JP2012021984A - 時計部品のテンプ振動体用ひげゼンマイ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】特にシリコン、ダイアモンドまたは石英など低密度材料で作製することのできる、時計部品のテンプ−ひげゼンマイ振動体用ひげゼンマイ、ならびにそのようなひげゼンマイの製造方法を提供すること。
【解決手段】ひげゼンマイは、ある厚さと高さの横断面を有する少なくとも１つのリーフ２を備え、リーフ２が、リーフ２の高さ方向に延びるとともにブリッジ５と互い違いになる、複数の開口部３を含むことを特徴とする。またそのようなひげゼンマイの製造方法にも関する。
【選択図】図２

Description

本発明は、特にシリコン、ダイアモンドまたは石英など低密度材料で作製することができる時計部品のテンプ−ひげゼンマイ振動体用ひげゼンマイ及びそのようなひげゼンマイの製造方法に関する。

前述の低密度材料は、たとえばシリコンウエハのマスキングおよびエッチングなど微細製造技術により、ひげゼンマイに複雑な幾何形状を与えることが可能となる。

ひげゼンマイの刻時性能はその質量に直接依存する。なぜならば、ひげゼンマイの伸張および収縮の間、ひげゼンマイの質量がテンプの天真に作用する力に寄与するからである。

特許文献１は、時計部品に装備することができる組み付け要素について記載している。この要素は、弾性を有する直線リーフと、材料のブリッジで隔てられた開口部（遊び穴）とを備える。この要素は、シャフトに対する要素の締め付け力を向上できるようにすることを狙いとする。

欧州特許出願公開第１９２１５１８号 欧州特許第１４２２４３６号 欧州特許出願公開第２２９９３３６号 欧州特許出願公開第２１５１７２２号

本発明の目的は、質量の高いひげゼンマイの剛性と同等の剛性を確保しつつ、時計部品用ひげゼンマイの質量を減らすことである。

この目的のため、本発明は、ある厚さと高さの横断面を有する少なくとも１つのリーフを備え、前記リーフが、リーフの高さ方向に延びるとともにブリッジと互い違いになる複数の開口部を含むことを特徴とするテンプ−ひげゼンマイ振動体用ひげゼンマイを対象とする。

このように本発明のおかげで、リーフの質量が減少し、その結果、テンプ−ひげゼンマイ調速機構の等時性が向上する。

本発明の一実施形態によれば、リーフがコイルを形成し、開口部が１つのコイルの少なくとも全長にわたり分布する。

本発明の別の実施形態によれば、開口部がリーフの全長にわたり分布する。

開口部は、１つまたは複数のコイルの全長またはリーフの全長にわたり、ブリッジ間の間隔を一定にするか、またはブリッジ間の角ピッチを一定にするなど、等間隔に分布させても、あるいはブリッジ間の角度ピッチまたは間隔を変化させるなど、不等間隔に分布させてもよい。

有利には、リーフが一定の断面積を有し開口部を持たない基準リーフの剛性と同じ剛性を有するよう、開口部ならびにリーフの厚さの寸法が決定されるので、ひげゼンマイの質量の減少を考慮した衝撃時の、ひげゼンマイの挙動にとって有利である。

好ましくは、開口部が細長形状を有し、リーフが、相互に連結され開口部によって隔てられた２つの等間隔部分を含む。変形実施形態では、開口部が円形または楕円形である。

一実施形態においては、２つの等間隔部分はそれぞれ、基準リーフの厚さの半分を下回る寸法の厚さを有し、開口部のレベルにおいて、開口部のない基準リーフの厚さの半分を上回る間隔だけ隔てられる。

たとえば、リーフの２つの等間隔部分の厚さは基準リーフの厚さの１／４に等しく、リーフの全厚さは、開口部のない基準リーフの厚さの１．０５倍に等しい。

一実施形態においては、ブリッジがリーフの長さ方向に沿って等間隔に存在し、角度差が一定である。

好ましくは、開口部と互い違いなブリッジ間の角度差が１°〜３６０°の間から選択される。

一実施形態においては、ブリッジ間の角度差が、内側コイル上では３０°であり、外側コイル上では１５°である。

別の実施形態においては、ブリッジはリーフに沿って一定間隔で存在し、ブリッジ間の間隔が一定である。

有利には、リーフがシリコン、ダイアモンドまたは石英で作製される。別法として、リーフは、たとえばＮｉベースの合金など、金属合金で作製される。

一実施形態では、リーフがコイルに沿って一定の厚さを有する。

別の実施形態においては、リーフがコイルに沿って変化する厚さを有する。

有利には、リーフは、コアの寸法と外部材料層の寸法の比がリーフに沿って一定のままであるように構成された、コアと、このコアを覆う外部材料層とを備える。

たとえばリーフのコアはシリコン製であり、外部材料層は二酸化ケイ素ＳｉＯ_２製である。

本発明はまたそのようなひげゼンマイの製造方法にも関する。

添付の図面に、本発明の対象となるひげゼンマイの一実施形態ならびにこの実施形態の変形形態を例として概略的に示す。

時計部品のテンプ−ひげゼンマイ振動体用の従来技術によるひげゼンマイのリーフの一部分の上面図である。 時計部品のテンプ−ひげゼンマイ振動体用の本発明によるひげゼンマイのリーフの一部分の一実施形態の上面図である。 図１のひげゼンマイのリーフの横断面図である。 図２の線ＩＶ−ＩＶに沿ったひげゼンマイの横断面図である。 リーフの形状が図１のリーフの形状に相当するひげゼンマイの場合に得られる等時性の図である。 リーフの形状が図２のリーフの形状に相当するひげゼンマイの場合に得られる等時性の図である。 リーフの形状が図１のリーフの形状に相当するひげゼンマイと、リーフの形状が図２のリーフの形状に相当するひげゼンマイの場合に得られる、位置間の最大歩度差ΔＭの図である。 変化する厚さを有する従来技術によるひげゼンマイのリーフの一部分を示す図である。 変化する厚さを有する本発明によるひげゼンマイのリーフの一部分を示す図である。 光学顕微鏡を用いた顕微鏡写真法により作製された本発明によるひげゼンマイのリーフの一実施形態の上面図である。 電子顕微鏡を用いた顕微鏡写真法により作製された本発明によるひげゼンマイのリーフの拡大図である。 図１２ａから図１２ｇは変形形態を示す図である。

ひげゼンマイのリーフは時計部品のテンプ（図示せず）に接続されるようになされており、テンプ−ひげゼンマイの振動の結果生じるリーフの伸長および収縮の間、同心的に弾性変形する。

図１および図３に示すように、従来技術によるひげゼンマイのリーフ１すなわちリボンは、高さｈおよび厚さｅの矩形断面を有し、テンプの天真に固定するためのひげ玉（図示せず）に接続された内端と、ひげ持（図示せず）に接続された外端とを有する。シングルピースのリーフ１は開口部のない基準リーフ１と呼ばれる。

好ましくは、このばねは、たとえばシリコンウエハのマスキング、エッチングおよびカットなど、複雑な形状のリーフを作製することができる微細製造技術により、シリコン、ダイアモンドまたは石英のような低密度材料で作製される。

説明を簡単にするために、軸方向、径方向および角度方向は慣例的に用いられており、それぞれ、横断面の高さ、横断面の厚さ、リーフの各コイルにほぼ対応する。

図２および図１１に示す本発明によるひげゼンマイは、質量／剛性比を低くし、最終的にはリーフの質量を少なくするために、リーフの厚さ方向において全長にわたり等間隔で存在する開口部３を有するコイルを形成するリーフ２を含む。

言い換えれば、開口部３は、図４により詳細に示すように、２つの等間隔部分４の間でその横断面の高さ方向において、リーフ２を軸方向に貫通する。

開口部３は細長形状を有することが好ましい。開口部は、ブリッジ５と互い違いになるリーフ２の等間隔部分４の間に位置し、ブリッジ５が２つの等間隔部分４を連結している。

図２に示す本発明による実施形態においては、ブリッジ５はリーフ２に沿って等間隔に３０°の角度差αで分布し、開口部３の弦の長さは、リーフ２から外側に向かってひげゼンマイのコイルが一まわりする毎に増大する。

ブリッジ５間の角度差αは１°〜３６０°の間から選択することができる。

この角度差αは、図１０で示すように、内部コイルの場合と、外部コイルの場合とで異なった値を選択することができ、図では内部コイルの場合、角度差は３０°に等しく、外部コイルの場合、１５°に等しい。また、たとえばコイルｄに沿った２点の間隔をほぼ一定に保つために、この角度差を連続的に変化させることもできる。

ブリッジ５の配置、開口部３の寸法および部分４の厚さは、図２のリーフ２において、開口部のない基準リーフ１の剛性と同じ剛性が確保されるように構成される。

図３に示すように、開口部がなく横断面６が所定の矩形であるこの基準リーフ１は、高さｈ、厚さｅのビームとみなすことができる。そのようなビームの剛性はＩ＝ｈ・ｅ^３／１２に等しいその慣性モーメントＩに比例することが知られている。

図４に示すように、第一近似においてブリッジ５の影響を無視した場合、本発明によるひげゼンマイのリーフ２は、厚さｅ”の等間隔かつ対称的な２つの部分４で形成され部分４の２つの対向平面７を横断する開口部３によって隔てられた、高さｈ’、全厚さｅ’のビームとみなすことができる。２つの部分４間の間隔はｅ’−２・ｅ”である。そのようなビームの剛性はＩ'＝（ｈ・ｅ’^３−ｈ・（ｅ’−２・ｅ”）^３）／１２に等しいその慣性モーメントＩに比例することが知られている。

リーフ２の各部分４の厚さｅ”がｅ”＝０．２５・ｅに等しい場合、言い換えればリーフ１の質量が５０％少なくなった場合（ブリッジ５の質量は第一近似では無視する）、同じ剛性を、したがって同じ慣性モーメントを維持するためには、つまりＩ’＝Ｉを得るためには、リーフ２の全厚みｅ’はｅ’＝１．０５・ｅに等しくなければならない。

一般的に、剛性が一定であるとき、すなわちＩ＝Ｉ’を得るためには、リーフ２の２つの等間隔部分４それぞれの厚さｅ”を少なくするほど、その全厚さｅ’は大きくする。

例として、図５の等時性図のグラフを実現するために、半径３．３ｍｍのコイルを１７．２５回巻いたひげゼンマイのリーフ１が用いられ、コイルの厚さは一定でｅはｅ＝４５μｍに等しく、コイル間のピッチは１００μｍであり、外側コイルの終端曲線はｅ’＝１．５・ｅに等しい余肉ｅ’を有する。

例として、図６の等時性図のグラフを実現するために、先のリーフ１と同じ剛性を有する本発明によるひげゼンマイのリーフ２が用いられた。さらにリーフ２は、内側コイル上では３０°毎に、外側コイル上では１５°毎にブリッジ５が存在するように、また２つの等間隔部分４の厚さｅ”がｅ”＝０．２５・ｅに等しく、リーフ２の全厚さｅ’がｅ’＝１．０５・ｅに等しくなるように作製された開口部３を含む。

次により詳細に図５および図６を参照すると、上記特徴を有するひげゼンマイのリーフ１およびリーフ２の２つの等時性図上で、テンプ−ひげゼンマイのその平衡位置に対する振動の振幅Ａ（単位は度）を横座標に取り、使用したひげゼンマイで得られた歩度差Ｍ（単位は一日あたりの秒）を縦座標に示した。

これら２つの等時性図は、テンプ−ひげゼンマイ発振器の通常の６つの異なる測定位置において、第一の図ではリーフ１で得られた歩度差を、第二の図ではリーフ２で得られた歩度差を表す、６本の曲線を示す。

図５における位置間の歩度差は、振幅が２００°〜３００°の間では典型的には３〜４秒／日であり、リーフ１では２５０°で３．６２秒／日の値であるが、図６においては、振幅が２００°〜３００°の間では典型的には１〜２秒／日であり、リーフ２では２５０°で１．８２秒／日の値である。

したがって本発明によるひげゼンマイのリーフ２により、調速機構の歩度差を著しく減らすことができ、この例では半分にすることができる。

図７は、直径５ｍｍ、一定厚さ４４μｍおよびピッチ１３６μｍの１４回巻き（１４コイル）熱補償ひげゼンマイのリーフ１（曲線を「１」と称する）と、リーフ１を用いたひげゼンマイと同等の巻き数、同等の直径、同等の剛性を有するが、そのひげゼンマイの質量のそれぞれ０．５倍、０．７５倍の質量を有する熱補償ひげゼンマイのリーフ２とで得られた最大歩度差ΔＭを示す。

この図は、リーフの質量を少なくすることにより最大歩度差がほぼ線形に減少することを示している。実際、３本の曲線はほぼ同じ形状を示している。リーフの質量が２５％減少する毎に、ひげゼンマイの最大歩度差は２００°の振幅でほぼ０．５秒／日減少し、これは、テンプ−ひげゼンマイ振動体の振幅の如何に関わらず同様な歩みの減少を示している。

本発明によるひげゼンマイのリーフ２の開口部３の形状は、可変厚さリーフの熱補償にとっても有利である。

熱補償を行う場合、すなわち、ひげゼンマイを具備するテンプ−ひげゼンマイ振動体の歩度の熱変位を最小限にするためには、ケイ素Ｓｉの場合には、特許文献２に記載されているような、たとえば無定形二酸化ケイ素ＳｉＯ_２製の外部材料層１１で覆われたケイ素のコア１０を含む、開口部のない基準リーフ１を使用できることがわかっている。Ｓｉ以外の材料の熱補償を行う手段は当業者にとって公知である。

ところで、たとえばコイルのピッチおよび厚さが変化するひげゼンマイの場合のように、ひげゼンマイのリーフ１の断面積が変化すると、図８に示すように、コア１０と外部材料層１１の寸法の比もまた変化し、それにより、熱補償が最適化されなくなる。

ブリッジ５により連結された一定厚さｅ”の２つの等間隔部分４から形成される全厚さｅ’が可変なリーフ２の場合、コア１２と外部材料層１３の寸法の比は、図９に示すように、たとえ、全厚さｅ’の著しい変化を示すリーフ２の部分内でも、ひげゼンマイの全長にわたり一定であることが有利である。

これにより、リーフ２について、最適化された熱補償を行うことが可能になる。

さらに、開口部のあるリーフ２の場合、酸化された表面がより広くなるので、熱補償を行うのに必要なＳｉＯ_２の厚さは、開口部のない基準リーフ１の場合に必要な厚さに比べて少なくなる。

本発明によるリーフ２は、開口部のない基準リーフ１の剛性と同じ剛性を確保しつつ、質量がより少ないので、衝撃による影響を受けにくくなる。

本発明は、特許文献３に記載されているような、コイルのピッチおよび厚さが可変のひげゼンマイにも適用できる。リーフに沿って部分の厚さおよびそれらの部分間の間隔を変えることも考えられる。また、２つの部分が異なる厚さを有するようにするか、２つ以上の部分をブリッジで連結して使用することも可能である。またブリッジ間の間隔を変えることもできる。さらに、間隔と全く同様に、リーフの２つの部分それぞれの厚さをリーフに沿って変えることも可能である。さらにまた、２つのリーフが異なる厚さを有するようにし、これらの厚さの比がリーフに沿って変化するようにすることもできる。

これらの変形形態により、リーフに沿って剛性を変化させること、および／または生じるトルクとともに変化する剛性を得ることが可能になる。

図１２ａから図１２ｅで示すように、ひげゼンマイの刻時特性をさらに最適化するために、その他のパラメータを変更することもできる。

図１２ａは、リーフの部分の厚さがブリッジ間で変化するひげゼンマイを示すが、これは同部分の断面内で最大応力を一定に保つこと、およびリーフの破断のリスクを最小に抑えることを狙いとする。

図１２ｂは多角形を表し、図１２ｃは波状の形状を表す。これらの形状は、内側部分の、つまり屈曲時に圧縮変形する側の圧縮性を調節し、それにより弾性挙動の線形性に影響を与えることを狙いとする。これは、下部の座屈による強い非線形効果を避けることを目的とするものである。もちろんこれらの形状および変化はリーフに沿って変化可能であり、２つのブリッジ間のリーフの各部分は独自の構造を持つことができる。

ブリッジの形状および向きを変更すること、および図１２ｄに示す傾斜ブリッジのようにリーフに対し直角方向に向いていないブリッジを使用すること、および／または、図１２ｅに示す波状ブリッジのように、リーフの２つの部分間で厚さおよび／または向きが可変なブリッジを設けることも可能である。

最後に、図１２ｆまたは図１２ｇに示すように、リーフに対して直角な方向に向かず、リーフの剛性を上げる効果を有するブリッジを使用することも考えられる。

このように、ブリッジの形状、寸法および向きがリーフの剛性に対し多少とも大きな影響を及ぼすことがある。ひげゼンマイの同心的展開およびテンプ−ひげゼンマイの良好な刻時性能を得る目的で、リーフの形状の最適化をはかるために、これらのパラメータをケースバイケースで考慮すべきこともあろう。

本発明によるひげゼンマイは、Ｓｉ、石英、またはダイアモンドについては、ＤＲＩＥ法（Ｄｅｅｐ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）のような微細製造技術により、また、ＮｉまたはＮｉＰタイプの合金については、ＵＶ−ＬｉＧＡ法（Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｉｅ，Ｇａｌｖａｎｏｆｏｒｍｕｎｇ，Ａｂｆｏｒｍｕｎｇ）により作製するのが有利である。また、要素の寸法および要求公差上、可能であれば、レーザ切削、ウォータージェット、電気腐食のような従来の方法を用いることもできる。

本出願において示さなかったその他の変形実施形態においては、本発明によるひげゼンマイは、特許文献４に記載され図示されているような中間リングによって潜在的に相互に連結可能な、角度的に変位した複数のリーフ２を有することもできる。

Claims (21)

1. ある厚さと高さの横断面を有する少なくとも１つのリーフ（２）を備え、前記リーフ（２）が、リーフの高さ方向に延びるとともにブリッジ（５）と互い違いになる複数の開口部（３）を含むことを特徴とするテンプ−ひげゼンマイ振動体用ひげゼンマイ。
2. リーフ（２）がコイルを形成し、開口部（３）が少なくとも１つのコイルの全長にわたり分布する請求項１に記載のひげゼンマイ。
3. 開口部（３）がリーフ（２）の全長にわたり分布する請求項２に記載のひげゼンマイ。
4. 開口部（３）が細長形状を有し、リーフ（２）が、相互に連結されるとともに開口部（３）によって隔てられた２つの等間隔部分（４）を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のひげゼンマイ。
5. ブリッジ（５）がリーフ（２）の長さ方向に沿って等間隔に存在する請求項１から４のいずれか一項に記載のひげゼンマイ。
6. ブリッジ（５）間の角度差（α）が５°〜３６０°の間から選択される請求項５に記載のひげゼンマイ。
7. ブリッジ（５）間の角度差（α）が、内側コイル上では３０°であり、外側コイル上では１５°である請求項５又は６に記載のひげゼンマイ。
8. リーフ（２）に沿ったブリッジ（５）間を隔てる直線間隔が一定である請求項１から４のいずれか一項に記載のひげゼンマイ。
9. リーフ（２）が、コイルに沿って一定の全厚さ（ｅ’）を有する請求項１から８のいずれか一項に記載のひげゼンマイ。
10. リーフ（２）が、コイルに沿って変化する全厚さ（ｅ’）を有する請求項１から８のいずれか一項に記載のひげゼンマイ。
11. リーフ（２）がシリコン、ダイアモンドまたは石英で作製される請求項１から１０のいずれか一項に記載のひげゼンマイ。
12. リーフ（２）が、コア（１２）と、コア（１２）を覆う外部材料層（１３）とを備え、コア（１２）と外部材料層（１３）の寸法の比がリーフ（２）に沿って一定のままである請求項１から１０のいずれか一項に記載のひげゼンマイ。
13. リーフ（２）のコア（１２）がシリコン製であり、外部材料層（１３）が二酸化ケイ素ＳｉＯ_２製であることを特徴とする請求項１２に記載のひげゼンマイ。
14. 開口部（３）が円形または楕円形であることを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載のひげゼンマイ。
15. ある厚さと高さの横断面を有する少なくとも１つのリーフ（２）を作製する、テンプ−ひげゼンマイ振動体用ひげゼンマイの製造方法において、リーフ（２）の高さ方向に延びるとともにブリッジ（５）と互い違いになる複数の開口部（３）をリーフ（２）内に作製することを特徴とする方法。
16. リーフ（２）がコイルを形成し、開口部（３）を少なくとも１つのコイルの全長にわたり作製する請求項１５に記載の方法。
17. リーフ（２）の全長にわたり分布する開口部（３）を有するリーフを作製する請求項１６に記載の方法。
18. リーフ（２）が、開口部を持たない一定の断面積の基準リーフ（１）の剛性と同じ剛性を有するように、開口部（３）およびリーフ（２）の厚さを寸法設定する請求項１５から１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 細長形状を有する開口部（３）と、相互に連結され開口部（３）によって隔てられた２つの等間隔部分（４）を有するリーフ（２）とを作製する請求項１８に記載の方法。
20. 開口部のない基準リーフ（１）の厚さの半分を下回る寸法の厚さ（ｅ”）をそれぞれが有するとともに、開口部（３）において基準リーフ（１）の厚さの半分を上回る間隔だけ隔てられた、２つの等間隔部分（４）を作製する請求項１９に記載の方法。
21. リーフ（２）の２つの等間隔部分（４）の厚さ（ｅ”）としてそれぞれが基準リーフ（１）の厚さの１／４に等しい厚さを選択し、リーフ（２）の全厚さ（ｅ’）として基準リーフ（１）の厚さの１．０５倍に等しい厚さを選択する請求項２０に記載の方法。

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