JP5657152B2 - テン輪／ひげぜんまい振動子用のひげぜんまい - Google Patents

Description

本発明は、テン輪／ひげぜんまい振動子用のひげぜんまいに関する。

テン輪の振動運動中、平らなひげぜんまいの重心が移動することは公知である。これは、ひげぜんまいの端部の一方が固定されているのに対して、他方の端部は、テン輪軸から同じ距離に留まったままでありながら移動することによる。重心の変位は、テン輪軸の旋回に横方向の力を発生させるため、等時性に影響を及ぼす。

アブラハム・ルイ・ブレゲは、平らなひげぜんまいに１つ又は２つの末端湾曲部を設けて、この欠点を改善できるようにすることを考案した。その後、そのような湾曲部の理論的な取扱いがエム．フィリップスにより公開された。

ブレゲ及びフィリップスにより考案された解決策の前に、トーマス・マッジは、同じテン輪に固定され、１８０°偏位された２つのひげぜんまいの使用を提案していた。該ひげぜんまいは、同期して、しかし反対向きの位相で動作するので、それぞれの重心の変動は補償されるが、軸方向偏位により、テン輪軸を含む平面に僅かなトルクが生じる。この解決策は、近年の製造に採用されてきた。

この解決策の問題点は、高さを増す２つの重ねられたひげぜんまいと、テン輪軸を中心に１８０°偏位された２つのひげ持ち及び２つのひげ持ちキャリヤと、２つのひげ棒とを有する必要があること、並びに各ひげぜんまいは他方と完全に同期して制御されなければならず、結果として、実施困難な極めて複雑な解決策となること、にある。更に、それにより、構成要素の数が倍加する。

この解決策は、いくつかの公報、特に特許文献１、特許文献２、及び特許文献３において採用されている。

米国特許第３５５３９５６号 仏国特許出願公開第２４４７５７１号明細書 中国特許出願公開第１６７７２８３号明細書 欧州特許第１４２２４３６号

本発明の目的は、前述の欠点を少なくとも部分的に改善すると同時に、この解決策の利点から利益を得ることである。

この目的のため、本発明の対象は、請求項１に記載のテン輪／ひげぜんまい振動子用のひげぜんまいである。

添付図面は、本発明の対象であるひげぜんまいのいくつかの実施形態を、概略的に例証として示す。

第１の実施形態の平面図である。 第２の実施形態の平面図である。 図２に示す実施形態の場合に、中心から外側への巻き数の関数としてプロットされたひげぜんまいのピッチの変化を示すグラフである。 図２に示す実施形態の場合に、中心から外側への巻き数の関数としてプロットされたブレードの厚さの変化を示すグラフである。 第３の実施形態の平面図である。 第４の実施形態の平面図である。 第５の実施形態の平面図である。 第６の実施形態の平面図である。 第７の実施形態の側面図である。 第８の実施形態の変形の側面図である。 第８の実施形態の変形の側面図である。 第９の実施形態の側面図である。

本発明の対象であるひげぜんまいの第１の実施形態を図１に示す。この平らなひげぜんまいは、同じ方向に巻かれているが２π／２即ち１８０°の偏位がある２つのブレード１ａ、１ｂを含む。これらのブレード１ａ、１ｂのそれぞれの内側端部は、ブシュ２に固定されており、それらの外側端部は、固定リング３に固定されている。これらの外側端部はまた、１８０°の角度で偏位されている。ひげぜんまいのブレード１ａ、１ｂの外側端部が固定されている固定リング３は、それをテン輪受けに固定するための開口部３ａを有する。従って、この固定リング３は、従来のひげ持ちに取って代わる。

ひげぜんまいの２つのブレード１ａ、１ｂは、伸縮する時に互いに接触してはならない。接触の危険は、振幅で増大する。従って、振幅を制限することにより、これを減少させることができる。しかし、ひげぜんまいの直径を大きくすることもまた、有利であり得る。

更に別の解決策は、巻きのピッチを変更すること及びブレードの厚さを変更することにある。このことは、図２の実施形態及び更に図３及び図４のグラフにより示されている。図３及び図４のグラフはそれぞれ、巻きのピッチの変化をミクロン単位で、ブレードの厚さの変化をミクロン単位で、図２の巻かれたブレード１ａ、１ｂの巻き数Ｎ_ｔの関数として示している。該ブレード１ａ、１ｂの巻きは、ひげぜんまいが交互に伸縮する間にこれらが互いに接触しないようにするために、ひげぜんまいの中心から始まり外側へと巻かれている。図３は、式ｒ（θ）＝ｒ_０＋ｐ（θ）×θ／２πにより、２つのブレード１ａ、１ｂのうちの１つをプロットしている。式中、ｒは軸からブレードの中立軸（ｎｅｕｔｒａｌ ｆｉｂｅｒ）までの距離を表し、図２〜４の場合、ｒ（θ＝０）＝ｒ_０＝６００ミクロンであり、θ＝２πＮ_ｔである。

変形として、ひげぜんまいのブレードの高さも変更することができると考えられる。

本発明によるひげぜんまいの作製に使用することができる材料である単結晶シリコンでできているひげぜんまいの場合、ひげぜんまいの温度補償は、ひげぜんまいのブレードの表面上に、非晶質酸化ケイ素の層を形成することにより達成される。該非晶質酸化ケイ素の層のヤング率の熱係数は、特許文献４に記載されている通り、単結晶シリコンのヤング率の熱係数とは反対符号である。この非晶質酸化ケイ素の層により、該シリコンの結晶方位、即ち（１００）、（１１１）又は（１１０）が何であっても、ヤング率の熱係数を補償することが可能になる。

ひげぜんまいを形成するブレードの数は、２個に限定されない。変形として、図５に示されたものなどの種々の他の解決策が想定されてもよい。図５に示されたものは、図１のものの変形であるが、一方はブシュ２に、他方は固定リング３に取り付けられている３個のブレード１ａ、１ｂ及び１ｃを有する。これらのブレードの内側端部及び外側端部は、互いに対して２π／３の角度で角度偏位されている。この角度偏位は、２π／ｎであることが有利であろう。ここで、ｎはブレードの数に相当する。

図１及び２のひげぜんまいに基づいて実施されたシミュレーションにより、本発明によるひげぜんまいを備えたテン輪／ひげぜんまい振動子の等時性の、極めて大幅な改善が可能であろうことが示された。

これまでに記載した実施形態では、ひげぜんまいを形成するブレードは、２つのそれぞれの端部を介して互いに接続されている。図６に示す実施形態は、内側端部のみによりブシュ２に取り付けられている２つのブレード１ａ、１ｂから形成されているひげぜんまいを示す。それらの外側端部は自由で、それにより、特に等時性を調整するために、２つのブレードに、いずれかの方向にプレストレスを与えることが可能になる。

同じ概念を用いる他の変形、即ち、それぞれの相同な端部の少なくとも一方を介して接続されているいくつかの角度偏位された同一平面上にあるブレードを有するひげぜんまいを想定することができる。

従って、４つのブレード、即ち、ブシュ２とブレードの外側端部が固定されている中間リング４との間に配置されている２つのブレード１ａ、１ｂと、中間リングと固定リング３との間に配置されている２つのブレード１ｃ、１ｄとを含むひげぜんまいを有することが可能である。中間リング４をできるだけ軽くするために、その重量をできる限り減少させるために、中間リングは開口部を備えた構造であってもよい。

内側のブレード１ａ、１ｂ及び外側のブレード１ｃ、１ｄは、図７に示すように、全て同じ方向に巻かれていてもよいか、又は、図８に示すように、内側のブレード１ａ、１ｂが外側のブレード１ｃ、１ｄと反対方向に巻かれていてもよい。

無数の他の組合せが想定されてもよいことは明らかである。

また、本発明によるひげぜんまいの新規な設計が、Ｎｉｖａｒｏｘ／Ｐａｒａｃｈｒｏｍひげぜんまいのための従来の方法を用いて製造されるのに適さないことも明らかである。

この場合、本発明によるひげぜんまいの製造に非常に適した方法は、特に、前述の特許文献４に記載されている方法であり、これは、ひげぜんまいを、例えばプラズマエッチングにより、｛００１｝単結晶シリコンウェーハから切り取るというものである。該ひげぜんまいは、例えば熱処理によって、ひげぜんまいのブレードの表面上に非晶質酸化ケイ素の層を形成することにより、温度補償される。

また、同じ方法で又は化学的加工により加工された石英単結晶を使用することも可能であると考えられる。平面にひげぜんまいを作製するための実施形態に採用された他の適切な材料を使用することができる。

また、ＵＶ−ＬＩＧＡ（Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｉｅ， Ｇａｌｖａｎｉｓｉｅｒｕｎｇ ｕｎｄ Ａｂｆｏｒｍｕｎｇ）プロセスなどのフォトリソグラフィプロセスを使用して、金属合金製の本発明によるこの種のひげぜんまいを作製することもできると考えられる。

製造方法は、本発明の一部ではない。例として上記した方法の限定されない例は、単に、本発明による新しい種類のひげぜんまいを作製するための技術手段は既に存在すること、及び当業者はこのひげぜんまいを作製するための多くの選択肢を持っていること、を証明しようとするものに過ぎない。

ひげぜんまいが「平らである」とされる場合、これは、上記で得られたひげぜんまいである。しかし、特に図９に示す実施形態では、ブレード１ａ、１ｂの外側端部の埋込み先端（ｅｍｂｅｄｍｅｎｔ ｐｏｉｎｔ）５及び６をひげぜんまいの平面の外側に配置することに、何の妨げもない。従って、これら２つの埋込み先端は、２つのブレード１ａ、１ｂが２つの対称な錐体をひげぜんまいの平面の両側に形成するように、ひげぜんまいの平面の両側にそれぞれ配置されてもよい。この解決策には、２つのブレードの巻きが互いに接触しないようにし、巻き数の多い小径のひげぜんまいを作製することを可能にするという利点がある。従って、このような解決策は、交互の伸縮中、ひげぜんまいのブレード間の接触を防止する別の手段となる。

本発明の別の変形によると、２つのブレード１ａ、１ｂは、図１０Ａ、１０Ｂに示すＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェーハで作製される。該ＳＯＩウェーハは、Ｓｉ−ＳｉＯ_２−Ｓｉ多層スタックから成る。ブレード１ａは、Ｓｉ層の１つの外面からエッチングされ、他方のブレード１ｂは、第２のＳｉ層の外面からエッチングされる。この場合、２つのブレードの内側端部は、ＳｉＯ_２中間層８を介して固定されている。本実施形態の利点は、２つの隣接する巻き相互間の距離が大きくなるにつれて、ひげぜんまいの直径が小さくなることである。図１０に示す通り、ひげぜんまいが垂直に延出する場合、このような利点はより一層顕著である。

図１１は、ブレード１ａ、１ｂの内側端部が同じブシュに固定されている一方、それらの外側端部がＳｉＯ_２中間層８に固定されている、図１０Ａ、図１０Ｂの別の変形を示す。

１ａ ブレード
１ｂ ブレード
１ｃ ブレード
１ｄ ブレード
２ ブシュ
３ 固定リング
３ａ 開口部
４ 中間リング
５ 埋込み先端
６ 埋込み先端
８ ＳｉＯ_２中間層

Claims (7)

1. それぞれの相同な端部の少なくとも一方により固定されており、各ブレードの前記端部のうちの一方が他方の端部に対して中心軸を中心に角度を成して移動する場合に、前記中心軸に掛かりがちな横方向の力を相殺することができる角度偏位を有して螺旋状に巻かれている、ｎ個のブレード、但しｎ≧２、を含む、テン輪／ひげぜんまい振動子用のひげぜんまいであって、
   前記ブレードが、それらの２つのそれぞれの端部により互いに固定されているひげぜんまい。
2. 前記ブレードのピッチが可変である、請求項１に記載のひげぜんまい。
3. 前記ブレードの厚さが可変である、請求項１または２に記載のひげぜんまい。
4. 前記ブレードの高さが可変である、請求項１から３のいずれか一項に記載のひげぜんまい。
5. 単結晶シリコンから形成されている、請求項１から４のいずれか一項に記載のひげぜんまい。
6. 前記単結晶シリコンが非晶質酸化ケイ素の層で覆われている、請求項５に記載のひげぜんまい。
7. 石英から形成されている、請求項１から３のいずれか一項に記載のひげぜんまい。

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