JP2011041282A - 熱補償機械共振子 - Google Patents

Abstract

【課題】熱補償単結晶シリコンから作られたテンプ輪スプリング又はヘアスプリングを含む共振子を提供すること。
【解決手段】本発明は、多角形断面のコアが単結晶シリコンで構成されるストリップを有する熱補償機械共振子に関する。本発明によれば、コアの１つ又は複数の表面が共振子を温度変化の影響を受けにくくするためのコーティングを有する。本発明は時計の分野に関する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱補償機械共振子に関し、より具体的には、熱補償単結晶シリコンから作られたテンプ輪スプリングすなわちヘアスプリングを含むこのタイプの共振子に関する。

欧州特許第１４２２４３６号は、コアが単結晶シリコンから作られたテンプ輪スプリングを開示しており、このテンプ輪スプリングは、二酸化ケイ素コーティングで被覆され、該テンプ輪スプリングを熱的に補償するようにしている。当該特許はまた、温度の関数としての熱弾性係数の変動を最小限にする。しかしながら、本文献では、均一の厚みのコーティングを開示しているに過ぎず、最小の変動率の共振子を得るために該コーティングにテンプを適合させることが困難な可能性がある。

欧州特許第１４２２４３６号公報

本発明の１つの目的は、熱補償を可能にするコーティングの形成に関してより大きな自由度をもたらす共振子を提案することにより上述の欠点の全て又は一部を克服することである。

従って、本発明は、多角形断面のコアが単結晶シリコンを含むストリップを有する熱補償機械共振子において、コアの表面の少なくとも１つに、コアが共振子を温度変化の影響を受けにくくするためのコーティングを含み、少なくとも１つの他の表面にはコーティングがないことを特徴とし、或いは、コアの少なくとも隣接する２つの表面が同じ厚みでは被覆されないことを特徴とする熱補償機械共振子に関する。

本発明の他の利点によれば、
−ストリップの断面は同一な表面の対を含む四角形である。
−上記コーティングは、ストリップの曲げ平面に平行な面に優先的に堆積され、前記共振子の周波数への影響を定量的に改善するようにし、或いは逆に、垂直な面に優先して堆積され、平行な面上の堆積物と比べて影響を少なくして共振子周波数を変更するようにする。
−ストリップは巻かれて少なくとも１つのコイルを形成し、慣性フライホイールに結合される。ストリップは、ＭＥＭＳを形成し、又は少なくとも２つの対称的に組み立てられたバーを形成して音叉となる。
−コーティングは二酸化ケイ素を含む。
−コアは、｛１００｝面又は｛１１１｝面の単結晶シリコン・ウェハから作られる。
−上記ペアの面の｛１００｝面又は｛１１１｝面に沿ったコーティング厚は次の関係式に従う。
Ｙ ＝ Ａ・Ｘ³ ＋ Ｂ・Ｘ² ＋ Ｃ・Ｘ ＋ Ｄ
上式で、
− Ｙは、全ストリップ高さ（ｈ）に対する前記ストリップの曲げ軸（Ａ₁）に平行な表面上のコーティング厚のパーセンテージであり；
− Ｘは、前記ストリップの全底辺（ｂ）に対する前記ストリップの曲げ軸（Ａ₁）に垂直な表面上のコーティング厚のパーセンテージであり；
− Ａは、特性曲線の多項式推定の３次係数であって、−３．５３０２×１０⁻⁵、又は−３．５５５６５×１０⁻⁵であり；
− Ｂは、特性曲線の多項式推定の２次係数であって、−１．１１４×１０⁻³、又は−１．０６４２×１０⁻³であり；
− Ｃは、；特性曲線の多項式推定の１次係数であって、−０．２９１５２、又は−０．２８７２１であり；
− Ｄは、特性曲線の多項式推定の一の位の数であって、１５．５２２、又は１６．４４６である。

上述の変形形態の１つによる少なくとも１つの共振子を含む時計に関する。

テンプ輪スプリングを示す図であり、図１Ａはテンプ輪スプリングの全体の斜視図であり、図１Ｂはテンプ輪スプリングの代表的断面図である。 本発明による複数の実施形態の図である。 向きの関数として単結晶シリコンの｛１００｝面のヤング率の空間図である。 温度の関数として単結晶シリコンの｛１００｝面のヤング率の変動の図である。 向きの関数として単結晶シリコンの｛１１１｝面のヤング率の空間図である。 温度の関数として単結晶シリコンの｛１１１｝面のヤング率の変動の図である。 温度及びコーティング厚の関数として単結晶シリコンの｛１００｝面からコアが得られた共振子の周波数変化の図である。 軸線ｂ₁＋ｂ₃［％ｂ］方向の図７の一部の垂直図である。 軸線ｈ₁＋ｈ₃［％ｈ］方向の図７の一部の垂直図である。 方向ΔＦ＝１の図７の一部の水平面である。 コーティングの位置の関数としての共振子周波数変化の図である。 コーティングの厚みの関数としての共振子周波数変化の図である。 温度及びコーティング厚の関数として単結晶シリコンの｛１１１｝面からコアが得られた共振子の周波数変化の図である。 軸線ｂ₁＋ｂ₃［％ｂ］方向の図１３の一部の垂直図である。 軸線ｈ₁＋ｈ₃［％ｈ］方向の図１３の一部の垂直図である。 方向ΔＦ＝１の図１３の一部の水平面である。

他の特徴及び利点は、添付図面を参照しながら非限定的な例証として与えられた以下の説明から明らかになるであろう。

本発明は、ヘアスプリング（ひげぜんまい）付きテンプ、音叉、又はより一般的なＭＥＭＳ（マイクロ電子機械システム）タイプのものとすることができる機械共振子に関する。

しかしながら、本発明を説明するため、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、ここではテンプ輪と協働して機械共振子を形成するテンプ輪スプリングへの適用を利用している。テンプ輪スプリングは、一般に、その断面が底辺ｂ及び高さｈを有する長さＩの少なくとも１つのコイルに巻かれたストリップにより形成される。

図１Ａに示すように、ストリップは、コレット（ひげ玉）と共に単一部品内に形成されるのが好ましい。好ましくは、このことは、厚みが底辺ｂのサイズにほぼ一致する単結晶シリコン・ウェハを使用することで実施可能となる。ウェハは、テンプ輪スプリング及びそのコレット全体をディープ反応性イオンエッチングを介してエッチング処理される。

図１Ｂに示すように、底辺ｂのサイズ全体が単結晶シリコンから作られるが、反対側の２つのコーティングは、好ましくは非晶質二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）から作られることが理解できる。この第１の実施形態は、図２で参照符号Ａで示される。図２はまた、Ａ₁で指定したストリップの曲げ軸を表す破線を示している。従って、第１の実施形態Ａでは、曲げ軸Ａ₁に垂直なストリップの表面だけがそれぞれの厚みｂ₁及びｂ₃のコーティングで被覆される。従って、底辺ｂのサイズ全体は、これらのコーティングｂ₁及びｂ₃と、単結晶シリコン部分のサイズｂ₂により形成されることは明らかである。

図２の第２の実施形態Ｂでは、曲げ軸Ａ₁に平行なストリップの表面だけが、それぞれの厚みｈ₁及びｈ₃のコーティングで被覆される。従って、高さのサイズ全体ｈは、これらのコーティングｈ₁及びｈ₃と、単結晶シリコン部分のサイズｈ₂により形成されることは明らかである。

図２の実施形態Ｃでは、ストリップの表面の全てがコーティングで被覆されている。しかし、ストリップの隣接する表面は同様には被覆されず、好ましくは、表面の対をなすものが同一に被覆される。すなわち、曲げ軸Ａ₁に平行な面は、それぞれの厚みｈ₁及びｈ₃のコーティングで被覆され、曲げ軸Ａ₁に垂直な面は、それぞれの厚みｂ₁及びｂ₃のコーティングで被覆される。従って、一方では、高さの全体サイズｈは、コーティングｈ₁及びｈ₃と単結晶シリコン部分のサイズｈ₂とにより形成され、他方では、底辺のサイズ全体ｂは、従って、コーティングｂ₁及びｂ₃と、単結晶シリコン部分のサイズｂ₂とにより形成されることは明らかである。サイズｈ₁、ｈ₃は、サイズｂ₁、ｂ₃よりも小さい。

図２の第４の実施形態Ｄでは、ストリップの表面の全ては、第３の実施形態Ｃと同様にしてコーティングで被覆される。ストリップの隣接する表面は同様には被覆されず、好ましくは、表面の対をなすものが同一に被覆される。第３の実施形態Ｃとは異なり、サイズｈ₁、ｈ₃は、サイズｂ₁、ｂ₃よりも大きい。

本発明によれば、第４の実施形態Ａ、Ｂ、Ｃ、及びＤは、｛１００｝面及び｛１１１｝面に沿って切断した単結晶シリコン・ウェハで形成されるストリップを用いて検討した。図３に示す実施例は、向きの関数として単結晶シリコンの｛１００｝面のヤング率の空間図を示している。従って、弾性は、ストリップの曲げの向きに応じて変わることは明らかである。しかしながら、計算を実施すると、螺旋ストリップの構造は、実際には図４に示す中程度のヤング率（ΔＳｉ_moy）を有するかのような挙動を示す。この図はまた、単結晶シリコンの熱弾性係数が負（マーク□、○、△参照）であり、非晶質二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）の熱弾性係数が正（マーク×参照）であることを示している。

従って、図５及び図６を参照すると、これらは、｛１１１｝面に関連すること以外は図３及び図４にそれぞれ類似しており、｛１１１｝面から形成されるストリップは、｛１００｝面から形成されるものと同様にして反応し、すなわち、非晶質二酸化ケイ素コーティング（ＳｉＯ₂）により補償することができる。

図７は、｛１００｝面に沿って切断した単結晶シリコン・ウェハで形成されるストリップにおいて実行される計算の完全表現である。図７は、温度及びコーティング厚の関数として｛１００｝単結晶シリコンから得られたストリップで構成の共振子の周波数変化を示している。種々の熱平面間にほぼ一定の比ΔＦ（すなわち、１に等しい）が得られる収束曲線が存在することが分かる。特性曲線をより明確に例示するために、以下の平面が与えられ、すなわち、軸線ｂ₁＋ｂ₃［％ｂ］、すなわち％ｈ＝０の方向の図７の一部の垂直平面（図８）、軸線ｈ₁＋ｈ₃［％ｈ］、すなわち％ｂ＝０の別の方向の図７の一部の垂直平面（図９）、最後に、方向ΔＦ＝１の図７の水平面（図１０）が形成された。

図２の第１の実施形態Ａの実際の熱補償曲線である図８は、熱曲線が約３９と４１％の間のｂに対してパーセンテージｂ₁＋ｂ₃で２５℃曲線上に収束することを示している。反対側にある各表面が関係ｂ₁＝ｂ₃に従う本発明の好ましい事例では、第１の実施形態Ａにおいて、１９．５と２０．５％の間の２つの面の各々に対してコーティング厚を有する。より詳細な計算の後、値ｂ₁＋ｂ₃は約３９．６５％で推定される。

同様に、図２の第２の実施形態Ｂの熱補償曲線である図９を参照すると、熱曲線が、実質的に１５と１６％の間で構成されるｈに対してパーセンテージｈ₁＋ｈ₃にて２５℃曲線上に収束することが分かる。従って、第２の実施形態Ｂで反対側の各表面が関係ｈ₁＝ｈ₃に従う本発明の好ましい事例において、７．５と８％の間の２つの表面の各々に対するコーティング厚がある。より詳細な計算の後、値ｈ₁＋ｈ₃は、約１５．４９％で推定される。

図１０は、非晶質二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）コーティングを備えた｛１００｝面に沿って切断された単結晶シリコン・ウェハから形成されるストリップを補償するのに観測される曲線を要約している。従って、第１及び第２の実施形態Ａ及びＢの値は、同様にＸ及びＹ軸上でそれぞれ見られる。更に、注釈付きの曲線Ｅも見られ、同じパーセンテージがストリップ表面の全てにわたって適用される（すなわち、欧州特許第１４２２４３６号と同様）。最後に、Ｂ点と曲線Ｅとの間の特性曲線は、図２の第４の実施形態Ｄに属し、曲線ＥとＡ点との間の特性曲線は、図２の第３の実施形態Ｃに属する。

形成される層の判定を簡素化するために、３次多項式を計算し、共振子の生成をより容易にした。
Ｙ ＝ Ａ・Ｘ³ ＋ Ｂ・Ｘ² ＋ Ｃ・Ｘ ＋ Ｄ
ここで、
− Ｙは、全ストリップ高さ（ｈ）に対するストリップ曲げ軸（Ａ₁）に平行な表面上のコーティング厚（ｈ₁＋ｈ₃）のパーセンテージであり；
− Ｘは、ストリップの全底辺（ｂ）に対するストリップ曲げ軸（Ａ₁）に垂直な表面上のコーティング厚（ｂ₁＋ｂ₃）のパーセンテージであり；
− Ａは、特性曲線の多項式推定の３次係数で、−３．５３０２×１０⁻⁵であり；
− Ｂは、特性曲線の多項式推定の２次係数で、−１．１１４×１０⁻³であり；
− Ｃは、；特性曲線の多項式推定の１次係数で、−０．２９１５２であり；
− Ｄは、特性曲線の多項式推定の一の位の数で、１５．５２２である。

最後に、図１１及び図１２はそれぞれ、理論上は、コーティングが曲げ軸Ａ１（実施形態Ａ）に垂直な面、或いは曲げ軸Ａ１（実施形態Ｂ）に平行な面を覆うかどうかに応じた共振子周波数への影響を示している。周波数は、曲げ軸Ａ１（実施形態Ａ）に垂直な表面に加えられたコーティングによるよりも、曲げ軸Ａ１（実施形態Ｂ）に平行な表面に加えられたコーティングによる影響の方が遙かに大きくなる点に留意されたい。従って、共振子を形成するためにテンプ輪スプリングとテンプ間で行われる調整によって、実施形態Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥのうちの１つが、他のものよりもより有利になると推測される。

ウェハの｛１００｝面に対して実施した研究はまた、｛１１１｝面についても実施した。従って、図１３は、｛１１１｝面に沿って切断した単結晶シリコン・ウェハで形成されるストリップについて実施した計算の完全図である。

図１３は、温度及びコーティング厚の関数として単結晶シリコンの｛１１１｝面からそのストリップが得られた共振子の周波数変化を示している。また、種々の熱平面間にほぼ一定の比ΔＦ（すなわち、１に等しい）を維持できるようにする収束曲線が存在することが分かる。特性曲線をより明確に例示するために、以下の平面が与えられ、すなわち、軸線ｂ₁＋ｂ₃［％ｂ］、すなわち％ｈ＝０の方向の図１３の一部の垂直平面（図１５）、軸線ｈ₁＋ｈ₃［％ｈ］、すなわち％ｂ＝０の別の方向の図１３の一部の垂直平面（図１６）、最後に、方向ΔＦ＝１の図１３の水平面（図１６）が形成された。

図２の第１の実施形態Ａの実際の熱補償曲線である図１４は、熱曲線が約４１と４３％の間を含むｂに対してパーセンテージｂ₁＋ｂ₃で２５℃曲線上に収束することを示している。各対向する表面が関係ｂ₁＝ｂ₃を観測する本発明の好ましい事例では、実施形態Ａにおいて、２０．５と２１．５％の間の２つの表面の各々に対してコーティング厚を有する。より詳細な計算の後、値ｂ₁＋ｂ₃は約４１．６９％で推定される。

同様に、図２の第２の実施形態Ｂの熱補償曲線である図１５を参照すると、熱曲線が、約１６と１７％との間で構成されるｈに対してパーセンテージｈ₁＋ｈ₃にて２５℃曲線上に収束することが分かる。従って、各対向する表面が関係ｈ₁＝ｈ₃を観測する本発明の好ましい事例では、第２の実施形態Ｂにおいて、２つの表面の各々に対して８と８．５％の間のコーティング厚を有する。より詳細な計算の後、値ｈ₁＋ｈ₃は、約１６．４６％で推定される。

図１６は、非晶質二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）コーティングを備えた｛１１１｝面に沿って切断された単結晶シリコン・ウェハから形成されるストリップを補償するのに観測される曲線を要約している。従って、第１及び第２の実施形態Ａ及びＢの値は、同様にＸ及びＹ軸上でそれぞれ見られる。更に、注釈付きの曲線Ｅもあり、同じパーセンテージがストリップ面の全てにわたって適用される（すなわち、欧州特許第１４２２４３６号と同様）。最後に、Ｂ点と曲線Ｅとの間の特性曲線は、図２の第４の実施形態Ｄに属し、曲線ＥとＡ点との間の特性曲線は、図２の第３の実施形態Ｃに属する。

形成される層の判定を簡素化するために、３次多項式を計算し、共振子の生成をより容易にした。
Ｙ ＝ Ａ・Ｘ³ ＋ Ｂ・Ｘ² ＋ Ｃ・Ｘ ＋ Ｄ
ここで、
− Ｙは、全ストリップ高さ（ｈ）に対するストリップ曲げ軸（Ａ₁）に平行な表面上のコーティング厚（ｈ₁＋ｈ₃）のパーセンテージであり；
− Ｘは、ストリップの全底辺（ｂ）に対するストリップ曲げ軸（Ａ₁）に垂直な表面上のコーティング厚（ｂ₁＋ｂ₃）のパーセンテージであり；
− Ａは、特性曲線の多項式推定の３次係数で、−３．５５５６５×１０⁻⁵であり；
− Ｂは、特性曲線の多項式推定の２次係数で、−１．０６４２×１０⁻³であり；
− Ｃは、；特性曲線の多項式推定の１次係数で、−０．２８７２１であり；
− Ｄは、特性曲線の多項式推定の一の位の数で、１６．４４６である。

従って、切断する｛１００｝面と同様に、共振子を形成するために、単結晶シリコン・ウェハの切断する｛１１１｝面から得られるテンプ輪スプリングとテンプ（慣性フライホイール）間で行われる調整によって、実施形態Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥのうちの１つが、他のものよりもより有利になると推測される。よって、上述のように、切断する面｛１００｝又は｛１１１｝の選択は決定的影響ではない点に留意されたい。

上記の説明に照らして、開示される教示は、例えば、音叉又はＭＥＭＳタイプの共振子など、他のタイプの熱補償機械共振子にも実施できることは明らかである。

Ａ₁ 曲げ軸；
ｂ₁、ｂ₃ コーティング厚み； ｂ₂ 単結晶シリコン部分の厚み；
ｈ₁、ｈ₃ コーティング厚み； ｈ₂ 単結晶シリコン部分の厚み。

Claims (15)

1. 多角形断面のコアが単結晶シリコンを含むストリップを有する熱補償機械共振子において、
   前記コアが、前記共振子を温度変化の影響を受けにくくするためのコーティングを前記コアの表面の少なくとも１つに含み、少なくとも１つの他の表面にはコーティングがない、
   ことを特徴とする熱補償機械共振子。
2. 多角形コアが単結晶シリコンを含むストリップを含む熱補償共振子において、前記コアが前記共振子を温度変化の影響を受けにくくするためのコーティングで被覆されている共振子であって、
   前記コアの少なくとも２つの隣接する表面が同じ厚みでは被覆されない、
   ことを特徴とする共振子。
3. 前記ストリップの断面が、その表面が同一の対である四角形である、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の共振子。
4. 前記コーティングが、前記ストリップの曲げ平面に平行な表面に優先的に堆積され、前記共振子の周波数への影響を定量的に改善するようにする、
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の共振子。
5. 前記コーティングが二酸化ケイ素である、
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の共振子。
6. 前記ストリップが、対称的に組み立てられて音叉となる少なくとも２つのバーを形成する、
   ことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の共振子。
7. 前記ストリップがＭＥＭＳを形成する、
   ことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の共振子。
8. 前記ストリップが巻き付けられて少なくとも１つのコイルを形成し、慣性フライホイールに結合される、
   ことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の共振子。
9. 前記コアが｛１００｝面の単結晶シリコン・ウェハから作られる、
   ことを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の共振子。
10. 前記コアが｛１００｝面の単結晶シリコン・ウェハから作られる、
    ことを特徴とする請求項８に記載の共振子。
11. 前記コアが｛１１１｝面の単結晶シリコン・ウェハから作られる、
    ことを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の共振子。
12. 前記コアが｛１１１｝面の単結晶シリコン・ウェハから作られる、
    ことを特徴とする請求項８に記載の共振子。
13. 前記対の表面のコーティング厚が、
    Ｙ ＝ Ａ・Ｘ³ ＋ Ｂ・Ｘ² ＋ Ｃ・Ｘ ＋ Ｄ
    ここで、
    Ｙは、全ストリップ高さ（ｈ）に対する前記ストリップの曲げ軸（Ａ₁）に平行な面上のコーティング厚のパーセンテージであり；
    Ｘは、前記ストリップの全底辺（ｂ）に対する前記ストリップの曲げ軸（Ａ₁）に垂直な面上のコーティング厚のパーセンテージであり；
    Ａは、特性曲線の多項式推定の３次係数で、−３．５３０２×１０⁻⁵であり；
    Ｂは、特性曲線の多項式推定の２次係数で、−１．１１４×１０⁻³であり；
    Ｃは、；特性曲線の多項式推定の１次係数で、−０．２９１５２であり；
    Ｄは、特性曲線の多項式推定の一の位の数で、１５．５２２である、
    と言う関係式に従う、
    ことを特徴とする、請求項１０に記載された共振子。
14. 前記対の面のコーティング厚が、
    Ｙ ＝ Ａ・Ｘ³ ＋ Ｂ・Ｘ² ＋ Ｃ・Ｘ ＋ Ｄ
    ここで、
    Ｙは、全ストリップ高さ（ｈ）に対する前記ストリップの曲げ軸（Ａ₁）に平行な面上のコーティング厚のパーセンテージであり；
    Ｘは、前記ストリップの全底辺（ｂ）に対する前記ストリップの曲げ軸（Ａ₁）に垂直な面上のコーティング厚のパーセンテージであり；
    Ａは、特性曲線の多項式推定の３次係数で、−３．５５５６５×１０⁻⁵であり；
    Ｂは、特性曲線の多項式推定の２次係数で、−１．０６４２×１０⁻³であり；
    Ｃは、；特性曲線の多項式推定の１次係数、−０．２８７２１であり；
    Ｄは、特性曲線の多項式推定の一の位の数、１６．４４６である。
    と言う関係式に従う、
    ことを特徴とする、請求項１２に記載された共振子。
15. 請求項１〜１４の何れか１項に記載の少なくとも１つの機械共振子を含むことを特徴とする時計。

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