アンカーエスケープメント

時計学では、アンカー脱進機は振り子時計で使用される脱進機の一種です。脱進機は機械式時計の機構で、振り子を一振りごとに少し押すことで振り子の振りを維持し、一振りごとに時計の歯車を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 1 つが船の錨に似た形をしていることからそのように名付けられました。

アンカー脱進機は時計職人のウィリアム・クレメントによって発明され、^{[1] [2] [3]、}彼は1680年頃にロングケースまたはグランドファーザークロックを発明し、アンカーを普及させました。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でした^{。 [4]}最も古いアンカー時計として知られているのは、オックスフォードのウォダム・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、おそらく時計職人のジョセフ・ニブによって建てられました。^{[5] [6]} アンカーは、ほぼすべての振り子時計に使用される標準的な脱進機になりました。

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、リチャード・タウンリーによって1675 年頃に発明され、イギリスの時計職人ジョージ・グラハムによって1715 年頃に導入されました。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。

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が付いた垂直の車輪で、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揺れます。アンカーの 2 つのアームには、ガンギ車の歯が押すパレットと呼ばれる曲面があります。アンカーの中央のシャフト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、アンカーは前後に揺れ、パレットが交互に両側でガンギ車の歯をつかんだり離したりします。

片方のパレットがガンギ車から離れて歯を解放するたびに、ガンギ車が回転し、反対側の歯が、ガンギ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。振り子の勢いによって 2 番目のパレットがガンギ車に向かって動き続け、ガンギ車を後方に押し戻します。その後、振り子が方向を逆転し、パレットがガンギ車から離れ始め、歯が表面に沿って滑り、ガンギ車を押します。次に、歯がパレットの端から滑り落ち、サイクルが再び始まります。

アンカー エスケープメントもデッドビート形式も、自動始動しません (下図参照)。 振り子を振って動かす必要があります。

サイクルの一部でガンギ車が後退する現象はリコイルと呼ばれ、アンクル脱進機の欠点の1つである。これにより、時計が進むごとに輪列全体が駆動錘に向かって一時的に逆転し、輪列の余分な摩耗、歯車の歯の過度の摩耗、および不正確さが生じる。また、ガンギ車の歯の先端がパレット表面に食い込む原因にもなる。これを防ぐために、歯は回転方向と反対の後方傾斜になっており、パレットの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い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、振り子が制御不能に揺れ、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。斜めの歯は、アンクルパレットの平らな面が最初に歯の側面に当たるようにし、繊細な部分が壊れないように保護します。^[7]

デッドビート エスケープメント (下図) には反動がありません。アンティークの振り子時計にアンカー エスケープメントが付いているかデッドビート エスケープメントが付いているかを判断する方法の 1 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方向に動いて反動を示している場合、時計にはアンカー エスケープメントが付いています。

アンカーのシャフトは、クラッチと呼ばれ、振り子のシャフトを包むフォーク状の端があり、振り子に横方向の衝撃を与えます。振り子のロッドは、アンカーのすぐ後ろの頑丈なサポートに取り付けられた短い直線のサスペンション スプリングから吊り下げられています。アンカーのピボットは、スプリングの曲げ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だけの場合よりも、より安定した振り子のサポートが得られます。

アンカーは形状の変化に非常に寛容であるため、その形状は多岐にわたりました。^[7] 19世紀後半の英国では、通常の設計^[7]はパレット間の角度が90°で、これはアンカーのピボットをガンギ車ピボットからガンギ車半径の1.4倍√2 ≈の距離に配置することを意味していました。1秒間に1回振れる振り子を持つおじいさんの時計では、ガンギ車に30本の歯が付いていることが多く、ガンギ車が1分間に1回転して秒針を軸に取り付けることができました。30歯のガンギ車の場合、パレットは約7½歯にまたがります。振り子の振りを決定するパレットの衝撃角度は3～4°でした。

アンカーはヨーロッパで2番目に広く使われた脱進機で、振り子時計の原始的な400年前のバージ脱進機に取って代わりました。バージ脱進機の時計の振り子は、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『振動する時計』を出版しました。その中でホイヘンスは、バージ時計の振り子の大きな振れが時計の精度を低下させる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生じる円誤差のために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、時計職人が小さな振れの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、パレットを枢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°からわずか4°-6°に減少したことです。^[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遅い「ビート」を持つより長い振り子を使用できるようになりました。空気抵抗が低い（空気抵抗は速度の2乗で増加するため、より速い振り子は大幅に増加する抵抗を経験する）ということは、振り続けるために必要な電力が少なくて済み、時計の動きの摩耗が少なくなることを意味します。アンカーにより、与えられた駆動力に対してより重い振り子の錘を使用することもできるようになり、振り子が脱進機からより独立し（Qが高くなり）、したがってより正確になりました。これらの長い振り子には、長くて狭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業用時計の販売を開始しました。これは、縦長の自立型時計で、1メートル（39インチ）の秒針の振り子が細長い時計ケースに収められており、ロングケースまたは「グランドファーザー」クロックと呼ばれるようになりました。 ^{[9]アンカーにより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}分針の使用が標準になりました。^[10]

振り子時計では、約 50 年以内にアンカー脱進機がバージに取って代わったが、フランスの時計職人は 1800 年頃までバージを使い続けた。多くのバージ時計はアンカーで作り直された。18 世紀には、より正確なデッドビート形式の脱進機が精密レギュレータのアンカーに取って代わったが、家庭用振り子時計ではアンカーが主力であり続けた。19 世紀には、デッドビート形式が徐々にほとんどの高品質時計に取って代わったが、今日でもいくつかの振り子時計でアンカー形式が使用されている。^[8]

塔時計は、アンカー脱進機が主流ではなかった数少ない振り子時計の 1 つです。風、雪、氷の荷重にさらされる大きな外側の針によって輪列に加わるさまざまな力は、重力脱進機によってより適切に処理されました。

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。振り子はサイクル中、常にガンギ車の歯に押されており、自由に振動することはありません。このため、時計の速度は駆動力の変化に敏感です。パレットに加わる力のわずかな変化、たとえば油の劣化による潤滑の変化や、時計のゼンマイの寿命が尽きるにつれてその力が低下することで、振り子の振動周期が変わります。ゼンマイで駆動するアンカー脱進機時計には、ゼンマイの力を均一にするためのフュゼが必要でした。
• これは前述のように反動脱進機であり、振り子の運動量によって、サイクルの一部でガンギ車が後方に押し出されます。これによりムーブメントに余分な摩耗が生じ、振り子にさまざまな力が加わり、精度が低下します。

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、1715 年頃に英国の時計職人ジョージ グラハムが精密レギュレーター クロックに導入したとよく誤解されています。 ^{[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 年に新しいグリニッジ天文台のために製作した 2 つの精密レギュレーターに初めて使用されました。 ^{[15]これは、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記載されています。 ^{[16] [17]}

アンカー脱進機のデッドビート形式は、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の振り子時計に使用が広まりました。今日製造されているほぼすべての振り子時計は、この形式を使用しています。

デッドビート脱進機はパレットに対して 2 つの面を持っています。1 つは「ロック」面、もう 1 つは「デッド」面で、アンカーが回転する軸と同心円状の曲面を持ち、もう 1 つは傾斜した「インパルス」面です。^[8]ガンギ車の歯がデッド面の 1 つに接しているとき、その力はアンカーの旋回軸を通して方向付けられるため、振り子にインパルスは与えられず、振り子は自由に振れます。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、この面に接したままになります。この間、ガンギ車は「ロック」され、回転できません。振り子の振れの底近くで、歯はデッド面からパレットの傾斜した「インパルス」面に滑り落ち、ガンギ車が回転して振り子を押し、その後パレットから落ちます。脱進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ため、やはり摩擦静止脱進機ですが、反動力がないため、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」面と接触して反動を防ぐようにしています。^[8]

時計職人は 1700 年代に、精度を保つために振り子を揺らし続け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ときの振り子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に、振り子が下降する間に衝撃を加えると、衝撃力によって振り周期が短くなる傾向があるため、駆動力が増加すると時計の時間が進みます。振り子が底部に到達した後、振り子が上昇する間に衝撃を加えると、衝撃力によって振り周期が長くなる傾向があるため、駆動力が増加すると時計の時間が遅れます。衝撃が底部で加えられた場合、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インパルスによって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がこの条件をほぼ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落ちるように作られていれば、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」面に落ちるように作られなければならない。^[20]

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、または巻き戻される主ゼンマイの力が弱まることによって生じます。駆動力の変化が速度に影響を与えない脱進機は等時性と呼ばれます。デッドビートがリコイルよりも優れた性能を発揮するのは、等時性が向上したためです。これは、2 つの脱進機で駆動力の変化が振り子の振動に及ぼす影響が異なるためです。^[21]

• アンカー脱進機では、駆動力が増加すると振り子の前後の振動が速くなりますが、振り子の振幅、つまり振動の長さはあまり増加しません。サイクルの反動部分でガンギ車の歯がパレットに及ぼす力の増加により、振り子の振動が減少する傾向があり、サイクルの前進衝撃部分で歯が及ぼす力により、振り子の振動が増加する傾向があります。これらは互いに打ち消し合う傾向があり、振動は変化しません。しかし、これらの効果は両方とも振動時間を短縮します。言い換えると、力が増加すると、一定の弧内で振り子が前後に速く振れるようになります。
• 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、動きも速くなります。余分な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、振れ周期は変わりません。ただし、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。家庭用時計の場合、この影響は無視できますが、デッドビート脱進機を備えた高精度レギュレータ時計では精度の限界となります。

デッドビートが発明されたとき、時計職人は当初、力の変化が振り子の振幅に与える影響が大きいため、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ことができると指摘されています。つまり、アンカーの振幅が増加すると、円誤差により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ます。この効果により、研磨されたパレットを備えた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正確であ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]}

• レバー脱進機

• Headrick, Michael (2002)。「アンカー クロック エスケープメントの起源と進化」。Control Systems Magazine。22 ( 2)。Inst. of Electrical and Electronic Engineers。2009-10-25 にオリジナルからアーカイブ。2007-06-06に取得。-リンク切れ
• グラスゴー、デイヴィッド（1885年）。『時計とクロックの製作』ロンドン：カッセル社、293ページ。Google ブックスで。建設の詳細。