온도보상식 스프링 및 이를 제조하기 위한 방법

온도보상식 스프링 및 이를 제조하기 위한 방법{THERMOCOMPENSATED SPRING AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 스프렁 밸런스용 스프링에 관한 것으로, 보다 상세하게 열탄성 계수가 대략 0이고 실질적으로 자기장에 대해 반응을 하지 않는 타입의 스프링에 관한 것이다. 바디의 열탄성 계수(CTE)는 온도의 함수로서 상기 바디의 영률 변화를 나타낸다.

기계식 시계 무브먼트에 대한 속도(rate)의 가능한 가장 작은 변동을 추구하는 것으로 알려졌다. 그러나, 특히 온도와 자기장의 변화에 대한 스프렁 밸런스 조립체의 민감성으로 인해 이는 구현하기가 상당히 어렵다.

EP 특허 제 1 039 352호는 외부 표면에 산화 코팅을 가진 특정의 합금으로 제조된 합금 밸런스 스프링을 공개한다. 상기 문헌은 온도보상식 밸런스 스프링을 공개하며, 즉 소위 영률 온도계수로 불리는 밸런스 스프링의 열탄성 계수가 자기장에 대한 민감성이 상당히 작고 대략 0에 근접한다. 그러나, 이러한 스프링은 상당히 높은 불량률과 비용으로 인해 이용하기가 상당히 곤란하다.

본 발명의 목적은 이용이 단순화된 스프렁 밸런스용 온도보상식 스프링을 제안함으로써 상기 언급된 문제점 모두 또는 일부를 극복하는 데 있다.

따라서, 본 발명은 제 1 금속 재료의 섹션을 포함한 스프렁 밸런스를 위한 온도보상식 스프링에 관한 것으로, 상기 섹션의 하나 이상의 표면은 제 2 금속 재료를 포함한 외부 층을 가지며, 상기 제 2 금속 재료의 열탄성 계수는 제 1 금속 재료의 열탄성 계수에 대해 상반되게 가변되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 본 발명에 따라서, 스프링은 상당히 단순하며, 이에 따라 통상적인 재료를 이용할 수 있고, 복잡한 제조 단계를 피할 수 있다.

본 발명의 그 외의 다른 선호되는 특징에 따라서, 섹션의 2개 이상의 평행한 표면 또는 2개 이상의 인접한 표면 또는 모든 표면이 외부 층을 포함한다. 상기 외부 층은 스프링의 길이 전체 또는 일부를 따라 형성된다. 하나 이상의 금속 재료가 상자성이다. 제 2 재료는 스테인리스 스틸이다. 제 1 금속 재료는 인바 타입의 FeNi36 합금 또는 FeMn 합금이다. 이러한 섹션은 몇몇의 다양한 외부 층을 가진다.

본 발명은 전술한 변형예들 중 한 변형예에 따른 하나 이상의 스프링을 포함하는 시계에 관한 것이다.

본 발명은 시계용 스프링을 제조하기 위한 방법에 관한 것으로,

a) 서로 결합된 제 1 및 제 2 금속 재료를 이용하여 바디를 제조하는 단계를 포함하고, 제 1 및 제 2 재료는 상반되게 가변되는 열탄성 계수를 가지며,

b) 바디의 섹션을 감소시키는 단계를 포함하고,

c) 상기 스프링을 제조하기 위해 바디를 와인딩하는 단계(winding)를 포함한다.

스프링은 매우 낮은 불량률을 가능하게 하는 숙달된 기계식 단계를 이용하여 매우 단순하게 재료로 제조될 수 있다.

본 발명의 그 외의 다른 선호되는 특징에 따라서, 상기 방법은 단계(b)와 단계(c) 사이에 상기 바디의 섹션을 다각형 섹션으로 변경하는 단계(d)를 포함한다. 단계(c) 이후에 상기 방법은 Breguet 스프링을 제조하기 위하여 상기 스프링의 외부 코일을 들어올리는 단계(raising)를 포함한다. 상기 방법은 f) 스프링의 열탄성 계수를 조절하기 위하여 스프링이 제조된 후 바디로부터 물질(matter)을 제거하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 g) 스프링의 형태와 열탄성 계수를 조절하기 위하여 스프링이 제조된 후 열처리를 수행하는 단계를 포함한다. 제 1 실시예에 따라서, 단계 a)는 h) 제 1 금속 재료로 바를 제조하는 단계, i) 제 2 금속 재료로 튜브를 제조하는 단계, j) 튜브 내에 바를 끼워맞추는 단계 및 k) 바를 튜브에 고정하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 단계(j) 동안 단계(j)가 용이하게 수행되도록 상기 바와 튜브 사이의 공간을 증가시키기 위해 튜브를 가열하고 및/또는 바를 냉각시키는 단계를 포함한다. 대안으로, 단계 a)는 제 1 금속 재료로 제조된 부품을 제조하는 단계 및 오버몰딩, 플레이팅, 냉간 및/또는 열간 변형, 결합 및/또는 용접에 의해 상기 부품으로 제 2 금속 재료를 결합시키는 단계를 포함한다. 단계 b)는 열간 및/또는 냉간 변형에 의해 수행된다. 단계 a)가 종료될 때 바디의 외부 섹션은 5 내지 100 mm이고, 단계 c)가 종료될 때 바디의 외부 섹션은 10 ㎛ 내지 1 mm이다. 하나 이상의 재료가 상자성이다.

대안으로, 스프렁 밸런스를 위한 스프링을 제조하기 위한 방법이 제안되며, 상기 방법은

a') 제 1 금속 재료를 이용하여 스프링-형태의 바디를 제조하는 단계 및

b') 오버몰딩 및/또는 플레이팅에 의해 상기 바디에 제 2 금속 재료를 결합시키는 단계를 포함하고, 제 1 및 제 2 금속 재료는 상반되게 가변되는 열탄성 계수를 가진다.

스프링의 형태는 제 1 재료를 이용하고 그 뒤 제 2 재료를 플레이팅 및/또는 오버몰딩 단계를 이용하여 상당한 정밀도에 따라 얻어질 수 있으며, 온도보상식 스프링의 상당히 우수한 품질에 따라 상당히 낮은 불량률이 얻어진다.

대안의 그 외의 다른 선호되는 특징에 따라서, 단계 a')는 와이어 드로잉 - 라미네이팅 - 와인딩 - 열 고정 처리 또는 상기 제 1 금속 재료의 플레이트를 심도 반응성 이온 식각에 의해 또는 LIGA 타입 전자주조 공정에 의해 수행된다.

단계 b')는 캐스팅, 전기 주조 또는 물리적 또는 화학적 기상 증착에 의해 수행된다.

상기 방법은 f) 스프링의 열탄성 계수를 조절하기 위하여 스프링이 제조된 후 바디로부터 물질을 제거하는 단계를 포함하고, g) 스프링의 형태와 열탄성 계수를 조절하기 위하여 스프링이 제조된 후 열처리를 수행하는 단계를 포함한다. 상기 하나 이상의 재료는 상자성이다.

스프링의 형태는 제 1 재료를 이용하고 그 뒤 제 2 재료를 플레이팅 및/또는 오버몰딩 단계를 이용하여 상당한 정밀도에 따라 얻어질 수 있으며, 온도보상식 스프링의 상당히 우수한 품질에 따라 상당히 낮은 불량률이 얻어진다.

그 외의 다른 특징과 장점은 단일의 도면에 따라서 비-제한적 실시예에 의한 하기 기술내용으로부터 보다 명확해지며, 도면은 본 발명에 따라서 스프링을 제조하기 위한 방법의 흐름도를 도시한다.

본 발명은 스프렁 밸런스 타입(sprung balance type)의 시계 조절 부재를 위한 온도보상식 스프링(thermocompensated spring)에 관한 것이다. 본 발명에 따르는 스프링은 종래의 금속 쉐이핑 방법(metal shaping method)을 이용하여 가공될 수 있는 재료를 이용한다. 게다가, 이용되는 재료는 통상적이어서 저렴하다.

본 발명에 따라서, 스프링의 열탄성 계수는 대략적으로 0이며, 즉 온도의 함수로서 영률 변화(Young's modulus variation)에 대해 대략 0이다. 이를 구현하기 위하여, 각각의 열탄성 계수가 상반되게 가변되어 서로에 대해 보상되는 2가지의 오버래핑 금속 재료가 이용된다. 따라서, 이러한 재료들 중 한 재료가 양(positive)의 열탄성 계수를 가진다면 그 외의 다른 하나는 음(negative)의 열탄성 계수를 가질 것이다.

양의 열탄성 계수를 가진 재료가 그 외의 다른 재료를 덮던지 또는 이와 상반되게 수행되는지의 여부는 중요하지 않다. 단지, 스프렁 밸런스 조절 부재에 대해 전체적으로 보상되도록 코팅(coating) 또는 오버랩(overlap)의 두께가 덮여진 두께에 따라 또는 밸런스의 타입에 따라 적합해진다.

재료의 오버랩 또는 코팅은 부분적이거나 또는 전체적일 수 있다. 따라서, 제 1 금속의 바디의 섹션의 적어도 2개의 평행하거나 또는 인접한 표면은 제 2 재료가 제공될 수 있다. 게다가, 오버랩 또는 코팅은 제 1 금속의 바디의 길이의 일부분이거나 또는 전체일 수 있다. 또한, 각각의 표면은 이에 대해 특정한 재료를 포함할 수 있으며, 즉 제 2 재료도 또한 포함할 수 있다. 따라서, 하나 이상의 재료가 상자성(paramagnetic)일 수 있으며, 이에 따라 스프링은 자기장에 대해 실질적으로 반응을 하지 않는다.

바람직하게, 하기의 쌍을 이루는 재료를 이용한다: 스테인리스 스틸-FeMn 합금 또는 스테인리스 스틸-인바 타입 FeNi36 합금. 어떤 재료로 덮여져 있는가는 반드시 중요한 것은 아니다. 그러나, 2가지의 재료들 중 한 재료는 강자성이라면, 바람직하게 코어는 상기 강자성 재료를 이용한다. 따라서, 상기의 실례에 대해, 바람직하게 코어는 FeMn 합금(반강자성) 또는 FeNi36(강자성)을 이용하며, 외부 층은 스틸(반강자성)이다. 또한, 이러한 형상은 상기 스프링의 임의의 산화를 제한한다.

외부 층(재료 2)에 대해 코어(재료 1)의 각각의 두께를 계산하기 위하여, 하기 공식에 따라 밸런스에 대해 요구된 수정 토크(C')와 요구된 수정 열탄성 계수( CTE' ) 를 산출하며, 여기서 열팽창 계수는 동일한 것으로 여겨진다.

여기서:

그리고:

-Ex는 재료(x)의 영률,

- CTE _x 는 재료(x)의 열탄성 계수,

-e는 코어의 두께,

-h는 코어의 높이,

-d는 외부 층의 두께이다.

물론, 본 발명은 스테인리스 스틸-FeMn 합금 또는 스테인리스 스틸-FeNi36 합금 쌍에 한정되지 않는다. 그 외의 다른 쌍들이 고려될 수 있다. 실례에 따라, 외부 층은 스테인리스 스틸 및/또는 크롬 및/또는 니켈 및/또는 철을 포함할 수 있다. 게다가, 실례에 따라서, 스프링 코어는 니오븀, NbZr 합금, CrMn 합금, FeMn 합금, FeNi36 합금 또는 AuPd 합금을 포함할 수 있다.

상기 스프링의 제조 방법(1)은 도 1에 따라 설명된다. 바람직하게, 방법(1)은 서로 결합된 제 1 금속 재료와 제 2 금속 재료를 이용하여 바디를 제조하는 단계(11), 바디의 섹션을 감소시키는 단계(15) 및 상기 스프링을 제조하기 위해 상기 바디를 와인딩하는 단계(21)를 포함한다.

일반적으로, 제조 단계(11)는 몇몇의 실시예에 대해 이용되는 단계(phase, 3, 5, 7, 13)를 포함한다. 제 1 실시예에 따라서, 바디는 바 및 튜브로부터 형성된다. 방법(1)의 제 1 단계(3)에서, 제 1 재료의 바가 제조된다. 순차적으로 수행될 수 있는 방법(1)의 제 2 단계(5)에서, 단계(3)에 앞서 또는 이후에 제 2 재료의 튜브가 제조된다. 그 뒤, 제 3 단계(7)에서, 바는 튜브 내에 끼워맞춤된다. 바람직하게, 튜브의 중공과 바의 외부 사이의 섹션의 차이는 임의의 상대 운동을 제한하기 위해 가능한 작다.

따라서, 단계(7)의 수행을 돕기 위하여, 단계(7) 이전에 선택적 단계(9)가 제공되는 것이 선호된다. 단계(9)는 공간, 즉 바와 튜브 사이의 차이를 가능한 가장 크게 하기 위하여 튜브 및/또는 바를 열처리하는 단계를 포함한다. 따라서, 바를 수축시키기 위해 냉각하고 및/또는 튜브를 팽창시키기 위해 가열시키는 단계가 고려될 수 있다. 단계(7) 이후, 단계(11)는 튜브 내에 바를 고정하기 위한 제 4 단계(13)가 지속된다. 이러한 제 1 실시예는 제 1 재료의 코어의 전체 섹션을 덮는 단계(covering)를 포함한다.

또한, 단지 일부의 표면을 덮는 단계도 고려될 수 있다. 따라서, 그 외의 다른 실시예에서, 단계(3)와 단계(5)는 제 1 및 제 2 재료를 형성하기 위해 수행된다. 제 3 및 제 4 단계(7, 13)에서, 2가지의 재료가 함께 제공되며, 그 뒤 서로 결합된다. 비-제한적인 방식으로 그 외의 다른 실시예에서, 단계(13)는 냉간 및/또는 열간 변형 단계와 결합 단계(bonding) 및/또는 용접 단계(welding)를 포함할 수 있다.

물론, 상대적으로 많거나 적은 단계(3, 5, 7, 9, 13)를 포함한 그 외의 다른 제조 단계(11)가 구현될 수 있다. 대안의 실례에 따라서, 단계(3)는 제 1 재료로 바디를 형성하는데 이용되며, 그 뒤 제 2 단계(5)에서 제 2 재료가 오버몰딩되거나(overmould) 또는 플레이팅된다(plate). 따라서, 단계(5, 7, 13)는 예를 들어 캐스팅, 전기주조 또는 물리적 또는 화학적 기체 상 증착에 의해 동시에 수행될 수 있다.

제 2 단계(15)는 상기 스프링의 섹션을 요구된 섹션으로 감소시키기 위함이다. 실례에 따라, 바디의 가장 큰 섹션은 단계(11)가 종료 시 5 내지 100 mm로부터 10 ㎛ 내지 1 mm의 최종 치수로 바뀔 수 있다.

또한, 상이한 순서에 따라 단계(11, 15, 21)를 수행하는 것이 고찰될 수 있다. 게다가, 단계(11, 15, 21)에 따라 제 1 단계에서 제 1 재료만을 형성하고, 대안으로 제 1 재료가 제 2 재료로 플레이팅되고 및/또는 오버몰딩되는 단계(5)에서 제 2 재료를 형성할 수 있다.

예를 들어, 스프링의 형태가 제 1 재료에 주어질 수 있는데, 이는, 와이어 드로잉(wire drawing) - 라미네이팅(laminating) - 와인딩(winding) - 열 고정 처리를 통해, 또는 상기 제 1 재료의 플레이트를 심도 반응성 이온 식각(deep reactive ion etching)함으로써, 또는 LIGA형 전자주조 공정(감광성 수지 몰드에서의 갈바니 성장)에 의해, 이뤄질 수 있다. 그 뒤, 대안으로 제 1 재료는 캐스팅(casting), 전기 주조(galvanoplasty) 또는 물리적 또는 화학적 기체 증착에 의해 코팅될 수 있다.

바람직하게, 본 발명의 제 1 실시예에 대해 단계(13)와 단계(15)가 단일의 소성 변형 공정에서 수행된다. 바람직하게, 이에 따른 변형으로 인해 바와 튜브는 서로 고정될 수 있고, 섹션은 장래의 스프링의 섹션으로 감소될 수 있다. 바람직하게, 재료를 상당히 작은 치수로 변형시키기 위해 중간 어닐링 공정을 포함한 변형 공정은 냉간 및/또는 열간이다.

따라서, 모든 실시예에 대해 단계(15)는 와이어 와인딩 및/또는 드로잉 및/또는 단조 및/또는 라이네이팅 및/또는 엠보싱 공정을 포함할 수 있는 냉간 변형 공정을 포함한다. 게다가, 예를 들어 열간 변형이 고려될 수 있으며, 드로잉 및/또는 단조 및/또는 라미네이팅 및/또는 엠보싱 공정을 포함할 수 있다.

바람직하게, 단계(15) 이후 방법(1)은 스프링 섹션을 이의 최종 형태로 제공하기 위한 추가 단계(17)를 포함할 수 있다. 따라서, 단계(17)에서, 바디의 섹션은 예를 들어 직사각형 섹션과 같은 다각형 섹션으로 바뀔 수 있다. 바람직하게, 단계(17)는 상당히 선호되는 치수 공차를 얻기 위해 라미네이팅에 의해 수행된다.

방법(1)은 바디가 예를 들어 대략적으로 나선형의 형태와 같이 스프링을 형성하기 위해 감겨지는 단계(21)가 지속된다. 본 발명에 따라서, 방법(1)은 단계(21)로 종료될 수 있다. 그러나, 그 외의 다른 변형예가 가능하다.

따라서, 제 3의 선택적 단계(23)가 단계(21)에서 제조된 스프링의 외측 코일을 들어올리기 위해(raise) 단계(21) 이후 제공될 수 있다. 이러한 단계(23)는 Breguet 타입 오버 코일을 제조할 수 있다. 본 발명에 따라서, 방법(1)은 선택적 단계(23)로 종료될 수 있다.

그러나, 단계(21 또는 23) 이후, 방법(1)은 단계(31 및/또는 33)가 지속될 수 있다. 따라서, 이중 선으로 도 1에 도시된 바와 같이 단계(21, 23) 이후, 방법(1)은 스프링의 형태와 열탄성 계수를 조절하기 위하여 열처리를 수행하기 위한 단계(33)를 포함할 수 있다. 본 발명에 따라서, 방법(1)은 단계(33)에서 종료될 수 있다.

그럼에도 불구하고, 단계(33)는 도 1에서 단일의 선으로 도시된 바와 같이 단계(31)에 의해 대체되거나 또는 단계(31)가 선행될 수 있다. 단계(31)는 스프링이 제조된 후, 즉 단계(21 또는 23) 이후 스프링의 열탄성 계수를 조절하기 위해 바디로부터 물질을 제거하기 위한 단계이다. 예를 들어, 단계(31)는 머시닝 및/또는 화학적 식각 단계를 포함할 수 있다. 본 발명에 따라서, 방법(1)은 단계(31)에서 종료될 수 있으며 및/또는 단계(31)는 다음의 배치(batch) 상에서 제거되는 초과 두께를 결정하기 위해 이용될 수 있다.

물론, 본 발명은 도시된 실례에 제한되지 않지만 종래 기술의 당업자에게 자명한 다양한 개조물과 변형예가 구현될 수 있다. 따라서, 그 외의 다른 열간 및/또는 냉간 변형 단계가 고려될 수 있다.