JP2015501591A - セラミック温度補償型共振器 - Google Patents
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Abstract
本発明は、変形させて使用する本体（５、１５）を備える温度補償型共振器（１、１１）であって、この本体（５、１５）のコア（８、１８）がセラミックによって形成される、温度補償型共振器（１、１１）に関する。本発明によると、本体（５、１５）の少なくとも一部分はコーティング（２、４、６、１２、１４、１６）を含み、このコーティング（２、４、６、１２、１４、１６）の温度によるヤング率の変動（ＴＥＣ）は、コア（８、１８）に使用するセラミックの温度によるヤング率の変動（ＴＥＣ）に対して反対符号であり、これによって上記共振器の温度による、少なくとも１次温度係数の周波数変動が実質的にゼロとなる。本発明は時計の分野に関する。【選択図】図４
Description
本発明は、１次温度係数及び最終的に２次温度係数が実質的にゼロであるタイムベース又は周波数ベースを製造するための、ゼンマイ−テンプタイプ、音叉タイプ又はより一般にはＭＥＭＳタイプの温度補償型共振器に関する。
特許文献１は、ＣＯＳＣ（スイス公式クロノメーター検定協会）の認証プロセスの温度、即ち＋８〜＋３８℃付近において温度係数を実質的にゼロにするために二酸化ケイ素でコーティングされたシリコン製のヒゲゼンマイを開示している。同様に、特許文献２は、同様の温度範囲内において、ヤング率の変動が小さいという同様の特性を有するＭＥＭＳ共振器を開示している。
しかしながら、上述の開示における周波数変動は、その応用例によっては複雑な補正を必要とする。例えばＣＯＳＣの認証を受けることができる電子クオーツ式腕時計の場合、温度測定に基づく電子式の補正を実行しなければならない。
本発明の目的は、少なくとも１次温度係数が温度補償されるセラミック共振器を提供することによって、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、変形させて使用する本体を含み、この本体のコアがセラミックで形成された温度補償型共振器であって、本体の少なくとも一部分は少なくとも１つのコーティングを含み、そのコーティングの温度によるヤング率の変動は、コアに使用するセラミックの温度によるヤング率の変動に対して反対符号であり、これによって上記共振器の温度による、少なくとも１次温度係数の周波数変動が実質的にゼロとなることを特徴とする、温度補償型共振器に関する。
本発明によると有利には、変形させて使用する共振器の本体は、１つ又は２つの次数を補償するための単一のコーティングを含んでいてもよい。よって、コーティング材料の各次数の大きさ及び符号に応じて、少なくとも１次係数を補償するようにコーティングの厚さを計算する。
本発明の他の有利な特徴によると、
−本体のコアはガラス、金属ガラス、工業用セラミック又はセラミックガラスを含み；
−本体は、面の対が同一である実質的に四辺形状の断面を含み；
−本体は、面が完全にコーティングされた実質的に四辺形状の断面を含み；
−上記少なくとも１つのコーティングは、湿気に対するバリアを形成し；
−上記少なくとも１つのコーティングは導電性であり；
−本体は、コアと上記少なくとも１つのコーティングとの間にプライマ層を含み；
−本体は、それ自体が螺旋状に巻かれてヒゲゼンマイを形成する棒体であり、慣性はずみ車に連結され；
−本体は、音叉を形成する、対称に設置される少なくとも２つの棒体を備え；
−本体はＭＥＭＳ共振器である。
−本体のコアはガラス、金属ガラス、工業用セラミック又はセラミックガラスを含み；
−本体は、面の対が同一である実質的に四辺形状の断面を含み；
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−上記少なくとも１つのコーティングは導電性であり；
−本体は、コアと上記少なくとも１つのコーティングとの間にプライマ層を含み；
−本体は、それ自体が螺旋状に巻かれてヒゲゼンマイを形成する棒体であり、慣性はずみ車に連結され；
−本体は、音叉を形成する、対称に設置される少なくとも２つの棒体を備え；
−本体はＭＥＭＳ共振器である。
最後に、本発明はまた、例えば時計等のタイムベース又は周波数ベースであって、上述の変形例のいずれかによる少なくとも１つの共振器を含むことを特徴とする、タイムベース又は周波数ベースにも関する。
本発明の他の特徴及び利点は、添付の図面を参照して非限定的な例として挙げる以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
先に説明したように、本発明は、ゼンマイ−テンプタイプ若しくは音叉タイプ、又はより一般にはＭＥＭＳ（微小電気機械システム）タイプのものであってもよい共振器を含む時計に関する。本発明の説明を簡略化するために、以下にはゼンマイ−テンプタイプ及び音叉タイプに関する応用例のみを示す。しかしながら当業者は、共振器の他の応用例を、以下の教示から何ら困難を伴うことなく達成できる。
定義として、共振器の周波数の相対的変動は、以下の関係式：
に従い、式中、
は、周波数の相対的変動（ｐｐｍ又は１０-6）であり；
−Ａは、基準点に応じた定数（ｐｐｍ）であり；
−Ｔ0は、基準温度（℃）であり；
−αは、１次温度係数（ｐｐｍ・℃-1）であり；
−βは、２次温度係数（ｐｐｍ・℃-2）であり；
−γは、３次温度係数（ｐｐｍ・℃-3）である。
−Ａは、基準点に応じた定数（ｐｐｍ）であり；
−Ｔ0は、基準温度（℃）であり；
−αは、１次温度係数（ｐｐｍ・℃-1）であり；
−βは、２次温度係数（ｐｐｍ・℃-2）であり；
−γは、３次温度係数（ｐｐｍ・℃-3）である。
更に、熱弾性係数（ＴＥＣ）は、温度によるヤング率の相対的変動を表す。従って、以下で使用する用語「α」及び「β」は、それぞれ１次及び２次温度係数、即ち温度による共振器の相対的な周波数変動を表す。用語「α」及び「β」は、共振子本体の熱弾性係数及び本体の熱膨張係数によって決まる。更に、用語「α」及び「β」はまた、例えばゼンマイ−テンプ共振器用の（慣性はずみ車を形成する）テンプ等、いずれの別個の慣性ブロックに固有の係数を考慮に入れている。
タイムベース又は周波数ベースのための共振器全体の振動を維持する必要が有るため、その温度依存性は、同様に保守システムに対しても可能な限り貢献する。
従って、最も重要なパラメータは熱弾性係数（ＴＥＣ）であり、これを「ＣＴＥ」、即ち膨張係数に関わる「熱膨張定数（Ｃｏｎｓｔａｎｔ ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）」と混同してはならない。
大抵の金属の熱弾性係数（ＴＥＣ）は大きく負の値を取り、−１０００ｐｐｍ・℃-1程度である。よって、これらを使用してヒゲゼンマイを製造することは想定できない。この問題に対処するためにＮｉｖａｒｏｘ ＣＴ等の複合合金が開発されている。しかしながら、これら複合合金は、特にその製造に関して対処しがたい難点を残している。
本発明は有利には、上記共振器を形成するための代替セラミック材料に関する。セラミックはガラス化した本体若しくはガラス化していない本体を有する物品、結晶構造若しくは部分結晶構造を有する物品、又はガラス製の物品として考えることができ、その本体は、本質的に無機質の金属又は非金属物質で形成され、冷却すると凝固する溶融物によって形成されるか、又は熱の作用によって同時に若しくは順に形成及び仕上げられる。
よって、本発明によるセラミックは、単純ガラス、金属ガラス、炭化ケイ素等の工業用セラミック又はセラミックガラスを包含する。よって、本発明によると有利には、セラミック共振器は少なくとも１つのコーティングを含み、その温度によるヤング率の変動は、コアに使用されるセラミックの温度によるヤング率の変動に対して反対符号であり、これによって、上記共振器の温度による１次温度係数の周波数変動が実質的にゼロとなる。
また、本体の移動によって、本体の軌道に影響を及ぼすことができる静電気力が生成されるのを防止するために、コーティングが導電性であると有利である。最後に、コーティングが例えば窒化ケイ素等、湿気に対するバリアを形成できるような透過性を有するものであることが好ましい。
図１、２に示す例にはヒゲゼンマイ１が示されており、その本体５はヒゲ玉３と一体であり、またその１次温度係数α又は２次温度係数βは、コア８及びコーティング６それぞれに対して２つの材料を使用することによって補償される。図２はヒゲゼンマイ１の本体５の断面を示し、これはその四辺形状の断面をよりはっきりと示すものである。よって本体５を、その長さｌ、高さｈ及び厚さｅによって画定できる。
図２は、コア８が完全にコーティングされている例を示す。当然、図２は１つの非限定的な例を示しているにすぎない。よってヒゲゼンマイ１は、図３、４に示す例におけるように、本体５の１つ若しくは複数の面又は外側表面全体等、本体５の少なくとも一部分上にコーティング２、４、６を含んでいてもよい。情報として、コーティング２、４、６はコア８の寸法に対して正確な縮尺ではなく、これは各部分の位置をよりわかりやすく示すためである。
従って、本発明による本体は、非限定的に、実質的に四辺形状である断面を含んでおり、その単一の面はコーティングされているか、又はその複数の面の対が同一であるか、又はその面全体が一様にコーティングされているか若しくは一様でない様式でコーティングされていることが明らかである。
同様に、本発明によると有利には、図５に音叉タイプの共振器１１を示す。共振器の本体１５は、振動するよう構成された２つのアーム１７、１９に接続される基部１３によって形成される。例として、使用する音叉１１は：リバースタイプ、即ち基部１３が２つのフリッパアーム１７、１９（即ち２つのアーム１７、１９がその端部にフリッパ２０、２２を有する）の間に延在するタイプ；及び溝付きタイプ、即ち２つのアーム１７、１９が溝２４、２６を備えるタイプのものである。しかしながら、網羅的なものではないがリバースタイプ及び／又は溝付きタイプ及び／又は円錐形タイプ及び／又はフリッパタイプであってもよい、音叉の可能な多数の変形例があることは明らかである。
本発明によると有利には、音叉１１は、本体１５のコア１８上への層１２、１４、１６の蒸着によって補償される１次及び係数α及び２次温度係数βを有する。図６、７は、音叉１１の本体１５の、図５に示す平面Ａ−Ａに沿った２つの網羅的な断面の例を示す。この溝付きの四辺形状の断面は、本体１５のコア１８が、本体１５の１つ若しくは複数の面、又は外側表面全体等、本体１５の少なくとも一部分上において、少なくとも１つのコーティング１２、１４、１６で覆われていることを示す。前記第１の例と同様、コーティング１２、１４、１６はコア１８の寸法に対して正確な縮尺ではなく、これは各部分の位置をよりわかりやすく示すためのものである。
共振器１、１１のコア８、１８はセラミックで形成される。しかしながら、多様な種類のセラミックが存在する。低い熱弾性係数（ＴＥＣ）及び膨張係数（αspi）を有するセラミックが好ましいのはこのためである。
従って、溶融石英とも呼ばれる石英ガラスを使用できる。「石英（ｑｕａｒｔｚ）」という単語の使用が示唆するのとは反対に、これは結晶性材料ではなく、非晶質シリカである。
溶融石英の製造方法に応じて、得られる熱弾性係数（ＴＥＣ）は一般に小さい正の値、即ち５０〜２５０ｐｐｍ・℃-1である。更に、溶融石英の膨張係数αspiは約０．５ｐｐｍ・℃-1であり、これは極めて低い値である。溶融石英を使用する例に関して、これは、コーティング２、４、６、１２、１４、１６は好ましくは負の値の熱弾性係数（ＴＥＣ）を有することを意味する。よって上述のように、このコーティングは金属若しくは金属合金又は炭化ケイ素等の別のセラミックを含んでいてもよい。
当然、アルカリケイ酸塩類、ホウケイ酸塩類又はアルミノケイ酸塩類からの他のガラスを想定することも全く問題なく可能である。
例として、Ｐｙｒｅｘ（登録商標）又はＳｃｈｏｔｔ（登録商標）ＢＦ３３、ＡＦ４５ガラスを使用してもよい。
ここで：
−αspiは材料の膨張係数（ｐｐｍ・℃-1）であり；
−ＴＥＣは熱弾性係数（ｐｐｍ・℃-1）である。
−αspiは材料の膨張係数（ｐｐｍ・℃-1）であり；
−ＴＥＣは熱弾性係数（ｐｐｍ・℃-1）である。
国際公開特許第２００７／０５９８７６号（参照により本特許出願に援用される）において開示されたもののような光構造化性ガラスを想定することもできる。実際、フォトリソグラフィによる製造方法は、熱弾性係数（ＴＥＣ）の調整に関して極めて精度が高い。最後に、例えばＺｅｒｏｄｕｒ等のセラミックガラスを想定することもできる。
上述のように、セラミックは正又は負の値の１次熱弾性係数（ＴＥＣ）及び２次熱弾性係数（ＴＥＣ）を有してよいことは明らかである。コア８、１８に対して使用される（１つ又は複数の）コーティング２、４、６、１２、１４、１６が正又は負の値の１次熱弾性係数（ＴＥＣ）及び２次熱弾性係数（ＴＥＣ）を同様に含んでよいのはこのためである。よって、共振器１、１１を例えば、これもまたセラミック製であるコーティングによって完全に又は部分的に覆われたセラミックコアで形成できることは明らかである。
よって、コーティングは２、４、６、１２、１４、１６の蒸着方法に応じて、クロム又はチタン等のセラミックに対する良好な接着性を有する材料を選択することが好ましい場合がある。しかしながら代替として、主コーティング２、４、６、１２、１４、１６の前にクロム又はチタン等のプライマ層を蒸着することによって、上記コーティングの接着性及び／又は透過性を改善してもよい。
最後に、コア８、１８が負の値の１次熱弾性係数（ＴＥＣ）又は２次熱弾性係数（ＴＥＣ）を有する場合、好ましくはコーティングとして酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ2）、酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）及び／又は酸化ジルコニウム若しくはハフニウムを使用してよい。
１６ｍｇ・ｃｍ2の慣性を有する天輪を有する４Ｈｚ共振器について例を求めた。テンプの膨張係数αbalは、共振器の周波数の温度依存に影響を及ぼす。
ヒゲゼンマイに関して、コイルの高さｈ及び長さｌは固定されており、厚さｅだけを調整して正しいトルクを得る。コイルの全表面を覆っていると考えられるコーティングの厚さｄを調整することにより、共振器の周波数の少なくとも１次温度係数αを補償する。
ヒゲゼンマイのコア又はコーティングに使用する材料の特性を以下の表にまとめる。
第１の例は、Ｓｃｈｏｔｔ（登録商標）が市販している、膨張係数が実質的にゼロであるＺｅｒｏｄｕｒ製ヒゲゼンマイを、金属（ここではＡｌの層）でコーティングすることからなる。
化学蒸着（ＣＶＤ）によって蒸着されるＳｉＣの層でこのガラスをコーティングすることもできる。ＣＶＤ−ＳｉＣは、機械的及び化学的な耐性を有すると考えられる多結晶性材料である。ＳｉＣはまた結晶形態、例えば６Ｈ−ＳｉＣの名称では六方晶の形態でも存在する。後者の特性は多結晶形状のものとは異なる。以下の例では、これをＳｉＯ2で補償する。
最後に、ＴｅＯ2の層で補償される金属ガラスから最後の例を取る。
異なる複数の例を以下の表にまとめる。
Claims (11)
- 変形させて使用する本体（５、１５）を備える温度補償型共振器（１、１１）であって、
前記本体（５、１５）のコア（８、１８）がセラミックによって形成される、温度補償型共振器（１、１１）において、
前記本体（５、１５）の少なくとも一部分は、少なくとも１つのコーティング（２、４、６、１２、１４、１６）を含み、
前記コーティング（２、４、６、１２、１４、１６）の温度によるヤング率の変動（ＴＥＣ）は、前記コア（８、１８）に使用する前記セラミックの温度によるヤング率の変動（ＴＥＣ）に対して反対符号であり、これによって前記共振器の温度による、少なくとも１次温度係数（α、β）の周波数変動が実質的にゼロとなることを特徴とする、温度補償型共振器（１、１１）。 - 前記本体（５、１５）の前記コア（８、１８）は、ガラス、金属ガラス、工業用セラミック又はセラミックガラスを含むことを特徴とする、請求項１に記載の共振器（１、１１）。
- 前記本体（５、１５）は、面の対が同一である実質的に四辺形状の断面を含むことを特徴とする、請求項２に記載の共振器（１、１１）。
- 前記本体（５、１５）は、面が完全にコーティングされた実質的に四辺形状の断面を含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の共振器（１、１１）。
- 前記少なくとも１つのコーティング（２、４、６、１２、１４、１６）は、湿気に対するバリアを形成することを特徴とする、請求項１~４のいずれか１項に記載の共振器（１、１１）。
- 前記少なくとも１つのコーティング（２、４、６、１２、１４、１６）は、導電性であることを特徴とする、請求項１~５のいずれか１項に記載の共振器（１、１１）。
- 前記本体（１、１１）は、前記コア（８、１８）と前記少なくとも１つのコーティング（２、４、６、１２、１４、１６）との間にプライマ層を含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の共振器（１、１１）。
- 前記本体は、それ自体が螺旋状に巻かれてヒゲゼンマイを形成する棒体であり、慣性はずみ車に連結されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の共振器（１）。
- 前記本体（１５）は、音叉を形成する、対称に設置される少なくとも２つの棒体（１７、１９）を含むことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の共振器（１１）。
- 前記本体は、ＭＥＭＳ共振器であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の共振器（１、１１）。
- 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の少なくとも１つの共振器（１、１１）を含むことを特徴とする、時計。
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