JP6661543B2 - 脱進機のない、または簡易脱進機を有する一般２自由度等方性調和振動子および関連するタイムベース - Google Patents

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Description

対応出願
本ＰＣＴ出願は、参照により本ＰＣＴ出願に完全に組み入れられている、Ｅｃｏｌｅ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｑｕｅ Ｆｅｄｅｒａｌｅ ｄｅ Ｌａｕｓａｎｎｅ（ＥＰＦＬ）の名義で提出された先出願である、２０１４年１月１３日提出のＥＰ１４１５０９３９．８、２０１４年６月２５日提出のＥＰ１４１７３９４７．４、２０１４年９月３日提出のＥＰ１４１８３３８５．５、２０１４年９月４日提出のＥＰ１４１８３６２４．７、および２０１４年１２月１日提出のＥＰ１４１９５７１９．１の優先権を主張する。
タイムキーパの精度における最大の改良は、タイムベースとしての振動子、まず１６５６年のＣｈｒｉｓｔｉａａｎ Ｈｕｙｇｅｎｓによる振り子、次に１６７５年頃のＨｕｙｇｅｎｓおよびＨｏｏｋｅによるてん輪−螺旋ばね、ならびに１８６６年のＮ．ＮｉａｕｄｅｔおよびＬ．Ｃ．Ｂｒｅｇｕｅｔによる音叉の導入によるものである（参考文献［２０］、［５］参照）。そのときから、これらが機械時計およびあらゆる腕時計で使用される唯一の機械振動子となっている（螺旋ばねに近似した電磁復元力を有するてん輪は、てん輪−螺旋ばねの分類に含まれる）。機械時計および腕時計では、これらの振動子が脱進機を必要とし、この機構は、その固有の複雑さと、最高でかろうじて４０％に達する比較的低い効率とによって多くの問題を生じさせる。脱進機は、動き全体を停止させ再始動させなければならない断続的な運動に基づいているため、固有の非効率性を有し、停止状態からの無駄な加速および衝撃による騒音を生じさせる。脱進機は腕時計の最も複雑で精巧な部品であることが周知であり、マリンクロノメータ用のデテント脱進機とは対照的に、完全に満足のいく腕時計用脱進機は未だにない。
１９２５年１２月１６日に発行された特許文献１は、振動機構を駆動するプロセスを開示している。この文献の記載された目的は、断続的な調整を連続的な調整に置き換えることであるが、この公開された原理を腕時計などのタイムキーパに適用する方法については明確に開示されていない。特に、構成は等方性調和振動子として記載されておらず、振動子の最も単純なものだけが記載されている（後述の図２０および図２２）が、図２１、図２３〜図３３、図３９〜図４１の球形振動子および補償された振動子の実施形態の優れた性能は示されていない。
１９６７年６月２７日に公開された特許文献２は、タイムキーパ用の回転共振子を開示している。開示された共振子は、中心支持体に片持ち式に取り付けられた２つの質量を含み、各質量が対称軸の周りで円を描いて振動する。各質量は４つのばねを介して中心支持体に取り付けられる。各質量のばねを互いに連結して、質量の動的連結を得る。質量の回転振動を維持するために、各質量の、永久磁石を含む耳に作用する電磁デバイスを使用する。ばねの１つは、質量の振動運動を一方向の回転運動に変えるために爪車と協働する爪を含む。したがって、開示されたシステムは、依然として、断続的な運動である振動を爪による回転に変えることに基づいているため、この公報のシステムは、当技術分野で公知の、上で引用した脱進機システムと等価である。
１９７１年５月１４日に発行されたさらなる特許文献３は、タイムキーパ用の機械回転共振子に関連する。この特許は主に、前述した特許文献２で開示されたような共振子で使用されるばねの説明に向けられたものである。したがって、ここで再び、共振子の原理は、軸の周りで振動する質量を使用する。
１９６７年５月９日に発行された特許文献４は、垂直軸の周りで振動するねじり振動子を開示している。これもやはり、前述した先行技術の脱進機に類似している。
スイス特許第１１３０２５号 スイス特許出願第９１１０／６７号 スイス特許第５１２７５７号 米国特許第３，３１８，０８７号
したがって、本発明の目的は、公知のシステムおよび方法を改良することである。
本発明のさらなる目的は、当技術分野で公知の脱進機の断続的な運動を回避するシステムを提供することである。
本発明のさらなる目的は、機械的等方性調和振動子を提案することである。
本発明の別の目的は、クロノグラフ用のタイムベース、タイムキーパ（腕時計など）、加速度計、調速機などの様々な時間関連の適用例で使用可能な振動子を提供することである。
本発明は、脱進機を完全に排除することによって、あるいは、現在の腕時計用脱進機の欠点を持たない新しい簡易脱進機の群によって、脱進機の問題を解決することである。
結果として、効率の高い、はるかに簡易な機構が得られる。
一実施形態では、本発明は、等方性、および物質の固有の等方性による直線復元力特性を有するばねを用いる、固定ベースに対する２自由度周回質量を含む機械的等方性調和振動子に関する。
一実施形態では、等方性調和振動子は、固定ベースに対して２自由度周回質量を与えるように配置されたいくつかの等方性線形ばねを含むことができる。
一実施形態では、等方性調和振動子は、いくつかの赤道（ｅｑｕａｔｏｒｉａｌ）ばねを有する球形質量を含むことができる。
別の実施形態では、等方性調和振動子は、極（ｐｏｌａｒ）ばねを有する球形質量を含むことができる。
一実施形態では、機構は、直線加速度を平衡させるようにシャフトによって連結された２つの等方性調和振動子を含むことができる。
一実施形態では、機構は、角加速度を平衡させるようにシャフトによって連結された２つの等方性調和振動子を含むことができる。
一実施形態では、機構は、ピボットを通して固定フレームの周りを回転する可変半径クランクと、クランク端部が可変半径で回転することを可能にする直進ジョイントとを含むことができる。
一実施形態では、機構は、維持トルクＭが加えられるクランクシャフトと、クランクシャフトに取り付けられ、直進スロットを備えるクランクとを保持する固定フレームを含むことができ、剛性ピンは、振動子または振動子システムの周回質量に固定され、前記ピンは前記スロットに係合する。
一実施形態では、機構は、機械エネルギーを振動子に断続的に供給するためのデテント脱進機を含むことができる。
一実施形態では、デテント脱進機は、周回質量に固定された２つの平行留め具を含み、一方の留め具はばね上で旋回するデテントを変位させてがんぎ車を解放し、前記がんぎ車は他方の留め具に衝撃を与えて、失われたエネルギーを振動子または振動子システムに戻す。
一実施形態では、本発明は、本出願で定義された振動子または振動子システムを含む時計などのタイムキーパに関する。
一実施形態では、タイムキーパは腕時計である。
一実施形態では、本出願で定義された振動子または振動子システムを、長い速度増加歯車列（ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｓｐｅｅｄ ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｖｅ ｇｅａｒ ｔｒａｉｎ）のみを必要とする、秒の分数を測定するクロノグラフ用のタイムベースとして使用して、例えば１００分の１秒を測定するように１００Ｈｚの振動数を得ることができる。
一実施形態では、本出願で定義された振動子または振動子システムを、打鐘（ｓｔｒｉｋｉｎｇ）時計または音楽時計および腕時計、ならびにオルゴールの調速機として使用することにより、望ましくない騒音をなくし、エネルギー消費を減らし、かつ音楽または打鐘リズムの安定性を向上させる。
以下の本発明の説明において、これらおよびその他の実施形態についてより詳細に記載する。
本発明は、以下の説明および図面からよりよく理解されるだろう。
逆二乗法則を用いた軌道を示す図である。 フックの法則による軌道を示す図である。 フックの法則の物理的実現の例を示す図である。 円錐振り子の原理を示す図である。 円錐振り子機構を示す図である。 Ａｎｔｏｉｎｅ Ｂｒｅｇｕｅｔにより作られたＶｉｌｌａｒｃｅａｕ調速機を示す図である。 はじいた弦の特異性（ｓｉｎｇｕｌａｒｉｔｙ ｆｏｒ ａ ｐｌｕｃｋｅｄ ｓｔｒｉｎｇ）の伝播を示す図である。 振動子エネルギーを維持するために連続的に加えられるトルクを示す図である。 振動子エネルギーを維持するために断続的に加えられる力を示す図である。 伝統的なデテント脱進機を示す図である。 一般２自由度等方性ばねに対するあらゆる方向への重力補償の第２の代替実現を示す図であり、これにより、図２２の機構を平衡させる。 振動子エネルギーを維持するための可変半径クランクを示す図である。 振動子に取り付けられた、振動子エネルギーを維持するための可変半径クランクの実現を示す図である。 振動子に取り付けられた、振動子エネルギーを維持するための可変半径クランクの実現を示す図である。 振動子エネルギーを維持するための可変半径クランクの、屈曲ベースの実現を示す図である。 振動子エネルギーを維持するための可変半径クランクの、屈曲ベースの実現を示す図である。 振動子エネルギーを維持するための可変半径クランクの、代替の屈曲ベースの実現を示す図である。 等方性調和振動子のための簡易で伝統的な腕時計用デテント脱進機を示す図である。 並進運動周回質量のためのデテント脱進機の実施形態を示す図である。 並進運動周回質量のためのデテント脱進機の別の実施形態を示す図である。 物質の等方性に基づく２自由度等方性ばねを示す図である。 図２１Ａおよび図２１Ｂは、質量が平面軌道を有する、物質の等方性に基づく２自由度等方性ばねを示す図であり、図２１Ａは軸方向横断面図、図２１Ｂは図２１ＡのＡ−Ａ線に沿った横断面図である。 質量の運動の平面性を高める、３本の等方性円筒梁に基づく２自由度等方性ばねを示す図である。 二重にすることにより図２２の機構の非平面性をなくした２自由度等方性ばねを示す図であり、図２３Ａは斜視図である。 二重にすることにより図２２の機構の非平面性をなくした２自由度等方性ばねを示す図であり、図２３Ｂは上面図である。 直線加速度および角加速度を平衡させるように補償された２自由度等方性ばねを示す図であり、図２４Ａは軸方向横断面図である。 直線加速度および角加速度を平衡させるように補償された２自由度等方性ばねを示す図であり、図２４Ｂは図２４Ａの横断面図である。 重力を補償するばね膜および平衡ダンベルバスを有する２自由度等方性ばねを示す図である。 重力を補償するばね膜および平衡ダンベルバスを有する２自由度等方性ばねを示す図であり、図２５Ｂは図２５Ａの中心の横断面図である。 重力を補償する複合ばねおよび平衡ダンベル質量を有する２自由度等方性ばねを示す図である。 図２８Ａの複合ばねを使用して等方性自由度を有する質量を与える、２自由度等方性ばねの詳細横断面図である。 図２８Ａおよび図２８Ｂは図２７に示す機構で使用される４自由度ばねを示す図であり、図２８Ａは上面図、図２８Ｂは図２８ＡのＡ−Ａ線に沿った横断面図である。 重力を補償する３本の傾斜梁および平衡ダンベル質量を含むばねを有する２自由度等方性ばねを示す図である。 屈曲ピボットに基づく球形質量および赤道屈曲ばねを有する２自由度等方性ばねを示す図である。 球形質量および赤道梁ばねを有する２自由度等方性ばねを示す図である。 図３１の球形質量を有する２自由度等方性ばねの上面図である。 図３１の球形質量を有する２自由度等方性ばねの横断面図である。 回転ばねを示す図である。 回転により楕円軌道を周回する本体を示す図である。 回転せずに、並進運動により楕円軌道を周回する本体を示す図である。 回転なしで並進運動により楕円軌道を周回する剛性梁の端部の点を示す図である。 現在のひげぜんまいおよび脱進機を等方性振動子および駆動クランクに置き換えることにより、本発明の振動子を標準的な機械腕時計または時計ムーブメントに組み込む様子を示す図である。 一定の緯度を有する一定の角速度軌道の完全な等時性に従う、球形質量および極ばねを有する振動子の概念的基礎を示す図である。 振動子エネルギーを維持するクランクと共に図３９の極ばね球形振動子を実施する機構の概念モデルを示す図である。 振動子エネルギーを維持するクランクと共に図３９の球形質量および極ばねの概念を実施する完全に機能的な機構を示す図である。
２ 本発明の概念的基礎
２．１ ニュートンの等時性ソーラーシステム
周知のように、１６８７年に、Ｉｓａａｃ ＮｅｗｔｏｎはＰｒｉｎｃｉｐｉａ Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａを出版し、この中で、惑星の運動に関するケプラーの法則、特に、惑星は太陽を１つの焦点とする楕円上を動くと述べた第１法則と、惑星の公転周期の２乗は軌道の長半径の３乗に比例すると述べた第３法則とを証明した（参考文献［１９］参照）。
あまり知られていないが、同著のＢｏｏｋ Ｉ、Ｐｒｏｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｘにおいて、引力の逆２乗法則（図１参照）を直線中心引力（ｌｉｎｅａｒ ａｔｔｒａｃｔｉｖｅ ｃｅｎｔｒａｌ ｆｏｒｃｅ）（それ以来フックの法則と呼ばれる。図２および図３参照）に置き換えた場合に、惑星の運動が、太陽を楕円の中心とする楕円軌道に置き換えられ、公転周期はすべての楕円軌道について同じあることが示された（両法則における楕円の発生は、比較的単純な数学的等価性によるものであると理解され（参考文献［１３］参照）、これら２つのケースのみが、閉鎖軌道を生じさせる中心力の法則であることも周知である（参考文献［１］参照））。
フックの法則に対するニュートンの結果は、非常に容易に実証される：
原点で中心にある中心力
Ｆ（ｒ）＝−ｋｒ
を受ける２次元で動く点質量を考える。ここでｒは質量の位置である。次いで、質量ｍの物体について、これは、初期条件および振動数に応じた定数Ａ1、Ａ2、φ1、φ2について
（Ａ1ｓｉｎ（ω0ｔ＋φ1）、Ａ2ｓｉｎ（ω0ｔ＋φ2））
の解を有する。
これは、軌道が楕円であることを示すだけでなく、運動の周期が質量ｍおよび中心力の剛性ｋのみに応じて決まることを示す。したがって、このモデルは、周期が点質量の位置および運動量から独立しているため、等時性を示す（ニュートンにより証明されたケプラーの第３法則に類似）。
２．２ タイムキーパ用のタイムベースとしての実施
等時性は、この振動子が、本発明の可能な実施形態としてのタイムキーパ用のタイムベースに適した候補であることを意味する。
これは、以前には行われておらず、文献にも記載されておらず、この振動子をタイムベースとして使用することは、本発明の実施形態である。
この振動子は調和等方性振動子としても知られ、この等方性という用語は「あらゆる方向に同じ」であることを意味する。
１６８７年から知られ、理論的に簡単であるにもかかわらず、等方性調和振動子は腕時計または時計用のタイムベースとしてこれまで使用されていないようであり、これには説明が必要である。以下で、「等方性振動子」という用語を、「等方性調和振動子」を意味するために用いる。
主な理由は、調速機または速度調整機などの一定速度機構に固執していること（ｆｉｘａｔｉｏｎ）、および一定速度機構としての円錐振り子の視野が限られていることであると思われる。
例えば、Ｌｅｏｐｏｌｄ Ｄｅｆｏｓｓｅｚは、近似等時性に対する可能性を有する円錐振り子の説明において、その周期よりもはるかに短い、非常に短い時間間隔の測定に適用することについて述べている（参考文献［８、ｐ．５３４］参照）。
Ｈ．Ｂｏｕａｓｓｅは、著書の１つの章を、近似等時性を含む円錐振り子の記述に当てている（参考文献［３、ＶＩＩＩ章］参照）。Ｈ．Ｂｏｕａｓｓｅは、この章の段落を、秒の分数を測定するために円錐振り子を使用すること（２秒周期を想定）の記述に当て、この方法は完璧であると思われると述べている。そして、平均精度と瞬時精度との差に注目することによってこの方法を制限し（ｑｕａｌｉｆｙ）、機構を調節する際の困難のために、円錐振り子の回転が短い間隔にわたって一定でなくてもよいことを認める。したがって、Ｈ．Ｂｏｕａｓｓｅは、周期内の変動を円錐振り子の欠陥と考えており、これは、完全な条件下において一定速度で動作すべきであると考えていることを意味する。
同様に、連続運動対断続運動の記述において、Ｒｕｐｅｒｔ Ｇｏｕｌｄは等方性調和振動子を見落としており、Ｒｕｐｅｒｔ Ｇｏｕｌｄの連続運動タイムキーパへの言及は、Ｖｉｌｌａｒｃｅａｕ調速機のみであって、これについて「良好な結果を与えたと思われる。しかしながら、これが通常の良質な駆動時計（ｄｒｉｖｉｎｇ ｃｌｏｃｋ）またはクロノグラフよりも正確であるということはあり得ない」と述べている（参考文献［９、２０〜２１］参照）。Ｇｏｕｌｄの結論は、Ｂｒｅｇｕｅｔにより示されたＶｉｌｌａｒｃｅａｕ調速機のデータによって実証されている（参考文献［４］参照）。
理論的観点からは、Ｊａｍｅｓ Ｃｌｅｒｋ Ｍａｘｗｅｌｌの「Ｏｎ Ｇｏｖｅｒｎｅｒｓ」という非常に大きな影響力を持つ論文があり、これは現在の制御理論についての着想の１つと考えられる（参考文献［１８］参照）。
さらに、等時性は、あらゆる速度変動を保持しなければならない真の振動子を必要とする。その理由は、波動方程式
が、その伝播によってあらゆる初期条件を保持するからである。したがって、真の振動子は、その速度摂動のすべてを記録しなければならない。このため、本明細書に記載の本発明によって、振動子に対する最大の振幅変動が可能になる。
これは、このような摂動を減衰しなければならない調速機とは正反対である。原理上、速度調整を生じさせる減衰機構をなくすことによって等方性振動子を得ることができる。
結論として、等方性振動子はタイムベースとして使用されていない。その理由は、等方性振動子を調速機に同化させている概念ブロックがあり、正確な時間管理が、短い間隔すべてにわたるのではなく１つの周期全体にわたる一定の時間のみ必要であるという単純な見解を見落としていると思われるからである。
この振動子は、円錐振り子および調速機とは理論および機能が完全に異なることを主張する（以下の本説明参照）。
図４は、円錐振り子の原理を示し、図５は一般的な円錐振り子機構を示す。
図６は、１８７０年代にＡｎｔｏｉｎｅ Ｂｒｅｇｕｅｔにより作られたＶｉｌｌａｒｃｅａｕ調速機を示し、図７は、はじいた弦についての特異性の伝播を示す。
２．３ 回転対並進対傾斜運動の周回運動
一方向の運動を有する２つのタイプの等方性調和振動子が可能である。１つは、本体が端部にある線形ばねを利用し、ばねと本体とを固定中心の周りで回転させるものである。これは図３４：回転ばねに示される。本体８６２が端部に取り付けられたばね８６１は、中心８６０に固定され、この中心の周りを回転して、本体８６２の質量の中心が軌道８６４を有するようにする。ポインタ８６３の回転によってわかるように、本体８６２は、軌道全体につき１度、その質量中心の周りを回転する。
これにより、本体がその質量中心の周りを回転し、図３５：回転軌道の例に示すように、軌道を公転するごとに完全に一周する。点８７２の回転によってわかるように、本体８７１は、点８７０の周りを周回し、軌道全体につき１度、その軸の周りを回転する。
このタイプのばねを回転等方性振動子と呼び、セクション４．１で説明する。この場合、本体がそれ自体の周りを回転するため、本体の慣性モーメントが力学に影響を与える。
別の可能な実現は、セクション４．２で説明するように、中心等方性ばねによって支持された質量を有する。この場合、これによって、本体が質量の中心の周りを回転しなくなり、この周回を並進運動と呼ぶ。これは、図３６：並進運動軌道に示される。本体８８１は、中心８８０の周りを周回し、軌道８８３に沿って動くが、重力の中心の周りを回転することはない。本体上のポインタ８８２の一定方向によりわかるように、本体８８１の向きは変化しないままである。
この場合、質量の慣性モーメントは力学に影響を与えない。以下で説明する機構において、傾斜運動が生じる。
別の可能性は、限られた範囲の角度旋回運動が生じるが、本体の重力中心の周りの完全な回転は生じない傾斜運動である。傾斜運動を図３７に示す：質量８９２から構成される等方性振動子は、剛性ポール８９６を介して質量８９２を固定ベース８９０に連結するジョイント８９１の周りで振動する。これにより、固定ポインタ８９４が端部にある状態で剛性ポール８９３を振動質量８９２上に固定することからわかるように、並進運動による周回が生じる。並進運動による軌道は、常に方向８９５であるポインタの一定の向きによって確認される。
２．４ 標準的な機械ムーブメントへの等方性調和振動子の組込み
等方性振動子を用いる本出願人のタイムベースは、機械タイムキーパを調整し、これは、てん輪と螺旋ばね振動子とを、等方性振動子と、クランクが歯車列の最後の歯車に固定された脱進機とに置き換えることによって実施することができる。これは、図３８：伝統的な場合の左側に示される。主ばね９００は歯車列９０１を介してエネルギーをがんぎ車９０２に伝え、がんぎ車９０２はアンカ９０４を介してエネルギーをてん輪９０５に断続的に伝える。右側は本出願人の機構である。主ばね９００は歯車列９０１を介してエネルギーをクランク９０３に伝え、クランク９０３は、このクランクのスロット内を移動するピン９０７を介してエネルギーを等方性振動子９０６に連続的に伝える。等方性振動子は固定フレーム９０８に取り付けられ、その復元力の中心は、クランクピニオンの中心に一致する。
３ 物理的実現の理論的要件
本発明による等方性調和振動子を実現するために、中心復元力の物理的構成が必要である。中心復元力に対して動く質量の理論は、結果として生じる運動が面内で行われるようになっている。しかしながら、ここでは、完全に平面の運動を考慮せず、機構が調和振動子の望ましくない特徴を保持したままである、より一般的な等方性調和振動子について考察する。
物理的実現によりタイムベースのための等時性軌道を生み出すために、上記セクション２の理論モデルにできるだけ細密に準拠しなければならない。ばね剛性ｋは方向から独立し、半径方向変位から独立した定数である（線形ばね）。理論上、点質量があり、したがって、これは回転しないときに慣性モーメントＪ＝０を有する。換算質量ｍは等方性であり、また変位から独立している。結果として得られる機構は、重力ならびに直線衝撃および角衝撃の影響を受けないようにすべきである。したがって、条件は、
等方性ｋ。ばね剛性ｋの等方性（方向から独立）。
半径方向ｋ。半径方向変位から独立したばね剛性ｋ（線形ばね）。
ゼロＪ。慣性モーメントＪ＝０を有する質量ｍ。
等方性ｍ。換算質量ｍの等方性（方向から独立）。
半径方向ｍ。半径方向変位から独立した換算質量ｍ。
重力。重力の影響を受けない。
直線衝撃。直線衝撃の影響を受けない。
角衝撃。角衝撃の影響を受けない。
４ 等方性調和振動子の実現
４．１ 半径方向に対称なばねを介した等方性（回転体の体積）
等方性は、物質の等方性による等方性ばねである、半径方向に対称なばねを通して実現される。最も単純な例を図２０に示す：固定ベース６０１に可撓性梁６０２が取り付けられ、梁６０２の端部に質量６０３が取り付けられる。可撓性梁６０２は質量６０３に復元力を与えて、機構が破線で示すニュートラル状態に引かれるようにする。質量６０３は、そのニュートラル状態の周りの一方向軌道を移動する。以下に、セクション３の理論特性のうちのどれがこれらの実現に当てはまるかを挙げる（一次まで）。
図２０のこの構成を修正して、図２１Ａ、図２１Ｂ：二重ロッド等方性振動子に示すように平面の運動を得ることができる。側面図（横断面図）：固定フレーム６１１には、周回質量６１４を端部で保持する円形横断面６１２、６１３の２本の同軸可撓性ロッドが取り付けられる。ロッド６１２は１自由度屈曲構造６１９によってフレーム６１１から軸方向にデカップリングされ、半径方向剛性によって直線復元力を機構に確実に与えるようにする。ロッド６１２は、駆動リング６１５に機械加工された半径方向スロット６１７を通る。上面図：リング６１５は３つのローラ６１６によって案内され、歯車６１８によって駆動される。駆動トルクが６１８に加わると、エネルギーが周回質量に伝えられて、周回質量の運動が維持される。その特性を以下の表に挙げる。
３ロッド等方性振動子を示す図２２に示すように、より平面の運動を達成することができる。固定フレーム６２０には、円形横断面の３本の平行可撓性ロッド６２１が取り付けられる。ロッド６２１には、周回質量として動くプレート６２２が取り付けられる。この屈曲配置は質量６２２に３自由度：すなわち周回運動を生じさせる２つの曲線並進運動と、この適用例において使用されない、ロッドに平行な軸の周りの回転とを与える。その特性は以下の通りである。
図２３Ａおよび図２３Ｂ（上面図）：６平行ロッド等方性振動子に示すように、図２２の機構を二重にすることによって完全に平面の運動を達成することができる。固定フレーム６３０に、円形横断面の３本の平行可撓性ロッド６３１が取り付けられる。ロッド６３１は軽量の中間プレート６３２に取り付けられる。平行可撓性ロッド６３３は６３２に取り付けられる。ロッド６３３は、周回質量として作用する可動プレート６３４に取り付けられる。この屈曲配置は、６３４に３自由度：すなわち周回を生じさせる２つの直線並進運動と、この適用例において使用されない、ロッドに平行な軸の周りの回転とを与える。その特性は以下の通りである。
図２５Ａ、図２５Ｂ：可撓性膜を用いる動的平衡ダンベル振動子に示すように、物質の等方性による等方性復元力を与える膜を使用してもよい。剛性バー６７８、６８４が、可撓性膜６７７を介して固定ベース６７６に取り付けられて、バーに対する２角度自由度を可能にする（バー軸の周りの回転は禁止される）。周回質量６７９、６８３がバーの２つの端部に取り付けられる。剛性本体６７８、６８４、６８３、６７９の重力中心は、膜の平面とバーの軸との交差部に位置し、直線加速度がシステムに対するトルクをいかなる方向にも生じさせないようにする。ピン６８０は６７９に軸方向に固定される。このピンは、回転クランク６８１の半径方向スロット内に係合する。クランクはピボット６８２によって固定ベースに取り付けられる。駆動トルクは周回質量６７９を駆動するクランクのシャフトに作用して、システムを運転状態に維持する。ダンベルは、平衡するため、重力を含む直線加速度の影響を本質的に受けない。その特性は以下の通りである。
４．２ 非対称なばねの組合せによる等方性
組み合わせた復元力が等方性になるようにばねを組み合わせることによって、等方性ばねを得ることができる。
図２６：４ロッド吊下装置を有する動的平衡ダンベル振動子。剛性バー６８９、６９０は、ユニバーサルジョイント（詳細は図２７、図２８Ａ、図２８Ｂ参照）を形成する４本の可撓性ロッドを介して固定フレーム６８５に取り付けられる。３本のロッドは剛性バー軸６８９、６９０に垂直な水平面６８６にあり、第４のロッド６８７は軸６８９、６９０に垂直である。２つの周回質量６９１、６９２が剛性バーの端部に取り付けられる。剛性本体６９１、６８９、６９０、６９２の重力中心は、平面６８６とバーの軸との交差部に位置し、直線加速度がシステムに対するトルクをいかなる方向にも生じさせないようにする。ピン６９３は６９２に軸方向に固定される。このピンは回転クランク６９４の半径方向スロット内に係合する。クランクはピボット６９５によって固定ベースに取り付けられる。駆動トルクは、予め負荷を加えた螺旋ばね６９７によって生じ、この螺旋ばね６９７は、クランクのシャフトに固定されたスプールに巻き付けられた糸６９６を引っ張る。その特性は以下の通りである。
図２６の横断面図が図２７：４本の可撓性ロッドに基づくユニバーサルジョイントに示される。図２８Ａ、図２８Ｂに示すものと同様の４自由度屈曲構造が、剛性フレーム７０５を可動チューブ７０８に連結する。円錐アタッチメント７０７を機械連結のために使用する。第４の垂直ロッド７１２は７０５を７０８に結合する。ロッドは大径の剛性バー７１１に機械加工される。バー７１１は水平ピン７０９を介してチューブ７０８に取り付けられる。配置は、ベース７０５に対して２角度自由度をチューブ７０８に与える。その特性は以下の通りである。
図２６、図２７の機構は、図２８Ａ、図２８Ｂ：４自由度屈曲構造に示す屈曲構造に依拠する。可動剛性本体７０４が、同じ水平面にすべて位置する３本のロッド７０１、７０２、７０３を介して固定ベース７００に取り付けられる。ロッドは互いに対して１２０°の向きである。代替構成は、他の角度の向きのロッドを有する。
代替ダンベル設計が、図２９：３ロッド吊下装置を有する動的平衡ダンベル振動子に示される。剛性バー７１７、７１８が、ボールジョイントを形成する３本の可撓性ロッド７１６を介して固定フレーム７１５に取り付けられる。ピン７２１は７２０に軸方向に固定される。このピンは、回転クランク７２２の半径方向スロットに係合する。クランクはピボット７２３によって固定ベースに取り付けられる。剛性本体７１７、７１８、７１９、７２０の重力中心は３本の可撓性ロッドの交差部に位置し、ボールジョイントの回転の運動学的中心であって、直線加速度がシステムに対するトルクをいかなる方向にも生じさせないようにする。駆動トルクはクランクのシャフトに作用する。その特性は以下の通りである。
４．３ 球形質量を有する等方性調和振動子
球形質量を有する設計が図３０に示される。球形質量７６８（充填された球体または球形シェル）が、脚部７６１〜７６７、脚部７６９および脚部７７０から構成されるコンプライアンス性機構を介して固定環状フレーム７６０に連結される。脚部７６９、７７０は脚部７６１〜７７０として構成され、その説明は脚部７６１〜７７０の説明に従う。球体は脚部７６７（およびその類似物７６９、７７０）に連結され、脚部７６７は７６１で固定フレーム７６０に連結する。脚部７６１〜７６７は、ノッチ７６２、７６４が屈曲ピボットである３自由度コンプライアンス性機構である。コンプライアンス性脚部７６１〜７７０の平面構成は、回転軸が環状リング７６０の平面に位置するユニバーサルジョイントを構成する。特に、球体は、軸７７１〜７７９の周りを回転することができない。小振幅の場合、球体の運動は、７７２が楕円軌道を描くようになっており、７８０で示すように、対称性によって７７９についても同様である。球体の回転は、スロット７７４に堅く連結されたクランク７７６を介して維持される。クランク７７４は、トルク７７７を有し、ピボットジョイントにより、例えば、玉軸受を用いて７７６でフレームに連結されるものと仮定する。ピン７７１は球体に堅く連結され、球体の回転中に、スロット７７４に沿って動いて、クランク軸７７６と心合わせされなくなるようにし、トルク７７７が７７１に力を及ぼすようにして、球体の回転を維持する。球体７６８の重力中心７７８は、平面７６０と軸７７１〜７７９との交差部に位置し、直線加速度がシステムに対するトルクをいかなる方向にも生じさせないようにする。代替構成は、３本の脚部すべてのノッチ７６４を除去することである。他の代替構成は、１、２、４、またはそれ以上の脚部を使用する。その特性は以下の通りである。
代替球体機構が、図３１、図３２、図３３：２回転自由度調和振動子の実現に示される。球形質量８０７（空間に可撓性ロッド８１１を取り付ける、円筒形開口部を含む充填された球体または球形シェル）が、２回転自由度コンプライアンス性機構を介して固定フレーム８００および固定ブロック８０１に連結される。コンプライアンス性機構は、８０７、同一平面上（図３３の平面Ｐ）にある３本の可撓性ロッド８０３、８０４、８０５、および平面Ｐに垂直な第４の可撓性ロッド８１１を保持する剛性プレート８０６から構成される。３つの剛性固定ブロック８０２を使用して、ロッドの固定端部を締め付ける。８１１の能動的な長さ（２つの締付点間の距離）が、図３３にＬで示される。平面Ｐと８１１の軸との交差点（図３３の点Ａ）が、球体または球形シェル８０７の重力中心に正確に位置する。機構の精度を高めるために、平面Ｐは、締付点から８０７内へ距離Ｈ＝Ｌ／８のところで８１１と交差すべきである。この割合により、屈曲ピボットの回転に伴う寄生ずれ（ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｓｈｉｆｔ）を相殺する。このコンプライアンス性機構は、軸が平面Ｐに位置し、点Ａを通る回転である２回転自由度を８０７に与える（注：この自由度は、質量８０７を非回転ベース８００、８０１に結合する伝統的な等速ジョイントの自由度と同じであるため、ピン８０８の軸と同一線上にある軸の周りの質量８０７の回転を阻止する）。このコンプライアンス性機構により、８０７の重力中心が変位しない球体または球形シェル８０７の運動が生じる。その結果、この振動子は、重力およびあらゆる方向への直線加速度の影響を非常に受けにくい。
剛性ピン８０８は、８１１の軸で８０７に固定される。ピン８０８の先端部８１２は球形を有する。８０７がニュートラル位置の周りを振動すると、ピン８０８の先端部が、軌道と呼ばれる連続軌跡（図の８１０）をたどる。
ピンの先端部８１２は、回転軸がロッド８１１の軸と同一線上にある駆動クランク８１４に機械加工されるスロット８１３内に係合する。駆動トルクが８１４に加わると、クランクは８１２を周回軌跡に沿って前方へ押し、これにより、機械的損失（減衰効果）がある場合でも、機構を連続運転状態に維持する。その特性は以下の通りである。
球体機構の代替実施形態を図３９、図４０、図４１に示す。
図３９は、極ばねに基づく中心復元力の原理の２次元の図であり、この極ばねとは、線形ばね９１６が振動球体９１０の北極９１３に取り付けられることを意味する。ばね９１６は、駆動ピン９１５の先端部９１３を点９１４に連結する。点９１４は、球体９１０がニュートラル位置にあるときに先端部９１３の位置に対応し、特に、点９１３、９１４は球体の中心から同じ距離ｒのところにある。球体のニュートラル位置は、球体の回転位置として定義され、この球体については、駆動ピン９１５の軸９１８が駆動クランク（図４０の９２３および図４１の９５３）の回転軸と同一線上にある。等速ジョイント９１１により、この位置が確実に唯一のものとなり、すなわち、球体の唯一の回転位置を表す。ばね９１６によって弾性復元力Ｆ＝−ｋＸ（ここでｋはばねの剛性定数）が生じ、これは、点９１４と点９１３との間の距離に等しいばねの伸びＸに比例する。力Ｆの方向は９１４を９１３に連結する線に沿っている。振動質量は、等速ジョイント９１１を介して固定ベース９１２に取り付けられる球体または球形シェル９１０である。ジョイント９１１は２回転自由度を有し、軸９１８の周りの回転である、球体の第３の回転自由度を阻止する。ジョイント９１１の可能な実施形態は、図３１、図３２、図３３に示す４ロッド弾性吊下装置または図３０に示す平面機構である。この配置により、球体に対する非線形中心復元トルクが生じ、これはＭ＝−２ｋｒ2ｓｉｎ（α／２）に等しい。ジョイント９１１がゼロ剛性を有すると仮定して、一定の緯度の一定角速度円形軌道におけるこの極ばね機構の自由振動を動的にモデリングすることにより、自由振動がすべての角度αについて同じ周期を有すること、すなわち、したがって、振動子がそのような軌道上で完全に等時性であり、精密タイムベースとして使用できることを示す。
図４０は、図３９に示す概念的機構の運動学的モデルの３次元図である。クランクホイール９２０は駆動トルクを受ける。クランクホイールのシャフト９２１は、軸９２３の周りを回転する回転支承部９３９によって固定ベース９２２へ案内される。ピボット９２４は軸９２３に垂直な軸９２５の周りを回転し、シャフト９２１をフォーク９２６に連結する。フォーク９２６のシャフトは、２自由度を有し：嵌め込み式であり（シャフトの軸９３３に沿った１並進運動自由度）、自由にねじり回転する（シャフトの軸９３３の周りの１回転自由度）。線形極ばね９２７が、シャフトの嵌め込み自由度に作用して、図３９のばね９１６の復元力を与える。シャフトの第２の端部の第２のフォークは、ピンの軸９２９に直交して交差する軸９３１の周りを回転するピボット９３０を保持し、中間シリンダ９３２に連結される。シリンダ９３２は、ピン９２９の軸の周りを回転するピボットを介して球体９３５の駆動ピン９３４に取り付けられる。振動質量は、等速ジョイント９３６を介して固定ベース９３７に取り付けられた球体または球形シェル９３５である。ジョイント９３６は２回転自由度を有し、軸９２９の周りの回転である、球体の第３の回転自由度を阻止する。ジョイント９３６の可能な実施形態は、図３１、図３２、図３３に示す４ロッド弾性吊下装置または図３０に示す平面機構である。完全な機構は２自由度を有し、過度に拘束され（ｏｖｅｒ−ｃｏｎｓｔｒａｉｎ）ない。完全な機構は、図３９の弾性復元力とクランク維持トルクとの両方を実施し、クランクホイール９２０に加えられたトルクを球体に伝えることができ、これにより軌道９３８上での振動運動を維持する。
図４１は、図４０に示す機構の可能な実施形態を示す。
クランクホイール９５０は、駆動トルクを受ける。クランクホイールのシャフト９５１は、軸９５３の周りを回転する回転支承部９６９によって固定ベース９５２へ案内される。屈曲ピボット９５４は、軸９５３に垂直な軸９５５の周りを回転し、シャフト９５１を本体９５６に連結する。本体９５６は、２自由度：すなわち軸９６３に沿った１並進運動自由度および軸９６３の周りの１回転自由度を有する屈曲構造９５７によって本体９５８に連結される。この運動学的機能に加えて、屈曲９５７は、図４０のばね９２７または図３９のばね９１６の弾性復元力機能をもたらし、力の法則Ｆ＝−ｋＸに従い、すなわち、その復元力はＸと共に直線的に増加し、球体がニュートラル位置にあるときにゼロに等しい。ニュートラル位置は、駆動ピンの軸９５９とクランクシャフトの９５３とが同一線上にある位置として定義される。図３９のように、球体のニュートラル位置は、等速ジョイント９６６による唯一のものである。ピンの軸９５９に直交して交差する軸９６１の周りを回転する第２の十字ばね（ｃｒｏｓｓ−ｓｐｒｉｎｇ）ピボット９６０は、本体９５８を中間シリンダ９６２に連結する。シリンダ９３２は，ピン９５９の軸の周りを回転するピボットを介して球体９６５の駆動ピン９６４に取り付けられる。振動質量は、等速ジョイント９６６を介して固定ベース９６７に取り付けられる球体または球形シェル９６５である。ジョイント９６６は２回転自由度を有し、軸９６９の周りの回転である、球体の第３の回転自由度を阻止する。ジョイント９６６の可能な実施形態は、図３１、図３２、図３３に示す４ロッド弾性吊下装置または図３０に示す平面機構である。完全な機構は２自由度を有する。完全な機構は、図３９に示す弾性復元力とクランク駆動機能との両方をもたらし、クランクホイール９５０に加えられたトルクを球体に伝えることができ、これにより軌道９６８上での振動運動を維持する。
４．４ ＸＹ並進運動の等方性調和振動子
直交並進運動ばねをＸＹ平面で使用して等方性調和振動子を構成することができる。しかしながら、この構成は、ここでは考慮されず、同時係属出願の主題となる。
５ 補償機構
新しい振動子を、本発明の例示的な実施形態としての携帯型タイムキーパ内に配置するために、振動子の正しい機能に影響し得る力に対処する必要がある。この力は、重力および衝撃を含む。
５．１ 重力の補償
携帯型タイムキーパの場合には、補償が必要である。
これは、振動子のコピーを作り、両方のコピーをボールまたはユニバーサルジョイントを通して連結することによって達成できる。これは図２４Ａ、図２４Ｂ：２本の片持ち梁に基づいて動的、角度的、および半径方向に平衡連結された振動子に示される。円形横断面の２本の同軸可撓性ロッド６６５、６６６は各々、周回質量６６７、６６８のそれぞれを端部で保持する。質量６６８、６６７はそれぞれ、摺動ピボットジョイント（質量に固定された円筒ピンが、球体に機械加工された円筒孔内に軸方向および角度的に摺動する）によって、２つの球体６６９、６７０に連結される。球体６６９、６７０は、２つのボールジョイント関節を形成するために剛性バー６７１に取り付けられる。バー６７１は、ボールジョイント６７２によって剛性固定フレーム６６４に取り付けられる。この運動学的配置により２つの周回質量６６８、６６７は互いから１８０度動き、ニュートラル位置から同じ半径方向距離のところにある。維持機構は、可撓性ロッド６６５が通過するスロットを備えた回転リング６７３を含む。リング６７３は、３つのローラ６７４によって回転して案内され、駆動トルクが作用する歯車６７５によって駆動される。その特性は以下の通りである。
振動子をコピーし平衡させる別の方法を図１１に示し、ここでは図２２の機構の２つのコピーがこのようにして平衡される。本実施形態では、固定プレート７１は、結合され対称に配置された２つの非独立周回質量７２を含むタイムベースを保持する。各周回質量７２は、３本の平行バー７３によって固定ベースに取り付けられ、これらのバーは、各端部にボールジョイント７４を有する可撓性ロッドまたは剛性バーである。レバー７５は、膜屈曲ジョイント（符号なし）および垂直可撓性ロッド７８によって固定ベースに取り付けられることにより、ユニバーサルジョイントを形成する。レバー７５の端部は、２つの可撓性膜７７を介して周回質量７２に取り付けられる。部材７９は、部材７１に堅く取り付けられる。部材７６、８０はレバー７５に堅く取り付けられる。その特性は以下の通りである。
５．２ 直線加速度のための動的平衡
直線衝撃は直線加速度の一形態であるため、特別な場合として重力を含む。したがって、図２０の機構も直線衝撃を補償する。
５．３ 角加速度のための動的平衡
２つの質量の重力中心間の距離を小さくすることによって、角加速度による影響を最小化することができる。これにより、本出願人の振動子の回転軸への角加速度を除いて、すべての可能な回転軸への角加速度を考慮する。
これは、前述した図２４Ａ、図２４Ｂの機構において達成される。その特性は以下の通りである。
前述した図１１はまた、７８の近くの質量中心からの、動く質量７２の距離が短いことにより、角加速度について平衡する。その特性は以下の通りである。
６ 維持および計数
振動子は、摩擦によりエネルギーを失うため、振動子エネルギーを維持する方法が必要である。振動子により管理される時間を表示するために、振動を計数する方法もなければならない。機械時計および腕時計では、これは振動子とタイムキーパの残りの部分との境界面である脱進機によって達成されている。脱進機の原理は図１０に示され、そのようなデバイスは腕時計産業において周知である。
本発明の場合、これを達成するために２つの主な方法：脱進機のない方法と簡易脱進機のある方法とが提案される。
６．１ 脱進機のない機構
等方性調和振動子に対するエネルギーを維持するために、トルクまたは力を加える。振動子エネルギーを維持するために連続的に加えられるトルクＴの一般原理については図８を参照されたい。図９は、振動子エネルギーを維持するために力ＦTを断続的に加える別
の原理を示す。実際には、この場合、機構は、適切なトルクを振動子に伝えてエネルギーを維持するのにも必要であり、図１２〜図１６では、この目的で本発明による様々なクランクの実施形態が示される。図１８、図１９は同じ目的の脱進機システムを示す。これらすべての復元エネルギー機構を、本明細書に記載の、振動子および振動子システム（ステージなど）のすべての様々な実施形態と組み合わせて使用してもよい。一般的に、振動子がタイムキーパ、特に腕時計用のタイムベースとして使用される本発明の実施形態では、腕時計の分野で知られるように、脱進機と組み合わせて使用する腕時計のばねによって、トルク／力を加えることができる。本実施形態では、したがって、公知の脱進機を本発明の振動子に置き換えることができる。
図１２は、振動子エネルギーを維持するための可変半径クランクの原理を示す。クランク８３は、ピボット８２を通して固定フレーム８１の周りを回転する。直進ジョイント８４により、クランク端部が可変半径で回転することができる。タイムベース（図示せず）の周回質量は、ピボット８５によりクランク端部８４に取り付けられる。したがって、周回質量の向きは、クランク機構によって変化しないままとなり、振動エネルギーはクランク８３によって維持される。
図１３Ａ、図１３Ｂは、振動子に取り付けられた、振動子エネルギーを維持するための可変半径クランクの実現を示す。固定フレーム９１は、維持トルクＭが加えられるクランクシャフト９２を保持する。クランク９３はクランクシャフト９２に取り付けられ、直進スロット９３’を備える。剛性ピン９４は、周回質量９５に固定され、スロット９３’に係合する。平面等方性ばねは９６で示される。上面図および斜視分解図が、この図１３Ａ、図１３Ｂに示される。
図１４は、振動子エネルギーを維持するための可変半径クランクの、屈曲に基づく実現を示す。クランク１０２は、シャフト１０５を通して固定フレーム（図示せず）の周りを回転する。２つの平行可撓性ロッド１０３は、クランク１０２をクランク端部１０１に結合する。ピボット１０４は、図２７に示す機構を周回質量に取り付ける。この図１４で、機構はニュートラルな特異位置に示される。
図１５は、振動子エネルギーを維持するための可変半径クランクの、屈曲に基づく実現の別の実施形態を示す。クランク１１２は、シャフト１１５を通して固定フレーム（図示せず）の周りを回転する。２つの平行可撓性ロッド１１３は、クランク１１２をクランク端部１１１に結合する。ピボット１１４は、図示した機構を周回質量に取り付ける。この図１５で、機構は固定位置に示される。
図１６は、振動子エネルギーを維持するための可変半径クランクの、屈曲に基づく代替の実現を示す。クランク１２２は、シャフトを通して固定フレーム１２１の周りを回転する。２つの平行可撓性ロッド１２３はクランク１２２をクランク端部１２４に結合する。ピボット１２６は、機構を周回質量１２５に取り付ける。この配置で、可撓性ロッド１２３は平均軌道半径のために最小限に屈曲する。
６．２ 簡易脱進機
脱進機を使用する利点は、振動子が、クロノメータのエラー源であり得るエネルギー源に（歯車列を介して）連続的に接触しないことである。したがって、脱進機は、振動子が振動の大部分について脱進機からの外乱なしで振動する自由脱進機である。
脱進機は、振動子が単一方向に回転するため、てん輪脱進機と比べて簡易である。てん輪が前後運動を有するため、腕時計用脱進機は、一般に、２つの方向の一方に衝撃を与えるためにレバーを必要とする。
本出願人の振動子に直接適用される第１の腕時計用脱進機は、クロノメータまたはデテント脱進機［６、２２４〜２３３］である。この脱進機を、通常の腕時計用てん輪の逆回転中に機能が生じる送りばね（ｐａｓｓｉｎｇ ｓｐｒｉｎｇ）をなくす以外の修正なしで、ばねデテントまたはピボットデテントの形で適用することができる（［６、図４７１ｃ］参照）。例えば、伝統的なデテント脱進機を示す図１０では、機能がもはや必要でない金ばね（Ｇｏｌｄ ｓｐｒｉｎｇ）を除いて機構全体が保持される。
Ｈ．Ｂｏｕａｓｓｅは、ここに示したものと同様の円錐振り子用デテント脱進機［３、２４７−２４８］について記載している。しかしながら、Ｂｏｕａｓｓｅは、断続的な衝撃を円錐振り子に加えることは誤りであると考える。前述したような、円錐振り子は常に一定速度で動作すべきであるという仮定に、これを関連付けることができる
６．３ 等方性振動子用デテント脱進機の改良
等方性調和振動子用の可能なデテント脱進機の実施形態が、図１７〜図１９に示される。
図１７は、等方性調和振動子用の伝統的な腕時計用簡易デテント脱進機を示す。逆転運動のための通常のホーンデテントが、振動子の一方向回転によって抑制されている。
図１８は、並進運動周回質量のためのデテント脱進機の実施形態を示す。２つの平行留め具１５１、１５２が周回質量（図示しないが、参照符号１５６の円を形成する矢印によって概略的に示される）に固定されるため、互いの同期並進運動である経路を有する。留め具１５２は、ばね１５５で旋回するデテント１５４を変位させて、がんぎ車１５３を解放する。がんぎ車は、留め具１５１に衝撃を与え、失われたエネルギーを振動子に戻す。
図１９は、並進運動周回質量のための新しいデテント脱進機の実施形態を示す。２つの平行留め具１６１、１６２は周回質量（図示せず）に固定されるため、互いの同期並進運動である経路を有する。留め具１６２は、ばね１６５で旋回するデテント１６４を変位させて、がんぎ車１６３を解放する。がんぎ車は、留め具１６１に衝撃を与え、失われたエネルギーを振動子に戻す。機構により、軌道半径の変動が可能になる。この図３８には、側面図および上面図が示される。
７ 以前の機構との相違
７．１ 円錐振り子との相違
円錐振り子は、重力の力に垂直な垂直軸の周りを回転する振り子である（図４参照）。円錐振り子の理論は、Ｃｈｒｉｓｔｉａａｎ Ｈｕｙｇｅｎｓにより最初に記載され（参考文献［１６］および［７］参照）、通常の振り子と同様に、円錐振り子は等時性ではないが、理論上、可撓性のひもと放物面構造とを用いることにより、等時性になり得ることが示された。
しかしながら、通常の振り子のサイクロイドチークと同様に、Ｈｕｙｇｅｎｓの修正は、可撓性の振り子に基づいており、実際には時間管理を向上させない。円錐振り子が精度時計用のタイムベースとして使用されたことはない。
正確な時間管理の可能性にもかかわらず、例えば、Ｄｅｆｏｓｓｅｚによる円錐振り子の説明（参考文献［８、ｐ．５３４］参照）において、円錐振り子は一貫して、短い時間間隔を正確に測定するために等速運動を得る方法として記載されている。
円錐振り子の理論解析がＨａａｇにより示されているが（参考文献［１１］［１２、ｐ
．１９９〜２０１］参照）、結論として、タイムベースとしての可能性は、固有の等時性がないため円形振り子よりも本質的に低くなる。
円錐振り子は、精密時計に使用されているが、タイムベースとしては使用されていない。特に、１８６０年代に、Ｗｉｌｌｉａｍ Ｂｏｎｄは円錐振り子を有する精密時計を構成したが、これは脱進機の一部であり、タイムベースは円形振り子である（参考文献［１０］および［２５、ｐ．１３９〜１４３］参照）。
したがって、本発明は、振動子が固有の等時性を有するため、タイムベースの選択肢として円錐振り子よりも優れている。さらに、本発明は、ばねに基づくので腕時計または他の携帯型タイムキーパで使用することができるが、これは、重力に対して一定の向きを有するタイムキーパに依存する円錐振り子には不可能である。
７．２ 調速機との相違
調速機は、一定速度を維持する機構であり、最も単純な例は、蒸気機関のためのワット調速機である。１９世紀に、これらの調速機は、スムーズな動作、すなわち、脱進機を有する振動子に基づく時計機構の、進んではすぐに止まる断続的な運動のない動作が高い精度よりも重要である適用例において使用された。特に、そのような機構は、比較的短い時間間隔にわたって天球の動きを追い、星の動きをたどる望遠鏡に必要とされた。使用の時間間隔が短いため、この場合、高いクロノメータ精度は必要ない。
そのような機構の例がパリ天文台の望遠鏡を調整するためにＡｎｔｏｉｎｅ Ｂｒｅｇｕｅｔにより作られ（参考文献［４］参照）、その理論がＹｖｏｎ Ｖｉｌｌａｒｃｅａｕにより説明された（参考文献［２４］参照）。この機構は、ワット調速機に基づき、また比較的一定の速度を維持するようになっているため、等時性レギュレータ（等時性調速機）と呼ばれているにもかかわらず、前述したような真の等時性振動子にはなり得ない。Ｂｒｅｇｕｅｔによれば、精度は３０秒／日〜６０秒／日である（参考文献［４］参照）。
波動方程式から得られる調和振動子の固有の特性（セクション８参照）によって、一定速度機構は真の振動子ではなく、そのようなあらゆる機構は、本質的に限られたクロノメータ精度を有する。
調速機は精密時計で使用されているが、タイムベースとして使用されたことはない。特に、１８６９年に、Ｗｉｌｌｉａｍ Ｔｈｏｍｓｏｎ，Ｌｏｒｄ Ｋｅｌｖｉｎが天文時計を設計し構築したが、この天文時計の脱進機機構は、タイムベースが振り子であるにもかかわらず、調速機に基づくものであった（参考文献［２３］［２１、ｐ．１３３〜１３６］［２５、ｐ．１４４〜１４９］参照）。実際に、時計に関する彼の書簡のタイトルには、「等速運動」を特徴とすることが述べられている（参考文献［２３］参照）ため、その目的が本発明とは明らかに異なっている。
７．３ 他の連続運動タイムキーパとの相違
機構が進んではすぐに止まる断続的な運動を持たないため不要な繰返しの加速を受けない、少なくとも２つの連続運動腕時計がある。２つの例は、ＡｓｕｌａｂによるいわゆるＳａｌｔｏ腕時計（参考文献［２］参照）と、セイコーによるスプリングドライブ（参考文献［２２］参照）である。これらの機構の両方が高レベルのクロノメータ精度を達成しているが、これらは等方性振動子をタイムベースとして使用せず、代わりに水晶音叉の振動に依拠しているため、本発明とは完全に異なる。さらに、この音叉は、振動を維持し計数するための圧電気と、維持および計数を制御するための集積回路とを必要とする。ムーブメントの連続運動は電磁制動によってのみ可能であり、この電磁制動は、衝撃によるクロノメータエラーを訂正するために、メモリに±１２秒までの緩衝域を必要とする集積回路によって再び制御される。
本発明は、等方性振動子をタイムベースとして使用し、正しく動作するために電気または電子機器を必要としない。ムーブメントの連続運動は、等方性振動子自体によって調整され、集積回路によっては調整されない。
８ 等方性調和振動子の実現
いくつかを前述し、かつ詳細に後述する一部の実施形態では、本発明は、タイムベースとして使用するための等方性調和振動子の実現として考えられた。実際に、等方性調和振動子をタイムベースとして実現するために、中心復元力の物理的構成が必要である。最初に、中心復元力に対して動く質量の理論は、結果として生じる運動が平面内で行われるようになっていることに注目する。したがって、実際上の理由で、物理的構成は平面等方性を実現すべきであるということになる。したがって、ここに記載の構成は大部分が平面等方性であるが、これに限定されず、３次元等方性の例もある。平面等方性を２つの方法：回転等方性ばね、および並進運動等方性ばねで実現することができる。
回転等方性ばねは、１自由度を有し、ばねおよび質量の両方を保持する支持体と共に回転する。この構造により、自然に等方性になる。質量は、軌道をたどるが、支持体と同じ角速度でそれ自体の周りを回転する。
並進運動等方性ばねは、２並進運動自由度を有し、ここでは質量が回転せずにニュートラル点の周りの楕円軌道に沿って並進運動する。これにより、疑似慣性モーメントはなくなり、等時性に対する理論上の障害が取り除かれる。
回転等方性ばねはここでは考慮されず、「等方性ばね」という用語は、並進運動等方性ばねのみを指す。
１７ 加速度計、クロノグラフ、および調速機への応用
本明細書に記載の等方性ばねの実施形態に半径方向ディスプレイを加えることにより、本発明は、例えば、乗用車において横Ｇ（ｌａｔｅｒａｌ ｇ ｆｏｒｃｅ）を測定するのに適した、完全に機械的な２自由度加速度計を構成することができる。
別の応用では、本出願に記載の振動子およびシステムを、長い速度増加歯車列のみを必要とする、秒の分数を測定するクロノグラフ用のタイムベースとして使用して、例えば１００分の１秒を測定するように１００Ｈｚの振動数を得ることができる。勿論、他の時間間隔の測定が可能であり、結果として、歯車列の最終的な割合を適応させることができる。
さらなる適用例では、本明細書に記載の振動子を調速機として使用することができ、ここでは短い間隔にわたる一定の平均速度のみが、例えば打鐘時計または音楽時計および腕時計、ならびにオルゴールを調整するために必要である。摩擦調速機とは対照的に、調和振動子の使用は、摩擦を最小化し、品質係数を最適化することによって、望ましくない騒音をなくし、エネルギー消費およびしたがってエネルギーの蓄積を減らすとともに、打鐘時計または音楽腕時計の適用例では、これにより音楽または打鐘のリズムの安定性を向上させる。
機構の可撓性要素は、好ましくは、鋼、チタン合金、アルミニウム合金、青銅合金、シリコン（単結晶または多結晶）、炭化ケイ素、ポリマーまたは複合材料などの弾性材料から作られる。機構の大部分は、好ましくは鋼、銅、金、タングステン、または白金などの高密度材料から作られる。本発明の要素を実現するために、他の等価な材料および前記材料の混合物も勿論可能である。
本明細書に示す実施形態は、例示のためものであり、限定するものと解釈すべきではない。例えば等価な手段を用いることにより、本発明の範囲内で多くの変形形態が可能である。また、本明細書に記載の異なる実施形態を、希望に応じて、状況によって組み合わせてもよい。
さらに、振動子の他の適用例を本発明の範囲および精神において想定することができ、本明細書に記載のいくつかの適用例に限定されない。
本発明の一部の実施形態の主な特徴および利点
Ａ．１ 等方性調和振動子の機械的実現。
Ａ．２ 平面の中心直線復元力の物理的実現である等方性ばねの使用（フックの法則）。Ａ．３ タイムベースとしての調和振動子による精密タイムキーパ。
Ａ．４ 効率が高まり機械的複雑さが低減した、脱進機のないタイムキーパ。
Ａ．５ 走行列（ｒｕｎｎｉｎｇ ｔｒａｉｎ）の進んではすぐに止まる断続的な運動、関連する無駄な衝撃および減衰効果、ならびに走行列および脱進機機構の繰返しの加速をなくすことにより、結果として効率が向上する連続運動機械タイムキーパ。
Ａ．６ 重力の補償。
Ａ．７ 直線衝撃の動的平衡。
Ａ．８ 角衝撃の動的平衡。
Ａ．９ 振動の一部についてあらゆる機械的外乱から振動子を解放する自由脱進機を使用することによる、クロノメータ精度の向上。
Ａ．１０ 振動子の回転が方向を変化させないため、てん輪脱進機と比べて簡易な新しい群の脱進機。
Ａ．１１ 等方性振動子の伝統的なデテント脱進機における改良。
一部の実施形態の革新
Ｂ．１ タイムキーパのタイムベースとしての、等方性調和振動子の最初の適用。
Ｂ．２ 調和振動子タイムベースを有するタイムキーパからの脱進機の排除。
Ｂ．３ 重力を補償する新しい機構。
Ｂ．４ 直線および角衝撃の動的平衡のための新しい機構。
Ｂ．５ 新しい簡易脱進機。
概要、本発明による等方性調和振動子（等方性ばね）。
例示的な特徴
１ ばね剛性等方性欠陥を最小化する等方性調和振動子。
２ 換算質量等方性欠陥を最小化する等方性調和振動子。
３ ばね剛性および換算質量等方性欠陥を最小化する等方性調和振動子。
４ ばね剛性、換算質量等方性欠陥を最小化し、あらゆる方向の直線加速度の影響を受けず、特に、機構のあらゆる向きの重力の力の影響を受けない等方性振動子。
５ 角加速度の影響を受けない等方性調和振動子。
６ 上記特性のすべてを組み合わせた等方性調和振動子：ばね剛性および換算質量等方性を最小化し、直線加速度および角加速度の影響を受けない。
本発明の適用
Ａ．１ 本発明は中心直線復元力の物理的実現（フックの法則）である。
Ａ．２ 本発明は、タイムキーパ用のタイムベースとしての等方性調和振動子の物理的実現をもたらす。
Ａ．３ 本発明は、平面等方性からの偏差を最小化する。
Ａ．４ 本発明の自由振動は、ばねのニュートラル点を楕円の中心として有する閉鎖楕円軌道に近似している。
Ａ．５ 本発明の自由振動は高度な等時性を有する：振動の周期は全エネルギー（振幅）から大きく独立している。
Ａ．５ 本発明は、長い時間周期にわたって振動の全エネルギーを比較的一定に維持するために使用される、外部エネルギーを伝える機構に容易に嵌合する。
Ａ．６ 機構を修正して３次元等方性をもたらすことができる。
特徴
Ｎ．１ 高度なばね剛性および換算質量等方性を有し、直線加速度および角加速度の影響を受けない等方性調和振動子
Ｎ．２ 完全な等方性からの偏差が、以前の機構よりも少なくとも１桁小さく、通常、２桁小さい。
Ｎ．３ 完全な等方性からの偏差が、初めて十分に小さくなり、正確なタイムキーパのタイムベースの一部として本発明を使用することができる。
Ｎ．４ 本発明は、エネルギーを供給して振動を同じエネルギーレベルで維持するために、断続的な運動を有する脱進機を必要としない調和振動子の最初の実現である。
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Claims (17)

  1. 等方性および直線復元力特性を有する少なくとも１つのばね要素（６０２；６１２、６１３；６２１；６３１、６３３；６６５、６６６；６７７；７０１−７０３；７１６；７６１−７７０；８０３−８０５、８１１）を用いて、周回質量（６０３；６１４；６２２；６３４；６６７、６６８；６７９、６８３；６９１、６９２；７１９、７２０；７６８；８０７）を固定ベース（６０１；６１１；６２０；６３０；６６４；６７６；６８５；７００；７１５；７６０；８００）に対して支持しつつ、該固定ベースに対する該周回質量の第３の回転自由度を阻止する、２回転自由度リンク機構を含む機械的等方性調和振動子。
  2. 前記２回転自由度リンク機構を形成することにより、前記周回質量の傾斜運動を生じさせて、該周回質量が一定の向きを維持したままその軌道に沿って移動するようにする、請求項１に記載の振動子。
  3. 前記周回質量は１つの質量（６０３；６１４；６２２；６３４；７６８；８０７；９１０；９３５；９６５）または複数の質量（６６７、６６８；６７９、６８３；６９１、６９２；７１９、７２０）を含む、請求項１または２に記載の振動子。
  4. 前記周回質量は固体球体または球形シェル、またはダンベルであり、該周回質量の重力中心が傾斜運動の中心にある、請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動子。
  5. 前記周回質量は固体球体（９１０；９３５）または球形シェル（９６５）であり、該質量の重力中心は傾斜運動の中心にあり、復元力は赤道ばねまたは極ばね（９１６；９２７）によってもたらされる、請求項４に記載の振動子。
  6. 前記ばね要素は少なくとも１本の可撓性ロッド（６０２）または複数本の可撓性ロッド（６１２、６１３；６２１；６３１、６３３；６６５、６６６；７０１−７０３；７１６；７６１−７７０；８０３−８０５、８１１）を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の振動子。
  7. 前記ばね要素は可撓性膜（６７７）である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の振動子。
  8. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の振動子を含み、該振動子への連続的な機械エネルギー供給を提供する機構をさらに含むシステム。
  9. 前記機構がトルクまたは断続的な力を前記振動子に加える、請求項８に記載のシステム。
  10. 前記機構は、ピボット（８２）を通して固定フレーム（８１）の周りを回転する可変半径クランク（８３）を含み、直進ジョイント（８４）により該可変半径クランクの端部は可変半径で回転することが可能になる、請求項８または９に記載のシステム。
  11. 前記機構は、維持トルクＭが加えられるクランクシャフト（９２）と、該クランクシャフト（９２）に取り付けられた、直進スロット（９３’）を備えるクランク（９３）とを保持する固定フレーム（９１）を含み、球形先端部（９４）を有する剛性ピンは前記振動子または振動子システムの前記周回質量（９５）に固定され、該ピンは該スロット（９３’）に係合する、請求項８または９に記載のシステム。
  12. 前記機構は、機械エネルギーを前記振動子に断続的に供給するためのデテント脱進機を含む、請求項８または９に記載のシステム。
  13. 前記デテント脱進機は、前記周回質量に固定された２つの平行留め具（１５１、１５２）を含み、一方の該留め具（１５２）はばね（１５５）上で旋回するデテント（１５４）を変位させてがんぎ車（１５３）を解放し、該がんぎ車は他方の該留め具（１５１）に衝撃を与えて、失われたエネルギーを前記振動子または振動子システムに戻す、請求項１２に記載のシステム。
  14. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載の振動子またはシステムをタイムベースとして含む時計などのタイムキーパ。
  15. 前記タイムキーパは腕時計またはクロノグラフである、請求項１４に記載のタイムキーパ。
  16. 請求項１４または１５に記載のタイムキーパにおけるタイムベースとしての、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の振動子またはシステムの使用。
  17. 音楽時計および腕時計、またはオルゴールにおける調速機としての、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の振動子またはシステムの使用。
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