JP5613056B2 - 最適化された熱弾性係数を有する機械振動子 - Google Patents

Description

本発明は、機械振動子の技術分野全般に関するものであり、その機械振動子は、共振子またはテンプ・ゼンマイとも呼ばれ、例えば時計製造業において利用されるものである。

本発明は、より特定的には、ヒゲゼンマイおよびテンプを有し、
機械振動子において、最も削減する必要がある温度係数を有する機械振動子に関するものであり、この削減された温度係数というものが、前記機械振動子の熱ドリフト、あるいは温度ドリフトを抑制することになるのであり、なお、ドリフトは、時計部品の精度に負の影響を及ぼすことになるものである。

温度係数すなわち熱弾性係数によって、１℃（あるいは１°Ｋ）の温度差に対する精密ムーブメントの日差の秒単位での変化を知ることができ、好都合である。

例えば、独国特許発明第１０１２７７３３号明細書によって知られているのは、大きな熱応力への優れた耐性ならびに優れた形状安定性を有するヒゲゼンマイを実現することである。これらのヒゲゼンマイは、複数の結晶軸に沿って配向される単結晶シリコンから成る。シリカコーティングでそのヒゲゼンマイを覆うこともまたできる。

他には、欧州特許出願公開第１４２２４３６号明細書が既知であり、この特許文献は、単一のヒゲゼンマイの熱ドリフトを削減し、そしてこのようにしてゼロの温度係数に達するための方法について記述している。この方法は、他の結晶軸に関する結晶軸に沿ったシリコンの結晶の異方性を利用することにより、計算を介してヒゲゼンマイのバネ定数の温度係数を最小にすることを可能にするシリカコーティングの厚みを得ることができる。この特許文献で記述されるヒゲゼンマイは、このように理想的には厚みの調整機能を有している。このような方法は、一方で、その実施が複雑である。他方では、この方法によって製造されるヒゲゼンマイ（すなわち温度係数がゼロの方向に最適化されたヒゲゼンマイ）は、さまざまな異なるタイプのテンプに適合することは、できない。

本発明の目的は、上述の不都合、すなわち、機械振動子の熱ドリフトを制限するための方法について、その実施が困難であることや、さまざまな異なるタイプのテンプに適合できないなどの不都合、を克服し、また、熱変化に対する感度が最小の機械振動子を提案することである。

本発明の他の目的は、その構想および製造が単純化された、信頼性が高く正確な機械振動子を提案することである。

本発明の他の目的は、機械振動子の新規の構想方法を提案することであり、完全な振動子であって、非常に低い温度係数、さらにはゼロの温度係数を与えながらも、非常に多種のテンプ（材料、形状および膨張係数において）を利用することを可能にするものである。

本発明において与えられる対象物は、機械振動子、とりわけ時計類用の機械振動子を用いることで達成されるが、該機械振動子は、ヒゲゼンマイであって、Ｎ回の巻回と、中心端部と、外端部と、軸（Ａ）を中心とする回転シャフトを受ける孔を有する中心端部と連動する回転するひげ玉（コレットともいう）とを有するヒゲゼンマイ、ならびにシャフト（Ａ）の軸と一つとなる回転軸を有するテンプを有しており、外端部は、「テンプ受」の類の固定部材に連結するようになされており、前記ヒゲゼンマイは、単結晶シリコン（Ｓｉ）製の心材と、シリコンの熱弾性係数と異なる熱弾性係数を有する材料を主成分とする、少なくとも一層の、周囲のコーティングとから成るものであり、
該機械振動子が、単結晶シリコン（Ｓｉ）の切抜きが、機械振動子の温度係数を総じて最適化するために、結晶軸{１，１，１}に沿って配向されることを特徴とする。

このようにして、一時間ごとの打数が温度の変化に応じて変化することがほとんどない機械振動子が得られる。

結晶軸{１，１，１}に沿って切り抜かれる単結晶シリコン製のヒゲゼンマイは、等方性の弾性率を有する。したがって、一様な変形を得るために巻きの厚みを調整する必要はなく、また、例えば結晶軸{１，０，０}に沿った配向の場合のように、異方性に結びつくバネ定数の二次温度係数は存在しない。

そのうえ、ヤング率は、結晶軸{１，１，１}に沿ってエッチングか彫られたヒゲゼンマイの方が、結晶軸{１，０，０}に沿った彫りの平均率よりも高い。このように、同じ巻き線のヒゲゼンマイにおいて結晶軸{１，１，１}に沿ってエッチングか彫られたヒゲゼンマイは、より薄く、したがってより軽量となりうるものである。このことにより、ヒゲゼンマイの質量、したがって位置に応じた歩度の変化を減らすことが可能となる。

より薄いヒゲゼンマイでは、また、結果として、熱補償を実現するコーティングを実現するために酸化物の量が最低限となるものでもある。

ここで留意すべきは、本発明に係るヒゲゼンマイおよび回転するひげ玉が二つの別個の部品として（材料までも異なったものを使用して）製造され、なんらかの固定手段によってそれらの部品が互いに留められているだけでなく、単一の部品から（そして一つの共通の材料から）直接製造することも可能であり、しかも二つの部品の間に固定手段を介在させる必要がないということなのである。

本発明に係る一実施例によると、ヒゲゼンマイは、テンプの温度係数を補償することが可能な温度係数の値を得るように、寸法が決められ、製造される。

本発明に係る一実施例によると、ヒゲゼンマイは、長さ（Ｌ）を有し、高さ（ｈ）と幅（ｌ）の長方形の横断面を有しており、該高さと幅は、長さ（Ｌ）の全体に渡って一定である。

好ましい一実施例によると、厚み（ｅ）の周囲のコーティングは均一であり、また、シリコンの温度係数の値と絶対値同じで正負逆で相殺関係の温度係数の被覆層を少なくとも一層有する。コーティングは、例えばシリカ（ＳｉＯ_２）製であるが、他の材料もまた可能である。

本発明に係る振動子の一実施例によって、ひげ持ちの類の固定手段は、ヒゲゼンマイ上の、前記外端部に近接する位置に動かないように取り付けられ、その外端部が固定部材に連結するようにする。

本発明に係る振動子の一実施例によって、回転するひげ玉はヒゲゼンマイの一体化要素となる。この実施例は、これらの場合に用いられる製造技術が単一の部品のひげ玉を有するヒゲゼンマイの製造を可能にすることから、とりわけシリコン製のヒゲゼンマイに適している。

本発明に与えられる目的は、また、上述されるような機械振動子の構想方法を用いることによっても達成されるが、該構想方法は、その熱ドリフトを制限するために、以下の過程を行うことで完全な振動子の温度係数を最適化することから成ることを特徴とする。
ａ）ヒゲゼンマイを実現するために、結晶軸{１，１，１}に沿って彫られた単結晶シリコン（Ｓｉ）を利用する過程、
ｂ）テンプのその形状とその構成材料に結びつくテンプ独自の各物理パラメータを決定する過程、
ｃ）その独自の各物理パラメータの関数として、ヒゲゼンマイの寸法（Ｌ、ｈ、ｌ）および周囲のコーティングの厚み（ｅ）を決定する過程。

本発明のある実施例においては、本発明に係る方法は、上記過程ｃ）計算によって行うことから成る。計算の詳細な方法は、以降で記述されるものである。

別の実施例においては、本発明に係る方法は、ゼロに近い、完全な振動子の温度係数が得られるよう、計算によってヒゲゼンマイの寸法（Ｌ、ｈ、ｌ）を決定し、そして周囲のコーティングの厚み（ｅ）を実験的に決定することから成る。

本方法は、例えば以下の過程から成る：
ｃ１）ヒゲゼンマイに、厚み（ｅ１）の、周囲のコーティングを塗る過程、
ｃ２）完全な振動子の温度係数を測定する過程、
ｃ３）ｃ２）で行われる測定の結果に応じ、ゼロに近い温度係数が得られるまで、先の過程を繰り返す過程。

本発明に係る方法は、このように、有利な仕方で、とりわけ＋／−０．６ 秒／日／温度、以下の温度係数に相当する性質１のテンプとヒゲゼンマイの組のために、ヒゲゼンマイを使ってテンプの熱ドリフトを補償することを可能にする。

結晶軸{１，１，１}に沿って配向されるシリコンでの酸化物層の成長は、湿式酸化方式によって実現することが可能であり、また、ヒゲゼンマイの温度係数を肯定的なものにすること、そして、テンプの慣性モーメントの温度に応じた変化を補償する、ヒゲゼンマイの弾性トルクの温度の関数である変化を得ることを可能にする。したがって、本発明に係る振動子の熱ドリフトを最小にするために、ヒゲゼンマイのバネ定数の温度係数をゼロに近づけさせる必要は、もはやない。そのとき、与えられるテンプの、独自のヒゲゼンマイを単純な仕方で実現することが可能となるが、該テンプは、その質量、その慣性モーメント、その材料、その回転半径、そしてその膨張係数のような、決定される物理パラメータを特徴とするものである。

他の特徴および利点は、以下に続く説明を読むことによって、ならびに単に非制限的な例として示される以下の各図面を用いることによって、より詳細に明らかになるものである。
本発明に係る機械振動子に利用される、ヒゲゼンマイの実施例を斜視図で図示している。 図１で示されるヒゲゼンマイを含む、本発明に係る機械振動子の実施例を示している。 図１の機械振動子を底面図で示している。 本発明に係る機械振動子のヒゲゼンマイの実施例の詳細を断面図で図示している。

図１は、本発明に係る機械振動子において利用することが可能なヒゲゼンマイ１の実施例を示している。ヒゲゼンマイ１は、中心端部２と外端部３とを有している。中心端部２は、回転するひげ玉４と連動しており、該回転するひげ玉は回転軸Ａ（破線によって表示）に沿って回転シャフトを収容することを目的とした孔を備えている。回転するひげ玉４は、図示されていない固定支えに取り付けられることを目的としている。回転するひげ玉４とヒゲゼンマイ１は、別個の固定具を必要とすることなく、とりわけ単一の部品として製造することができる。しかしながら、回転するひげ玉４が別々に形成され、そして既知の固定手段でヒゲゼンマイ１の中心端部２に固定されることも考えられる。外端部３は、「テンプ受」と呼ばれる固定部材に連結することを目的としているが、該固定部材は図面には示されていない。このために複数の既知の固定手段が可能である。

図２、３に示されている本発明に係る機械振動子は、また、回転するひげ玉４と回転連動するテンプ７も有しており、該回転軸はシャフトＡの軸と一つとなっている。テンプ７は、シャフトＡを中心とする組み立て部分８と、前記組み立て部分８をリム１０に結ぶ半径方向のアーム９とを有している。

ヒゲゼンマイ１の実施例が、図４に示されている。ヒゲゼンマイ１は単結晶シリコン（Ｓｉ）製の心材１ａから成るものであり、該結晶シリコンの成長は結晶軸{１，１，１}に沿って行なわれる。長方形の横断面を有する心１ａは、厚み（ｅ）の周囲のコーティング１ｂで覆われている。周囲のコーティングは、シリコンの熱弾性係数を相殺する熱弾性係数を有する材料から成る。例として、この材料は、シリカ（ＳｉＯ_２）が成長する類の酸化物層であってもよい。

ヒゲゼンマイ１は、長さ（Ｌ）、幅（ｌ）、および高さ（ｈ）を有する。ヒゲゼンマイの巻回の数Ｎは、機械振動子それぞれに求められる特有の特性の関数として決定される。この決定は、それ自体既知である。

ヒゲゼンマイの温度係数をテンプの温度係数に調節する必要性を例証するために、基本式（Ｉ）を以下のように考察することができる。

Ａｈ＝一時間ごとの打数
Ｉ＝テンプの慣性モーメント
Ｍ＝ヒゲゼンマイの弾性トルク

この基本式（Ｉ）から、Ｍが変わらない同じテンプにおいて、慣性が増すと打数が減少することに気づく。

下記の表は、異なる膨張係数をもつ材料で製作される二つのテンプに起因する温度係数の差の影響を示している。結果は、基本式（Ｉ）において基本式（ＩＩ）および基本式（ＩＩＩ）と呼ばれる次の式を利用して計算される。

基本式（ＩＩ）：慣性の計算
Ｉ＝テンプの慣性モーメント
ｍ＝テンプの質量
ｒ＝テンプの回転半径

基本式（ＩＩＩ）：Ｔの関数である慣性＝Ｉ（Ｔ）
Ｉ＝テンプの慣性モーメント
ｍ＝テンプの質量
ｒ＝テンプの回転半径
Ｔ＝２０℃と比較した温度差
α＝膨張係数

一時間ごとの打数であるＡｈ（Ｔ）が不変となるようにするためには、Ｔの関数であるＭ（Ｔ）とＩ（Ｔ）との変化が共に、同じ正負記号で同じ値となるようでなければならない。基本式（Ｉ）において、Ｍ（Ｔ）とＩ（Ｔ）との関係効果を確認することができる。

それはつまり、ｄＭ／ｄＴ＝ｄＩ／ｄＴということになる。

Ｉ（Ｔ）、すなわち、温度の関数の慣性モーメントは、基本式（ＩＩＩ）において記述されている。

Ｍ（Ｔ）、すなわち、ヒゲゼンマイの弾性トルクは、そのとき、一様の酸化物層で覆われるシリコン製のヒゲゼンマイの場合において、次の式を用いて計算されることができる。

式（ＩＶ）
Ｍ＝ヒゲゼンマイの弾性トルク
Ｍ_ｓｉ＝シリコンの弾性トルク
Ｍ_ｏｘ＝酸化物の弾性トルク
ＣＴＥ_ｓｉ＝シリコンの弾性係数
ＣＴＥ_ｏｘ＝酸化物の弾性係数

式（Ｖ）
Ｅ_ｓｉ＝シリコンの弾性率
ｈ＝薄板の高さ
ｌ＝薄板の厚み
Ｌ＝広げたヒゲゼンマイの長さ
ｅ＝酸化物の厚み

式（ＶＩ）
Ｅ_ｏｘ＝シリコンの弾性率
ｈ＝薄板の高さ
ｌ＝薄板の厚み
Ｌ＝広げたヒゲゼンマイの長さ
ｅ＝酸化物の厚み

１ ヒゲゼンマイ
１ａ 心材
１ｂ コーティング
２ 中心端部
３ 外端部
４ ひげ玉
７ テンプ

独国特許発明第１０１２７７３３号明細書 欧州特許出願公開第１４２２４３６号明細書

Claims (11)

1. 時計類用の機械振動子であり、該機械振動子が、ヒゲゼンマイ（１）であって、Ｎ回の巻回と、中心端部 （２）と、外端部 （３）と、軸（Ａ）を中心とする回転シャフトを受ける孔を有する中心端部（２）と連動する回転するひげ玉（４）とを有するヒゲゼンマイ、ならびに回転シャフト（Ａ）の軸と一つとなる回転軸を有するテンプ（７）を有しており、前記外端部（３）は、「テンプ受」の類の固定部材と連結するようになされており、前記ヒゲゼンマイ（１）は、単結晶シリコン（Ｓｉ）製の心材（１ａ）と、該単結晶シリコンの熱弾性係数と異なる熱弾性係数を有する材料を主成分とする、周囲のコーティング（１ｂ）の少なくとも一層、とから成るものであり、
   該機械振動子が、単結晶シリコン（Ｓｉ）の切抜きが、機械振動子の温度係数を総じて最適化するために、テンプの慣性モーメントの温度の関数の変化を補償する、ヒゲゼンマイの弾性トルクの温度の関数の変化を得るために、結晶軸[１，１，１]に沿った方向に行われることを特徴とする、機械振動子。
2. 前記ヒゲゼンマイ（１）が、テンプ（７）の温度係数を補償する温度係数の値を得ることができるように、寸法が決められ、製造されることを特徴とする、請求項１に記載の機械振動子。
3. 前記ヒゲゼンマイ（１）が、長さ（Ｌ）を有し、高さ（ｈ）と幅（ｌ）の長方形の横断面を有しており、該高さと幅は、長さ（Ｌ）の全体に渡って一定であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の機械振動子。
4. 前記周囲のコーティング（１ｂ）の厚み（ｅ）が一様であり、また、該単結晶シリコンの温度係数を相殺する温度係数の被覆層を少なくとも一層有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つに記載の機械振動子。
5. 前記酸化物層がシリカ（ＳｉＯ₂）が成長したものであることを特徴とする、請求項４に記載の機械振動子。
6. ひげ持ちの類の固定手段が、ヒゲゼンマイ上の、前記外端部に近接する位置に動かないように取り付けられ、該外端部が固定部材と連結するようにすることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つに記載の機械振動子。
7. 前記回転するひげ玉（４）がヒゲゼンマイ（１）と一体化部分となることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つに記載の機械振動子。
8. 請求項１〜７のいずれか一つに記載の機械振動子において、該機械振動子の熱ドリフトを制限するため、完全な振動子の温度係数の最適化をする構想方法であって、以下の過程、すなわち、
   ａ）ヒゲゼンマイ（１）を実現するために、結晶軸[１，１，１]に沿って切り抜かれた単結晶シリコン（Ｓｉ）を利用する過程、
   ｂ）テンプ（７）のその形状とその構成材料に結びつくテンプ独自の物理パラメータを決定する過程、
   ｃ）該独自の物理パラメータに応じて、ヒゲゼンマイの寸法（Ｌ、ｈ、ｌ）および周囲のコーティング（ｂ）の厚み（ｅ）を決定する過程、
   から成ることを特徴とする、機械振動子の構想方法。
9. 前記過程ｃ）を計算によって行うことから成ることを特徴とする、請求項８に記載の機械振動子の構想方法。
10. ゼロに近い、完全な振動子の温度係数が得られるよう、計算によってヒゲゼンマイの寸法（Ｌ、ｈ、ｌ）を決定し、そして周囲のコーティング（１ｂ）の厚み（ｅ）を実験的に決定することから成ることを特徴とする、請求項８に記載の機械振動子の構想方法。
11. 請求項１０に記載の機械振動子の構想方法であって、
    ｃ１）ヒゲゼンマイ（１）に、厚み（ｅ１）の、周囲のコーティング（１ｂ）を塗る過程、
    ｃ２）完全な振動子の温度係数を測定する過程、
    ｃ３）ｃ２）で行われる測定の結果に応じ、ゼロに近い温度係数が得られるまで、先の過程を繰り返す過程、
    から成ることを特徴とする、機械振動子の構想方法。

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