JP2005140674A - 時計用ばね、ぜんまい、ひげぜんまい、及び時計 - Google Patents

Abstract

【課題】 時計をはじめとする精密機械の高精度化、安定動作化を図ることができる時計
用ばね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
とのできる時計用ばね、ぜんまい、ひげぜんまい、及び時計を提供すること。
【解決手段】 駆動機構の動力源として用いられるぜんまいは、特定のチタン合金により形成され、その自由展開形状はＳ字状をなし、この自由展開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慨嘆との中
間点よりも内端側に形成されている。本発明を構成するチタン合金は、引張応力が高く、
かつ、平均ヤング率が低いので、ぜんまい３１に蓄えられる機械エネルギを大きくするこ
とができる。
【選択図】 図１０

Description

本発明は、時計用ばね、ぜんまい、ひげぜんまい、及び時計に関する。

従来より、時計をはじめとする精密機械には、種々のばねが採用されている。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ばね、時計の駆動機
構の動力源を構成するぜんまい、ぜんまいを巻く際に巻き戻り防止のために設けられるコ
ハゼばね、機械式時計におけるテンプを付勢するひげぜんまい等が知られている。

また、このようなばね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、銅合金等からなるばね材料、ぜんまい材料等が採用されているが、次の（ｉ）〜（iii）のような問題があった。

（ｉ）まず、水晶振動子を付勢状態で固定するばねの場合、水晶振動子の特性として、当
該ばね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、バ
ネの付勢力のばらつきにより、水晶が発振する３２ｋＨｚの信号の周期が進んだり、また
は遅れたりしてしまうため、その信号を基準信号としている時計体の精度がずれてしまう
という問題があった。従って、水晶振動子を固定するばねには、付勢力のばらつきが少な
いものが切望されていた。

（ii）また、機械式時計の調速機を構成するテンプを付勢するひげぜんまいの場合、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していた。従って、ひげぜんまいの材料としては、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。

（iii）更には、時計等の駆動機構の動力源を構成するぜんまいの場合、駆動機構の長時間動作と、駆動機構の小型化といった相反する性能を満たすぜんまいが切望されている。すなわち、例えば、時計の駆動機構は、動力源となるぜんまいと、このぜんまいを収納する香箱と、この香箱と噛合してぜんまいの機械エネルギを伝達する輪列とを備え、巻締められたぜんまい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。

これに対して、前記した問題を解決すべく、近年では、例えば、チタン合金から構成されているばねや、当該ばねから構成されているぜんまいやひげぜんまいが検討されている（例えば、特許文献１）。

ところで、駆動機構の動力源とされるぜんまいの巻数と出力トルクとの関係は比例関係にあり、ぜんまいが出力するトルクをＴ、ぜんまいの巻締め回数（巻数）をＮ、ヤング率をＥ、ぜんまいの全長をＬとし、ぜんまいが厚さｔ、幅ｂの矩形状の断面を有するとすると、下記（１）式で表されることが知られている。

一方、ぜんまいの全長Ｌ、厚さｔ、幅ｂは、ぜんまい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、ぜんまいの全長Ｌは、下記（２）
式によって導かれ、かかる（２）式より、ぜんまいの全長Ｌおよび厚さｔは反比例の関係
にあるということがわかる。

ここで、ぜんまいに蓄えられる機械エネルギは、前記した（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）式がぜんまいの全長Ｌおよび厚さｔの関数と
も考えられるので、従来は、Ｌ、ｔを調整することによってぜんまいのエネルギを調整し
ていた。すなわち、ぜんまいの厚さｔを薄くしてぜんまいの全長Ｌを大きくすれば、ゼン
マイの最大巻数Ｎmaxを大きくすることができる。一方、これとは逆に、ぜんまいの全長
Ｌを短くしてぜんまいの厚さｔを厚くすることにより、出力トルクＴの値を高くすること
ができた。

国際公開ＷＯ９９／１２０８０号パンフレット

しかしながら、このような決定方法では、前記した（２）式からも明らかなように、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こと
になっていた。そのため、長時間動作可能なぜんまいを採用する場合にあっては、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ないため、ぜんまいを含む駆動機
構の小型化を図ることができない問題点を有していた。

また、ぜんまいとしてヤング率の高いぜんまい材料を採用し、厚さｔが薄くても高ト
ルクを出力することのできるぜんまいとすることも考えられるが、ぜんまいの靭性を確保
することが困難であり、その結果、ぜんまいの耐久性という点で限界があった。

本発明の目的は、時計の精密機械の高精度化、安定動作化を図ることができる時計用バ
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
できる時計用ばね、及び当該時計用ばねを備えたぜんまい、ひげぜんまい、並びに時計を
提供することにある。

前記の課題を解決するために、本発明の時計用ばねは、バナジウム族（Ｖａ族）元素の一種または二種以上を含有し、残部が実質的にチタン（Ｔｉ）からなり、平均ヤング率が１００ＧＰａ以下で、引張強度が１０００ＭＰａ以上であるチタン合金から構成されていることを特徴とするものである。

本発明の時計用ばねは、前記したように、バナジウム族（Ｖａ族）元素の一種または二種以上を含有し、残部が実質的にチタン（Ｔｉ）からなるチタン合金（以下、単に「チタン合金」、または「特定のチタン合金」とすることもある）を基本構成とするものである。
ここで、バナジウム族（Ｖａ族）としては、バナジウム（Ｖ）のほか、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）等が挙げられ、チタン合金に対してこれらの一種を単独で、または二種以上を組み合わせて含有させることができる。これらの元素は、何れもβ相安定化元素として知られるものであるが、チタン合金全体がβ型合金に限られるということを意味するものはない。

また、前記したバナジウム族（Ｖａ族）は、本発明の時計ばねを構成するチタン合金全体に対して、２０〜８０質量％含有させることが好ましく、３０〜６０質量％含有させることがより好ましい。バナジウム族（Ｖａ族）の含有量をかかる範囲にすることにより、比強度の低下が起きることなくチタン合金の低ヤング率化を図ることができる一方、バナジウム族（Ｖａ族）の含有量が２０質量％より小さいと、平均ヤング率を所望の１００ＧＰａ以下とすることが困難となる場合がある。また、バナジウム族（Ｖａ族）の含有量が８０質量％を超えると、チタン合金の密度が大きくなるため、チタン合金の比強度の低下を招く場合がある。

チタン合金に対しては、更に、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、スカンジニウム（Ｓｃ）とからなる金属元素群の一種以上を含有させてもよい。これらの金属元素のうち、ジルコニウム（Ｚｒ）とハフニウム（Ｈｆ）は、チタン合金の低ヤング率化と高強度化に有効な元素であり、また、スカンジニウム（Ｓｃ）は、チタン（Ｔｉ）に固溶させた場合にあっては、前記したバナジウム族（Ｖａ族）の元素とともにチタン原子間の結合エネルギを特異的に低下させ、低ヤング率化の促進を図ることができる。これらの金属元素群は、チタン合金の全体を１００質量％とした場合において、３０〜６０質量％含有させることが好ましく、金属元素群の含有量をかかる範囲とすることにより、前記した各元素の奏する効果を好適に享受することができる。

チタン合金に対しては、更に、酸素（Ｏ）、炭素（Ｃ）または窒素（Ｎ）の一種以上を含有させてもよく、これらは侵入型の固溶強化元素であるため、チタン合金の強度を向上させることができるため好ましい。これら酸素（Ｏ）、炭素（Ｃ）または窒素（Ｎ）は、チタン合金の全体を１００質量％とした場合において、２質量％以下含有させることが好ましく、酸素（Ｏ）や炭素（Ｃ）の含有量をかかる範囲とすることにより、チタン合金の強度の向上を好適に図ることができる。

チタン合金に対しては、更に、ホウ素（Ｂ）を含有させてもよく、ホウ素（Ｂ）の添加は、チタン合金の機械的な材料特性と熱間加工性を向上させることができるため好ましい。
ホウ素（Ｂ）は、チタン合金の全体を１００質量％とした場合において、２質量％以下含有させることが好ましく、ホウ素（Ｂ）の含有量をかかる範囲とすることにより、チタン合金の機械的な材料特性と熱間加工性の向上を好適に図ることができる。

チタン合金に対しては、更に、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、錫（Ｓｎ）またはアルミニウム（Ａｌ）よりなる金属元素群の一種以上を含有させてもよく、これらの金属元素の添加は、チタン合金の強度（室温強度を含む）や熱間鍛造性を向上させることができるため好ましい。

なお、前記した各組成元素は、ばねの要求性能に応じて、所定の範囲内で任意に組み合わせることができ、また、本発明の効果を妨げない範囲内において、更に別の元素を添加してチタン合金を構成してもよい。

また、本発明の時計用ばねを構成するチタン合金は、チタン（Ｔｉ）を含有する合金体を意味するものであるが、チタン（Ｔｉ）の含有量を特定するまでのものではない。
よって、本発明にあっては、仮にチタン（Ｔｉ）以外の成分の含有量が合金全体の半分以上（５０質量％以上）を超える場合であっても、チタン（Ｔｉ）を含む合金である限り、チタン合金を意味するものである。

前記の構成成分からなるチタン合金を製造する方法は、特に限定されるものではなく、溶解法、鋳造法、焼結法等の公知の手段を用いて製造することができる。
また、製造途中の工程として、冷間加工、熱間加工、熱処理等を施すことによって、得られるチタン合金の材料特性を調整することができる。そして、例えば、特開２００２−２４９８３６号に開示されるようなチタン合金の製造方法を用いることによっても、本発明の時計用ばねを構成するチタン合金を簡便に製造することができる。

そして、本発明の時計用ばねを構成するチタン合金は、平均ヤング率が１００ＧＰａ以下で、引張強度が１０００ＭＰａ以上であるチタン合金から構成されていることを特徴とするものであり、平均ヤング率が９０ＧＰａ以下、引張強度が１３００ＭＰａ以上、または、平均ヤング率が６０ＧＰａ以下、引張強度が１０００ＭＰａ以上であることが好ましい。
ここで、「平均ヤング率」とは、例えば、特開２００２−２４９８３６号に開示される如く、引張試験により得られた応力−歪み線図上において、引張弾性限強度の１／２に相当する応力位置での傾き（曲線の接線の傾き）を示すものである。

すなわち、時計用のばね材料として前記の構成のチタン合金を採用したのは、引張強度が１０００ＭＰａ以上で、かつ平均ヤング率が１００ＧＰａ以下となる時計ばね材料とするためであるが、具体的には、下記に示すような従来のぜんまい材料と、特定のチタン合金から構成されるばねの最大引張応力（σmax）と平均ヤング率Ｅを比較すると、以下のようになる。

（ 従来のぜんまい材料の組成 ）
化学組成（質量％）：Ｃｏ ３０〜４５％、Ｎｉ １０〜２０％、Ｃｒ ８〜１５％、
Ｃ ＜０．０３％、Ｗ ３〜５％、Ｍｏ ３〜１２％、Ｔｉ ０．
１〜２％、Ｍｎ ０．１〜２％、Ｓｉ ０．１〜２％、Ｆｅ 残

σmax（ＭＰａ） Ｅ（ＧＰａ）
従来材料 ２０００ ２００
チタン合金ばね １５００ ８０

このような特定のチタン合金から構成される時計用ばねを採用すれば、平均ヤング率が低い一方、最大引張り応力が大きいため、許容応力も大きくなり、同じ形状の従来材料のばねと比較しても、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、時計用ばねが特定のチタン合金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ー、リボン材等を簡単に製造することができ、ばねの製造工程の簡素化を図ることができる。

更には、時計用ばねを構成する特定のチタン合金は、弾性変性能に優れるといった超弾
性的性質と、室温においても冷間加工性に優れるといった超塑性的性質を併せ持ったもの
であるので、例えば、かかる冷間加工性を生かして、チタン合金を所望の形状に簡便に加
工することが可能となる。

更にまた、特定のチタン合金は耐食性が良好であるため、時計用ばねの適用箇所によっては、錆止め用メッキを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特定のチタン合金から構成される時計用ばねを用いた場合、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、前記したように、特定のチタン合金から構成されるばね（チタン合金ばね）は、従来材料のばねと比較して平均ヤング率が低いため、ばねのたわみ量εと付勢力Ｆとの関係は、図１に示すように、従来材料のばねのグラフＧ１よりも傾きの小さいグラフＧ２となる。
従って、水晶振動子を固定するのに必要な付勢力Ｆ０を与える従来材料のばねのたわみ量をε１、チタン合金ばねのたわみ量をε２とすると、両者のばねのたわみ量ε１およびたわみ量ε２にσという変化が生じた場合、その際の付勢力Ｆ０の変動ｄｆ１、ｄｆ２を比較すると、チタン合金ばねの付勢力の変動ｄｆ２の方が小さいことがわかる。

よって、水晶振動子を固定する付勢手段としてチタン合金ばねを採用すれば、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、特定のチタン合金から構成される時計用ばねを、機械式時計の調速機を構成するテンプを付勢するひげぜんまいとして採用すれば、通常のひげぜんまい材料である炭素鋼等と比較すると、温度変化に伴う平均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を図ることができる。

更には、駆動機構の動力源として特定のチタン合金から構成される時計用ばねを採用した場合、すなわち、特定のチタン合金から構成されるぜんまいとした場合、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、前記した（１）式の関係が成立するぜんまい３１（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３１１が香箱真３３に剛接合され、他の端部となる外端３１２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α（ｒａｄ）は、ぜんまい３１のたわみ半径をｒとすると、下記（３）式により表すことができる。

一方、ぜんまい３１の巻数Ｎは、前記したたわみ角αによって、下記（４）式により表
すことができる。

従って、前記した（１）式は前記した（３）式及び（４）式から、下記（５）式に変形
されることになる。

そして、ぜんまい３１のたわみによって蓄えられるエネルギＵは、ぜんまい３１に作用
する曲げモーメント、すなわち、ぜんまい３１の出力トルクＴをαについて積分すること
によって求められ、下記（６）式のように表される。

従って、長さＬのぜんまいが蓄え得る最大エネルギＵmaxは、図２におけるぜんまい３
１の最大たわみ角αmaxとすると、下記（７）式で表される。

ここで、ぜんまい３１に作用する曲げ応力σは、ぜんまい３１に作用する曲げモーメン
ト、すなわち、たわみ状態にあるぜんまい３１が出力し得る出力トルクＴの関数として表
される。ぜんまい３１の中立軸Ａからの厚さ方向変位をｙ、ぜんまい３１の断面二次モー
メントをＩｚとすると、下記（８）式のように表される。

従って、図２におけるぜんまい３１の上面に作用する引っ張り方向の最大曲げ応力σｂ
は、前記した（８）式を用いれば、下記（９）式により算出される。

一方、ぜんまい３１の断面は、厚さｔ、幅ｂの矩形状をなしているから、前記Ｉｚは、下記（１０）式により求められる。また、これら（９）式、（１０）式により、ぜんまい３１の出力トルクＴは、下記（１１）式により表される。

そして、前記した（１）及び（１１）式より、当該出力トルクＴは、下記（１２）式により算出される。

また、前記（７）式におけるαmaxを与えるぜんまいの最大巻数Ｎmaxは、（４）式を用いることにより、下記（１３）式により表される。

そして、これら（１２）式及び（１３）式より、σmaxを求める下記（１４）式の関係が導き出される。

従って、αmaxは、ぜんまい３１の引っ張り方向の最大曲げ応力σｂ、すなわち、ぜんまい３１に用いられるぜんまい材料の最大引っ張り応力σmaxによって決定され、前記した（７）式が、下記（１５）式により算出されることがわかる。

この（１５）式から、図２のぜんまい３１に蓄えられる最大エネルギＵmaxは、ぜんまい３１の厚さｔ、幅ｂ、及び長さＬのみならず、ぜんまい３１を構成する材料の最大引張応力σmax、及び平均ヤング率Ｅによっても変化することがわかる。

従って、ぜんまいに蓄えられるエネルギＵmaxをより大きくするには、最大引張応力σmaxが大きく、かつ平均ヤング率Ｅが小さい性質の材料をぜんまい３１に採用するのが好ましいということがわかる。
すなわち、前記したσmax＝１５００（ＭＰａ）、Ｅ＝８０（ＧＰａ）程度のチタン合金ばねをぜんまい３１の材料として採用した場合、前記した（１５）式より、従来の場合と比較して約１．４倍のエネルギが蓄えられることがわかる。従って、前記した平均ヤング率及び引張強度を備えた特定のチタン合金により構成された本発明の時計用ばねが、時計の精密機械の高精度化、安定動作化を図ることができ、また、動力源として利用した場合にあっては、長時間動作化を図ることができる時計用ばねとなることがわかる。

従って、時計等の駆動機構の動力源として特定のチタン合金の時計用ばねからなるぜんまい（チタン合金ぜんまい）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、ぜんまい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ものとなる。

以上において、前記した特定のチタン合金から構成される時計用ばねがひげぜんまいまたはぜんまいとして利用される場合、非磁性体からなるぜんまいであるのが好ましい。
すなわち、これらのぜんまいが非磁性体で構成されていれば、耐磁性が向上するので、ぜんまいが磁界等に引っ張られても、ぜんまいの特性が低下することもない。
なお、特定のチタン合金から構成されるばねを、水晶振動子の固定ばね、コハゼばね等に用いた場合も、当該ばねが非磁性体から構成されていれば、耐磁性が向上し、前記と同様にばねの付勢力が磁界等に影響されることもない。

［２．特定のチタン合金から構成される時計用ばねの最適形状］
前記した特定のチタン合金から構成される時計用ばねは、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、ばねを基板、地板等に組み込んでも、ばね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、従来材料のばねでは平均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ってしまう。これに対して、チタン合金から構成される時計用ばねでは、平均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。

また、特定のチタン合金から構成される時計用ばねの断面形状は、直径０．０５ｍｍ以上の円形断面、または厚さ０．０１ｍｍ×幅０．０５ｍｍ以上の矩形断面を有しているのが好ましい。
すなわち、時計用ばね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ひげぜんまいや、駆動機構の動力源となるぜんまい等として利用することができる。

更には、特定のチタン合金から構成される時計用ばねは、ワイヤー状の前記チタン合金を線引き加工することにより、矩形断面が形成されていることが好ましい。
すなわち、本発明の時計用ばねを構成する特定のチタン合金は、冷間加工性に優れるため、焼鈍なしで冷間線引き加工を行っても加工硬化や延性低下がほとんど起こらず、どこまでも冷間加工が可能である。従って、一度線引き加工したワイヤー状のチタン合金材料を更に線引き加工することにより、断面角部をＲ形状にすることもでき、その結果摺動時の負荷を軽減することができることとなる。

そして、前記した特定のチタン合金から構成されるばねが駆動機構の動力源であるぜんまいとして利用される場合、このぜんまいの自由展開形状は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、ぜんまいの自由展開形状とは、ぜんまいを香箱内から出した状態の形状のように、ぜんまいの拘束状態を解放した場合の展開形状のことをいう。
また、従来材料からなるぜんまいの自由展開形状では、図３に示すグラフＧ３のように、ぜんまいの内端と外端との中間点Ｃに変曲点（曲率半径ρが無限大となり、ぜんまい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（ｄ）（ｅ）の理由による。

（ｄ）予めぜんまいを巻き取り方向とは反対側にクセ付けしておき、巻締め時、ぜんまいに蓄えられるエネルギを多く蓄積するためである。

（ｅ）ぜんまい全体に亘っ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ぜんまいの破断を防止するためである。

一方、前記したように、特定のチタン合金で構成されるぜんまいは、従来のぜんまい材料と比較して平均ヤング率が小さいので、前記（ｅ）の理由による制限は緩和され、専ら前記（ｄ）を達成するためにクセ付けを行うことが可能となる。

そして、具体的には、特定のチタン合金から構成されるぜんまいの最適な自由展開形状は、以下のようにして決定される。
香箱に収納されたぜんまいの巻締め時における螺旋形状をアルギメデスの螺旋と仮定すると、極座標ｒ、θを採った場合、下記（１６）式のように表される。ここで、ｔはぜんまいの厚さである。

そして、ぜんまい全体に亘って応力集中が起こらない理想曲線を与える条件は、ぜんまいに作用する曲げモーメントをＭ、ぜんまいの曲げ剛性をＢ、自由展開形状におけるぜんまいの曲率半径をρ_０、巻締め時におけるぜんまいの外周部分の曲率半径をρ_１とすると、（１７）式で与えられる。

また、ぜんまい全体の蓄積した弾性エネルギが最大となる条件は、ぜんまいの最大弾性歪み量をεmaxとすると、（１８）式で与えられる。

更には、巻出し中心からの曲線に沿って測ったぜんまいの長さをＬ’とすると、（１９）式の関係が成立する。

従って、前記した（１７）式及び（１９）式より、下記（２０）式が求められる。

実際には、ぜんまいの内端は、香箱真に巻き付けられるので、この香箱真半径をｒとすると、実際のぜんまいの長さＬは、（２１）式のようになる。

そして、理想曲線形の自然方程式は、下記（２２）式のようになる。

従って、ぜんまい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ρ_０は、（１８）式、（２２）式より、下記（２３）式と表すことができる。

なお、εmax＝０．０２となると、理想曲線の渦巻形状のピッチがぜんまいの厚さｔよりも完全に小さくなってしまうので、実際には、εmax＝０．０２に近い形状で代用することとなる。

この（２３）式を前記した図３に表せばグラフＧ４のようになり、変曲点を、計算上従来材料のぜんまいのグラフＧ３よりも内端側に形成することが可能なことがわかる。
従って、特定のチタン合金で構成されたぜんまいであれば、ぜんまいの全長にわたって巻き取り方向とは反対側にクセ付け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、前記した（１）式は理論上算出される基礎式であり、（２２）式もこの基礎式から求められる理論上の式であるから、実際には、ぜんまい同士またはぜんまいと香箱との間に摩擦が生じたり、ぜんまいと香箱真とを接合するための巻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Ｋ_１、ぜんまいを香箱真に巻き付けるための巻数Ｎ_０とすると、従来材料のぜんまいでは、巻数Ｎと出力トルクＴとの関係は、（２４）式により表される。

従って、図４に示すように、従来材料のぜんまいの出力トルク特性Ｇ６と比較して、特
定のチタン合金で構成されたぜんまいの出力トルク特性Ｇ５は、巻数は同じであるが、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、同じ巻数時でのトルク
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。

なお、ぜんまいのクセ付けを行う場合にあっては、１５０℃以上の温度により熱処理さ
れてクセ付けが施されていることが好ましい。
すなわち、前記したように、特定のチタン合金は、弾性変性能に優れるといった超弾性
的性質と、室温においても冷間加工性に優れるといった超塑性的性質を併せ持っているた
め、通常の方法でクセ付けを行っても元の形状に戻ってしまう場合がある。よって、引張
強度の温度特性をも考慮して、当該強度の比較的低い１５０℃以上でクセ付けを行うこと
により、ぜんまいのクセ付けを簡便に行うことができることとなる。

また、前記した特定のチタン合金から構成される時計用ばねをぜんまいとして利用する
場合にあっては、所定の製造方法で製造された単板からなるチタン合金ぜんまいとしても
よく、また、２枚、３枚、および複数枚のチタン合金板状体を積層一体化してチタン合金
ぜんまいとしてもよい。後者の場合にあっては、チタン合金ぜんまいが、チタン合金板状
体が複数枚積層されることにより形成されているので、（１）、（２２）、（２３）式か
らわかるように、出力トルク等の要求性能に応じてチタン合金ぜんまいの厚さｔを自由に
設定することが可能となる。

また、この場合にあっては、さらに、積層一体化する場合、複数枚のチタン合金板状体
をエポキシ系樹脂等の合成樹脂系の接着剤で貼り合わせてもよい。

なお、このような積層一体化したばねを、水晶振動子の固定ばね、コハゼばね等として
用いてもよい。

そして、本発明の時計は、前記した本発明のぜんまい、及び／または本発明のひげぜんまいを用いたことを特徴とする。
この本発明の時計によれば、前記した本発明のぜんまいやひげぜんまいの奏する効果を、好適に享受することが可能となる。

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］
第１実施形態は、本発明に係る時計用ばねをぜんまいとして利用した駆動機構１に係るものである。
ここで、図５は、本発明の第１実施形態に係る特定のチタン合金から構成されるぜんまい３１（以下、「チタン合金ぜんまい３１」とすることもある）を利用した電子制御式機械時計の駆動機構１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、チタン合金ぜんまい３１、香箱歯車３２、香箱真３３及び香箱蓋３４からなる香箱３０を備えている。

チタン合金ぜんまい３１は、外端が香箱歯車３２、内端が香箱真３３に固定される。香箱真３３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と噛み合っている。
なお、角穴車４を時計方向に回転しチタン合金ぜんまい３１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。

香箱歯車３２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１０へ、１０倍増速されて六番車１１へ、１０倍増速されてロータ１２へと、合計１２６，０００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７ａが、かかる筒かな７ａには分針１３が、四番車９には秒針１４がそれぞれ固定されている。従って、二番車７を１ｒｐｈで、四番車９を１ｒｐｍで回転させるためには、ロータ１２は５ｒｐｓで回転するように制御すればよい。また、この場合における香箱歯車３２は、１／７ｒｐｈとなる。

この電子制御式機械時計は、ロータ１２、ステータ１５、コイルブロック１６から構成される発電機２０を備えている。ロータ１２は、ロータ磁石１２ａ、ロータかな１２ｂ、ロータ慣性円板１２ｃから構成される。ロータ慣性円板１２ｃは、香箱３０からの駆動トルク変動に対してロータ１２の回転数変動を少なくするためのものである。一方、ステータ１５は、ステータ体１５ａに対して４万ターンのステータコイル１５ｂを巻線したものである。

コイルブロック１６は、磁心１６ａに１１万ターンのコイル１６ｂを巻線したものである。ここで、ステータ体１５ａと磁心１６ａはＰＣパーマロイ等で構成されている。また、ステータコイル１５ｂとコイル１６ｂ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２０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、前記した香箱３０の内部構造について、図８に基づいて説明する。
図８（Ａ）には、前記したチタン合金ぜんまい３１が香箱３０内で巻締められた状態が示され、また、図８（Ｂ）には、チタン合金ぜんまい３１が香箱内で巻戻った後の状態が示されている。
なお、このチタン合金ぜんまい３１の形状寸法は、例えば、幅ｂ＝１ｍｍ、厚さｔ＝０．１ｍｍ、全長Ｌ＝３００ｍｍとすることができる。
なお、チタン合金ぜんまい３１を形成する時計用ばねは、ワイヤー状の前記チタン合金を線引き加工することにより、矩形断面が形成されているようにしてもよい。

チタン合金ぜんまい３１は、前記したように、その内端３１１が香箱真３３に対してスパイラル状（螺旋状）に巻き付けられているとともに、外端３１２が香箱の内側面に接合固定されている。
図８（Ｂ）の状態において、外力によって香箱３０を香箱真３３に対して回転させると、チタン合金ぜんまい３１が巻締まる。一方、かかる巻締め後、香箱３０の拘束状態を解放すると、チタン合金ぜんまい３１の巻戻りとともに、香箱３０が回転する。
そして、香箱３０の外周に形成される香箱歯車３２によって前記した二番車７等の輪列を回転させて、分針１３、秒針１４等が動作することとなる。

このチタン合金ぜんまい３１は、例えば、厚さｔが０．１ｍｍの単板からなるチタン合金板状体３１３からなるようにしてもよく、また、図９に示すように、厚さ５０μｍのチタン合金板状体３１３を複数枚積層一体化して形成されるようにしてもよく、この場合にあっては、各々のチタン合金板状体３１３同士は、エポキシ系接着剤３１４によって貼り付けられて構成されることになる。

また、前記香箱３０から取り外したチタン合金ぜんまい３１は、図１０に示すように、香箱真３３に対する巻取り方向とは反対側にクセ付けされ、形状としては、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３１５は、内端３１１の近傍に形成され、変曲点３１５から内端３１１までは、チタン合金ぜんまい３１を香箱真３３に固定するために利用される。

以上のようなチタン合金ぜんまい３１を形成するに際しては、所定の製造方法で製造さ
れた、厚さｔが０．１ｍｍの単板からなるチタン合金板状体３１３に対してクセ付けを施
して、チタン合金ぜんまい３１として使用するようにしてもよい。
また、この場合において、チタン合金ぜんまい３１のクセ付けを行う場合にあっては、
１５０℃以上の温度により熱処理を行ってクセ付けを施すようにすればよい。

一方、チタン合金ぜんまい３１が図９に示されるような複数枚のチタン合金板状体３１３から形成される場合にあっては、まず、チタン合金板状体３１３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、各々の特定のチタン合金板状体３１３を、エポキシ系接着剤３１４を用いて互いに貼り合わせ、チタン合金ぜんまい３１に必要な厚さｔ（０．１ｍｍ）を確保するようにする。
最後に、エポキシ系接着剤３１４が硬化する前に、丸棒等にチタン合金ぜんまい３１を巻き付けてクセ付けを行い、エポキシ系接着剤３１４を硬化させる。

以上のような第１実施形態に係るチタン合金ぜんまい３１によれば、次のような効果がある。
（１）駆動機構１の動力源としてチタン合金ぜんまい３１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、前記した駆動機構１に従来のぜんまいを組み込んだ場合、巻締め時から４０時間で停止するのに対して、チタン合金ぜんまい３１を組み込んだ場合にあっては、巻締め時から４５時間で停止し、持続時間は約１０％増加する。

（２）変曲点３１５の位置を内端３１１の近傍に設定することができるので、クセ付けをチタン合金ぜんまい３１のほぼ全長に亘って行うことができ、チタン合金ぜんまい３１が蓄積する機械エ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、チタン合金ぜんまい３１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、駆動精度を向上させることができる。

（３）従来のぜんまいでは、バルク材から圧延を繰り返して所定寸法の厚さのぜんまいを得ていた。これに対して、前記したチタン合金ぜんまい３１は、単ロール法、双ロール法、回転水中紡糸法等によりワイヤー、リボン材等を簡単に製造することができるので、チタン合金ぜんまい３１の製造の簡略化を図ることができる。

（４）チタン合金ぜんまい３１のクセ付けが、１５０℃以上の温度により熱処理を行って
クセ付けを施すようにしているので、超弾性的性質と超塑性的性質を併せ持ったチタン合
金であっても、ぜんまい３１のクセ付けを簡便に行うことができる。

（５）チタン合金ぜんまい３１を形成する時計用ばねが、ワイヤー状の前記チタン合金を
線引き加工することにより、矩形断面が形成されているため、断面角部をＲ形状にする
こともでき、その結果摺動時の負荷を軽減することができることとなる。
なお、本発明の時計用ばねを構成する特定のチタン合金は、冷間加工性に優れるため、
焼鈍なしで冷間線引き加工を行っても加工硬化や延性低下がほとんど起こらず、どこまでも冷間加工が可能である。
従って、一度線引き加工したワイヤー状のチタン合金材料を更に線引き加工することが可能となり、前記のような効果を好適に奏することができることになる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係るチタン合金ぜんまい３１を利用した駆動機構１０１について説明する。
なお、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。

前記した第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３０に収納された１つのチタン合金ぜんまい３１のみであった。
これに対して、図１１に示すように、第２実施形態に係る駆動機構１０１は、香箱３０を２つ備え、各々の内部に収納されたチタン合金ぜんまい３１が駆動機構１０１の動力源とされている点について相違する。

図１１に示されるように、本実施形態の駆動機構１０１における二番車７の基部歯車７１には、２つの香箱３０の外周に形成された香箱歯車３２（図１１では図示略）が同時に噛合している。
２つの香箱３０は、それぞれの香箱真３３を中心として同一方向に回動し、二番車７には、各々のチタン合金ぜんまい３１の出力トルクＴを加えた出力トルク２Ｔが作用している。
ここで、二番車７に噛合する香箱歯車３２は、図１２に示すように、左側の香箱歯車３２と右側の香箱歯車３２とが噛合する位相が異なっていて、左側の香箱歯車３２が二番車７とＢ１点で当接する時、右側の香箱歯車３２はＢ２点で二番車７から離間しようとしている。

なお、このような位相の相違は、香箱真３３の相対位置によって決定され、図１１からわかるように、二番車７の回転中心と香箱真３３とがなす角βに応じて噛合する位相を調整することができる。

このような第２実施形態に係るチタン合金ぜんまいを利用した駆動機構１０１によれば、前記の第１実施形態で述べた効果に加えて、次のような効果がある。
すなわち、チタン合金ぜんまい３１が収納された２つの香箱３０を、同時に輪列を構成する二番車７に同時に噛合させているので、香箱３０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１０１を高い出力トルク２Ｔで動作させることができる。

また、二番車７に噛合する香箱歯車３２の位相が互いにずれているので、一方、例えば、図１２において、左側の香箱３０と二番車７との噛合状態によって発生するトルク変動を、他の右側の香箱３０との噛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１０１をスムースに動作させることができる。

［第３実施形態］
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、本発明に係るチタン合金から構成されるばねを、機械式時計の調速機を構成するテンプを付勢するひげぜんまいとして利用したものである。
すなわち、本実施形態における調速機を構成するテンプひげ系４００は、図１３および図１４に示すように、テン真４１０、テン輪４２０、振り座４３０、ひげ玉４４０、ひげ持４５０、緩急針４６０を含んで構成される。

図１３及び図１４に示されるテン真４１０には、テン輪４２０、振り座４３０、ひげ玉４４０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。ひげぜんまい４７０は、チタン合金から構成される非磁性体であり、その内周端がひげ玉４４０に固定され、外周端は、ひげ持４５０に固定されている。緩急針４６０は、ひげ棒４６１およびひげ受４６２を含んで構成され、ひげぜんまい４７０の最外周部分は、ひげ棒４６１およびひげ受の間を通過している。

そして、このようなテンプひげ系４００では、テン輪４２０がテン真４１０を軸として回転すると、これに伴いひげ玉４４０も回転するので、テン輪４２０には、ひげぜんまい４７０の付勢力が作用し、この付勢力とテン輪４２０の慣性力とがつり合うと、テン輪４２０の回転が停止し、ひげぜんまい４７０の付勢力により、テン輪４２０は逆方向に回転する。すなわち、テン輪４２０は、テン真４１０を軸として揺動を繰り返す。このテン輪４２０の揺動周期は、緩急針４６０のひげ棒４６１、ひげ受４６２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、テン輪４２０等の回転部分の慣性モーメントＪのほか、ひげぜんまい４７０の材料特性によっても変化し、ひげぜんまい４７０の幅をｂ、厚さをｔ、ぜんまい長さをＬ、ひげぜんまいの平均ヤング率をＥとすると、以下の（２５）式によって表される。

以上のような第３実施形態によれば、次のような効果がある。
すなわち、ひげぜんまい４７０が特定のチタン合金により構成されているので、温度変
化に伴う平均ヤング率Ｅの変化が少なく、前記した（２５）式で表されるテンプひげ系４
００の揺動周期の変化も少なくなり、テンプひげ系４００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。

また、ひげぜんまい４７０が非磁性体のチタン合金から構成されているので、耐磁性が
向上し、ひげぜんまい４７０が外部磁界等に引っ張られても、ぜんまいの特性が低下する
こともない。

［第４実施形態］
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ばねを、水晶発振式時計の水晶振動子を付勢状態で固定するバ
ネとして利用したものである。

すなわち、図１５に示すように、水晶振動子５００は、真空カプセル５０１と、この真
空カプセル５０１の内部に収納される音叉型の振動子本体５０２を含んで構成され、真空
カプセル５０１の端部に設けられる端子５０３が回路基板５１０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５００は、地板５２０上に配置され、ネジ５３０と、特定のチタ
ン合金から構成される固定ばね５４０によって、地板５２０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、特定のチタン合金金属から構成される固定ばね５４０は、平均ヤング率が小
さいので、固定ばね５４０のたわみ量と付勢力との関係は、前記した図１に示されるよう
に、従来材料のばねのグラフＧ１よりも傾きの小さいグラフＧ２となる。
従って、固定ばね５４０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。

なお、本発明は、前記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、前記の第１実施形態では、チタン合金ぜんまい３１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チタン合金ぜんまい３１を用いてもよい。

そして、前記の第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３０が噛
合していたが、２以上の香箱３０が噛合していてもよく、要するに、チタン合金ぜんまい
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、前記の第４実施形態では、チタン合金から構成されるばねを、水晶振動子５００
を固定する固定ばね５４０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と噛合するコハゼ６を構成するコハゼばねを特定の
チタン合金から構成するようにしてもよい。コハゼ６は、香箱内のぜんまいを巻く際の巻
戻り防止のための部品であり、その時機能するばねがコハゼばねである。そして、コハゼ
ばねは、ぜんまいを巻いている最中、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、コハゼばねの許容応力は、最大応力の１／２以
下に設定する必要がある。従って、このようなコハゼばねにチタン合金から構成されるバ
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
ばねの材料としても有利に使用できる。

また、前記した実施形態では、時計用の駆動機構１の動力源としてチタン合金ゼンマ
イ３１が用いられていたが、これに限らず、オルゴール等他の駆動機構の動力源とし
てチタン合金ぜんまい３１を用いても良い。
そして、本発明の時計用ばね自体も、時計のほか、オルゴール等の他の精密機械も
適用することができる。また、低トルクの時計に対して、本発明の時計用ばねやチタ
ン合金ぜんまい３１を適用するようにしてもよい。
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。

以上のように、本発明に係る時計用ばね、ぜんまい、ひげぜんまい、及び時計は、例え
ば、時計をはじめとする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
するばねとして、機械式時計のテンプを付勢するひげぜんまいとして、香箱内のぜんまい
の巻締めの際の巻戻り防止のためのコハゼばねとして好適に利用することができる。

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。 本発明の作用を説明するための模式図である。 ぜんまい長さと曲率半径との関係からぜんまいの変曲点位置を表すグラフである。 巻数と出力トルクとの関係を表すグラフである。 本発明の第１実施形態に係るチタン合金ぜんまいを利用した駆動機構を表す平面図である。 前記第１実施形態における駆動機構の断面図である。 前記第１実施形態における駆動機構の他の断面図である。 前記第１実施形態における香箱内に収納されたぜんまいを表す平面図である。 前記第１実施形態におけるぜんまいの厚さ方向断面図である。 前記第１実施形態におけるぜんまいの自由展開形状を表す平面図である。 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。 前記第２実施形態における香箱と輪列との噛合状態を表す部分平面図である。 本発明の第３実施形態に係るテンプひげ系の構造を表す平面図である。 前記第３実施形態におけるテンプひげ系の構造を表す断面図である。 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側面図である。

符号の説明

１，１０１…駆動機構、２，５２０…地板、３…輪列受、４…角穴車、５…角穴ネジ、６…コハゼ、７…二番車、８…三番車、９…四番車、１０…五番車、１１…六番車、１２…ロータ、１２ａ…ロータ磁石、１２ｃ…ロータ慣性円板、１３…分針、１４…秒針、１５…ステータ、１５ａ…ステータ体、１５ｂ…ステータコイル、１６…コイルブロック、１６ａ…磁心、１６ｂ…コイル、２０…発電機、３０…香箱、３１…チタン合金ぜんまい、３２…香箱歯車、３３…香箱真、３４…香箱蓋、７１…基部歯車、３１１…内端、３１２…外端、３１３…チタン合金板状体、３１４…エポキシ系接着剤、３１５…変曲点、４００…テンプひげ系、４１０…テン真、４２０…テン輪、４３０…振り座、４４０…ひげ玉、４５０…ひげ持、４６０…緩急針、４６１…ひげ棒、４６２…ひげ受、４７０…ひげぜんまい、５００…水晶振動子、５０１…真空カプセル、５０２…振動子本体、５０３…端子、５１０…回路基板、５３０…ネジ、５４０…固定ばね

Claims (10)

1. バナジウム族（Ｖａ族）元素の一種または二種以上を含有し、残部が実質的にチタン（Ｔｉ）からなり、
   平均ヤング率が１００ＧＰａ以下で、
   引張強度が１０００ＭＰａ以上であるチタン合金から構成されていることを特徴とする時計用ばね。
2. 請求項１に記載の時計用ばねにおいて、
   基板や地板等に対して、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時計用ばね。
3. 請求項１または請求項２に記載の時計用ばねにおいて、
   直径０．０５ｍｍ以上の円形断面、または厚さ０．０１ｍｍ以上×幅０．０５ｍｍ以上の矩形断面を有していることを特徴とする時計用ばね。
4. 請求項１または請求項２に記載の時計用ばねにおいて、
   ワイヤー状の前記チタン合金を線引き加工することにより、矩形断面が形成されていることを特徴とする時計用ばね。
5. 請求項１ないし請求項４の何れかに記載の時計用ばねにおいて、
   非磁性体からなることを特徴とする時計用ばね。
6. 請求項１ないし請求項５の何れかに記載の時計用ばねから構成されていることを特徴とするぜんまい。
7. 請求項６記載のぜんまいにおいて、
   自由展開形状はＳ字状をなし、この自由展開形状の湾曲部分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ぜんまい。
8. 請求項６または請求項７に記載のぜんまいにおいて、
   １５０℃以上の温度により熱処理されてクセ付けが施されていることを特徴とするぜんまい。
9. 請求項１ないし請求項５の何れかに記載の時計用ばねから構成されていることを特徴とするひげぜんまい。
10. 請求項６ないし請求項８の何れかに記載のぜんまい、及び／または請求項９に記載のひげぜんまいを用いたことを特徴とする時計。
    

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