WO1999012080A1

WO1999012080A1 - Spring, power spring, hair spring, driving mechanism utilizing them, and timepiece

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Publication number: WO1999012080A1
Application number: PCT/JP1998/003828
Authority: WO
Inventors: Masatoshi Moteki; Fumio Takagi; Tatsuo Hara
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1997-08-28
Filing date: 1998-08-28
Publication date: 1999-03-11
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PCT/JP98/03828

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Jitsuyo Shinan Koho 1922-1996 Toroku Jitsuyo Shinan Koho 1994-1998

Kokai Jitsuyo Shinan Koho 1971-1998 Jitsuyo Shinan Toroku Koho 1996-1998

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Νθ· 91969/1981 (Laid-open No. 204528/1982)

(Sony Corp. ), 25 December, 1982 (25. 12. 82),

X Claims

Y Claims 3, 5 A Full text ； Figs, 1 to 3 2, 4, 6 - 13

Microfilm of the specification and drawings annexed

to the request of Japanese Utility Model Application

No. 187312/1980 (Laid-open No. 108318/1982)

(Matsushita Electric Works , Ltd. ),

3 July, 1982 (03. 07. 82) ,

X Page 2, lines 14 to 18 ； Fig. 3 1, 2 Y Page 2 , lines 14 to 18 } Fig, 3 3, 5, 6 A Full text ； Figs . 1 to 4 4 7 - 13

I X I Further documents are listed in the continuation of Box C. I | See patent family annex.

* Special categories of cited documents: "T" later document published after the international ming date or priority "A" document defining the general state of the art which is not date and not in conflict with the application but cited to understand considered to be of particular relevance the principle or theory underlying the invention

"ϋ earlier document but published on or after the international filing date "X" document of particular relevance; the claimed invention cannot be "L" document which may throw doubts on priority claim(s) or which is considered novel or cannot be considered to involve an inventive step cited to establish the publication date of another citation or other when the document is taken alone

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"P" document published prior to the international filing date but later than oeing obvious to a person skilled in the art

the priority date claimed "&" document member of the same patent family

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10 November, 1998 (10. 11. 98) 24 November , 1998 (24. 11. 98)

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racsimile No. Telephone No.

Form PCTISA/210 (second sheet) (July 1992) INTERNATIONAL SEARCH REPORT International application No.

PCT/JP98/03828

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Y Microfilm of the specification and drawings annexed

to the request of Japanese Utility Model Application

No. 68308/1989 (Laid-open No. 8740/1991)

(Honda Motor Co. , Ltd. ) ,

28 January, 1991 (28. 01. 91) ,

Page 5, lines 2, 3

Form PCT/ISA/210 (continuation of second sheet) (July 1992) 明細書パネ、ゼンマイ、ヒゲゼンマイ、これらを利用した駆動機構、および時計技術分野

本発明は、時計等の精密機械に用いられるパネに関し、例えば、時計等を構成する水晶振動子を固定する付勢手段や、時計、オルゴール等の駆動機構の動力源として利用することができる。背景技術

従来より、時計、オルゴール等の精密機械には、種々のパネが採用されている。例えば、時計であれば、水晶発振式の時計の水晶振動子を付勢状態で固定するパネ、時計の駆動機構の動力源を構成するゼンマイ、ゼンマイを卷く際に巻き戻り防止のために設けられるコハゼパネ、機械式時計におけるテンプを付勢するヒゲゼンマイ等が知られている。

このようなパネに用いられる材料としては、従来より炭素鋼、ステンレス、コバルト合金、銅合金等からなるパネ材料、ゼンマイ材料等が採用されていたが、次のような問題がある。

① 水晶振動子を付勢状態で固定するパネの場合、水晶振動子の特性として、このパネの付勢力により水晶振動子の歩度にずれが生じるという問題がある。すなわち、パネの付勢力のばらつきにより、水晶が発振する 3 2 k H zの信号の周期が進み遅れするため、その信号を基準信号としている時計体の精度がずれるという問題がある。従って、水晶振動子を固定するパネには、付勢力のばらつきが少ないものが切望される。

② ' また、機械式時計の調速機を構成するテンプを付勢するヒゲゼンマィの場合、温度変化によってヤング率が変化して付勢力がばらつき、テンプの揺動周期が変化し、このテンプの揺動周期の変化が機械式時計の精度に大きく影響を及ぼす。従って、ヒゲゼンマイの材料としては、温度変化によりヤング率が変化しないものを採用するのが好ましい。

③ さらに、時計等の駆動機構の動力源を構成するゼンマイの場合、駆動機構の長時間動作と、駆動機構の小型化という相反する性能を満たすゼンマイが切望されている。すなわち、例えば、時計の駆動機構は、動力源となるゼンマイと、このゼンマイを収納する香箱と、この香箱と嚙合してゼンマイの機械工ネルギを伝達する輪列とを備え、巻締められたゼンマイの巻き戻しによる回転力を利用して、輪列等の伝達装置を介して時計の指針を回転させている。

このような駆動機構の動力源とされるゼンマイの巻数と出力トルクとの関係は比例関係にあり、ゼンマイが出力するトルクを T、ゼンマイの卷締め回数（巻数）を Ν、ヤング率を Ε、ゼンマイの全長を Lとし、ゼンマイが厚さ 1:、幅 bの矩形状の断面を有するとすると、

T = (E t ³ b 7T/6 L) XN … （ 1 )

という式で表されることが知られている。

一方、ゼンマイの全長 L、厚さ t、幅 bは、ゼンマイが収納される香箱サイズによって決定され、香箱内半径を R、香箱真半径を rとすると、ゼンマイの全長 Lは、

L = 7T (R²- r ²) /2 t - ( 2 )

という式によって導かれ、ゼンマイの全長 Lおよび厚さ tは反比例の関係にあるということが判る。

ここで、ゼンマイに蓄えられる機械工ネルギは、（ 1 ) 式の出力トルク Tを巻数 Nで積分することにより与えられ、（ 1 ) 式がゼンマイの全長 Lおよび厚さ tの関数とも考えられるので、従来は、 L、 tを調整す 3 ることによってゼンマイのエネルギを調整していた。

すなわち、ゼンマイの厚さ tを薄くしてゼンマイの全長 Lを大きくすれば、ゼンマイの最大卷数 N maxを大きくすることができる。

逆に、ゼンマイの全長 Lを短くしてゼンマイの厚さ t.を厚くすれば、出力トルク Tの値を高くすることができる。

しかしながら、このような決定方法では、（ .2 ) 式から判るように、ゼンマイの厚さ tおよび全長 Lが香箱内部の収納空間の容積によって制限されてしまうので、長時間動作可能なゼンマイを採用する場合、必然的に香箱を大きくして収納空間を大きくとらなければならず、ゼンマイを含む駆動機構の小型化が図れないという問題がある。

また、ヤング率の高いゼンマイ材料を採用して厚さ tが薄くても高トルクを出力することのできるゼンマイとすることも考えられたが、ゼンマイの靱性を確保しづらく、ゼンマイの耐久性という点で限界があった本発明の目的は、時計等の精密機械の高精度化、安定動作化を図ることができるパネを提供することにあり、また、動力源として利用した場合、長時間動作化を図ることのできるパネ、およびこのパネを動力源とする駆動機構を提供することにある。発明の開示

1 . パネ材料の特定

本発明に係るパネは、ァモルファス金属から搆成されていることを特徴とする。

ここで、パネ材料としてアモルファス金属を採用したのは、要するに、引っ張り応力が大きくかつヤング率の小さな材料をパネ材料とするためである。具体的には、従来のゼンマイ材料（化学組成（重量％) ： C o 30〜45 %、 N i 1 0〜20%、 Cr 8〜 1 5%、 C く 0 . 03%、 W 3〜 5%、 Mo 3〜 1 2%、 T i 0. 1〜2 %、 M n 0. 1〜2%、 S i 0. 1〜2%、 F e 残）と、アモルファス金属から構成されるパネとを比較すると、以下のようになる。

cr max (kgf/mm² ) E (kgf mm²) 従来材料 2 00 2 0000 アモルファスバネ 340 9000〜 1 2000 尚、上述したアモルファスパネのアモルファス金属としては、例えば、 N i— S i— B系、 N i— S i— C r系、 N i— B— C r系、 C o— F e— C r系等のアモルファス金属を採用することができるが、パネの要求性能に応じて、種々のアモルファス金属を採用することができる。

このようなァモルファス金属から構成されるバネを採用すれば、ァモルファスパネの方が最大引張り応力が大きいので、許容応力も大きくなり、同じ形状の従来材料のパネと比較して、高い付勢力が得られ、精密機器を小型化する際に好適である。

また、パネがアモルファス金属により構成されているので、単 'ロール法、双ロール法、回転水中紡糸法等によりワイヤ、リボン材等を簡単に製造することができ、パネの製造工程の簡素化が図られる。

さらに、アモルファス金属は耐食性が良好なので、錡止め用メツキを使用箇所によっては不要とすることができる。

そして、水晶振動子を固定する付勢手段としてアモルファス金属から構成されるパネを用いた場合、以下の理由で水晶振動子の信号の周期の進み遅れを防止することができる。すなわち、上述したように、ァモルファス金属から構成されるバネは、従来材料のパネと比較してヤング率が低いため、パネのたわみ量どと付勢力 Fとの関係は、図 1に示すように、従来材料のパネのグラフ G 1よりも傾きの小さいグラフ G 2となる 5

。従って、水晶振動子を固定するのに必要な付勢力 F Oを与える従来材料のバネのたわみ量を e アモルファスバネのたわみ量を £ 2 とすると、両者のパネのたわみ量巳 1およびたわみ量 £ 2に άという変化が生じた場合、その際の付勢力 F 0の変動 d f 1、 d f 2を比較するとァモルファスパネの付勢力の変動 d f 2の方が小さいことが判る。よって、水晶振動子を固定する付勢手段としてァモルファスパネを採用すれば、付勢力のばらつきを低減することが可能となり、水晶振動子の周期のずれを少なくすることができ、時計体の高精度化が図られる。

また、アモルファスから構成されるパネを、機械式時計の調速機を構成するテンプを付勢するヒゲゼンマイとして採用すれば、通常のヒゲゼンマイ材料である炭素鋼等と比較すると、温度変化に伴うヤング率の変化が少ないので、温度変化が生じても、付勢力のばらつきに伴うテンプの揺動周期の変化が少なく、機械式時計の高精度化が図られる。

さらに、駆動機構の動力源としてァモルファス金属から構成されるバネを採用した場合、すなわち、アモルファス金属から構成されるゼンマィとした場合、動力源の長時間動作化は、以下のような考えに基づいて導くことができる。

すなわち、上述した式（ 1 ) の関係が成立するゼンマイ 3 1 (厚さ t 、幅 b、長さ L ) のたわみは、図 2に示されるように、内端 3 1 1が香箱真 3 3に剛接合され、他の端部となる外端 3 1 2が自由端とされる片持ち支持梁のたわみとして近似的に求められる。図 2におけるたわみ角ひ（ r a d ) は、ゼンマイ 3 1のたわみ半径を rとすると、

r = / a … （ 3 )

と表すことができる。

—方、ゼンマイ 3 1の卷数 Nは、上述したたわみ角ひによって、 Ν = α / 2 7Γ … （ 4 ) 6 と表される。

従って、上述した式（ 1 ) は（ 3 ) 、（ 4 ) 式から、

T = ( b t ³ E/ 1 2 L) Χ - ( 5 )

と変形される。

そして、ゼンマイ 3 1のたわみによって蓄えられるエネルギ Uは、ゼンマイ 1に作用する曲げモーメント、すなわち、ゼンマイ 1の出力トルク Τをについて積分することによって求められ、

U= S T dひ = S ( b t ³ E/ 1 2 L ) x d

= (b t ³ E/2 4 L) x ² - ( 6 )

となる。

従って、長さ Lのゼンマイが蓄え得る最大エネルギ Umaxは、図 2におけるゼンマイ 3 1の最大たわみ角ひ maxとすると、

Umax= ( b t ³ E/ 2 4 L ) xひ max² … ( 7 )

と表される。

ここで、ゼンマイ 3 1に作用する曲げ応力びは、ゼンマイ 3 1に作用する曲げモーメント、すなわち、たわみ状態にあるゼンマイ 3 1が出力し得る出力トルク Tの関数として表され、ゼンマイ 1の中立軸 Aからの厚さ方向変位を y、ゼンマイ 3 1の断面二次モーメントを I z とすると σ = T X y/ I z ··· ( 8 )

と表される。

従って、図 2におけるゼンマイ 3 1の上面に作用する引っ張り方向の最大曲げ応力び bは、（ 8 ) 式より、

o = T · ( t /2 ) /I z … （ 9 )

と算出される。

一方、ゼンマイ 3 1の断面は、厚さ t、幅 bの矩形状をなしているか 7 ら、

I z=b t ³/ 1 2 - ( 1 0)

と算出され、（ 9 ) 、（ 1 0 ) 式より、

T = (b t ²/ 6 ) Xび b - ( 1 1 )

と表される。

従って、（ 1 ) 、（ 1 1 ) 式より、

T = (E t ³b7r/6 L) xN= ( b t 6 ) x ab … ( 1 2) と表され、（7) 式におけるひ maxを与えるゼンマイの最大卷数 Nmaxは、（4) 式より、

Nmax=ひ max/ 2 κ ··· ( 1 ο )

となる。よって、（ 1 2) 、（ 1 3) 式より、

amax= 2 L ab/E t … ( 14)

という関係が導き出せる。

従って、ひ maxは、ゼンマイ 3 1の引っ張り方向の最大曲げ応力び b、すなわち、ゼンマイ 3 1に用いられるゼンマイ材料の最大引っ張り応力 crmaxによって決定され、上述した（ 7) 式は、

Umax= ( b t ³ E/ 24 L ) x ( 2 L cmax/E t ) ²

= ( b t L/ 6 ) x ( amax E) … ( 15)

と算出されることが判る。

( 1 5) 式から、図 2のゼンマイ 3 1に蓄えられる最大エネルギ Umax は、ゼンマイ 3 1の厚さ t、幅 b、長さ Lのみならず、ゼンマイ 3 1を構成する材料の最大引っ張り応力び max、ヤング率 Eによっても変化することが判る。

従って、ゼンマイに蓄えられるエネルギ Umaxをより大きくするには、最大引っ張り応力 crmaxが大きくかつヤング率 Eが小さい性質の材料をゼンマイ 1に採用するのが好ましいということが判る。すなわち、上 8 述した crmax= 3 4 0 (kgf/雇²) 、 E二 9 0 0 0〜 1 2 0 0 0 (kgf/ mm² ) のアモルファスパネをゼンマイ 3 1の材料として採用した場合、（ 1 5 ) 式より、従来の場合と比較して 4. 8〜 6. 4倍のエネルギを蓄えられることが判る。

従って、時計やオルゴール等の駆動機構の動力源としてアモルファスゼンマイを採用すれば、香箱等他の部分の形状寸法を変更することなく、ゼンマイに蓄積可能なエネルギ体積密度を向上することが可能となる。よって、駆動機構の動力源としては、小型化を維持しつつ、長時間動作させることが可能となり、特に、小型化が重要な腕時計の駆動機構の動力源として好ましい。

以上において、上述したアモルファス金属から構成されるパネがヒゲゼンマイまたはゼンマイとして利用される場合、非磁性体からなるゼンマイであるのが好ましい。すなわち、これらのゼンマイが非磁性体で構成されていれば、耐磁性が向上するので、ゼンマイが磁界等に引っ張られても、ゼンマイの特性が低下することもない。尚、アモルファス金属から構成されるパネを、水晶振動子の固定バネ、コハゼパネ等に用いた場合、当該パネが非磁性体から構成されていれば、耐磁性が向上し、上述と同様にパネの付勢力が磁界等に影響されることもない。

2 . アモルファス金属から構成されるパネの最適形状

また、アモルファス金属から構成されるパネの断面形状は、直径 0. 0 5mm以上の円形断面、または厚さ 0. O lmmx幅 0. 0 5mm以上の矩形断面を有しているのが好ましい。

すなわち、パネの断面形状がこのような断面であれば、十分な付勢力が得られるので、水晶振動子の固定手段、機械式時計の調速機を構成するテンプを付勢するヒゲゼンマイ、駆動機構の動力源となるゼンマイ等として利用することができる。 9 また、上述したアモルファス金属から構成されるパネは、基板や地板等に初期たわみを持たせて組み込まれているのが好ましい。

すなわち、初期たわみがあるので、パネを基板、地板等に組み込んでも、パネの動きやずれを生じることもない。さらに、初期たわみがあると、荷重を初期から加えることができるが、従来材料のパネではヤング率が高いため、その分許容応力までの余裕が少なくなつてしまう。これに対して、アモルファス金属から構成されるバネでは、ヤング率が低いため、初期たわみで荷重がかかっていても、許容応力の余裕分が十分確保される。

さらに、上述したアモルファス金属から構成されるパネが駆動機構の動力源であるゼンマイとして利用される場合、このゼンマイの自由展開形状は S字状をなし、この自由展開形状の湾曲方向が変化する変曲点は、巻き取り側の端部となる内端と、この内端に対して他の端部となる外端との中間点よりも内端側に形成されているのが好ましい。

ここで、ゼンマイの自由展開形状とは、ゼンマイを香箱内から出した状態の形状のように、ゼンマイの拘束状態を解放した場合の展開形状をいう。

従来材料からなるゼンマイの自由展開形状では、図 3に示すグラフ G 3のように、ゼンマイの内端と外端との中間点 Cに変曲点（曲率半径 p が無限大となり、ゼンマイの湾曲方向が変化する点）を設けた理想曲線に近い S字状に形成していたが、これは以下の理由によ-る。

① 予めゼンマイを巻き取り方向とは反対側にクセ付しておき、巻締め時、ゼンマイに蓄えられるエネルギを多く蓄積するためである。

② ゼンマイ全体に亘つて均等に曲げ応力が作用するようにして応力集中によるゼンマイの破断を防止するためである。

—方、上述したように、アモルファスゼンマイは、従来のゼンマイ材 10 料と比較してヤング率が小さいので、上記②の理由による制限は緩和され、専ら①を達成するためにクセ付を行うことが可能となる。

そして、具体的には、アモルファスゼンマイの最適な自由展開形状は、以下のようにして決定される。

香箱に収納されたゼンマイの巻締め時における螺旋形状をアルキメデスの螺旋と仮定すると、極座標で、 Sを採った場合、

r = ( t / 27Γ ) - Θ - ( 1 6 )

と表される（ t ：ゼンマイの厚さ）。

そして、ゼンマイ全体に亘つて応力集中が起こらない理想曲線を与える条件は、ゼンマイに作用する曲げモーメントを M、ゼンマイの曲げ剛性を B、自由展開形状におけるゼンマイの曲率半径を ρί 卷締め時におけるゼンマイの外周部分の曲率半径を pl とすると、

( — ( =M/B =—定 … （ 1 7 )

で与えられる。

また、ゼンマイ全体の蓄積した弾性エネルギが最大となる条件は、ゼンマイの最大弾性歪み量を £maxとすると、

B/M= t /4 emax - ( 1 8 )

で与えられる。

卷出し中心からの曲線に沿って測ったゼンマイの長さを L ' とすると、

1 / p\= (ττ/t L ⁵ ) ^{1 /2} - ( 1 9 )

という関係が成立する。

従って、（ 1 7 ) 、（ 1 9 ) 式より、

1 /^0= ( 7r/t L， ) ^{1 /2} -M/B … ( 2 0 )

となる。

実際には、ゼンマイの内端は、香箱真に巻き付けられるので、この香 11 箱真半径を rとすると、実際のゼンマイの長さ Lは、

L = L ⁵ - π r ²/t ··· ( 2 1 )

となる。そして、理想曲線形の自然方程式は（ 2 2 ) 式のようになる。 p0= 2 (π/t ) X (Β/Μ) ³ X ( 1 /L) +Β/Μ … ( 2 2 ) 従って、ゼンマイの蓄積エネルギが最大となる場合の自由展開形状における曲率半径 ρθは、（ 1 8 ) 、（ 2 2 ) 式より、

;00= 2 (π/t ) X ( t / 4 £ max) ³ x ( 1 /L) + t / 4 £ max

… ( 2 3 )

と表すことができる。

尚、 emax= 0. 0 2 となると、理想曲線の渦巻形状のピッチがゼンマィの厚さ tよりも完全に小さくなつてしまうので、実際には、 £max= 0 . 0 2に近い形状で代用することとなる。

( 2 3 ) 式を上述した図 3に表せばグラフ G 4のようになり、計算上変曲点を、従来材料のゼンマイのグラフ G 3よりも内端側に形成することが可能なことが判る。

従って、アモルファスゼンマイであれば、ゼンマイの全長に亘つて巻き取り方向とは反対側にクセ付することが可能となるので、巻締め時の蓄積エネルギをより多くすることが可能となる。

ここで、上述した（ 1 ) 式は理論上算出される基礎式であり、（ 2 2 ) 式もこの基礎式から求められる理論上の式であり、実際には、ゼンマィ同士またはゼンマイと香箱との間に摩擦が生じたり、' ゼンマイと香箱真とを接合するための卷き代が必要となるので、これらを考慮する必要がある。

従って、摩擦による補正係数を Kl、ゼンマイを香箱真に巻き付けるための卷数 No とすると、従来材料のゼンマイでは、卷数 Nと出力トルク Tとの関係は、 12

Τ = Κ 1 · ( E b t ³ 7Γ / 6 L ) x ( N - N o) … ( 2 4 )

となる。

従って、図 4に示すように、従来材料のゼンマイの出力トルク特性 G 6 と比較して、アモルファスゼンマイの出力トルク特性 G 5は、卷数は同じであるが、カーブの傾きが小さく巻数の変化によるトルク変動が小さい。また、同じ卷数時でのトルクが高いので.、持続時間が増加し、駆動機構.をより長時間動作させることが可能となる。

3 . 最適形状となるアモルファスゼンマイの形成

また、上述したアモルファス金属から構成されるパネをゼンマイとして利用する場合、単板では厚さ tが 5 0 / m以上のものを製造するのが困難なため、 2枚、 3枚、および複数枚のアモルファス金属板状体を積層一体化してァモルファスゼンマイとするのが好ましい。

すなわち、ァモルファス金属板状体が積層して形成されているので、 ( 1 ) 、（ 2 2 ) 、（ 2 3 ) 式から判るように、出力トルク等の要求性能に応じてアモルファスゼンマイの厚さ tを自由に設定することが可能となる。

さらに、積層一体化する場合、複数枚のアモルファス金属板状体を合成樹脂系の接着剤で貼り合わせるのが好ましい。

すなわち、合成樹脂系の接着剤は、比較的低温で複数枚のァモルファス金属板状体を積層一体化することができるので、アモルファス金属の特性が変化することもなく、上述したァモルファスゼンマイの特徴が損なわれることもない。

具体的には、ァモルファス金属の特性が変化する略 3 0 0。C以下の温度で硬化する接着剤を採用すればよく、例えば、エポキシ系接着剤であれば、略 1 0 0 °Cで硬化するので、アモルファス金属の特性が変化することもない。 13 また、接着剤が完全に硬化する前であれば容易に変形するので、上述したアモルファスゼンマイのクセ付を治具等に巻き付けて容易に行うことが可能となる。

さらに、従来のゼンマイのようにクセ付のために別途熱処理等をする必要がなく、ゼンマイの製造工程の簡素化を図ることが可能となる。尚、複数枚のアモルファス金属板状体の内端部分、変曲点部分、外端部分をスポット溶接しても、アモルファスゼンマイのクセ付を行うことが可能である。尚、このような積層一体化したパネを、水晶振動子の固定バネ、コハゼバネ等として用いても、上述と同様の効果を享受できる。 4 . アモルファスゼンマイを利用した駆動機構

そして、本発明に係るゼンマイを利用した駆動機構は、上述したァモルファスゼンマイと、このゼンマイの機械工ネルギを伝達する輪列とを備えたゼンマイを利用した駆動機構であって、複数のアモルファスゼンマイと、これらのゼンマイを収納する複数の香箱とを有し、前記輪列には、前記複数の香箱が同時に嚙合していることを特徴とする。

すなわち、ァモルファスゼンマイが収納された複数の香箱を同時に輪列に喃合させているので、輪列には、複数の香箱から出力される出力トルクを重ね合わせた出力トルクが作用し、輪列に大きなトルクを作用させることが可能となり、駆動機構を高い出力トルクで動作させることが可能となる。

以上において、前記複数の香箱は、輪列に対する嚙合の位相が互いにずれているのが好ましい。

すなわち、嚙合の位相が互いにずれているので、一方の香箱と輪列との嚙合によって発生するトルク変動を、他の香箱との嚙合により打ち消すことが可能となり、香箱全体で輪列への伝達トルクの変動を抑制して駆動機構をスムースに動作させることが可能となる。 14

図面の簡単な説明

図 1は、本発明の作用を説明するためのひずみと付勢力の関係を示すグラフである。

図 2は、本発明の作用を説明するための模式図である。

図 3は、ゼンマイ長さと曲率半径との関係か.らゼンマイの変曲点位置を表すグラフである。

図 4は、卷数と出力トルクとの関係を表すグラフである。

図 5は、本発明の第 1実施形態に係るァモルファスゼンマイを利用した駆動機構を表す平面図である。

図 6は、前述の実施形態における駆動機構の断面図である。

図 7は、前述の実施形態における駆動機構の他の断面図である。

図 8は、前述の実施形態における香箱内に収納されたゼンマイを表す平面図である。

図 9は、前述の実施形態におけるゼンマイの厚さ方向断面図である。図 1 0は、前述の実施形態におけるゼンマイの自由展開形状を表す平面図である。

図 1 1は、本発明の第 2実施形態に係る駆動機構を表す部分平面図である。

図 1 2は、前述の実施形態における香箱と輪列との嚙合状態を表す部分平面図である。

図 1 3は、本発明の第 3実施形態に係るテンプヒゲ系の構造を表す平面図である。

図 1 4は、前述の実施形態におけるテンプヒゲ系の構造を表す断面図である。

図 1 5は、本発明の第 4実施形態に係る水晶振動子の固定構造を表す 15 側面図である。発明を実施するための最良の形態

以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

第 1実施形態は、本発明に係るパネをゼンマイとして利用した駆動機構に係るものである。図 5は、本発明の第 1実施形態に係るァモルファスゼンマイを利用した電子制御式機械時計の駆動機構を示す平面図であり、図 6及び図 7はその断面図である。

電子制御式機械時計の駆動機構 1は、アモルファスゼンマイ 3 1、香箱歯車 3 2、香箱真 3 3及び香箱蓋 3 4からなる香箱 3 0を備えている。アモルファスゼンマイ 3 1は、外端が香箱歯車 3 2、内端が香箱真 3 3に固定される。香箱真 3 3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、コハゼ 6と嚙み合っている。なお、角穴車 4を時計方向に回転しァモルファスゼンマイ 3 1を巻く方法は、機械時計の自動卷または手卷機構と同様であるため、説明を省略する。

香箱歯車 3 2の回転は、 7倍に増速されて二番車 7へ、順次 6 . 4倍増速されて三番車 8へ、 9.375 倍増速されて四番車 9へ、 3倍増速されて五番車 1 0へ、 1 0倍増速されて六番車 1 1へ、 1 0倍増速されて口一夕 1 2へと、合計 1 2 6 , 0 0 0倍の増速をし、これらの歯車が輪列を構成している。

二番車 7には筒かな 7 aが、筒かな 7 aには分針 1 3が、四番車 9には秒針 1 4がそれぞれ固定されている。従って、二番車 7を 1 r p hで、四番車 9を 1 r p mで回転させるためには、口一夕 1 2は 5 r p sで回転するように制御すればよい。このときの香箱歯車 1 bは、 16 p hとなる。

この電子制御式機械時計は、ロー夕 1 2、ステ一夕 1 5、コイルプロック 1 6から構成される発電機 2 0を備えている。口一夕 1 2は、口一夕磁石 1 2 a、口一夕かな 1 2 b、ロー夕慣性円板 1 2 cから構成される。ロータ慣性円板 1 2 cは、香箱 3 0からの駆動トルク変動に対し口一夕 1 2の回転数変動を少なくするためのものである。ステ一夕 1 5は、ステ一夕体 1 5 aに 4万ターンのステ一夕コイル 1 5 bを卷線したものである。

コイルブロック 1 6は、磁心 1 6 aに 1 1万ターンのコイル 1 6 bを卷線したものである。ここで、ステ一夕体 1 5 aと磁心 1 6 aは P Cパ —マロイ等で構成されている。また、ステ一夕コイル 1 5 bとコイソレ 1 6 bは、各々の発電電圧を加えた出力電圧がでるように直列に接続されている。

このような発電機 2 0によって発電された交流出力は、図 5〜図 7では図示を略したが、駆動機構 1の調速、脱進等の制御用に組み込まれる制御回路に供給される。

次に、上述した香箱 3 0の内部構造について図 8に基づいて説明する o

図 8 ( A) には、前述したアモルファスゼンマイ 3 1が香箱 3 0内で巻締められた状態が示され、図 8 (B ) には、アモルファスゼンマイ 3 1が香箱内で巻戻った後の状態が示されている。

尚、このアモルファスゼンマイ 3 1の形状寸法は、幅 b = lmm、厚さ t = 0. 1 mm、全長 L = 3 0 0 mmである。

アモルファスゼンマイ 3 1は、上述したように、その内端 3 1 1が香箱真 3 3に卷き付けられているとともに、外端 3 1 2が香箱の内側面に接合固定されている。 17 図 8 ( B ) の状態において、外力によって香箱 3 0を香箱真 3 3に対して回転させると、アモルファスゼンマイ 3 1が卷締まる。巻締め後、香箱 3 0の拘束状態を解放すると、アモルファスゼンマイ 3 1の卷戻りとともに、香箱 3 0が回転する。そして、香箱 3 0の外周に形成される香箱歯車 3 2によって上述した二番車 7等の輪列を回転させて分針 1 3 、秒針 1 4等が動作する。

アモルファスゼンマイ 3 1は、図 9に示すように、厚さ 5 0 z mのァモルファス金属板状体 3 1 3を複数枚積層一体化して形成され、各々のアモルファス金属板状体 3 1 3同士は、エポキシ系接着剤 3 1 4によつて貼り付けられている。

前記香箱 3 0から取り外したアモルファスゼンマイ 3 1は、図 1 0に示すように、香箱真 3 3に対する卷取り方向とは、反対側にクセ付され、平面略 S字状の自由展開形状を有している。

そして、湾曲方向が変化する変曲点 3 1 5は、内端 3 1 1の近傍に形成され、変曲点 3 1 5から内端 3 1 1までは、アモルファスゼンマイ 3 1を香箱真 3 3に固定するために利用される。

以上のようなアモルファスゼンマイ 3 1を製造するに際しては、まず、アモルファス金属板状体 3 1 3を駆動機構 1の動力源として必要な幅、長さ寸法に加工する。

そして、各々のアモルファス金属板状体 3 1 3をエポキシ系接着剤 3 1 4を用いて互いに貼り合わせ、ァモルファスゼンマイ 3 1に必要な厚さ t ( 0 . 1 mm) を確保する。

最後に、エポキシ系接着剤 3 1 4が硬化する前に、丸棒等にァモルファスゼンマイ 3 1を巻き付けてクセ付を行い、エポキシ系接着剤 3 1 4 を硬化させる。

以上のような第 1実施形態に係るァモルファスゼンマイ 3 1によれば 18

、次のような効果がある。

① 駆動機構 1の動力源としてアモルファスゼンマイ 3 1が採用されているので、駆動機構 1の小型化を維持しつつ、当該駆動機構 1を長時間動作させることができる。

因みに、上述した駆動機構 1に従来のゼンマイを組み込んだ場合、卷締め時から 4 0時間で停止するのに対して、ァ.モルファスゼンマイ 3 1 を組み込んだ場合、卷締め時から 4 5時間で停止し、持続時間は約 1 0 %増加する。

② 変曲点 3 1 5の位置を内端 3 1 1の近傍に設定することができるので、クセ付をアモルファスゼンマイ 3 1のほぼ全長に亘つて行うことができ、アモルファスゼンマイ 3 1が蓄積する機械工ネルギを増大させて駆動機構 1の動作の長時間化を一層図ることができる。

また、アモルファスゼンマイ 3 1であればトルク変動が小さいので、機械式時計の動力源として採用した場合、駆動精度が向上する。

③ 従来のゼンマイでは、バルク材から圧延を繰り返して所定寸法の厚さのゼンマイを得ていた。

これに対して、上述したアモルファスゼンマイ 3 1は、単口一ル法、双ロール法、回転水中紡糸法等によりワイヤ、リボン材等を簡単に製造することができるので、ァモルファスゼンマイの製造の簡単化を図ることができる。

④ 複数枚のアモルファス金属板状体 3 1 3の積層一体化をエポキシ系接着剤 3 1 4によって行っているので、アモルファスゼンマイ 3 1の形成に加熱工程が加わることもなく、アモルファス金属の特性を損なうことがない。

また、接着剤の硬化前にクセ付を行うことができるので、ァモルファスゼンマイ 3 1のクセ付を治具等に卷き付けて容易に行うことができる 19

次に、本発明の第 2実施形態に係るアモルファスゼンマイを利用した駆動機構について説明する。尚、以下の発明では、既に説明した部分又は部材と同一又は類似の部分等については、その説明を省略又は簡略する。

前述した第 1実施形態に係る駆動機構 1では.、駆動機構 1を動作させる動力源は、香箱 3 0に収納された 1つのアモルファスゼンマイ 3 1のみであった。

これに対して、図 1 1に示すように、第 2実施形態に係る駆動機構 1 0 1は、香箱 3 0を 2つ備え、各々の内部に収納されたァモルファスゼンマイ 3 1が駆動機構 1 0 1の動力源とされている点が相違する。

駆動機構 1 0 1の二番車 7の基部歯車 7 1には、 2つの香箱 3 0の外周に形成された香箱歯車 3 2 (図 1 1では図示略）が同時に嚙合している。

2つの香箱 3 0は、それぞれの香箱真 3 3を中心として同一方向に回動し、二番車 7には、各々のアモルファスゼンマイ 3 1の出力トルク T を加えたトリレク 2 Tが作用している。

ここで、二番車 7に嚙合する香箱歯車 3 2は、図 1 2に示すように、左側の香箱歯車 3 2と右側の香箱歯車 3 2とが嚙合する位相が異なっていて、左側の香箱歯車 3 2が二番歯車 7と B 1点で当接する時、右側の香箱歯車 3 2は B 2点で二番歯車 7から離間しょうとしている。

尚、このような位相の相違は、香箱真 3 3の相対位置によって決まり

、図 1 1から判るように、二番車 7の回転中心と香箱真 3 3とがなす角

^に応じて嚙合する位相を調整することができる。

このような第 2実施形態に係るアモルファスゼンマイを利用した駆動機構 1 0 1によれば、前述の第 1実施形態で述べた効果に加えて、次の 20 ような効果がある。すなわち、アモルファスゼンマイ 3 1が収納された 2つの香箱 3 0を同時に輪列を構成する二番車 7に同時に嚙合させているので、香箱 3 0各々の出力トルク Tを重ね合わせて二番車 7を回転させることができ、駆動機構 1 0 1を高い出力トルク 2 Tで動作させることができる。

また、二番車 7に嚙合する香箱歯車 3 2の位相が互いにずれているので、一方、例えば、図 1 2において、左側の香箱 3 0と二番歯車 7との嚙合状態によって発生するトルク変動を、他の右側の香箱 3 0との嚙合状態によりトルクを和することで、伝達トルクの変動を抑制して駆動機構 1 0 1をスムースに動作させることができる。

次に、本発明の第 3実施形態について説明する。第 3実施形態は、本発明に係るアモルファス金属から構成されるパネを、機械式時計の調速機を構成するテンプを付勢するヒゲゼンマイとして利用したものである。すなわち、本例における調速機を構成するテンプひげ系 4 0 0は、図 1 3および図 1 4に示すように、テン真 4 1 0、テン輪 4 2 0、振り座 4 3 0、ヒゲ玉 440、ヒゲ持 4 5 0、緩急針 4 6 0を含んで構成される

テン真 4 1 0には、テン輪 4 2 0、振り座 4 3 0、ヒゲ玉 44 0が固定され、これらが一体で回転するように構成されている。ヒゲゼンマイ 4 7 0は、アモルファス合金から構成される非磁性体であり、その内周端がヒゲ玉 44 0に固定され、外周端は、ヒゲ持 4 5 0に固定されている。緩急針 4 6 0は、ヒゲ棒 4 6 1およびヒゲ受 4 6 2を含んで構成され、ヒゲゼンマイ 4.7 0の最外周部分は、ヒゲ棒 4 6 1およびヒゲ受の間を通過している。

そして、このようなテンプヒゲ系 40 0では、テンプ輪 4 2 0がテン真 4 1 0を軸として回転すると、これに伴いヒゲ玉 44 0も回転するの 21 で、テンプ輪 4 2 0には、ヒゲゼンマイ 4 7 0の付勢力が作用し、この付勢力とテンプ輪 4 7 0の慣性力とがつり合うと、テン輪 4 2 0の回転が停止し、ヒゲゼンマイ 4 7 0の付勢力により、テン輪 4 2 0は逆方向に回転する。すなわち、テン輪 4 2 0は、テン真 4 1 0を軸として揺動を繰り返す。このテン輪 4 2 0の揺動周期は、緩急針 4 6 0のヒゲ棒 4 6 1、ヒゲ受 4 6 2の位置を微調整することにより、変化させることができる。また、この揺動周期 Tは、テンプ輪 4 2 0等の回転部分の慣性モーメント Jの他、ヒゲゼンマイ 4 7 0の材料特性によっても変化し、ヒゲゼンマイ 4 7 0の幅を b、厚さを t、ゼンマイ長さを L、ヒゲゼンマイのヤング率を Eとすると、以下の（ 2 5 ) 式によって表される。

|12 JL

T = 27Γ, (25)

— Eb t³ 以上ような第 3実施形態によれば、次のような効果がある。

すなわち、ヒゲゼンマイ 4 7 0がァモルファス金属により構成されているので、温度変化に伴うヤング率 Eの変化が少なく、（ 2 5 ) 式で表されるテンプヒゲ系 40 0の揺動周期の変化も少なくなり、テンプヒゲ系 40 0を含む調速機を有する機械式時計の高精度化を図ることができる ο

また、ヒゲゼンマイ 4 7 0が非磁性体のアモルファス金属から構成されているので、耐磁性が向上し、ヒゲゼンマイ 4 7 0が外部磁界等に引つ張られても、ゼンマイの特性が低下することもない。，

次に、本発明の第 4実施形態について説明する。第 4実施形態は、本発明に係るアモルファス金属から構成されるパネを、水晶発振式時計の水晶振動子を付勢状態で固定するパネとして利用したものである。

すなわち、図 1 5に示すように、水晶振動子 5 0 0は、真空カプセル 5 0 1と、この真空カプセル 5 0 1の内部に収納される音叉型の振動子 P T/JP98/03828

22 本体 5 0 2 とを含んで構成され、真空カプセル 5 0 1の端部に設けられ端子 5 0 3が回路基板 5 1 0 と電気的に接続されて発振回路が構成される。

このような水晶振動子 5 0 0は、地板 5 2 0上に配置され、ネジ 5 3 0 と、アモルファス金属から構成される固定バネ 5 4 0によって、地板 5 2 0に押さえつけられる方向に付勢された状態.で固定されている。

このような第 4実施形態によれば、以下のような効果がある。すなわち、アモルファス金属から構成される固定パネ 5 3 0は、ヤング率が小さいので、固定パネ 5 3 0のたわみ量と付勢力との関係は、上述した図 1に示されるように、従来材料のパネのグラフ G 1 よりも傾きの小さいグラフ G 2となる。従って、固定バネ 5 3 0のたわみ量が変化しても、その際の付勢力の変動が少なくなるので、水晶振動子の周期のずれを少なくすることができ、水晶発振式時計の高精度化を図ることができる。尚、本発明は、前述の各実施形態に限定されるものではなく、次に示すような変形等をも含むものである。

すなわち、前述の第 1実施形態では、アモルファスゼンマイ 3 1は、電子制御式機械時計の駆動機構 1の動力源として用いられていたが、これに限らず、制御系が調速機、脱進機によって構成される通常の機械式時計の駆動機構にァモルファスゼンマイを用いてもよい。

また、前述の第 1実施形態では、時計の駆動機構 1の動力源としてァモルファスゼンマイ 3 1が用いられていたが、これに限らず、ォルゴ一ル等他の駆動機構の動力源としてアモルファスゼンマイを用いても良いさらに、前述の第 1実施形態では、アモルファスゼンマイ 3 1は接着剤 3 1 4によって積層一体化されていたが、内端 3 1 1、外端 3 1 2、変曲点 3 1 5にスポッ卜溶接を行って一体化してもよく、このようにす

Claims

23 れば、積層一体化と同時にァモルファスゼンマイのクセ付をある程度行うことができる。そして、前述の第 2実施形態では、輪列を構成する二番車 7には、 2 つの香箱 3 0が嚙合していたが、 2以上の香箱 3 0が嚙合していてもよく、要するに、アモルファスゼンマイの蓄積エネルギと、駆動機構の動力源として要求されるエネルギとに応じて適宜決定すればよい。また、前述の第 4実施形態では、アモルファス金属から構成されるバネを、水晶振動子 5 0 0を固定する固定バネ 5 3 0 として利用していたが、これに限られない。すなわち、第 1実施形態の角穴車 4と嚙合するコハゼ 6を構成するコハゼバネをァモルファス金属から構成してもよい。コハゼは、香箱内のゼンマイを巻く際の卷戻り防止のための部品であり、その時機能するパネがコハゼバネである。そして、コハゼパネは、ゼンマイを卷いている最中、コハゼと係合している角穴車のかみ合い歯数分だけ繰り返し荷重を受けることとなり、その回数は数万〜数十万回 /年となる。このような繰り返し荷重がかかる場合、コハゼパネの許容応力は、最大応力の 1 / 2以下に設定する必要がある。従って、このようなコハゼパネにァモルファス金属から構成されるパネを使用すれば、許容応力が高く設定でき、また付勢力のばらつきも少ないので、コハゼパネの材料としても有利である。その他、本発明の実施の際の具体的な構造及び形状等は、他の目的を達成できる範囲で他の構造等としてもよい。産業上の利用可能性以上のように、本発明に係るバネ、ゼンマイ、ヒゲゼンマイ、これらを利用した駆動機構、および時計は、時計、オルゴール、オルゴール等の駆動機構の動力源として、水晶発振式時計等の水晶振動子を固定する 24 パネとして、機械式時計のテンプを付勢するヒゲゼンマイとして、香箱内のゼンマイの卷締めの際の卷戻り防止のためのコハゼパネとして好適である。 25 請求の範囲

1 . ァモルファス金属から構成されていることを特徴とするバネ。

2 . 請求の範囲第 1項に記載のパネにおいて、

基板や地板等に、初期たわみを持たせて組み込まれていることを特徴とするパネ。

3 . 請求の範囲第 1項または第 2項に記載のパネにおいて、

直径 0 . 0 5 mm以上の円形断面または厚さ 0 . 0 1 1^ 幅 0 . 0 5 mm 以上の矩形断面を有していることを特徴とするパネ。

4 . 請求の範囲第 1項に記載のパネにおいて、

非磁性体からなることを特徴とするパネ。

5 . 請求の範囲第 1項に記載のバネにおいて、

複数枚のアモルファス金属板状体を積層一体化することにより形成されていることを特徴とするパネ。

6 . 請求の範囲第 5項に記載のパネにおいて、

前記複数枚のアモルファス金属板状体は、合成樹脂系の接着剤により積層一体化されていることを特徴とするパネ。

7 . 請求の範囲第 1項〜第 6項のいずれかに記載のパネから構成されていることを特徴とするゼンマイ。

8 . 請求の範囲第 7項に記載のゼンマイにおいて、

自由展開形状は S字状をなし、この自由展開形状の湾曲方向が変化する変曲点は、巻き取り側の端部となる内端と、この内端に対して他の端部となる外端との中間点よりも内端側に形成されていることを特徴とするゼンマイ。

9 . 請求の範囲第 1項〜第 4項のいずれかに記載のパネから構成されていることを特徴とするヒゲゼンマイ。

1 0 . 請求の範囲第 7項〜第 9項のいずれかに記載のゼンマイまたはヒ 26 ゲゼンマイを用いたことを特徴とする時計。

1 1 . 請求の範囲第 7項または第 8項のゼンマイと、このゼンマイの機械エネルギを伝達する輪列とを備えたゼンマイを利用した駆動機構であつて、

少なくとも 2以上のゼンマイと、これらのゼンマイのそれぞれを収納する複数の香箱とを有し、

前記輪列には、前記複数の香箱が同時に嚙合していることを特徴とするゼンマイを利用した駆動機構。

1 2 . 請求の範囲第 1 1項に記載のゼンマイを利用した駆動機構において、

前記複数の香箱は、前記輪列に対する嚙合の位相が互いにずれていることを特徴とするゼンマイを利用した駆動機構。

1 3 . 請求の範囲第 1 1項または第 1 2項に記載のゼンマイを利用した駆動機構を用いたことを特徴とする時計。