JP5809717B2 - 形状記憶金属によって温度補償される共振器 - Google Patents
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Description
本発明は、タイムベース又は周波数ベースを生成できるばねテンプ又は音叉タイプの温度補償型共振器に関し、この共振器の温度係数は１次温度係数がほぼゼロであり、又は２次温度係数でさえもほぼゼロである。
特許文献１は、ＣＯＳＣ（スイス公式クロノメーター検査協会）手順温度、即ち＋８〜＋３８℃周辺での温度係数がほぼゼロとなるようにシリコンで形成され、二酸化ケイ素で覆われたヒゲゼンマイを開示している。同様に、特許文献２は、同じ温度幅において、ヤング率の変動が小さいという同様の性質を有するＭＥＭＳ共振器を開示している。
しかしながら、上記文献で開示されている周波数の変動は、用途に応じて複雑な補正を必要とする。例えば、ＣＯＳＣ認証を得ることができる電子クォーツ腕時計に関しては、電子補正を温度測定値に基づいて行わなければならない。
本発明の目的は、少なくとも１次温度係数が温度補償される共振器を提案することによって、上述の欠点の全て又は一部を克服することである。
この目的のために、本発明は、変形させて使用する本体を備える温度補償型共振器であって、本体のコアが第１の材料によって形成される温度補償型共振器に関し、本体の少なくとも一部分は形状記憶金属製の少なくとも１つのコーティングを含み、コーティングの温度によるヤング率の変動は、コアに使用する第１の材料の温度によるヤング率の変動に対して反対であり、これによって上記共振器は少なくともその１次温度係数がほぼゼロとなる温度による周波数変動を有することを特徴とする。
本発明によると有利には、変形させて使用する共振器の本体は、１つ又は２つの次数を補償するための単一のコーティングを含むことができる。これによって、コーティング材料の各次数の大きさ及び符号（正・負）によって、コーティングの厚さを計算し、これにより少なくとも１次係数を補償する。
本発明の別の 有利な特徴によると、
‐本体のコアはガラス、金属ガラス、工業用セラミック、セラミックガラス、ドープされた若しくはドープされていない単結晶シリコン、又はドープされた若しくはドープされていない多結晶シリコンを含み；
‐上記少なくとも１つのコーティングはＣｕ−Ｚｎ、Ｃｏ−Ｎｉ、Ｎｉ−Ｔｉ又はＣｕ−Ａｌをベースとする合金を含み；
‐本体は、面の対が同一である実質的に四辺形状である断面を含み；
‐本体は、面が完全にコーティングされた実質的に四辺形状である断面を含み；
‐上記少なくとも１つのコーティングは、湿気に対するバリアを形成し；
‐上記少なくとも１つのコーティングは、常磁性又は反磁性であり；
‐本体は、それ自体が螺旋状に巻かれてヒゲゼンマイを形成し、はずみ車に連結される棒体であり；
‐本体は、音叉を形成するために、対称に設置される少なくとも２つの棒体を備える。
‐本体のコアはガラス、金属ガラス、工業用セラミック、セラミックガラス、ドープされた若しくはドープされていない単結晶シリコン、又はドープされた若しくはドープされていない多結晶シリコンを含み；
‐上記少なくとも１つのコーティングはＣｕ−Ｚｎ、Ｃｏ−Ｎｉ、Ｎｉ−Ｔｉ又はＣｕ−Ａｌをベースとする合金を含み；
‐本体は、面の対が同一である実質的に四辺形状である断面を含み；
‐本体は、面が完全にコーティングされた実質的に四辺形状である断面を含み；
‐上記少なくとも１つのコーティングは、湿気に対するバリアを形成し；
‐上記少なくとも１つのコーティングは、常磁性又は反磁性であり；
‐本体は、それ自体が螺旋状に巻かれてヒゲゼンマイを形成し、はずみ車に連結される棒体であり；
‐本体は、音叉を形成するために、対称に設置される少なくとも２つの棒体を備える。
最後に、本発明は同様に、例えば時計等のタイムベース又は周波数ベースに関し、これは上述の変形例として記載した共振器を少なくとも１つ含むことを特徴とする。
その他の特徴及び利点は、添付した図面を参照しながら非限定的な例として以下に挙げる説明からより明らかになるであろう。
上で説明したように、本発明はばねテンプ又は音叉タイプの共振器およびこの共振器を備えた時計に関する。しかしながら、当業者は共振器のための別の用途を、下記の教示から苦労なしに考案可能である。
定義として、共振器の周波数の相対的変動は、以下の関係式：
に従い、式中、
は、周波数（ｐｐｍ又は１０-6）の相対的変動であり；
‐Ａは、基準点（ｐｐｍ）に依存する定数であり；
‐Ｔ0は、基準温度（℃）であり；
‐αは、１次温度係数（ｐｐｍ・℃-1）であり；
‐βは、２次温度係数（ｐｐｍ・℃-2）であり；
‐γは、３次温度係数（ｐｐｍ・℃-3）である。
‐Ａは、基準点（ｐｐｍ）に依存する定数であり；
‐Ｔ0は、基準温度（℃）であり；
‐αは、１次温度係数（ｐｐｍ・℃-1）であり；
‐βは、２次温度係数（ｐｐｍ・℃-2）であり；
‐γは、３次温度係数（ｐｐｍ・℃-3）である。
更に、熱弾性係数（ＣＴＥ）は、温度によるヤング率の相対的変動を表す。以下で使用する用語「α」及び「β」は、それぞれ１次及び２次温度係数、即ち温度による共振子の相対的な周波数変動を表す。用語「α」及び「β」は、共振子本体の熱弾性係数及び本体の熱膨張係数によって決まる。更に、用語「α」及び「β」は同様に、例えばばねテンプ共振器用のてん輪（はずみ車）等の考えられる別個の慣性特有の係数を考慮に入れている。
タイムベース又は周波数ベースのための共振器全体の振動を維持する必要があるため、
その温度依存性が、同様に保守システムに対しても可能な限り貢献する。
その温度依存性が、同様に保守システムに対しても可能な限り貢献する。
従って、最も重要なパラメータは熱弾性係数（ＣＴＥ）であり、これを、膨張係数に関わる「熱膨張定数（Ｃｏｎｓｔａｎｔ ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）」の英語の略語ＣＴＥと混同してはならない。
大抵の金属の熱弾性係数（ＳＴＥ）は大きく負の値をもち、−１、０００ｐｐｍ・℃-1程度である。このため、これらの金属をヒゲゼンマイを製造するために使用することは想定できない。したがって、この問題に対処するためにＮｉｖａｒｏｘ ＣＴ等の複合合金が開発されている。しかしながら、これらの複合合金は、特にその製造に関して、制御が困難なままである。
本発明は上記共振器を形成するための代替材料に関する。したがって本発明は、変形させて使用する本体５、１５を備えた温度補償型共振器１、１１に関し、本体５、１５のコア８、１８は、セラミック、シリコンべースの材料又は石英ベースの材料によって形成される。
セラミックは、結晶構造若しくは部分結晶構造の、又はガラスの、ガラス化した本体又はガラス化していない本体を有する物品として考えることができ、その本体は、本質的に無機の、金属物質又は非金属物質から形成され、並びに冷却すると凝固する溶融物によって形成され、又は熱の作用によって同時に若しくは順に形成及び仕上げられる。
したがって、本発明によるセラミックは、特に炭化ケイ素又はセラミックガラス等の単純ガラス、金属ガラス、工業用セラミックを含む。
シリコンベースの材料は、例えば単結晶シリコン、多結晶シリコン、ドープされた単結晶シリコン又はドープされた多結晶シリコンであってもよく、これらは自然酸化物層又は自然酸化物層より厚い酸化物層を含んでいてもよい。最後に、石英ベースの材料は、好ましくは、アルファ又はベータタイプの三方晶の形態に結晶化した天然又は合成シリカである。
本発明によれば、本体５、１５の少なくとも一部分は、形状記憶金属製の少なくとも１つのコーティング２、４、６、１２、１４、１６を含み、本体５、１５の温度によるヤング率ＣＴＥ1の変動は、コア８、１８に使用する第１の材料の温度によるヤング率ＣＴＥ2に対して反対符号であり、これによって上記共振器は少なくともその１次係数α、βがゼロとなり得る温度による周波数変動を有することができる利点がある。
形状記憶金属製の上記少なくとも１つのコーティング２、４、６、１２、１４、１６は、例えばＡｇ−Ｃｄ、Ａｕ−Ｃｄ、Ｃｏ−Ｎｉ、Ｃｕ−Ａｌ、Ｃｕ−Ｍｎ、Ｃｕ−Ｓｎ、Ｃｕ−Ｚｎ、Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｎｉ、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｎｉ−Ｔｉ、Ｎｉ−Ｍｎ又はＴｉ−Ｐｄをベースとする合金を含むことができる。それにも関わらず、上記少なくとも１つのコーティング２、４、６、１２、１４、１６は、好ましくはＣｕ−Ｚｎ、Ｃｏ−Ｎｉ、Ｎｉ−Ｔｉ又はＣｕ−Ａｌを含む。
実際、コーティングは導電性であり、磁場に対して特に感受性を有さず、これによって本体の所定の軌道に対する寄生変位を回避できることが関心を引く点である。更に、これら形状記憶金属は有利には化学的に極めて安定している。例として、これらは洗浄に対して大きな耐性があり、かつ湿気に対して感受性をもたないために、コーティングが湿気に対する優れたバリアとなる。
図１、２に示す例ではヒゲゼンマイ１が示されており、このヒゲゼンマイ１は、その本体５がヒゲ玉３と一体であり、その１次温度係数α又は２次温度係数βでさえ、それぞれコア８及びコーティング６のための２つの材料によって補償される。図２は、ヒゲゼンマイ１の本体５の一部の断面を示し、これにより四辺形状の断面をより明確に見ることができる。したがって、本体５をその長さｌ、高さｈ、及び厚さｅによって画定できる。
図２は、コア８全体がコーティングされた場合の例を示す。当然、図２は１つの非限定的な例を示しているにすぎない。したがって、ヒゲゼンマイ１は、本体５の１つ若しくは複数の面、又は本体５の外側表面全体等の少なくとも一部分にわたって、コーティング２、４、６を備えさせることができる。図示したものは、コーティング２、４、６がコア８の寸法に対して正確な縮尺ではなく、これは各部分の位置をよりわかりやすく示すためである。
したがって、本発明による本体は、非限定的に、実質的に四辺形状である断面を含んでいてもよく、その単一の面はコーティングされているか、又はその複数の面の対が同一であるか、又はその面全体が同様にコーティングされているか若しくは同様にコーティングされていないことが理解される。
同様に、本発明によれば、音叉タイプの共振器１１を図５に見ることができる。共振器の本体１５は、振動するように形成された２つのアーム１７、１９を一体に有する基部１３によって構成されている。例として、使用する音叉１１は：リバースタイプ、即ち基部１３が２つのアーム１７、１９の間に延在するタイプ；手掌タイプ、即ち２つのアーム１７、１９がその端部に手掌部２０、２２を備えるタイプ；及び溝付きタイプ、即ち２つのアーム１７、１９が溝２４、２６を備えるタイプのものである。しかしながら、限定するものではないが、リバースタイプ及び／又は溝付きタイプ及び／又は円錐形タイプ及び／又は手掌タイプであってもよい、音叉の可能な多数の変形例があることが理解される。
本発明によれば、音叉１１は、１次係数α又は２次係数βでさえ、本体１５のコア１８に対するコーティング１２、１４、１６の蒸着によって補償される温度係数を有する。図６、７は、図５に示す平面Ａ−Ａに沿った音叉１１の本体１５の２つの非限定的な断面の例を示す。この溝付きの四辺形状の断面は、本体１５のコア１８が、本体１５の１つ若しくは複数の面、又は本体１５の外側表面全体といった少なくとも一部分にわたって、少なくとも１つのコーティングによって覆われていることを示す。第１の例と同様、図に示すコーティング１２、１４、１６は、コア１８の寸法に対して正確な縮尺ではなく、これは各部分の位置をよりわかりやすく示すためである。
共振器１、１１のコア８、１８は、セラミック、シリコンベースの材料又は石英ベースの材料によって形成できる。しかしながら、これは幅広い種類の材料を含む。このため、低い熱弾性係数（ＣＴＥ）及び膨張係数（αspi）を有する材料が好ましい。
したがって、石英ガラスが使用でき、これは同様に溶融石英とも呼ばれ、また同様に分かりやすく水晶とも呼ばれる。
第１の材料の製造方法によると、得られる熱弾性係数（ＣＴＥ）の値は概して低く、正又は負即ち１００〜５００ｐｐ・℃-1である。
結果として、コーティング２、４、６、１２、１４、１６は正又は負の熱弾性係数を有する。上述のとおり、このようなコーティングは、好ましくはＣｕ−Ｚｎ、Ｃｏ−Ｎｉ、Ｎｉ−Ｔｉ又はＣｕ−Ａｌをベースとする合金等の形状記憶金属合金を含んでいてもよい。したがって、例えば本発明による共振器１、１１の単結晶シリコン製のコア８、１８は、熱弾性係数（ＣＴＥ）が正である１マイクロメートル程度のＮｉ−Ｔｉをベースとするコーティング２、４、６、１２、１４、１６を用いて温度補償することができる。
上述したように、第１の材料は、１次温度係数及び２次温度係数が正及び負であり得る温度係数（ＣＴＥ）を有することが理解される。このため、コア８、１８に使用する１つ又は複数のコーティング２、４、６、１２、１４、１６はこれに付随して、１次温度係数及び２次温度係数が正及び負である温度係数（ＣＴＥ）を有することができる。
好ましくは、形状記憶合金製のコーティング２、４、６、１２、１４、１６の蒸着は、スパッタリングタイプのものである。任意には、主コーティング２、４、６、１２、１４、１６の前に、クロム等の接着層を同様に蒸着しておくことができ、これにより上記コーティングの付着力及び／又は浸透性を改善する。
１ 共振器
２ コーティング
３ ヒゲ玉
４ コーティング
５ 本体
６ コーティング
８ コア
１１ 共振器
１２ コーティング
１３ 基部
１４ コーティング
１５ 本体
１６ コーティング
１７ アーム
１８ コア
１９ アーム
２０ 手掌部
２２ 手掌部
２４ 溝
２６ 溝
２ コーティング
３ ヒゲ玉
４ コーティング
５ 本体
６ コーティング
８ コア
１１ 共振器
１２ コーティング
１３ 基部
１４ コーティング
１５ 本体
１６ コーティング
１７ アーム
１８ コア
１９ アーム
２０ 手掌部
２２ 手掌部
２４ 溝
２６ 溝
Claims (12)
- 変形させて使用する本体（５、１５）を備えた温度補償型共振器（１、１１）であって、前記本体（５、１５）のコア（８、１８）が第１の材料によって形成される温度補償型共振器において、
前記本体（５、１５）の少なくとも一部分は形状記憶金属製の少なくとも１つのコーティング（２、４、６、１２、１４、１６）を含み、
前記コーティングの温度によるヤング率の変動（ＣＴＥ）は、前記コア（８、１８）に使用する前記第１の材料の温度によるヤング率の変動（ＣＴＥ）に対して反対であり、これによって前記共振器は少なくともその１次温度係数（α、β）がほぼゼロとなる温度による周波数変動を有することができる
ことを特徴とする、温度補償型共振器（１、１１）。 - 前記本体（５、１５）の前記コア（８、１８）は、ガラス、金属ガラス、工業用セラミック又はセラミックガラスを含むことを特徴とする、請求項１に記載の共振器（１、１１）。
- 前記本体（５、１５）の前記コア（８、１８）は、ドープされた若しくはドープされていない単結晶シリコン、又はドープされた若しくはドープされていない多結晶シリコンを含むことを特徴とする、請求項１に記載の共振器（１、１１）。
- 前記本体（５、１５）の前記コア（８、１８）は、石英を含むことを特徴とする、請求項１に記載の共振器（１、１１）。
- 前記コーティング（２、４、６、１２、１４、１６）は、Ｃｕ−Ｚｎ、Ｃｏ−Ｎｉ、Ｎｉ−Ｔｉ又はＣｕ−Ａｌをベースとする合金を含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の共振器（１、１１）。
- 前記本体（５、１５）は、面の対が同一である実質的に四辺形状である断面を含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の共振器（１、１１）。
- 前記本体（５、１５）は、全面がコーティングされた実質的に四辺形状である断面を含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の共振器（１、１１）。
- 前記コーティング（２、４、６、１２、１４、１６）は、湿気に対するバリアを形成することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の共振器（１、１１）。
- 前記コーティング（２、４、６、１２、１４、１６）は、常磁性又は反磁性の材料であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の共振器（１、１１）。
- 前記本体（５）は、前記本体（５）自体が螺旋状に巻かれてヒゲゼンマイを形成し、はずみ車に連結される棒体であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の共振器（１）。
- 前記本体（５）は、音叉を形成するために、対称に設置される少なくとも２つのアーム（１７、１９）を備えていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の共振器（１１）。
- 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の共振器（１、１１）を少なくとも１つ備えていることを特徴とする、時計。
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