JP2008116205A - Mainspring, drive device and apparatus using the same, and method of manufacturing mainspring - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、駆動輪列の回転を調速する調速装置に使用されるゼンマイ、調速装置、機器、およびゼンマイの製造方法に関する。 The present invention relates to a mainspring used in a speed governor that regulates the rotation of a drive wheel train, a speed governor, a device, and a method for manufacturing the mainspring.
従来、時計等の精密機械において、駆動輪列の回転を調速する調速装置にゼンマイ(ヒゲゼンマイ)が使用されている。
このようなゼンマイの材料としては、従来、加工硬化型あるいは時効硬化型の合金を用いている(特許文献1;動力源用のゼンマイ)。このような合金材料を用いる場合、ゼンマイの張り付き、こすれ等を防止するため、ゼンマイ表面にテフロン(登録商標)処理を行っていた。
また、ゼンマイを小型化するためにはヤング率が小さく引張強度が大きい材料が好ましく、そのような材料として、アモルファス(非晶質)金属材料が検討されている(特許文献2)。
また近年、カーボンナノチューブを用いたヒゲゼンマイも提案されている(特許文献3)。
Conventionally, in a precision machine such as a timepiece, a mainspring has been used as a speed governor for controlling the rotation of a drive wheel train.
As such a spring material, conventionally, a work-hardening type or age-hardening type alloy has been used (
Further, in order to reduce the size of the mainspring, a material having a small Young's modulus and a high tensile strength is preferable. As such a material, an amorphous metal material has been studied (Patent Document 2).
In recent years, a balance spring using carbon nanotubes has also been proposed (Patent Document 3).
しかしながら、特許文献1のように加工硬化型あるいは時効硬化型の合金を用いる場合は、材料が多成分系であるため、材料の不均一が発生しやすい。また、このような合金材料には、物性値の温度変化が大きいという欠点があった。
一方、特許文献2のようにアモルファス金属材料を用いる場合には、非晶化する際の製造工程においてピンホールが入りやすく、実用化・量産化に向けて課題があった。このため、アモルファス金属材料は、ゼンマイのリボン状やワイヤ状などの線状形状に適するとは言い難いものであった。
そして、特許文献3のカーボンナノチューブを使用するゼンマイについては、カーボンナノチューブの使い方や製造方法の確立が待たれ、実用化に至っていなかった。
なお、特許文献1、2の各ゼンマイ材料により製造されたゼンマイの特性について、下記の表に示す。
On the other hand, when an amorphous metal material is used as in
And about the spring which uses the carbon nanotube of
In addition, it shows in the following table | surface about the characteristic of the mainspring manufactured with each mainspring material of
そこで本発明の目的は、上記問題をいずれも解決できるゼンマイ材料およびゼンマイ製造方法を確立し、信頼性が高く製造が容易なヒゲゼンマイ、これを備える調速装置、機器、およびヒゲゼンマイの製造方法を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to establish a spring material and a spring manufacturing method that can solve both of the above problems, and to provide a reliable and easy-to-manufacturing spring spring, a speed governor including the same, and a method for manufacturing the spring spring. Is to provide.
本発明のゼンマイは、駆動力を伝達する駆動輪列の回転を調速する調速装置に使用されるゼンマイであって、少なくともグラファイト、アモルファスカーボン、およびカーボンナノチューブの複合材から構成されていることを特徴とする。 The mainspring of the present invention is a mainspring used in a speed governing device for controlling the rotation of a driving wheel train that transmits driving force, and is composed of a composite material of at least graphite, amorphous carbon, and carbon nanotubes. It is characterized by.
この発明によれば、グラファイト(黒鉛)、アモルファスカーボン、およびカーボンナノチューブ(カーボンナノファイバー)が用いられたゼンマイ材料としての複合材の構成を実現でき、この複合材からゼンマイを構成することで、以下のような種々多様な利点が得られる。 According to the present invention, it is possible to realize the structure of a composite material as a spring material using graphite (graphite), amorphous carbon, and carbon nanotubes (carbon nanofibers). By forming a spring from this composite material, A variety of advantages are obtained.
[1.ゼンマイの小型化]
駆動輪列の回転の調速に使用されるヒゲゼンマイにおいて、その調速に必要とされる所定の機械エネルギーを実現するために、ゼンマイの全長を長くしたり、ゼンマイの厚みを厚くすることが考えられえるが、このような方法だけでは、ゼンマイの機械エネルギーを大とする場合にゼンマイが必然的に大型化してしまう。
これに対して、本発明では前記複合材のヤング率が小さく引張強度が大きいことから、ゼンマイの巻数や厚みに因らず、ゼンマイの機械エネルギーを大にできる。これにより、このゼンマイ(ヒゲゼンマイ)を備える調速装置全体の形状寸法を変更することなく、ゼンマイの小型化が可能となる。
このように、本発明では前記複合材による機械エネルギー増大により、調速用ゼンマイとしての所定機械エネルギー実現と小型化とを両方満足させることが可能となる。
[1. Miniaturization of mainspring]
In the balance spring used to regulate the rotation of the drive wheel train, in order to achieve the predetermined mechanical energy required for the regulation, it is possible to increase the length of the mainspring or increase the thickness of the mainspring. Although it is conceivable, this method inevitably increases the size of the mainspring when the mechanical energy of the mainspring is increased.
On the other hand, in the present invention, since the Young's modulus of the composite material is small and the tensile strength is large, the mechanical energy of the mainspring can be increased regardless of the number of turns and the thickness of the mainspring. Thereby, the mainspring can be reduced in size without changing the overall shape of the speed governor including the mainspring.
As described above, in the present invention, it is possible to satisfy both the realization of the predetermined mechanical energy and the miniaturization as the speed control spring by increasing the mechanical energy by the composite material.
[2.低ヤング率]
上記の引張強度が大きいことに加えて、本発明では前記複合材のヤング率が小さいことから、これら引張強度大と低ヤング率との相乗効果により、調速用ゼンマイとしての機械エネルギーをより良好に確保でき、一層の小型を図ることができる。
また、本発明では前記複合材のヤング率が小さいことから、ゼンマイの靱性を確保できる。
[2. Low Young's modulus]
In addition to the high tensile strength described above, the present invention has a low Young's modulus of the composite material. Therefore, the synergistic effect of the high tensile strength and the low Young's modulus improves the mechanical energy as a speed control spring. Can be secured, and further miniaturization can be achieved.
Further, in the present invention, since the Young's modulus of the composite material is small, the toughness of the mainspring can be secured.
[3.各材料の均一]
本発明の複合材を構成するグラファイト、アモルファスカーボン、およびカーボンナノチューブは、調合時に媒質に分散され均一となるので、ゼンマイの所望の特性を実現でき、信頼性を向上させることができる。
[3. Uniformity of each material]
Since the graphite, amorphous carbon, and carbon nanotube constituting the composite material of the present invention are dispersed in the medium at the time of blending and become uniform, the desired properties of the mainspring can be realized and the reliability can be improved.
[4.成形容易]
本発明において、グラファイト、アモルファスカーボン、およびカーボンナノチューブを調合した焼成前の部材は、押出成形などにより、ゼンマイに必要とされる厚みの線状体に容易に成形できる。
[4. Easy to mold]
In the present invention, the pre-fired member prepared by mixing graphite, amorphous carbon, and carbon nanotubes can be easily formed into a linear body having a thickness required for the mainspring by extrusion molding or the like.
[5.非磁性]
グラファイト、アモルファスカーボン、およびカーボンナノチューブはいずれも炭素材であって非磁性のため、機器内にゼンマイをレイアウトする際の制約が緩和される。すなわち、発電機などを有する電磁気回路とゼンマイとを近接配置することが可能となる。また、ゼンマイが外部磁界に引っ張られゼンマイの特性が低下することを防止できる。
[5. Non-magnetic]
Graphite, amorphous carbon, and carbon nanotubes are all carbon materials and are non-magnetic, so that the restrictions in laying the spring in the device are relaxed. That is, an electromagnetic circuit having a generator or the like and a mainspring can be arranged close to each other. Further, it is possible to prevent the mainspring from being pulled by the external magnetic field and the properties of the mainspring to deteriorate.
[6.耐食性]
グラファイト、アモルファスカーボン、およびカーボンナノチューブは炭素材であり耐食性に優れるため、ゼンマイ表面への保護膜形成を不要にできる。
[6. Corrosion resistance]
Since graphite, amorphous carbon, and carbon nanotubes are carbon materials and have excellent corrosion resistance, it is not necessary to form a protective film on the mainspring surface.
[7.軽量]
炭素材であるグラファイト、アモルファスカーボン、およびカーボンナノチューブによる前記複合材は密度が小さく、軽量であるから、本発明のゼンマイを機器等に組み込んだ際に、その機器の携帯性に貢献できる。
また、軽量のため落下衝撃時にも有利であるとともに、機器携帯時の姿勢の変化によりゼンマイ特性が変化せず、ゼンマイの自重による変形を考慮して設計することを不要にできる。すなわち、ゼンマイによる調速が安定的となり、駆動精度を向上させることができる。
[7. lightweight]
Since the composite material composed of graphite, amorphous carbon, and carbon nanotube, which is a carbon material, has a small density and is lightweight, when the spring of the present invention is incorporated in a device or the like, it can contribute to the portability of the device.
Further, since it is lightweight, it is advantageous at the time of a drop impact, and the mainspring characteristic does not change due to a change in posture when carrying the device, and it is unnecessary to design in consideration of deformation due to the weight of the mainspring. That is, the speed control by the mainspring becomes stable, and the driving accuracy can be improved.
[8.温度特性]
グラファイト、アモルファスカーボン、およびカーボンナノチューブによる前記複合材はアモルファス金属材料等と比べて熱膨張係数が小さく熱安定性が高い。当該複合材は、機械特性・物理特性それぞれにおいて温度特性に優れ、温度変化に伴うヤング率の変化が少ないため、ゼンマイによる調速が安定的となり、駆動輪列の駆動精度を向上させることができる。
[8. Temperature characteristics]
The composite material composed of graphite, amorphous carbon, and carbon nanotubes has a smaller thermal expansion coefficient and higher thermal stability than amorphous metal materials and the like. The composite material has excellent temperature characteristics in both mechanical characteristics and physical characteristics, and since there is little change in Young's modulus due to temperature change, the speed control by the mainspring becomes stable, and the driving precision of the driving wheel train can be improved. .
[9.環境保護]
前記複合材の組成は、自然界を循環する再生可能な炭素材のみであるから、金属材料等を使用する場合と比べて環境保護に貢献できる。
[9. Environmental protection]
Since the composition of the composite material is only a renewable carbon material that circulates in nature, it can contribute to environmental protection as compared with the case of using a metal material or the like.
[10.材料設計自由度の向上]
以上に加えて、前記複合材においては、他の材料に比べて引張強度およびヤング率を広範囲に設定できる。
すなわち、グラファイトとアモルファスカーボンとの配合比および焼成条件を変えることで広範囲に亘るヤング率を実現でき、これらグラファイトおよびアモルファスカーボンにカーボンナノチューブを複合化することで、グラファイトおよびアモルファスカーボンにより可変となるヤング率の範囲全域に亘って引張強度を向上させることが可能となる。
これにより、本発明の複合材を引張強度が要請されるゼンマイ材料として使用でき、当該複合材における引張強度やヤング率を広範囲に設定できることにより、ゼンマイ材料の設計の自由度が格段に向上することになる。
ここで、グラファイトおよびアモルファスカーボンのみによる複合材の引張強度は約0.05〜約0.7GPa程度、ヤング率は約10〜約200GPa程度であり、これにカーボンナノチューブを加えた複合材とすることにより、グラファイトおよびアモルファスカーボンのみによる剛性率を可変させる特長はそのままに、引張強度を約1.0〜約1.5GPaまで大幅に向上させることが可能となる。
なお、一般炭素材の強度は0.02〜0.1GPa程度、ヤング率は4〜20GPa程度である。本発明の複合材のヤング率と引張強度の関係を図7に示す。
[10. Improved material design freedom]
In addition to the above, in the composite material, the tensile strength and Young's modulus can be set in a wide range as compared with other materials.
That is, Young's modulus over a wide range can be realized by changing the blending ratio of graphite and amorphous carbon and firing conditions, and by combining carbon nanotubes with these graphite and amorphous carbon, Young can be made variable by graphite and amorphous carbon. It becomes possible to improve the tensile strength over the entire range of the rate.
As a result, the composite material of the present invention can be used as a spring material requiring tensile strength, and the tensile strength and Young's modulus of the composite material can be set in a wide range, thereby greatly improving the design freedom of the spring material. become.
Here, the tensile strength of the composite material composed solely of graphite and amorphous carbon is about 0.05 to about 0.7 GPa, and the Young's modulus is about 10 to about 200 GPa. Thus, it is possible to greatly improve the tensile strength from about 1.0 to about 1.5 GPa while maintaining the characteristic of changing the rigidity by only graphite and amorphous carbon.
The strength of the general carbon material is about 0.02 to 0.1 GPa, and the Young's modulus is about 4 to 20 GPa. FIG. 7 shows the relationship between the Young's modulus and the tensile strength of the composite material of the present invention.
本発明のゼンマイでは、前記カーボンナノチューブの軸線方向が、ゼンマイの巻かれている周方向に揃えられていることが好ましい。
この発明によれば、筒状体であるカーボンナノチューブがゼンマイの周方向に沿って配向されているため、引張強度をより大きくできる。
In the mainspring of the present invention, it is preferable that the axial direction of the carbon nanotube is aligned with the circumferential direction around which the mainspring is wound.
According to this invention, since the carbon nanotube which is a cylindrical body is orientated along the circumferential direction of the mainspring, the tensile strength can be further increased.
本発明のゼンマイでは、前記複合材の重量組成において、アモルファスカーボンは、グラファイトよりも大であることが好ましい。
この発明によれば、重量組成において、複合材におけるグラファイトの構成比がアモルファスカーボンの構成比よりも小さいことによりヤング率を小さくできるので、構造材としてのゼンマイの靭性をより良好に確保できる。
In the mainspring of the present invention, it is preferable that amorphous carbon is larger than graphite in the weight composition of the composite material.
According to the present invention, in the weight composition, the Young's modulus can be reduced by making the composition ratio of graphite in the composite material smaller than the composition ratio of amorphous carbon, so that the toughness of the mainspring as the structural material can be ensured better.
本発明のゼンマイでは、ゼンマイ素線の断面積には、ゼンマイ素線の長さ方向において変化を持たせることが好ましい。
この発明によれば、ゼンマイ素線の長さ方向においてゼンマイ素線の断面積に変化を持たせることができ、これにより、ゼンマイの付勢力をコントロールすることが可能となる。
なお、前記複合材の原料調合後、押出成形などを実施して線状体を成形し、この際の吐出速度、圧力などの条件を変えることにより、ゼンマイ素線の断面積を容易に制御できる。
In the mainspring of the present invention, it is preferable that the cross-sectional area of the mainspring is changed in the length direction of the mainspring.
According to the present invention, it is possible to change the cross-sectional area of the mainspring element in the length direction of the mainspring element, thereby controlling the urging force of the mainspring.
In addition, after preparing the raw material of the composite material, the cross-sectional area of the mainspring can be easily controlled by forming a linear body by performing extrusion molding or the like, and changing conditions such as discharge speed and pressure at this time. .
本発明の調速装置は、前述のゼンマイと、前記ゼンマイにより付勢されるテンプとを備えることを特徴とする。
この発明によれば、前述のゼンマイを備えることにより、前述した効果と同様の種々の効果を享受できる。
The speed governing device of the present invention includes the above-described spring and a balance that is biased by the spring.
According to this invention, by providing the above-described mainspring, various effects similar to the above-described effects can be enjoyed.
本発明の機器は、前述の調速装置と、駆動力を伝達する駆動輪列とを備え、前記駆動輪列の回転は、前記調速装置により調速されることを特徴とする。
この発明によれば、前述した効果と同様の種々の効果を享受できる。
特に、ゼンマイが低ヤング率で引張強度が大きく、温度変化に伴うヤング率の変化も小さく、しかも軽量につきゼンマイ特性が安定していることから、調速を精度良く行うことができる。これにより、調速装置によって調速される駆動輪列の駆動精度を向上させることができる。
また、調速装置が備えるゼンマイが小型軽量であるため、機器の小型化および軽量化を促進できる。
さらに、前記複合材の採用により、ゼンマイの材料設計および製造が容易化されるので、機器の製造コストを削減できるとともに、信頼性を向上させることができる。
A device according to the present invention includes the above-described speed governor and a drive wheel train that transmits a driving force, and the rotation of the drive wheel train is regulated by the speed governor.
According to the present invention, various effects similar to those described above can be enjoyed.
In particular, since the mainspring has a low Young's modulus and a high tensile strength, the change in Young's modulus with a change in temperature is small, and since the mainspring characteristics are stable with respect to the light weight, the speed can be adjusted with high accuracy. Thereby, the drive precision of the drive wheel train controlled by the speed governor can be improved.
Further, since the mainspring included in the speed governor is small and light, it is possible to promote downsizing and weight reduction of the device.
Further, the adoption of the composite material facilitates the material design and manufacture of the mainspring, so that the manufacturing cost of the device can be reduced and the reliability can be improved.
本発明の機器では、前記調速装置を有して構成される計時部と、前記駆動輪列により駆動され時刻を示す指示部材とを備え、時計として構成されていることが好ましい。
前述したように小型軽量で高精度、信頼性に優れるヒゲゼンマイを備える調速装置を時計のような精密機器に組み込むことで、前述した効果をより大きくできる。
The device according to the present invention is preferably configured as a timepiece including a time measuring unit configured to include the speed control device and an indicating member that is driven by the driving wheel train and indicates time.
As described above, the above-described effect can be further increased by incorporating a speed governor equipped with a balance spring having a small size, light weight, high accuracy, and high reliability into a precision instrument such as a watch.
本発明の駆動輪列の回転を調速する調速装置に使用されるゼンマイの製造方法は、炭素化し得る有機物体とカーボンナノチューブとを均一に分散させる原料調合工程と、前記分散させた有機物体とカーボンナノチューブとを押出成形により線状体に成形する押出成形工程と、前記線状体にゼンマイ形状を賦与する形状賦与工程と、前記ゼンマイ形状が付与された線状体を不活性雰囲気中で加熱処理し炭素化させる炭素化工程と、を備えることを特徴とする。 The manufacturing method of the mainspring used in the speed governor for controlling the rotation of the drive wheel train of the present invention includes a raw material preparation step for uniformly dispersing a carbonizable organic object and carbon nanotubes, and the dispersed organic object And a carbon nanotube are formed into a linear body by extrusion, a shape imparting process for imparting a spring shape to the linear body, and the linear body to which the spring shape is imparted in an inert atmosphere. And a carbonization step in which carbonization is performed by heat treatment.
この発明によれば、原料調合工程において有機物体にカーボンナノチューブを配合することで、低ヤング率かつ高引張強度を実現できる。これにより、ヒゲゼンマイの靭性を確保できるとともに、小型でありながら調速に必要とされる所定の機械エネルギーを実現でき、さらに温度特性に優れ調速の精度が良いヒゲゼンマイを提供できる。
なお、原料調合工程において、フラン樹脂等の接合剤や、可塑剤等を使用してもよい。
ここで、有機物体としては、グラファイト、アモルファスカーボン等の炭素材のうち2つ以上の採用が好ましい。これにより、引張強度およびヤング率の取り得る値が広範囲に亘るので材料設計の自由度を高くでき、機械特性・物理特性それぞれにおいて良好な温度特性が得られる。
According to this invention, a low Young's modulus and a high tensile strength can be realized by blending carbon nanotubes with an organic substance in the raw material blending step. Thereby, while being able to ensure the toughness of the balance spring, it is possible to provide a balance spring having excellent temperature characteristics and high accuracy of the regulation, which can realize a predetermined mechanical energy required for the regulation while being small.
In the raw material preparation step, a bonding agent such as a furan resin, a plasticizer, or the like may be used.
Here, as the organic object, it is preferable to employ two or more carbon materials such as graphite and amorphous carbon. Thereby, since the value which tensile strength and Young's modulus can take in a wide range, the freedom degree of material design can be made high, and a favorable temperature characteristic is obtained in each of a mechanical characteristic and a physical characteristic.
また、前記押出成形工程における押出成形時の圧力、吐出速度等の条件により、線状体の断面積の大きさを制御可能となるので、ヒゲゼンマイの付勢力をコントロールすることが可能となる。なお、炭素材はこの押出成形に適するため、加工性を良好にできる。
さらに、本発明におけるゼンマイ材料は、有機物体にカーボンナノチューブが配合され、耐熱性に非常に優れるため、高温での焼成が可能であり、強固に焼き締めることが可能となる。
以上のように、有機物体およびカーボンナノチューブを用いるゼンマイ製造方法が確立されたので、この製造方法によりヒゲゼンマイを製造することで、小型軽量化、動作時間の長時間化、製造の容易化、信頼性向上などの種々多様な利点を有するヒゲゼンマイを提供できる。また、量産にも対応できる。
In addition, since the size of the cross-sectional area of the linear body can be controlled by conditions such as pressure and discharge speed during extrusion molding in the extrusion molding step, it is possible to control the biasing force of the balance spring. In addition, since a carbon material is suitable for this extrusion molding, workability can be made favorable.
Furthermore, since the mainspring material in the present invention contains carbon nanotubes in an organic substance and is very excellent in heat resistance, it can be fired at a high temperature and can be firmly baked.
As described above, a spring manufacturing method using an organic object and a carbon nanotube has been established. By manufacturing a balance spring using this manufacturing method, the size and weight can be reduced, the operation time can be extended, the manufacturing can be facilitated, and the reliability can be improved. It is possible to provide a balance spring having various advantages such as improved performance. It can also be used for mass production.
本発明によれば、アモルファスカーボンおよびカーボンナノチューブが用いられたゼンマイ材料、あるいは有機物体およびカーボンナノチューブを用いるゼンマイ製造方法を確立でき、調速装置に用いられるヒゲゼンマイ、これを備える調速装置、および機器における小型軽量化、信頼性向上、および製造容易化などにそれぞれ貢献できる。 According to the present invention, a spring material using amorphous carbon and carbon nanotubes, or a spring manufacturing method using an organic object and carbon nanotubes can be established, and a balance spring used in a speed governor, a speed governor including the balance spring, and This contributes to reducing the size and weight of devices, improving reliability, and facilitating manufacturing.
以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、機械式時計とされている。
図1は、本実施形態の機械式時計が備える駆動装置としての香箱を示し、図2は、香箱からの駆動力を伝達する駆動輪列の調速を行う調速装置を示す。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. This embodiment is a mechanical timepiece.
FIG. 1 shows a barrel as a driving device provided in the mechanical timepiece of the present embodiment, and FIG. 2 shows a speed governing device that regulates a driving wheel train that transmits driving force from the barrel.
[1.香箱の構成]
図1に示すように、本実施形態の機械式時計は、動力源としてのゼンマイ1a、香箱歯車1b、香箱真1cおよび香箱蓋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、筒状とされて支持部材2に挿通されることにより、この支持部材2を介して地板3に片持ち状態に支持され、支持部材2に螺合される角穴ネジ5で図中の上方に抜けないように押さえ込まれていると同時に、断面方向にがた(足掻き)を持たせている。このような支持部材2は、地板3側にフランジ部2aを有し、このフランジ部2aの図中下側の周縁をカシメることによって地板3に固定され、より倒れ込みにくくなっている。
香箱車1および地板3間には香箱真1cと一体に回転する角穴車4が配置されている。角穴車4は、中心穴が四角形状やトラック形状とされ、その中心穴が香箱真1cの四角形状部分(角取り部)に貫挿された状態で香箱真1cの係止部1eと地板3とで挟持されており、いわゆる投げ込み構造で配置されている。
[1. Configuration of barrel
As shown in FIG. 1, the mechanical timepiece of the present embodiment includes a
The barrel 1c is formed into a cylindrical shape and is inserted into the
Between the barrel complete 1 and the
[2.駆動輪列の構成]
図1、図2に、香箱による駆動力を伝達する駆動輪列を示す。
香箱歯車1bの回転は、二番車6のカナ6aへ伝達された後、二番車6の歯車6bから増速されて図示しない三番車のカナへ、この三番車の歯車から増速されて四番車8のカナ8aへ、四番車8の歯車8bから車9を介して増速されて車10のカナ10aへと伝達される。
ここで、香箱歯車1bから車10までにより、動力源としてのゼンマイ1aの駆動力を伝達する駆動輪列が構成されている。
なお、二番車6には筒カナ6cが、筒カナ6cには図示しない分針(指示部材)が、四番車8には図示しない秒針(指示部材)がそれぞれ固定されている。
[2. Drive wheel train configuration]
FIG. 1 and FIG. 2 show a driving wheel train that transmits the driving force by the barrel.
The rotation of the barrel gear 1b is transmitted to the pinion 6a of the
Here, the driving wheel train for transmitting the driving force of the mainspring 1a as a power source is constituted by the barrel gear 1b to the
The
図2に示すように、車10はガンギ車21と噛み合い、ゼンマイ1aからの動力をガンギ車21、アンクル22からなる脱進装置20に伝えている。
なお、図中の符号24はアンクル受である。
As shown in FIG. 2, the
[3.調速装置の構成]
本実施形態の機械式時計において、上記したガンギ車21、アンクル22からなる脱進装置20と、テンプ31、ヒゲゼンマイ32からなる調速装置30とにより、時間標準が作り出されており、これらは計時部として機能している。
この調速装置30のテンプ31を付勢するヒゲゼンマイ32として、本発明のゼンマイは利用されている。
[3. Configuration of governor]
In the mechanical timepiece of this embodiment, a time standard is created by the
The spring of the present invention is used as the
図3および図4に、調速装置30をより具体的に示す。
テンプ31は、テン真311、テン輪312、振り座313、ヒゲ玉314、ヒゲ持315、緩急針316を含んで構成される。
テン真311には、テン輪312、振り座313、ヒゲ玉314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32は、その内周端がヒゲ玉314に固定され、外周端は、ヒゲ持315に固定されている。
緩急針316は、ヒゲ棒316A及びヒゲ受316Bを含んで構成され、ヒゲゼンマイ32の最外周部分は、ヒゲ棒316Aおよびヒゲ受316Bの間を通過している。
3 and 4 show the
The
A ten
The
The slow /
そして、このような調速装置30では、テン輪312がテン真311を軸として回転すると、これに伴いヒゲ玉314も回転するので、テン輪312には、ヒゲゼンマイ32の付勢力が作用し、この付勢力とテン輪312の慣性力とがつり合うと、テン輪312の回転が停止し、ヒゲゼンマイ32の付勢力により、テン輪312は逆方向に回転する。すなわち、テン輪312は、テン真311を軸として揺動を繰り返す。
このテン輪312の揺動周期は、緩急針316のヒゲ棒316A、ヒゲ受316B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。
In such a
The swinging cycle of the
[4.ゼンマイの構成]
ここで、調速装置30に用いられるヒゲゼンマイ32は、アルキメデス渦巻状に形成され、ヒゲゼンマイ32の素線の寸法は、幅約1mm、厚さ約0.1mm、全長約300mmとなっている。
また、ヒゲゼンマイ32素線の断面積形状は、本実施形態では直径約0.2mmの円形であるが、このほか、楕円、長方形など任意であってよい。
なお、ヒゲゼンマイ32の素線の太さに関し、図示を省略するが内端側における素線の断面積が外端側における素線の断面積よりも大きくなっている。
[4. Mainspring configuration]
Here, the
Further, the cross-sectional area of the
In addition, regarding the thickness of the strands of the
ここで、ヒゲゼンマイ32は、グラファイト、アモルファスカーボン、およびカーボンナノチューブの複合材から構成され、この複合材は、引張強度が大きくかつヤング率が小さいものとなっている。
このヒゲゼンマイ32の複合材の重量組成において、アモルファスカーボンは、グラファイトよりも大とされている。また、カーボンナノチューブは、その軸線方向がヒゲゼンマイ32の巻かれている周方向に揃うように配向されている。
Here, the
In the weight composition of the
このように引張強度が大きくかつヤング率が小さな材料がヒゲゼンマイ32に使用されているのは、テンプを付勢し調速するために必要な所定の引張強度の実現に鑑み、以下のように導かれるためである。
The material having a high tensile strength and a small Young's modulus is used for the
[5.ゼンマイ材料設計の考え方]
〔5-1 巻数と出力トルクとの比例関係に基づくゼンマイ厚みおよび全長の調整〕
従来、ゼンマイの巻数と出力トルクとの関係は、図5のG6の如く比例関係に近似するとみなせることが知られている。すなわち、ゼンマイが出力するトルクをT、ゼンマイの巻締め回数(巻数)をN、ヤング率をE、ゼンマイの全長をLとし、ゼンマイが厚さt、幅bの矩形状の断面を有するとすると、
T=(Et3bπ/6L)×N …(1)
という式で表される。
[5. Spring material design concept]
[5-1 Adjusting the spring thickness and overall length based on the proportional relationship between the number of turns and the output torque]
Conventionally, it is known that the relationship between the number of turns of the mainspring and the output torque can be regarded as approximating a proportional relationship as indicated by G6 in FIG. That is, suppose that the torque output by the mainspring is T, the number of times the mainspring is wound (number of turns) is N, the Young's modulus is E, the total length of the mainspring is L, and the mainspring has a rectangular cross section with a thickness t and a width b. ,
T = (Et 3 bπ / 6L) × N (1)
It is expressed by the formula.
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=π(R2−r2)/2t …(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。
On the other hand, the total length L, the thickness t, and the width b of the mainspring are determined by the barrel size in which the mainspring is accommodated. When the radius inside the barrel is R and the true radius of the barrel is r, the total length L of the mainspring is
L = π (R 2 −r 2 ) / 2t (2)
It can be seen that the total length L and the thickness t of the mainspring are in an inversely proportional relationship.
ゼンマイに蓄えられる機械エネルギーは、(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を調整することによってゼンマイのエネルギーを調整していた。
しかしながら、このようにゼンマイの厚さtおよび全長Lだけによってゼンマイの機械エネルギーを調整する方法では、機械エネルギーを大きくしようとするとゼンマイが大型化してしまう。例えば、ゼンマイの全長Lを大きくすればゼンマイの最大巻数Nmaxが大きくなってゼンマイが径方向に大型化し、ゼンマイの厚さtを厚くした場合も、同様にゼンマイが径方向に大型化する。
The mechanical energy stored in the mainspring is given by integrating the output torque T in equation (1) by the number of turns N, and since equation (1) is also considered as a function of the total length L and thickness t of the mainspring, The energy of the mainspring was adjusted by adjusting L and t.
However, in the method of adjusting the mechanical energy of the mainspring only by the thickness t and the total length L of the mainspring as described above, when the mechanical energy is increased, the mainspring is increased in size. For example, when the total length L of the mainspring is increased, the maximum number of turns Nmax of the mainspring is increased, the mainspring is increased in the radial direction, and when the thickness t of the mainspring is increased, the mainspring is similarly increased in the radial direction.
〔5-2 ゼンマイの撓みとゼンマイの機械エネルギーとの相関〕
ここで、上述した式(1)の関係が成立するゼンマイ(厚さt、幅b、長さL)のたわみは、図6に示されるように、内端がヒゲ玉314に剛接合され、他の端部となる外端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6におけるたわみ角α(rad)は、ゼンマイのたわみ半径をrとすると、
r=L/α …(3)
と表すことができる。
[5-2 Correlation between mainspring deflection and mainspring mechanical energy]
Here, the deflection of the spring (thickness t, width b, length L) in which the relationship of the above-described formula (1) is established, the inner end is rigidly joined to the
r = L / α (3)
It can be expressed as.
一方、ゼンマイの巻数Nは、上述したたわみ角αによって、
N=α/2π …(4)
と表される。
従って、上述した式(1)は(3)、(4)式から、
T=(bt3E/12L)×α …(5)
と変形される。
On the other hand, the number of turns N of the mainspring is determined by the deflection angle α described above.
N = α / 2π (4)
It is expressed.
Therefore, the above equation (1) is derived from the equations (3) and (4).
T = (bt 3 E / 12L) × α (5)
And transformed.
そして、ゼンマイのたわみによって蓄えられるエネルギーUは、ゼンマイに作用する曲げモーメント、すなわち、ゼンマイの出力トルクTをαについて積分することによって求められ、
U=∫Tdα=∫(bt3E/12L)×αdα =(bt3E/24L)×α2…(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ーUmaxは、図6におけるゼンマイの最大たわみ角αmaxとすると、
Umax=(bt3E/24L)×αmax2 …(7)
と表される。
The energy U stored by the spring deflection is obtained by integrating the bending moment acting on the spring, that is, the output torque T of the spring with respect to α,
U = ∫Tdα = ∫ (bt 3 E / 12L) × αdα = (bt 3 E / 24L) × α 2 (6)
It becomes.
Therefore, when the maximum energy Umax that can be stored in the spring having the length L is the maximum deflection angle αmax of the spring in FIG.
Umax = (bt 3 E / 24L) × αmax 2 (7)
It is expressed.
〔5-3 ゼンマイに作用する曲げ応力と出力トルクとの相関〕
ここで、ゼンマイに作用する曲げ応力σは、ゼンマイ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、ゼンマイの中立軸Aからの厚さ方向変位をy、ゼンマイの断面二次モーメントをIzとすると、
σ=T×y/Iz …(8)
と表される。
従って、図6におけるゼンマイの上面に作用する引張方向の最大曲げ応力σbは、(8)式より、
σb=T・(t/2)/Iz …(9)
と算出される。
[5-3 Correlation between bending stress acting on spring and output torque]
Here, the bending stress σ acting on the mainspring is expressed as a function of the bending moment acting on the mainspring, that is, the output torque T that can be output by the mainspring in the bent state, and the displacement in the thickness direction from the neutral axis A of the mainspring. Is y, and the spring moment of inertia is Iz.
σ = T × y / Iz (8)
It is expressed.
Therefore, the maximum bending stress σb in the tensile direction acting on the upper surface of the mainspring in FIG.
σb = T · (t / 2) / Iz (9)
Is calculated.
一方、ゼンマイの断面は、厚さt、幅bの矩形状をなすと仮定すると、
Iz=bt3/12 …(10)
と算出され、(9)、(10)式より、
T=(bt2/6)×σb …(11)
と表される。
従って、(1)、(11)式より、
T=(Et3bπ/6L)×N=(bt2/6)×σb …(12)
と表され、(7)式における最大たわみ角αmaxを与えるゼンマイの最大巻数Nmaxは、(4)式より、
Nmax=αmax/2π …(13)
となる。よって、(12)、(13)式より、
αmax=2Lσb/Et …(14)
という関係が導き出せる。
従って、最大たわみ角αmaxは、ゼンマイの引張方向の最大曲げ応力σb、すなわち、ゼンマイに用いられるゼンマイ材料の最大引張応力σmaxによって決定され、上述した(7)式は、
Umax=(bt3E/24L)×(2Lσmax/Et)2 =(btL/6)×(σmax2/E) …(15)
と算出されることが判る。
On the other hand, assuming that the cross section of the mainspring has a rectangular shape having a thickness t and a width b,
Iz = bt 3 /12… (10)
From the equations (9) and (10),
T = (bt 2/6) × σb ... (11)
It is expressed.
Therefore, from equations (1) and (11),
T = (Et 3 bπ / 6L ) × N = (
The maximum number of turns Nmax of the mainspring that gives the maximum deflection angle αmax in the equation (7) is calculated from the equation (4):
Nmax = αmax / 2π (13)
It becomes. Therefore, from equations (12) and (13),
αmax = 2Lσb / Et (14)
This relationship can be derived.
Therefore, the maximum deflection angle αmax is determined by the maximum bending stress σb in the tensile direction of the mainspring, that is, the maximum tensile stress σmax of the mainspring material used for the mainspring, and the above-described equation (7) is
Umax = (bt 3 E / 24L) × (2Lσmax / Et) 2 = (btL / 6) × (σmax 2 / E) (15)
It can be seen that
〔5-4 最大引張力およびヤング率とゼンマイの最大エネルギーとの相関〕
(15)式から、図6のゼンマイに蓄えられる最大エネルギーUmaxは、ゼンマイの厚さt、幅b、長さLのみならず、ゼンマイを構成する材料の最大引張応力σmax、ヤング率Eによって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ーUmaxをより大きくするには、最大引張応力σmax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に採用するのが好ましいということが判る。
[5-4 Correlation between maximum tensile force and Young's modulus and maximum energy of mainspring]
From equation (15), the maximum energy Umax stored in the mainspring of FIG. 6 varies not only with the thickness t, width b, and length L of the mainspring, but also with the maximum tensile stress σmax and Young's modulus E of the material constituting the mainspring. I know that
Therefore, it can be seen that in order to further increase the energy Umax stored in the mainspring, it is preferable to use a material having a property of a large maximum tensile stress σmax and a small Young's modulus E for the mainspring.
なお、前記のテン輪312の揺動周期Tは、テン輪312等の回転部分の慣性モーメントJの他、ゼンマイの材料特性によっても変化し、ヒゲゼンマイの幅を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(16)式によって表される。
The swing period T of the
[6.ゼンマイ材料の構成]
以上を踏まえ、本実施形態では、ヒゲゼンマイ32の原料として下記を使用する。
フラン樹脂 20重量%
グラファイト粉末 10重量%
アモルファスカーボン粉末 40重量%
カーボンナノチューブ 20重量%
ジオクチルフタレート 10重量%
[6. Structure of mainspring material]
Based on the above, in the present embodiment, the following is used as a raw material for the
20% by weight of furan resin
40% by weight of amorphous carbon powder
ゼンマイ材料の重量組成において、グラファイトの構成比がアモルファスカーボンの構成比よりも大きくなると脆くなるため、アモルファスカーボンの構成比をグラファイトの構成比よりも大きくすることにより、ヒゲゼンマイ32が構造材として確実に機能するようにしている。
In the weight composition of the mainspring material, it becomes brittle when the composition ratio of graphite is larger than the composition ratio of amorphous carbon. Therefore, by setting the composition ratio of amorphous carbon larger than the composition ratio of graphite, the
ここで、図7に、各種材料のヤング率と引張強度との関係を示す。図7に「PFC」と示したのは、プラスチックのように成形自在なカーボン(Plastic Formed Carbon)であり、このPFCは、グラファイトとアモルファスカーボンとの配合比および焼成条件を変えることで広範囲の特性の材料が得られるという利点がある。ただし、ゼンマイとして使うには引張強度不足であった。
このPFCとしてのグラファイトおよびアモルファスカーボンのみによる複合材の引張強度は約0.05〜約0.7GPa程度、ヤング率は約10〜約200GPa程度であり、すなわち、グラファイトとアモルファスカーボンとの配合比および焼成条件を変えることで広範囲に亘るヤング率を実現できる。このようなグラファイトおよびアモルファスカーボンの複合材による特徴を活かし、さらにカーボンナノチューブを加えた複合材とすることで、グラファイトおよびアモルファスカーボンにより可変となるヤング率の範囲全域に亘って引張強度を向上させることが可能となる(図7の太い実線「本発明」参照)。
すなわち、広範囲に亘るヤング率および引張強度が実現でき、材料設計の自由度が広がる。
Here, FIG. 7 shows the relationship between Young's modulus and tensile strength of various materials. “PFC” shown in FIG. 7 is plastic formable carbon such as plastic. This PFC has a wide range of characteristics by changing the compounding ratio of graphite and amorphous carbon and the firing conditions. There is an advantage that a material of However, the tensile strength was insufficient for use as a spring.
The tensile strength of the composite material composed of only graphite and amorphous carbon as the PFC is about 0.05 to about 0.7 GPa, and the Young's modulus is about 10 to about 200 GPa, that is, the blending ratio of graphite and amorphous carbon and A wide range of Young's modulus can be realized by changing the firing conditions. Taking advantage of the characteristics of the composite material of graphite and amorphous carbon, and improving the tensile strength over the entire range of Young's modulus, which can be changed by graphite and amorphous carbon, by making a composite material with carbon nanotubes added. (See the thick solid line “present invention” in FIG. 7).
That is, a wide range of Young's modulus and tensile strength can be realized, and the degree of freedom in material design is expanded.
上記原料中、グラファイト粉末、アモルファスカーボン粉末、およびアモルファスカーボンそれぞれの大きさは、本実施形態では下記の通りである。
グラファイト粉末 平均粒径2μm
アモルファスカーボン粉末 平均粒径2μm
カーボンナノチューブ 直径10nm、長さ10μm
The sizes of the graphite powder, the amorphous carbon powder, and the amorphous carbon in the raw material are as follows in the present embodiment.
Graphite powder Average particle size 2μm
Amorphous carbon powder Average particle size 2μm
Carbon nanotube diameter 10nm, length 10μm
カーボンナノチューブの直径は、1nm〜50nmが好ましい。すなわち、カーボンナノチューブの直径が1nm未満の場合はヒゲゼンマイとして用いるための所望の補強効果が得られず、50nm超の場合は、後の押出成形工程S2で得られる線状体中の主体質材の配向を阻害してしまう。
また、カーボンナノチューブの長さは0.5μm〜50μmが好ましい。すなわち、カーボンナノチューブの長さが0.5μm未満の場合はヒゲゼンマイとして用いるための所望の補強効果が得られず、50μm超の場合は、カーボンナノチューブ自体の配向が難しくなり、やはり主体質材の配向を阻害するため強度の向上が得られない。
The diameter of the carbon nanotube is preferably 1 nm to 50 nm. That is, when the diameter of the carbon nanotube is less than 1 nm, a desired reinforcing effect for use as a balance spring cannot be obtained, and when it exceeds 50 nm, the main material in the linear body obtained in the subsequent extrusion step S2 This will impede the orientation.
Further, the length of the carbon nanotube is preferably 0.5 μm to 50 μm. That is, when the length of the carbon nanotube is less than 0.5 μm, a desired reinforcing effect for use as a balance spring cannot be obtained, and when it exceeds 50 μm, the orientation of the carbon nanotube itself becomes difficult, and again Since the orientation is hindered, the strength cannot be improved.
[7.ゼンマイの製造方法]
上記の原料を使用してヒゲゼンマイ32を製造する。
図8は、ヒゲゼンマイ32の製造工程を示す。
〔7-1 原料調合工程〕
原料調合工程S1では、上記の原料、すなわち熱硬化性樹脂であるフラン樹脂、グラファイト粉末、アモルファスカーボン粉末、カーボンナノチューブ、および可塑剤としてのジオクチルフタレートをヘンシェル・ミキサーを用いて均一に分散させる。ここで、上記のグラファイト粉末およびアモルファスカーボン粉末の各平均粒径、カーボンナノチューブの大きさにより、各原料が均一となりやすい。
そして、このように均一に分散した原料に対して混錬を繰り返し、シート状組成物を得る。なお、混錬の際には、表面温度を約120℃に保ったミキシング用二本ロールを用いる。
[7. Wind-up spring manufacturing method]
The
FIG. 8 shows a manufacturing process of the
[7-1 Raw material preparation process]
In the raw material blending step S1, the above raw materials, that is, furan resin as a thermosetting resin, graphite powder, amorphous carbon powder, carbon nanotube, and dioctyl phthalate as a plasticizer are uniformly dispersed using a Henschel mixer. Here, each raw material tends to be uniform depending on the average particle diameters of the graphite powder and the amorphous carbon powder and the size of the carbon nanotubes.
And kneading | mixing is repeated with respect to the raw material disperse | distributed uniformly in this way, and a sheet-like composition is obtained. In the case of kneading, a two roll for mixing whose surface temperature is kept at about 120 ° C. is used.
〔7-2 押出成形工程〕
押出成形工程S2では、上記原料調合工程S1で得られたシート状組成物から、プランジャー型油圧押出成形機によって約3m/秒の吐出速度で真空押出成形を行う。これにより、直径約0.3mmの線状体が得られる。
ここで、押出成形時の圧力、吐出速度等を変えることによって線状体の断面積に変化を持たせることが可能で、線状体の長さ方向において当該線状体の断面積を任意に設定できるものである。。
[7-2 Extrusion molding process]
In the extrusion molding step S2, vacuum extrusion molding is performed from the sheet-like composition obtained in the raw material blending step S1 with a plunger type hydraulic extrusion molding machine at a discharge speed of about 3 m / sec. As a result, a linear body having a diameter of about 0.3 mm is obtained.
Here, it is possible to change the cross-sectional area of the linear body by changing the pressure at the time of extrusion molding, the discharge speed, etc., and arbitrarily change the cross-sectional area of the linear body in the length direction of the linear body It can be set. .
〔7-3 形状賦与工程〕
次いで、形状賦与工程S3では、上記押出成形工程S2で得られた線状体を渦巻状の炭素質支持基材(冶具)に巻きつけ、形状付けを行う。これにより、当該線状体に安定したゼンマイ形状が賦与される。
[7-3 Shape assignment process]
Next, in the shape imparting step S3, the linear body obtained in the extrusion step S2 is wound around a spiral carbonaceous support substrate (jig) and shaped. Thereby, a stable mainspring shape is given to the linear body.
〔7-4 焼成(炭素化)工程〕
焼成(炭素化)工程S4では、支持基材(冶具)に巻きつけられた状態の線状体を180℃(±5℃前後)に加熱されたクリーンオーブンにて、大気圧で約10時間加熱する。この線状体への加熱により、炭素前駆体が得られる。この炭素前駆体は、原料として調合されたフラン樹脂やジオクチルフタレートが加熱により除去されることでポーラス状となっている。
[7-4 Firing (carbonization) process]
In the firing (carbonization) step S4, the linear body wound around the support base material (jig) is heated at atmospheric pressure for about 10 hours in a clean oven heated to 180 ° C. (around ± 5 ° C.). To do. By heating the linear body, a carbon precursor is obtained. This carbon precursor has a porous shape by removing furan resin and dioctyl phthalate prepared as raw materials by heating.
さらに、この炭素前駆体を真空で約2000℃まで加熱することにより、炭素前駆体が炭素化・緻密化される。このように到達温度約2000℃で加熱することによって、ポーラス状であった炭素前駆体を確実に焼き締め緻密化することができる。
ここで、炭素化する際の到達温度は、約1500〜約2000℃の範囲で適宜設定できる。
Furthermore, the carbon precursor is carbonized and densified by heating the carbon precursor to about 2000 ° C. in a vacuum. By heating at an ultimate temperature of about 2000 ° C. in this way, the porous carbon precursor can be securely baked and densified.
Here, the ultimate temperature at the time of carbonization can be suitably set in the range of about 1500 to about 2000 ° C.
なお、炭素前駆体を得る際の加熱温度約180℃から、炭素化させる際の加熱温度約2000℃に到達するまでの昇温速度は10℃/分程度に設定でき、この昇温時に高温状態が保持されることから、保持時間は設定しなくてもよいが、例えば1時間程度に設定してもよい。
また、加熱終了後の冷却は炉冷でよい。
In addition, the heating rate from the heating temperature of about 180 ° C. when obtaining the carbon precursor to the heating temperature of about 2000 ° C. when carbonizing can be set to about 10 ° C./min. Therefore, the holding time may not be set, but may be set to about 1 hour, for example.
Further, the cooling after the heating may be furnace cooling.
この焼成(炭素化)工程S4の結果、グラファイト、アモルファスカーボン、およびカーボンナノチューブの複合材から構成された所望形状のヒゲゼンマイ32が得られた。
このようにして得られたヒゲゼンマイ32のヤング率は約100GPa、引張強度は約1.5GPaであった。
以上で得られたヒゲゼンマイ32の特性について、ヒゲゼンマイ32とは材料が異なる前述の特許文献1,2の各ゼンマイの特性と対比し、次表に示す。
As a result of the firing (carbonization) step S4, a
The
The characteristics of the
[8.本実施形態による効果]
以上のような本実施形態によれば、電子制御式機械時計の調速装置に使用されるヒゲゼンマイ32の材料としてグラファイト、アモルファスカーボン、およびカーボンナノチューブの複合材を採用したことから、次のような各種の効果が得られる。
[8. Effects of this embodiment]
According to the present embodiment as described above, the composite material of graphite, amorphous carbon, and carbon nanotube is used as the material of the
(1)上述の如く、グラファイト,アモルファスカーボンおよびカーボンナノチューブが用いられたゼンマイ材料および製造方法が確立された。
このゼンマイ複合材により形成されたヒゲゼンマイ32は、カーボンナノチューブの配合により引張強度が大幅に向上されているので、ヒゲゼンマイ32の巻数や厚みに因らず、ヒゲゼンマイ32の機械エネルギーを大にでき、ヒゲゼンマイ32を含めた調速装置30の小型化が可能となる。
(1) As described above, a spring material and a manufacturing method using graphite, amorphous carbon, and carbon nanotubes have been established.
The
(2)前記複合材のヤング率が小さいことから、ヒゲゼンマイ32の靱性を確保できる。
(2) Since the Young's modulus of the composite material is small, the toughness of the
(3)前記複合材を構成するグラファイト、アモルファスカーボン、およびカーボンナノチューブは、原料調合時にフラン樹脂やジオクチルフタレートを媒質として分散され均一となるので、ヒゲゼンマイ32の所望の特性を実現でき、信頼性を向上させることができる。
(3) Since the graphite, amorphous carbon, and carbon nanotube constituting the composite material are dispersed and made uniform using furan resin or dioctyl phthalate as a medium at the time of raw material preparation, the desired characteristics of the
(4)炭素材であるグラファイト、アモルファスカーボン、およびカーボンナノチューブは押出成形に適し、これらグラファイト、アモルファスカーボン、およびカーボンナノチューブが調合されたシート状組成物から押出成形することにより、ヒゲゼンマイ32に必要とされる所望の厚みの線状体を容易に成形できる。
(4) Graphite, amorphous carbon, and carbon nanotubes, which are carbon materials, are suitable for extrusion molding, and are required for the
(5)グラファイト、アモルファスカーボン、およびカーボンナノチューブはいずれも非磁性のため、耐磁構造を採用せずとも、ムーブメントにヒゲゼンマイ32を容易にレイアウトできる。また、ヒゲゼンマイ32が外部磁界に引っ張られヒゲゼンマイ32の特性が低下することを防止できる。
(5) Since graphite, amorphous carbon, and carbon nanotubes are all non-magnetic, the
(6)グラファイト、アモルファスカーボン、およびカーボンナノチューブはいずれも耐食性に優れるため、ヒゲゼンマイ32表面への保護膜形成を不要にできる。
また、これらグラファイト、アモルファスカーボン、およびカーボンナノチューブの自己潤滑性により、ヒゲゼンマイ32の素線同士のこすれ等を防止できる。
(6) Since graphite, amorphous carbon, and carbon nanotubes are all excellent in corrosion resistance, formation of a protective film on the surface of the
In addition, the self-lubricating properties of these graphite, amorphous carbon, and carbon nanotubes can prevent rubbing between the strands of the
(7)グラファイト、アモルファスカーボン、およびカーボンナノチューブが炭素材のため、前記複合材は密度が小さく軽量であるから、腕時計や懐中時計としての携帯性に貢献できる。また、軽量のため耐衝撃性に優れるとともに、ヒゲゼンマイ32の自重による変形を考慮して設計することを不要にできる。
(7) Since graphite, amorphous carbon, and carbon nanotubes are carbon materials, the composite material has a small density and is lightweight, which can contribute to portability as a watch or a pocket watch. Moreover, since it is lightweight, it is excellent in impact resistance, and it becomes unnecessary to design in consideration of deformation due to the weight of the
(8)グラファイト、アモルファスカーボン、およびカーボンナノチューブによる前記複合材はアモルファス金属材料等と比べて熱安定性が高い。当該複合材は、機械特性・物理特性それぞれにおいて温度特性に優れ、温度変化に伴うヤング率の変化が少ないため、ヒゲゼンマイ32による調速を精度良く行なうことができる。すなわち、ヒゲゼンマイ32を備える調速装置30の採用は、精度が重要な時計に有利となる。
(8) The composite material composed of graphite, amorphous carbon, and carbon nanotubes has higher thermal stability than an amorphous metal material or the like. The composite material is excellent in temperature characteristics in both mechanical characteristics and physical characteristics, and has little change in Young's modulus due to temperature change, so that the speed adjustment by the
(9)ヒゲゼンマイ32の材料となる前記複合材は炭素材により構成されるため、金属材料等を使用する場合と比べて環境保護に貢献できる。
(9) Since the composite material used as the material of the
(10)前記複合材においては、他の材料に比べて引張強度およびヤング率を幅広く設定できるので、ヒゲゼンマイ32材料の設計の自由度を格段に向上させることができる。
(10) In the composite material, since the tensile strength and Young's modulus can be set wider than other materials, the degree of freedom in designing the
(11)筒状体であるカーボンナノチューブがヒゲゼンマイ32の周方向に沿って配向されているため、ヒゲゼンマイ32の引張強度をより大きくできる。
(11) Since the carbon nanotubes that are cylindrical bodies are oriented along the circumferential direction of the
(12)前記複合材の重量組成において、アモルファスカーボンがグラファイトよりも大であることから、ヒゲゼンマイ32のヤング率を小さくでき、構造材としてのヒゲゼンマイ32の靭性をより良好に確保できる。
(12) Since the amorphous carbon is larger than the graphite in the weight composition of the composite material, the Young's modulus of the
(13)押出成形工程S2における押出成形時に線状体の断面積の大きさを容易に制御することができ、ヒゲゼンマイ32の素線の断面積に変化を持たせることが可能となるので、ヒゲゼンマイ32の付勢力をコントロールすることが可能となる。
(13) Since the size of the cross-sectional area of the linear body can be easily controlled during extrusion molding in the extrusion molding step S2, and the cross-sectional area of the strands of the
(14)前記複合材の採用により、ヒゲゼンマイ32の材料設計および製造が容易化されるので、調速装置30の製造コストを削減でき、信頼性を向上させることができる。
(14) Since the material design and manufacture of the
(15)前記複合材は、有機物体にカーボンナノチューブが配合され、耐熱性に非常に優れるため、高温での焼成が可能であり、炭素前駆体を強固に焼き締めることが可能となる。 (15) The composite material includes carbon nanotubes blended into an organic substance and is extremely excellent in heat resistance. Therefore, the composite material can be fired at a high temperature, and the carbon precursor can be firmly baked.
なお、本実施形態において、動力源としてのゼンマイ1aについても、ヒゲゼンマイ32と同様の複合材により形成することが可能であり、これらヒゲゼンマイ32、ゼンマイ1aの両方を前記複合材により形成することによって、前述の効果をより大きくできる。
In the present embodiment, the mainspring 1a as the power source can also be formed of a composite material similar to the
〔本発明の変形例〕
なお、本発明は、前述の実施形態に限定されない。
前記実施形態では、本発明のゼンマイが利用される調速装置を備えた機器として時計を例示したが、これに限らず、一定速度で曲を奏でるオルゴールなども例示できる。
[Modification of the present invention]
The present invention is not limited to the above-described embodiment.
In the above embodiment, the timepiece is exemplified as a device provided with a speed control device using the mainspring of the present invention. However, the present invention is not limited to this, and a music box that plays music at a constant speed can also be exemplified.
以上では、調速装置に利用されるヒゲゼンマイを例示したが、本発明のゼンマイを構成する前記複合材、および前記のゼンマイ製造方法は、機械式時計や電子制御式時計における動力源としてのゼンマイにも利用できる。
さらには、本発明のゼンマイ複合材と同様の複合材から、本発明のゼンマイ製造方法と同様の方法により、水晶発振式の電子時計の水晶振動子を付勢状態で固定するバネや、コハゼ(コハゼバネ)なども製造可能である。前記実施形態の角穴車4と噛合するコハゼを本発明のゼンマイ複合材から構成してもよい。
The balance spring used in the speed governor has been exemplified above, but the composite material constituting the mainspring of the present invention and the mainspring manufacturing method described above are used as a power source in a mechanical timepiece or an electronically controlled timepiece. Can also be used.
Furthermore, from a composite material similar to the mainspring composite material of the present invention, a spring for fixing a quartz oscillator of a quartz oscillation type electronic timepiece in a biased state by a method similar to the spring manufacturing method of the present invention, Can be manufactured. You may comprise the cork which meshes with the
本発明のゼンマイ複合材は、少なくともグラファイト、アモルファスカーボン、およびカーボンナノチューブを含んで構成されていればよく、その重量組成などの配合比や態様などが前記実施形態に限定されないことは勿論である。
また、本発明のゼンマイの形状、素線の幅、厚み、断面積、全長、最大巻数、ヤング率、引張強度の値などについても、前記実施形態に限定されることなく適宜決められる。前記実施形態のゼンマイは平面視円形の螺旋形状であったが、これに限らず、例えば平面視楕円形の螺旋形状であってもよい。
さらに、本発明のゼンマイ製造方法において、各原料を分散させる方法や線状体を成形する方法、そして加熱温度等の焼成条件などについても、前記実施形態には何ら限定されない。
The mainspring composite material of the present invention only needs to be configured to include at least graphite, amorphous carbon, and carbon nanotubes, and it is a matter of course that the blending ratio and mode of the weight composition and the like are not limited to the above embodiment.
Further, the shape of the mainspring of the present invention, the width, thickness, cross-sectional area, total length, maximum number of turns, Young's modulus, tensile strength, etc. of the main wire are also appropriately determined without being limited to the above embodiment. The mainspring of the above embodiment has a circular spiral shape in plan view, but is not limited thereto, and may be a spiral shape in plan view elliptical shape, for example.
Furthermore, in the mainspring manufacturing method of the present invention, the method of dispersing each raw material, the method of forming a linear body, and the firing conditions such as the heating temperature are not limited to the above embodiment.
1b・・・香箱歯車、6・・・二番車、8・・・四番車、9・・・車、10・・・車、20・・・脱進装置、30・・・調速装置、31・・・テンプ、32・・・ヒゲゼンマイ、S1・・・原料調合工程、S2・・・押出成形工程、S3・・・形状賦与工程、S4・・・焼成(炭素化)工程。 1b ... barrel wheel, 6 ... second wheel, 8 ... fourth wheel, 9 ... car, 10 ... car, 20 ... escape device, 30 ... speed governor , 31 ... balance, 32 ... balance spring, S1 ... raw material preparation step, S2 ... extrusion molding step, S3 ... shape application step, S4 ... firing (carbonization) step.
Claims (8)
少なくともグラファイト、アモルファスカーボン、およびカーボンナノチューブの複合材から構成されている
ことを特徴とするゼンマイ。 A spring used in a speed governing device for controlling the rotation of a driving wheel train that transmits driving force,
A mainspring comprising at least a composite of graphite, amorphous carbon, and carbon nanotubes.
前記カーボンナノチューブの軸線方向が、ゼンマイの巻かれている周方向に揃えられている
ことを特徴とするゼンマイ。 In the mainspring according to claim 1,
The spring having the axial direction of the carbon nanotube aligned in the circumferential direction around which the spring is wound.
前記複合材の重量組成において、
アモルファスカーボンは、グラファイトよりも大である
ことを特徴とするゼンマイ。 In the mainspring according to claim 1 or 2,
In the weight composition of the composite material,
A mainspring characterized by amorphous carbon being larger than graphite.
ゼンマイ素線の断面積には、ゼンマイ素線の長さ方向において変化を持たせる
ことを特徴とするゼンマイ。 In the mainspring according to any one of claims 1 to 3,
The mainspring is characterized in that the cross-sectional area of the mainspring is changed in the length direction of the mainspring.
前記ゼンマイにより付勢されるテンプとを備える
ことを特徴とする調速装置。 A mainspring according to any one of claims 1 to 4,
A speed control device comprising: a balance biased by the mainspring.
駆動力を伝達する駆動輪列とを備え、
前記駆動輪列の回転は、前記調速装置により調速される
ことを特徴とする機器。 A governing device according to claim 5;
A driving wheel train that transmits driving force,
The rotation of the drive wheel train is regulated by the governor.
前記調速装置を有して構成される計時部と、
前記駆動輪列により駆動され時刻を示す指示部材とを備え、
時計として構成されている
ことを特徴とする機器。 The device according to claim 6 is:
A time measuring unit configured to include the speed governor;
An indicator member that is driven by the drive wheel train and indicates time;
A device that is configured as a watch.
前記分散させた有機物体とカーボンナノチューブとを押出成形により線状体に成形する押出成形工程と、
前記線状体にゼンマイ形状を賦与する形状賦与工程と、
前記ゼンマイ形状が付与された線状体を不活性雰囲気中で加熱処理し炭素化させる炭素化工程と、を備える
ことを特徴とする駆動輪列の回転を調速する調速装置に使用されるゼンマイの製造方法。 A raw material preparation step for uniformly dispersing carbonizable organic matter and carbon nanotubes;
An extrusion process for forming the dispersed organic body and carbon nanotubes into a linear body by extrusion;
A shape application step for applying a spring shape to the linear body;
And a carbonization step in which the linear body having the spring shape is heated and carbonized in an inert atmosphere, and is used in a speed governor for controlling the rotation of a drive wheel train. Wind-up spring manufacturing method.
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