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時計の仕組み、大公開!

時計の仕組み、大公開!
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時計の歴史と仕組みについて

人類が作った最初の時計は「日時計」。
太陽が作る棒の影の位置によって、時刻を知るというものでした。
その後、太陽が出ていない日や夜でも使える「水時計」が発明され、水時計とほぼ同じ仕組みで持ち運びに便利な「砂時計」が使われるようになりました。
ろうそくや線香などを燃やして、燃える速さで時間を計る「燃焼時計」などもありました。

現在のように正確に時間を刻んでくれる時計ができたのは、いまからほんの700年ほど昔のこと。
今では、各家庭にはもちろんのこと、会社や学校、駅やショッピングセンターなど、あらゆる場所に時計があります。
また、多くの人々は、日常的にいつも腕時計を身に付けていたり、時計機能の付いた携帯電話を外出先に必ず携行したりしています。
現代人は、時間という共通の基準に基づいて行動しているのです。

このように、時計は私たちの生活になくてはならない存在。
時計のない生活なんて、想像しただけでも不便ですよね。

ところで、時計の仕組みについて改めて考えたことはありますか……?

時計を動かす仕組みには、大きく分けて「機械式」「クォーツ式」の2種類があります。
それぞれまったく異なった方法で時を刻んでいるのですが、この2つの時計について、詳しくその仕組みを調べてみましょう。

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初期の機械式時計「重錘時計」

初期の機械式時計「重錘時計」

機械式時計が世界で最初に発明されたのは、1300年ごろのことだと言われています。 博物館などで、こういった形の時計をご覧になったことはないでしょうか? これは初期の機械式時計で「重錘時計」と呼ばれ、おもりが引力に従って下に落ちる力を利用して時を刻んでいたものです。 機械のスピードは、王冠のような雁木車(がんぎぐるま)と、天秤のような棒テンプの間欠的な往復運動によって調節されました。 雁木車を動かしていたのは、ひもに繋がれたおもりです。

初期の機械式時計「重錘時計」

しかし、ここでちょっと疑問が湧いてきますね。
下がり続けたおもりが地面に着いてしまうと、時計は止まってしまうのです。

従って、おもりをできるだけ長い間使えるようにするために、時計をできるだけ高い場所に置くという試みがなされるようになりました。
教会や駅舎など、街の高い建物で使われるようになった重錘時計は「塔時計」とも呼ばれるようになりました。
有名なロンドンの「ビックベン」なども、塔時計の一つですね。

しかし、当時の重錘時計は一日に一時間ほどのズレが生じ、文字盤にも時針が一つあるだけ。
残念ながら、時計としてはあまり正確ではなかったようです。

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ゼンマイ式時計

ゼンマイ式時計

重錘時計に代表されるように、発明された当初の機械式時計は、非常に大がかりなものでした。
そのため、一般市民が時計を所持することはなく、時計は大勢の人が集まる公共的な場所に設置され、さらには、時を知らせる大きな音が鳴らされたものです。

しかし、15世紀に入ると、携帯に便利な小型の時計が作られるようになりました。
時計職人たちの努力によって、時計を作る技術が飛躍的に進歩したのです。

時計を小型化するにあたって、重要な役割を果たしたのが「ゼンマイ」
このゼンマイを動力にすることによって、時計は持ち運びできるほどの大きさになったのです。
ゼンマイは、オルゴールなどにも使われていて、今ではおなじみの部品です。

動力源であるゼンマイに力を貯めるには、二通りの方法があります。

一つは「手巻き式」。
竜頭と呼ばれる部分(腕時計の右側にポチッと出ている小さな部品がありますよね)をぐるぐると手で回す方法です。

もう一つは「自動巻き式」。
腕の動きを利用しておもり(回転錘)を回転させる方法です。
おもりが左右のどちらに回転しても、ゼンマイを巻くことが可能です。

ただし、自動巻き式の時計が世の中に出たのは、ごく最近になってからのことです。

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振り子時計

振り子時計

大きさは確かに小さくはなったものの、初期のゼンマイ式時計は、正確さにおいては相変わらずイマイチでした。

ところが、17世紀になると、オランダのクリスティアーン・ホイヘンスが「振り子時計」を発明します。
彼は「振り子の等時性」を応用し、調速機である棒テンプの代わりに振り子を使って、非常に正確な時計を作りました。
「機械時計の父」として知られるホイヘンスですが、実際には、数学・物理学・天文学などさまざまな分野の才能にすぐれ、土星の惑星探査機にも彼の名前が用いられています。

ちなみに、振り子の等時性とは……
・振り子の揺れる大きさが違っても、ひもの長さが同じであれば、一往復にかかる時間は変わらない
・振り子のおもりの重さが違っても、ひもの長さが同じであれば、一往復にかかる時間は変わらない
という法則のことで、これを最初に発見したのは、かのガリレオ・ガリレイ。

実はガリレオも、この法則にもとづいて振り子時計を考案し、息子たちに図面を書かせていたのですが、すでに失明していたことや死期が迫っていたこともあって、製作までには至りませんでした。

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テンプの秘密

テンプの秘密

ホイヘンスの振り子時計以後、時計はさらに進化を重ね、どんどん正確になっていきました。

さて、話をゼンマイ式時計に戻します。

ゼンマイの力は歯車によって調速機であるテンプに伝えられていきます。
そのままであればすぐにほどけてしまうはずのゼンマイのスピードを調節するのがテンプなのです。

テンプはゼンマイの力で規則正しく左右に振動します。
ゼンマイがばねのように伸び縮みすることで、テン輪が左右に規則正しく振動するのです。

ここで、ちょっと気付いたことはありませんか?
「左右に規則正しく振動」という部分……これはいわゆる振り子の動きそのものなのです。

テンプは小型の時計のために作られた小さな振り子だと言い換えて良いでしょう。

時計の正確さの秘密は、やはり振り子にありました。
まるで振り子のようなテンプの動きこそが、時を正確に刻むもととなっているのです。

そして、ゼンマイの力を添付に伝える歯車は、同時に、時計の針を動かす役目をも担っています。

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脱進機と歯車の役割

脱進機と歯車の役割

時計の正確さの鍵を握るテンプ(調速機)。
そのテンプと同じくらい大切なのが、雁木車(がんぎぐるま)とアンクルです。
この2つは合わせて脱進機と呼ばれます。

規則正しいテンプの振動に合わせて、アンクルは雁木車を止めたり動かしたりしています。
ちょうど図の青い丸で囲んだところ……ここで、動きがいったん止まるというわけです。

テンプの振動は規則正しく正確ですから、必然的に雁木車のスピードも一定で正確なものになります。
そして、その正確な動きが時計の針に伝わる、というわけです。

脱進機やテンプの発明によって、時計は初期のものとは比べ物にならないほど正確になりました。
昔は文字盤には短針が一本だけだったのですが、長針(分針)や秒針を付けることが可能になったのは、時計に関わってきた多くの人々の努力のたまものと言えるでしょう。

脱進機と歯車の役割

ところで、機械式時計を分解してみると、多くの歯車が使われていることに気が付くはずです。
ゼンマイの力を調速機や脱進機に伝える歯車の集まりを輪列(りんれつ)と言います。
歯車にはカナと呼ばれる部分が付いており、隣り合う歯車に動きを伝えたり、伝える回転のスピードを変える役割を果たしています。
輪列では、歯の数が違う歯車を各種組み合わせて、秒針・長針・短針がそれぞれ正しく動くように調節しています。

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水晶の振動とIC

水晶の振動とIC

「クォーツ」とは水晶のこと。
名前の通り、クォーツ式時計では水晶を使って時間を計ります。

もちろん、時計に使われる水晶は原石そのままではなく、特別に加工された形のものです。
薄く小さく加工された水晶は、電気を与えることによって、非常に細かな振動を起こします。
その数、一秒間あたり数万から数百万回!
この驚くべき振動数がクォーツ式時計が非常に正確であると言われるゆえんです。
水晶はいわば機械式時計のテンプ(調速機)の部分に相当します。

ところで、水晶の振動数を数えるには、いったい何が使われているのでしょうか?
一秒間あたり数万から数百万回にもおよぶ振動は、まずIC(集積回路)に伝えられます。
ICはこの振動数を割り算の要領で調整します。
そして、一秒間に一回の正確な電気信号に作り替えていくのです。

どの電気製品にも使われているIC。
しかし、時計に使われるICはその中でも特に小さく、かつ正確な作業を要求される……というわけですね。

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ステップモーターについて

ステップモーターについて

さて、ICによって作り替えられた一秒間に一回の電気信号は、そのあとどこへ行くのでしょうか?

電気信号は次に、ステップモーターと呼ばれる部分に伝えられます。
そして、ステップモーターに付属しているローターが、一秒に一回だけ歯車を回転させます。
この回転がさらに別の歯車に順番に伝えられていき、それぞれ秒針・長針(分針)・短針(時針)を動かすというわけです。
わかりやすいように、図では歯車をずらして描いていますが、実際には、3つの針は同じ場所に重なって配置されています。
アナログ式のクォーツ時計は、こうして動いているのです。

ちなみに、ステップモーターには大きく分けて、永久磁石を利用したPM型と、コイルの発生する磁界を利用したVR型の2つがあります。
クォーツ時計に使用されているのは、PM型とVR型両方の長所を取り入れた「ハイブリット型」と呼ばれるステップモーターです。

次ページでは、デジタル式のクォーツ時計の仕組みについても、ちょっとのぞいてみましょう。

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デジタル時計の中のIC

デジタル時計の中のIC

時計はアナログ派!という方も多いと思うのですが、デジタル式時計のスマートさも捨てがたいですよね。

デジタル式時計では、針に代わって液晶画面による時刻表示が行われます。
電池のエネルギーが水晶を振動させる……というところまでは、アナログ式でもデジタル式でもその仕組みは変わりません。
しかし、デジタル式時計のICは非常に働き者。
水晶の振動を電気信号に替えるだけではなく、電気的な難しい計算をたくさん繰り返すことで、正確な時刻表示を行っています。

したがって、デジタル式時計を分解してみると、意外にも部品が少ないことに驚くはずです。
ICが多くの役割を担っているため、最小限の部品でくるいの少ない時計を作ることが可能になっているのです。

外国人観光客が、日本の100円均一ショップにデジタル式の腕時計が売られているのを見てびっくり……という話をよく聞きますが、
アナログ式に比べて製作費が安価ですむというのも、デジタル式時計の特徴と言えます。

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機械式時計とクォーツ式時計の違い

機械式時計とクォーツ式時計の違い

時計を分解してみると、驚くほど小さく、たくさんの部品が組み合わされてできていることが分かります。
部品の数は、クォーツ式時計でだいたい25~50個。
機械式時計になると200個以上になることも。
時計が「精密機械」と呼ばれるのも納得ですね。

機械式時計とクォーツ式時計の大きな違いは「電池が必要かどうか」ということですが、そのほかにも多くの点で異なっています。

クォーツ式時計は、機械によって部品を自動的に組み立てることが主流になっています。
もちろん、手作業がまったく入らないかというとそうではないのですが、低コストで大量生産が可能です。

しかし、機械式時計の場合、細かな部品を一つ一つ丁寧に、熟練作業者の手によって組み立てていくことが多いのです。
こういった理由から、機械式時計はクォーツ式時計よりも、ずっと時間とコストがかかるという結果に。

こんなわけで、現在では、機械式時計よりもクォーツ式時計の方がはるかに多く出回っています。
いちいちゼンマイを巻く手間がかかるアナログな機械式時計の方が、高価で希少価値があるのです。

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ハイテク時計の数々

ハイテク時計の数々

現在では、さまざまな新技術を利用したハイテクノロジーな腕時計がたくさん登場しています。
そのうちのいくつかをご紹介しましょう。

・太陽光発電時計
電池の代わりに、太陽エネルギーを使って動く時計。
文字盤に太陽光パネルのようなものが使われていて、取り込んだ太陽エネルギーを電気に替えます。

・自動巻き発電時計
腕の動きを利用しておもりを回転させて電気を作り出す時計。
はめているだけで発電するので、電池は不要です。

・熱発電時計
体温で温められた時計の温度と、周囲の気温との温度差を利用して熱エネルギーを生み出し、それを電気に変えて動きます。

・電波時計
日本では、電波塔から標準時を知らせる電波がつねに発信されています。
標準時刻のもとになる時刻をはかるのが「原子時計」。
そこから電波塔を通じて発信された電波を受け取って、一日に数回、自動的に正しい時刻合わせをしてくれるのが電波時計です。
この電波は時報サービスにも利用されています。

また、機械式時計のゼンマイと、クォーツ式時計の水晶を組み合わせて、両方の長所を生かした「スプリングドライブ」と呼ばれる時計も開発されています。

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職業時計

職業時計

あれあれ?文字盤の表示がさかさま……!?
こんな時計、どこかでご覧になったことはありませんか?

これは一般に「ナースウォッチ」と呼ばれる類の時計。
おもに看護師さんのための時計です。

病院内での感染予防のため、医療従事者は手洗いの際、手指のみならず手首まで洗うのが普通。
つまり、看護師さんたちは衛生上、腕時計を付けることができません。

このナースウォッチは、クリップで胸ポケットに付けて使います。
表示がさかさまになっているのは、そのためです。
脈拍を計るための目盛りもありますね。

最近では、かわいいパステルカラーの商品なども出てきて、看護師さんだけではなく、介護士さんや美容師さん、食品関係の仕事に就いている人々にも少しずつ広まっているようです。

こういった使う人の職業に合わせて特別に作られた専用時計は、ほかにもたくさん。

・飛行機の操縦士が使うパイロットウォッチ
・電車の運転手が使う鉄道時計
・潜水士が使うダイバースウォッチ

などなど。
どの時計にも、職業に応じた便利な機能と工夫が備わっていて、まさに至れり尽くせりです。

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日本の時計生産の歴史

日本の時計生産の歴史

時計といえばスイスが有名ですが、日本もスイスほどの知名度はないにしろ、時計技術に関しては非常に高いレベルを持っています。
1980年にはすでに、日本は腕時計生産量に関して世界一を誇るようになりました。

では、日本の時計生産の歴史を少し探ってみましょう。

日本に時計工場が建ちはじめたのは明治時代。
当初は掛け時計や置き時計が生産の中心でした。
懐中時計などの小さな時計は技術的にみても作ることが難しく、当初は海外から輸入されたものを手本にしながら作っていたといいます。

しかし、手先の器用さに加えて模倣の天才と呼ばれる日本人。
すぐに時計生産の技術をマスターし、大正時代に入ると日本で初めての腕時計が作られました。
国産の腕時計が登場するのと前後して、掛け時計や置き時計は大量生産が可能になり、やがて海外に輸出されるまでに。
同時に、これまで高価だった国産時計は、庶民でも手に入りやすい値段で売られるようになりました。

さらに、昭和33年には世界初の水晶時計が、その11年後には電子技術を用いたクォーツ式腕時計が発売され、
これは現在、世界で流通している時計の主流となっています。

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「不定時法」とは?

ヨーロッパから日本に機械式時計が伝わったのは、1550年ごろだと言われています。

しかし、当時の日本では、一日を24時間とする現在のような「定時法」は用いられていませんでした。
昼と夜をそれぞれ6つに分ける「不定時法」が使われていたのです。

少しややこしいのですが、「不定時法」では、昼と夜がきっちり二等分されているわけではありません。
季節によっても、昼と夜の長さが変わります。

例えば、夏は4時から20時までが昼、冬は6時から17時までが昼、とされました。
季節や自然のサイクルに合わせて生活リズムが変えられるという、考えようによっては非常に合理的なシステムだったというわけです。
今の「サマータイム」にも、この考え方が生かされているのかも知れませんね。

そして、江戸時代に入ると、時刻を干支で表す方法が用いられるようになりました。
一日24時間を、子・丑・寅・卯……という十二支の名前で2時間ごとに区切ったのです。
そしてさらに、2時間を「一つ時・二つ時・三つ時・四つ時」と四等分しました。

ちなみに、「草木も眠る丑三つ時」は、現在では夜中の2時から2時半の間を意味します。

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日本だけの「和時計」

日本だけの「和時計」

室町時代にヨーロッパから伝えられた時計は、実際には日本では使われませんでした。
そのころ、日本では定時法ではなく不定時法が用いられていたからです。

しかし、江戸時代になると、日本の不定時法に合わせた仕組みに作り直した時計が使われるようになりました。

季節の移り変わりに合わせて文字盤を取り替えたり、昼と夜で針の動く速度を変えたり……。

この、日本だけにしかない特別な時計を「和時計」と呼びます。
もしくは「昔時計」「大名時計」などと称されることも。
和時計の中にも、尺時計、枕時計、掛時計、卓上時計、印籠時計、懐中時計など実にさまざまな種類がありました。

日本がこれまでの不定時法に代わって定時法を用いるようになったのは、1873年以後のこと。
「和時計」は明治時代の初期には使われなくなり、和時計技師たちは職を失いました。

しかし、そこは器用な日本人。
定時法を基本にした単純構造の時計から、不定時法に対応した複雑な時計を作ったくらいですから、その逆のパターンでものを作ることくらいなんということはなかったのです。
たちまちのうちに洋式時計の製作をマスターし、日本は一大時計王国となりました。

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