプのシステムの周波数を得るために、最適化された「明らかな」CTEを形成できる。
CTEの変化とその形成方法は、その影響があまり大きくなくても、周波数の決定にかかわる熱膨張係数αｓに対し好まし影響を有する。
図７−１０ｃを参照して、本発明のガラス製テンプ・スプリングの第１実施例を示す。
図７−１０ｃは、図１の矢印Sに沿って、高さhの３つの結合したコイルの断面を示す。コイルの高さ／幅の比は、図面を分かり易くするために、実際とは異なる。
図７に示すように、機械加工と研磨により形成した初期のヤング率の熱係数がCTE0で厚さhのガラス・プレート１に、UV照射をマスク３を介して、行う。このマスク３は、ウインドウ３aを有する。このウインドウ３aは、ゾーン１５上に配置され、ウインドウ３aが配置されたゾーン１５は、その後コイル間で空間を得るため、すなわちピッチPを得るために、除去される。このピッチPは、この実施例では各点で一定であり、コイルは均一の幅lを有する。使用されるUV照射源は、使用されるガラスの吸収帯域に依存する。例えば、UVランプは、そのスペクトル分布ピークは２００nmと４００nmの間にある。他のUV照射源は、例えばExmier（XeCl2レーザ）を用いることもでき、その照射ピークは３０８nmである。またKrF2レーザの照射ピークは２４８nmである。
次のステップ（図示せず）において、光構造体のガラス・プレート１を高温熱処理する。この高温処理温度は、ガラスの成分に依存するが、例えば６００℃である。この熱処理によりUV照射を受けたゾーン１５は、後続のエッチングステップにより、除去するのが容易となる。
図８に示すステップにおいて、第２マスク５は、コイルあるいはコイル・ゾーン１１の上に配置されるウインドウ５a、５b等を有する。コイル・ゾーン１１は、その初期のCTE0を所定の値CTE1に、前記のウインドウを介したUV照射により、変更すべき領域である。これらのウインドウは、コイルの幅の一部の上にのみ配置される。一例として、ウインドウ５aは、コイルの中間部分内の幅lbを有し、ウインドウ５cは、コイルのエッジ上で幅lcを有する。
本発明のプロセスのこの段階において、エッチングを利用して、ゾーン１５を選択的に除去してコイルを解放する。このエッチングステップは、従来方法、例えば室温で、１０％フッ化水素酸浴内で超音波をかけて、行われる。
さらなる熱処理を実行して、変化したCTEsをさらに調整することもできる。
図１０a、１０bは、一例との構造を示す。図１０aは、CTEがCTE1に変化した幅lbのゾーン１１を示し、両側のゾーン１０では、初期のCTE0は変化していない。図１０bでは、コイルのエッジ近傍にある幅lcでCTE0はCTE1に変化している。CTEが変わったゾーンを有する他の構造も、第２マスク５のウインドウの形状により、可能である。これらの構造は、１つのコイル・ゾーン、複数個のコイル、あるいは他のテンプ・スプリング全体に関連させることも、可能である。
図９を参照すると、エッチングステップを実行する前に、コイルあるいはコイル・ゾーンをマスク６を介したさらなるUV照射を行うこともできる。マスク６はこの実施例では、テンプ・スプリングと同一幅の６dを有する。UV照射を適宜選択することにより、例えば２４８nmのExmier KrF2レーザでさらに露光時間を制御することにより、ヤング率の熱係数（CTE)は初期値CTE0からゾーン１２でCTE2に変えることができる。このゾーン１２は、テンプ・スプリングの高さhの一部h'のみに達する。
図１０cに示すように、このような場合、テンプ・スプリングをその両面で照射するのが好ましい。
コイルの全部に渡ってヤング率の熱係数（CTE)の変更を行う場合には、マスクは必要ない。このUV照射は、CTEの値を微調整するために、テンプ・スプリングを搭載した後、所定の周波数で行うこともできる。
図１１−１４cは、第１実施例にも適用可能な第２の製造方法を示す。図１１に示す第１ステップにおいて、厚さhのガラス・プレート１は、最初に示した特徴を有するが、酸のエッチングに対し耐性を有する基板２に固着／固定される。基板２は、例えばセラミック製プレートである。
テンプ・スプリングを、第１マスク７を介したUV照射で、成形する。このマスク７のウインドウ７a、７bは、コイル間の自由空間（スペース）に相当し、マスク７の不透明部分がテンプ・スプリングの平面状外形を決定する。同図から分かるように、マスク７を適宜選択することにより、可変ピッチpa、pb等、可変幅l1、l2、l3等あるいはその両方を有するテンプ・スプリングの形状を決定できる。前述したように、この方法は、高温熱処理を実行して、照射されたゾーンを脆化して、終了する。
次のステップ（図示せず）において、照射された部分は、第１方法と同じ酸のエッチングステップで、除去する。
図１２に示す次のステップにおいて、UV照射は第２マスク８を介して実施される。この第２マスク８のウインドウ８c、８d、８eは、そのヤング率の熱係数（CTE)はCTE0からCTE1に変化するゾーン１１を規定する。選択的事項として、補足的に高温熱処理を実行することもできる。
図１３に示す追加マスク９を用いて、かつUVの照射条件を変更することにより、ウインドウ９e、９f、９gがテンプ・スプリングの新たな内側ゾーン１２を規定する。この内側ゾーン１２では、ヤング率の熱係数（CTE)はCTE2に変化し、あるいはゾーン１３ではCTE3に変化する。ただしマスク８と９のウインドウ或いはウインドウ・ゾーンが一致する場合、この実施例の場合は、ウインドウ８c、９eが一致する場合である。この変化したゾーンは、さらに補足的に高温熱処理が施される。
図１４a、１４bに示す最後のステップにおいて、テンプ・スプリングは基板２から切り離される。この実施例において、コイルまたはコイル・ゾーンは、それぞれの値がCTE3/CTE0（図１４a）、CTE2/CTE1（図１４b）、CTE2/CTE0/CTE1である。
マスクの形状及び数に応じて、当業者は、ガラス製テンプ・スプリングの機械的特性、特に温度変動（時計の等時性に悪影響を及ぼす）に耐えるような様々な変形を行うことができる。
以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。特許請求の範囲の構成要素の後に記載した括弧内の番号は、図面の部品番号に対応し、発明の容易なる理解の為に付したものであり、発明を限定的に解釈するために用いてはならない。また、同一番号でも明細書と特許請求の範囲の部品名は必ずしも同一ではない。これは上記した理由による。
２ 基板
３ マスク
３ａ ウインドウ
４
５ 第２マスク
５ａ ウインドウ
８ 第２マスク
８ｃ，８ｄ，８ｅ ウインドウ
９ 追加マスク
９ｅ，９ｆ，９ｇ ウインドウ
１０ ゾーン
１１ ゾーン
１２ 内側ゾーン
１３ ゾーン
１５ ゾーン
３ マスク
３ａ ウインドウ
４
５ 第２マスク
５ａ ウインドウ
８ 第２マスク
８ｃ，８ｄ，８ｅ ウインドウ
９ 追加マスク
９ｅ，９ｆ，９ｇ ウインドウ
１０ ゾーン
１１ ゾーン
１２ 内側ゾーン
１３ ゾーン
１５ ゾーン
Claims (15)
- 高さhと局部的な幅lのコイルを有する時計用のガラス製テンプ・スプリングにおいて、
前記ガラス製テンプ・スプリングは、光構造ガラス製であり、その厚さはhで、そのヤング率の熱係数（CTE0)はゼロに近い
ことを特徴とする時計のガラス製ゼンマイ。 - 前記テンプ・スプリングの全てまたは所定のコイル・ゾーンは、前記使用された光構造ガラスの初期ヤング率の熱係数（CTE0）から変化したヤング率の熱係数（CTEi)を有し、
前記ヤング率の熱係数の変化は、UV照射と高温熱処理により、得られる
ことを特徴とする請求項１記載の時計のガラス製ゼンマイ。 - 前記ヤング率の熱係数のCTE0からCTEiへの変化は、前記テンプ・スプリングの１つあるいは複数のゾーンに対し、前記コイルの幅全体に渡って、行われ、
前記各ゾーンのヤング率の熱係数（CTEi）は、異なる値を有する
ことを特徴とする請求項２記載の時計のガラス製ゼンマイ。 - 前記ヤング率の熱係数のCTE0からCTEiへの変化は、前記テンプ・スプリングのコイルの幅の一部に渡って、行われ、
同じコイル・ゾーンは、異なるヤング率の熱係数（CTEi）を有する
ことを特徴とする請求項２記載の時計のガラス製ゼンマイ。 - 前記CTE0の変化は、コイルの高さの一部にのみ行われる
ことを特徴とする請求項２記載の時計のガラス製ゼンマイ。 - 前記１つのコイル・ゾーンは、局部的に３個以上の異なるCTEiを有する
ことを特徴とする請求項４記載の時計のガラス製ゼンマイ。 - 時計用ムーブメントのガラス製テンプ・スプリングを製造する方法において
前記ガラス製テンプ・スプリングは、高さhと幅lの矩形断面を有するコイルから形成され、そのコイル間ではピッチpを有し、
（a） 厚さhでヤング率の熱係数CTE0がゼロに近い光構造ガラス製プレートを用意するステップと、
（b） ウインドウ（３a）を有するマスク（３）を通して、ＵＶ照射を行うステップと、
前記ウインドウ（３a）は、コイル間で後で除去されるスペースに対応し、
（c） 高温熱処理をするステップと、
（d） 初期のヤング率の熱係数CTE0からCTE1に変化させるべきコイル・ゾーンに、第２マウス（５）を介して、ＵＶ照射を実行するステップと、
（e） 前記ステップ（c）と（d）で処理された領域を除去するために、エッチングするステップと、
を有する
ことを特徴とする時計ムーブメント用のガラス製ゼンマイの製造方法。 - 熱処理ステップが、前記ステップ（e）の後に、さらに行われる
ことを特徴とする請求項７記載の製造方法。 - 前記ステップ（d）を、ウインドウ（６d)を有する追加マスク（６）を介して、少なくとも１回、繰り返し、
前記ウインドウ（６d)は、初期のヤング率の熱係数を値CTE2に変更すべきコイル・ゾーンに対応する
ことを特徴とする請求項７記載の製造方法。 - 前記第２マスク（５）と追加マスク（６）は、初期のヤング率の熱係数をCTE3に変更するために、共通のウインドウ・ゾーンを有する
ことを特徴とする請求項９記載の製造方法。 - 時計用ムーブメントのガラス製テンプ・スプリングを製造する方法において
前記ガラス製テンプ・スプリングは、高さhと幅lの矩形断面を有するコイルから形成され、そのコイル間ではピッチpを有し、
（a） ヤング率の熱係数CTE0がゼロに近い厚さhの光構造ガラス製プレートを、酸エッチングに耐える基板に固定するステップと、
（b） 前記ステップ（a）で形成された構造物に対し、ウインドウ（７a、７b）を有する第１マスク（７）を介して、ＵＶ照射を実行するステップと、
前記ウインドウ（７a、７b）は、コイル間のスペースと同一形状をし、
（c） 前記ステップ（a）で形成された構造物に対し、高温熱処理をするステップと、
（d） ベースを介して前記基板に固定されたコイルを分離するために、前記第１マスク（７）のウインドウを介して照射した領域を、エッチングするステップと、
（e） ヤング率の熱係数を初期の値CTE0から値CTE1に変更すべきコイル・ゾーンに対応するウインドウ（８a、８b、８c）を有する第２マスク（８）介して、２回目のＵＶ照射を実行するステップと、
（f） 前記テンプ・スプリングを前記基板から分離するステップと
を有する
ことを特徴とする時計ムーブメント用のガラス製ゼンマイの製造方法。 - 熱処理ステップが、前記ステップ（e）と（ｆ）の間で、さらに行われる
ことを特徴とする請求項１１記載の製造方法。 - 前記ステップ（ｅ）を、ウインドウを有する追加マスク（９）を介して、少なくとも１回、繰り返し、
前記ウインドウは、初期のヤング率の熱係数を値CTE2に変更すべきコイル・ゾーンに対応する
ことを特徴とする請求項１１又は１２記載の製造方法。 - 前記第２マスク（８）と追加マスク（９）は、ヤング率の熱係数を値CTE3に変化する為に、共通のウインドウゾーンを有する
ことを特徴とする請求項１４記載の製造方法。 - 前記テンプ・スプリングの外形を規定するために使用されるマスク（５、７）は、コイル間のピッチpと／またはその幅lを変化させるウインドウを有する
ことを特徴とする請求項７記載の製造方法。
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