(57)【要約】【課題】カーボンナノチューブを用いるゼンマイ材料およびゼンマイ製造方法を確立でき、動力源として用いられるヒゲゼンマイ、およびこれを備える調速装置並びに機器において、信頼性向上、小型化、および製造容易化を図ること。【解決手段】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ヒゲゼンマイを構成する。このゼンマイ複合材により、引張強度大で低ヤング率を実現でき、小型化を図りつつ調速精度が高いヒゲゼンマイを提供できる。また、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媒質に均一に分散させ、押出成形などで成形することにより、均一な品質のヒゲゼンマイを容易に製造できる。【選択図】図８
2008116205.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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
ことを特徴とするゼンマイ。
【請求項２】
請求項１に記載のゼンマイにおいて、
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。
【請求項３】
請求項１または２に記載のゼンマイにおいて、
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。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載のゼンマイにおいて、
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。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載のゼンマイと、
前記ゼンマイにより付勢されるテンプとを備える
ことを特徴とする調速装置。
【請求項６】
請求項５に記載の調速装置と、
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
ことを特徴とする機器。
【請求項７】
請求項６に記載の機器は、
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
ことを特徴とする機器。
【請求項８】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−１３１３６号公報
【特許文献２】特許３４９８３１５号公報
【特許文献３】特開２００２−３４１０５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【表１】
2008116205.tif 000003
【０００５】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
［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。
【０００９】
［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。
【００１０】
［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。
【００１１】
［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。
【００１２】
［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。
【００１３】
［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。
【００１４】
［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。
【００１５】
［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。
【００１６】
［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。
【００１７】
［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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【発明の効果】
【００２７】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
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。
【００２９】
［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。
【００３０】
［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。
【００３１】
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。
【００３２】
［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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
［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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
［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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
〔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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
〔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。
【００４５】
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。
【００４６】
〔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。
【００４７】
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。
【００４８】
【数１】
2008116205.tif 000004
【００４９】
［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％
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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
【００５３】
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。
【００５４】
［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。
【００５５】
〔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。。
【００５６】
〔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。
【００５７】
〔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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
【表２】
2008116205.tif 000005
【００６２】
［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。
【００６３】
（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。
【００６４】
（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。
【００６５】
（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。
【００６６】
（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。
【００６７】
（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。
【００６８】
（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。
【００６９】
（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。
【００７０】
（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。
【００７１】
（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。
【００７２】
（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。
【００７３】
（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。
【００７４】
（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。
【００７５】
（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。
【００７６】
（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。
【００７７】
（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。
【００７８】
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。
【００７９】
〔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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明の実施形態である機械式時計における駆動装置（香箱）を示す断面図。
【図２】前記機械式時計の脱進装置および調速装置を示す断面図。
【図３】前記機械式時計の調速装置を示す平面図。
【図４】前記機械式時計の調速装置を示す断面図。
【図５】ゼンマイの巻数と出力トルクとの関係を表すグラフ。
【図６】ゼンマイ材料設計の考え方を説明するための模式図。
【図７】本発明のヤング率と引張強度との関係を示すグラフ。
【図８】前述の実施形態におけるゼンマイの製造工程を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００８３】
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。
【図１】
2008116205.tif 000006
【図２】
2008116205.tif 000007
【図３】
2008116205.tif 000008
【図４】
2008116205.tif 000009
【図５】
2008116205.tif 000010
【図６】
2008116205.tif 000011
【図７】
2008116205.tif 000012
【図８】
2008116205.tif 000013