機械式時計
ロシア製時計の手巻きムーブメント

機械式時計は、圧電性の石英音叉の振動モードを使用して機能するクオーツ時計とは対照的に、時計仕掛けのメカニズムを使用して時間の経過を測定する時計です。機械式時計は、 定期的に手動で、または自動巻き機構を使用して巻き上げる必要がある主ゼンマイで駆動されます。その力は一連の歯車を介して伝達され、一定の速度で前後に振動する重り付きのホイールであるテンプに動力を与えます。脱進機と呼ばれる装置により、テンプが一回転するたびに時計のホイールが少しずつ前進し、時計の針が一定の速度で進みます。この脱進機により、作動中の機械式時計で聞こえる「カチカチ」という音が出ます。機械式時計は、15世紀に登場したゼンマイ駆動の時計から17世紀のヨーロッパで発展しました。

機械式時計は一般的にクオーツ時計ほど正確ではなく、[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]、熟練した時計職人による定期的な清掃、注油、調整が必要になります。[ 3 ] 1970 年代から 1980 年代にかけてのクオーツショック の結果、クオーツ時計が時計市場の大部分を占めるようになり、機械式時計（特にスイス製の時計）は現在では主に高級品として販売されており、美的価値や高級感、優れた職人技への評価、[ 2 ]またはステータスシンボルとして購入されています。[ 2 ]

部品

分解された機械式腕時計
ストップウォッチ機能付きクロノグラフウォッチ

文字盤と針を除いた時計の内部機構はムーブメントと呼ばれます。すべての機械式時計は以下の5つの部品で構成されています。

  • ゼンマイ[ 4 ]は時計を動かすための機械的エネルギーを蓄える。
  • 輪列[ 5 ]と呼ばれる歯車列は、ゼンマイの力をテンプに伝達する機能と、テンプの振幅を加算して秒、分、時間の単位を得る機能の2つの機能を持っています。歯車列の別の部品であるキーレスワークは、ユーザーがゼンマイを巻き上げ、針を動かして時刻を設定することを可能にします。
  • テンプは前後に振動します。これは時計の計時要素です。その計時精度は、テンプが調和振動子であるため、その振動周期が非常に一定であり、テンプの慣性とテンプのバネ性に依存しています。
  • 脱進機機構は、テンプを一振りごとに押し出すことで振動を維持し、同時に時計の歯車を一振りごとに一定量だけ進める、つまり「逃がす」という二重の機能を備えています。この脱進機によって歯車列が周期的に停止することで、機械式時計の「カチカチ」という音が生まれます。
  • 人間が判読できる形式で時間を表示する、通常は回転する針が付いた伝統的な時計の文字盤です。

基本的な計時機能に加えて、時計に付加される機能は伝統的にコンプリケーションと呼ばれます。機械式時計には、以下のようなコンプリケーションが搭載されている場合があります。

  • 自動巻きまたはセルフ巻き- 時計を巻く必要性をなくすために、この装置は回転錘機構により手首の自然な動きを利用して時計のゼンマイを自動的に巻き上げます。
  • カレンダー— 日付に加え、多くの場合、曜日、月、年を表示します。シンプルなカレンダーウォッチは月の長さの違いを考慮していないため、ユーザーは年に5回日付をリセットする必要がありますが、パーペチュアルカレンダーウォッチはこれを考慮し、さらに閏年も考慮します。[ 6 ]アニュアルカレンダーは閏年調整を行わず、2月を30日とみなします。そのため、日付が誤って2月29日または30日と表示される場合は、毎年3月1日に日付をリセットする必要があります。
  • アラーム— 指定した時間に鳴るように設定できるベルまたはブザー。
  • クロノグラフ—ストップウォッチ機能を追加した時計。ケースのボタンで秒針をスタート・ストップし、ゼロにリセットします。通常、複数のサブダイヤルで経過時間を大きな単位で表示します。
  • ハッキング機能 - ミリタリーウォッチに搭載されている機能で、時計の時刻合わせ中に秒針を停止させる仕組みです。これにより、時計を正確な秒に同期させることができます。現在では多くの時計に搭載されている非常に一般的な機能です。
  • ムーンフェイズ ダイヤル- 回転するディスク上の月面で月の満ち欠けを表示します。
  • 巻き上げインジケーターまたはパワー リザーブ インジケーター— 主に自動巻き腕時計に搭載されており、メインスプリングに残っているパワーを、通常は残りの稼働時間で表示するサブダイヤルです。
  • リピーター— ボタンを押すだけで時刻を音で知らせる時計。この珍しい複雑機構は、もともと人工照明が普及する以前、暗闇の中で時刻を確認するために使われていました。現在では、こうした複雑な機構は、極めて高価な高級時計にのみ見られる珍しい機能となっています。
  • トゥールビヨン— この高価な機構は、もともと時計の精度を高めるために設計されましたが、今日では時計製造の技巧を体現するものとしてしか見なされていません。 [ 7 ] 通常の時計では、テンプは重力の影響により、時計の姿勢によって振動速度が異なり、精度の低下を引き起こします。トゥールビヨンでは、テンプは回転ケージに取り付けられているため、どの姿勢でも均等に振動します。この機構は通常、文字盤に露出しており、その美しさが際立っています。FHH（高級時計財団）の定義は、「時、分、秒の表示以外の機能。手巻き式か自動巻き式か、機械式か電子式か、ムーブメントの高さは問わない。トゥールビヨンは、この定義に該当しない場合でも複雑機構とみなされる」です。トゥールビヨンの機能は、追加情報を提供することではなく、計時精度をさらに向上させることです。これは、時計の動作に本質的に必要ではない調整装置です。 [ 8 ]

機構

懐中時計の断面図（部品ラベル付き）

機械式時計は成熟した技術であり、ほとんどの一般的な時計のムーブメントは同じ部品で構成され、同じように動作します。[ 9 ]

ゼンマイと動力機構

時計の仕組み（1949年の教育映画）

時計を動かす主ゼンマイは、ばね鋼の螺旋状のリボンで、円筒形の香箱の中に納まっており、主ゼンマイの外側の端は香箱に取り付けられています。主ゼンマイの力で香箱が回転します。香箱の外側には歯車が付いており、この歯車が中心の車を1 時間に 1 回回転させます。中心の車には文字盤を貫通する軸が付いています。文字盤側では、キャノンピニオンが摩擦嵌め合いで取り付けられており (針を設定するときにスライドできます)、分針はキャノン ピニオンに取り付けられています。キャノン ピニオンは、モーション ワークと呼ばれる 12:1 の小さな減速ギアを駆動し、分針が 12 回転するごとに時車と針を 1 回回転させます。

同じ振動数の場合、機械式時計の動作時間、ランタイム、またはパワーリザーブの持続時間は、主に使用されているメインスプリングのサイズが問題であり、これは言い換えると、必要な電力と利用できるスペースが問題になります。ムーブメントが汚れていたり摩耗していると、メインスプリングから脱進機に電力が効率的に伝達されない可能性があります。サービスを受けることで、低下した動作時間を回復することができます。ほとんどの機械式時計のムーブメントの動作時間は 36 時間から 72 時間です。一部の機械式時計のムーブメントは 1 週間動作できます。機械式ムーブメントの正確な動作時間は、式[ 10 ]で計算されます。 ここで、 はバレルの歯の数、はセンターピニオンの葉の数、はバレルの回転数、はセンターピニオンの回転数、つまり動作時間です。 n2＝n1⋅z1z2{\displaystyle n_{2}={\frac {n_{1}\cdot z_{1}}{z_{2}}}}z1{\displaystyle z_{1}}z2{\displaystyle z_{2}}n1{\displaystyle n_{1}}n2{\displaystyle n_{2}}

輪列

二番車は三番車のピニオンを駆動し、三番車は四番車のピニオンを駆動します。秒針が通常6時位置の上にある補助秒針付き時計では、四番車は1分間に1回転するようにギアが調整されており、秒針はこの車の軸に直接取り付けられています

アニメーション化された時計のムーブメント。この図では、分かりやすくするために、実際の時計のように同心円状に配置されておらず、時計の歯車が一列に並んでおり、テンプは左側、針は別の歯車に取り付けられています。
1880年代のクロノグラフ懐中時計のムーブメント

脱進機

四番車は、レバー脱進機のガンギ車も駆動します。ガンギ車の歯は、アンクルレバーのアームにあるパレットと呼ばれる 2 つのフィンガに交互に噛み合い、アンクルレバーは前後に揺れます。レバーのもう一方の端にはフォークがあり、テンプの軸にある直立したインパルスピンとかみ合います。テンプが中心位置を通過するたびに、レバーのロックが解除され、ガンギ車の歯が 1 つ解放されます。これにより、時計の歯車が一定量進み、針が前進します。ガンギ車が回転すると、その歯がレバーを押し、これがテンプを短時間押して、テンプを前後に振り続けます。

テンプ

テンプは時計の時間を刻みます。テンプは、前後に回転する重り付きのホイールで構成されており、細い螺旋状のバネ、テンプスプリング、または「ヘアスプリング」によって中心位置に戻ります。ホイールとバネは一緒に調和振動子を構成します。テンプの質量とバネの剛性が組み合わさることで、ホイールの各振動、つまり「ビート」の周期を正確に制御します。テンプの振動周期T（秒）、つまり1サイクル（2ビート）に必要な時間は、

T＝2π私κ{\displaystyle T=2\pi {\sqrt {\frac {I}{\kappa }}}\,}

ここで、 はホイールの慣性モーメント（キログラムメートル2単位） 、はテンプの硬さ（バネ定数）（ニュートンメートル/ラジアン単位）です。ほとんどの腕時計のテンプは、1 秒あたり 5、6、8、または 10 振動で振動します。これは、それぞれ 2.5、3、4、および 5 Hz、または 1 時間あたり 18,000、21,600、28,800、および 36,000 振動（BPH）に相当します。ほとんどの腕時計では、テンプに調整レバーが付いており、これを使って時計の歩度を調整します。この調整レバーには、バネの最後の回転を取り囲む 2 本のカーブ ピンがあり、ピンの後ろの部分を固定しているので、カーブ ピンの位置によってバネの長さが決まります。調整レバーを動かすと、カーブ ピンがバネの上または下にスライドして、バネの有効長さが制御されます。ピンをバネの上へスライドさせてバネの長さを短くすると、バネは硬くなり、上記の式の値が増加してホイールの周期が短くなり、前後に振動する速度が速まり、時計の速度が速くなります。 私{\displaystyle I\,}κ{\displaystyle \kappa\,}κ{\displaystyle \kappa\,}T{\displaystyle T\,}

キーレス

リューズを回すと、キーレス ワークと呼ばれる別の歯車セットによって主ゼンマイが巻き上げられ、リューズを少し引き出すと、針を回して時計を設定できるようになります。リューズに取り付けられたステムには、クラッチまたはキャッスルホイールと呼ばれる歯車があり、両端から軸方向に突出する 2 つの歯のリングがあります。ステムが押し込まれると、外側の歯が主ゼンマイ香箱の上にあるラチェットホイールを回転させ、これにより主ゼンマイの内側の端が取り付けられているシャフトが回転して、主ゼンマイがシャフトにしっかりと巻き上げられます。バネ仕掛けの爪またはクリックがラチェットの歯に押し付けられて、主ゼンマイが巻き戻るのを防ぎます。ステムを引き出すと、キャッスル ホイールの内側の歯が歯車とかみ合い、分の車を回転させます。リューズを回すと、キャノン ピニオンの摩擦カップリングによって針が回転します。

センターセコンド

秒針が分針と時針と同軸、つまり文字盤の中央で回転する場合、この配置は「センターセコンド」または「スイープセコンド」と呼ばれます。これは、秒針が文字盤の分目盛りを一周するためです

当初、センター秒針は三番車から駆動され、時には中間車を介して駆動され、歯車は天板の外側に配置されていました。この秒針駆動方式は間接センター秒針と呼ばれます。歯車が天板の外側にあるため、ムーブメントの厚みが増し、また、秒針を1分間に1回転させるために三番車の回転を歯車で調整する必要があったため、秒針は羽ばたきのような動きをしていました。[ 11 ]

1948年、ゼニスは歯車列の設計を見直した時計を発表しました。四番車がムーブメントの中心に配置され、センターセコンド針を直接駆動できるようになりました。以前はムーブメントの中心にあった分車は中心からずらされ、分針を間接的に駆動するようになりました。間接歯車機構による振動は、分針の比較的ゆっくりとした動きによって隠されます。この再設計により、すべての歯車列がプレート間に収まり、ムーブメントの薄型化が実現しました。[ 12 ]

時計の宝石

テンプの軸受けに使用される宝石軸受けとキャップストーン
通常の「穴付き宝石」軸受け

宝石軸受は、摩擦を減らすため、ニコラ・ファティオ（またはファシオ）・ド・デュイリエとピエールおよびジャコブ・ドボーフルによって1702年頃に発明され、時計に導入されました[ 13 ] [ 14 ]。これらは19世紀中ごろまで広く使用されることはありませんでした。20世紀までは、天然宝石の小片から削り出されていました。時計にはガーネット、クォーツ、さらにはガラスの宝石が使われることが多く、最高品質の時計だけがサファイアまたはルビーを使用していました。[ 13 ] 1902年に、人工サファイア結晶を成長させるプロセスが発明され、宝石がはるかに安価になりました。現代の時計の宝石はすべて合成サファイアまたは（通常は）ルビーで、最も硬い物質の1つであるコランダム（Al 2 O 3）でできています。サファイアとルビーの唯一の違いは、色を変えるためにさまざまな不純物が加えられていることです。軸受としての特性に違いはありません。[ 15 ] 宝石を使用する利点は、その超硬質で滑らかな表面が金属との摩擦係数が低いことです。鋼と鋼の静摩擦係数は0.58ですが、サファイアと鋼の静摩擦係数は0.10～0.15です。 [ 16 ]

目的

宝石は時計において2つの役割を果たします。[ 17 ] まず、摩擦の低減により精度が向上します。輪列のベアリングと脱進機の摩擦により、テンプに加わる衝撃にわずかな変動が生じ、計時の速度に変動が生じます。宝石表面の摩擦が低く予測可能であるため、これらの変動が軽減されます。次に、宝石はベアリングの寿命を延ばします。宝石が使用されていないベアリングでは、時計の歯車の軸はムーブメントを支えるプレートの穴の中で回転します。駆動歯車によって加えられる横方向の力により、穴の片側に圧力と摩擦が生じます。一部の歯車では、回転軸が穴を摩耗させて楕円形になり、最終的に歯車が詰まり、時計が停止することがあります

種類

脱進機では、滑り摩擦によって動作する部品に宝石が使用されています。[ 17 ]

  • アンクル -レバー上の角度のついた長方形の面。ガンギ車の歯によって押し付けられます。時計のムーブメントにおける主な摩擦源であり、宝石が最初に取り付けられた箇所の一つです。
  • インパルスピン - テンプスタッフ上のディスクの中心からずれたピンで、レバーフォークによって押されてテンプホイールを動かし続けます。

ベアリングには 2 つの異なるタイプが使用されています。

  • ホールジュエル - ほとんどのホイールのアーバー (シャフト) をサポートするために使用されるドーナツ型のスリーブ ベアリングです。
  • キャップストーンまたはキャップジュエル - 歯車の軸が垂直位置にあるとき、軸の肩部が穴石の側面に接触し、摩擦が増加します。これにより、時計の歩度が姿勢によって変化します。そのため、テンプの軸受けのように摩擦が重要な軸受では、軸の両端に平らなキャップストーンが追加されます。軸が垂直位置にあるとき、軸の丸い端部がキャップストーンの表面に接触し、摩擦を低減します。

使用される場所

時計に宝石が使われている場所[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]
7 石レバーウォッチ - 以下の宝石が付いています:
  • インパルスピン1本
  • パレット2枚
  • バランススタッフベアリング2個
  • バランススタッフキャップストーン2個
11 石の時計 - 追加:
  • レバーベアリング2個
  • ガンギ車ベアリング2個
15石時計 - 追加：
  • 4輪ベアリング2個
  • 2つの第3ホイールベアリング
17 石の時計 - 追加:
  • センターホイールベアリング2個
21 石の時計 - 追加:
  • レバーキャップストーン2個
  • ガンギ車キャップストーン2個
23石時計 - 追加：
  • 2つのメインスプリングバレルベアリング
自動巻き時計は4以上追加

巻き上げ機構では合計25～27

時計のムーブメントに使用される宝石の数は、宝石がより安価になり、時計の精度が向上するにつれて、過去 150 年間で増加しました。時計で本当に宝石を付ける必要があるのは、動力伝達装置 (主ゼンマイの香箱からテンプに力を伝達する歯車列) の軸受だけです。なぜなら、常に主ゼンマイから力がかかっているのはこの軸受だけだからです。[ 21 ]針を回すホイール (動力伝達装置) とカレンダー ホイールには負荷がかからず、主ゼンマイを巻き上げるホイール (鍵不要装置) はほとんど使用されないため、大きく摩耗しません。摩擦は最も速く動くホイールに最も大きく影響するため、宝石を付けることによって最も恩恵を受けます。そのため、時計で最初に宝石が付けられた機構はテンプの軸受けで、次に脱進機が続きました。宝石が付いた軸受が増えるにつれて、より低速で動くホイールにも適用され、動力伝達装置から香箱に向かって宝石が付けられるようになりました。 17石時計は、テンプからセンターホイールのピボットベアリングまですべての軸受けに宝石が使用されているため、「フルジュエル」時計とみなされていました。[ 18 ]高級時計では、位置誤差を最小限に抑えるために、アンクルとガンギ車の軸受けにキャップストーンが追加され、合計21石になりました。主ゼンマイの軸にも宝石が使用されることがあり、合計23石になりました。1950年代に自動巻き時計が導入されると、自動巻き機構の複数のホイールに宝石が使用され、宝石の数は25～27に増加しました。

「宝石インフレ」

上記の宝石に加えて時計に宝石を追加することが本当に有益であるかどうかは疑問です。[ 22 ]テンプに影響を与える唯一の歯車、つまり輪列の歯車はすでに宝石で覆われているため、精度は向上しません。 最も正確な携帯用時計であるマリンクロノメーターは、7石しかないことがよくあります。また、追加のホイールベアリングに宝石を付けても、ムーブメントの耐用年数は延びません。前述のように、他のほとんどのホイールは、宝石を必要とするほど摩耗しません

しかし、20世紀初頭には時計のムーブメントは標準化され、職人技の質を除けば、機構の違いはほとんどなくなりました。そのため、時計メーカーは、高品質な時計を区別する数少ない指標の一つである石の数を主要な宣伝文句とし、時計の文字盤に大きく表示しました。消費者は、他に頼るものがほとんどなく、石の数が多いほど時計の品質が高いと認識するようになりました。当初はこれは品質の良い指標でしたが、メーカーは石の数を増やす動機を持つようになりました。

1960年代頃、この「宝石ブーム」は新たな高みに達し、メーカーは41石、53石、75石、さらには100石の時計を製造しました。[ 21 ] [ 22 ]これらの追加石のほとんどは全く機能的ではなく、可動部品と接触することはなく、単に石数を増やすためだけに搭載されていました。例えば、ウォルサムの100石時計は、通常の17石ムーブメントに、自動巻きローターの周囲に83個の小さなルビーが取り付けられていました。[ 23 ]

1974年、国際標準化機構（ISO）はスイスの時計業界の標準化団体であるNormes de l'Industrie Horlogère Suisse （NIHS）と共同で規格ISO 1112を発行し、メーカーが広告や販売資料の石数にそのような機能しない石を含めることを禁止した。これにより、全く機能しない石の使用はなくなった。しかし、専門家によると、メーカーは「アップジュエリング」、つまりISO 1112の抜け穴を利用して、実際には必要のない機能的な宝石ベアリングをホイールに追加することで、時計の石数を水増しし続けているという。[ 22 ]例として、第3および第4のホイールベアリングにキャップストーンを追加すること、分ホイールベアリングに宝石を追加すること、自動巻きラチェット爪が挙げられます。これらの追加はどれも、時計の精度や寿命を向上させるものではないと言えるでしょう。

ワールドタイム

高級機械式時計の中には、都市ベゼルと時間ベゼルを備えたワールドタイム機能を備えたものがあります。時間ベゼルは都市の相対的なタイムゾーンに応じて回転します

都市ベゼルには通常、GMT/UTCから始まる 27 都市 (24 の主要なタイムゾーンに対応) が表示されます。

歴史

ペーター・ヘンラインは、1510年に最初の懐中時計「ニュルンベルクの卵」を発明した人物としてよく知られていますが、この主張は19世紀の発明であるようで、古い資料には見当たりません。[ 24 ]

1970年代のクォーツ革命まで、すべての時計は機械式でした。初期の時計は非常に不正確で、良質の時計でも1日に15分もの誤差が生じることがありました。1日に数秒という現代的な精度は、1760年にジョン・ハリソンが海洋クロノメーターを開発するまで、どの時計も達成されていませんでした。1854年にウォルサム・ウォッチ・カンパニーがムーブメント製造工程を工業化することで、さらなる精度向上が可能になりました。同社は1876年のフィラデルフィア百年祭博覧会で、その製造品質が認められ金メダルを受賞しました。[ 25 ]

機械式時計は主ゼンマイによって駆動されます。現代の機械式時計は平均して1マイクロワット程度の電力を必要とします [ 26 ]。主ゼンマイの動力源は不均一であるため（ゼンマイがほどけるとトルクが徐々に減少します）、16世紀初頭から19世紀初頭にかけての時計には、ゼンマイの巻き上げ全体にわたってトルク出力を調節するチェーン駆動のフュゼが備えられていました。しかしながら、フュゼは非常に脆く、壊れやすく、多くの問題の原因となりました。特に、メンテナンス不足によりフュゼチェーンが緩んだり速度を失ったりすると、計時精度が低下しました[ 27 ] 。

時計をその時間の源であるひげゼンマイからより分離する新しい種類の脱進機が開発されるにつれて、時計はフュゼなしでも正確さを保つことができるようになりました。[ 28 ]

18世紀には、フュゼを必要とするオリジナルのバージ脱進機は、フランスの高級腕時計ではシリンダー脱進機に、イギリスの腕時計ではデュプレックス脱進機に徐々に置き換えられていった。19世紀には、どちらもレバー脱進機に取って代わられ、それ以来ほぼ独占的に使用されている。[ 29 ] レバー脱進機の安価なバージョンであるピンレバー脱進機は、1867年にジョルジュ・フレデリック・ロスコフによって特許を取得し、1970年代まで安価な腕時計に使用されていた。

1970年代、手巻きの機械式時計の人気が衰え、支持されなくなったため、時計デザイナーと時計産業は自動巻き時計を生み出しました。機械巻き時計はペンダントやレバー式巻き上げ機構で巻き上げなければなりませんが、自動巻き時計はペンダントで巻き上げる必要がなく、時計を回転させるだけで自動的に巻き上げられます。自動巻き時計の内部には、時計を水平に振ると軸を中心に回転する金属または真鍮製の「プレート」が内蔵されています。[ 30 ]

関連項目

参考文献

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さらに詳しい情報

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