バージ脱進機
初期の懐中時計のバージ脱進機とテンプ
1379年にパリでアンリ・ド・ヴィックによって建造されたド・ヴィック塔時計のバージとフォリオットの脱進機

ヴェルジ（または冠輪）脱進機は、機械式時計において歯車列を一定の間隔（ティック）で前進させることで速度を制御する機構である、最も古いタイプの機械式脱進機です。ヴェルジ脱進機は、13世紀後半から19世紀半ばまで、時計や懐中時計に使用されていました。ヴェルジという名称は、ラテン語で「棒」または「ロッド」を意味するvirgaに由来しています。 [ 1 ]

この発明は技術史において重要な意義を持ちます。なぜなら、これによって全機械式時計の開発が可能になったからです。これにより、水時計における液体の流れのような連続的なプロセスによる時間の計測から、振り子の振動のような反復的な振動プロセスによる時間の計測へと移行し、より正確な計測が可能になる可能性が高まりました。[ 2 ] [ 3 ] 振動式時計は、現代のすべての時計の時間を刻んでいます。[ 4 ] [ 2 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]

バージ時計とフォリオット時計

現存する最古の天文時計の図面の一つ[ 8 ]。ジョヴァンニ・デ・ドンディの天文時計「アストラリウム」（1364年イタリア、パドヴァ建造）に描かれている。この時計はフォリオットの代わりにテンプ（上部に王冠の形）を備えていた。脱進機はそのすぐ下にある。1364年の時計論文『アストラリウム論考』より。

バージ脱進機は13世紀ヨーロッパに遡り、その発明は初の全機械式時計の開発につながった。[ 3 ] [ 9 ] [ 10 ] 13世紀以降、ヨーロッパの町の広場、大聖堂、修道院に大きな塔時計が建てられた。これらの時計は、バージ脱進機を使って原始的なタイプのテンプであるフォリオットを駆動することで時を計っていた。[ 11 ] フォリオットは水平の棒で、その両端近くに重りがバージと呼ばれる垂直の棒に固定されており、バージは自由に回転するように吊り下げられていた。バージ脱進機により、フォリオットは垂直軸を中心に前後に振動した。[ 12 ]時計の速度は、フォリオット上で重りを内側または外側に動かすことで調整できた。

バージ脱進機は、数世紀前に登場したベルを鳴らす警報機構から進化したと考えられます。[ 13 ] [ 14 ]ヴィラール・ド・オヌクールが1237年にバージ脱進機を発明した という推測があり、その際に天使像を指で太陽を追う奇妙な機構の図を描いたとされていますが、[ 15 ] [ 16 ]これは脱進機ではなかったというのが一般的な見解です。[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]

13 世紀後半のある時期に、バージ脱進機の機構が塔時計に使用され、最初の機械式脱進機時計が作られたと考えられています。[ 11 ] これらの時計は当時、市民の誇りとして称賛され、文書にも記されていますが、新しい脱進機が最初に使用されたのはいつかはわからないかもしれません。[ 13 ]これは、わずかな文献から、これらの初期の塔時計のうちどれが機械式でどれが水時計であったかを区別することが困難であることが判明したためです。同じラテン語のhorologeが両方に使用されていました。[ 23 ] [ 11 ] オリジナルの機構はどれも変更されずに残っていません。どの写本証拠を決定的と考えるかによって、どの時計が最初の機械式として「知られている」かは情報源によって異なります。候補の1つは、1283年に建造されたイギリス、ベッドフォードシャーのダンスタブル修道院の時計である。記録によると、この時計はロッドスクリーンの上に設置されており、水時計に必要な水を補充するのが難しいためである。[ 24 ] [ 11 ] もう1つは、1335年にイタリア、ミラノのヴィスコンティ宮殿で建造された時計である。[ 25 ] 天文学者ロベルトゥス・アングリクスは1271年に、時計職人が脱進機を発明しようとしていたが、まだ成功していなかったと書いている。[ 26 ] [ 11 ] しかし、13世紀後半までには機械式時計が存在していたという点では一致している。[ 3 ] [ 23 ] [ 27 ]

ソールズベリー大聖堂の時計（1386年頃、イングランド、ソールズベリー）は、初期のバージ時計の姿をよく表しています。文字盤はなく、時を告げるために作られました。中世から現存する数少ないオリジナルのバージ時計機構は、いずれも大幅に改造されています。この時計も他の時計と同様に、オリジナルのバージとフォリオットが振り子に置き換えられた状態で発見されました。右の写真に示されている複製のバージとフォリオットは、1956年に追加されました。

脱進機に関する最も古い記述は、リチャード・オブ・ウォーリングフォードが1327年にセント・オールバンズ修道院で製作した時計について記した手稿『Tractatus Horologii Astronomici』である。これはバージではなく、「ストロボ」脱進機と呼ばれる変種である。[ 28 ] [ 29 ] これは、同じ軸に一対のガンギ車が配置され、交互に放射状の歯が並んでいた。[ 11 ] バージロッドはガンギ車とガンギ車の間に吊り下げられ、短い横木が交互に歯が通過するにつれて、まず一方向に回転し、次に逆方向に回転した。他の例は知られていないが、この設計が時計におけるより一般的なバージに先行していた可能性がある。[ 28 ]

機械式時計が登場してから最初の200年ほどは、バージとフォリオット、あるいはテンプが機械式時計の唯一の脱進機でした。16世紀には他の脱進機が登場し始めましたが、バージは17世紀半ばに機械工学の進歩により振り子、そして後にアンカー脱進機が採用されるまでの350年間、最も多く使われ続けました。 [ 30 ] 時計は貴重であったため、振り子の発明後、多くのバージ時計がより正確な計時技術を採用するように改造されました。そのため、初期のバージ時計とフォリオット時計が今日までそのまま残っているものはほとんどありません。

最初のバージ時計とフォリオット時計の精度がどの程度だったかは議論の余地があり、1日に1時間から2時間の誤差[ 31 ] [ 13 ] [ 2 ]と推定されていますが、この構造の時計を使用した現代の実験では、設計とメンテナンスに十分な注意を払えば、1日に数分の精度が達成可能であることが示されています。[ 32 ] [ 33 ]初期のバージ時計は、 それ以前の水時計よりも正確ではなかったと思われますが、 [ 16 ]貯水池に水を手動で汲む必要がなく、冬に凍結することもなく、革新のためのより有望な技術でした。17世紀半ば、振り子がフォリオットに取って代わったとき、最高のバージ時計とフォリオット時計は1日15分の精度を達成していました。

ヴァージ振り子時計

初期のバージ時計とフォリオット時計の大きな不正確さの大部分は、脱進機自体ではなく、フォリオット振動子に起因していました。1656年頃に時計に振り子が初めて使用されると、バージ時計の精度は1日あたり数時間から数分へと飛躍的に向上しました。多くの時計はフォリオットを振り子に交換して再建され、[ 34 ] [ 35 ] 、今日ではオリジナルのバージ時計とフォリオット時計を完全な状態で見つけることは困難です。1658年にひげゼンマイが導入されると、バージ時計の精度も同様に向上しました。

仕組み

バージ脱進機（c）冠車、（v）バージ、（p、q）パレット
動いているバージ脱進機
振り子時計の発明者、クリスティアーン・ホイヘンスが1673年に製作した2番目のバージ振り子時計。ホイヘンスは1日10秒の精度を主張した。振り子時計では、バージ脱進機が90度回転し、冠歯車が上（上）を向く。

バージ脱進機は、ガンギ車と呼ばれる王冠のような形をした車輪で構成され、鋸歯状の歯が軸方向に前方に突き出ており、軸は水平に向いています。[ 13 ] [ 36 ] その前にはバージと呼ばれる垂直の棒があり、2枚の金属板、パレットがあり、ガンギ車の歯と反対側で噛み合います。パレットは平行ではなく、間に角度をつけて配置されているため、一度に1枚だけが歯に噛み合います。バージの上部には慣性振動子、テンプ、または初期の時計ではフォリオット、つまり両端に重りが付いた水平の梁が取り付けられています。これが時計のタイムキーパーです。

時計の歯車が冠車を回転させる際(アニメーションを参照)、歯の 1 つがパレットに引っ掛かり、これを押 します。[ 13 ] これにより、バージとフォリオットが一方向に回転し、2 番目のパレットがホイールの反対側の歯の経路内に回転し、歯がパレットの端から滑り落ちて解放されます。次に、冠車が短い距離を自由に回転し、ホイールの反対側の歯が 2 番目のパレットに接触してこれを押すまで、これによりバージ ロッドとフォリオットの方向が逆転し、バージが反対方向に回転し、この歯が 2 番目のパレットを押し過ぎるまで、このサイクルが繰り返されます。その結果、ホイールの回転運動がバージとフォリオットの振動運動に変わります。したがって、テンプの各スイングでは、ガンギ車の歯が 1 つ通過し、時計の輪列が一定量進み、針が一定速度で前進します。テンプ、つまり棒状のテンプの慣性モーメントが振動速度を制御し、時計の歩度を決定します。ガンギ車の歯は、振動のたびにパレットに押し付けられ、摩擦によって棒状テンプが失ったエネルギーを補うための刺激を与え、軸受けテンプを前後に振動させます。

1656年に振り子が発明された後に登場したバージ振り子時計（写真参照）では、脱進機が90度回転してバージロッドが水平になり、ガンギ車の軸が垂直になり、バージロッドの下にありました。最初の振り子時計では、振り子はテンプやフォリオットではなく、バージロッドの端に取り付けられていました。後の振り子時計では、振り子は時計のフレームから金属リボンの短い真っ直ぐなバネで吊り下げられ、バージロッドの端に取り付けられた垂直のアームの先端は振り子ロッドを包み込むフォーク状になっていました。これにより、振り子を枢動バージロッドから直接吊り下げることで生じる摩擦が回避されました。振り子が振れるたびに、ガンギ車の歯が解放されました。

脱進機が機能するには、ガンギ車の歯の数が奇数でなければならない。[ 36 ] 偶数の場合、向かい合った2つの歯が同時にパレットに接触し、脱進機が動かなくなってしまう。パレット間の通常の角度は90°から105°であった。[ 13 ] [ 36 ]その結果、フォリオットまたは振り子の振りは約80°から100°になる。振り子の振りを小さくして等時性を高めるため、フランス人は115°以上の大きなパレット角度を使用した。[ 36 ] これにより振り子の振りは約50°に減り、反動も減少した（下図）。しかし、バージを冠車に非常に近づける必要があったため、歯がパレットの軸に非常に近い位置に落ち、初期のてこ作用が減少して摩擦が増加したため、振り子の軽量化が求められた。[ 36 ] [ 37 ]

デメリット

初期の発明から予想される通り、バージ脱進機は広く使用されている脱進機の中で最も精度が低い。次のような問題を抱えている。

  • バージ時計や置き時計は駆動力の変化に敏感で、主ゼンマイがほどけると動きが遅くなります。[ 36 ] これは等時性の欠如と呼ばれます。バージ時計やフォリオット時計ではひげゼンマイがないため、この問題はさらに深刻でしたが、すべてのバージムーブメントで問題となります。実際、初期のバージ時計の速度を調整する標準的な方法は、主ゼンマイの力を変えることでした。[ 38 ] この問題の原因は、冠歯車の歯が常にパレットを押して、振り子またはテンプをそのサイクル全体にわたって駆動しているため、計時要素が自由に振動することが決して許されないことです。[ 36 ] したがって、駆動力が減少すると、振り子またはテンプの前後の振動が遅くなります。すべてのバージ時計とゼンマイ駆動時計では、最低限の精度を実現するために、主ゼンマイの力を均等化するためのフュジーが必要でした。
  • 脱進機には「反動」があり、これはフォリオットまたは振り子の運動量が冠車を瞬間的に後方に押し戻し、時計の輪列が周期の一部で逆方向に動くことを意味します。[ 13 ] [ 36 ] これにより摩擦と摩耗が増加し、精度が低下します。アンティーク時計にバージ脱進機が搭載されているかどうかを確認する方法の1つは、秒針をよく観察することです。秒針が周期ごとに少しずつ逆方向に動いている場合、その時計はバージ脱進機です。ただし、時計の場合は必ずしもそうではなく、反動を示す振り子脱進機もいくつかあります。
  • 振り子時計では、バージに必要な 80° ～ 100° という広い振り子の振動角度により、円形誤差による等時性がさらに失われます。
  • 振り子の大きな振動は大きな空気摩擦も引き起こし、振り子の精度を低下させ、振り子を動かし続けるために大きな力が必要となり、摩耗を増加させます。[ 13 ] そのため、バージ振り子時計の錘は軽くなり、精度が低下しました。
  • バージ時計は、冠車とアンクルが摩耗するにつれて加速する傾向があります。これは特に18世紀半ば以降のバージ時計で顕著です。今日、これらの時計を作動させると、1日に何時間も進んだり、テンプがないかのように回転したりすることは珍しくありません。これは、新しい脱進機が発明されるにつれて、薄型の時計が流行したためです。バージ時計で薄型を実現するためには、冠車を非常に小さくする必要があり、摩耗の影響が大きくなります。
初期のバージ・フォリオット時計の現代版複製。尖った歯のバージホイールと、その上に吊り下げられた木製のフォリオットロッド、そして重りが見える。

衰退

バージ脱進機は400年間、ほぼすべての時計に使用されていました。17世紀半ばに振り子とひげゼンマイが導入され、精度が向上したことで、脱進機による誤差が注目されるようになりました。1820年代には、バージ脱進機はより優れた脱進機に取って代わられましたが、安価なバージ時計は19世紀を通して製造され続けました。

懐中時計では、精度の低さに加え、冠車の垂直配置とかさばるフュゼの必要性から、バージムーブメントは時代遅れの厚みを帯びていました。フランスの時計職人は、1695年に発明された薄型のシリンダー脱進機を採用しました。イギリスでは、高級時計は1782年に開発されたデュプレックス脱進機に移行しましたが、比較的安価なバージフュゼ時計は、レバー脱進機に取って代わられる19世紀半ばまで生産され続けました。[ 38 ] [ 39 ] これらの後期のバージ時計は、そのかさばる構造から、俗に「カブ」と呼ばれていました。

バージは振り子時計に短期間しか使われなかったが、その後、おそらくロバート・フックによって1660年頃に発明され、1680年以降広く使われるようになったアンカー脱進機に取って代わられた。 [ 40 ] バージの問題点は、振り子が80度から100度という広い弧を描いて振動する必要があることだった。 1674年、クリスティアーン・ホイヘンスは、広い弧を描いて振動する振り子は不正確な計時器であることを示した。なぜなら、振り子の振動周期は時計機構によって供給される駆動力の小さな変化に敏感だからである。[ 40 ]

バージ式脱進機は精度で知られているわけではないが、精度を出すことは可能である。ジョン・ハリソンが1759年と1770年に製作した最初の成功した海洋クロノメーターであるH4とH5は、ダイヤモンドパレットを備えたバージ脱進機を採用していた。[ 13 ] [ 38 ] [ 41 ]試験では、1日あたり5分の1秒以内の精度が得られた。[ 42 ]

現在、バージ機構はアンティーク時計やアンティークレプリカ時計にのみ見られます。多くのオリジナルのブラケットクロックは、ビクトリア朝時代のアンカー脱進機への改造が取り消され、オリジナルのバージ脱進機のスタイルが復元されています。時計職人はこれをバージ再改造と呼びます。

参照

参考文献

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さらに読む

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