JP3928364B2 - 時計 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、増速輪列を備えた時計に関する。
【０００２】
【背景技術】
従来より、時計などの小型の精密機器には、動力伝達装置として、多数の歯車を用いた輪列が多用されている。
このような歯車は、一般的に、大歯車と、この大歯車よりも歯数の少ない小歯車とを備えて構成され、各歯車の回転中心には、各歯車を貫通するように回転軸が取り付けられる。これらの各歯車は、この回転軸を中心にして駆動する。なお、小歯車と回転軸とは、一体に形成されている。また、これらの大歯車、小歯車および回転軸とで歯車装置が構成されている。
【０００３】
このような大歯車を構成する材料としては、一般的には、切削性が良くて小さい歯形を製造するのに適していることから、真鍮や、リン青銅、ベリリウム銅、洋白等が使用されている。
一方、小歯車を含む回転軸を構成する材料としては、１％程度の炭素を含む炭素鋼を焼き入れしたもの等が使用されている。この際、回転軸の先端部分であるほぞの大きさが０．１ｍｍ〜０．２ｍｍと非常に細いことから、歯車装置の組立時に、このほぞが変形しない程度の強度となる材料が使用されている。
このような歯車装置は、前述のような金属材料を切削して、大歯車および小歯車を含む回転軸をそれぞれ製造したあとに、大歯車の回転中心に回転軸を圧入することで製造される。
【０００４】
一方、時計においては、複数個の歯車装置を増速輪列とした動力伝達装置が利用されるが、各歯車における噛合い部分の増速比が大きいこと、歯車が一般の機器に比べて小さい割に誤差が同程度に有ること、噛合い部分の数が多いことにより、トルク伝達の安定性を大きく欠いていた。
従って、誤差の影響が特に大きい、各歯車の歯面が正確な面の位置からずれたピッチずれや、回転軸が回転中心からずれた偏心を抑えることが重要となっていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、現状の加工能力では、大歯車を加工する場合には、ピッチ誤差が５μｍ程度の精度で発生し、偏心が１０μｍ程度の精度で発生していた。一方、小歯車を加工する場合には、ピッチ誤差が５μｍ程度と大歯車と同じ精度で発生し、偏心は、回転軸と一体成形されていることから、２μｍ程度の精度で発生していた。このように、歯車装置を前述のような金属で製造した場合には、これ以上に精度を高めて加工することが難しいという問題があった。
【０００６】
そこで、特開平５−６４４６４号公報には、半導体製造の技術を応用して、硬度が高く、かつ高精度での加工が可能なシリコンで、歯車装置全体を一体成形する技術が示されている。
【０００７】
しかしながら、シリコンは、他の部材とすり合わせると摩耗しやすいので、特に、時計に使用する場合には、時計が２４時間使用されて、常に歯車装置が駆動し続けることを考慮すれば、すり合わせが最も頻繁に起こる回転軸での摩耗が発生しやすくなる。このため、回転軸の耐用年数、ひいては歯車装置の耐用年数が短くなるという問題があった。
【０００８】
また、歯車装置をシリコンで一体成型すると、回転軸の長さ寸法に応じた厚さのシリコンウエハを用意して加工する必要があり、材料費が嵩んでコストアップに繋がるという問題もあった。
【０００９】
このような問題は、一つの歯車と回転軸とからなる歯車装置や、小歯車と回転軸とが別体として成形された歯車装置等のその他の歯車装置においても同様であった。また、これらの歯車装置を時計において使用する場合に限らず、その他の機器において使用する場合にも同様な問題であった。
【００１０】
本発明の目的は、加工精度が高く耐久性に優れるとともに、安価に製造できる歯車装置、この歯車装置を備える動力伝達装置、および、この動力伝達装置を備える機器を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、香箱車内のぜんまいが解けるときの機械エネルギが増速輪列を介して調速機に伝達され、前記増速輪列の一方は前記香箱車の香箱歯車と噛み合うとともに、他方は前記調速機と噛み合っている時計において、前記増速輪列を構成する番車の回転軸上に指針が取り付けられるとともに、前記増速輪列を構成するすべての番車は、大歯車と、前記大歯車に比べて歯数の少ない小歯車と、前記小歯車と一体成形された回転軸とを備え、前記回転軸は、前記大歯車の回転中心を貫通して取り付けられており、前記大歯車は、鏡面研磨されたシリコンウエハからドライエッチングにより形成されたシリコン製であり、前記小歯車および前記回転軸は金属製であり、前記回転軸と前記大歯車とは、金とすずとの共融混合物でろう付けされることを特徴とする。
また、本発明は、香箱車内のぜんまいが解けるときの機械エネルギが増速輪列を介して調速機に伝達され、前記増速輪列の一方は前記香箱車の香箱歯車と噛み合うとともに、他方は前記調速機と噛み合っている時計において、前記増速輪列を構成する番車の回転軸上に指針が取り付けられるとともに、前記増速輪列を構成するすべての番車は、大歯車と、前記大歯車に比べて歯数の少ない小歯車と、前記小歯車と一体成形された回転軸とを備え、前記回転軸は、前記大歯車の回転中心を貫通して取り付けられており、前記大歯車は、鏡面研磨されたシリコンウエハからドライエッチングにより形成されたシリコン製であり、 前記小歯車および前記回転軸は金属製であり、前記回転軸は、前記大歯車に接触する接触部が金で被覆され、前記回転軸と前記大歯車とは、前記接触部において、金とシリコンとの共融混合物で接合されていることを特徴とする。
【００１２】
このような構成によれば、シリコンを用いて歯車を製造したので、金属を用いて製造する場合に比べて、加工精度の高い歯車を製造できる。また、回転軸は金属製であるため、歯車だけでなく回転軸もシリコン製とした場合に比べて、シリコンの使用量を減少でき、コストを抑えることができる。さらに、回転軸を、シリコンに比べて摩耗しにくい金属製としたので、回転軸、ひいては歯車装置の耐用年数を長くできる。
また、小歯車と回転軸とを一体成形したので、小歯車に対する回転軸の設置位置のずれによる偏心を抑えることができ、精度の高い歯車装置を製造できる。さらに、大歯車と小歯車の両方をシリコンで製造する場合に比べて、小歯車を安価な金属で製造するので、製造コストを抑えることができる。
本発明によれば、増速輪列とした場合には、各歯車での誤差が累乗された動力が伝達されることになるので、誤差の影響を抑えて、正確な動力を伝達できる。このため、伝達ロスの少ない高効率の動力伝達装置を提供することができる。
【００１９】
前記歯車は、他の歯車との噛合い部に注油して使用されることが好ましい。
このようにすれば、注がれた油の潤滑性により、噛合い部の耐摩耗性を向上できる。
【００２０】
さらに、前記シリコン製の歯車は、その両面が鏡面研磨されていることが好ましい。
ここで、歯車の両面とは、すなわち回転軸に直交する面のことである。
このようにすれば、表面を鏡面研磨したので、各面の油が噛合い部から他へ流れていかないようになり、保油性が向上するため、耐摩耗性を更に向上できる。
【００２１】
前記回転軸と前記シリコン製の歯車とは、金とすずとの共融混合物でろう付けされることが好ましい。
シリコン製の歯車に金属製の回転軸を圧入すると、シリコン製の歯車が割れるおそれがあるが、本発明では、共融混合物でろう付けしたので、歯車の割れを防止して、歯車装置の生産性を向上できる。
また、金とすずとの共融混合物を使用したので、この共融混合物の融解温度が一般的な金属に比べて比較的低いことから、金属製である回転軸の焼き鈍しを抑えて、硬度を維持できる。
【００２２】
前記回転軸は、前記シリコン製の歯車に接触する接触部が金で被覆され、前記回転軸と前記シリコン製の歯車とは、前記接触部において、金とシリコンとの共融混合物で接合されてもよい。
このような構成によれば、金とシリコンとの共融混合物で、歯車と回転軸とが接合されるので、歯車の割れを防止して、歯車装置の生産性を向上できる。また、金とシリコンの共融混合物で接合したので、この共融混合物の融解温度が一般的な金属に比べて比較的低いことから、金属製である回転軸の焼き鈍しを抑えて、硬度を維持できる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る歯車装置を適用した電子制御式機械時計の要部を示す平面図であり、図２及び図３はその断面図である。
【００２７】
電子制御式機械時計は、ゼンマイ１ａ、香箱歯車１ｂ、香箱真１ｃ及び香箱蓋１ｄからなる香箱車１を備えている。ゼンマイ１ａは、外端が香箱歯車１ｂ、内端が香箱真１ｃに固定されている。香箱真１ｃは、地板２と輪列受３に支持され、角穴車４と一体で回転するように角穴ネジ５により固定されている。
角穴車４は、時計方向には回転するが反時計方向には回転しないように、こはぜ６と噛み合っている。なお、角穴車４を時計方向に回転しゼンマイを巻く方法は、機械時計の自動巻または手巻機構と同様であるため、説明を省略する。
【００２８】
香箱歯車１ｂの回転は、歯車装置としての二番車１０７、三番車１０８、四番車１０９、五番車１１０および六番車１１１からなる増速輪列１１７を介して増速されて調速機１２０に伝達される。なお、香箱歯車１ｂの回転は７倍に増速され二番車１０７に伝達され、二番車１０７から三番車１０８へは８．０倍増速され、三番車１０８から四番車１０９へは７．５倍増速され、四番車１０９から五番車１１０へは６倍増速され、五番車１１０から六番車１１１へは１０倍増速され、六番車１１１からロータ１１２へは８倍増速されている。
【００２９】
増速輪列１１７の二番車１０７には筒かなが、筒かなには分針８が、四番車１０９には秒針９がそれぞれ固定されている。つまり、分針８、秒針９等の指針は、増速輪列１１７に結合されて輪列１１７の回転に伴い駆動される。
【００３０】
なお、地板２、輪列受３および二番受７には、ルビー製の軸受が圧入されており、この軸受は、各歯車装置１０７〜１１１の回転軸を支持するとともに、油により潤滑されている。
また、この油は、各歯車装置１０７〜１１２のかみ合い部分に注入されて、歯のかみ合い部分の潤滑性（摩擦係数低減および摩耗低減）を向上している。
【００３１】
電子制御式機械時計の調速機１２０は、磁石およびコイルからなる電磁ブレーキ式の調速機であり、具体的にはロータ１１２、ステータ１１５、コイルブロック１１６を備えて構成されている。
【００３２】
ロータ１１２は、ロータ磁石１１２ａ、ロータかな１１２ｂ、ロータ慣性円板１１２ｃから構成される。ロータ慣性円板１１２ｃは、香箱車１からの駆動トルク変動に対しロータ１１２の回転速度変動を少なくするためのものである。
【００３３】
コイルブロック１１６は、ステータの一部１１６ｃが一体とされた磁心１１６ａにコイル１１６ｂを巻線したものである。ステータ１１５は、ステータ体１１５ａにステータコイル１１５ｂを巻線したものであり、磁心１１６ａの一部で構成されるステータ１１６ｃにロータ１１２を挟んで対向する側に配置され、ネジ１２１でコイルブロック１１６の他端および地板に固定されている。ここで、ステータ１１５と磁心１１６ａ、磁心１１６ａに一体のステータ１１６ｃはＰＣパーマロイ等で構成されている。また、コイル１１６ｂは、出力電圧の変動を検出することでロータ１１２の回転を検出するように構成されている。
【００３４】
図４には、本実施形態の電子制御式機械時計の構成を示すブロック図が示されている。
電子制御式機械時計は、機械的エネルギ源としてのゼンマイ１ａと、ゼンマイ１ａのトルクを発電機１２０に伝達する増速輪列１１７と、増速輪列１１７に連結されて時刻表示を行う時刻表示装置である指針１１８とを備えている。
【００３５】
発電機１２０は、増速輪列１１７を介してゼンマイ１ａによって駆動され、誘起電力を発生して電気的エネルギを供給する。この発電機１２０からの交流出力は、整流回路１２５を通して昇圧、整流され、コンデンサ（蓄電装置）１２６に充電供給される。
【００３６】
このコンデンサ１２６から供給される電力によってワンチップＩＣで構成された回転制御装置１５０が駆動される。この回転制御装置１５０は、図４に示すように、発振回路１５１、ロータの回転検出回路１５２およびブレーキの制御回路１５３を備えて構成されている。
【００３７】
発振回路１５１は、時間標準源である水晶振動子１５１Ａを用いて発振信号（３２７６８Ｈｚ）を出力し、この発振信号を所定の分周回路で分周し、基準信号ｆｓとして制御回路１５３に出力している。
【００３８】
回転検出回路１５２は、発電機１２０から出力される発電波形からロータの回転速度を検出し、その回転検出信号ＦＧ１を制御回路１５３へ出力する。
制御回路１５３は、基準信号ｆｓに対する回転検出信号ＦＧ１の位相差等に基づいて発電機（調速機）１２０にブレーキ信号を入力し、調速している。
【００３９】
本実施形態では、このような電子制御式機械時計において、各番車１０７〜１１１を本発明に係る歯車装置として適用している。従って、この電子制御式機械時計によって、増速輪列（動力伝達装置）を備えた機器が構成されている。
【００４０】
図５は、増速輪列１１７を構成する一歯車装置を示す拡大断面図である。
各歯車装置１０７〜１１１は、大歯車１０と、この大歯車１０の回転中心に取り付けられる回転軸３０とを備え、この回転軸３０には、大歯車１０に比べて歯数の少ない小歯車２０が、大歯車１０に対向するように一体成形される。
【００４１】
各歯車装置１０７〜１１１のそれぞれの構成および製造方法は、略同様であるので、ここでは、三番車１０８を例に挙げて、歯車装置の構成および製造方法について説明する。
なお、三番車１０８以外のその他の歯車装置（二番車１０７、四番車１０９、五番車１１０、六番車１１１）については、その説明を省略する。
【００４２】
大歯車１０は、その厚さ（図中の上下方向の寸法）が０．１４ｍｍであって、そのモジュールが０．０７７６ｍｍ、歯数７５枚のシリコン製の歯車である。
大歯車１０の外周側（図中の左右端縁）には、隣接する他の歯車装置（四番車１０９）の小歯車２０とかみ合って、自身の回転を伝達するための複数個の歯１１が形成される。また、大歯車１０の回転中心には、回転軸３０が貫通して取り付けられる開口部１２が形成されている。
【００４３】
回転軸３０は、１％程度の炭素を含有する炭素鋼によって形成され、棒状の本体３１と、本体３１の一端側に形成され、かつ本体３１より径寸法の大きい支持体３２と、この支持体３２の一端側に形成され、かつ本体３１よりも径寸法の小さい第１突出部３３と、本体３１の他端側に一体成形された小歯車２０の他端側に形成され、かつ本体３１よりも径寸法の小さい第２突出部３６とを備える。
【００４４】
小歯車２０は、そのモジュールが０．０８１５ｍｍに形成された炭素鋼製の歯車である。
小歯車２０の外周側（図中の左右端縁）には、隣接するその他の歯車装置（二番車１０７）の大歯車１０とかみ合って、その大歯車１０の回転が伝達される複数個の歯２１が形成される。
【００４５】
支持体３２は、小歯車２０と略同じ径寸法を有し、大歯車１０の開口部１２に挿入される挿入部３４と、大歯車１０の表面１０Ａ（図中下側の面）に接触する接触部３５とを備える。
第１突出部３３は、他端側に向かって突出するように形成され、その先端部分であるほぞ３３Ａは、０．１ｍｍの径寸法を有するとともに、図示しない軸受けで支持されている。
また、第２突出部３６は、一端側に向かって突出するように形成され、その先端部分であるほぞ３６Ａは、０．１ｍｍの径寸法を有するとともに、図示しない軸受けで支持されている。
【００４６】
次に、シリコン製の大歯車１０の製造方法について、図６を参照して説明する。図６は、大歯車１０の製造過程を示す模式図である。
【００４７】
<1-1> 準備工程
０．１４ｍｍの厚さ寸法Ｔを有し、その表面（図中上面）２００Ａおよび裏面（図中下面）２００Ｂが、表面粗さを示す算術平均粗さ（Ｒａ）が１ｎｍ程度に鏡面研磨された円板状のシリコンウエハ（Ｓｉ）２００を準備する（図６（Ａ））。
【００４８】
<1-2> 酸化工程
次に、シリコンウエハ２００を約９００度の高温のスチーム雰囲気にさらして、シリコン（Ｓｉ）と酸素（Ｏ2）とを反応させ、シリコンウエハ２００の表裏面２００Ａ，２００Ｂに酸化膜（ＳｉＯ2膜）２０１を形成する（図６（Ｂ））。
なお、前述のようなスチーム雰囲気とせずに、乾燥した雰囲気下で酸化反応処理を施しても良い。ただし、スチーム雰囲気下のほうが、酸化膜の成長速度が速いという利点がある。
【００４９】
<1-3> フォトレジスト塗布工程
シリコンウエハ２００の酸化膜２０１の表面側に、フォトレジスト（感光性樹脂）を滴下した後に、シリコンウエハ２００を高速回転させて、フォトレジストの薄膜であるレジスト膜２０２を形成する（図６（Ｃ））。
なお、このフォトレジストは、後述する現像工程において、光が照射された部分が除去されることになるポジ型のものが使用される。
【００５０】
<1-4> 露光工程
次に、シリコンウエハ２００を露光装置であるステッパに設置する。このステッパでは、紫外線を射出する光源２０５とシリコンウエハ２００との間に、除去したい部分が開口された開口部２０６Ａを有するマスク２０６を配置し、光源２０から、マスク２０６を介して、シリコンウエハ２００の表面側のレジスト膜２０２に紫外線を照射する。すると、シリコンウエハ２００のレジスト膜２０２には、除去したい部分を示すマスクパターン２０２Ａが転写（露光）される（図６（Ｄ））。従って、マスク２０６を大歯車１０の平面形状と同じ形状にしておけば目的形状の大歯車１０が得られることになる。
なお、このレジスト膜２０２上のマスクパターン２０２Ａ部分は、紫外線の照射により、アルカリ溶液に可溶な化学構造に変化している。
【００５１】
<1-5> 現像工程
露光されたシリコンウエハ２００をアルカリ性の現像液により、マスクパターン２０２Ａに対応する部分のレジスト膜２０２を除去する（図６（Ｅ））。
【００５２】
<1-6> 酸化膜のエッチング工程
真空のチャンバ内に、現像されたシリコンウエハ２００を配置して、ドライエッチング加工を行い、露光部分２０１Ａを除去する（図６（Ｆ））。
【００５３】
<1-7> フォトレジスト膜の剥離工程
次に、残存するレジスト膜２０２の表面に、酸素プラズマ等による灰化処理を行い、レジスト膜２０２を、ウェットエッチングまたはドライエッチングにより除去する。
そして、このレジスト膜２０２が除去されたシリコンウエハ２００を、ダイサーシート２０３の上に貼付して、後述する異方性ドライエッチング工程の後に、加工された歯車が紛失しないようにしておく（図６（Ｇ））。
なお、ダイサーシート２０３は、表面に紫外線硬化型接着剤が塗布されたポリイミド等の樹脂製のシートである。また、紛失等の心配がなければ、ダイサーシート２０３はなくてもよい。
【００５４】
<1-8> シリコンウエハのエッチング工程
ＲＩＥ（reactive ion etching）により、シリコンウエハ２００の表面２００Ａに対して垂直な方向にエッチング加工（異方性ドライエッチング加工）を施して、シリコンウエハ２００のエッチング加工を正確に行う。そして、シリコンウエハ２００のエッチング部２００Ｃを除去する。
続いて、ダイサーシート２０３とシリコンウエハ２００との接着部分に、紫外線を照射して接着剤を硬化させ、ダイサーシート２０３とシリコンウエハ２００とを分離する（図６（Ｈ））。
【００５５】
<1-9> 酸化膜の除去工程
エッチング加工されたシリコンウエハ２００を、フッ化水素溶液に浸して、酸化膜を除去する（ウェットエッチング加工）。その後、シリコンウエハ２００の表面に、所定の後処理を施して、目的形状の大歯車１０を得ることができる（図６（Ｉ））。
【００５６】
なお、小歯車２０および回転軸３０は、一般的な方法により、炭素鋼を用いて製造されるので、その説明を省略する。
【００５７】
次に、大歯車１０に、小歯車２０を含む回転軸３０を取り付けて、歯車装置１０７〜１１１を製造する手順について、図５および図７を参照して説明する。
図７は、大歯車と回転軸との接合部分を示す模式図である。
【００５８】
［1-1］ 準備工程
炭素鋼（Ｆｅ-Ｃ）製の支持体３２の接触部３５を、金（Ａｕ）６１Ａによってメッキ加工を施す。
一方、シリコン製の大歯車１０の表面１０Ａの接触部１３には、クロム（Ｃｒ）層６２をスパッタリング加工する。具体的には、クロムに高エネルギのアルゴン原子をぶつけて、アルゴン原子に叩かれて飛び出してくるクロム原子を、接触部１３に付着させる。
【００５９】
このクロム層６２は、網状の構成となっているため、その網目の隙間から大歯車１０のシリコンが外部に露出することになる。
さらに、そのクロム層６２の上から、金６１Ｂによってメッキ加工を施す。この際、金とシリコンとの原子量比が、金７０原子量％で、シリコン３０原子量％となるように、つまり共晶結合状態となるように金６１Ａ，６１Ｂの量を調整しながら、メッキ加工を施す。
【００６０】
［1-2］ 共融混合物による溶接工程
支持体３２の挿入部３４を大歯車１０の開口部１２に挿入し、支持体３２において金メッキ加工された接触部３５と、大歯車１０において金メッキ加工された接触部１３とを接触させた状態で、３７３度で３０〜６０分間加熱する。すると、メッキ加工された金６１Ａ，６１Ｂと大歯車１０のシリコンとが共融混合物となって、大歯車１０と支持体３２を含む回転軸３０とが溶接される。
なお、３７３度は焼き入れした炭素鋼（Ｆｅ-Ｃ）の硬度を低下させるが、実用上問題の無いレベルである。
以上のようにして、大歯車１０に回転軸３０が取り付けられる。
【００６１】
このようにして得られた歯車装置１０７〜１１１の性能を、従来の方法で製造された歯車装置等と比較しながら、二番車１０７と三番車１０８とのかみ合いで説明する（図３参照）。
なお、二番車１０７における大歯車１０の歯１１の数は７２枚であり、モジュールは０．０８１５ｍｍである。一方、三番車１０８における小歯車２０の歯２１の数は９枚であり、モジュールは０．０８１５ｍｍである。各歯車１０，２０の中心距離は３．３ｍｍである。このように、大歯車１０の歯数が小歯車２０の歯数以上であるため、増速輪列となる。
【００６２】
本実施形態の方法で得られた大歯車１０は、ピッチ誤差が１μｍ以下であり、偏心が１μｍ以下である。一方、小歯車２０は、従来と同様の方法で製造しているため、ピッチ誤差が５μｍであり、偏心が２μｍである。
このため、本実施形態の大歯車１０と小歯車２０とのかみ合い部では、ピッチ誤差が略５μｍであり、偏心が略２μｍとなる。
【００６３】
また、従来の大歯車は、ピッチ誤差が５μｍであり、偏心が１０μｍである。そして、小歯車は、ピッチ誤差が５μｍであり、偏心が２μｍである。
このため、従来の大歯車と小歯車とのかみ合い部では、ピッチ誤差が１０μｍであり、偏心が１２μｍとなる。
【００６４】
これらをまとめて、本実施形態の方法で得られた歯車装置１０７〜１１１と、理想の形状に製造された場合の歯車装置と、従来の方法で製造された歯車装置との、ピッチ誤差および偏心の精度は、次の表１のようになる。
【００６５】
【表１】
【００６６】
さらに、図８〜図１０を参照して、歯車装置１０７〜１１１の性能を、大歯車１０および小歯車２０のかみ合いモーメント比率［％］に換算して説明する。
【００６７】
ここで、モーメント比率とは、トルクの伝達を示す指標であり、１００％に近いことが理想である。すなわち、モーメント比率が１００％を越えると、大歯車１０は小歯車２０にトルクを大きく伝えすぎることになり、１００％に満たない場合には、トルクを伝えきれないことになる。
【００６８】
このため、ゼンマイ１ａからのトルクをロータに伝達する際に、トルクが大きすぎると、電子制御式機械時計の制動限界を超えてしまうために進みが発生する。このためには、発電機を大きくして制動力を高めなければならない。その結果、発電機が大きくなって時計が大型化し、かつ持続時間も減ってしまうという問題が発生する。
さらに、モーメント比率が１００％を越える（高くなる）ところでは、滑りが大きく発生するため、摩耗が多く発生し、寿命が短くなる。
【００６９】
一方、トルクが小さすぎると、十分なトルクを伝達するために、駆動力を高めなければならず、持続時間が減ってしまうという問題がある。
従って、モーメント比率は１００％に近いことが望ましいことになる。
【００７０】
図８は、歯車間の中心距離を変化させた場合における、理想通りに形成された大歯車および小歯車のかみ合いのモーメント比率の軌跡を示す図である。
なお、図中の近寄り遠のきの比［％］とは、噛合う２つの歯車の中心を結んだ線に対して、両歯車の接点の位置を示す物であり、近寄り（マイナス側）から遠のき（プラス側）両方で１００％になる。
理想通りに形成された大歯車および小歯車のかみ合いのモーメント比率は、図に示すように、９４％〜９８％の範囲の値となる。
【００７１】
図９は、従来実施されていた方法により製造された大歯車および小歯車の、製造誤差（ピッチ誤差、偏心）を含んだモーメント比率の軌跡を示す図である。
なお、両歯車において、ピッチ誤差がプラス方向（歯面同士の間隔が開く方向）への誤差として発生した場合とマイナス方向（歯面同士の間隔が近づく方向）への誤差として発生した場合、また、偏心が、プラス方向（中心距離を遠ざける方向）への誤差として発生した場合とマイナス方向（中心距離を近づける方向）への誤差として発生した場合、の組み合わせとしての４パターンについて、モーメント比率の範囲を求めた。
従来実施されていた方法により製造された大歯車および小歯車のかみ合いのモーメント比率は、図に示すように、７４％〜１１６％に範囲の値となる。
【００７２】
図１０は、本実施形態により製造された大歯車１０および小歯車２０の、製造誤差（ピッチ誤差、偏心）を含んだモーメント比率の軌跡を示す図である。
なお、図９と同様の４パターンについて、モーメント比率の範囲を求めた。本実施形態により製造された大歯車１０および小歯車２０のかみ合いのモーメント比率は、図に示すように、８５％〜１０５％の値となっていた。
【００７３】
このような図８〜図１０に示す各歯車装置における、モーメント比率の最小値(min.）および最大値（max.）を表２に示す。
【００７４】
【表２】
【００７５】
また、従来の歯車装置に対する本実施形態の歯車装置における大小歯車間の改善度、およびこの歯車を５段輪列とした際の改善度を、表３に示す。
なお、大小歯車間の改善度とは、本実施形態の歯車装置が、従来の歯車装置に比べて、モーメント比率の最小値(min.)および最大値（max.）において、理想のモーメント比率（１００％）にどれだけ近づいたかを示す指標（単位：［％］）である。
具体的には、最小値(min.)の場合には、（８５／７４−１）×１００＝１５［％］となる。一方、最大値(max.)の場合には、（１１６／１０５−１）×１００＝１０［％］となる。
【００７６】
また、５段輪列とした際の改善度とは、前記歯車装置を５段の輪列として使用した場合の改善度であり、モーメント比率の最小値(min.)および最大値（max.）における前記改善度のべき乗（５乗）で示される。
具体的には、最小値(min.)の場合には、（（（１００＋１５）／１００）＾５−１）×１００＝１００［％］となる。一方、最大値(max.)の場合には、（（（１００＋１０）／１００）＾５−１）×１００＝６０［％］となる。
【００７７】
【表３】
【００７８】
このような本実施形態の歯車装置では、従来の歯車装置に比べて、モーメント比率の範囲が理想の範囲に近づいており、改善されている。
【００７９】
具体的には、本実施形態では、大小歯車間のモーメント比率が１００％よりも小さい場合において、大小歯車間の改善度が１５％向上しており、このため、駆動力が１５％弱いゼンマイでも、同等のトルク伝達を達成できる。
また、５段輪列とした際の改善度が１００％向上しており、このため、仕様トルクの半分のトルクで駆動できることとなり、持続時間を２倍とすることができる。
【００８０】
一方、大小歯車間のモーメント比率が１００％を越える場合において、大小歯車間の改善度が１０％向上しており、このため、制動力を１０％弱くしても同等のトルク伝達を達成できる。
また、５段輪列とした際の改善度が６０％向上しており、このため、制動力を６０％弱くしても同等のトルク伝達を達成できることとなり、発電量の小さな発電機を採用できる。また、同じ発電機を使用する場合には、持続時間を６０％伸ばすことができる。
【００８１】
以上のような本実施形態によれば、以下のような効果がある。
(1) シリコンを用いて大歯車１０を製造したので、金属を用いて製造する場合に比べて、加工精度の高い大歯車１０を製造できる。
【００８２】
(2) 回転軸３０を炭素鋼で製造したので、シリコンで大歯車１０、小歯車２０および回転軸３０を有する歯車装置を製造する場合に比べて、シリコンの使用量を減少でき、コストを抑えることができる。
【００８３】
(3) 回転軸３０を炭素鋼製としたので、炭素鋼のほうがシリコンよりもすり合わせによる摩耗が発生しにくいから、回転軸３０が最もすり合わせを起こしやすいことを考慮すれば、回転軸３０、ひいては歯車装置１０７〜１１１の耐用年数を長くできる。
【００８４】
(4) 小歯車２０と回転軸３０とを一体成形したので、小歯車２０に対する回転軸３０の設置位置のずれによる偏心を抑えることができ、精度の高い歯車装置１０７〜１１１を製造できる。さらに、大歯車１０と小歯車２０の両方をシリコンで製造する場合に比べて、小歯車２０を安価な金属で製造するので、製造コストを抑えることができる。
【００８５】
(5) 大歯車１０のモジュールを０．０８１５ｍｍとし、小歯車２０のモジュールも０．０８１５ｍｍとしたので、歯車１０，２０が比較的小さい場合には、歯車１０，２０における加工精度の誤差の影響が相対的に大きくなることを考慮すれば、比較的大きな歯車に比べて、誤差の影響を抑えることができ、効果的である。
【００８６】
(6) 金とシリコンとの共融混合物として、大歯車１０と回転軸３０とを溶接したので、大歯車１０に回転軸３０を圧入して歯車装置１０７〜１１１を製造する場合に比べて、大歯車１０の割れを防止して、歯車装置１０７〜１１１の生産性を向上できる。また、金とシリコンとの共融混合物で溶接したので、接合強度を高めることができるとともに、比較的低温短時間で接合したので、金属製の回転軸の焼き鈍しを抑えて、回転軸の硬度を維持できる。
【００８７】
(7) 鏡面研磨したシリコンウエハ２００を用いて大歯車１０を製造したので、噛合い部に滴下した油が、自身の表面張力によって表面１０Ａに広がることがないから、歯車１０，２０間のかみ合い部に油を留めることができ、長期に渡って歯車１０，２０のかみ合い部分の潤滑性を確保できる。このため、増速輪列１１７を形成した際に、正確な動力を伝達できるうえ、歯車装置１０７〜１１１の耐用年数を向上できる。
【００８８】
(8) シリコンウエハ２００の加工において、異方性エッチング加工を利用したので、異方性エッチング加工が特定方向のみへのエッチング加工であることから、精度の高い大歯車１０を製造できる。
【００８９】
(9) 歯車装置１０７〜１１１を用いて増速輪列１１７を構成したので、これらの歯車装置１０７〜１１１が高精度であることから、正確な動力を伝達できる。また、増速輪列１１７では、各歯車装置１０７〜１１１での誤差が累乗された動力が伝達されることになるので、誤差の影響を抑えて、正確な動力を伝達できる。このため、伝達ロスの少ない高効率の動力伝達装置を提供できる。
【００９０】
(10) 正確な動力を伝達できる増速輪列１１７を備えて時計を構成したので、作動時の効率を向上でき、省エネルギー化が図れ、長時間作動可能な時計を提供できる。
【００９１】
なお、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記実施形態では、歯車装置１０７〜１１１を、大歯車１０とこの大歯車１０よりも歯数の少ない小歯車２０とを備えて構成したが、これに限らず、アイドラーのように、大歯車１０または小歯車２０のどちらか一方が、つまり一つの歯車のみが回転軸３０に取り付けられたものであってもよい。要するに、少なくとも１つの歯車と回転軸とを備えた歯車装置であればよい。
【００９２】
また、前記実施形態では、歯車装置１０７〜１１１を、大歯車１０とこの大歯車１０よりも歯数の少ない小歯車２０とを一つずつ備えて構成したが、これに限らず、大歯車１０および小歯車２０を合わせて３個以上備えた構成としてもよい。さらには、大歯車１０と小歯車２０との寸法を、同じものとしてもよい。
ただし、時計等の機器では、歯車装置１０７〜１１１が輪列として使用されることが多いので、大小の歯車１０，２０が一つずつ取り付けられたものが一般的であり、汎用性が高いという利点がある。
【００９３】
前記実施形態では、小歯車２０と回転軸３０とを炭素鋼によって、一体成形したが、これに限らず、別体であってもよい。ただし、前記実施形態のほうが、偏心を抑えて製造誤差を小さくできる利点がある。
【００９４】
また、前記実施形態では、小歯車２０および回転軸３０を炭素鋼で製造したが、これに限らず、鉄やステンレス鋼等のその他の金属で製造してもよい。ただし、炭素鋼製のほうが耐摩耗性や切削性が高いという利点がある。
【００９５】
前記実施形態では、大歯車１０のモジュールを０．０８１５ｍｍとし、小歯車２０のモジュールを０．０８１５ｍｍとしたが、これに限らず、任意の大きさとしてよい。ただし、モジュールが０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲にあることが好ましい。要するに、原料となるシリコンのコストや、加工適性、加工誤差の影響等を考慮して大きさを特定すればよい。
【００９６】
また、本発明に係る歯車装置１０７〜１１１は、前記実施形態には限定されず、図１１に示すように、大歯車２１０およびこの大歯車２１０に比べて歯数の少ない小歯車２２０が一体成型されたシリコン製の歯車部２３０と、これらの歯車部２３０の回転中心に取り付けられる金属製の回転軸２４０とを備えて構成してもよい。
【００９７】
この際、回転軸２４０には、大歯車２１０の径方向に沿う方向に延出するとともに、大歯車２１０の下面２１０Ｂに当接する接触部２４１が形成されており、この接触部２４１および大歯車２１０の面２１０Ｂが、前述の共融混合物による溶接等により接着されればよい。
【００９８】
また、このような歯車部２３０は、前述のシリコンウエハ２００よりも厚さのある、例えば０．７ｍｍのシリコンウエハ等から製造できる。なお、歯車部２３０と回転軸２４０とは、前述と同様にろう付けや溶接等で接着されればよい。
【００９９】
このようにすれば、大歯車２１０と小歯車２２０とを一体成形して歯車部２３０を構成したので、大歯車２１０と小歯車２２０とが別体の場合に比べて、管理すべき部材の点数が減少し、歯車２１０，２２０ひいては歯車装置１０７〜１１１の管理を容易にすることができ、さらに歯車装置１０７〜１１１の組立て作業も簡単にできる。
【０１００】
また、各歯車２１０，２２０の回転中心毎にそれぞれ加工を施す場合に比べて、一体成形された歯車部２３０の回転中心に一回だけ加工を施せばよいので、加工の回数が減少するから、偏心を抑えて、精度の高い歯車装置１０７〜１１１を製造できる。
【０１０１】
さらに、接触部２４１と大歯車２１０の下面２１０Ｂとが接触するようにしたので、接触部２４１と下面２１０Ｂとの間に共融混合物や接着剤等が挿入しやすいので、歯車部２３０と回転軸２４０とを簡単に接着できる。
【０１０２】
また、大歯車１０の製造方法は、前記実施形態には限定されず、図１２に示す方法であってもよい。具体的には以下の通りである。
【０１０３】
<2-1> 準備工程
前記実施形態と全く同じ、シリコンウエハ（Ｓｉ）２００を準備する（図１２（Ａ））。
【０１０４】
<2-2> フォトレジスト塗布工程
シリコンウエハ２００の表面側（図中、上側）に、フォトレジスト（感光性樹脂）を滴下した後に、シリコンウエハ２００を高速回転させて、フォトレジストの薄膜であるレジスト膜２０２を形成する（図１２（Ｂ））。なお、このフォトレジストは、前述と同じポジ型のものが使用される。
【０１０５】
<2-3> 露光工程
前述と同様に、紫外線を射出する光源２０５とシリコンウエハ２００との間に、除去したい部分が開口された開口部２０６Ａを有するマスク２０６を配置し、光源２０５から、マスク２０６を介して、シリコンウエハ２００の表面側のレジスト膜２０２に紫外線を照射して、レジスト膜２０２にマスクパターン２０２Ａを転写（露光）する（図１２（Ｃ））。
【０１０６】
<2-4> 現像工程
露光されたシリコンウエハ２００をアルカリ性の現像液により、マスクパターン２０２Ａに対応する部分のレジスト膜２０２を除去する（図１２（Ｄ））。
【０１０７】
<2-5> シリコンウエハのエッチング工程
前述と同様に、ＲＩＥ（reactive ion etching）により、シリコンウエハ２００を正確にエッチング加工し、シリコンウエハ２００におけるエッチング部２００Ｃを除去する（図１２（Ｅ））。
【０１０８】
<2-6> フォトレジスト膜の剥離工程
次に、残存するレジスト膜２０２の表面に、酸素プラズマ等による灰化処理を行い、レジスト膜２０２を、ウェットエッチングまたはドライエッチングにより除去する。その後、シリコンウエハ２００の表面に、所定の後処理を施して、目的形状の大歯車を得る（図１２（Ｆ））。
【０１０９】
このような方法によれば、前記実施形態に比べて、工程数を減少することができる。ただし、シリコンウエハ２００が、空気中において酸化しやすいことを考慮すれば、前記実施形態では意図的にシリコンウエハ２００を酸化させているので、前記実施形態のほうが、シリコンウエハ２００の酸化を気にする必要がなく、比較的簡単に加工できる。
【０１１０】
なお、シリコン製の歯車の製造方法は、一般的な半導体の製造技術等を参考に、製造されればよく、前記方法に限定されるものではない。
【０１１１】
また、前記実施形態では、シリコンと金との共融混合物として、大歯車１０と回転軸３０とを溶接したが、これに限らず、大歯車１０と回転軸３０とを取り付けて、歯車装置１０７〜１１１を製造する手順は、例えば、図１３に示す手順であってもよい。具体的には、以下の通りである。
【０１１２】
［2-1］ 準備工程
前述と同様に、シリコン製の大歯車１０の表面１０Ａの接触部１３に、クロム（Ｃｒ）層６２をスパッタリングし、このクロム層６２の上から、金（Ａｕ）６１Ｂによってメッキ加工を施す。
一方、炭素鋼（Ｆｅ-Ｃ）製の回転軸３０の支持体３２における接触部３５には、特に加工は施さない。
【０１１３】
［2-2］ 共融混合物を用いたろう付け工程
予め、金とシリコンとの重量比が、金８０重量％で、すず２０重量％である共融混合物（Ａｕ−Ｓｎ）６３を準備する。
そして、支持体３２の挿入部３４を大歯車１０の開口部１２に挿入し、支持体３２の接触部３５と、大歯車１０の金メッキ加工された接触部１３との間に、前述の共融混合物６３を配置し、接触部１３，３５同士を接触させた状態で、２７３度で５〜１０分間加熱する。すると、共融混合物６３が融解して、大歯車１０と支持体３２を含む回転軸３０とが溶接される。なお、温度が２７３度だと、わずかに炭素鋼（Ｆｅ-Ｃ）の焼きが戻ってしまうが、短時間であるため、その影響はほとんどない。
以上のようにして、大歯車１０に回転軸３０が取り付けられる。
【０１１４】
このような方法によれば、シリコン製の大歯車１０に炭素鋼製の回転軸３０を圧入して取り付ける場合に比べて、共融混合物６３でろう付け加工したので、シリコン製の大歯車１０の割れを防止して、歯車装置１０７〜１１１の生産性を向上できる。
また、金とすずとの共融混合物６３を使用したので、この共融混合物６３の融解温度が２７３度であって、一般的な金属に比べて比較的低いことから、炭素鋼製である回転軸３０の焼き鈍しを抑えて、硬度を維持できる。
【０１１５】
さらに、大歯車１０と回転軸３０とを取り付けて、歯車装置１０７〜１１１を製造する手順は、図１４に示す手順であってもよい。具体的には、以下の通りである。
【０１１６】
［3-1］ 準備工程
シリコン製の大歯車１０を空気中に放置して、大歯車１０の表面１０Ａの接触部１３に、二酸化珪素（ＳｉＯ2）の自然酸化膜７１を形成する（図１４（Ａ））。
一方、炭素鋼（Ｆｅ-Ｃ）製の支持体３２の接触部３５に、金（Ａｕ）７４をメッキしておく（図１４（Ｄ））。
【０１１７】
［3-2］ エッチング工程およびスパッタリング工程
前記実施形態にて使用した、ＲＩＥによるエッチング加工やドライエッチング加工等により、自然酸化膜７１に対して所定の形状にエッチング加工を施す。
そして、エッチング加工されたシリコン製の大歯車１０の接触部１３に、金（Ａｕ）７２をスパッタリング加工する（図１４（Ｂ））。
【０１１８】
［3-3］ 共融混合物作製工程
スパッタリング加工された大歯車１０を３７３度まで加熱して、エッチング加工がなされた部分に、大歯車１０のシリコンと金７２との共融混合物（Ａｕ−Ｓｉ）７３を作製する（図１４（Ｃ））。
【０１１９】
［3-4］ 共融混合物による溶接工程
まず、前記実施形態と同様の方法（ウェットエッチング加工）で、自然酸化膜７１を除去する。
次いで、支持体３２において金メッキ加工された接触部３５と、大歯車１０において共融混合物７３が施された接触部１３とを接触させて、３７３度で３０〜６０分間加熱する。すると、共融混合物７３によって大歯車１０と支持体３２を含む回転軸３０とが溶接される（図１４（Ｄ））。なお、これらの工程は、同一真空中で処理される。
以上のようにして、大歯車１０に回転軸３０が取り付けられる。
【０１２０】
大歯車１０と回転軸３０とを取り付けて、歯車装置１０７〜１１１を製造する手順は、特に限定されるものではない。要するに、大歯車１０と回転軸３０とが、外れないように接着されればよい。このため、前述の共融混合物によるろう付けや溶接に限らず、例えば、接着剤等を用いて接着してもよい。
また、前記実施形態では、回転軸３０に支持体３２を設け、その支持体３２の接触部３５と大歯車１０の表面１０Ａとで接合していたが、特に支持体３２を設けずに、回転軸３０と大歯車１０の開口部１２における側面とを、接着剤等で接合してもよい。ただし、前記実施形態の方が、確実に接合できる利点がある。
【０１２１】
本発明は、前記実施形態のような平歯車に適用する場合に限らず、はすば歯車、やまば歯車等のねじれ角を有する歯車などの各種歯車に広く適用することができる。
【０１２２】
さらに、本発明の歯車装置は、電子制御式機械時計の輪列に限らず、一般的な機械時計の輪列に適用してもよい。このようにした場合も、前記実施形態と同様の効果が得られる。
この際、一般的な機械時計の場合には、主に歯車のかみ合い段が３段であることから、前記実施形態における改善度等の結果を参照すれば、３段輪列とした場合のトルクの伝達を５０％向上できる。このため、ゼンマイのトルクを小さくして巻数を大きくすることで、１．５倍の接続時間の向上が図れる。
さらに、ガンギ車やアンクル、テンプ等の脱進器に一定のトルクを安定して供給でき、高精度の時計を実現できる。
【０１２３】
また、本発明の歯車装置は、モータの駆動を減速輪列で針を駆動するクオーツ時計の輪列に利用してもよい。このようにすれば、モータの駆動トルクを安定して伝達できるため、駆動トルクの小さい低消費電力で動くモータを採用でき、電池寿命の長い時計を実現できる。
【０１２４】
本発明の歯車装置の用途としては、時計用の輪列に限らず、その他の各種の動力伝達装置の歯車として利用可能である。
また、この歯車を備えた動力伝達手段を有する機器としても、時計に限らず、オルゴール、玩具、タイマー等の歯車装置で動力を伝達する機器に適宜利用可能である。
特に、本発明では、シリコンウエハの価格を考慮すれば、なるべくシリコンの使用量を減らために、マイクロマシン等の小型機器内に組み込む小さい歯車装置に適用することが望ましい。
【０１２５】
また、前記実施形態のように、本発明の歯車装置は、増速輪列、減速輪列のいずれでも利用できるが、特に、改善度を大幅に向上できる点で、増速輪列に用いることがより効果的である。
【０１２６】
【発明の効果】
本発明によれば、歯車をフォトリソグラフィー等によるシリコン製としたので、歯車を金属製造とする場合に比べて、加工精度の高い歯車を製造できる。
また、回転軸を金属製としたので、歯車だけでなく回転軸もシリコン製とした場合に比べて、シリコンの使用量を減少でき、コストを抑えることができる。そのうえ、回転軸を、シリコンに比べて摩耗しにくい金属製としたので、回転軸、ひいては歯車装置の耐用年数を長くできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る歯車装置を適用した電子制御式機械時計の要部を示す平面図である。
【図２】前記実施形態の電子制御式機械時計の要部を示す断面図である。
【図３】前記実施形態の電子制御式機械時計の要部を示す断面図である。
【図４】前記実施形態の電子制御式機械時計の構成を示すブロック図である
【図５】前記実施形態の歯車装置を示す拡大断面図である。
【図６】前記実施形態における歯車の製造過程を示す模式図である。
【図７】前記実施形態における歯車と回転軸との接合部分を示す模式図である。
【図８】理想通りに形成された歯車間のかみ合いモーメント比率の軌跡を示す図である。
【図９】従来実施されていた方法により製造された歯車間のかみ合いモーメント比率の軌跡を示す図である。
【図１０】本実施形態により製造された歯車間のかみ合いモーメント比率の軌跡を示す図である。
【図１１】本発明に係る変形例の歯車装置を示す拡大断面図である。
【図１２】本発明に係る変形例の歯車の製造過程を示す模式図である。
【図１３】本発明に係る変形例の歯車と回転軸との接合部分を示す模式図である。
【図１４】本発明に係る他の変形例の歯車と回転軸との接合部分を示す模式図である。
【符号の説明】
１０，２１０ 大歯車
１３，３５，２４１ 接触部
２０，２００ 小歯車
３０，２４０ 回転軸
６１Ａ，６１Ｂ，７２ 金
６３ 金とすずとの共融混合物
７３ 金とシリコンとの共融混合物
１０７ 歯車装置である二番車
１０８ 歯車装置である三番車
１０９ 歯車装置である四番車
１１０ 歯車装置である五番車
１１１ 歯車装置である六番車
１１７ 増速輪列
２００ シリコンウエハ
【発明の属する技術分野】
本発明は、増速輪列を備えた時計に関する。
【０００２】
【背景技術】
従来より、時計などの小型の精密機器には、動力伝達装置として、多数の歯車を用いた輪列が多用されている。
このような歯車は、一般的に、大歯車と、この大歯車よりも歯数の少ない小歯車とを備えて構成され、各歯車の回転中心には、各歯車を貫通するように回転軸が取り付けられる。これらの各歯車は、この回転軸を中心にして駆動する。なお、小歯車と回転軸とは、一体に形成されている。また、これらの大歯車、小歯車および回転軸とで歯車装置が構成されている。
【０００３】
このような大歯車を構成する材料としては、一般的には、切削性が良くて小さい歯形を製造するのに適していることから、真鍮や、リン青銅、ベリリウム銅、洋白等が使用されている。
一方、小歯車を含む回転軸を構成する材料としては、１％程度の炭素を含む炭素鋼を焼き入れしたもの等が使用されている。この際、回転軸の先端部分であるほぞの大きさが０．１ｍｍ〜０．２ｍｍと非常に細いことから、歯車装置の組立時に、このほぞが変形しない程度の強度となる材料が使用されている。
このような歯車装置は、前述のような金属材料を切削して、大歯車および小歯車を含む回転軸をそれぞれ製造したあとに、大歯車の回転中心に回転軸を圧入することで製造される。
【０００４】
一方、時計においては、複数個の歯車装置を増速輪列とした動力伝達装置が利用されるが、各歯車における噛合い部分の増速比が大きいこと、歯車が一般の機器に比べて小さい割に誤差が同程度に有ること、噛合い部分の数が多いことにより、トルク伝達の安定性を大きく欠いていた。
従って、誤差の影響が特に大きい、各歯車の歯面が正確な面の位置からずれたピッチずれや、回転軸が回転中心からずれた偏心を抑えることが重要となっていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、現状の加工能力では、大歯車を加工する場合には、ピッチ誤差が５μｍ程度の精度で発生し、偏心が１０μｍ程度の精度で発生していた。一方、小歯車を加工する場合には、ピッチ誤差が５μｍ程度と大歯車と同じ精度で発生し、偏心は、回転軸と一体成形されていることから、２μｍ程度の精度で発生していた。このように、歯車装置を前述のような金属で製造した場合には、これ以上に精度を高めて加工することが難しいという問題があった。
【０００６】
そこで、特開平５−６４４６４号公報には、半導体製造の技術を応用して、硬度が高く、かつ高精度での加工が可能なシリコンで、歯車装置全体を一体成形する技術が示されている。
【０００７】
しかしながら、シリコンは、他の部材とすり合わせると摩耗しやすいので、特に、時計に使用する場合には、時計が２４時間使用されて、常に歯車装置が駆動し続けることを考慮すれば、すり合わせが最も頻繁に起こる回転軸での摩耗が発生しやすくなる。このため、回転軸の耐用年数、ひいては歯車装置の耐用年数が短くなるという問題があった。
【０００８】
また、歯車装置をシリコンで一体成型すると、回転軸の長さ寸法に応じた厚さのシリコンウエハを用意して加工する必要があり、材料費が嵩んでコストアップに繋がるという問題もあった。
【０００９】
このような問題は、一つの歯車と回転軸とからなる歯車装置や、小歯車と回転軸とが別体として成形された歯車装置等のその他の歯車装置においても同様であった。また、これらの歯車装置を時計において使用する場合に限らず、その他の機器において使用する場合にも同様な問題であった。
【００１０】
本発明の目的は、加工精度が高く耐久性に優れるとともに、安価に製造できる歯車装置、この歯車装置を備える動力伝達装置、および、この動力伝達装置を備える機器を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、香箱車内のぜんまいが解けるときの機械エネルギが増速輪列を介して調速機に伝達され、前記増速輪列の一方は前記香箱車の香箱歯車と噛み合うとともに、他方は前記調速機と噛み合っている時計において、前記増速輪列を構成する番車の回転軸上に指針が取り付けられるとともに、前記増速輪列を構成するすべての番車は、大歯車と、前記大歯車に比べて歯数の少ない小歯車と、前記小歯車と一体成形された回転軸とを備え、前記回転軸は、前記大歯車の回転中心を貫通して取り付けられており、前記大歯車は、鏡面研磨されたシリコンウエハからドライエッチングにより形成されたシリコン製であり、前記小歯車および前記回転軸は金属製であり、前記回転軸と前記大歯車とは、金とすずとの共融混合物でろう付けされることを特徴とする。
また、本発明は、香箱車内のぜんまいが解けるときの機械エネルギが増速輪列を介して調速機に伝達され、前記増速輪列の一方は前記香箱車の香箱歯車と噛み合うとともに、他方は前記調速機と噛み合っている時計において、前記増速輪列を構成する番車の回転軸上に指針が取り付けられるとともに、前記増速輪列を構成するすべての番車は、大歯車と、前記大歯車に比べて歯数の少ない小歯車と、前記小歯車と一体成形された回転軸とを備え、前記回転軸は、前記大歯車の回転中心を貫通して取り付けられており、前記大歯車は、鏡面研磨されたシリコンウエハからドライエッチングにより形成されたシリコン製であり、 前記小歯車および前記回転軸は金属製であり、前記回転軸は、前記大歯車に接触する接触部が金で被覆され、前記回転軸と前記大歯車とは、前記接触部において、金とシリコンとの共融混合物で接合されていることを特徴とする。
【００１２】
このような構成によれば、シリコンを用いて歯車を製造したので、金属を用いて製造する場合に比べて、加工精度の高い歯車を製造できる。また、回転軸は金属製であるため、歯車だけでなく回転軸もシリコン製とした場合に比べて、シリコンの使用量を減少でき、コストを抑えることができる。さらに、回転軸を、シリコンに比べて摩耗しにくい金属製としたので、回転軸、ひいては歯車装置の耐用年数を長くできる。
また、小歯車と回転軸とを一体成形したので、小歯車に対する回転軸の設置位置のずれによる偏心を抑えることができ、精度の高い歯車装置を製造できる。さらに、大歯車と小歯車の両方をシリコンで製造する場合に比べて、小歯車を安価な金属で製造するので、製造コストを抑えることができる。
本発明によれば、増速輪列とした場合には、各歯車での誤差が累乗された動力が伝達されることになるので、誤差の影響を抑えて、正確な動力を伝達できる。このため、伝達ロスの少ない高効率の動力伝達装置を提供することができる。
【００１９】
前記歯車は、他の歯車との噛合い部に注油して使用されることが好ましい。
このようにすれば、注がれた油の潤滑性により、噛合い部の耐摩耗性を向上できる。
【００２０】
さらに、前記シリコン製の歯車は、その両面が鏡面研磨されていることが好ましい。
ここで、歯車の両面とは、すなわち回転軸に直交する面のことである。
このようにすれば、表面を鏡面研磨したので、各面の油が噛合い部から他へ流れていかないようになり、保油性が向上するため、耐摩耗性を更に向上できる。
【００２１】
前記回転軸と前記シリコン製の歯車とは、金とすずとの共融混合物でろう付けされることが好ましい。
シリコン製の歯車に金属製の回転軸を圧入すると、シリコン製の歯車が割れるおそれがあるが、本発明では、共融混合物でろう付けしたので、歯車の割れを防止して、歯車装置の生産性を向上できる。
また、金とすずとの共融混合物を使用したので、この共融混合物の融解温度が一般的な金属に比べて比較的低いことから、金属製である回転軸の焼き鈍しを抑えて、硬度を維持できる。
【００２２】
前記回転軸は、前記シリコン製の歯車に接触する接触部が金で被覆され、前記回転軸と前記シリコン製の歯車とは、前記接触部において、金とシリコンとの共融混合物で接合されてもよい。
このような構成によれば、金とシリコンとの共融混合物で、歯車と回転軸とが接合されるので、歯車の割れを防止して、歯車装置の生産性を向上できる。また、金とシリコンの共融混合物で接合したので、この共融混合物の融解温度が一般的な金属に比べて比較的低いことから、金属製である回転軸の焼き鈍しを抑えて、硬度を維持できる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る歯車装置を適用した電子制御式機械時計の要部を示す平面図であり、図２及び図３はその断面図である。
【００２７】
電子制御式機械時計は、ゼンマイ１ａ、香箱歯車１ｂ、香箱真１ｃ及び香箱蓋１ｄからなる香箱車１を備えている。ゼンマイ１ａは、外端が香箱歯車１ｂ、内端が香箱真１ｃに固定されている。香箱真１ｃは、地板２と輪列受３に支持され、角穴車４と一体で回転するように角穴ネジ５により固定されている。
角穴車４は、時計方向には回転するが反時計方向には回転しないように、こはぜ６と噛み合っている。なお、角穴車４を時計方向に回転しゼンマイを巻く方法は、機械時計の自動巻または手巻機構と同様であるため、説明を省略する。
【００２８】
香箱歯車１ｂの回転は、歯車装置としての二番車１０７、三番車１０８、四番車１０９、五番車１１０および六番車１１１からなる増速輪列１１７を介して増速されて調速機１２０に伝達される。なお、香箱歯車１ｂの回転は７倍に増速され二番車１０７に伝達され、二番車１０７から三番車１０８へは８．０倍増速され、三番車１０８から四番車１０９へは７．５倍増速され、四番車１０９から五番車１１０へは６倍増速され、五番車１１０から六番車１１１へは１０倍増速され、六番車１１１からロータ１１２へは８倍増速されている。
【００２９】
増速輪列１１７の二番車１０７には筒かなが、筒かなには分針８が、四番車１０９には秒針９がそれぞれ固定されている。つまり、分針８、秒針９等の指針は、増速輪列１１７に結合されて輪列１１７の回転に伴い駆動される。
【００３０】
なお、地板２、輪列受３および二番受７には、ルビー製の軸受が圧入されており、この軸受は、各歯車装置１０７〜１１１の回転軸を支持するとともに、油により潤滑されている。
また、この油は、各歯車装置１０７〜１１２のかみ合い部分に注入されて、歯のかみ合い部分の潤滑性（摩擦係数低減および摩耗低減）を向上している。
【００３１】
電子制御式機械時計の調速機１２０は、磁石およびコイルからなる電磁ブレーキ式の調速機であり、具体的にはロータ１１２、ステータ１１５、コイルブロック１１６を備えて構成されている。
【００３２】
ロータ１１２は、ロータ磁石１１２ａ、ロータかな１１２ｂ、ロータ慣性円板１１２ｃから構成される。ロータ慣性円板１１２ｃは、香箱車１からの駆動トルク変動に対しロータ１１２の回転速度変動を少なくするためのものである。
【００３３】
コイルブロック１１６は、ステータの一部１１６ｃが一体とされた磁心１１６ａにコイル１１６ｂを巻線したものである。ステータ１１５は、ステータ体１１５ａにステータコイル１１５ｂを巻線したものであり、磁心１１６ａの一部で構成されるステータ１１６ｃにロータ１１２を挟んで対向する側に配置され、ネジ１２１でコイルブロック１１６の他端および地板に固定されている。ここで、ステータ１１５と磁心１１６ａ、磁心１１６ａに一体のステータ１１６ｃはＰＣパーマロイ等で構成されている。また、コイル１１６ｂは、出力電圧の変動を検出することでロータ１１２の回転を検出するように構成されている。
【００３４】
図４には、本実施形態の電子制御式機械時計の構成を示すブロック図が示されている。
電子制御式機械時計は、機械的エネルギ源としてのゼンマイ１ａと、ゼンマイ１ａのトルクを発電機１２０に伝達する増速輪列１１７と、増速輪列１１７に連結されて時刻表示を行う時刻表示装置である指針１１８とを備えている。
【００３５】
発電機１２０は、増速輪列１１７を介してゼンマイ１ａによって駆動され、誘起電力を発生して電気的エネルギを供給する。この発電機１２０からの交流出力は、整流回路１２５を通して昇圧、整流され、コンデンサ（蓄電装置）１２６に充電供給される。
【００３６】
このコンデンサ１２６から供給される電力によってワンチップＩＣで構成された回転制御装置１５０が駆動される。この回転制御装置１５０は、図４に示すように、発振回路１５１、ロータの回転検出回路１５２およびブレーキの制御回路１５３を備えて構成されている。
【００３７】
発振回路１５１は、時間標準源である水晶振動子１５１Ａを用いて発振信号（３２７６８Ｈｚ）を出力し、この発振信号を所定の分周回路で分周し、基準信号ｆｓとして制御回路１５３に出力している。
【００３８】
回転検出回路１５２は、発電機１２０から出力される発電波形からロータの回転速度を検出し、その回転検出信号ＦＧ１を制御回路１５３へ出力する。
制御回路１５３は、基準信号ｆｓに対する回転検出信号ＦＧ１の位相差等に基づいて発電機（調速機）１２０にブレーキ信号を入力し、調速している。
【００３９】
本実施形態では、このような電子制御式機械時計において、各番車１０７〜１１１を本発明に係る歯車装置として適用している。従って、この電子制御式機械時計によって、増速輪列（動力伝達装置）を備えた機器が構成されている。
【００４０】
図５は、増速輪列１１７を構成する一歯車装置を示す拡大断面図である。
各歯車装置１０７〜１１１は、大歯車１０と、この大歯車１０の回転中心に取り付けられる回転軸３０とを備え、この回転軸３０には、大歯車１０に比べて歯数の少ない小歯車２０が、大歯車１０に対向するように一体成形される。
【００４１】
各歯車装置１０７〜１１１のそれぞれの構成および製造方法は、略同様であるので、ここでは、三番車１０８を例に挙げて、歯車装置の構成および製造方法について説明する。
なお、三番車１０８以外のその他の歯車装置（二番車１０７、四番車１０９、五番車１１０、六番車１１１）については、その説明を省略する。
【００４２】
大歯車１０は、その厚さ（図中の上下方向の寸法）が０．１４ｍｍであって、そのモジュールが０．０７７６ｍｍ、歯数７５枚のシリコン製の歯車である。
大歯車１０の外周側（図中の左右端縁）には、隣接する他の歯車装置（四番車１０９）の小歯車２０とかみ合って、自身の回転を伝達するための複数個の歯１１が形成される。また、大歯車１０の回転中心には、回転軸３０が貫通して取り付けられる開口部１２が形成されている。
【００４３】
回転軸３０は、１％程度の炭素を含有する炭素鋼によって形成され、棒状の本体３１と、本体３１の一端側に形成され、かつ本体３１より径寸法の大きい支持体３２と、この支持体３２の一端側に形成され、かつ本体３１よりも径寸法の小さい第１突出部３３と、本体３１の他端側に一体成形された小歯車２０の他端側に形成され、かつ本体３１よりも径寸法の小さい第２突出部３６とを備える。
【００４４】
小歯車２０は、そのモジュールが０．０８１５ｍｍに形成された炭素鋼製の歯車である。
小歯車２０の外周側（図中の左右端縁）には、隣接するその他の歯車装置（二番車１０７）の大歯車１０とかみ合って、その大歯車１０の回転が伝達される複数個の歯２１が形成される。
【００４５】
支持体３２は、小歯車２０と略同じ径寸法を有し、大歯車１０の開口部１２に挿入される挿入部３４と、大歯車１０の表面１０Ａ（図中下側の面）に接触する接触部３５とを備える。
第１突出部３３は、他端側に向かって突出するように形成され、その先端部分であるほぞ３３Ａは、０．１ｍｍの径寸法を有するとともに、図示しない軸受けで支持されている。
また、第２突出部３６は、一端側に向かって突出するように形成され、その先端部分であるほぞ３６Ａは、０．１ｍｍの径寸法を有するとともに、図示しない軸受けで支持されている。
【００４６】
次に、シリコン製の大歯車１０の製造方法について、図６を参照して説明する。図６は、大歯車１０の製造過程を示す模式図である。
【００４７】
<1-1> 準備工程
０．１４ｍｍの厚さ寸法Ｔを有し、その表面（図中上面）２００Ａおよび裏面（図中下面）２００Ｂが、表面粗さを示す算術平均粗さ（Ｒａ）が１ｎｍ程度に鏡面研磨された円板状のシリコンウエハ（Ｓｉ）２００を準備する（図６（Ａ））。
【００４８】
<1-2> 酸化工程
次に、シリコンウエハ２００を約９００度の高温のスチーム雰囲気にさらして、シリコン（Ｓｉ）と酸素（Ｏ2）とを反応させ、シリコンウエハ２００の表裏面２００Ａ，２００Ｂに酸化膜（ＳｉＯ2膜）２０１を形成する（図６（Ｂ））。
なお、前述のようなスチーム雰囲気とせずに、乾燥した雰囲気下で酸化反応処理を施しても良い。ただし、スチーム雰囲気下のほうが、酸化膜の成長速度が速いという利点がある。
【００４９】
<1-3> フォトレジスト塗布工程
シリコンウエハ２００の酸化膜２０１の表面側に、フォトレジスト（感光性樹脂）を滴下した後に、シリコンウエハ２００を高速回転させて、フォトレジストの薄膜であるレジスト膜２０２を形成する（図６（Ｃ））。
なお、このフォトレジストは、後述する現像工程において、光が照射された部分が除去されることになるポジ型のものが使用される。
【００５０】
<1-4> 露光工程
次に、シリコンウエハ２００を露光装置であるステッパに設置する。このステッパでは、紫外線を射出する光源２０５とシリコンウエハ２００との間に、除去したい部分が開口された開口部２０６Ａを有するマスク２０６を配置し、光源２０から、マスク２０６を介して、シリコンウエハ２００の表面側のレジスト膜２０２に紫外線を照射する。すると、シリコンウエハ２００のレジスト膜２０２には、除去したい部分を示すマスクパターン２０２Ａが転写（露光）される（図６（Ｄ））。従って、マスク２０６を大歯車１０の平面形状と同じ形状にしておけば目的形状の大歯車１０が得られることになる。
なお、このレジスト膜２０２上のマスクパターン２０２Ａ部分は、紫外線の照射により、アルカリ溶液に可溶な化学構造に変化している。
【００５１】
<1-5> 現像工程
露光されたシリコンウエハ２００をアルカリ性の現像液により、マスクパターン２０２Ａに対応する部分のレジスト膜２０２を除去する（図６（Ｅ））。
【００５２】
<1-6> 酸化膜のエッチング工程
真空のチャンバ内に、現像されたシリコンウエハ２００を配置して、ドライエッチング加工を行い、露光部分２０１Ａを除去する（図６（Ｆ））。
【００５３】
<1-7> フォトレジスト膜の剥離工程
次に、残存するレジスト膜２０２の表面に、酸素プラズマ等による灰化処理を行い、レジスト膜２０２を、ウェットエッチングまたはドライエッチングにより除去する。
そして、このレジスト膜２０２が除去されたシリコンウエハ２００を、ダイサーシート２０３の上に貼付して、後述する異方性ドライエッチング工程の後に、加工された歯車が紛失しないようにしておく（図６（Ｇ））。
なお、ダイサーシート２０３は、表面に紫外線硬化型接着剤が塗布されたポリイミド等の樹脂製のシートである。また、紛失等の心配がなければ、ダイサーシート２０３はなくてもよい。
【００５４】
<1-8> シリコンウエハのエッチング工程
ＲＩＥ（reactive ion etching）により、シリコンウエハ２００の表面２００Ａに対して垂直な方向にエッチング加工（異方性ドライエッチング加工）を施して、シリコンウエハ２００のエッチング加工を正確に行う。そして、シリコンウエハ２００のエッチング部２００Ｃを除去する。
続いて、ダイサーシート２０３とシリコンウエハ２００との接着部分に、紫外線を照射して接着剤を硬化させ、ダイサーシート２０３とシリコンウエハ２００とを分離する（図６（Ｈ））。
【００５５】
<1-9> 酸化膜の除去工程
エッチング加工されたシリコンウエハ２００を、フッ化水素溶液に浸して、酸化膜を除去する（ウェットエッチング加工）。その後、シリコンウエハ２００の表面に、所定の後処理を施して、目的形状の大歯車１０を得ることができる（図６（Ｉ））。
【００５６】
なお、小歯車２０および回転軸３０は、一般的な方法により、炭素鋼を用いて製造されるので、その説明を省略する。
【００５７】
次に、大歯車１０に、小歯車２０を含む回転軸３０を取り付けて、歯車装置１０７〜１１１を製造する手順について、図５および図７を参照して説明する。
図７は、大歯車と回転軸との接合部分を示す模式図である。
【００５８】
［1-1］ 準備工程
炭素鋼（Ｆｅ-Ｃ）製の支持体３２の接触部３５を、金（Ａｕ）６１Ａによってメッキ加工を施す。
一方、シリコン製の大歯車１０の表面１０Ａの接触部１３には、クロム（Ｃｒ）層６２をスパッタリング加工する。具体的には、クロムに高エネルギのアルゴン原子をぶつけて、アルゴン原子に叩かれて飛び出してくるクロム原子を、接触部１３に付着させる。
【００５９】
このクロム層６２は、網状の構成となっているため、その網目の隙間から大歯車１０のシリコンが外部に露出することになる。
さらに、そのクロム層６２の上から、金６１Ｂによってメッキ加工を施す。この際、金とシリコンとの原子量比が、金７０原子量％で、シリコン３０原子量％となるように、つまり共晶結合状態となるように金６１Ａ，６１Ｂの量を調整しながら、メッキ加工を施す。
【００６０】
［1-2］ 共融混合物による溶接工程
支持体３２の挿入部３４を大歯車１０の開口部１２に挿入し、支持体３２において金メッキ加工された接触部３５と、大歯車１０において金メッキ加工された接触部１３とを接触させた状態で、３７３度で３０〜６０分間加熱する。すると、メッキ加工された金６１Ａ，６１Ｂと大歯車１０のシリコンとが共融混合物となって、大歯車１０と支持体３２を含む回転軸３０とが溶接される。
なお、３７３度は焼き入れした炭素鋼（Ｆｅ-Ｃ）の硬度を低下させるが、実用上問題の無いレベルである。
以上のようにして、大歯車１０に回転軸３０が取り付けられる。
【００６１】
このようにして得られた歯車装置１０７〜１１１の性能を、従来の方法で製造された歯車装置等と比較しながら、二番車１０７と三番車１０８とのかみ合いで説明する（図３参照）。
なお、二番車１０７における大歯車１０の歯１１の数は７２枚であり、モジュールは０．０８１５ｍｍである。一方、三番車１０８における小歯車２０の歯２１の数は９枚であり、モジュールは０．０８１５ｍｍである。各歯車１０，２０の中心距離は３．３ｍｍである。このように、大歯車１０の歯数が小歯車２０の歯数以上であるため、増速輪列となる。
【００６２】
本実施形態の方法で得られた大歯車１０は、ピッチ誤差が１μｍ以下であり、偏心が１μｍ以下である。一方、小歯車２０は、従来と同様の方法で製造しているため、ピッチ誤差が５μｍであり、偏心が２μｍである。
このため、本実施形態の大歯車１０と小歯車２０とのかみ合い部では、ピッチ誤差が略５μｍであり、偏心が略２μｍとなる。
【００６３】
また、従来の大歯車は、ピッチ誤差が５μｍであり、偏心が１０μｍである。そして、小歯車は、ピッチ誤差が５μｍであり、偏心が２μｍである。
このため、従来の大歯車と小歯車とのかみ合い部では、ピッチ誤差が１０μｍであり、偏心が１２μｍとなる。
【００６４】
これらをまとめて、本実施形態の方法で得られた歯車装置１０７〜１１１と、理想の形状に製造された場合の歯車装置と、従来の方法で製造された歯車装置との、ピッチ誤差および偏心の精度は、次の表１のようになる。
【００６５】
【表１】
さらに、図８〜図１０を参照して、歯車装置１０７〜１１１の性能を、大歯車１０および小歯車２０のかみ合いモーメント比率［％］に換算して説明する。
【００６７】
ここで、モーメント比率とは、トルクの伝達を示す指標であり、１００％に近いことが理想である。すなわち、モーメント比率が１００％を越えると、大歯車１０は小歯車２０にトルクを大きく伝えすぎることになり、１００％に満たない場合には、トルクを伝えきれないことになる。
【００６８】
このため、ゼンマイ１ａからのトルクをロータに伝達する際に、トルクが大きすぎると、電子制御式機械時計の制動限界を超えてしまうために進みが発生する。このためには、発電機を大きくして制動力を高めなければならない。その結果、発電機が大きくなって時計が大型化し、かつ持続時間も減ってしまうという問題が発生する。
さらに、モーメント比率が１００％を越える（高くなる）ところでは、滑りが大きく発生するため、摩耗が多く発生し、寿命が短くなる。
【００６９】
一方、トルクが小さすぎると、十分なトルクを伝達するために、駆動力を高めなければならず、持続時間が減ってしまうという問題がある。
従って、モーメント比率は１００％に近いことが望ましいことになる。
【００７０】
図８は、歯車間の中心距離を変化させた場合における、理想通りに形成された大歯車および小歯車のかみ合いのモーメント比率の軌跡を示す図である。
なお、図中の近寄り遠のきの比［％］とは、噛合う２つの歯車の中心を結んだ線に対して、両歯車の接点の位置を示す物であり、近寄り（マイナス側）から遠のき（プラス側）両方で１００％になる。
理想通りに形成された大歯車および小歯車のかみ合いのモーメント比率は、図に示すように、９４％〜９８％の範囲の値となる。
【００７１】
図９は、従来実施されていた方法により製造された大歯車および小歯車の、製造誤差（ピッチ誤差、偏心）を含んだモーメント比率の軌跡を示す図である。
なお、両歯車において、ピッチ誤差がプラス方向（歯面同士の間隔が開く方向）への誤差として発生した場合とマイナス方向（歯面同士の間隔が近づく方向）への誤差として発生した場合、また、偏心が、プラス方向（中心距離を遠ざける方向）への誤差として発生した場合とマイナス方向（中心距離を近づける方向）への誤差として発生した場合、の組み合わせとしての４パターンについて、モーメント比率の範囲を求めた。
従来実施されていた方法により製造された大歯車および小歯車のかみ合いのモーメント比率は、図に示すように、７４％〜１１６％に範囲の値となる。
【００７２】
図１０は、本実施形態により製造された大歯車１０および小歯車２０の、製造誤差（ピッチ誤差、偏心）を含んだモーメント比率の軌跡を示す図である。
なお、図９と同様の４パターンについて、モーメント比率の範囲を求めた。本実施形態により製造された大歯車１０および小歯車２０のかみ合いのモーメント比率は、図に示すように、８５％〜１０５％の値となっていた。
【００７３】
このような図８〜図１０に示す各歯車装置における、モーメント比率の最小値(min.）および最大値（max.）を表２に示す。
【００７４】
【表２】
また、従来の歯車装置に対する本実施形態の歯車装置における大小歯車間の改善度、およびこの歯車を５段輪列とした際の改善度を、表３に示す。
なお、大小歯車間の改善度とは、本実施形態の歯車装置が、従来の歯車装置に比べて、モーメント比率の最小値(min.)および最大値（max.）において、理想のモーメント比率（１００％）にどれだけ近づいたかを示す指標（単位：［％］）である。
具体的には、最小値(min.)の場合には、（８５／７４−１）×１００＝１５［％］となる。一方、最大値(max.)の場合には、（１１６／１０５−１）×１００＝１０［％］となる。
【００７６】
また、５段輪列とした際の改善度とは、前記歯車装置を５段の輪列として使用した場合の改善度であり、モーメント比率の最小値(min.)および最大値（max.）における前記改善度のべき乗（５乗）で示される。
具体的には、最小値(min.)の場合には、（（（１００＋１５）／１００）＾５−１）×１００＝１００［％］となる。一方、最大値(max.)の場合には、（（（１００＋１０）／１００）＾５−１）×１００＝６０［％］となる。
【００７７】
【表３】
このような本実施形態の歯車装置では、従来の歯車装置に比べて、モーメント比率の範囲が理想の範囲に近づいており、改善されている。
【００７９】
具体的には、本実施形態では、大小歯車間のモーメント比率が１００％よりも小さい場合において、大小歯車間の改善度が１５％向上しており、このため、駆動力が１５％弱いゼンマイでも、同等のトルク伝達を達成できる。
また、５段輪列とした際の改善度が１００％向上しており、このため、仕様トルクの半分のトルクで駆動できることとなり、持続時間を２倍とすることができる。
【００８０】
一方、大小歯車間のモーメント比率が１００％を越える場合において、大小歯車間の改善度が１０％向上しており、このため、制動力を１０％弱くしても同等のトルク伝達を達成できる。
また、５段輪列とした際の改善度が６０％向上しており、このため、制動力を６０％弱くしても同等のトルク伝達を達成できることとなり、発電量の小さな発電機を採用できる。また、同じ発電機を使用する場合には、持続時間を６０％伸ばすことができる。
【００８１】
以上のような本実施形態によれば、以下のような効果がある。
(1) シリコンを用いて大歯車１０を製造したので、金属を用いて製造する場合に比べて、加工精度の高い大歯車１０を製造できる。
【００８２】
(2) 回転軸３０を炭素鋼で製造したので、シリコンで大歯車１０、小歯車２０および回転軸３０を有する歯車装置を製造する場合に比べて、シリコンの使用量を減少でき、コストを抑えることができる。
【００８３】
(3) 回転軸３０を炭素鋼製としたので、炭素鋼のほうがシリコンよりもすり合わせによる摩耗が発生しにくいから、回転軸３０が最もすり合わせを起こしやすいことを考慮すれば、回転軸３０、ひいては歯車装置１０７〜１１１の耐用年数を長くできる。
【００８４】
(4) 小歯車２０と回転軸３０とを一体成形したので、小歯車２０に対する回転軸３０の設置位置のずれによる偏心を抑えることができ、精度の高い歯車装置１０７〜１１１を製造できる。さらに、大歯車１０と小歯車２０の両方をシリコンで製造する場合に比べて、小歯車２０を安価な金属で製造するので、製造コストを抑えることができる。
【００８５】
(5) 大歯車１０のモジュールを０．０８１５ｍｍとし、小歯車２０のモジュールも０．０８１５ｍｍとしたので、歯車１０，２０が比較的小さい場合には、歯車１０，２０における加工精度の誤差の影響が相対的に大きくなることを考慮すれば、比較的大きな歯車に比べて、誤差の影響を抑えることができ、効果的である。
【００８６】
(6) 金とシリコンとの共融混合物として、大歯車１０と回転軸３０とを溶接したので、大歯車１０に回転軸３０を圧入して歯車装置１０７〜１１１を製造する場合に比べて、大歯車１０の割れを防止して、歯車装置１０７〜１１１の生産性を向上できる。また、金とシリコンとの共融混合物で溶接したので、接合強度を高めることができるとともに、比較的低温短時間で接合したので、金属製の回転軸の焼き鈍しを抑えて、回転軸の硬度を維持できる。
【００８７】
(7) 鏡面研磨したシリコンウエハ２００を用いて大歯車１０を製造したので、噛合い部に滴下した油が、自身の表面張力によって表面１０Ａに広がることがないから、歯車１０，２０間のかみ合い部に油を留めることができ、長期に渡って歯車１０，２０のかみ合い部分の潤滑性を確保できる。このため、増速輪列１１７を形成した際に、正確な動力を伝達できるうえ、歯車装置１０７〜１１１の耐用年数を向上できる。
【００８８】
(8) シリコンウエハ２００の加工において、異方性エッチング加工を利用したので、異方性エッチング加工が特定方向のみへのエッチング加工であることから、精度の高い大歯車１０を製造できる。
【００８９】
(9) 歯車装置１０７〜１１１を用いて増速輪列１１７を構成したので、これらの歯車装置１０７〜１１１が高精度であることから、正確な動力を伝達できる。また、増速輪列１１７では、各歯車装置１０７〜１１１での誤差が累乗された動力が伝達されることになるので、誤差の影響を抑えて、正確な動力を伝達できる。このため、伝達ロスの少ない高効率の動力伝達装置を提供できる。
【００９０】
(10) 正確な動力を伝達できる増速輪列１１７を備えて時計を構成したので、作動時の効率を向上でき、省エネルギー化が図れ、長時間作動可能な時計を提供できる。
【００９１】
なお、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記実施形態では、歯車装置１０７〜１１１を、大歯車１０とこの大歯車１０よりも歯数の少ない小歯車２０とを備えて構成したが、これに限らず、アイドラーのように、大歯車１０または小歯車２０のどちらか一方が、つまり一つの歯車のみが回転軸３０に取り付けられたものであってもよい。要するに、少なくとも１つの歯車と回転軸とを備えた歯車装置であればよい。
【００９２】
また、前記実施形態では、歯車装置１０７〜１１１を、大歯車１０とこの大歯車１０よりも歯数の少ない小歯車２０とを一つずつ備えて構成したが、これに限らず、大歯車１０および小歯車２０を合わせて３個以上備えた構成としてもよい。さらには、大歯車１０と小歯車２０との寸法を、同じものとしてもよい。
ただし、時計等の機器では、歯車装置１０７〜１１１が輪列として使用されることが多いので、大小の歯車１０，２０が一つずつ取り付けられたものが一般的であり、汎用性が高いという利点がある。
【００９３】
前記実施形態では、小歯車２０と回転軸３０とを炭素鋼によって、一体成形したが、これに限らず、別体であってもよい。ただし、前記実施形態のほうが、偏心を抑えて製造誤差を小さくできる利点がある。
【００９４】
また、前記実施形態では、小歯車２０および回転軸３０を炭素鋼で製造したが、これに限らず、鉄やステンレス鋼等のその他の金属で製造してもよい。ただし、炭素鋼製のほうが耐摩耗性や切削性が高いという利点がある。
【００９５】
前記実施形態では、大歯車１０のモジュールを０．０８１５ｍｍとし、小歯車２０のモジュールを０．０８１５ｍｍとしたが、これに限らず、任意の大きさとしてよい。ただし、モジュールが０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲にあることが好ましい。要するに、原料となるシリコンのコストや、加工適性、加工誤差の影響等を考慮して大きさを特定すればよい。
【００９６】
また、本発明に係る歯車装置１０７〜１１１は、前記実施形態には限定されず、図１１に示すように、大歯車２１０およびこの大歯車２１０に比べて歯数の少ない小歯車２２０が一体成型されたシリコン製の歯車部２３０と、これらの歯車部２３０の回転中心に取り付けられる金属製の回転軸２４０とを備えて構成してもよい。
【００９７】
この際、回転軸２４０には、大歯車２１０の径方向に沿う方向に延出するとともに、大歯車２１０の下面２１０Ｂに当接する接触部２４１が形成されており、この接触部２４１および大歯車２１０の面２１０Ｂが、前述の共融混合物による溶接等により接着されればよい。
【００９８】
また、このような歯車部２３０は、前述のシリコンウエハ２００よりも厚さのある、例えば０．７ｍｍのシリコンウエハ等から製造できる。なお、歯車部２３０と回転軸２４０とは、前述と同様にろう付けや溶接等で接着されればよい。
【００９９】
このようにすれば、大歯車２１０と小歯車２２０とを一体成形して歯車部２３０を構成したので、大歯車２１０と小歯車２２０とが別体の場合に比べて、管理すべき部材の点数が減少し、歯車２１０，２２０ひいては歯車装置１０７〜１１１の管理を容易にすることができ、さらに歯車装置１０７〜１１１の組立て作業も簡単にできる。
【０１００】
また、各歯車２１０，２２０の回転中心毎にそれぞれ加工を施す場合に比べて、一体成形された歯車部２３０の回転中心に一回だけ加工を施せばよいので、加工の回数が減少するから、偏心を抑えて、精度の高い歯車装置１０７〜１１１を製造できる。
【０１０１】
さらに、接触部２４１と大歯車２１０の下面２１０Ｂとが接触するようにしたので、接触部２４１と下面２１０Ｂとの間に共融混合物や接着剤等が挿入しやすいので、歯車部２３０と回転軸２４０とを簡単に接着できる。
【０１０２】
また、大歯車１０の製造方法は、前記実施形態には限定されず、図１２に示す方法であってもよい。具体的には以下の通りである。
【０１０３】
<2-1> 準備工程
前記実施形態と全く同じ、シリコンウエハ（Ｓｉ）２００を準備する（図１２（Ａ））。
【０１０４】
<2-2> フォトレジスト塗布工程
シリコンウエハ２００の表面側（図中、上側）に、フォトレジスト（感光性樹脂）を滴下した後に、シリコンウエハ２００を高速回転させて、フォトレジストの薄膜であるレジスト膜２０２を形成する（図１２（Ｂ））。なお、このフォトレジストは、前述と同じポジ型のものが使用される。
【０１０５】
<2-3> 露光工程
前述と同様に、紫外線を射出する光源２０５とシリコンウエハ２００との間に、除去したい部分が開口された開口部２０６Ａを有するマスク２０６を配置し、光源２０５から、マスク２０６を介して、シリコンウエハ２００の表面側のレジスト膜２０２に紫外線を照射して、レジスト膜２０２にマスクパターン２０２Ａを転写（露光）する（図１２（Ｃ））。
【０１０６】
<2-4> 現像工程
露光されたシリコンウエハ２００をアルカリ性の現像液により、マスクパターン２０２Ａに対応する部分のレジスト膜２０２を除去する（図１２（Ｄ））。
【０１０７】
<2-5> シリコンウエハのエッチング工程
前述と同様に、ＲＩＥ（reactive ion etching）により、シリコンウエハ２００を正確にエッチング加工し、シリコンウエハ２００におけるエッチング部２００Ｃを除去する（図１２（Ｅ））。
【０１０８】
<2-6> フォトレジスト膜の剥離工程
次に、残存するレジスト膜２０２の表面に、酸素プラズマ等による灰化処理を行い、レジスト膜２０２を、ウェットエッチングまたはドライエッチングにより除去する。その後、シリコンウエハ２００の表面に、所定の後処理を施して、目的形状の大歯車を得る（図１２（Ｆ））。
【０１０９】
このような方法によれば、前記実施形態に比べて、工程数を減少することができる。ただし、シリコンウエハ２００が、空気中において酸化しやすいことを考慮すれば、前記実施形態では意図的にシリコンウエハ２００を酸化させているので、前記実施形態のほうが、シリコンウエハ２００の酸化を気にする必要がなく、比較的簡単に加工できる。
【０１１０】
なお、シリコン製の歯車の製造方法は、一般的な半導体の製造技術等を参考に、製造されればよく、前記方法に限定されるものではない。
【０１１１】
また、前記実施形態では、シリコンと金との共融混合物として、大歯車１０と回転軸３０とを溶接したが、これに限らず、大歯車１０と回転軸３０とを取り付けて、歯車装置１０７〜１１１を製造する手順は、例えば、図１３に示す手順であってもよい。具体的には、以下の通りである。
【０１１２】
［2-1］ 準備工程
前述と同様に、シリコン製の大歯車１０の表面１０Ａの接触部１３に、クロム（Ｃｒ）層６２をスパッタリングし、このクロム層６２の上から、金（Ａｕ）６１Ｂによってメッキ加工を施す。
一方、炭素鋼（Ｆｅ-Ｃ）製の回転軸３０の支持体３２における接触部３５には、特に加工は施さない。
【０１１３】
［2-2］ 共融混合物を用いたろう付け工程
予め、金とシリコンとの重量比が、金８０重量％で、すず２０重量％である共融混合物（Ａｕ−Ｓｎ）６３を準備する。
そして、支持体３２の挿入部３４を大歯車１０の開口部１２に挿入し、支持体３２の接触部３５と、大歯車１０の金メッキ加工された接触部１３との間に、前述の共融混合物６３を配置し、接触部１３，３５同士を接触させた状態で、２７３度で５〜１０分間加熱する。すると、共融混合物６３が融解して、大歯車１０と支持体３２を含む回転軸３０とが溶接される。なお、温度が２７３度だと、わずかに炭素鋼（Ｆｅ-Ｃ）の焼きが戻ってしまうが、短時間であるため、その影響はほとんどない。
以上のようにして、大歯車１０に回転軸３０が取り付けられる。
【０１１４】
このような方法によれば、シリコン製の大歯車１０に炭素鋼製の回転軸３０を圧入して取り付ける場合に比べて、共融混合物６３でろう付け加工したので、シリコン製の大歯車１０の割れを防止して、歯車装置１０７〜１１１の生産性を向上できる。
また、金とすずとの共融混合物６３を使用したので、この共融混合物６３の融解温度が２７３度であって、一般的な金属に比べて比較的低いことから、炭素鋼製である回転軸３０の焼き鈍しを抑えて、硬度を維持できる。
【０１１５】
さらに、大歯車１０と回転軸３０とを取り付けて、歯車装置１０７〜１１１を製造する手順は、図１４に示す手順であってもよい。具体的には、以下の通りである。
【０１１６】
［3-1］ 準備工程
シリコン製の大歯車１０を空気中に放置して、大歯車１０の表面１０Ａの接触部１３に、二酸化珪素（ＳｉＯ2）の自然酸化膜７１を形成する（図１４（Ａ））。
一方、炭素鋼（Ｆｅ-Ｃ）製の支持体３２の接触部３５に、金（Ａｕ）７４をメッキしておく（図１４（Ｄ））。
【０１１７】
［3-2］ エッチング工程およびスパッタリング工程
前記実施形態にて使用した、ＲＩＥによるエッチング加工やドライエッチング加工等により、自然酸化膜７１に対して所定の形状にエッチング加工を施す。
そして、エッチング加工されたシリコン製の大歯車１０の接触部１３に、金（Ａｕ）７２をスパッタリング加工する（図１４（Ｂ））。
【０１１８】
［3-3］ 共融混合物作製工程
スパッタリング加工された大歯車１０を３７３度まで加熱して、エッチング加工がなされた部分に、大歯車１０のシリコンと金７２との共融混合物（Ａｕ−Ｓｉ）７３を作製する（図１４（Ｃ））。
【０１１９】
［3-4］ 共融混合物による溶接工程
まず、前記実施形態と同様の方法（ウェットエッチング加工）で、自然酸化膜７１を除去する。
次いで、支持体３２において金メッキ加工された接触部３５と、大歯車１０において共融混合物７３が施された接触部１３とを接触させて、３７３度で３０〜６０分間加熱する。すると、共融混合物７３によって大歯車１０と支持体３２を含む回転軸３０とが溶接される（図１４（Ｄ））。なお、これらの工程は、同一真空中で処理される。
以上のようにして、大歯車１０に回転軸３０が取り付けられる。
【０１２０】
大歯車１０と回転軸３０とを取り付けて、歯車装置１０７〜１１１を製造する手順は、特に限定されるものではない。要するに、大歯車１０と回転軸３０とが、外れないように接着されればよい。このため、前述の共融混合物によるろう付けや溶接に限らず、例えば、接着剤等を用いて接着してもよい。
また、前記実施形態では、回転軸３０に支持体３２を設け、その支持体３２の接触部３５と大歯車１０の表面１０Ａとで接合していたが、特に支持体３２を設けずに、回転軸３０と大歯車１０の開口部１２における側面とを、接着剤等で接合してもよい。ただし、前記実施形態の方が、確実に接合できる利点がある。
【０１２１】
本発明は、前記実施形態のような平歯車に適用する場合に限らず、はすば歯車、やまば歯車等のねじれ角を有する歯車などの各種歯車に広く適用することができる。
【０１２２】
さらに、本発明の歯車装置は、電子制御式機械時計の輪列に限らず、一般的な機械時計の輪列に適用してもよい。このようにした場合も、前記実施形態と同様の効果が得られる。
この際、一般的な機械時計の場合には、主に歯車のかみ合い段が３段であることから、前記実施形態における改善度等の結果を参照すれば、３段輪列とした場合のトルクの伝達を５０％向上できる。このため、ゼンマイのトルクを小さくして巻数を大きくすることで、１．５倍の接続時間の向上が図れる。
さらに、ガンギ車やアンクル、テンプ等の脱進器に一定のトルクを安定して供給でき、高精度の時計を実現できる。
【０１２３】
また、本発明の歯車装置は、モータの駆動を減速輪列で針を駆動するクオーツ時計の輪列に利用してもよい。このようにすれば、モータの駆動トルクを安定して伝達できるため、駆動トルクの小さい低消費電力で動くモータを採用でき、電池寿命の長い時計を実現できる。
【０１２４】
本発明の歯車装置の用途としては、時計用の輪列に限らず、その他の各種の動力伝達装置の歯車として利用可能である。
また、この歯車を備えた動力伝達手段を有する機器としても、時計に限らず、オルゴール、玩具、タイマー等の歯車装置で動力を伝達する機器に適宜利用可能である。
特に、本発明では、シリコンウエハの価格を考慮すれば、なるべくシリコンの使用量を減らために、マイクロマシン等の小型機器内に組み込む小さい歯車装置に適用することが望ましい。
【０１２５】
また、前記実施形態のように、本発明の歯車装置は、増速輪列、減速輪列のいずれでも利用できるが、特に、改善度を大幅に向上できる点で、増速輪列に用いることがより効果的である。
【０１２６】
【発明の効果】
本発明によれば、歯車をフォトリソグラフィー等によるシリコン製としたので、歯車を金属製造とする場合に比べて、加工精度の高い歯車を製造できる。
また、回転軸を金属製としたので、歯車だけでなく回転軸もシリコン製とした場合に比べて、シリコンの使用量を減少でき、コストを抑えることができる。そのうえ、回転軸を、シリコンに比べて摩耗しにくい金属製としたので、回転軸、ひいては歯車装置の耐用年数を長くできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る歯車装置を適用した電子制御式機械時計の要部を示す平面図である。
【図２】前記実施形態の電子制御式機械時計の要部を示す断面図である。
【図３】前記実施形態の電子制御式機械時計の要部を示す断面図である。
【図４】前記実施形態の電子制御式機械時計の構成を示すブロック図である
【図５】前記実施形態の歯車装置を示す拡大断面図である。
【図６】前記実施形態における歯車の製造過程を示す模式図である。
【図７】前記実施形態における歯車と回転軸との接合部分を示す模式図である。
【図８】理想通りに形成された歯車間のかみ合いモーメント比率の軌跡を示す図である。
【図９】従来実施されていた方法により製造された歯車間のかみ合いモーメント比率の軌跡を示す図である。
【図１０】本実施形態により製造された歯車間のかみ合いモーメント比率の軌跡を示す図である。
【図１１】本発明に係る変形例の歯車装置を示す拡大断面図である。
【図１２】本発明に係る変形例の歯車の製造過程を示す模式図である。
【図１３】本発明に係る変形例の歯車と回転軸との接合部分を示す模式図である。
【図１４】本発明に係る他の変形例の歯車と回転軸との接合部分を示す模式図である。
【符号の説明】
１０，２１０ 大歯車
１３，３５，２４１ 接触部
２０，２００ 小歯車
３０，２４０ 回転軸
６１Ａ，６１Ｂ，７２ 金
６３ 金とすずとの共融混合物
７３ 金とシリコンとの共融混合物
１０７ 歯車装置である二番車
１０８ 歯車装置である三番車
１０９ 歯車装置である四番車
１１０ 歯車装置である五番車
１１１ 歯車装置である六番車
１１７ 増速輪列
２００ シリコンウエハ
Claims (2)
- 香箱車内のぜんまいが解けるときの機械エネルギが増速輪列を介して調速機に伝達され、前記増速輪列の一方は前記香箱車の香箱歯車と噛み合うとともに、他方は前記調速機と噛み合っている時計において、
前記増速輪列を構成する番車の回転軸上に指針が取り付けられるとともに、
前記増速輪列を構成するすべての番車は、
大歯車と、前記大歯車に比べて歯数の少ない小歯車と、前記小歯車と一体成形された回転軸とを備え、前記回転軸は、前記大歯車の回転中心を貫通して取り付けられており、
前記大歯車は、鏡面研磨されたシリコンウエハからドライエッチングにより形成されたシリコン製であり、
前記小歯車および前記回転軸は金属製であり、
前記回転軸と前記大歯車とは、金とすずとの共融混合物でろう付けされる
ことを特徴とする時計。 - 香箱車内のぜんまいが解けるときの機械エネルギが増速輪列を介して調速機に伝達され、前記増速輪列の一方は前記香箱車の香箱歯車と噛み合うとともに、他方は前記調速機と噛み合っている時計において、
前記増速輪列を構成する番車の回転軸上に指針が取り付けられるとともに、
前記増速輪列を構成するすべての番車は、
大歯車と、前記大歯車に比べて歯数の少ない小歯車と、前記小歯車と一体成形された回転軸とを備え、前記回転軸は、前記大歯車の回転中心を貫通して取り付けられており、
前記大歯車は、鏡面研磨されたシリコンウエハからドライエッチングにより形成されたシリコン製であり、
前記小歯車および前記回転軸は金属製であり、
前記回転軸は、前記大歯車に接触する接触部が金で被覆され、
前記回転軸と前記大歯車とは、前記接触部において、金とシリコンとの共融混合物で接合されている
ことを特徴とする時計。
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