電気時計

電気時計は、吊り下げられた重りやゼンマイで動く機械式時計とは対照的に、電気で動く時計です。この用語は、1980 年代にクオーツ時計が導入される前に使用されていた電気で動く機械式時計によく使用されます。最初の実験的な電気時計は 1840 年代頃に作られましたが、1890 年代に主電源が利用可能になるまで広く製造されませんでした。1930 年代には、同期電気時計が機械式時計に取って代わり、最も広く使用されるタイプの時計になりました。

電気時計は、いくつかの異なるタイプのメカニズムによって動作します。

• 電気機械式時計は、従来の機械式ムーブメントを備えており、歯車列を介して動力を得た振動振り子またはバランスホイールで時間を刻みますが、電動モーターまたは電磁石を使用して電気でゼンマイを巻き戻します。このメカニズムは、主にアンティークの時計に見られます。
• 電気式ルモントワール時計には、ルモントワールと呼ばれる小さなバネまたは重り付きレバーで回転する歯車列があり、電動モーターまたは電磁石によって頻繁に巻き上げられます。この機構は、頻繁に巻き上げることで、バネがほどけるときに変化する力によって生じる時計の速度の変動を平均化するため、主ゼンマイよりも正確でした。1970 年代まで、精密振り子時計や自動車用時計に使用されていました。
• 電磁時計は振り子またはテンプで時間を刻みますが、時計を動かし続けるためのパルスは機械的な動きや脱進機のリンクではなく、電磁石 (ソレノイド) からの磁力によって供給されます。これは最初の電気時計で使用されたメカニズムであり、アンティークの電気振り子時計に見られます。また、現代の装飾的なマントルピースや卓上時計にもいくつか見られます。
• 同期時計は、同期モーターで時計の歯車を駆動することにより、AC電力網の50または60Hzの商用周波数をタイミングソースとして使用します。基本的には、電源のサイクル数をカウントします。実際の周波数は電力網の負荷によって異なる場合がありますが、24時間あたりのサイクルの総数は厳密に一定に維持されるため、これらの時計は停電がない限り、長期間にわたって正確な時間を保つことができます。数か月間では、一般的なクオーツ時計よりも正確です。これは1930年代から最も一般的なタイプの時計でしたが、現在では主にクオーツ時計に置き換えられています。
• 音叉時計は、特定の周波数で調整された音叉の振動をカウントすることで時間を計ります。これらは電池式でのみ製造されていました。電池式時計は、同期ムーブメントを除いて上記の方式を使用して製造されてきました。すべての電池式時計は、低コストのクォーツムーブメントに大部分置き換えられました。
• クオーツ時計は、振動する水晶の振動数を数えて時間を計る電気時計です。現代の低電圧DC電源回路を使用しており、電池または主電源から供給されます。現在最も一般的なタイプの時計です。メーカーが提供するクオーツ時計や腕時計の誤差は通常1週間に数秒ですが、それ以上の場合もあります。 ^[1]安価なクオーツムーブメントは、多くの場合、1か月に30秒（1日1秒、1年6分）以内で時間を計るよう指定されています。 ^[2]調整が可能な場合は、個別のキャリブレーションによって誤差を低減できますが、特に温度変化に対する発振器の安定性に依存します。より高い精度はより高いコストで実現できます。
• 電波時計は、世界中の専用局から放送される電波時刻信号を介して、 UTC 原子時計の時刻スケールと定期的に同期されるクオーツ時計です。クロックラジオとは異なります。

1814年、ロンドンのフランシス・ロナルズ卿が最初の電気時計を発明しました。^{[3]この時計は}乾電池で駆動されました。乾電池は高電圧で寿命が非常に長いのですが、電気特性が天候によって変化するという欠点がありました。^[4]彼は電気を制御するさまざまな手段を試し、これらのモデルはさまざまな気象条件で信頼できることが証明されました。^[5]

1815年、ヴェローナのジュゼッペ・ザンボーニは乾電池と振動球で動く別の静電時計を発明し、披露した。彼のチームは何年もかけて改良された時計を製作し、後に「電気柱によってこれまで作られた中で最もエレガントで同時に最もシンプルな動き」と評された。^[6]ザンボーニの時計はピボットで支えられた垂直の針を持ち、エネルギー効率が非常に良かったため、1つの電池で50年以上作動することができた。

1840 年、スコットランドの時計および計器製造業者であるアレクサンダー ベインは、電流で動く時計を初めて発明し、特許を取得しました。彼の最初の電気時計の特許は、1840 年 10 月 10 日付です。1841 年 1 月 11 日、アレクサンダー ベインは、クロノメーター製造業者のジョン バーワイズとともに、バネや重りの代わりに電磁 振り子と電流を使用して時計を動かし続ける時計に関する別の重要な特許を取得しました。その後の特許は、彼の最初のアイデアを拡張したものです。

1840 年頃、ヨーロッパとアメリカでは、ホイートストン、シュタインハイル、ヒップ、ブレゲ、ガルニエ など、多くの人が電気機械式および電磁気式の設計による電気時計の発明に熱心に取り組んでいました。

ドイツ生まれの時計職人マテウス・ヒップは、量産型の電気時計を確立したと言われています。ヒップはロイトリンゲンに工房を開き、電気時計を開発してヒップ・トグルを1843年のベルリンでの博覧会で発表しました。ヒップ・トグルは振り子またはテンプに取り付けられた装置で、振り子またはホイールの振幅が一定レベル以下に低下すると、電気機械的に時折振り子またはホイールに衝撃または駆動力を与えます。非常に効率的であったため、その後100年以上にわたって電気時計に使用されました。ヒップは小型モーターも発明し、時間測定用の クロノスコープと記録クロノグラフも製造しました。

最初の電気時計には目立つ振り子が付いていました。これは、その形とデザインが一般的だったためです。らせん状のテンプを備えた小型の時計や腕時計は、振り子時計と同じ原理で作られています。

1918年、ヘンリー・エリス・ウォーレンはマサチューセッツ州アッシュランドで、電力網の振動から時間を計る最初の同期電気時計を発明しました。^{[7] [8]} 1931年、シンクロックは英国で販売された最初の商用同期電気時計でした。^[8]

従来の時計機構に何らかの形で電気を動力として利用する時計は、電気機械式時計です。電気 (AC または DC) 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、ゼンマイまたは重りで駆動する時計は、電気機械式時計です。電気機械式時計では、電気は時間管理の役割を果たしません。時間管理の機能は振り子によって制御されます。19 世紀末近くに乾電池が利用可能になったことで、時計に電力を使用することが実用的になりました。電気の使用により、時計とモーターの設計にさまざまなバリエーションが生まれました。電気機械式時計は個別の時計として作られましたが、最も一般的には同期された時間設備の不可欠な部分として使用されました。電信の経験により、リモート クロック (スレーブ クロック) をワイヤ経由で制御 (マスター クロック) クロックに接続できるようになりました。目標は、各時計が正確に同じ時間を表示する時計システムを作成することでした。マスター クロックとスレーブ クロックは電気機械式時計です。マスタークロックには、電気的に巻き戻される従来の自動巻き時計機構があります。スレーブクロック機構は、ラチェット ホイールとタイム トレインのみで構成されているため、従来のクロック機構とは異なります。スレーブ クロックは、マスター クロックからの電気インパルスを利用して、時計の針を 1 単位の時間だけ機械的に動かします。同期時間システムは、1 つのマスター クロックと任意の数のスレーブ クロックで構成されます。スレーブ クロックは、マスター クロックにワイヤで接続されます。これらのシステムは、教育機関、企業、工場、輸送ネットワーク、銀行、オフィス、政府施設など、複数の時計が使用される場所で使用されています。このタイプのシステムの注目すべき例は、ショート シンクロノーム クロックで、これは電気機械式重力ルモントワールの一例です。これらの自動巻き時計システムは通常、低電圧 DC でした。これらは 1950 年代を通じて設置され、その頃には同期モーター クロックを備えたシステムが時計システムの選択肢になりつつありました。

この装置の構成は比較的非常に単純で信頼性が高く、電流は振り子または電気機械 振動子に電力を供給します。

電気機械振動子部品には、2 つのインダクタを通過する磁石が取り付けられています。磁石が最初のインダクタまたはセンサーを通過すると、単純な増幅器が2 番目のインダクタに電流を流し、2 番目のインダクタは電磁石として機能して、動いている振動子にエネルギー パルスを提供します。この振動子は時計の精度を担っています。振動子が存在しないか、振動子が動いていない場合、電子部品は電気パルスを生成しません。機械振動子の共振周波数は、1 秒あたり数回である必要があります。

同期式電気時計には、振り子やテンプなどの計時用発振器は含まれておらず、代わりに壁のコンセントから供給される交流電力の振動を数えて時間を計ります。同期式電気時計は、減速ギア列を介して時計の針を回す小型の交流同期モーターで構成されています。^[9] モーターには、鉄製のローターを回転させる回転磁界を生成する電磁石が含まれています。モーターシャフトの回転速度は、商用周波数に同期しています。北米と南米の一部では毎秒 60 サイクル (Hz)、その他のほとんどの国では毎秒 50 サイクルです。ギア列はこの回転を調整し、分針が 1 時間に 1 回転します。したがって、同期式時計は、時計というよりも機械式カウンターと見なすことができます。機械式カウンターの針は、交流電流のサイクル数を連続してカウントします。^[9]

時計の針を回す歯車の 1 つに、滑り摩擦継手付きのシャフトが付いており、背面または底面のノブで時計の針を手動で回して時計を設定できます。

同期モーター時計は、繊細な振り子やバランスホイールがないため、頑丈です。ただし、一時的な停電により時計が停止し、電源が回復したときに間違った時刻が表示されます。同期時計の中には ( Telechronなど)、停止して再起動したかどうかを示すインジケーターが付いているものもあります。

一部の電気時計には、1サイクルの電力で1回転する単純な2極同期モーターが搭載されています。つまり、  60Hzで3600 RPM 、50Hzで3000 RPMです。 ^[10] しかし、ほとんどの電気時計には、より多くの磁極（歯）を持つローターがあり、その結果、ライン周波数のより小さな分数で回転します。これにより、針を回転させる歯車列をより少ない歯車で構築でき、コストを節約できます。^[11]

同期クロックの精度は、電力会社が電流の周波数を公称値の 50 ヘルツまたは 60 ヘルツにどれだけ近づけるかによって決まります。電力会社の負荷変動によって周波数が変動し、1 日のうちに数秒の誤差が生じることがありますが、電力会社はUTC原子時計時間を使用して電流の周波数を定期的に調整し、1 日の総サイクル数が正確に公称値の平均周波数になるようにすることで、同期クロックに誤差が蓄積されないようにします。^[12]たとえば、ヨーロッパの電力会社は、24 時間の総サイクル数が正しくなるように、1 日に 1 回グリッドの周波数を制御します。^{[13] [検証に失敗]米国の電力会社は、累積誤差が 3～10 秒に達すると周波数を修正します。この修正は、}時間誤差修正(TEC) として知られています。

2011年、コンセンサスに基づく業界団体である北米電力信頼度協会（NERC）^[14]は、連邦エネルギー規制委員会（FERC）^[15]にTECを廃止するよう請願した。これにより、電力会社は罰金の脅威から解放され、周波​​数安定性もわずかに向上したが、壁掛け時計、目覚まし時計、電力に基づいて時間を計算するその他の時計を含む同期時計では、半年ごとのサマータイムのリセット間で数分の誤差が蓄積されることも指摘された。^[16]この結果は米国のニュースメディアで報道され、^[17]このイニシアチブは取り下げられた。しかし、2016年後半にNERCからFERCに同様の提案が再度提出され、2か月後に承認された。^[12] これはWEQ-006規格の廃止を条件としており、NERCはビジネス志向の非政府組織である北米エネルギー基準委員会（NAESB）^[18]にもその規格の廃止を請願した。FERCがNAESBの請願を採用した場合、米国とカナダではTECが使用されなくなり、TECで計時された時計は手動でリセットされるまで制御不能に迷い込む可能性が高いが、2021年時点でWEQ-006はまだ導入されている。^[19]米国立標準技術研究所と米国海軍天文台の職員による技術論文では、2016年にTECが導入されていなかったら、米国とカナダの大部分で電気的に計時された時計が7分以上遅れていたであろうと指摘されており、論文の図8に示されている。^[12]

1930年代の最も初期の同期時計は自動始動式ではなく、背面のスターターノブを回して始動させる必要がありました。^{[9]これらの}スピンスタート時計 の設計上の欠陥は、モーターがどちらの方向にも始動できることでした。そのため、スターターノブを間違った方向に回すと、時計は逆方向に動き、針は反時計回りに回転します。後の手動スタート時計には、逆方向への始動を防ぐラチェットまたはその他のリンクが付いていました。シャドウポールモーターの発明により、自動始動時計の製造が可能になりましたが、時計は停電後に再起動するため、停電時に停止するのではなく、不正確な時間を示していました。

• マスタークロック
• ショートシンクロノーム時計
• 自動巻き時計

• ビラデス、ミシェル。電気時計の歴史
• カッツ、ユージェニー。アレクサンダー・ベインの伝記
• ジュゼッペ・ザンボーニの永久電動機
• チャーキン、K. 電気機械式時計。ラジオ、 7 (1968): p. 43。