JP2017049081A - ひげぜんまい及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】機械式時計の調速機構において、シリコン製のひげぜんまいを採用しても衝撃に強いひげぜんまい及びその製造方法を提供する。
【解決手段】回転軸体と嵌合するための貫通孔３ａを有するひげ玉３と、ひげ玉３と接続し、貫通孔３ａを中心にしてひげ玉３に巻回されるコイル形状のぜんまい部２と、ぜんまい部２の外端をテンプ受けに固定するためのひげ持４とを有するひげぜんまい１であって、最外側湾曲部、又はひげ玉３との接続部を除いたぜんまい部２の少なくとも一平面に溝部７を有し、溝部７及びひげぜんまい表面に樹脂層６を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、時計用のひげぜんまい及びその製造方法に関する。

従来の機械式時計においては、機械式時計の運転を規則正しく一定の速度に保つために、ひげぜんまいとてん輪（てん真付）とで構成される調速機（てんぷ）が使われている。等時性のあるひげぜんまいの伸縮によりてん輪が規則正しく往復回転運動を行う。

てんぷには、がんぎ車とアンクルとで構成される脱進機という機構が接続されており、ぜんまいからエネルギーが伝達されて、てんぷが振動を持続するようになっている。

知られているひげぜんまいは、金属を加工して形成する場合が多い。このため、その加工精度のばらつきや金属が有する内部応力の影響などによって、設計通りの形状が得られない場合がある。

ひげぜんまいは規則的にてんぷを振動させて等時性を保つ必要があるから、ひげぜんまいが設計通りの形状が得られないと、てん輪も等時性のある運動ができなくなり、時計の歩度ずれが生じてしまう。時計の歩度とは、一日あたりの時計の進み又は遅れの程度を示すものである。

ところで近年、シリコン基板をエッチング加工することによって時計部品を製造する試みがなされている。従来の金属部品を用いる時計部品の製造に比べ軽量にできるという利点と、安価で大量生産ができる利点とがあると言われている。これにより、小型軽量の時計を製造することができると期待されている。

シリコン基板をエッチングする際、近年ではドライエッチング技術である反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ：ＲＩＥ）技術が進歩してきた。中でも、深堀りＲＩＥ（Ｄｅｅｐ ＲＩＥ）技術が開発され、アスペクト比が高いエッチングが可能になってきた。

この技術によると、エッチングがフォトレジストなどでマスクした部分の下に回り込まないために、垂直深さ方向にマスクパターンを忠実に再現できるようになり、シリコン基板をエッチングする際に、時計部品を設計通りの形状で精度よく製造することが可能となってきた。

そもそもシリコンは、金属よりも温度特性がよい。従来のひげぜんまいの材料として用いられる金属よりも環境温度に対して変形しにくいという特徴がある。このことから、時計の調速機構にもこの技術を応用することが考えられている。

しかしながら、こうした点に配慮したシリコン製のひげぜんまいは既に知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１に示した従来技術は、良好な等時性を得るために、シリコンひげぜんまいの外側湾曲部の厚さを他の巻回よりも厚くして外側湾曲部の剛性を高めたものである。

特許５３８９９９９号公報（第２頁、図６）

しかし、特許文献１に示した従来技術では、時計に大きな衝撃が加わった場合に、ひげぜんまいの破損を十分に防ぐことができないことが分かった。すなわち、外側湾曲部の厚さが厚くなると、隣の巻回との間隔が狭くなってしまうため、ひげぜんまい同士が接触しやすくなり、その衝撃によってひげぜんまいが破損する可能性があった。

ひげぜんまいが破損すると、その破片が飛び散って時計機構に入り込むこともあり、ひげぜんまいが動かなくなるだけではなく、時計そのものに致命的な障害を起こす恐れもある。

本発明の目的は、上記従来技術の課題に鑑み、機械式時計の調速機構において、シリコン製のひげぜんまいを採用しても衝撃に強く、しかも等時性も良好なひげぜんまい及びその製造方法を提供することである。

前述した目的を達成するための本発明におけるひげぜんまいは、以下の構成を採用する。

本発明のひげぜんまいは、回転軸体と嵌合するための貫通孔を有するひげ玉と、ひげ玉と接続し、貫通孔を中心にしてひげ玉に巻回されるコイル形状のぜんまい部と、ぜんまい部の外端をテンプ受けに固定するためのひげ持とを有するひげぜんまいであって、最外側湾曲部、又はひげ玉との接続部を除いたぜんまい部の少なくとも一平面に溝部を有し、溝部及びひげぜんまい表面に樹脂層を設けることを特徴とする。

これにより、時計が大きな衝撃を受けたときに溝部及びひげぜんまい表面の樹脂層がひげぜんまいの破損を防ぐ働きをすると同時に時計に良好な等時性をもたらす。

また、ひげぜんまいは、シリコンであると良い。

このようにすれば、シリコンは比較的軽いため、軽量のひげぜんまいを構成できる。

樹脂層は、パラキシリレン系樹脂であると良い。

このようにすれば、樹脂層は比較的柔らかいため、衝撃を吸収しやすくなる。

また、溝部は、ぜんまい部の一平面からこれと対向する他方の平面まで貫通しているようにしても良い。

このようにすれば、樹脂層の体積を増やすことができ、ひげぜんまいの特性を調整できる範囲が広がる。

前述した目的を達成するための本発明におけるひげぜんまいは、以下の製造方法を採用する。

本発明のひげぜんまいの製造方法は、回転軸体と嵌合するための貫通孔を有するひげ玉と、ひげ玉と接続し、貫通孔を中心にしてひげ玉に巻回されるコイル形状のぜんまい部と、ぜんまい部の外端をテンプ受けに固定するためのひげ持とを有するひげぜんまいの製造
方法であって、ぜんまい部の、最外側湾曲部又はひげ玉との接続部となる箇所を除いて、基板に溝部を形成する工程と、基板をエッチングし、ぜんまい部に溝部を有する形状のひげぜんまいを形成するエッチング工程と、溝部及びひげぜんまい表面に樹脂層を形成する工程とを有することを特徴とする。

このような製造方法によれば、溝部及び表面に樹脂層を設けるひげぜんまいを容易に製造することができる。

ひげぜんまいを構成するぜんまい部が強靭になるので、時計が強い衝撃を受けたとしてもひげぜんまいが破壊しにくくなる、と同時に時計の等時性が良好になる。

本発明の第１の実施形態におけるひげぜんまいの構成を説明する平面図及び断面図である。 本発明の第1の実施形態におけるひげぜんまいの製造方法を示す断面図である。 本発明の第1の実施形態におけるひげぜんまいの製造方法を示す断面図である。 本発明の第２及び第３の実施形態であるひげぜんまいの構成を説明する断面図である。 従来技術のひげぜんまいの平面図であり、問題点を説明するシミュレーション画像である。

本発明のひげぜんまいは、ひげ玉に巻回されるコイル形状のぜんまい部を第１の材料で構成し、ひげ持ち４につながる最外側湾曲部を除くぜんまい部の一平面に溝部を設けて、その溝部に第１の材料よりも粘靱性の高い第２の材料の樹脂層を設ける。

粘靭性とは、外部からの圧力に対して壊れにくい性質、粘り強さのことを言う。ぜんまい部の溝に、粘靱性の高い樹脂層を設けることにより、ぜんまい部のもろさが緩和され、強靭にすることができる。

以下、本発明のひげぜんまいについて、図面を参照して詳細に説明する。まず、第１の実施形態として、図１を用いて本発明のひげぜんまいの概略の構成を説明し、次に、図２を用いてぜんまい部の更に詳細な構成について説明する。

［第１実施形態］
［ひげぜんまいの構成の説明：図１］
図１を用いてひげぜんまいの第１実施形態を詳述する。図１（ａ）は樹脂層を形成する前のひげぜんまいの状態を示しており、ひげぜんまい１を図示しない回転軸体の軸方向から平面視したときの様子を示すものである。実際のひげぜんまいはもっと巻き数が多いが、ここでは簡略して４巻きのみを示している。

図１（ａ）において、ひげぜんまい１は、中心部に図示しない回転軸体であるてん真と嵌合するための貫通孔３ａを有するひげ玉３と、貫通孔３ａを中心にしてひげ玉３に巻回されるように設計されたコイル形状のぜんまい部２と、ぜんまい部２の巻き終わりと接続しているひげ持４とから構成されている。ぜんまい部２の巻き始めとひげ玉３とは接続部３ｂで接続している。

ひげぜんまい１の第１の材料としては、水晶、セラミックス、シリコン、シリコン酸化膜などを主成分とする材料から構成することができる。第１の材料をシリコンとすれば、軽いひげぜんまいを構成できて便利である。以後の説明にあっては、第１の材料を、軽くて加工しやすいという特徴を有するシリコンとする場合を例にして説明する。

ひげぜんまい１を構成する第１の材料がシリコンであるとすると、ひげぜんまい１の製造や加工に際して、シリコン半導体基板に対して行う深堀りＲＩＥ技術を用いることができ、半導体装置を製造する際と同様な公知の製造技術を用いることができる。

図１（ｂ）は、樹脂層６を形成した後の図であり、図１（ａ）に示すぜんまい部２を拡大した図面であって、図１（ａ）に示すＡ−Ａ´断面の様子を模式的に示す断面図である。ぜんまい部２は一体で形成されており、ひげ玉３の周囲を巻回されているような形状を有している。図１（ｂ）ではぜんまい部２の４つの部分を拡大して示している。このぜんまい部２は１つの構造体であり、この図１（ａ）のＡ−Ａ´断面に含まれる４つの部分に、ぜんまい腕２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄの名称を付与して説明する。

ひげ持ち４につながる最外側湾曲部のぜんまい腕２０ｄ、及びヒゲ玉３の接続部３ｂのぜんまい腕（図１（ｂ）には図示せず）には溝部７が形成されておらず、その内側の巻回のぜんまい腕２０ａ、２０ｂ、２０ｃの一平面２ａには溝部７が設けてある。上述の説明の通り、ぜんまい腕２０ａ〜２０ｄは一体の構造物であるから、溝部７及び樹脂層６も１つの構造体である。ひげぜんまい１の表面及び溝部７の内部に、シリコンよりも剛性が低い樹脂であるパリレン（登録商標）として知られているパラキシリレン系樹脂が第２の材料の樹脂層６として形成されている。第２の材料は、第１の材料よりも粘靱性の高い材料である。

特に限定するものではないが、１つのぜんまい腕は、例えば、幅ｅは６０μｍ、高さｈは１００μｍである。このように幅方向に薄いぜんまい腕であっても、溝部７内及びぜんまい腕２０ａ〜２０ｄ表面に樹脂層６を形成することによって、ぜんまい部２はもろさが緩和され、強靭にすることができる。

[第１実施形態の効果の説明]
巻回の幅ｅと高さｈは溝部７の有無に関係なく同一でありながら、パラキシリレン系樹脂はシリコンよりも剛性が低いので、溝部７の中に樹脂層６が形成されているぜんまい腕２０ａ〜２０ｃよりも溝部７のない最外側湾曲部のぜんまい腕２０ｄ及びヒゲ玉３の接続部３ｂのぜんまい腕の方が剛性を高くすることができる。また、最外側湾曲部のぜんまい腕２０ｄの幅ｅを厚くする必要がないので、隣の巻回と接触する危険性が少なく、ひげぜんまい１の破損を防止できる。さらに、ぜんまい部２の表面全体に剛性が低い（柔らかい）樹脂層６が形成されているので、仮に接触したとしても、破損する危険性は更に低くなる。また、第１の材料をシリコンとすれば、軽いひげぜんまいを構成できて便利である。

上記のように形成したひげぜんまいについて、シミュレーションソフトウェア上でひげぜんまいのモデルを作成し、動作分析を試みると、ひげぜんまいの剛性が振動特性に影響を与えることが判った。図５はひげぜんまいの挙動を示すシミュレーション画像である。図５（ａ）は溝部７を設けずにひげぜんまいの剛性を均一にしたモデルの例であり、振動の伸縮運動時に偏心を生じている（ヒゲ玉の貫通孔がひげぜんまい全体の中心にない）。図５（ｂ）は最外側湾曲部の剛性を高めた本発明のぜんまい１のモデルの例であり、この場合には振動の伸縮運動時に偏心を生じていない（ヒゲ玉の貫通孔がひげぜんまい全体の中心にある）。

図５（ａ）のように、伸縮運動時に偏心が生じてしまうと、時計の時間精度を悪化させ
る原因となり、等時性が悪くなってしまう。一方、図５（ｂ）のように、最外側湾曲部に溝を形成せずに剛性を高めると伸縮運動時に偏心が生じず、時計の等時性が非常に良好になる。

さらに、ひげぜんまい１を動作させたときに偏心した運動となってしまうと局所的にぜんまい腕の間隔が狭い部分ができてしまい隣のぜんまい腕と接触する可能性が高まるが、本発明のモデルのように同心状の運動であれば隣のぜんまい腕と接触する危険性は低下する。

本発明のひげぜんまい１を実際に動作させ、伸縮運動をハイスピードカメラで撮影し、確認したところ偏心した運動は観察されず、同心状の運動であることを確認することができた。

［第１実施形態の製造方法の説明：図２〜図３］
次に、本発明の第１の実施形態であるひげぜんまい１の製造方法について、図２及び図３を用いて説明する。

初めに、溝部７を有するひげぜんまい１の形状を形成し、次の段階でひげぜんまいの表面及び溝部に樹脂層６を形成する。

まず、図２（ａ）に示すように、少なくともひげぜんまい１が取り出せる大きさの面積と厚みとを有するシリコンの基板２００を準備する。ひげぜんまい１の生産性を考慮に入れれば、ひげぜんまい１が多数個取り出せる大きさの基板２００である方が好ましい。

次に、図２（ｂ）に示すように、基板２００に、ひげぜんまい１のぜんまい部２に溝部７を形成するために、この溝部７に相当する部分が開口したマスク８を知られているフォトリソグラフィ技術で形成する。マスク８は、例えばシリコン酸化膜である。特に限定しないが、このマスク８は１μｍの膜厚で形成する。

そして、処理時間を管理しながら混合ガス（ＳＦ_６＋Ｃ_４Ｆ_８）を用いて、基板２００をＲＩＥ技術でドライエッチングすることにより、図１（ａ）に示すように、ひげぜんまい１のぜんまい部２と、ひげ玉３と、ひげ持４とは、一体で形成される。そして、ぜんまい部２には所定の幅と深さの溝部７が形成される。

その後に、マスク８のみを除去することで、図２（ｃ）に示す基板２００を得る。このマスク８の除去は、例えば、基板２００をフッ化水素酸を主成分とする公知のエッチング液に浸漬して行う。

次に、図２（ｄ）に示すように、基板２００のぜんまい部２となるぜんまい腕２０ａ〜２０ｄの幅に相当する部分（溝部は覆われている）を覆うようにマスク９を知られているフォトリソグラフィ技術で形成する。上述の通りこのマスク９は図示しないがひげぜんまい１の全体を形作る形状である。マスク９は、例えばシリコン酸化膜である。特に限定しないが、このマスク９は、基板２００の表面より２μｍの膜厚となるように形成する。

その後に、混合ガス（ＳＦ_６＋Ｃ_４Ｆ_８）を用いて、基板２００を深堀りＲＩＥ技術でドライエッチングする。これにより、図３（ｅ）に示すように、基板２００からぜんまい腕２０ａ〜２０ｄを離断する。この状態では、図示はしないが、ひげぜんまい１は基板２００から独立して切り出されており、ひげ玉３の貫通孔３ａも貫通している。

その後に、マスク９のみを除去することで、図１（ａ）に示すように、シリコンから成
る溝部７を設けたひげぜんまい１の形状を得る。このマスク９の除去は、例えば、基板２００をフッ化水素酸を主成分とする公知のエッチング液に浸漬して行う。

次に、ひげぜんまい１に樹脂層６を形成する方法について説明する。溝部７を設けたひげぜんまい１を形成した後、公知の成膜技術である気相蒸着重合法の薄膜形成プロセスによって、処理時間を管理しながら、ひげぜんまい１の表面及び溝部７に対して同時にパラキシリレン系樹脂の樹脂層６を形成する。

気相蒸着重合法によって成膜されるパラキシリレン系樹脂膜は付きまわり性が良いので、ひげぜんまい１表面全体に均一な厚さで成膜され、且つ、溝部７の内部にも成膜される。このとき、薄膜（樹脂層６）の厚みが増加して溝部７が埋まるのであるが、溝部７のサイズとの関係で、樹脂層６が薄い段階では、図３（ｆ）に示すように溝部７の内部を樹脂層６で充填した状態にはならないが、樹脂層６が厚くなると、図３（ｇ）に示すように溝部７を樹脂層６で充填した状態となる。

パラキシリレン系樹脂膜からなる樹脂層６は、経時変化が少なく非常に安定した材料であるので、長期使用しても粘靭性が変わらず、高い信頼性を有する。

[第１実施形態の製造方法の効果の説明]
以上のように、ひげぜんまい１を構成する第１の材料がシリコンであるとすると、ひげぜんまい１の製造や加工に際して、シリコン半導体基板に対して行う深堀りＲＩＥ技術を用いることができ、半導体装置を製造する際と同様な公知の製造技術を用いることができるので便利である。また、ぜんまい部２表面及び溝部７に第２の材料である樹脂層６を形成する際にも公知のＣＶＤ技法を採用して同時に加工できるので好都合である。

［第２実施形態］
［第２実施形態におけるぜんまいの構成の説明：図４（ａ）］
次に、第１実施形態のひげぜんまい１と渠形状の異なる構成例を、第２実施形態として図４（ａ）を用いて説明する。説明にあたっては、１つのぜんまい腕を例にして説明する。

上述の通り、ぜんまい腕は１つの連続した構造体であるが、例えば、図４（ａ）に示すように、ぜんまい部２のぜんまい腕２１ａにはその一平面２ａに溝部１７ａを設けてあり、この一平面と対向する他の平面２ｂにも溝部１７ｂを設けている。これらの溝部１７ａ、１７ｂ及びぜんまい腕２１ａの表面には、それぞれ樹脂層１６が形成されている。すなわち、第１実施形態におけるひげぜんまい１と、第２実施形態におけるひげぜんまい１１との違いは、ひげぜんまい１が一平面２ａのみに溝部７を設けたいたにに対し、ひげぜんまい１１では、二つの平面２ａ、２ｂの両方に溝部１７ａ、１７ｂが設けられていることである。

［第３実施形態］
［第３実施形態おけるぜんまいの構成の説明：図４（ｂ）］
次に、第１実施形態のひげぜんまい１と渠形状の更に異なる構成例を、第３実施形態として図４（ｂ）を用いて説明する。図４（ｂ）に示すように、ぜんまい腕２２ａを貫通するように溝部２７ａを設けてもよい。すなわち、ぜんまい部２のぜんまい腕２２ａには、その一平面２ａと対向する他の平面２ｂとを貫通する溝部２７ａを設けるのである。この溝部２７ａ及びぜんまい腕２２ａの表面には樹脂層２６が形成されている。すなわち、第１実施形態におけるひげぜんまい１と、第３実施形態におけるひげぜんまい２１との違いは、ひげぜんまい１が一平面２ａのみに溝部７を設けたいたにに対し、ひげぜんまい２１では、ぜんまい腕２２ａを貫通した溝部２７ａが設けられていることである。なお、ひげ
ぜんまい１及び樹脂層２６の材料はそれぞれ第１実施形態と同じである。

［第２、第３実施形態の効果の説明］
上記のように第２実施形態及び第３実施形態のような構成にすれば、第１実施形態のようにぜんまい部２の一つの平面に溝部７を設けただけではひげぜんまい１の特性が不十分である場合に、一定の断面積を有するひげぜんまい１１又は２１のぜんまい腕２１ａ又は２２ａに対して、樹脂層１６又は２６の体積の比率を増やすことができ、ひげぜんまいの特性を調整できる範囲が広がって便利である。

なお、いずれの実施形態でも、最外側湾曲部のぜんまい腕及びひげ玉との接続部のぜんまい腕の両方に溝部を形成しない例を示したが、これに限定されない。最外側湾曲部のぜんまい腕だけに溝部を形成しなくても良いし、ひげ玉との接続部のぜんまい腕だけに溝部を形成しなくても良い。いずれの場合であっても、同様の効果が得られる。

本発明は、ひげぜんまいの強度を向上させることができるから、特に腕時計のような可搬型の装置においては、不測の衝撃が印加される機会があるので、特に有効である。また、本実施形態においてはシリコンのひげぜんまいに付いて説明したが、これに限定されるものではなく、セラミックや、金属製のひげぜんまいにおいても有効である。

１、１１、２１ ひげぜんまい
２ ぜんまい部
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２１ａ、２２ａ ぜんまい腕
２ａ 一平面
２ｂ 平面
３ ひげ玉
３ａ 貫通孔
３ｂ 接続部
４ ひげ持
６、１６、２６ 樹脂層
７、１７ａ、１７ｂ、２７ａ 溝部
８、９ マスク
２００ シリコン基板

Claims (5)

1. 回転軸体と嵌合するための貫通孔を有するひげ玉と、前記ひげ玉と接続し、前記貫通孔を中心にして前記ひげ玉に巻回されるコイル形状のぜんまい部と、前記ぜんまい部の外端をテンプ受けに固定するためのひげ持とを有するひげぜんまいであって、
   最外側湾曲部、又はひげ玉との接続部を除いた前記ぜんまい部の少なくとも一平面に溝部を有し、前記溝部及び前記ひげぜんまい表面に樹脂層を設けることを特徴とするひげぜんまい。
2. 前記ひげぜんまいは、シリコンであることを特徴とする請求項１に記載のひげぜんまい。
3. 前記樹脂層は、パラキシリレン系樹脂であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のひげぜんまい。
4. 前記溝部は、前記ぜんまい部の前記一平面からこれと対向する他方の平面まで貫通していることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載のひげぜんまい。
5. 回転軸体と嵌合するための貫通孔を有するひげ玉と、前記ひげ玉と接続し、前記貫通孔を中心にして前記ひげ玉に巻回されるコイル形状のぜんまい部と、前記ぜんまい部の外端をテンプ受けに固定するためのひげ持とを有するひげぜんまいの製造方法であって、
   前記ぜんまい部の、最外側湾曲部又はひげ玉との接続部となる箇所を除いて、基板に溝部を形成する工程と、
   前記基板をエッチングし、前記ぜんまい部に前記溝部を有する形状のひげぜんまいを形成するエッチング工程と、
   前記溝部及び前記ひげぜんまい表面に樹脂層を形成する工程と、を有する
   ことを特徴とするひげぜんまいの製造方法。

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