JP6293942B2 - 複断面が一定である小型バランスばね - Google Patents

Description

本発明は、小型ばねに関し、特に、バランス車と連係して共振器を形成するように意図された小型ばねに関する。

ケイ素製バランスばねのコストは、その表面の面積に実質的に比例する。すなわち、同じウェハーにエッチングすることができるバランスばねが多いほど、バランスばねの単価が低くなる。

しかし、乱雑に寸法を減少させることはできない。なぜなら、バランスばねのコイルどうしが収縮状態又は伸長状態において互いに触れてはならないからである。

本発明は、収縮状態又は伸長状態においてバランスばねのコイルが互いに触れないことを確実にしつつ小型であるようなバランスばねを提案することによって、上記の課題のすべて又は一部を克服することを目的とする。

このために、本発明は、内側コイルと外側コイルの間で自身に巻かれる単一の細長材を有する一体化されたバランスばねに関する。安静状態において、前記細長材は、前記内側コイルの端と最後から２番目のコイルとの間に第１の領域を有し、前記第１の領域においては、各コイルの間のピッチが連続的に増加しており、前記バランスばねの収縮の角度が３６０度であるときに、前記内側コイルから前記最後から２番目のコイルまで各コイルの間に実質的に一定な距離がある。

好ましいことに、本発明によると、収縮状態において、そして可能性としては伸長状態においても、コイルの間に一定な最小距離があることを確実にしつつ、バランスばねが小型化されることを理解することができるであろう。したがって、計時特性を害さずに、バランスばねの大きさを最小限にすることを試みることができる。このようなバランスばねによって、同じウェハーにエッチングされるバランスばねの数を最適化して、単価を下げることができる。

本発明の他の好ましい変形実施形態は、以下の特徴を有する。
− 前記第１の領域において、各コイルの間のピッチは、一定値ずつ連続的に増加している。
− 前記第１の領域の断面は、一定である。
− 前記バランスばねは、前記第１の領域に続く前記最後から２番目のコイルの開始位置と前記外側コイルの端の間に第２の領域とを有し、前記第２の領域においては、ピッチが連続的に増加しており、前記バランスばねの伸長の角度が３６０度であるときに、前記最後から２番目のコイルと前記外側コイルの間には、これらの間のいずれの接触をも防ぐような最小距離がある。
− 前記第２の領域において、ピッチが、一定値ずつ連続的に増加している。
− 前記第２の領域は、前記第１の領域の断面と断面が実質的に同じであるような第１の部分と、及び前記第１の部分に続く断面が前記第１の部分よりも大きい第２の部分とを有する。
− 前記細長材の断面は、前記第２の領域の前記第２の部分の開始位置と前記外側コイルの前記端との間で一定である。
− 前記バランスばねは、ケイ素ベースの材料で作られている。

本発明は、さらに、上記の変形実施形態のいずれかのバランスばねと連係するバランスを有する共振器に関する。

添付図面を参照しながら以下の説明（例としてのみ示している）を読むことによって、他の特徴及び利点が明白になるであろう。

収縮状態における本発明に係るバランスばねの平面図である。 安静位置における本発明に係るバランスばねの平面図である。 伸長状態における本発明に係るバランスばねの平面図である。 安静状態におけるコイル間のピッチの変更をバランスばねのコイルの番数の関数として示すグラフである。 安静状態におけるコイルの厚みの変化をバランスばねのコイルの番数の関数として示すグラフである。 コイルの間の距離の変化を、バランスばねのコイルの番数の関数としてバランスばねの運動状態別に示すグラフである。

本発明は、バランスと連係して計時器用のばね仕掛けバランスタイプの共振器を形成するように意図された小型バランスばねに関する。

本発明についての開発は、収縮状態又は伸長状態において各バランスばねのコイルが互いに触れないことを確実にしつつ、同じケイ素ベースのウェハー上のバランスばねの数を最適化するために開始されたものである。しかし、バランスばねが、ケイ素ベースの材料に限定されないことを理解できるであろう。ＬＩＧＡ法を用いて形成されるバランスばね、すなわち、導電性材料又はウェハーにおいて製造することができる他の材料によって作られたバランスばねにも、同じ論理を適用可能であることを理解できるであろう。なお、これに限定されない。

用語「ケイ素ベース」とは、単結晶ケイ素、ドープされた単結晶ケイ素、多結晶ケイ素、ドープされた多結晶ケイ素、多孔質ケイ素、酸化ケイ素、石英、シリカ、窒化ケイ素又は炭化ケイ素を有する材料を意味する。もちろん、ケイ素ベースの材料が結晶相にある場合、いずれの結晶配向も用いることができる。

したがって、図２に示すように、本発明は、内側のコイルＳ_I外側のコイルＳ_Eの間で自身に巻かれる単一の細長材３を有する一体化されたバランスばね１に関する。本発明によると、バランスばね１の細長材３には、図２に示した安静位置において、内側のコイルＳ_Iの端５と最後から２番目のコイルＳ_Pの間に、第１の領域Ａがある。この第１の領域Ａにおいては、図４に示すように、各コイルの間のピッチが連続的に増加している。

この構成は、好ましいことに、バランスばね１が収縮状態にあるとき、すなわち、図１に示すように、内側のコイルＳ_Iの端５が、バランスばね１の中心に対して実質的に−３６０°の回転をしているときに、内側コイルＳ_Iから最後から２番目のコイルＳ_Pまで各コイルの間の距離が実質的に一定であることを意味している。

好ましくは、図４に示すように、第１の領域Ａにおいて、各コイルの間のピッチは、実質的に一定な値ΔＶ₁ずつ連続的に増加している。さらに、図５に示すように、好ましくは、本発明によると、第１の領域Ａの断面は、一定である。例えば、この一定な断面は、１０μｍ〜５０μｍである一定な厚みＥ₁、５０μｍ〜２５０μｍである一定な高さを有することができる。

随意的な追加の特徴によると、好ましいことに、本発明によると、バランスばね１は、第１の領域Ａに続く最後から２番目のコイルＳ_Pと外側コイルＳ_Eの端７の間に、第２の領域Ｂを有する。第２の領域Ｂにおける最後から２番目のコイルＳ_Pと外側コイルＳ_Eの間のピッチは、図４に示すように、連続的に増加している。

この有利な構成は、バランスばね１が伸長状態であるとき、すなわち、図３に示すように、内側コイルＳ_Iの端５がバランスばね１の中心のまわりに＋３６０度回転しているときに、最後から２番目のコイルＳ_Pと外側コイルＳ_Eの間に最小の距離、すなわち、所定の保証された安全距離があって、接触、特に、最後から２番目のコイルＳ_Pと外側コイルＳ_Eの間の接触、が防がれることを意味している。

好ましくは、図４に示すように、各コイルの間のピッチは、第２の領域Ｂにおいて、第２の一定値ΔＶ₂ずつ連続的に増加している。図４に示すように、この第２の領域Ｂの第２の一定値ΔＶ₂は、好ましくは、第１の領域Ａの第１の一定値ΔＶ₁よりも大きい。

さらに、図５に示すように、第２の領域Ｂは、好ましくは、本発明によると、第１の領域Ａの断面と実質的に同一の断面を有する第１の部分Ｂ₁を有し、次に、第１の部分Ｂ₁の断面よりも断面が大きい第２の部分Ｂ₂を有する。好ましくは、図５に示すように、細長材の断面は、第２の領域Ｂの第２の部分Ｂ₂の開始位置と外側コイルＳ_Eの端７の間で一定である。

また、細長材の断面は、好ましくは、細長材３の厚みが変化することによってのみ増加する。すなわち、高さが一定である。したがって、図５に示すように、第２の領域Ｂの第２の部分Ｂ₂の第２の一定な厚み値は、好ましくは、第１の領域Ａ及び第２の領域Ｂの第１の部分Ｂ₁の第１の一定な厚み値よりも大きい。したがって、例えば、第２の領域Ｂの第２の部分Ｂ₂の一定な断面は、２５μｍ〜７５μｍである一定な厚み、５０μｍ〜２５０μｍである一定な高さを有することができる。

図４に、安静状態におけるコイルの間のピッチの変化をバランスばねのコイルの番数の関数として表す第１のグラフを示している。バランスばね１の第１の領域Ａでは、第１の領域Ａは、第２の領域Ｂまで、値ΔＶ₁のピッチで一定な増加をしていることがわかる。第２の領域Ｂは、外側コイルＳ_Eの端７まで、値ΔＶ₂のピッチで一定な増加をしている。図４に示すように、第２の領域Ｂにおける一定な増加のピッチΔＶ₂は、第１の領域ＡにおけるΔＶ₁よりもはるかに大きい。

図５に示す第２のグラフは、相補的な形態で、細長材３の断面の変化を間接的に示している。実際に、ウェハーを利用して製造する場合には生来的に高さが実質的に一定になるために、図５には、バランスばねのコイルの番数に応じたコイルの厚みの変化のみを示している。バランスばね１の第１の領域Ａが、第２の領域Ｂまで一定な断面Ｅ₁を有することを理解することができるであろう。具体的には、第２の領域Ｂには、断面が第１の領域Ａの断面Ｅ₁と実質的に同じなままである第１の部分Ｂ₁と、及び第１の部分Ｂ₁に続く第１の部分Ｂ₁の断面よりも断面が大きい第２の部分Ｂ₂とがある。

図５に示すように、細長材３の断面Ｅ₂は、第２の領域Ｂの第２の部分Ｂ₂の開始位置と外側コイルＳ_Eの端７との間で実質的に一定である。図５の例において、第２の領域Ｂの第２の部分Ｂ₂の断面Ｅ₂が、第１の領域Ａ及び第２の領域Ｂの第１の部分Ｂ₁の断面Ｅ₁のほとんど２倍であるほど大きいことがわかる。

最後に、図６に、コイルの間の距離中の変更ΔＰを、バランスばねのコイルの番数の関数として表すグラフを示している。具体的には、コイルの間の距離ΔＰを、図１における収縮状態（正方形□の印が付いた曲線）、図２における安静状態（三角形△の印が付いた曲線）、及び図３（丸Ｏの印が付いた曲線）における伸長状態におけるバランスばねに対して示している。

結果的に、丸（Ｏ）の印が付いた曲線の伸長状態では、バランスばね１の第１の領域Ａにおいて、コイルの間の距離ΔＰは、連続的に増加しているコイルの間の距離ΔＰを有し、その後で、端７をスタッドに取り付ける固定点がコイルの間の距離を最小値、すなわち、所定の保証された安全距離、に戻す。図６の例において、所定の保証された安全距離が約５０μｍであることがわかる。

これは論理的である。なぜなら、静止状態において、図６において三角形△の印のある曲線は、図２の曲線と同一であるからである。最後に、正方形（□）の印を付けた収縮状態において、バランスばね１の第１の領域Ａにおいて、コイルの間の距離ΔＰは、第１の領域Ａにおいて距離ΔＰが実質的に一定であると考えることができるような低い傾斜で連続的に増加している。図６の例において、領域Ａにおける距離ΔＰが約３５μｍであることがわかる。この場合に、第２の領域Ｂは、外側コイルＳ_Eの端７に向かうコイルの間の距離ΔＰにおいて、第１の領域Ａにおける増加よりもはるかに大きく連続的に増加することが観測されている。

図６において、丸（Ｏ）及び正方形（□）が付いた曲線の最小値が同一ではないことに留意すべきである。しかし、これらを幾何学的に同じにすることもできる。

同様に、図４〜６において記載されている値は、例として用いただけである。バランスばね及び／又はバランスばねが属している共振器の構成に依存して、選ばれる最小値は、図６における例として選ばれた３５μｍとは異なるようにすることができる。したがって、丸（Ｏ）及び正方形（□）が付いている曲線の最小値がそれぞれ、５０μｍと３５μｍよりも小さかったり大きかったりするように選ぶことができることは明らかである。

しかし、好ましいことに、本発明によると、バランスばね１のこれらの特定の特徴によって、収縮状態において、そして可能性としては伸長状態においても、コイルの間の一定な最小距離を確実にしつつ、安静状態においてばねを小型化することができることを理解することができるであろう。したがって、計時特性を害さずにバランスばねの大きさを最小限にすることができる。本発明のバランスばねによって、同じウェハーにエッチングされるバランスばねの数を最適化して、単価を下げることができる。

もちろん、本発明は、図示した例に制限されず、当業者が想到することができる様々な変形実施形態及び改変が可能である。具体的には、幾何学的構成、すなわち、コイルの厚みや数のようなピッチと断面の変化を、思い描かれるアプリケーションに応じて変えることができる。

また、例えば、コイルの数を減らして、バランスばねの寸法をさらに減少させることができる。

また、本発明の範囲から逸脱せずに、収縮又は伸長の３６０°の角度を小さくすることができる。実際に、この３６０°の角度は、機械的な用語において、ばね仕掛けバランスタイプの共振器においてこの角度を超えることが理論的にできないために選ばれたものである。しかし、重要なことは、距離が最小になる角度ではなく、最小距離が越えられないことを確実にすることである。したがって、より低い角度を慎重に選ぶことができる。なぜなら、ムーブメントの構成に依存して、この角度を通常の動作時に越えることがないことは明らかであるためである。

また、図４における縦座標の値には、制限されない。したがって、第１の領域Ａの断面に依存して、第１の領域Ａの最小ピッチ及び／又は第２の領域Ｂの最大ピッチが変わりうる。したがって、ピッチの変化のみが維持され、同じ最小値及び／又は最大値については必ずしも維持されない。

同様に、図５における縦座標の値には制限されない。したがって、第１の領域Ａの断面に依存して、第１の領域Ａの最小の断面及び／又は第２の領域Ｂの最大の断面を変えることができる。したがって、断面の変化のみが維持され、最小値及び／又は最大値が必ずしも同じでないことは明らかである。

最後に、厚みの変化に基づいて計算を行ったが、変化は、断面の変化として理解されなければならないことは明らかである。すなわち、バランスばね細長材の高さ及び／又は厚みが変化しうる。

１ バランスばね
３ 細長材
５ 内側のコイルの端
７ 外側のコイルの端
Ａ 第１の領域
Ｂ 第２の領域
Ｂ₁ 第１の部分
Ｂ₂ 第２の部分
Ｓ_E 外側コイル
Ｓ_I 内側コイル
Ｓ_P 最後から２番目のコイル

Claims (7)

1. 内側コイル（Ｓ_I）と外側コイル（Ｓ_E）の間で自身に巻かれる単一の細長材（３）を有する一体化されたバランスばね（１）であって、
   安静状態において、前記細長材（３）は、前記内側コイル（Ｓ_I）の端と最後から２番目のコイル（Ｓ_P）との間に第１の領域（Ａ）と、及び前記第１の領域（Ａ）に続く前記最後から２番目のコイル（Ｓ_P）の開始位置と前記外側コイル（Ｓ_E）の端（７）の間に第２の領域（Ｂ）とを有し、
   前記第１の領域（Ａ）においては、各コイルの間のピッチが連続的に増加しており、前記バランスばね（１）の収縮の角度が３６０度であるときに、前記内側コイル（Ｓ_I）から前記最後から２番目のコイル（Ｓ_P）まで各コイルの間に実質的に一定な距離があり、
   前記第２の領域（Ｂ）においては、ピッチが連続的に増加しており、前記バランスばね（１）の伸長の角度が３６０度であるときに、前記最後から２番目のコイル（Ｓ_P）と前記外側コイル（Ｓ_E）の間には、これらの間のいずれの接触をも防ぐような最小距離があり、
   前記第２の領域（Ｂ）は、前記第１の領域（Ａ）の断面と断面が実質的に同じであるような第１の部分（Ｂ₁）と、及び前記第１の部分（Ｂ₁）に続く断面が前記第１の部分（Ｂ₁）よりも大きい第２の部分（Ｂ₂）とを有する
   ことを特徴とするバランスばね（１）。
2. 前記第１の領域（Ａ）において、各コイルの間のピッチは、一定値（ΔＶ₁）ずつ連続的に増加している
   ことを特徴とする請求項１に記載のバランスばね（１）。
3. 前記第１の領域（Ａ）の断面は、一定である
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のバランスばね（１）。
4. 前記第２の領域（Ｂ）において、ピッチが、一定値（ΔＶ₂）ずつ連続的に増加している
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のバランスばね（１）。
5. 前記細長材（３）の断面は、前記第２の領域（Ｂ）の前記第２の部分（Ｂ₂）の開始位置と前記外側コイル（Ｓ_E）の前記端（７）との間で一定である
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のバランスばね（１）。
6. 前記バランスばね（１）は、ケイ素ベースの材料で作られている
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のバランスばね（１）。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載のバランスばね（１）と連係するバランスを有する
   ことを特徴とする共振器。