JP2016020905A - 可撓性を有する計時器用ガイダンス - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトで、製造するのに経済的で、使用時のパフォーマンスが良好な弾性回転ガイダンスデバイスを提供する。
【解決手段】軸方向を定める回転軸のまわりの１つの要素の別の要素に対する回転を可能にする計時器用機構のための弾性回転ガイダンスデバイス２では、構造ブレード４ａ、４ｂを有し、これらの構造ブレード４ａ、４ｂはそれぞれ、主要部１３ａ、１３ｂと、及び主要部１３ａ、１３ｂから一方の端まで延在する機能的部分１０とを有するアセンブリー固定部を有し、アセンブリー固定部及び機能的部分１０は、少なくとも２つの延伸部分１７に設けられた少なくとも１つの溝１２によって分けられており、これらの延伸部分１７は、互いに弾性的に接続され、軸方向と交わる半径方向にて延在し、さらに、可撓性を有する軸方向の両端にて、要素に固定されるように構成するアンカー領域９、１１が設けられている。
【選択図】図１ａ

Description

本発明は、可撓性を有する計時器用ガイダンスに関し、特に、腕時計用ムーブメントの１つの要素の回転軸のまわりの回転を可能にするような弾性回転ガイダンスデバイスに関する。

計時器用ムーブメント内には、回転軸のまわりを回転する部品がいくつかある。例えば、パレット、エスケープデバイスのバランス車である。これらの回転する要素のいくつかは、ばねにつながれている。他の振動する要素としては、例えば、エスケープデバイスのバランス車がある。機械的な腕時計においては、高出力のムーブメントを備えると有利である。パワー貯蔵量を減らさないためである。回転する部品のベアリングにおける摩擦によるエネルギー損失は、エネルギー損失の最も大きな原因の１つである。機械的な腕時計にとって、部品のＱも重要な考慮事項である。

このような損失を減らすために、欧州特許出願ＥＰ２２７３３２３で記載されているような、ベアリングのないピボットのまわりを振動する可撓性回転ガイダンスが知られている。この可撓性ガイダンスは、シリコンウェハーをエッチングして得られたシリコン部品を有し、これは、フレーム、弾性ブレード及び中央取り付け体を有するモノリシック構造を形成している。発振機能のために十分に堅牢性を有するフレーム及び十分に大きな回転振幅を得るために、上記の複数のモノリシック構造が、お互いの上に積み重ねられている。この構造の不利な点の１つは、三次元のモノリシック要素の製造コストが高いということである。さらに、半径方向に延在するばねブレードは、デリケートであって、所望の機能に対する最適な形を有していない。この所望の機能とは、すなわち、回転軸に垂直な平面内で大きな可撓性を有し、回転軸の方向で大きな剛性を有することである。実際に、シリコンウェハーをその表面に垂直な方向にエッチングしてブレードを得るので、ブレードの厚みの制御を高精度で制御するのは難しい。このことは、パフォーマンスに悪影響を与え、特に、詳細に決められている可撓性、堅牢性及び弾性のパラメーターに対して悪影響を与えてしまう。

本発明の目的の１つは、コンパクトで、製造するのに経済的で、使用時のパフォーマンスが良好な弾性回転ガイダンスデバイスを提供することである。

特定の機能のために、大きな回転角を可能にする弾性ガイダンスデバイスを提供することは有利である。

用途に応じて複雑であるが実装が経済的であるような構造を作ることを可能にするような弾性回転ガイダンスデバイスを製造する方法を提供することは有利である。

使用時のエネルギー消費が非常に低い弾性ガイダンスデバイスを提供することは有利である。

堅牢性がある弾性ガイダンスデバイスを提供することは有利である。

本発明の目的は、請求項１に記載の計時器用機構のための弾性回転ガイダンスデバイスによって達成される。従属請求項においては、本発明の様々な有利な態様について記載されている。

本出願において、軸方向を定める回転軸のまわりの１つの要素の別の要素に対する回転を可能にするような、計時器用機構のための弾性回転ガイダンスデバイスについて説明する。

本デバイスは、構造ブレードを有し、これらの構造ブレードはそれぞれ、主要部と、及び前記主要部から一方の端まで延在する機能的部分とを有するアセンブリー固定部を有し、前記アセンブリー固定部及び前記機能的部分は、少なくとも２つの延伸部分に設けられた少なくとも１つの溝によって分けられており、これらの延伸部分は、互いに弾性的に接続され、軸方向と交わる半径方向にて延在し、当該デバイスは、さらに、可撓性を有する当該デバイスの軸方向の両端にて、要素に固定されるように構成するアンカー領域が設けられている。前記構造ブレードそれぞれの前記アセンブリー固定部は、空欠部ないしアセンブリー凹部と、及びアセンブリー延伸部分とを有し、これらの対応するものどうしは、交差して半径方向に嵌って一体的にロックしている。

一実施形態において、前記構造ブレードは、主平面を定めるシート状材料から形成され、前記構造ブレードの向きは、可撓性を有する前記ガイダンスの回転軸が前記構造ブレードの主平面と平行であるように向いている。

一実施形態において、薄型ウェハーは、溶着ないし接着によって一体的となった厚みが同じ又は異なる２つの層を有し、前記構造ブレードは、これらの２つの層の一方の厚みに対応する厚みを有する部分と、及びこれらの２つの層の厚みに対応する厚みを有する部分を有する。

一実施形態において、前記主要部は、当該デバイスの回転軸を包含する当該デバイスの中央部にある。

一実施形態において、前記構造ブレードのうちの１つは、前記アセンブリー空欠部を形成する溝を有し、他の構造ブレードの機能的部分は、この構造ブレードの主要部が前記構造ブレードの主要部に対して当接するまで前記溝に挿入される。

好ましいことに、前記構造ブレードはそれぞれ、実質的に二次元的プロセスにおける堆積及び／又はエッチングのプロセスで形成される。

一部の実施形態において、構造ブレードは、ＬＩＧＡタイプの電鋳プロセスによって形成することができる。

一部の実施形態において、構造ブレードは、シリコンベースの材料で作られている。

一実施形態において、構造ブレードは、「ＳＯＩ（シリコンオンインシュレーター）」プロセスによって製造することができる。この変種において、絶縁層の上のシリコンの層の積み重なりで構造が形成される。この絶縁体は、例えば、サファイア、好ましくは、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）とすることができる。

一部の実施形態において、構造ブレードは、Ｎｉ、ＮｉＰ又はアモルファス金属で作ることができる。

構造ブレードは、さらに、アセンブリーを補助する犠牲構造を有することができる。

一実施形態において、前記構造ブレードはそれぞれ、前記主要部の横側の両方で半径方向に延在する機能的部分を有し、この主要部は、前記構造ブレードの端に対して回転する中央部を形成する。

一実施形態において、ブレードの端は、自由であって揺動している。

一実施形態において、当該デバイスは、前記回転軸のまわりを回転する発振器ないし要素のためのばね、また、支持体として、この発振器ないし要素のための別のピボット又は支持体を必要としないように、構成している。

一実施形態において、前記構造ブレードのそれぞれは、前記アセンブリー固定部から延在する機能的部分を１つのみ有し、これらの機能的部分は、例えば、実質的に「Ｖ字」である構成を形成する。

一実施形態において、構造ブレードそれぞれのアセンブリー固定部は、アセンブリー空欠部及びアセンブリー延伸部分を有し、これらの対応するものどうしは、交差し、半径方向に嵌って一体的にロックされる。

一実施形態において、前記構造ブレードはそれぞれ、モノリシック構造を形成している。

一実施形態において、当該デバイスは、モノリシック構造の構造ブレードを２つのみ有する。

請求の範囲、下記の実施形態についての詳細な説明、及び添付図面を読むことで、本発明の他の目的及び有利な態様を思い浮かべることができるであろう。

図１ａは、本発明の一実施形態による、計時器用機構のための弾性回転ガイダンスデバイスの概略斜視図である。 図１ｂは、アセンブリー時における図１ａの実施形態についての概略斜視図である。 図１ｃは、機構におけるガイダンスデバイスの機能を示す概略図である。 図２ａは、本発明の第２の実施形態による、計時器用機構のための弾性回転ガイダンスデバイスの概略分解斜視図である。 図２ｂは、本発明の第２の実施形態による、計時器用機構のための弾性回転ガイダンスデバイスの概略分解斜視図である。 図２ｃは、図２ａの組み立てられたデバイスの斜視図である。 本発明の第３の実施形態による、計時器用機構のための弾性回転ガイダンスデバイスの概略斜視図である。 図４ａは、本発明の第４の実施形態による、計時器用機構のための弾性回転ガイダンスデバイスの分解斜視図である。 図４ｂは、中立位置にある第４の実施形態の斜視図である。 図４ｃは、回転位置にある第４の実施形態の斜視図である。

図面を参照する。弾性回転ガイダンスデバイス２は、構造ブレード４ａ、４ｂを有し、これらは、組み立てられて一体的に固定されるように構成し、これによって、弾性回転ガイダンスデバイス２を形成する。構造ブレードはそれぞれ、少なくとも１つの溝１２を有し、この溝１２は、弾性的に連結され可動である少なくとも２つの部分にこの構造ブレードを分ける。この弾性ガイダンスデバイスは、要素１（例、バランス車又はパレット）の別の要素３（例、フレーム）に対する回転軸Ｚのまわりの回転を可能にし、これらの要素はそれぞれ、アンカー領域９、１１において弾性ガイダンスデバイスに固定される。このアンカー領域９、１１は、可撓性ガイダンスデバイスの軸方向の両端に設けられ、この軸方向は、回転軸Ｚによって定められている。

構造ブレード４ａ、４ｂは、アセンブリー固定部６と、及びこのアセンブリー固定部６から自由端８まで延在する機能的部分１０とを有し、これらのアセンブリー固定部６及び機能的部分１０は、少なくとも２つの延伸部分１７における少なくとも１つの溝１２によって分けられており、これらの延伸部分１７は、互いに弾性的に接続されており、軸方向Ｚと交わる半径方向Ｘ、Ｙに延在する。

本デバイスの構造ブレードは、図１ａ及び１ｂに示すようにアセンブリー固定部６の両側に機能的部分を有することができ、あるいは図２ａ〜２ｃに示すようにアセンブリー固定部６の片側にのみ機能的部分が延在することもできる。アセンブリー固定部６は、特定の実施形態又は変種においてデバイスの回転軸Ｚを包含するデバイス中央部を表すような主要部１３を形成することができる。

図面において、軸方向は、弾性回転ガイダンスデバイスの回転軸と平行な軸Ｚによって表されている。半径方向は、垂直方向Ｚに垂直な平面内に位置する軸Ｘ及びＹによって示されている。可撓性ガイダンスの用途においては、軸方向において剛性が大きく回転方向において可撓性が大きいことが求められる。

アセンブリー固定部６は、主要部１３ａ、１３ｂを有し、構造ブレード４ｂの少なくとも１つの主要部１３ｂは、空欠部ないしアセンブリー凹部１４を有し、これに、他方の構造ブレード４ａの一部分が半径方向に挿入されて、アセンブリー固定部６において構造ブレード４ａ、４ｂが互いに交差するように構成する。このように２つの構造ブレード４ａ、４ｂのアセンブリー固定部が互いに交差することは、非常に有利である。なぜなら、最適な形態で構造ブレードを独立して製造することが可能になるからであり、これによって、弾性回転ガイダンスデバイスが組み立てられた後に軸方向Ｚにて大きな剛性を有するようにブレードの厚みを定めることができる。実際に、各構造ブレード４ａ、４ｂは、実質的に二次元的なプロセスにおけるシリコン又は他の材料の既知の堆積又はエッチングのプロセスによって形成することができる。例えば、フォトリソグラフィーマスクによってである。二次元的プロセスは、単純なフォトリソグラフィープロセスによって定められるマスクによって、ブレードの長さにわたって高精度な厚みを得ることを可能にし、また、ブレードの長さにわたって様々な厚みを有する形を優れた精度で容易に製造することを可能にする。ブレードの増加又は減少の指示は、もっぱら半径方向Ｘ、Ｙに垂直な弾性変位方向Ｔｘ、Ｔｙに応じて行うことができる。このプロセスは、単純、経済的で、厚みの容易な制御を可能にして、これによって、軸方向Ｚにおいて剛性を有するにもかかわらず、高精度な弾性を有し均一で堅牢性を有する構造を有するように良好に制御されるようなブレードを得ることができる。

本発明の好ましい実施形態によると、構造ブレードは、材料（特に、結晶性材料）のブロックから切り取られたシート状体で形成され、このシート状体は、一般に「ウェハー」と呼ばれている。材料のブロックは、実際に、単結晶シリコンのブロック、又は集積回路又はマイクロ機械業界向けのウェハーにおいて使用される他の材料のブロックであることができる。構造ブレードのエッチングは、ウェハーの主平面に垂直な方向（ウェハーの切断面と平行である）に行われる。構造ブレードの向きは、軸方向Ｚに延在する可撓性ガイダンスの回転軸が構造ブレードの主平面と平行であるように、向いている。構造ブレードの弾性変位方向Ｔｘ、Ｔｙの性質及び弾性特性は、構造ブレードの主平面に垂直な方向の厚みに結果的に依存し、これらの厚みは、経済的な製造工程において良好に制御することができる。

一実施形態において、ウェハーは、溶着又は接着された厚みが同じ又は異なる２つの層を有することができる。これによって、エッチングプロセスで、一又は複数の層の厚みに対応する高精度な厚みを得ることが可能になる。実際に、２つの層間の界面は、境界を定める。これによって、エッチングプロセス時に界面の高さレベルで材料の減少を高精度で止めることが可能になる。このような厚みの形成における精度は、構造ブレードの弾性特性及び耐性を良好に制御するために利点となる。この実施形態において、２つの高さレベルがある構造ブレードを経済的に高精度で製造することができ、これは、一又は複数の層の厚みに対応する厚みを有する部分、及び２つの層の厚みに対応する厚みを有する部分を有する。

構造ブレードは、さらに、組み立てを補助する犠牲構造を有することができる。

図１ｂ及び１ａに示す実施形態において、一方の構造ブレード４ｂは、アセンブリー空欠部を形成する溝１４を有し、他方のブレード４ａの機能的部分１０は、このブレード４ａの主要部１３ａが前記一方の構造ブレード４ｂの主要部１３ｂに当接するまで、溝１４内に挿入される。図示した変種において、構造ブレード４ａ、４ｂはそれぞれ、主要部１３ａ、１３ｂの両側で半径方向に延在する機能的部分１０を有し、この主要部１３ａ、１３ｂは、ブレードの端８に対する回転の中央部を形成する。この実施形態において、ブレードの端８は自由である。しかし、いくつかの変種において、これらの端８を、バランス車、フレーム又は別の構造に固定することができる。

主要部１３ａ、１３ｂは、アンカー領域９、１１において溝１２の両側で２つの要素に固定される。この２つの要素の一方は、他方に対して可動である。例えば、一方のアンカー領域９をフレームに固定することができ、他方のアンカー領域を、フレーム対して回転する要素に固定することができる。この実施形態において、本デバイスは、回転要素のために別のピボット又は支持体を必要とせずに、発振器又は回転軸Ｚのまわりを回転する要素のためのばね及び支持体としてはたらくことができる。しかし、本デバイスを他の構成においても使用することができる。例えば、中央体１３をアンカー領域９、１１において２つの可動要素に固定し、ブレードの端８をフレームにつなぐことができる。

図２ａ〜２ｃに示す実施形態を参照する。構造ブレード４ａ、４ｂはそれぞれ、アセンブリー固定部６から延在する機能的な延伸部分１０を１つのみ有し、これらの機能的な延伸部分１０は、「Ｖ字」構成を形成する。アセンブリー固定部６の軸方向の端９、１１を、互いに対して可動である要素ないし構造につなぐことができる。各構造ブレード４ａ、４ｂのアセンブリー固定部６は、アセンブリー空欠部１４及びアセンブリー延伸部分１５を有し、これらは、互いに交差し、一体的に嵌ってロックされる。これらの２つの構造ブレードを、溶着ないしはんだ処理、接着剤、又はクランプ又は他の機械的なクリッピング手段によって、一体的にロックすることができる。構造ブレード４ａ、４ｂは、図２ｃ、３及び４ａ〜４ｃに示すように、軸方向Ｚにおいて間隔を空けて配置されている複数の溝１２を有することができる。これによって、弾性部分１６を有する複数の機能的な延伸部分を形成することができる。このことによって、アンカー領域９、１１の間の弾性回転の角振幅を大きくすることが可能になる。

構造ブレードは、複雑な形であるが、高精度で容易に製造することができる。これは、例えば、図２ａ〜２ｃに示すように、エッチングと堆積それぞれにおける厚み、方向（方向Ｔ）を変えることによって行われ、これにおいて、機能的部分が、弾性部分１６と、これらの弾性部分１６の間に配置された剛性部分１８と、さらに一又は複数の半径方向の溝１２とを有する。図４ａ〜４ｃに別の例を示す。これにおいて、ブレードが弾性部分１６を有し、これらの弾性部分１６は、実質的にブレードの全長にわたって延在し、かつ、それらの端８で剛性部分１８に接続されており、この剛性部分１８は、端８からピボット軸Ｚまで延在する。弾性部分は、剛性部分の壁よりも薄い壁を有する。

構造ブレードの回転方向（方向Ｔ）における弾性は、剛性部分１８の長さ、弾性部分１６の長さをそれぞれ変えることによって、また、軸方向で積み重ねられる半径方向の延伸部分の数、溝の数をそれぞれ変えることによって、それぞれ制御することができる。このことによって、同様に、質量の分布を制御することが可能になり、最終的には、ばね定数だけでなく、共振振動数も同様に制御することができる。特に、一次の弾性系のものについてである。

本発明の利点の１つは、構造部品として２つの高さレベルで構造ブレードを製造することができるということである。第１の高さレベルは、非常に精密であることができ、例えば、１０μｍのオーダーであって、これによって、可撓性を有するブレードを形作ることができる。厚い方の高さレベルは、例えば、４００μｍの大きさのオーダーであって、これによって、剛性を有するマウンティングを作ることが可能になり、このことによって、溝を有する２つの高さレベルにおいて構成する実質的に平坦な部分を与える。また、交差させて一体的に嵌めることによる２つのブレードの組み立ては、非常に単純に行うことができる。

本発明に係る可撓性ガイダンスは、様々な用途のために使用することができる。例えば、腕時計におけるパレットのガイダンス、又は腕時計におけるバランス車のガイダンスとしてであり、これにおいて、バランス車は、回転する摩擦軸もらせん体ももはや有さず、これらの２つの要素は、可撓性ガイダンスで置き換えられる。

１ 要素（例、バランス車）
２ 弾性回転ガイダンスデバイス
３ 要素（例、フレーム）
４ａ、４ｂ 構造ブレード
６ アセンブリー固定部
１３ 主要部
１４ 空欠部／アセンブリー凹部
１５ アセンブリー延伸部分
８ 自由端
１０ 機能的部分
１７ 半径方向の延伸部分
１６ 弾性部分
１８ 剛性部分
１２ 半径方向の溝
９、１１ アンカー領域
Ｚ 軸方向／回転軸
Ｘ、Ｙ 半径方向
Ｘ−Ｙ 半径方向の平面
Ｚ−Ｘ、Ｚ−Ｙ 軸平面
Ｔｘ、Ｔｙ 弾性変位の方向

Claims (16)

1. 軸方向を定める回転軸（Ｚ）のまわりの１つの要素の別の要素に対する回転を可能にする計時器用機構のための弾性回転ガイダンスデバイスであって、
   当該デバイスは、構造ブレード（４ａ、４ｂ）を有し、
   これらの構造ブレードはそれぞれ、主要部（３ａ、３ｂ）と、及び前記主要部から一方の端（８）まで延在する機能的部分（１０）とを有するアセンブリー固定部（６）を有し、
   前記アセンブリー固定部及び前記機能的部分は、少なくとも２つの延伸部分（１７）に設けられた少なくとも１つの溝（１２）によって分けられており、これらの延伸部分（１７）は、互いに弾性的に接続され、軸方向と交わる半径方向（Ｘ、Ｙ）にて延在し、
   当該デバイスは、さらに、可撓性を有する当該デバイスの軸方向の両端にて、要素に固定されるように構成するアンカー領域（９、１１）が設けられており、
   前記構造ブレードそれぞれの前記アセンブリー固定部は、空欠部ないしアセンブリー凹部（１４）と、及びアセンブリー延伸部分（１５）とを有し、これらの対応するものどうしは、交差して半径方向に嵌って一体的にロックしていることを特徴とする弾性回転ガイダンスデバイス。
2. 前記主要部は、当該デバイスの回転軸（Ｚ）を包含する当該デバイスの中央部にある
   ことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
3. 前記構造ブレード（４ｂ）のうちの１つは、前記アセンブリー空欠部を形成する溝（１４）を有し、他の構造ブレード（４ａ）の機能的部分は、この構造ブレード（４ａ）の主要部（１３ａ）が前記構造ブレード（４ｂ）の主要部（１３ｂ）に対して当接するまで前記溝に挿入されることを特徴とする請求項１又は２に記載のデバイス。
4. 前記構造ブレードは、ニッケル（Ｎｉ）、ニッケル−リン（ＮｉＰ）又はアモルファス金属をベースとする材料で作られることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のデバイス。
5. 前記構造ブレードはそれぞれ、実質的に二次元的プロセスにおける堆積又はエッチングのプロセスで形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のデバイス。
6. 前記構造ブレードは、シリコンオンインシュレーター（ＳＯＩ）タイプの電鋳プロセス又はＬＩＧＡプロセスによって製造されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のデバイス。
7. 前記構造ブレードはそれぞれ、前記主要部の横側の両方で半径方向に延在する機能的部分を有し、この主要部は、前記構造ブレードの端（８）に対して回転する中央部を形成することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のデバイス。
8. 前記ブレードの両端（８）は、自由端であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のデバイス。
9. 当該デバイスは、前記回転軸（Ｚ）のまわりを回転させる発振器ないし要素のためのばねないし支持体として、回転する要素のための別のピボット又は支持体を必要としないように、構成していることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のデバイス。
10. 前記構造ブレードのそれぞれは、前記アセンブリー固定部から延在する機能的部分を１つのみ有し、これらの機能的部分は、「Ｖ字」構成を形成することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のデバイス。
11. 前記構造ブレードは、弾性部分（１６）を有する複数の機能的な延伸部分を形成するように、軸方向にて離れて配置される複数の溝を有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のデバイス。
12. 前記構造ブレードはそれぞれ、モノリシック構造を形成していることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のデバイス。
13. 当該デバイスは、２つの構造ブレードで形成されていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載のデバイス。
14. 前記構造ブレードは、主平面を定めるシート状材料から形成され、前記構造ブレードの向きは、可撓性を有する前記ガイダンスの回転軸（Ｚ）が前記構造ブレードの主平面と平行であるように向いていることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載のデバイス。
15. ウェハーである前記シート状材料は、溶着ないし接着によって一体的となった厚みが同じ又は異なる２つの層を有し、前記構造ブレードは、これらの２つの層の一方の厚みに対応する厚みを有する部分と、及びこれらの２つの層の厚みに対応する厚みを有する部分を有することを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載のデバイス。
16. 請求項１〜１５のいずれかに記載のデバイスを有することを特徴とする腕時計用ムーブメント。

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