アンカーエスケープメント
アンカーエスケープメントの動作を示すアニメーション
19世紀後半の時計のアンクルとガンギ車。通常はカナの先端を固定するプレートは、分かりやすくするために取り除かれています。振り子は裏板の裏側にあります。

時計学において、アンカー脱進機は振り子時計に用いられる脱進機の一種です。脱進機とは、機械式時計の機構の一つで、振り子を一振りごとにわずかに押すことで振り子の振りを維持し、時計の歯車を一振りごとに一定量進めて時計の針を前進させます。アンカー脱進機は、その主要部品の一つが船の錨に似た形をしていることから、このように呼ばれています。

アンカー脱進機は時計職人ウィリアム・クレメントによって発明された。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]彼は1680年頃にロングケース時計、あるいはグランドファーザークロックを発明し、このアンカー脱進機を普及させた。クレメントの発明は、1671年のロバート・フックの定力脱進機を大幅に改良したものだった。 [ 4 ]最も古いアンカー時計として知られているのは、オックスフォード大学ウォダム・カレッジに1670年に建てられた塔時計のウォダム・カレッジ・クロックで、おそらく時計職人ジョセフ・ニブによって作られたものと思われる。[ 5 ] [ 6 ] アンカーは、ほぼすべての振り子時計で使用される標準的な脱進機となった。

反動のないより正確な変種であるデッドビート脱進機は、1675年頃にリチャード・タウンリーによって発明され、1715年頃にイギリスの時計職人ジョージ・グラハムによって導入されました。これは徐々に通常のアンカー脱進機に取って代わり、現代のほとんどの振り子時計に使用されています。

仕組み

アンカー脱進機は2つの部分で構成されています。ガンギ車は鋸歯のような尖った歯を持つ垂直の車輪で、アンカーは船の錨のような形をしており、ガンギ車の真上にある支点を中心に前後に振動します。アンカーの2本の腕には、ガンギ車の歯が押し付ける曲面があり、パレットと呼ばれます。アンカーの中心軸は振り子によって押されるフォークに取り付けられているため、パレットがガンギ車の歯を両側で交互に挟んだり離したりしながら、アンカーが前後に振動します。

片方のパレットがガンギ車から離れるたびに歯が解放され、歯車が回転し、反対側の歯が、歯車に向かって動いているもう一方のパレットに引っ掛かります。振り子の運動量はもう一方のパレットを歯車に向かって動かし続け、ガンギ車をある程度後方に押し戻します。そして振り子が方向転換し、パレットが歯車から離れ始めると、歯が表面を滑ってガンギ車を押します。そして歯はパレットの端から滑り落ち、このサイクルが再び始まります。

アンカー脱進機もデッドビート機構（下図参照）も自動始動しません。振り子を振って初めて始動します。

振り子とアンクル脱進機。(a)振り子棒(b)振り子錘(c)速度調整ナット(d)サスペンションスプリング(e)松葉杖(f)フォーク(g)ガンギ車(h)アンクル

反動

サイクルの一部におけるガンギ車の後進運動（リコイル）は、アンクル脱進機の欠点の一つである。この運動は、時計が一針進むごとに輪列全体が駆動錘に向かって一時的に逆戻りすることになり、輪列の摩耗を増大させ、歯車の歯の過度な摩耗と不正確さを引き起こす。また、ガンギ車の歯先がパレット表面に食い込む原因にもなる。これを防ぐため、歯は回転方向とは反対方向、つまり後方に傾斜しており、パレット表面はわずかに凸状になっている。[ 7 ]

ガンギ車の歯が後方に傾斜しているもう一つの理由は、安全対策です。振り子を固定せずに時計を動かすと、振り子の制御不能な揺れによってアンクルパレットがガンギ車に激しく衝突する可能性があります。傾斜した歯は、アンクルパレットの平面が最初に歯の側面に当たるようにすることで、繊細な部分が破損するのを防ぎます。[ 7 ]

下図のデッドビート脱進機には反動がありません。アンティークの振り子時計がアンカー脱進機かデッドビート脱進機かを見分ける方法の一つは、秒針を観察することです。秒針が刻むたびにわずかに逆戻りし、反動が見られる場合、その時計はアンカー脱進機です。

松葉杖とフォーク

アンカーの軸（クラッチと呼ばれる）は、先端がフォーク状になっており、振り子の軸を包み込むことで横方向の力を与えます。振り子の軸は、アンカーのすぐ後ろにある頑丈な支持台に取り付けられた、短く直線状の吊りバネに吊り下げられています。アンカーの軸は、バネの屈曲点と一致しています。この配置により、振り子をアンカーから直接吊り下げるよりも、より安定した振り子の支持が得られます。

デザインの詳細

アンカーは形状の変化に非常に寛容であるため、その形は多種多様であった。[ 7 ] 19世紀後半の英国では、通常の設計[ 7 ]ではパレット間の角度は 90° であった。つまり、アンカーのピボットは、ガンギ車のピボットからガンギ車の半径の√ 2 ≈ 1.4 倍の距離に配置されていた。1秒に 1 回振れる振り子を持つおじいさんの時計では、ガンギ車は 30 枚の歯を備えていることが多く、これによってガンギ車は 1 分間に 1 回転し、秒針をガンギ車の軸に取り付けることができた。30 歯のガンギ車では、パレットは約 7.5 歯に渡る。振り子の振れを決定するパレットの衝撃角は 3～4° であった。

歴史

アンカーはヨーロッパで2番目に広く使用された脱進機であり、振り子時計に使われていた400年前の原始的なバージ脱進機に取って代わりました。バージ脱進機時計の振り子は、80°から100°と非常に大きく振れました。振り子時計を発明してから17年後の1673年、クリスティアーン・ホイヘンスは振り子の数学的分析である「Horologium Oscillatorium」を出版しました。その中で彼は、バージ時計の振り子の大きな振れが時計の不正確さの原因であることを示しました。振り子の振動周期は等時性ではなく、駆動力の不可避的な変化に伴って振り子の振れ幅が変化することで円誤差が生じ、わずかに変化するためです。小さな振り子の振れだけがほぼ等時性であるという認識が、時計職人が振れの小さい脱進機を設計する動機となりました。

アンカーの主な利点は、パレットを軸から遠くに配置することで、振り子の振りがバージ時計の約 100° から 4°～ 6° に減ることです。[ 8 ]等時性 による精度の向上に加えて、これにより時計はより長い振り子を使用できるようになりました。これにより「ビート」が遅くなります。空気抵抗が小さい (空気抵抗は速度の 2 乗で増加するため、振り子が高速になると抵抗も大幅に増加します) ということは、振り子が振動し続けるために必要な電力が少なくなり、時計のムーブメントの摩耗が少なくなります。また、アンカーにより、一定の駆動力に対してより重い振り子のおもりを使用できるようになり、振り子が脱進機からより独立 ( Qが増加) し、より正確になります。これらの長い振り子には、細長い時計ケースが必要でした。 1680年頃、イギリスの時計職人ウィリアム・クレメントが、アンカー脱進機を使用した最初の商用時計の販売を開始しました。これは、1メートル（39インチ）の秒針を持つ背の高い自立型時計で、細長い時計ケースに収められており、ロングケース時計または「グランドファーザー」時計と呼ばれるようになりました。[ 9 ]アンカーによって時計の精度が大幅に向上したため、1680年から1690年頃には、以前は時計では例外であった分針の使用が標準となりました。[ 10 ]

振り子時計では、約50年以内にバージ式脱進機がアンクル式脱進機に取って代わったが、フランスの時計職人は1800年頃までバージ式を使い続けた。多くのバージ式時計はアンクル式に改造された。18世紀には、より精度の高いデッドビート式の脱進機が精密レギュレーターのアンクル式脱進機に取って代わったが、家庭用振り子時計ではアンクル式が依然として主流であった。19世紀には、デッドビート式が徐々に高級時計の多くに普及したが、今日でも一部の振り子時計ではアンクル式が使用されている。[ 8 ]

塔時計は、アンクル脱進機が主流ではなかった数少ない振り子時計の一つです。風、雪、氷などの荷重にさらされる大きな外側の針が輪列に及ぼす変動する力は、重力脱進機によってより適切に処理されました。

デメリット

アンカー脱進機は信頼性が高く、構造上の大きな幾何学的誤差を許容しますが、その動作は古いバージ脱進機に似ており、バージ脱進機の 2 つの大きな欠点が残っています。

  • これは摩擦脱進機です。振り子はサイクル全体を通してガンギ車の歯によって常に押されており、自由に振動することは決してありません。そのため、時計の速度は駆動力の変化に敏感です。例えば、油の経年劣化による潤滑の変化や、時計の主ゼンマイの力の低下など、パレットにかかる力が少しでも変化すると、振り子の振動周期が変わってしまいます。主ゼンマイで駆動するアンカー脱進機時計には、主ゼンマイの力を均一にするためにフュゼが必要でした。
  • 前述の通り、これはリコイル脱進機です。振り子の運動量によってガンギ車がサイクルの一部で後方に押し戻されます。これによりムーブメントの摩耗が促進され、振り子に変動的な力が加わることで精度が低下します。

デッドビート脱進機

デッドビート脱進機。図: (a) ガンギ車、(b) 同心円状のロック面を示す赤い線が引かれたパレット、(c) クラッチ。

上記の2つの欠点は、アンカー脱進機の改良版である デッドビート脱進機またはグラハム脱進機の発明によって解消されました。これはしばしば、1715年頃にイギリスの時計職人ジョージ・グラハムが自身の精密調速時計に導入したと誤解されています。 [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]しかし、実際には1675年頃に天文学者リチャード・タウンリーによって発明され、グラハムの師であるトーマス・トンピオンがサー・ジョナス・ムーアのために製作した時計と、 1676年に新設されたグリニッジ天文台のために製作した2つの精密調速機に初めて使用されました。 [ 15 ]このことは、王立天文官ジョン・フラムスティードとタウンリーの間の書簡にも記されています。[ 16 ] [ 17 ]

アンカー脱進機のデッドビート型は、製造時の不正確さや動作中の摩耗に対する耐性が低く、当初は精密時計にのみ使用されていましたが、19世紀にはほとんどの高品質振り子時計に採用されるようになりました。今日製造されているほぼすべての振り子時計は、この方式を採用しています。

仕組み

デッドビート脱進機はパレットに対して2つの面を持つ。1つは「ロック面」、または「デッド面」で、アンカーの回転軸と同心の曲面を持つ。もう1つは傾斜した「インパルス面」である。 [ 8 ]ガンギ車の歯がデッド面の1つに接触しているとき、その力はアンカーの旋回軸を通るため、振り子にインパルスを与えず、振り子は自由に振動する。反対側のパレットがガンギ車を解放すると、歯が最初にこの「デッド面」に着地し、振り子が外側に振れて戻るほとんどの間、この面に接触したままになる。この間、ガンギ車は「ロック」され、回転できない。振り子の振動が底に近づくと、歯はデッド面からパレットの傾斜した「インパルス面」へと滑り落ち、ガンギ車が回転して振り子を押し出すことができるようになる。その後、歯はパレットから落ちる。ガンギ車の歯がデッドフェイス上で滑ることで振り子の振動に摩擦が加わるので、やはり摩擦静止脱進機ですが、反動力がないので反動脱進機よりも摩擦は少なくなります。

アンカーガンギ車の歯が後方に傾斜しているのとは対照的に、デッドビートガンギ車の歯は放射状または前方に傾斜しており、歯がパレットの「デッド」面に接触して反動を防ぐようになっています。[ 8 ]

エアリー条件

1700年代、時計職人たちは、精度を保つために振り子の振動を維持するための衝撃を加える最適な場所は、振り子が平衡位置を通過する際の底部であることを発見しました。振り子が底部に到達する前の下降中に衝撃を加えると、衝撃力によって振動周期が短縮される傾向があるため、駆動力が増加すると時計は進みます。振り子が底部に到達した後の上昇中に衝撃を加えると、衝撃力によって振動周期が増加する傾向があるため、駆動力が増加すると時計は遅れます。底部で衝撃を加えると、理論的には衝撃力の変化は周期に影響を与えないはずです。

1826年、イギリスの天文学者ジョージ・エアリーはこれを証明した。具体的には、底部の平衡位置を中心に対称な駆動力で駆動される振り子は、摩擦を無視すれば、異なる駆動力に対して等時性があり、デッドビート脱進機はこの条件を近似的に満たしていることを証明した。[ 18 ] [ 19 ]ガンギ車の歯がパレットの2つの面の間の角に正確に当たれば、この条件は完全に満たされるが、脱進機が確実に動作するためには、歯が角の上、つまり「デッド」面上に当たっていなければならない。[ 20 ]

アンカーとデッドビートの動きの比較

時計の誤差の主な原因は、脱進機に加わる駆動力の変化です。これは、歯車やパレットの摩擦の小さな変化、あるいはゼンマイの巻き戻しに伴う力の減少によって引き起こされます。駆動力の変化が歩度に影響を与えない脱進機は等時性脱進機と呼ばれます。デッドビート脱進機がリコイル脱進機よりも優れた性能を発揮するのは、等時性の向上によるものです。これは、2つの脱進機において、駆動力の変化が振り子の振れに及ぼす影響の仕方が異なるためです。[ 21 ]

  • アンカー脱進機では、駆動力が増加すると振り子の往復運動は速くなりますが、振り子の振幅、つまり振動の長さはそれほど増加しません。ガンギ車の歯がパレットに及ぼす反動サイクル中の力の増加は振り子の振動を減少させる傾向があり、一方、ガンギ車の歯が前進サイクル中の衝撃サイクル中の力の増加は振り子の振動を増加させる傾向があります。これらは互いに打ち消し合い、振動は変化しません。しかし、これらの効果はどちらも振動時間を短縮します。言い換えれば、力が増加すると、振り子は一定の弧を描いてより速く往復運動するようになります。
  • デッドビート脱進機では反動がなく、駆動力が増加すると振り子の振れ幅が大きくなり、振れ速度も速くなります。この追加距離を移動するのに要する時間は、振り子の速度増加分を正確に補うため、振れ周期は変化しません。しかし、振れ幅が大きくなると、円周誤差により周期がわずかに増加します。家庭用時計ではこの影響は無視できますが、デッドビート脱進機を搭載した高精度レギュレーター時計では、この影響が精度の限界となります。

デッドビートが発明された当初、時計職人たちは、力の変化が振り子の振幅に与える影響が大きいため、デッドビート脱進機はアンカー脱進機よりも等時性が劣ると考えていました。[ 21 ] 最近の分析では、アンカー脱進機の非等時性が振り子の円誤差を打ち消す可能性があることが指摘されています。つまり、アンカーの振幅が増加すると、円誤差によって振り子の周期がわずかに増加し、等時性による周期の減少を補うことができるのです。この効果により、研磨されたパレットを用いて慎重に調整されたアンカー脱進機は、デッドビートよりも精度が高くなる可能性があります。[ 22 ] これは少なくとも1つの現代の実験によって確認されています。[ 23 ] [ 24 ]

参照

参考文献

  1. ^リード、トーマス (1832). 『時計と腕時計製造に関する理論と実践の論文』フィラデルフィア、アメリカ合衆国: Carey & Lea. p.  184 .
  2. ^ベケット、エドマンド（グリムストープ卿）（1874年）『時計と腕時計とベルに関する初歩的論文集』第6版、ロンドン：ロックウッド社、71ページ。
  3. ^アッシャー、アボット・ペイソン (1988). 『機械的発明の歴史』 クーリエ・ドーバー. p. 313. ISBN 0-486-25593-X。
  4. ^インウッド、スティーブン (2003). 『忘れられた天才』 サンフランシスコ: マカダム/ケージ出版. p.  34. ISBN 978-1-931561-56-3. OCLC  53006741 .フックがアンカー脱進機を発明したというよく言われる主張は、ウィリアム・ダーハムの「人工時計職人」（1696年）に由来するもので、フックによるものではなく、現在では真実ではないとみなされています。
  5. ^チャップマン、アレン（2005年）『イングランドのレオナルド：ロバート・フックと17世紀の科学革命』CRCプレス、p.84、ISBN 0-7503-0987-3。
  6. ^メイシー、サミュエル・L.編 (1994). 『Encyclopedia of Time』 ニューヨーク: ガーランド出版. p.  125. ISBN 0815306156。
  7. ^ a b c dブリテン、フレデリック・J. (1896). 『時計職人のハンドブック』第9版. ロンドン: EF & N. Spon. pp.  8– 11.
  8. ^ a b c d Headrick, Michael (2002). 「アンカークロック脱進機の起源と進化」 . Control Systems Magazine . 22 (2). Inst. of Electrical and Electronic Engineers: 41. Bibcode : 2002ICSys..22b..41H . doi : 10.1109/37.993314 . 2004年9月14日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2007年6月6日閲覧。
  9. ^ムーア、N・ハドソン（1936年）『古い時計の本』チューダー社、40ページ。
  10. ^ミルハム 1945年、146ページ
  11. ^ミルハム 1945年、185ページ。
  12. ^グラスゴー 1885年、 297ページ。
  13. ^ペンデレル＝ブロッドハースト、ジェームズ・ジョージ・ジョセフ(1911)。「時計」 。ヒュー・チザム編著『ブリタニカ百科事典』第6巻（第11版）。ケンブリッジ大学出版局。536  ～ 553ページ、541ページと図8、9を参照。脱進機――アンカー脱進機とデッド脱進機
  14. ^ 「デッドビート・エスケープメント」。時計百科事典。オールド・アンド・ソルド・アンティークス・マーケットプレイス。2008年5月20日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2008年6月8日閲覧。
  15. ^ベッツ、ジョナサン著「レギュレーターズ」 、バッド、ロバート、ワーナー、デブラ・ジーン (1998) 『科学の機器：歴史百科事典』、テイラー＆フランシス、p. 121、ISBN 0-8153-1561-9。
  16. ^ジョン・フラムスティード;フォーブス、エリック。マーディン、レスリー (1995)。ロイヤル初代天文学者ジョン・フラムスティードの通信、Vol.1。 CRCプレス。ISBN 978-0-7503-0147-3。手紙229 フラムスティードからタウンリーへの手紙（1675年9月22日）、374ページ、および注釈11、375ページ。
  17. ^ Andrewes, WJH「時計と腕時計：精度への飛躍」 Macey , Samuel (1994). Encyclopedia of Time . Taylor & Francis. p. 126. ISBN 0-8153-0615-6。ここでは 12 月 11 日の手紙が引用されているが、彼が言及していたのは前述の 9 月 22 日の手紙のことかもしれない。
  18. ^エアリー、ジョージ・ビドル（1826年11月26日）「振り子と天秤の乱れと脱進機の理論について」ケンブリッジ哲学協会紀要第3巻（第1部）大学出版局：105ページ。 2008年4月25日閲覧。
  19. ^ベケット 1874年、 75～79ページ。
  20. ^ベケット 1874年、 75ページ。
  21. ^ a bグラスゴー、デイヴィッド（1885年）『時計と時計製造』ロンドン：カッセル社、  293ページ。
  22. ^ローリングス、アーサー・ライオネル (1993). 『時計と腕時計の科学』第3版. アプトン、イギリス: 英国時計協会. ISBN 0-9509621-3-9。108ページ
  23. ^「振り子と脱進機の等時性組み合わせによるシンプルなレギュレーター」Bernard Tekippe、NAWCC Watch & Clock Bulletin、2010 年 4 月、131 - 138 ページ。
  24. ^ 「シンプルなレギュレーター」（PDF） . NAWCCニュース. アトランタ：全米時計収集家協会：2009年10月1日.オリジナル（PDF）から2014年5月23日時点のアーカイブ。 2014年5月22日閲覧。
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