クロック
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18世紀頃に作られたアナログ振り子時計

時計またはクロノメーターは、時間を計測し表示する装置です。[ 1 ]時計は人類が発明した最も古い発明の一つであり、日、太陰月、年といった自然単位よりも短い時間間隔を計測する必要性に応えてきました。様々な物理的プロセスに基づいて動作する装置は、数千年にわたって使用されてきました。

現代の時計の前身となるものの中には、自然界の動きに基づいた「時計」と言えるものがいくつかあります。日時計は、平らな面に影の位置を表示することで時刻を示します。様々な持続時間計があり、よく知られている例としては砂時計があります。水時計は日時計と並んで、おそらく最も古い時間測定器です。大きな進歩は、バージ脱進機の発明によってもたらされました。これにより、1300年頃にヨーロッパで最初の機械式時計が誕生しました。この機械式時計は、テンプのような振動式時計で時間を計りました。[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]

伝統的に、時計学(計時学)では、 clockという用語は打鐘式の時計に使用され、音を立てて時間を知らせない時計はtimepieceと呼ばれていました。この区別は、現在では一般的には行われません。腕時計や携帯できるその他の時計は通常、 clock とは呼ばれません。[ 6 ]ゼンマイ駆動の時計は 15 世紀に登場しました。15 世紀から 16 世紀にかけて、時計製造が栄えました。精度における次の進歩は、1656 年以降、クリスティアーン・ホイヘンスによる振り子時計の発明によって起こりました。時計の精度と信頼性を改善する主なきっかけとなったのは、航海における正確な時間管理の重要性でした。一連の歯車がゼンマイや重りで駆動される時計の機構はclockworkと呼ばれ、この用語は時計には使われていない同様の機構を指す場合に拡張して使用されます。電気時計は1840年に特許を取得し、電子時計は20世紀に導入され、小型の電池駆動の半導体装置の開発とともに普及しました。

現代の時計の計時要素は調和振動子、つまり特定の周波数で振動する物体（共振器）です。 [ 3 ] この物体には振り子、テンプ、音叉、水晶、または原子内の電子がマイクロ波を放出する際の振動などがあります。マイクロ波は非常に正確であるため、 1秒の正式な定義として機能します。

カシオ F-91Wデジタル腕時計、1989年に発売された歴史的に人気のある腕時計

時計には様々な表示方法があります。アナログ時計は、伝統的な文字盤と針の動きで時間を表示します。デジタル時計は、時間を数字で表示します。12時間制と24時間制の2種類の表記法が用いられています。ほとんどのデジタル時計は、電子的な機構とLCD、LED、またはVFDディスプレイを採用しています。視覚障碍者用や電話用として、音声時計は音声で時刻を知らせます。また、触覚で読み取れる表示を備えた視覚障碍者用時計もあります。

語源

「時計」という言葉は、中世ラテン語で「鐘」を意味するcloccaに由来し、多くのヨーロッパ言語に同義語があります。時計は低地諸国からイングランドに伝わったため[ 7 ]、英語の「時計」は中期低地ドイツ語と中期オランダ語の「Klocke」に由来しています。[ 8 ]また、この言葉は中期英語の「clokke」、古期北フランス語の「cloque」、中期オランダ語の「 clocke 」 にも由来しており、いずれも「鐘」を意味します。

時間測定装置の歴史

日時計

シンプルな水平日時計

空における太陽の見かけの位置は、地球の自転を反映して、一日を通して変化します。静止した物体の影もそれに応じて動くため、その位置を使って時刻を示すことができます。日時計は、（通常は）平らな面に時間に対応する目盛りがついた上で、影の位置を表示することで時刻を示します。[ 9 ]日時計は水平、垂直、またはその他の方向に設置できます。日時計は古代に広く使用されていました。[ 10 ]緯度の情報があれば、よくできた日時計であれば、1～2分以内のかなりの精度で地方太陽時を測定できます。日時計は、電信や鉄道の普及によって都市間の時刻と時間帯が標準化された1830年代まで、時計の性能を監視するために使用され続けました。[ 11 ]

継続時間、経過時間、間隔を測定するデバイス

砂時計の砂の流れを利用して経過時間を記録することができます。

基準時間（時刻、時間、分など）に関係なく時間の経過を計測できる機器は数多くあり、継続時間や間隔の測定に役立ちます。このような継続時間計測器の例としては、ろうそく時計、お香時計、砂時計などがあります。ろうそく時計とお香時計はどちらも同じ原理で動作し、消費される資源はほぼ一定であるため、時間の経過を正確かつ繰り返し推定できます。砂時計では、小さな穴から一定の速度で細かい砂が流れ込み、任意の所定の時間の経過を示します。資源は消費されるのではなく、再利用されます。

水時計

マンダレー（ミャンマー）の金箔打ち用水時計

水時計は日時計とともに、おそらく最も古い時間測定器である。唯一の例外は日数を数える棒である。[ 12 ]非常に古いため、いつどこで最初に存在したかは分かっておらず、おそらく知ることもできない。ボウル型の流出は水時計の最も単純な形で、紀元前16世紀頃のバビロンとエジプトに存在していたことが知られている。インドや中国を含む世界の他の地域にも水時計の初期の証拠があるが、最も古い年代は定かではない。しかし、一部の著者は、これらの地域では紀元前4000年頃には水時計が登場していたと書いている。[ 13 ]

マケドニアの 天文学者、キュロスのアンドロニコスは、紀元前1世紀にアテネの風の塔の建設を監督しました。この塔には内部に大きなクレプシドラが、外部には複数の目立つ日時計が設置されており、初期の時計塔のような役割を果たしていました。[ 14 ]ギリシャ・ローマ文明は水時計の設計を進歩させ、精度を向上させました。これらの進歩はビザンチン時代とイスラム時代を経て、最終的にヨーロッパに伝わりました。中国では独自に、725年までに独自の高度な水時計（水鐘）を開発し、そのアイデアは韓国と日本に伝えられました。[ 15 ]

水時計の設計は独自に開発されたものもあれば、貿易の普及を通じて知識が伝承されたものもあります。近代以前の社会では、現代の工業化社会のように正確な計時が求められていませんでした。現代の工業化社会では、作業時間や休憩時間がすべて監視され、外部環境に関わらずいつでも作業を開始または終了できます。古代社会では、水時計は主に占星術的な目的で使用されていました。これらの初期の水時計は日時計で調整されていました。現代の時計の精度には到底及ばないものの、水時計は17世紀のヨーロッパでより正確な振り子時計に取って代わられるまで、数千年にわたって最も正確で広く使用されていた計時装置でした。

イスラム文明は、精巧な工学技術によって時計の精度をさらに向上させたとされています。797年（あるいは801年）、バグダードのアッバース朝カリフ、ハールーン・アッ＝ラシードは、カール大帝にアブル・アッバースという名のアジアゾウと「特に精巧な」水時計を贈呈しました[ 16 ]。教皇シルウェステル2世は、西暦1000年頃に北ヨーロッパと西ヨーロッパに時計を導入しました[ 17 ] 。

機械式水時計

最初の歯車時計として知られるものは、紀元前3世紀に偉大な数学者、物理学者、技術者であったアルキメデスによって発明されました。アルキメデスは天文時計を製作しました[ 18 ]。これはまた、鳥が1時間ごとに鳴きながら動くカッコー時計でもありました。鳥の鳴き声に驚いて目を瞬かせる人と同時に音楽を奏でることから、これは最初のカリヨン時計です。アルキメデスの時計は、4つの重り、カウンターウェイト、弦で構成されており、これらは時計の自動継続を調整するサイフォン付きの水槽内のフロートシステムによって調整されています。このタイプの時計の原理は数学者で物理学者のヘロンによって説明されており[ 19 ] 、そのうちのいくつかは機構内の歯車を回転させるチェーンで動作すると述べています[ 20 ] 。プロコピオスの記述によると、おそらくアレクサンドロス大王の時代に作られた別のギリシャ時計はガザにあったとのことです。[ 21 ]ガザの時計は、おそらくメテオロスコペイオン、つまり天体現象と時刻を表示する建物だったと思われます。時刻を示す針と、アルキメデスの時計に似たいくつかの自動装置が備えられていました。12の扉が1時間ごとに1つずつ開き、ヘラクレスが天体運動を行い、1時にはライオンが現れるなど、様々な演出が行われました。夜には1時間ごとにランプが点灯し、12の窓が開いて時刻を表示します。

11世紀に中国開封に建てられた蘇宋の天文時計塔の縮尺模型。大型の水車、鎖駆動、脱進機によって駆動されていた。

唐代の僧侶の易行は、官吏の梁霊山とともに、723年（あるいは725年）に水力の渾天儀と時計駆動装置の脱進機を製作したが、これは世界初のゼンマイ仕掛けの脱進機であった。[ 22 ] [ 23 ]宋代の博学者で天才であった蘇宋（1020–1101）は、1088年に開封の天文時計塔という記念碑的な革新にそれを組み込んだ。[ 24 ] [ 25 ]彼の天文時計と回転する渾天儀は、春、夏、秋の季節には流水、冬の氷点下には液体水銀（すなわち水力）に依存していた。蘇松の水車連結機構では、脱進機の停止と解放は、限られた大きさの液体を満たした容器の連続的な流れとして周期的に作用する重力によって実現されていました。蘇松の時計は、このように進化の過程で、クレプシドラと機械式時計の概念を、機械力学と油圧によって駆動される一つの装置に統合しました。蘇松は追悼文の中で、この概念について次のように述べています。

しもべの見解によれば、過去の王朝には天文観測機器のシステムや設計が数多く存在し、それぞれが細かな点で異なっていました。しかし、駆動機構に水力を利用するという原理は常に同じです。天は止まることなく動き、水もまた流れ（そして落下）ます。ですから、もし水が完全に均一に流れ落ちるようにすれば、（天と機械の）回転運動を比較しても矛盾や食い違いは生じません。なぜなら、不動は不断に続くからです。

宋は、張思胤（976年）が製作した初期の天球儀にも強い影響を受けました。張思胤もまた脱進機機構を採用し、天文時計塔の水車には水の代わりに液体水銀を使用しました。蘇宋の天文塔の機械式時計機構は、直径11フィートの大きな動輪を備え、36個のスコップを備えていました。それぞれのスコップには、「定位槽」から均一な速度で水が注がれていました。鉄製の主動軸は、円筒形の首が鉄製の三日月形の軸受けで支えられており、先端にはピニオンがあり、これが主垂直伝動軸の下端にある歯車と噛み合っていました。この巨大な水力機械式天文時計塔は高さ約10メートル（約9メートル）で、時計脱進機を備え、落下する水または液体水銀を動力源とする回転輪によって間接的に動力を得ていました。蘇松の時計の実物大レプリカは、中華民国（台湾）台中市の国立自然科学博物館に所蔵されています。高さ約12メートル（39フィート）のこの実物大レプリカは、蘇松のオリジナルの記述と機械図面に基づいて製作され、完全に機能しています。[ 26 ]中国の脱進機は西方に広がり、西洋の脱進機技術の源となりました。[ 27 ]

アル・ジャザリ（1206年）の写本『巧妙な機械装置に関する知識の書』に出てくる象時計[ 28 ]

12世紀、メソポタミア出身の技術者でディヤル・バクルのアルトゥク朝王ナシル・アッディーンに仕えたアル・ジャザリ（1136-1206年存命）は、様々な形や大きさの時計を数多く製作しました。中でも特に有名なのは象時計、書記時計、城時計で、そのいくつかは復元されています。これらの豪華な時計は時刻を告げるだけでなく、ウルトゥク王国の地位、壮大さ、そして富の象徴でもありました。[ 29 ]これらの水銀脱進機に関する知識は、アラビア語やスペイン語の文献の翻訳によってヨーロッパ中に広まったと考えられています。[ 30 ] [ 31 ]

完全機械式

時計という語（ギリシア語のὥρα「時間」とλέγειν「告げる」に由来）は初期の機械式時計を表すのに使われていたが[ 32 ] 、この語（ロマンス諸語のいくつかの言語で今も使われている）[ 33 ]をすべての時計に使うことは、その機構の本質を隠蔽してしまう。例えば、1176年にフランスのサンス大聖堂に「horologe」が設置されたという記録があるが[ 34 ] 、 [ 35 ]、どのような機構が使われていたかは不明である。ジョスリン・ド・ブレーキロンドによると、1198年にセント・エドマンズベリー修道院（現在のベリー・セント・エドマンズ）で火災が発生したとき、修道士たちが水を汲むために「時計に走って行った」ことから、水時計には時折起こる火災を消火するのに十分な大きさの貯水池があったことがわかる。[ 36 ] 「時計」という言葉（中世ラテン語のcloccaから派生した古アイルランド語のclocc、どちらも「鐘」の意味）は徐々に「horologe」に取って代わっていき、13世紀のヨーロッパで登場した機械式時計の原型も鐘の音を特徴づけていたことを示唆している。

スウェーデンのレッコー城にある 17 世紀の重錘式時計

ヨーロッパでは、1280年から1320年にかけて、教会の記録に時計や時計仕掛けの記述が増えました。これは、新しいタイプの時計機構が考案されたことを示唆していると考えられます。既存の水力を利用した時計機構は、落下する重りから駆動力を得るように改良されました。この動力は、おそらく既存の鐘鳴らしや警報装置から派生​​した、何らかの振動機構によって制御されました。この制御された動力放出、すなわち脱進機こそが、前述の歯車時計とは異なる、真の機械式時計の始まりを象徴しています。バージ脱進機機構は、真の機械式時計の開発が急速に進んだ時期に登場し、動作に水や水銀などの流体動力を必要としませんでした。

これらの機械式時計は、主に二つの目的、すなわち信号と通知（例えば、礼拝や公共行事の時刻の測定）と太陽系のモデリングを目的としていました。前者は行政的な目的であり、後者は天文学、科学、占星術への学問的な関心、そしてこれらの分野が当時の宗教哲学とどのように融合していたかを考えると、自然に生まれたものでした。アストロラーベは天文学者と占星術師の両方によって使用され、回転するプレートに時計仕掛けの駆動装置を適用して太陽系の実用的なモデルを作成するのは自然な流れでした。

塔には主に通知を目的とした簡素な時計が設置されており、文字盤や針は必ずしも必要ではありませんでした。これらの時計は、法定時刻や定められた祈りの間隔を告げていました。法定時刻は、日の出と日の入りの時刻の変化に応じて長さが変化しました。より洗練された天文時計は、文字盤や針が動き、イタリア時間、法定時刻、当時の天文学者によって測定された時間など、様々な時間体系で時刻を表示していました。どちらのタイプの時計も、オートマタなどの高度な機能を備えるようになりました。

1283年、イングランド南部ベッドフォードシャーのダンスタブル修道院に大きな時計が設置された。時計がロッドスクリーンの上に設置されていたことから、水時計ではなかったことが示唆される。[ 37 ] 1292年、カンタベリー大聖堂に「グレート・オルロジュ」が設置された。その後30年間、イングランド、イタリア、フランスの多くの教会施設で時計に関する記述がある。1322年、ノーリッジに新しい時計が設置された。これは1273年に設置された以前の時計の高価な代替品であった。この時計にはオートマタと鐘を備えた大きな（2メートル）天文文字盤があった。設置費用には、2年間2人の時計係をフルタイムで雇用する費用も含まれていた。 [ 37 ]

天文学的な

リチャード・オブ・ウォリングフォードがセント・オールバンズ修道院に寄贈した時計を指差している
16世紀の時計機械、ポルトガル、トマールのキリスト修道院

精巧な水時計「宇宙エンジン」は、中国の博学者蘇松によって発明され、1092年に中国で設計・建設されました。この巨大な天文用水力機械式時計塔は高さ約10メートル（約30フィート）で、落下する水と液体水銀で回転するホイールによって間接的に動力を得ており、複雑な天文学的問題を計算できる 渾天球儀を回転させていました。

ヨーロッパには、 1336年までにリチャード・オブ・ウォリングフォードがオールバンズで、また1348年から1364年にかけてジョヴァンニ・デ・ドンディがパドヴァで製作した時計がありました。これらは今はもう存在しませんが、その設計と構造の詳細な説明が残っており、 [ 38 ] [ 39 ]現代に複製されたものもあります。[ 39 ]これらは、機械式時計の理論がいかに早く実際の構造に応用されたか、また、天文学者が天体現象を調査したいという願望が、時計の発展の多くの動機の1つであったことを示しています。

ジョヴァンニ・ドンディ・デル・オロロジオの天文時計は、1348年から1364年にかけてイタリアのパドヴァで医師で時計職人のジョヴァンニ・ドンディ・デル・オロロジオによって建造された複雑な天文時計である。この天文時計には7つの文字盤と107個の歯車があり、当時知られていた太陽、月、5つの惑星の位置、および宗教的な祝祭日を表示した。天文時計は約1メートルの高さがあり、7つの装飾的な肉球型の脚の上に載った7面の真鍮または鉄の骨組みで構成されていた。下部には24時間表示盤と大きなカレンダードラムがあり、教会の固定祝祭日、移動祝祭日、および月の昇交点の黄道帯での位置が表示されていた。上部には直径約30cmの7つの目盛りがあり、それぞれがプリムム・モビール、金星、水星、月、土星、木星、火星の位置データを示していました。24時間目盛りの真上にはプリムム・モビールの目盛りがあり、星の日周運動と星を背景にした太陽の年周運動を再現することからこのように呼ばれています。それぞれの「惑星」目盛りは複雑な時計仕掛けを用いて、惑星の運動のかなり正確なモデルを作り出していました。これらのモデルはプトレマイオスの理論と観測結果の両方とかなりよく一致していました。[ 40 ] [ 41 ]

ウォリングフォードの時計には大きなアストロラーベ型の文字盤があり、太陽、月齢、月相、交点、星図、そしておそらくは惑星も表示されていました。さらに、運命の輪とロンドン橋の潮の状態を示す表示器もありました。鐘は毎時鳴り、鳴る回数で時刻を示しました。[ 38 ]ドンディの時計は7面体で高さ1メートルあり、文字盤には分を含む時刻、既知の惑星すべての動き、固定祝日と移動祝日の自動カレンダー、18年に1回回転する日食予報の針が付いていました。[ 39 ]これらの時計がどれほど正確で信頼できるものであったかはわかっていません。おそらく摩耗や製造精度の悪さによる誤差を補正するため、毎日手動で調整されていたのでしょう。水時計は現在でも使われることがあり、古城や博物館などで鑑賞することができます。 1386年に建造されたソールズベリー大聖堂の時計は、時を告げる世界最古の機械式時計であると考えられています。[ 42 ]

バネ駆動

  • ゼンマイ駆動時計の例
  • マシュー・ノーマンの巻き上げ鍵付き馬車時計
    マシュー・ノーマンの巻き上げ鍵付き馬車時計
  • 装飾されたウィリアム・ギルバートのマントルピースの時計
    装飾されたウィリアム・ギルバートのマントルピースの時計

時計職人たちは、様々な方法でその技術を発展させました。小型の時計を作ることは技術的な課題であり、精度と信頼性の向上も同様でした。時計は、熟練した職人技を誇示する見事な展示品となることもあれば、家庭用として安価に大量生産される製品となることもありました。特に脱進機は時計の精度を左右する重要な要素であったため、様々な機構が試されました。

ゼンマイ駆動の時計は15世紀に登場したが、[ 43 ] [ 44 ] [ 45 ]、しばしば誤って1511年頃のニュルンベルクの時計職人ペーター・ヘンライン（またはヘンレ、ヘレ）の発明とされている。 [ 46 ] [ 47 ] [ 48 ]現存する最も古いゼンマイ駆動の時計は、1430年頃にブルゴーニュ公フィリップ3世に贈られた物で、現在ゲルマン国立博物館に所蔵されている。[ 5 ]ゼンマイ動力は時計職人に新たな問題を提示した。ゼンマイが減るにつれて時計の動きを一定の速度で動かし続けるにはどうすればよいかという問題である。この結果、15世紀にはスタックフリードとフュゼが発明され、その他多くの技術革新を経て、1760年には現代の香箱が発明された。

初期の時計の文字盤は分と秒を表示していませんでした。分を表示する文字盤を備えた時計は、パウルス・アルマヌスによる1475年の写本に描かれており[ 49 ] 、 15世紀のドイツでは分と秒を表示する時計もありました[ 50 ] 。 秒針を備えた時計の初期の記録は、現在フレメルスドルフ・コレクションに収蔵されている1560年頃の時計に遡ります[ 51 ]。: 417–418 [ 52 ]

15世紀から16世紀にかけて、ニュルンベルクやアウクスブルクといった金属加工の町や、フランスのブロワで時計作りが栄えました。より基本的な置き時計の中には、時間を示す針が1本しかないものもあり、時間マーカーの間の文字盤は4等分されており、15分単位まで読み取れます。他の時計は、天文表示や音楽の動きを取り入れた、職人の技と技能の展示でした。クロスビート脱進機は、ルモントワール機構も開発したヨスト・ビュルギによって1584年に発明されました。ビュルギの時計は、1日に1分以内の誤差があったため、精度が大幅に向上しました。[ 53 ] [ 54 ]これらの時計は、16世紀の天文学者ティコ・ブラーエがそれ以前よりもはるかに高い精度で天文現象を観測するのに役立ちました。

ランタン時計、ドイツ、 1570年頃

振り子

最初の振り子時計は、1656年にクリスティアーン・ホイヘンスによって設計されました。

精度における次の進歩は、1656年以降、振り子時計の発明によって起こった。ガリレオは17世紀初頭に、揺れるおもりを使って時刻表示装置の動きを調整するというアイデアを思いついた。しかし、通常はクリスティアーン・ホイヘンスが発明者とされている。彼は振り子の長さと時間 (1秒の動きで約99.4cmまたは39.1インチ) を関係付ける数式を決定し、最初の振り子時計を作らせた。最初のモデル時計は1657年にハーグで作られたが、このアイデアが取り上げられたのはイギリスだった。[ 55 ]ロングケースクロック(別名、グランドファーザークロック) は、振り子と機構を収納するために、1670年か1671年にイギリスの時計職人ウィリアム・クレメントによって作られた。時計のケースが木製になり、文字盤にエナメルや手描きの陶器 が使われるようになったのもこの頃である。

1670年、ウィリアム・クレメントはホイヘンスのクラウン脱進機を改良したアンカー脱進機[56]を発明した。また、 1671年には振り子式吊りバネも考案した。ロンドンの時計職人ダニエル・クエールらによって同心円状の分針が追加され、秒針も初めて導入された。

ヘアスプリング

1675年、ホイヘンスとロバート・フックは、テンプの振動速度を制御するように設計されたらせん状のひげゼンマイ、またはヘアスプリングを発明しました。この重要な進歩により、ついに正確な懐中時計が可能になりました。英国の偉大な時計職人トーマス・トンピオンは、この機構を懐中時計にうまく使用した最初の一人で、彼は分針を採用しました。これは、様々な設計が試された後、最終的に現代の構成に安定しました。[ 57 ]ラックとカタツムリの打撃機構による時計の打鐘機構は、17世紀に導入され、「カウントホイール」（または「ロッキングプレート」）機構に比べて明らかに利点がありました。20世紀には、エドワード・バーロウがラックとカタツムリの打撃機構を発明したという誤解がよくありました。実際には、彼の発明は、ラックとカタツムリを使用するリピーター機構と関連付けられていました。[ 58 ]要求に応じて時間数（または分数）を鳴らすリピーティングクロックは、1676年にクエールまたはバーロウによって発明されました。ジョージグラハムは1720年に時計用のデッドビート脱進機を発明しました。

マリンクロノメーター

時計の精度と信頼性の向上を促した大きな要因は、航海における正確な時間管理の重要性であった。航海士が1日に約10秒未満の誤差または進みを持つ時計を参照できれば、海上の船の位置をかなりの精度で特定できる。この時計には振り子は組み込めなかったが、揺れる船ではほとんど役に立たなかった。1714年、英国政府は経度を正確に測定できる者に2万ポンド[ 59 ]という巨額の報奨金を出すと発表した。時計の精度向上に生涯を捧げたジョン・ハリソンは、後に経度法に基づいて多額の報酬を受け取った。

1735年、ハリソンは最初のクロノメーターを製作し、その後30年間着実に改良を重ね、ついに審査に提出しました。この時計には、摩擦を軽減するためのベアリングの使用、海上での船の縦揺れと横揺れを補正するための重り付きテンプ、熱膨張の問題を軽減するための2種類の金属の使用など、多くの革新が盛り込まれていました。このクロノメーターは1761年にハリソンの息子によって試験され、10週間後には誤差が5秒未満になりました。[ 60 ]

量産

17世紀と18世紀の大半にわたって、イギリスは時計製造を支配していたが、エリート層向けの高品質製品向けの生産システムを維持していた。[ 61 ] 1843年にブリティッシュ・ウォッチ・カンパニーが大量生産技術と複製ツールや機械の応用により時計製造の近代化を試みたものの、このシステムが本格的に普及したのは米国であった。1816年、イーライ・テリーと他のコネチカット州の時計職人数人が、互換性のある部品を使用することで時計を大量生産する方法を開発した。[ 62 ]アーロン・ラフキン・デニソンは1851年にマサチューセッツ州でやはり互換性のある部品を使用する工場を始め、1861年までにはウォルサム・ウォッチ・カンパニーとして法人化され、成功を収めていた。[ 63 ] [ 64 ]

初期の電気

初期のフランスの電磁時計

1815年、イギリスの科学者フランシス・ロナルズは乾電池で動く最初の電気時計を発表しました。[ 65 ]スコットランドの時計職人アレクサンダー・ベインは1840年に電気時計の特許を取得しました。電気時計のゼンマイは電動モーターか電磁石と電機子で巻き上げられます。1841年、彼は初めて電磁振り子の特許を取得しました。19世紀末までに、乾電池の出現により時計に電力を使用することが可能になりました。交流(AC) または直流(DC) の電気を使用してゼンマイを巻き戻したり機械式時計の重りを上げたりするゼンマイ駆動時計または重り駆動時計は、電気機械時計に分類されます。この分類は、振り子を動かすために電気インパルスを使用する時計にも適用されます。電気機械時計では、電気は計時機能を果たしません。これらのタイプの時計は個別の時計として作られましたが、学校、企業、工場、鉄道、政府施設での同期時間設備でマスター時計とスレーブ時計として使用されることが多くなっています。

安定した周波数のAC電源が利用できる場合、同期モーターを使用して基本的にサイクルをカウントすることにより、非常に信頼性の高い計時を維持できます。供給電流は、多くの国で 50 ヘルツ、その他の国では 60 ヘルツの正確な周波数で交互に発生します。周波数は負荷が変化するため 1 日を通してわずかに変化しますが、発電機は 1 日を通して正確なサイクル数を維持するように設計されているため、時計はいつでも数分の 1 秒遅れたり早まったりする可能性がありますが、長期間にわたって完全に正確です。モーターのローターは、交流周波数に関係する速度で回転します。適切なギアにより、この回転速度がアナログ時計の針に適切な速度に変換されます。これらの場合の時間は、AC 電源のサイクルをカウントする、音叉の振動、水晶の挙動、原子の量子振動など、いくつかの方法で測定されます。電子回路は、これらの高周波振動をより低周波の振動に分割し、時刻表示を駆動します。

石英

クオーツ時計の計時部品として使用される水晶振動子の写真。ケースを取り外した状態。音叉型の形状をしています。このような水晶振動子のほとんどは、以下の周波数で振動します。32768  Hz。​

水晶の圧電特性は、 1880年にジャックとピエール・キュリーによって発見されました。[ 66 ] [ 67 ]最初の水晶発振器は1917年にアレクサンダー・M・ニコルソンによって発明され、その後最初の水晶発振器は1921年にウォルター・G・キャディによって作られました。 [ 3 ] 1927年に最初の水晶時計は、カナダのベル電話研究所でウォーレン・マリソンとJW・ホートンによって作られました。 [ 68 ] [ 3 ]その後の数十年間で、水晶時計は研究室での高精度時間測定デバイスとして開発されましたが、当時は真空管で作られた大きく繊細な計数電子機器のため、他の場所での実用的な用途は限られていました。国立標準技術局（現在のNIST）は、1929年後半から1960年代に原子時計に変更するまで、米国の時間標準を水晶時計に基づいていました。[ 69 ] 1969年、セイコーは世界初のクオーツ腕時計「アストロン」を製造しました。[ 70 ]その優れた精度と低い生産コストにより、その後クオーツ時計が普及しました。[ 66 ]

アトミック

現在、原子時計は現存する最も正確な時計である。原子時計は数兆年にわたって数秒以内の誤差を許容できるため、水晶時計よりもかなり正確である。[ 71 ] [ 72 ]原子時計は1879年にケルビン卿によって初めて理論化された。[ 73 ] 1930年代には、磁気共鳴の発達により、これを行うための実用的な方法が生まれた。[ 74 ]プロトタイプのアンモニアメーザー装置は1949年に米国国立標準技術局（NBS、現在のNIST ）で製作された。既存の水晶時計ほど正確ではなかったものの、概念を実証するのに役立った。[ 75 ] [ 76 ] [ 77 ]最初の正確な原子時計は、セシウム133原子の特定の遷移に基づくセシウム標準であり、1955年に英国国立物理学研究所でルイス・エッセンによって製作された。 [ 78 ]セシウム標準原子時計の較正は、天文時刻尺度（ET）を用いて行われた。 [ 79 ] 2013年現在、最も安定した原子時計はイッテルビウム原子時計であり、1京分の2以下の誤差（2 × 10 −18）。[ 72 ]

手術

柱時計の重り、鎖、振り子（1910年頃）

13世紀の機械式時計の発明は、時間計測方法を日時計のノモンの影の動きや水時計の液体の流れといった連続的なプロセスから、振り子の揺れや水晶の振動といった周期的な振動プロセスへと変化させました。[ 4 ] [ 80 ]振動はより高い精度を実現する可能性を秘めていました。現代の時計はすべて振動を利用しています。

機械式、電気式、原子式の振動時計は、そのメカニズムは様々であるが、同様に機能し、類似の部品に分けることができる。[ 81 ] [ 82 ] [ 83 ]振動時計は、同じ動きを何度も繰り返す物体、つまり振動子で構成され、各繰り返し、つまり「ビート」の間には正確に一定の時間間隔がある。振動子には制御装置が取り付けられており、振動子が摩擦で失うエネルギーを補充することで振動子の動きを維持し、振動を一連のパルスに変換する。次に、パルスは何らかのカウンターでカウントされ、カウント数は秒、分、時間などの便利な単位に変換される。最後に、何らかの表示器が結果を人間が判読できる形式で表示する。

電源

  • 機械式時計の動力源は、通常、滑車、歯車、またはドラムに巻き付けられた紐または鎖から吊り下げられた重り、またはゼンマイと呼ばれる渦巻き状のバネです。機械式時計は、通常、ノブや鍵を回すか、鎖の自由端を引くことで、定期的に巻き上げられ、重りまたはバネにエネルギーが蓄えられ、時計を動かし続けます。
  • 電気時計の電源は、電池またはAC電源ラインのいずれかです。AC電源を使用する時計には、壁から一時的にプラグを抜いた場合や停電時に時計を動かし続けるために、小型のバックアップ電池が内蔵されていることがよくあります。電池式のアナログ壁掛け時計の中には、電池交換なしで15年以上動作するものもあります。

発振器

テンプ、機械式マントル時計の振動子。

現代の時計の計時要素は調和振動子、つまり一定の周波数で繰り返し振動する物体（共振器）です。 [ 3 ] [ 84 ] [ 85 ] [ 86 ]

調和振動子が他の振動子に比べて優れている点は、共振を利用して、その物理的特性のみに依存する正確な固有共振周波数、すなわち「うなり」で振動し、他の周波数では振動しにくいことです。調和振動子が達成可能な精度は、Q [ 88 ] [ 89 ]または品質係数と呼ばれるパラメータで測定されます。Qは（他の条件が同じであれば）共振周波数とともに増加します。[ 90 ]これが、時計の振動子が長期的に高周波化される傾向にある理由です。テンプと振り子には、常に時計の速度を調整する手段が備わっています。クォーツ時計には、この目的でコンデンサを調整するレート調整ネジが備わっている場合があります。原子時計は一次標準であり、その速度は調整できません。

同期またはスレーブクロック

グリニッジ王立天文台のシェパードゲート クロックは、グリニッジ王立天文台内部からタイミング信号を受信します。

一部のクロックは、その精度を外部発振器に依存しています。つまり、より正確なクロックに自動的に同期されます。

  • 1860年代から1970年代にかけて大規模な施設や学校で使用されていた子時計は振り子で時間を計っていましたが、建物内の親時計に配線されており、定期的に信号を受信して​​親時計と同期していました。同期は多くの場合、毎時でした。[ 91 ]振り子のない後期のバージョンは、親時計からのパルスと、停電後に急速な同期を強制する特定のシーケンスによってトリガーされました。
1940年頃の同期式電気時計。1940年までに同期式時計は米国で最も一般的なタイプの時計となった。
  • 同期電気時計は内部に発振器を持たず、電力会社が高精度発振器に同期させた交流電力線の50Hzまたは60Hzの振動周期をカウントします。カウントは電子的に行われ、通常はデジタル表示の時計で使用されます。アナログ時計の場合は、交流電力線が同期モーターを駆動し、線間電圧の周期ごとに正確に1回転し、歯車列を駆動します。負荷変動による電力系統周波数の変化により、時計は1日の中で一時的に数秒進んだり遅れたりすることがありますが、24時間あたりの総周期数は電力会社によって非常に正確に維持されているため、時計は長期間にわたって正確な時刻を保ちます。
  • コンピュータのリアルタイム クロックは水晶振動子で時間を計りますが、ネットワーク タイム プロトコル(NTP)を使用して、インターネット経由で原子時計 ( UTC ) に定期的 (通常は週ごと) に同期できます。
  • 電波時計は水晶振動子で時間を計りますが、専用の標準時刻ラジオ局から送信される時刻信号や、原子時計によって設定される衛星ナビゲーション信号に定期的に同期されます。

コントローラ

これには、摩擦によって失われたエネルギーを補うために振動子に「押し込み」を与えて振動子を動かし続ける機能と、振動を時間を測定する一連のパルスに変換する機能の 2 つがあります。

機械式時計では、テンプや振り子の振動子のQ値が低いため、脱進機の振動による外乱に対して非常に敏感であり、脱進機が時計の精度に大きな影響を与え、様々な脱進機の設計が試みられました。一方、電子時計では共振器のQ値が高いため、駆動電力による外乱に対して比較的鈍感であり、駆動発振回路はそれほど重要ではありません。[ 3 ]

カウンターチェーン

これはパルスをカウントし、それを合計して秒、分、時間などの従来の時間単位を取得します。通常、正しい時間をカウンターに手動で入力して時計を 設定する機能があります。

  • 機械式時計では、これは歯車列と呼ばれる歯車列によって機械的に行われます。歯車列は回転速度を調整し、時計の分針が取り付けられた1時間に1回転する軸、時計の時針が取り付けられた12時間に1回転する軸、そして時計によっては秒針が取り付けられた1分間に1回転する軸を作ります。歯車列には、動力源から振動子を動かす機械的動力を伝えるという2つ目の機能もあります。針を駆動する歯車と時計の残りの部分の間には「キャノンピニオン」と呼ばれる摩擦カップリングがあり、針を回して時間を設定できるようにしています。[ 93 ]
  • デジタル時計では、一連の集積回路カウンタまたは分周器が、バイナリロジックを用いてパルスをデジタル的に加算します。多くの場合、ケース上の押しボタンで時と分のカウンタを増減させて時刻を設定します。

インジケータ

機械式オートマトンと音響発生装置を備えたカッコー時計。アナログ文字盤の8時間目に鳴る。

秒、分、時間などのカウントを人間が読める形式で表示します。

  • 13世紀に作られた最古の機械式時計には目視できる表示器はなく、鐘を鳴らして音で時刻を知らせていました。今日でも多くの時計は、時を告げる鐘鳴らし時計です。
  • アナログ時計は、1から12または24までの数字（1日の時間）が外周に刻まれた文字盤で時刻を表示します。時間は時針で示され、時針は1日に1～2回転します。分は分針で示され、分針は1時間に1回転します。機械式時計では歯車列が針を駆動しますが、電子時計では回路が毎秒パルスを発生させ、ステッピングモーターと歯車列を駆動して針を動かします。
  • デジタル時計は、デジタルディスプレイ上の数字が周期的に変化することで時刻を表示します。デジタル時計はアナログの壁掛け時計よりも正確だと誤解されることがよくありますが、表示器の種類とタイミングソースの精度は別物です。
  • 音声時計や電話会社が提供する音声時計サービスは、録音された音声またはデジタル合成された音声を使用して時刻を読み上げます。

種類

時計は、時間の表示の種類と計時方法によって分類できます。

時間表示方法

アナログ

24時間表示のモダンなクォーツ時計
ロンドンのピカデリー・サーカス駅に設置された直線時計。24時間表示の帯が静止した地図上を動き、地上の太陽の動きと連動します。ロンドンに固定された針が現在時刻を示します。

アナログ時計は通常、固定された数字の文字盤（複数可）上に「針」と呼ばれる回転するポインターで時刻を表示する文字盤を採用しています。世界中で広く知られている標準的な文字盤は、12時間制の円形文字盤（1日に2回転）で時間を示す短い「時針」と、同じ文字盤上で現在の時間（これも60分に分割されています）の分数を示す長い「分針」を備えています。また、現在の分（1分間）の秒数を示す「秒針」が付いている場合もあります。今日広く使用されている他の文字盤は、軍隊や時刻表で24時間制が使用されているため、24時間制のアナログ文字盤のみです。産業革命期に現代の文字盤が標準化される以前は、6時間制、8時間制、10時間制、24時間制など、様々な文字盤デザインが長年にわたって使用されていました。フランス革命期には、フランス政府は10進法に基づくメートル法の一部として10時間制を導入しようとしましたが、広く普及することはありませんでした。イタリアの 6 時間時計は 18 世紀に開発されましたが、おそらく電力を節約するためでした (24 回鳴らす時計はより多くの電力を消費します)。

アナログ時計のもう1つの種類は日時計です。これは太陽を継続的に追跡し、日時計のノモンの影の位置で時刻を記録します。太陽は夏時間に対応しないため、夏時間中は1時間を追加する必要があります。また、均時差と、日時計の経度と使用中のタイムゾーンの中央子午線の経度差（つまり、タイムゾーンがGMTより1時間進んでいるごとに、本初子午線から東に15度ずつずれる）も補正する必要があります。日時計は24時間アナログ時計の一部を使用します。アナログ機構を備えながらもデジタル表示を使用する時計も存在し、これらは一般にフリップクロックと呼ばれます。代替システムが提案されています。例えば、「Twelv」時計は、現在の時刻を12色のいずれかで表示し、分は月の満ち欠けに似た円盤の割合で表示します。[ 94 ]

デジタル

  • デジタル時計の例
  • 噴水のバルブを制御して時間を表示するデジタル時計
    噴水のバルブを制御して時間を表示するデジタル時計
  • シンプルなデジタル時計ラジオ
    シンプルなデジタル時計ラジオ
  • フリップ時計の機械式デジタルディスプレイの図
    フリップ時計の機械式デジタルディスプレイの図
  • Cifra 5 デジタルフリップクロック（1957）
    Cifra 5 デジタルフリップクロック（1957）
  • Samsung Galaxyスマートフォンのデジタル時計
    Samsung Galaxyスマートフォンのデジタル時計

デジタル時計は時間を数値で表示します。デジタル時計では、一般的に2つの数値表示形式が用いられます。

  • 00～23 までの24時間表記。
  • 12時間表記に AM/PM インジケーターが付き、時間は 12AM、続いて 1AM～11AM、続いて 12PM、続いて 1PM～11PM と示されます (主に家庭環境で使用される表記)。

ほとんどのデジタル時計は電子機構とLCD、LED、またはVFDディスプレイを使用していますが、他の多くの表示技術も使用されています (ブラウン管、ニキシー管など)。リセット、電池交換、停電の後、バックアップ電池やコンデンサのないこれらの時計は、12:00 からカウントを開始するか、12:00 のままで、多くの場合、時刻を設定する必要があることを示す数字が点滅します。一部の新しい時計は、国立原子時計に同調したラジオやインターネットのタイムサーバーに基づいて自動的にリセットされます。1960 年代にデジタル時計が導入されて以来、アナログ時計の使用は著しく減少しています。[ 95 ]

「フリップクロック」と呼ばれる時計の中には、機械式に動作するデジタル表示を備えたものがあります。数字はシート状の素材に印刷されており、本のページのように重ねて配置されています。1分ごとにページがめくられ、次の数字が表示されます。これらの表示は、明るい場所でもLCDやLEDよりも読みやすいのが一般的です。また、停電後も12時位置に戻ることはありません。フリップクロックには一般的に電子機構は搭載されておらず、通常はAC同期モーターによって駆動されます。

ハイブリッド（アナログ-デジタル）

アナログの象限とデジタルの要素を備えた時計で、通常は分と時間がアナログで表示され、秒がデジタルで表示されます。

聴覚

利便性、距離、電話、あるいは視覚障害者への配慮から、音声時計は時刻を音で表示します。音は自然言語（例：「12時35分です」）または聴覚コード（例：ビッグベンの鐘のように、毎時ベルの連続音で時刻を表す）のいずれかです。ほとんどの通信会社は、音声時計サービスも提供しています。

言葉

ソフトウェアワードクロック

ワードクロックは、文章を使って時間を視覚的に表示する時計です。例：「約3時です」。これらの時計は、ハードウェアまたはソフトウェアで実装できます。

投影

一部の時計（通常はデジタル式）には、時刻表示の拡大画像をスクリーンや室内の天井や壁などの表面に投影する光学プロジェクターが搭載されています。数字は、視力が中程度の人でも眼鏡なしで容易に読めるほど大きく、寝室での使用に便利です。通常、計時回路には、時計の時刻を一定に保つための無停電電源装置としてバッテリーが搭載されており、投影ライトはAC電源に接続されている場合にのみ点灯します。懐中電灯に似た、完全にバッテリー駆動の携帯型時計も販売されています。

触覚

聴覚式時計や投影式時計は、視覚に障がいのある方や視力に障害のある方でもご利用いただけます。また、触覚で文字が読める視覚障がい者用時計もあります。これらの時計の中には、通常のアナログ表示に似たものもありますが、針を傷つけることなく触ることができるように設計されているものもあります。また、基本的にデジタル式で、点字などのコードを用いて数字を表示し、指先で触ることができるタイプもあります。

マルチディスプレイ

時計の中には、単一の機構で駆動する複数のディスプレイを備えたものもあれば、単一のケースに完全に独立した複数の機構を備えたものもあります。公共の場の時計は、近くのどこからでも時計が読めるように、異なる方向から見える複数の文字盤を備えていることがよくあります。すべての文字盤で同じ時刻が表示されます。また、複数のタイムゾーンの現在時刻を表示する時計もあります。旅行者が携帯することを想定した時計には、多くの場合、1 つが現地時間用、もう 1 つが自宅の時刻用の 2 つのディスプレイがあり、事前に約束した電話をかけるのに便利です。方程式時計の中には、日時計のように平均時刻と太陽時を表示する 2 つのディスプレイを備えたものもあります。アナログとデジタルの両方のディスプレイを備えた時計もあります。点字ディスプレイ付きの時計には通常、従来の数字も付いているので、目が見える人が読めるようになっています。

目的

多くの都市や町では、伝統的に広場や市街地中心部など目立つ場所に公共時計が設置されています。これはノースカロライナ州ロビンズの町の中心部に設置されています。
台湾・台北から店頭販売されている時計。
ナポレオン3世のマントルピース時計。19世紀の第3四半期に製作され、スペインのバレンシア美術館に所蔵されている。

時計は家庭、オフィス、その他多くの場所にあります。小型の腕時計は手首やポケットに入れて持ち歩き、大型の時計は駅や教会などの公共の場に設置されています。小型の時計は、コンピューターのディスプレイ、携帯電話、そして多くのMP3プレーヤーの隅によく設置されています。

時計の第一の目的は時刻を表示することです。時計には、指定時刻に大きな音で警告を鳴らす機能が付いているものもあり、通常は事前に設定した時間に寝ている人を起こすために使われます。これらは目覚まし時計と呼ばれます。目覚まし時計は、最初は低い音量で鳴ってから徐々に大きくなっていくものや、数分間停止してから再び鳴る機能が付いているものがあります。目覚まし時計には、時刻が読めないほど小さな子供に就寝時間が終わったことを知らせるために使用されるものもあり、トレーニング時計と呼ばれることもあります。

時計機構は、セントラルヒーティングシステム、ビデオデッキ、時限爆弾（デジタルカウンター参照）など、時間に基づいて装置を制御するために使用されます。このような機構は通常、タイマーと呼ばれます。また、時計機構は、太陽追跡装置や天体望遠鏡などの装置を駆動するためにも使用されます。これらの装置は、地球の自転に対抗するために、正確に制御された速度で回転する必要があります。

ほとんどのデジタル コンピュータは、処理を同期するために一定周波数の内部信号に依存しています。これは、クロック信号と呼ばれます。(いくつかの研究プロジェクトでは、非同期回路に基づく CPU を開発しています。) コンピュータを含む一部の機器は、必要に応じて使用するために時刻と日付も維持します。これは時刻クロックと呼ばれ、サイクルのカウントに基づいている可能性がありますが、システム クロック信号とは異なります。

時間基準

一部の科学的研究においては、最高精度の計時が不可欠です。また、実際に動作する時計を較正するための最高精度の標準も必要です。理想的な時計は、無限の精度で時間を測定しますが、これは実現不可能です。多くの物理プロセス、特に原子エネルギー準位間の遷移は、極めて安定した周波数で発生します。このようなプロセスの周期を数えることで、非常に正確で一貫性のある時間を得ることができます。このように動作する時計は、通常、原子時計と呼ばれます。このような時計は、通常、大型で非常に高価であり、管理された環境を必要とし、ほとんどの用途に必要な精度よりもはるかに高い精度が求められます。そのため、通常は標準研究所で使用されます。

20 世紀後半の進歩まで、ナビゲーションは緯度と経度を測定する能力に依存していました。緯度は天体航法で決定できますが、経度の測定には正確な時間知識が必要です。この必要性が、正確な機械式時計開発の主な動機でした。ジョン・ハリソンは18 世紀半ばに最初の高精度な海洋クロノメーターを作成しました。ケープ タウンの正午の大砲は今でも正確な信号を発し、船舶がクロノメーターを確認できるようにしています。主要港湾近くの多くの建物では、同じ目的で、塔やマストに大きなボールが取り付けられており、事前に決められた時間に落下するように配置されていました(現在も一部の建物で使用されています)。GPS などの衛星ナビゲーションシステムには、これまでにないほど正確な時間知識が必要ですが、これは衛星に搭載された機器によって提供されます。車両にはもはや計時機器は必要ありません。

スポーツとゲーム

時計は、ゲームやスポーツにおいて、様々な時間を計測するために使われます。ストップウォッチは陸上競技選手のパフォーマンスを計測するのに使われます。チェスの時計は、ボードゲームのプレイヤーの行動時間を制限するのに使われます。様々なスポーツにおいて、ゲームクロックはゲーム全体またはゲームの一部の継続時間を計測します。 [ 96 ] [ 97 ]一方、他のクロックは異なる継続時間を追跡するために使用されます。これにはプレイクロック、ショットクロック、ピッチクロック。

文化

民間伝承と迷信

17世紀の頭蓋骨の形をした時計

イギリスでは、時計は様々な信仰と結び付けられており、その多くは死や不運に関係しています。伝説では、近くにいる人、特に君主が亡くなると、時計がひとりでに止まるという言い伝えがあります。貴族院の時計は1820年にジョージ3世が亡くなった「ほぼ」時間に止まったとされ、バルモラル城の時計はヴィクトリア女王が亡くなった時間に止まりました。ウィリアム4世とエリザベス1世に関連する時計についても同様の伝説が語り継がれています。[ 98 ]時計には多くの迷信があります。人が亡くなる前に時計が止まると、それは死を予兆するかもしれません。[ 99 ]同様に、教会の賛美歌演奏中や結婚式の最中に時計が鳴ると、それぞれ教区民や配偶者の死や災難を予兆すると言われています。[ 100 ]時計が間違った時刻を鳴らすと、死や病が予兆されると言われています。時計が火の方向を指していたり​​、時計が鳴っている間に話したりするのも不吉かもしれません。[ 101 ]

中国文化では、時計を贈ること（繁体字：送鐘、簡体字：送钟、ピンイン：sòng zhōng ）は、他人の葬式に参列する行為（繁体字：送終、簡体字：送终、ピンイン：sòngzhōng）と同音異義語であるため、特に高齢者に対してはタブーとされることが多い。[ 102 ] [ 103 ] [ 104 ]

特定のタイプ

ウジェーヌ・ファルコ作の記念碑的な円錐振り子時計、1867年。米国フィラデルフィアのドレクセル大学
メカニズムによって 機能別 スタイル別

受賞歴

参照

注釈と参考文献

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