JP2010513886A - 時計用メカニカル振動子 - Google Patents

Abstract

バランス（１０）とひげゼンマイ（１２）とを有する時計用のメカニカル発信器。バランス（１０）とひげゼンマイ（１２）は同じ材料で作製される。この材料は非磁性であり、非常に低い熱膨張係数を有する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、時計（timepiece）用メカニカル振動子（oscillator）に関し、特には、高度の等時性（isochronism）を有する腕時計用メカニカル振動子に関する。

いろいろなメカニカル振動子が、腕時計用としてすでに提案されている。一般に、そのような振動子は、振動子の固有振動数を決定する振動を作り出すひげゼンマイ−バランスの形態に設計されている。この固有振動数は、腕時計の脱進機（escapement）を整える（order）ために、時間を正確に同一の単位に分割し、そのギア列の速度を調整する。そのため、腕時計の正確さは、そのひげゼンマイ−バランスの周波数安定性に依存する。

温度や磁場の変化や、バランスの振動の振幅の変化などのいくつかのパラメータが、ひげゼンマイ−バランスの周波数安定性に影響を与える。温度変化は、バランスとひげゼンマイの熱膨張を引き起こす可能性がある。それらは、必然的に、バランスの慣性モーメントの変動を引き起こすとともに、ひげゼンマイの復元トルクの変動の増大を引き起こす。磁場は、本質的に、ひげゼンマイに作用し、バランスへのその作用を乱す可能性、あるいは、無効にする可能性すらある。バランスの振動の振幅の変化は、バランスの重量と慣性と関連し、ひげゼンマイ−バランスの等時性の欠陥につながる可能性がある。このように、これらすべてのパラメータは、ひげゼンマイ−バランスの固有振動数を変化させる可能性がある。

温度の変化を補償するために、最も頻繁に使用されるメカニカル振動子のバランスとひげゼンマイの製造に使用される材料は、バランスの慣性モーメントとひげゼンマイの復元トルクの各変化が、互いに補償し合うように選択される。提案された解決法は、例えば、ベリリウム銅合金のバランスと、インバー（invar）やエリンバ（elinvar）などの、非常に低い膨張係数をもつニッケル−鉄合金である特別に設計された合金で作製されたひげゼンマイとを組み合わせて使用することが、特に注目されるべきである。しかし、このタイプのひげゼンマイ−バランスは、やはり磁場に敏感に反応する。かくして、ひげゼンマイの製造に使用することができる新しい合金の研究は、例えば、“Silinvar（登録商標）”の開発に示されるように続いている。これらの合金の自己補償性結果は、とりわけ二つの反対の影響の結果、特に、金属の弾性係数への温度の影響と磁気歪（magnetostriction）の影響、である。

この目的のために特別に設計された新しい合金を使用することによる以外に、磁場の影響を補償するために、ひげゼンマイを例えば石英などの非磁性材料で作製し、バランスを前述のようにベリリウム銅で作製することも提案されている。しかし、このタイプのひげゼンマイ−バランスは温度変化に敏感である。

等時性が欠けることを最小限にすべく、バランスの振動の振幅の変化を補償するために、いくつかの要素が考慮されるべきである。それらの要素とは、ひげゼンマイの膨張及び収縮の非対称（asymmetry）、温度変化に応じたひげゼンマイの弾性の変化、磁場、ひげゼンマイの取付点、遠心力及び重力、バランスの平衡度（balancing）、摩擦及び形状(geometry）を含む。等時性の欠陥を最小限とすることは、機械時計の正確さを最適にするためにきわめて重要である。そのため、高度な等時性を有するひげゼンマイ−バランスの製造により、それらの振幅と独立した等しい振動を生じさせることである。かくして、できるだけ大慣性でありながら、できるだけ軽量のバランスが、しばしば使用される。

上述した問題を解決するために設計されたひげゼンマイ−バランスの例は、ＷＯ ２００４／００８５２９ Ａ１に示されている。このひげゼンマイ−バランスは、熱膨張係数が正で＋１×１０^-6Ｋ^-1未満の、非磁性セラミックからなるバランスを備える。このひげゼンマイは、連続炭素ファイバー複合材で製造されており、その織り地（texture）は、ファイバーの軸方向に対してねじられた、又は、平行な織り目を有する。これらのファイバーは、熱硬化性、熱可塑性あるいはセラミックポリマーマトリックスに包まれて（encase）いる。この合成物の熱膨張係数は負で−１×１０^-6Ｋ^-1より大である。特には、バランスとひげゼンマイの製造に使用される材料は、熱膨張係数の値が同じくらいであり、非常に低くかつ反対の符号であるように選択される。このように、このひげゼンマイ−バランスは、発信器の高レベルの正確さとより安定な作動を可能にし、ひげゼンマイの自己補償性効果という結果が得られる。

本発明の目的は、少なくともひげゼンマイの自己補償効果を大幅に軽減することである。このように、本発明は、広い温度範囲内で、温度変化に耐性（resistant）があり、バランスの膨張と慣性モーメントの変化を防ぐひげゼンマイ−バランスを提供する。より一般的には、本発明の目的は、磁場とともに、温度と振幅の両方の変化に対する敏感さに関して、改良された周波数安定性を有するひげゼンマイ−バランスを提案することである。

この目的は、独立請求項の特徴を有するバランスとひげゼンマイからなるメカニカル振動子によって達成される。好ましい形態の変形例は従属請求項の主題（subject）である。

特に、この目的は、本発明に係るメカニカル振動子によって達成される。本発明のメカニカル振動子は、バランスとひげゼンマイを同じ材料から製造することを特徴とする。同じ材料からバランスとひげゼンマイを製造することは、バランスに対するひげゼンマイの補償効果の回避を可能にし、これにより、バランスはほとんど一定の慣性を有する。このため、バランスとひげゼンマイ間の自己補償性は無視できる（negligible）ことになる。

本発明に関するひげゼンマイ−バランスの実施形態の詳細と利点は、実施形態の以下の詳細な記述から明らかになる。実施形態は、一例としてあげられたものであり、図式的に示す添付の図面によって示されている。

本発明に係るメカニカル振動子の拡大平面図。 図１のメカニカル振動子の拡大断面図。 二つの異なるメカニカル振動子の日差の変化を表すグラフ。

添付の図面の以下に詳しく述べる記述において、同一の要素は同一の参照数字を与える。一般に、これらの要素とその機能性は繰り返しを避けるために、簡潔さの理由において一度のみ記載する。

図１、図２は、一例として、バランス１０とひげゼンマイ１２からなるひげゼンマイ−バランス式のメカニカル振動子を示す。バランス１０は、軸（arbor）１４、軸１４に固定されたプレート１６と、第１タイプ１８と第２タイプ１９の釣り合い錘、コレット２０とローラ２２からなる。ひげゼンマイ１２は、バランス１０のプレート１６の製造に使用された材料と同じ、あるいは、同じでない材料で作製される。

本発明のより好ましい形態においては、ひげゼンマイ１２は、バランス１０と同じ材料で作製される。より具体的には、ひげゼンマイ１２とバランス１０のプレート１６は、同じ材料で作製される。バランス１０、及び／又は、プレート１６と、ひげゼンマイ１２の同じ材料からの製造は、バランス１０に関連するひげゼンマイ１２の補償効果の回避を可能にし、これによってバランス１０はほぼ一定の（constant）同じ慣性をもつ。このため、バランス１０とひげゼンマイ１２間の自己補償はほとんど無視しうる。

ひげゼンマイ１２と同様に、バランス１０、及び／又は、プレート１６を製造するために選ばれる材料は、好ましくは非磁性であり、最大で２０〜２×１０^-10ｐｐｍ／(Ｃの熱膨張係数を有する利点を持つ。この熱膨張係数は、好ましくは、５・１０^-6ｐｐｍ／(Ｃ、さらに好ましくは、最大で２・１０^-6ｐｐｍ／(Ｃである。材料の見かけ密度（apparent density）は、好ましくは、２．０〜５．０ｇ／ｃｍ³、好ましくは、２．５〜４．５ｇ／ｃｍ³、さらにより好ましくは３〜４．０ｇ／ｃｍ³の範囲に含まれている。

本発明の好ましい形態においては、この材料はダイヤモンド、あるいは、合成ダイヤモンド、より一般的には、ダイヤモンドをベースにした材料である。ただし、以下に詳細に示すように、例えば、石英、シリコン、炭素、チタンやセラミックなど、他の材料も使用できる。

図１に示すように、バランス１０の軸１４は、軸ＡＡという対称軸芯を有する。軸１４は旋回（swivel）軸でもある。軸１４は一般に硬化された鋼で作製されており、円筒部１４ｂ、１４ｃ、１４ｄを有する。同部は、座１４ａ、座１４ａのいずれかの（either）側に配置されており、各々コレット２０、プレート１６、ローラ２２を収容（accommodate）するように意図されている。その両端はピボット１４ｅ、１４ｆを形成しており、図面に示されていない、時計のフレームに形成された軸受に嵌合するようにされている。

プレート１６は、中央孔１６ａと、８本のアーム１６ｂを形成する８個の放射状に向いた開口を有する。アーム１６ｂの外端は互いに結合して、外縁（felloe）１６ｃを形成している。後者は、軸ＡＡに平行に向いた穴１６ｄによって、アーム１６ｂの延長部分において、貫通しており、そこには釣り合い錘１８と１９が固定されている。外縁１６ｃの支持体はプレート１６と異なる材料で作製できる。この場合、プレート１６を例えばダイアモンドで作製した場合、ダイアモンドコーティングを外縁１６ｃに適用することができ、外縁１６ｃがプレート１６と同じ物理特性を持つことができる。

さらに特には、本発明の好ましい形態によると、バランス１０及び／又はひげゼンマイ１２は、好ましくは非磁性で熱膨張係数が最大で２０〜２×１０^-10ｐｐｍ／(Ｃである利点を有する材料のナノ粒子に覆われている。この熱膨張係数は、好ましくは、５×１０^-6ｐｐｍ／(Ｃ、より好ましくは最大で２×１０^-6ｐｐｍ／(Ｃである。その材料の見かけ密度は、好ましくは、２．０〜５．０ｇ／ｃｍ³、好ましくは、２．５〜４．５ｇ／ｃｍ³、さらにより好ましくは３〜４．０ｇ／ｃｍ³の範囲に含まれる。好ましくは、バランス１０とひげゼンマイ１２はナノダイヤモンドコーティングを有する。このコーティングは、この分野の当業者に知られたひげゼンマイ−バランス、例えば、インバーのような特別に設計された合金で作製されたひげゼンマイとともに、ベリリウム銅合金で作製されたバランスからなるひげゼンマイ−バランスなどにも有利に適用できる。

図２からより具体的にわかるように、プレート１６は座１４ａに対して置かれており、円筒状部１４ｃによって位置決めされている。それは、穴１６ａの周囲に作られたハウジング内に配置された粘着性点（adhesive dots）２４によって、軸１４に固定されている。コレット２０は円筒部１４ｄにおいて軸１４上に押圧されて、プレート１６に対して置かれている。それは、接着剤で取り付けられたひげゼンマイ（hairspring）１２を保持している。

プレート１６は、例えば、ダイヤモンド、コランダム、石英、シリコンなどのような、低密度で低熱膨張率の、十分の数ミリメートルのオーダーの厚さを有する材料のシートで作製される。特には、この厚さは、好ましくは、０．０５〜０．３ｍｍの範囲に含まれ、典型的には、０．２ｍｍの値を持つ。上述したように、ひげゼンマイ１２は、バランス１０及び／又はプレート１６の作製に使用される材料と同じ、あるいは、同じでない材料で作製される。このように、ひげゼンマイ１２の作製に使用される材料は、例として上記に示した、ダイヤモンド、石英、シリコン、コランダムなどの材料から選択できる。これらの材料の弾性や長さは温度に対して極めてわずかしか変化しない。

釣り合い錘１８は各々、図１の軸ＢＢとして示すように、対称な軸を有する円筒形のつめ１８ａを形成する。それらは、密度が１５ｇ／ｃｍ³以上の重い材料、例えば、金やプラチナ、で作製され、同じ材料で作製されたヘッド１８ｂ、ボディ１８ｃ及びリング１８ｄを備える。釣り合い重り８の各々のボディ１８ｃは、穴１６ｄに嵌め込まれており、ヘッド１８ｂはプレート１６に対向して搭載されている。付設されたリング１８ｄは、プレート１６のもう一方の面に、加圧、接着剤、溶接などによって固定されている。

釣り合い錘１８は、つめ１８ａの各々の軸ＢＢに対して対称な構造を有する。このような方法で、温度が変化した場合、つめは軸ＢＢに対して放射状に膨張するか収縮するが、それらの重心は移動しない。その結果、第１の近似（approximation）において、この膨張はバランスの慣性を変化させない。

釣り合い錘１９は、それらが嵌合している穴１６ｄの軸に対して偏った重心を有する。このようになっているので、それらを回転することによって、慣性モーメントを変化させ、これにより、振動子の周波数を修正することが可能になる。この回転を可能とするために、釣り合い錘１９は、軸方向に向いた溝（slot）１９ｂを備えた円筒部１９ａを有し、摩擦固定を可能にする。

上述したように、本発明に係るメカニカル振動子のバランス１０とひげゼンマイ１２の作製に使用される材料は、温度に対する敏感さ（sensitivity）をほとんど持たないこととできる。さらに、この材料は、以下に示す表１に与えられたスイス時計製造のクロノメーター標準によって設定された限界（margin）に適合させることができる。

本発明の内容の範囲内で使用可能であって、表１に示された基準を満足する材料の限定されない例は、すでにより詳しく前述したように、ダイヤモンド、チタン、セラミックス、石英である。これらの材料は以下の物理的性質を有する。
見かけ密度：
ダイヤモンド：３．５１５ｇ／ｃｍ³、
等級５のチタン：４．４２ｇ／ｃｍ³、
セラミックスＡＩ₂Ｏ₃：３．９ｇ／ｃｍ³、
石英：２．６ｇ／ｃｍ³
熱膨張係数：
ダイヤモンド：１×１０^-6ｐｐｍ／(Ｃ、
等級５のチタン：９×１０^-6ｐｐｍ／(Ｃ、
セラミックスＡＩ₂Ｏ₃：８×１０^-6ｐｐｍ／(Ｃ、
石英：０．５×１０^-6ｐｐｍ／(Ｃ。

ひげゼンマイ１２と同様に、バランス１０及び／又はプレート１６を作製するために使用される非磁性材料を特別に選択することによって、低い熱膨張係数と最適な質量−半径比が得られる。特には、バランス１０とひげゼンマイ１２からなる図１、２のメカニカル振動子が、温度に関して非常に安定であるほど、その周波数は非常に安定であり温度に応じでほとんど変化しない。この周波数安定性は、釣り合い錘１８がバランス１０の軸に関して固定された重力中心を有する、という事実によって強められる。このことは、メカニカル振動子の高度な等時性を可能にし、図３に示すように、本発明の好ましい態様によって達成される。

図３は、一例として二個の異なるメカニカル振動子の日歩差（daily rate）の例を示す図である。
このような日歩差は、対応するメカニカル振動子が試験された異なる温度に応じて、軸４１上の秒（ｓ）で示される。これらの温度は軸３１上のセ氏温度（(Ｃ）で示される。

第１の曲線３０は、標準メカニカル振動子を有する時計の日歩差を示す。図３に示すように、日歩のこの差は、時計が８℃から３８℃の温度範囲で試験された場合、点３２が示すように、進んだ６秒から、点３４が示すように、遅れた４秒までの間からなる。

第２の曲線４０は、本発明の好ましい形態によるメカニカル振動子を用いて作製した場合のこの時計の日歩差を示す。図３に示すように、この場合、８℃と３８℃の間を含む温度範囲で時計が試験された間、日歩差は、点４２が示すように、全く進まずに作動している状態から、点４４が示すように、遅れて約１．３秒の間に含まれる。

それにも関わらず、本発明によるメカニカル振動子の温度に対するこの周波数安定性は、使用される材料の選択によって得られる他の利点に加えられることが注目されるべきである。例えば、バランス１０とひげゼンマイ１２を作製する材料が非磁性であるので、磁場はそれらと相互に干渉しない。硬化された鋼で作製された軸１４を使用する上述の形状においてのみ、磁場がこの軸１４と相互作用するが、この相互作用の影響は実質的にゼロである。

最後に、釣り合い錘１８、１９が作製される材料の比重が高く、プレート１６が作製される材料の比重が小さいほど、バランス１０の全質量は、与えられた慣性モーメントに対して低い。この結果は、等時性の欠陥（isochronism defect）がさらに減少できることである。

金又はプラチナ製の釣り合い錘１８、１９は、バランス１０が特に有利な慣性モーメント／重量比で作製されることを可能にする。例えば、黄銅やインバーなどのより安価な材料を使用することも可能である。後者の場合、釣り合い錘１８、１９の膨張はさらに減少できる。

一般に、時計のバランスは釣り合っている必要がある。このことは、材料を取り除く、あるいは、加えることによってなされる。この作業は、軸ＢＢに対して対称な構造を有する釣り合い錘１８を加工することによって実質的に有利に行われる。さらに、釣り合い重り１８の少なくとも一部分は、プレート１６に嵌め込まれる部分において、好ましくは軸ＢＢと一体の円筒形である。それらの対称が影響されることを防ぐために、機械的に、あるいは、レーザーを当てるかのいずれかによって、材料を取り除くことができ、このことが全表面に渡って均等に、あるいは、軸ＢＢに対して対称に行われることを確実にする。一つあるいは他の釣り合い錘１８に、材料をスプレイすることによって加えることもでき、これによっても対称性が軸ＢＢに対して保持されることを確実にする。このように、本発明はバランス１０から／へ材料を取り除く、あるいは、加えることによって平衡を取る方法をクレームしている。このことは、材料が、釣り合い錘１８の少なくとも一つから円筒の軸に対して対称に取り除かれるという事実、あるいは、平衡が材料を釣り合い錘１８の少なくとも一つに円筒の軸に対して対称に加えることによってなされるという事実によって特徴付けられる。

最後に、釣り合い錘１８を作製するために使用される材料は、好ましくは１０より大きい比重（specific gravity）を有する。特に、それが金又はプラチナから作製されるとともに、バランス１０とひげゼンマイ１２がダイヤモンドから作製されることが可能である。このようにすれば、慣性モーメントと比重との間の比が特に好ましい。

プレート１６が作製される材料によっては、材料をそれに、特には、外縁１６ｃに加える、あるいは、外縁１６ｃから取り除くことも可能であることも指摘すべきである。

特定の例を上述したが、その機能性を変更しないで本発明のメカニカル振動子に様々な変更を加えることができる。その結果、これらすべての変化も予想され（envisaged）一般的に意図されている。

１０ バランス
１２ ひげゼンマイ
１４ 軸（arbor）
１６ プレート
１８、１９ 釣り合い錘
２０ コレット
２２ ローラ

Claims (19)

1. バランス（１０）とひげゼンマイ（１２）とを備える時計用のメカニカル振動子であって、
   バランス（１０）とひげゼンマイ（１２）が同じ第１材料で作製されていることを特徴とするメカニカル振動子。
2. 前記バランス（１０）が、プレート（１６）、前記プレート（１６）を保持する軸（１４）、及び、前記プレート（１６）に取り付けられた釣り合い錘（１８、１９）を有し、
   前記軸（１２）と前記釣り合い錘（１８、１９）が少なくとも他の第２材料で作製されていることを特徴とする請求項１に記載のメカニカル振動子。
3. 前記軸（１４）が硬化された鋼で作製され、
   前記釣り合い錘（１８）の少なくとも一部が、密度が１５ｇ／ｃｍ³以上の重い材料で作製されていることを特徴とする請求項２に記載のメカニカル振動子。
4. 前記第１材料が最大で２×１０^-6ｐｐｍ／℃の低い熱膨張率を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のメカニカル振動子。
5. 前記第１材料が非磁性であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のメカニカル振動子。
6. 前記第１材料の見かけ密度は２．０〜５．０ｇ／ｃｍ³の範囲に含まれることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のメカニカル振動子。
7. 前記第１材料がダイヤモンド、石英又はセラミックス類であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のメカニカル振動子。
8. 前記第１材料がダイヤモンド系であることを特徴とする請求項７に記載のメカニカル振動子。
9. 前記時計が腕時計であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のメカニカル振動子。
10. 前記バランス（１０）が、０．０５ｍｍから０．３ｍｍの範囲に含まれる厚さのプレート（１６）を有することを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のメカニカル振動子。
11. バランス（１０）と釣り合い錘（１２）を備える時計用のメカニカル振動子であって、
    前記バランス（１０）が、
    第１材料で作製されたプレート（１６）、
    前記プレート（１６）を保持し、前記バランスが旋回軸に沿って旋回することを確実にするように意図された軸（１４）、
    前記プレート（１６）に取り付けられ、前記旋回軸に対して対称に分散して配置された釣り合い錘（１８、１９）と、を有し、
    前記ひげゼンマイ（１２）が第２材料で作製されており、前記第１材料と前記第２材料がダイヤモンドと石英から選択されることを特徴とする時計用メカニカル振動子。
12. 前記第１材料と前記第２材料とが同じであることを特徴とする請求項１１に記載のメカニカル振動子。
13. 前記釣り合い錘（１８）の少なくとも一部が、前記プレート（１６）に嵌め込まれる部分において、対称軸に対して円筒形の形状を有し、
    前記釣り合い錘（１８）が対称軸に対して対称な構造を有することを特徴とする請求項１１又は１２に記載のメカニカル振動子。
14. 前記釣り合い錘（１８）が、１０を超える比重を有する第３材料で作製されていることを特徴とする請求項１１から１３のいずれか１項に記載のメカニカル振動子。
15. 前記第３材料が密度が１５ｇ／ｃｍ³を超える重い材料であることを特徴とする請求項１４に記載のメカニカル振動子。
16. 前記第１材料がダイヤモンドであることを特徴とする請求項１１から１５のいずれか１項に記載のメカニカル振動子。
17. 前記プレート（１６）が、０．０５ｍｍから０．３ｍｍの範囲に含まれる厚さを有することを特徴とする請求項１１から１６のいずれか１項に記載のメカニカル振動子。
18. 請求項１３に係るメカニカル振動子用のバランス（１０）から材料を取り除くことによって平衡をとる方法であって、
    材料が、前記対称な釣り合い錘（１８）の少なくとも一つから、その対称軸に対して対称に取り除かれることを特徴とする方法。
19. 請求項１３に係るメカニカル振動子用のバランス（１０）に材料を加えることによって平衡をとる方法であって、
    材料が、前記対称な釣り合い錘（１８）の少なくとも一つに、その対称軸に対して対称に加えられることを特徴とする方法。

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