JP5518852B2 - 金属ガラス製主ぜんまいの成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、モータスプリングによって駆動される機構向けの金属ガラス材で形成された主ぜんまい、特に時計用の主ぜんまいの製造方法に関する。

アモルファス金属製のモータスプリングを含む時計が、特許文献１においてすでに提案されている。実際には、エポキシ樹脂を用いて組み立てられた、（複数枚の）厚さが５０μｍまで及ぶアモルファス金属からなる薄帯を含む積層体で形成されるただ１つのストリップが、特許文献１に記載されている。変形形態として、端部２つおよびぜんまいの自由形状の変曲点をスポット溶接することでストリップを組み立てることが提案されている。

そのようなストリップの主な問題は、ストリップの成形作業中、およびそのようなぜんまいが受ける巻いたり巻きほどいたりの作業の繰り返しの後に、積層体を層状に剥離する危険性が高いことである。この危険性は、樹脂が経時変化して悪くなり、その特性を喪失するときにいっそう重大である。

この解決手法は、ぜんまいの機能性も、ぜんまいの疲労挙動をも保証しない。さらに、提案されたぜんまいの理論的形状のモデリングは、積層材の挙動を考慮に入れていない。

磁気特性のために用いるアモルファス薄帯に関して１９７０年代に開発された急速冷却による約１０ミクロン〜約３０ミクロンの厚さを有する薄帯を製造するプロセスが知られているが、互いに結合される数枚の薄いストリップを使用することを選択する理由は、より厚い金属ガラスのストリップを得ることが困難なことによる。

そのような解決手法は、主ぜんまいが満足しなければならないトルク、信頼性および自立性の条件を満たし得ないことは明らかである。

合金、具体的にはＮｉｖａｆｌｅｘ（登録商標）製の従来のぜんまいに関しては、当初の合金ストリップは、２つのステップで主ぜんまいに形成されるものであり、すなわち、
− ストリップが、きつい螺旋を形成するようにそれ自体に対してぐるぐる巻かれ（弾性変形）、次いでこの形状を固めるために炉内で処理される。この熱処理は、その結晶構造を改質することによって熱処理により材料の降伏強さを増大させることが可能であるので（析出硬化）、力学的特性にとってやはり極めて重要である。
− 螺旋形のぜんまいが巻き上げられ、そこで最終的な形状をとるように冷やすことによって塑性的に変形される。これによって、利用できる応力のレベルも高める。

合金の力学的特性および最終的な形状は、これら２つのステップを組み合わせた結果である。従来の合金については、ただ１回の熱処理では、所望の力学的特性を得ることはできないはずである。

結晶性金属合金を凝固させることには、所望のやり方で結晶構造を改質するために、かなり高い温度での（数時間続く）比較的長い熱処理が含まれる。

金属ガラスの場合には、材料の力学的特性は、金属ガラスのアモルファス構造に本質的に関係しており、Ｎｉｖａｆｌｅｘ合金製の従来のぜんまいの力学的特性とは異なって凝固後直ちに得られ、それらはその製造プロセス中の様々な段階での一連の熱処理によって得られる。したがって、Ｎｉｖａｆｌｅｘ合金とは異なり、熱処理によるその後の硬化は不必要である。

従来は、巻き上げ作業によってのみ、ぜんまいに最適な形状が与えられ、それによりぜんまいが一旦巻かれるとストリップの全長にわたってストリップに最大応力を与える。対照的に、金属ガラス製のぜんまいについては、最終的な最適な形状は、ただ１回の熱処理によるだけで固められるが、高い力学的特性は、ただそのアモルファス構造に関係している。金属ガラスの力学的特性は、その機構が結晶性材料に見られるものとは全く異なるので、熱処理または塑性変形によって変化しない。

欧州特許第０９４２３３７号

本発明の目的は、上述の欠点を、少なくとも一部、改善することにある。

このために、本発明の主題は、請求項１に記載される、主ぜんまいの製造方法である。

主ぜんまいを一体構造の金属ガラスの薄帯から製造することによって、この類の材料の利点、具体的には高密度の弾性エネルギーを蓄えるとともに、それを非常に一定のトルクで解放主ぜんまいの能力から十分に利益を得ることができる。そのような材料の最大応力およびヤング率の値により、Ｎｉｖａｆｌｅｘなどの従来の合金と比較してσ^２／Ｅの比を増大させることが可能である。

添付図面は、概略的かつ一例として、本発明による主ぜんまいの製造方法の一実施形態を示す。

香箱内の巻かれたぜんまいの平面図である。 香箱内の巻きほどかれたぜんまいの平面図である。 自由状態におけるぜんまいの平面図である。 金属ガラス製の主ぜんまいの巻き／巻きほどきのグラフである。

以下の所与の例では、主ぜんまいを形成するための薄帯は、急冷によって金属薄帯を製造する技術である、急冷ホイール技術（プレーナフロー鋳造とも呼ばれる）によって製造される。溶融金属の噴流は、高速回転する冷たいホイールの上へ推進させられる。ホイールの速度、噴射スロットの幅、および噴射圧力は、製造される薄帯の幅および厚さを定めるパラメータである。例えば双ロール鋳造などの他の薄帯製造技術を用いてもよい。

本例では、合金Ｎｉ_５３Ｎｂ_２０Ｚｒ_８Ｔｉ_１０Ｃｏ_６Ｃｕ_３を使用する。１０〜２０ｇの合金が、１０５０〜１１５０℃に加熱される送出ノズルに配置される。ノズルスロットの幅は、０．２〜０．８ｍｍである。ノズルとホイールの間の距離は、０．１〜０．３ｍｍである。溶融合金をその上へ堆積するこのホイールは、銅合金製のホイールであり、速度５〜２０ｍ／ｓで駆動される。ノズルを通じて溶融合金を吐き出すためにかけられる圧力は、１０〜５０ｋＰａである。

これらパラメータを正しく組み合わせるだけで、５０μｍを超える、典型的には５０〜１５０μｍの厚さ、および１メートルを超える長さを有する薄帯の形成が可能になる。

純曲げを受ける薄帯について、最大弾性モーメントは、以下の式により与えられる。

式中、
ｅは、薄帯の厚さ［単位ｍｍ］である。
ｈは、薄帯の高さ［単位ｍｍ］である。
σ_ｍａｘは、最大曲げ応力［単位Ｎ／ｍｍ^２］である。

主ぜんまいが巻かれた状態から巻きほどかれた状態へ移行する際に、主ぜんまいは、そのエネルギーを解放する。本目的は、主ぜんまいが巻かれた状態でそれぞれの部分が最大曲げモーメントを受けるように、ぜんまいがその自由状態においてとらなければならない形状を計算することにある。以下の図１〜図３は、主ぜんまいの３つの形態、すなわち巻かれた状態、巻きほどかれた状態、および自由状態を説明している。

この計算については、巻かれた状態のぜんまい（図１参照）は、巻き付けが互いに対してきつくなされている状態の螺旋であると考えられる。

この場合、曲線の横座標上の任意の点は、以下のように記述できる。

式中、
ｒ_ｎは、巻かれた状態でのｎ番目の巻き付けの半径［単位ｍｍ］である。
ｒ_bondeは、香箱コアの半径［単位ｍｍ］である。
ｎは、巻線の巻き数である。
ｅは、薄帯の厚さ［単位ｍｍ］である。

加えて、各巻き付けの曲線の横座標の長さは、以下のように与えられる。

式中、
Ｌ_ｎは、ｎ番目の巻き付けの曲線の横座標の長さ［単位ｍｍ］である。
ｒ_ｎは、巻かれた状態でのｎ番目の巻き付けの半径［単位ｍｍ］である。
θは、移動した角度［単位ラジアン］である（１回巻きの場合には、θ＝２Π）。

自由状態におけるぜんまいの形状は、ぜんまいが全長にわたってσ_ｍａｘまで応力をかけられるように、曲率半径の違いを考慮に入れることによって以下の通り計算される。

式中、

は、自由状態におけるｎ番目の巻き付けの半径［単位ｍｍ］である。
Ｍ_ｍａｘは、最大モーメント［単位Ｎ．ｍｍ］である。
Ｅは、ヤング率［単位Ｎ／ｍｍ^２］である。
Ｉは、慣性モーメント［単位ｍｍ^４］である。

したがって、自由状態におけるぜんまいの理論的形状を計算するために必要なことは、以下の要素を計算することで全てである。
１．式（２）（ｎ＝１，２，・・・）からの、巻かれた状態でのｎ番目の巻き付けの半径、
２．式（３）からの、ｎ番目の巻き付けの曲線の横座標の長さ、
３．式（４）からの、自由状態におけるｎ番目の巻き付けの半径、および最後に、
４．式（３）からの、ｎ番目の巻き付けの部分の角度。ただし、ｒ_ｎを

に置き換え、ステップ２において計算された部分の長さＬ_ｎはそのままとする。

これらパラメータを用いれば、ここで、ぜんまいの要素それぞれが、σ_ｍａｘまで応力をかけられるように自由状態においてぜんまいを構成することが可能である（図３）。

金属ガラス薄帯は、高速で回転する銅もしくは高い熱伝導性を有する合金製のホイール上で溶融金属を急速に凝固させることで得られる。液体金属をガラス化するためには、最小臨界冷却速度が必要である。冷却が遅すぎる場合には、この金属は、結晶化することによって凝固し、それは、その力学的特性を喪失する。所与の厚さに対して、最大冷却速度を確保することが大切である。この冷却速度がより大きいほど、原子が緩和するための時間が少なくなり、自由体積の濃度がより高くなる。したがって、薄帯の延性が向上する。

約０．７×Ｔ_ｇ（ガラス転移温度）Ｋの温度未満で、金属ガラスの塑性変形が、すべり帯の発生および次いですべり帯の伝播によって不均一に起こる。自由体積は、すべり帯の核形成部位として働き、核形成部位がより多く存在するほど、変形の局在化はより少なくなり、破壊になる前の変形がより多くなる。

したがって、プレーナフロー鋳造のステップは、薄帯の力学的特性および熱力学的特性を得るための非常に重要なステップである。

ガラス転移温度Ｔ_ｇ−１００ＫからＴ_ｇの間で、粘性は、温度が１０Ｋだけ上昇すると約１桁だけ、温度に伴って激しく減少する。Ｔｇでの粘性は、問題の合金とは無関係に、１０^１２Ｐａ．ｓに概ね等しい。したがって、薄帯の場合には、粘体にその所望の形状を与えるように粘体を形作り、次いで永続的にその形状で「冷え固まる」ように粘体を冷却することができる。

Ｔｇ辺りで、熱活性化すると、自由体積および原子が材料内で拡散することが可能になる。原子は、自由体積を犠牲にして（自由体積は消滅させられることになる）結晶構造に近いより密集した領域を局在的に形成する。この現象は、緩和と呼ばれている。自由体積の減少は、ヤング率の増大およびその結果生じる延性の減少を伴う。

（Ｔｇを超える）より高い温度において、緩和現象は、アニーリングのステップに例えることができる。原子の拡散は、熱運動により促進され、したがって自由体積の消滅によりこの緩和は加速され、ガラスが激的に脆化することになる。処理時間が長すぎる場合、アモルファス材料は結晶化し、したがってアモルファス材料の特別な性質を喪失することになる。

したがって、加熱成形は、好ましい形状を保持するために、十分な緩和と、できるだけ小さい延性の減少との間のバランスに関係している。

これを達成するために、できるだけ急速に加熱および冷却し、よく管理された時間の間、薄帯を所望の温度で維持することが必要である。

使用されるＮｉ_５３Ｎｂ_２０Ｚｒ_８Ｔｉ_１０Ｃｏ_６Ｃｕ_３合金は、機械抵抗（３ＧＰａ）とそのガラス化可能性の間でその優れた妥協案として選択された（３ｍｍの臨界直径で、５０℃に等しいΔＴ（＝Ｔ_ｇ−Ｔ_ｘ）であり、ここでＴ_ｘは、結晶化温度を示す）。その弾性係数は、１３０ＧＰａであり、張力および曲げにおいて測定された。
力学的特性：
最大抵抗 σ_ｍａｘ＝３０００ＭＰａ
弾性変形 ε_ｍａｘ＝０．０２
弾性係数 Ｅ＝１３０ＧＰａ
熱力学的特性：
ガラス転移温度 Ｔ_ｇ＝５９３℃
結晶化温度 Ｔ_ｘ＝６２４℃
融点 Ｔ_ｍ＝９９２℃

ＰＦＣ（プレーナフロー鋳造）法によって製造される薄帯は、幅が数ミリメートルであり、４０〜１５０μｍである。一実施形態によれば、薄帯は、ワイヤ放電加工によって加工されたものであり、典型的な主ぜんまいの幅および長さを有した。側面は磨かれ、その後、上記のように計算される理論的形状に基づいてぜんまいを形成する作業が行われた。

フィッティングを用いて成形作業を行うが、このフィッティングは、この目的で一般的に使用されているタイプのものであり、このフィッティング上へぜんまいが、フィッティングによって与えられる形状と実際に得られる自由形状との間の変動を考慮に入れて、上記のように計算される理論的形状によって求められるその自由形状を与えるように巻かれる。具体的には、形成後の自由状態におけるぜんまいの（曲率半径の逆数として定められる）曲率は、フィッティングの形状の曲率と比べて、減少したことが分かっている。したがって、フィッティングの曲率は、得られる自由形状が理論的形状に対応するために、増大させられなければならない。さらに、緩和加熱前の薄帯の曲率と理論的自由形状の曲率は、加熱パラメータ、合金、およびその当初の緩和状態に依存しており、以下の使用される状態下で１００％〜１４０％、典型的には１３０％である。

次いで、そのフィッティングのぜんまいは、使用されるフィッティングに応じて３分〜５分の時間の間、約Ｔ_ｇ（５９０℃）に加熱された炉内に配置される。

他の加熱法、例えば、ジュール加熱、または熱い不活性ガスの噴流の使用などを用いてもよい。

このようにぜんまいが形成されたら、巻きテスト／巻きほどきテストを行うために、Ｎｉｖａｆｌｅｘ合金製の自動巻きのウォッチのぜんまいについてはスライドフランジが、ぜんまいの外側端部の上へリベットで留められる。このスライドフランジは、そうしたぜんまいがその機能を実現するために必要である。しかし、上記フランジをストリップに接合する方法、およびフランジの材料は、変わり得る。

図４は、本明細書に記載した方法を用いて形成される、計算したぜんまいを用いて得られるトルクの変動を巻き付けの回数の関数として示している。この巻き／巻きほどき曲線は、主ぜんまいの挙動に関して大変特徴的なものである。加えて、上記薄帯の寸法が与えられたものとすると、トルク、展開巻き付け回数、および全体的な効率は、十分に満足のいくものとなる。

Claims (6)

1. 金属ガラス製の一体構造の薄帯によって形成される主ぜんまいの成形方法において、
   前記主ぜんまいが香箱内で巻き上げられたときにその各部分に最大曲げモーメントがかかるようにするために、金属ガラス製の前記一体構造の薄帯に与えるべき自由状態の理論的形状を計算し、
   前記薄帯が解かれたときの曲率の減少を考慮に入れるために、前記自由状態の理論的形状の特徴をなす曲率を付与しながら、前記薄帯を成形し、
   前記薄帯を加熱して焼きなましを行うことにより、その形状を固定し、
   前記薄帯を冷却すること
   を特徴とする方法。
2. 適当なフィッティング上に置くことにより、前記一体構造の薄帯からなる前記主ぜんまいの前記自由状態の理論的形状を得る、請求項１に記載の方法。
3. 最終的な最適な形状はただ１回の熱処理により固められることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 金属ガラス薄帯は、ガラス転移温度Ｔｇ−１００ＫからＴｇの間で熱せられることで所望の形状を与えられ、次いで冷却されることにより永続的にその形状で冷え固まることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 成形された前記薄帯の緩和加熱前の曲率と前記自由状態の理論的形状の曲率との比が１００％から１４０％までの間である、請求項１に記載の方法。
6. 成形された前記薄帯の緩和加熱前の曲率と前記自由状態の理論的形状の曲率との比が典型的には１３０％である、請求項５に記載の方法。

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