JP5122073B2 - ひげゼンマイ付きテンプの調速機とその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ひげゼンマイ付きテンプの調速機用平ひげゼンマイに関し、特に、一方でひげゼンマイの製造パラメータと、他方でひげゼンマイをテン真に固定する方法を工夫して、アルキメデス(Archimedes)のひげゼンマイの開始点とテンプの回転軸との間の従来の固定方法に起因する物理的な変動（ずれ）を減らして、等時性を改善する製造方法により得られた平ひげ調速機に関する。

本明細書において、等時性とは、テンプの振動振幅の変化による偏差と、時計を水平方向においた場合と垂直方向においた場合の姿勢差による偏差を意味する。

従来公知のように、ひげゼンマイは均一断面積と均一ピッチからなる巻回を有する。平ひげの巻回面（あるいは多くの場合それとは別の面）において、内側湾曲部と外側湾曲部との均整のとれた配列を介して、重力方向に対するひげゼンマイの振幅と位置による動作の変動を最小にするような、ひげゼンマイの同心状の解放と、ひげゼンマイの重心の動きと、ひげゼンマイが解放中にひげゼンマイの慣性の変動が得られる。このようなひげゼンマイを形成するには高度な技量が必要とされる事実に加え、高さ方向のスペース（厚さ）は、腕時計に用いられる場合には、ある種の（例えば時計の美的な理由と最小の薄さを達成する為には）欠点となる。

この理由により、例えば図１に示したような平ひげゼンマイの使用が好ましい。このようなひげゼンマイは、一定の断面積のワイヤあるいは金属製バンドをその全長に渡って巻回する公知の方法により製造される。そして巻回の間で一定のピッチを有する。図１から分かるように、内側のカーブはテンプ８の真９上で駆動されるひげ玉２０にレーザ溶接で取り付けられる。

この最先端の技術である巻回の間のピッチに関しては特許文献１がある。同文献では、あらゆる形状の、特に可変のピッチを有するひげゼンマイを、一定断面積の金属ストリップあるいはワイヤから形成し、それをダイの溝に巻き付けてアニールして硬化することにより製造する方法を開示している。出願人の知りうる限りでは、この種の製品は市場に投入されていない。その理由は製造方法は技術的かつ経済的に満足できるものではないからと推測される。

スイス特許 第４６５５３７号明細書 英国特許 第１０２０４５６号明細書 米国特許 第 ２０９６４２号明細書 米国特許 第４５７１６６１号明細書 米国特許 第５５７６２５０号明細書 米国特許 第４６６１２１２号明細書 Theorie generale de l'horlogerie" by L.Defossez C.Harendt et ai.("Wafer bonding and its application to silicon-on-insulator fabrication" Technical Digest MNE'90, 2 nd Workshop, Berlin, November 90, p.81-86

巻回された金属ストリップの厚さの変動に関して、特許文献２は、中心から周辺に向かって断面積が増加するストリップを付き合わせ溶接することにより、主ゼンマイ（main spring）を製造する方法を開示している。このような主ゼンマイは、パワーリザーブを増加するために等間隔の要件を満たすよう設計されるが、この製造方法をひげゼンマイに適用すると、溶接行程が存在することにより、同心状の展開ができず、ひげゼンマイ毎に再現性のある等時性を得ることが困難となる。

これと同一の原理は特許文献３で既に提案されており、内側の巻回の断面積を小さくして、ひげゼンマイの等時性を改善することが提案されている。以下の説明から明らかとなるが、我々の実験結果とこの説明とは矛盾する。

かくして本発明は、平ひげゼンマイと、微細機械加工あるいはガルバニック成長による製造方法に関し、ひげゼンマイの形状と固定手段により等時性を改善する為に、最も好ましい構造パラメータを選択するものである。

本発明は、テンプ機構を調速する為に、ピッチ「ｐ」を有する連続する巻回からなるストリップから形成された平ひげゼンマイに関する。このひげゼンマイは、ほぼ完全な等時性を達成できる製造方法により得られる。矩形断面を有する巻回は、内側湾曲部から外側湾曲部に至る１本のストリップから形成されるが、前記中心部における取り付け場所から外側部分への取り付け場所との間に含まれるある部分では、非均一の矩形断面積「ｓ」を有する、又は、完全なひげゼンマイのライン外に形成された１つあるいは複数の部分を有する。本明細書において「非均一の断面積」とは、ストリップは、一定の高さ「ｈ」を有するが、ある部分の厚さ「ｅ」が、残りの部分の厚さよりも大きいかあるいは小さいかのいずれかであることを意味する。

以下の説明から明らかなように、本発明の製造方法は、金属あるいは合金を、光リソグラフと電気メッキを用いるマイクロ技術により、あるいは単結晶シリコンあるいは多結晶シリコンのような結晶材料製あるいはアモルファス材料製の厚さ「ｈ」を有するプレートを微細加工することを利用する。

本発明の第１実施例によれば、巻回の断面積「ｓ」は、外側のカーブ（巻回）から内側のカーブに向かって順次増加する。

本発明の第２実施例によれば、第１実施例と組み合わせて、巻回の間のピッチ「ｐ」が外側カーブから内側カーブに向かって規則的に減少している。

本発明の他の実施例によれば、等時性にとって好ましい他のパラメータを動かす為に、所定の巻回部分を選択し、ストリップの幅を局部的に変更する。このような増加／変更は、例えば内側カーブ、外側カーブ、あるいはその両方のカーブに対し達成可能である。あるいはひげゼンマイの他の部分の他の場所においても達成可能である。

例えばGrossmann型の内側カーブを有することにより、完全なひげゼンマイのカーブから逸脱した巻回部分を有するようなひげゼンマイを得ることができる。

本発明は、ひげゼンマイと、このひげゼンマイをテン真に取り付ける手段とを同時に製造できる利点がある。この取り付け手段は、その中心に自己固定ワッシャ例えば星形形状をしており、また組み立て体に十分な柔軟性を与える為に、その周辺にリセス（凹部）を有し、アルキメデスのひげゼンマイの中心点とテンプの回転軸との間の偏差をなくしている。

金属製あるいは合金製のひげゼンマイを製造する為には、本発明の製造方法は、ＬＩＧＡ技術を適用して、ひげゼンマイの所望のプロファイルに対応したモールドを形成する。市販されているホトレジストの特性が分かると、このホトレジスト層の厚さを調整して、ミリメートルの数十パーセントの最大高さを有するひげゼンマイを得ることができる。

アモルファス材料、結晶材料製のひげゼンマイを製造する為には、本発明の方法は、前記材料のプレートをマスクを介してエッチングする。本発明の他の特徴及び利点は、これに限定されないが、様々な実施例により与えられる。

図１は従来技術のひげゼンマイ付きテンプを表す。図１は、等時性に関し本発明により大幅な進歩が計られたことを示す参照従来例を示している。ひげゼンマイ１０の中心の端部は、従来方法でひげ玉２０に取り付けられた内側湾曲部１１である。このひげ玉２０は、プレート７とテンプ・コック６の間で軸支されたテンプ８の真９で駆動される。調速装置は、ひげゼンマイ１０の外側湾曲部１４を固定するひげゼンマイ付きテンプスタッド保持部５と、目盛り１に面した指示針先端２とピン３を具備する指示針４とを有する。

図２にはひげゼンマイ１０の拡大図のみが示されている。同図によれば、ひげゼンマイ１０は、内側湾曲部１１から外側湾曲部１４に伸びる、均一矩形断面（例えば０．０５×０．３０ｍｍ）を有する１４回の巻回から構成されている。この巻回はその間に一定のピッチ「ｐ」を有する。内側湾曲部１１の取り付け場所は、巻回の軸中心から距離「ｒ」の場所にあり、外側湾曲部１４の取り付け場所は、曲げ部分１６の前で距離「Ｒ」のところにある。この実施例において「ｒ」は、０．５７ｍｍで「Ｒ」は２．４６ｍｍである。これらの「ｒ」と、「Ｒ」と、巻回数とは、特に断らない限り以下の説明では同じである。

図３ａを参照すると前述の特徴を有するひげゼンマイの等時性を表すグラフが示されている。テンプの位置に関し、角度で表されたテンプの振動振幅を「Ｘ」軸に示す。一日当たりの秒数で表された動作の偏差は「Ｙ」軸に示す。このグラフは、ひげゼンマイ付きテンプの通常の測定位置に対する５個のカーブを有する。即ち１個の水平方向配置（カーブ１）と４個の垂直方向配置（カーブ２−５で９０°毎の回転位置で示す）である。

点線は最も好ましくない位置の包絡線である。動作のズレの評価は、２００°から３００°の間に含まれる振幅に対する包絡線の最大偏差を考慮に入れて、従来方法で行われた。図３ａのグラフにおいては、最大偏差は、従来のひげゼンマイで、２３６°の振幅場所で一日当たり４．７秒であった。

図３ｂは、前掲の特許文献３に開示された特徴を有するひげゼンマイ（図示せず）で得られたグラフを示す。即ちストリップの厚さが、外側湾曲部１４の０．０４６ｍｍと、内側湾曲部１１の０．０３６ｍｍの間で変動する。前掲の特許の教示から期待できるのとは異なり、最大偏差が、２３０°の振幅位置で一日当たり７．７秒に増加している。

図４，５を参照すると、微細機械加工（光リソグラフとガルバニック成長（galvanic growh））により、あるいはアモルファス材料又は結晶材料をエッチングすることにより製造され、等時性にとって好まし形状をしたひげゼンマイの第１実施例が示されている。同図から分かるように、ある巻回から次の巻回の間のピッチ「ｐ」は、ひげゼンマイの中心向かって徐々に減少していく。逆に断面積は外側湾曲部１４から内側湾曲部１１に向かって増加している。製造方法でストリップに一定の高さとなると、断面積の変動は厚さの変化に対応する。外側湾曲部１４の０．０３６ｍｍから内側湾曲部１１の０．０４６ｍｍに変化する。

図５に示されたグラフにおいては、最大偏差は、２４２°の振幅位置に対し一日当たり２．８秒に減少した。ひげゼンマイのピッチ「ｐ」あるいは厚さ「ｅ」のいずれか一方のみを替えることにより、この最大変位に対する好ましい結果が得られた。

図６，７は、外側湾曲部１４と内側湾曲部１１に対する第２（Michel）型の実施例に対応する。この巻回は、一定ピッチと一定断面積（一定厚さ０．０４２ｍｍに対応する）を有する。但し例外的に２つの巻回部分１２，１５の厚さは、０．０５６ｍｍである。

内側湾曲部１１の部分１２は、基準軸「Ｏｘ」から−１１０°の位置に中央部分がある約８０°の角度に開いた扇形の部分に相当する。

外側湾曲部１４の部分１５は、基準軸「Ｏｘ」から＋１１５°の位置に中央部分がある約２０°の角度に開いた扇形の部分に相当する。

図７に示すグラフにおいては、最大偏差は一日当たり最大１．８秒である。過剰厚さの値と上記の過剰厚さの巻回部分は単なる例示であり、当業者は、異なる場所で過剰厚さの巻回領域を更に多く選ぶことができる。

図８，９は本発明の第３実施例を示し、内側湾曲部１１はグロスマン（Grossmann）型１３である。このグロスマン(Grossmann)型１３の形状については、非特許文献１に開示されている。この形状は金属ストリップを変形することによって得ることは非常に難しい。しかし本発明の製造方法によれば、このような形状は、熟練工の手を煩わすことなく極めて容易に得ることができる。図９に示されたグラフは、最大変位は、３００°の振幅位置で一日当たりわずか２．１秒である。

当然の事ながら、本発明による製造方法により自由な形状が得られることにより、前述した実施例を組み合わせて、本発明による等時性を改良したひげゼンマイを得ることができる。

図１０は、第１実施例（図４）に対応するひげゼンマイを示す。ひげ玉２０は、ひげゼンマイ１０と同時に形成された自己固定ワッシャ１７で置換されている。自己固定ワッシャ１７は、その中心に固定用窓形１９を有し、その結果テンプ８の真９が遊びなくロックされ、一方図１０では星形で示された固定窓形１９の周囲に開口１８が分散配置され、ある程度の柔軟性が得られる。図１０Ａ−１０Ｅは、三角形、四角形、多角形、円形、ノーズ型をした固定用窓形１９を具備した自己固定ワッシャ１７の他の可能な構造を示す。ひげゼンマイと自己固定ワッシャとの組み立て体は、光リソグラフとガルバニック成長技術で形成される。自己固定ワッシャ１７は更なるステップで形成でき、その厚さはストリップの高さ以上であり、その結果ひげゼンマイ１０が真９上に良好に保持される。

シリコンのようなアモロファス材料製あるいは結晶材料製の本発明のひげゼンマイは、シリコンウエハーから集積回路あるいは加速度計を製造するのに既に用いられている微細機械加工方法を適用することにより、製造可能である。加速度計に関しては、特許文献４，５に開示された方法を特に参照されたい。この方法は、以下のステップからなる。

（Ａ） シリコンウエハーを基板に適用して絶縁ＳｉＯ_２インターフェースを形成するステップと、
（Ｂ） プレートを所望のストリップ高さ「ｈ」に非特許文献２に記載された方法に従って薄くするステップと、
（Ｃ） 所望のひげゼンマイ外形に対応するようにマスクを光リソグラフ技術により形成するステップと、
（Ｄ） シリコンウエハーを基板に、公知の方法（ウエットケミカルエッチング、ドライプラズマエッチングあるいはそれらの組み合わせ）でエッチングするステップと、
（Ｅ） ひげゼンマイを前記基板から分離するステップ。

ひげゼンマイは非常に小型なので、１個のシリコンウエハーからそれらを大量に製造することができる。

金属製あるいは合金製の本発明のひげゼンマイを製造するためには、７０年代中葉から公知のＬＩＧＡ方法が用いられる。ＬＩＧＡ方法は、第１ステップとして、（Ａ）ポジ型あるいはネガ型のホトレジストを、犠牲層を予めコーティングした基板上に、所望のストリップ高さ「ｈ」に対応する厚さで拡散塗布するステップと、（Ｂ）光リソグラフと化学エッチングにより、マスクの手段により所望のひげゼンマイの外形に対応する中空構造体を形成するステップとからなる。第２ステップとして、前記の中空構造体には、例えば特許文献６に示された電気メッキ、あるいは米国特許出願第２００１／００３８８０３に開示されたナノ粒子圧縮あるいは焼き入れのいずれかにより金属又は合金を充填する。

最後のステップとして、ひげゼンマイは、犠牲層を取り除くことにより基板から切り離される。

以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。特許請求の範囲の構成要素の後に記載した括弧内の番号は、図面の部品番号に対応し、発明の容易なる理解の為に付したものであり、発明を限定的に解釈するために用いてはならない。また、同一番号でも明細書と特許請求の範囲の部品名は必ずしも同一ではない。これは上記した理由による。

従来技術にかかるひげゼンマイ付きテンプを表す図。 図１のひげゼンマイの拡大図。 図２のひげゼンマイで得られた等時性を表すグラフ。 別の従来技術のひげゼンマイで得られた等時性を表すグラフ。 本発明のひげゼンマイの第１実施例を表す図。 図４のひげゼンマイで得られた等時性を表すグラフ。 本発明のひげゼンマイの第２実施例を表す図。 図６のひげゼンマイで得られた等時性を表すグラフ。 本発明のひげゼンマイの第３実施例を表す図。 図８のひげゼンマイで得られた等時性を表すグラフ。 本発明によるひげゼンマイを固定する方法を表す図。 ひげゼンマイを中心軸に固定する他の形態を表す図。 ひげゼンマイを中心軸に固定する他の形態を表す図。 ひげゼンマイを中心軸に固定する他の形態を表す図。 ひげゼンマイを中心軸に固定する他の形態を表す図。 ひげゼンマイを中心軸に固定する他の形態を表す図。

符号の説明

１ 目盛り
２ 指示針先端
３ ピン
４ 指示針
５ ひげゼンマイ付きテンプスタッド保持部
６ テンプ・コック
７ プレート
８ テンプ
９ 真
１０ ひげゼンマイ
１１ 内側湾曲部
１２ 部分
１３ グロスマン（Grossmann）型
１４ 外側湾曲部
１５ 部分
１６ 曲げ部分
１７ 自己固定ワッシャ
１８ 開口
１９ 外形
２０ ひげ玉

Claims (6)

1. プレート（７）とテンプ・コック（６）の間に、軸支された真（９）を有するひげゼンマイ付きテンプの調速ひげゼンマイにおいて、
   前記ひげゼンマイ（１０）は、ピッチ「ｐ」を有する連続する巻回からなるストリップから形成され、
   前記ひげゼンマイ（１０）の内側湾曲部（１１）の端部は、前記真（９）に固定され、その外側湾曲部（１４）の端部は、前記テンプ・コック（６）にあるいはそれに取り付けられた部分に取り付けられ、
   前記巻回は、前記内側湾曲部（１１）から前記外側湾曲部（１４）に至る１本のストリップの巻回から形成され、
   前記内側湾曲部（１１）の端部と前記外側湾曲部（１４）の端部との間の巻回は、前記巻回を構成するストリップの高さ「ｈ」と非均一の厚さ「ｅ」との積である断面積「ｓ」を有し、
   前記断面積「ｓ」は、前記外側湾曲部（１４）から前記内側湾曲部（１１）方向に向かって、増加し、
   前記ピッチ「ｐ」は、前記外側湾曲部（１４）から前記内側湾曲部（１１）方向に向かって、減少する
   ことを特徴とするひげゼンマイテンプの調速用のひげゼンマイ。
2. 前記内側湾曲部（１１）は、前記ストリップと同時に形成されたワッシャ（１７）を構成し、
   前記ワッシャ（１７）は、前記ひげゼンマイを前記真（９）に固定するひげ玉として機能する
   ことを特徴とする請求項１記載のひげゼンマイ。
3. 前記ワッシャ（１７）は、前記ストリップの高さ「ｈ」よりも大きな厚さを有する
   ことを特徴とする請求項２記載のひげゼンマイ。
4. 前記ひげゼンマイ（１０）は、アモルファス材料製又は結晶材料製である
   ことを特徴とする請求項１−３のいずれかに記載のひげゼンマイ。
5. 前記ひげゼンマイ（１０）は、単結晶シリコン製又は多結晶シリコン製である
   ことを特徴とする請求項４記載のひげゼンマイ。
6. 前記ひげゼンマイ（１０）は、金属製又は合金製である
   ことを特徴とする請求項１−３のいずれかに記載のひげゼンマイ。

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