グラスホッパー脱進機

グラスホッパー脱進機は、 1722年頃にイギリスの時計職人ジョン・ハリソンが発明した、振り子時計用の低摩擦脱進機である。機械式時計の一部である脱進機は、時計の振り子を定期的に押して振り続ける機構であり、振り子が振れるたびに時計の歯車が一定量前進し、針が一定の速度で前進する。グラスホッパー脱進機は、ハリソンの時代に作られたいくつかの調整式時計や、その後数年間に作られたいくつかの調整式時計で使用されたが、広く使用されることはなかった。この関係で「グラスホッパー」という用語は、パレットの蹴り動作に由来していると思われるが、 19世紀後半のHorological Journalに初めて登場した。 ^[1]

ジョン・ハリソンは、彼の調速時計と、最初の 3 つの海洋用タイムキーパー H1 - H3 にグラスホッパー脱進機を使用しました。^[要出典]経度位置の決定は、海洋航行における大きな問題でした。ニュートンは、天文学的な測位を使用できると主張しましたが、より簡単な理論的可能性は、特定の基準位置での正確な時刻の知識を使用することでした。測定が容易な現地時間と基準位置の時間差は、24 時間が 360 度の経度に相当するため、基準位置と船舶の経度の差を与えます。この問題の解決策には多額の賞金が提供され、ハリソンは高精度のタイムキーパーの考案と構築に人生を捧げました。精度と摩擦が主な問題でした。グラスホッパー脱進機の 2 つの利点は、その動作の再現性と潤滑油が不要であることです。その動作の再現性は、その設計に内在しています。一方のパレットは、もう一方のパレットが噛み合うことによってのみ解放されます。振り子に与えられる衝撃は、このようにして完全に規則正しくタイミングをとる。ハリソンが入手できた潤滑剤は質が悪く、汚れやすく、寿命が短かった。つまり、従来の時計は頻繁に停止して清掃と注油をしなければならなかった。ハリソンは、清潔で絶対的に安定したグラスホッパー脱進機を使用して、時計の性能に関する一連の長期調査を開始し、^{[2]温度変化による膨張と収縮の影響を打ち消す}グリッドアイアン振り子を発明した。改良した時計の性能は、今度は彼が海洋時計をテストするための正確で便利な基準となった。

ハリソンは、リンカンシャーのブロックルズビー・ホールの厩舎に設置するタレット時計用に作った従来のアンカー脱進機からグラスホッパー脱進機を開発した。これは信頼性が低く、^[3]何度も手入れが必要でハリソンを不便にさせたため、1722年頃にアンカーの各アームの中央にヒンジを付けて脱進機を改良した。ヒンジ付きのパレットは両方とも同じ方向を向いており、ガンギ車の回転と反対を向いている。ガンギ車がパレットを押すと、ヒンジはガンギ車から離れる。パレットは、アンカーを押すときに、ホイールとの接触点を中心に旋回する。同時に、もう一方のパレットがホイールに近づいている。ホイールに接触すると、わずかに後方に押し、ホイールと最初のパレットの接触が解除される。両方のパレットはわずかに尾が重いため、自然にホイールから離れる傾向がある。したがって、最初のパレットはガンギ車の経路から外れ、振り子を動かす役割は 2 番目のパレットに移ります。

最初のパレットはストッパーに当たって止まり、正しい位置に保持されるため、振り子が 2 番目のパレットに押されて移動の終わりに達すると、最初のパレットは再びホイールの経路に下降します。ホイールと接触し、振り子の勢いによってホイールをわずかに後方に押します。これにより 2 番目のパレットが解放され、振り子を動かす役割が再び最初のパレットに移り、ストッパーまで優雅に後退します。パレットがヒンジ上でわずかに動くため、従来の脱進機の滑り接触よりもはるかに摩擦が少なくなります。潤滑油は必要なく、摩耗もほとんどないため、ハリソンはパレットを木製にすることができました。ブロックルズビー・パークの元々のパレットのうち1つは、2005年に時計が改修されたときもまだ動いていましたが^[4]、もう1つは1880年の事故の後に交換されたばかりでした。ハリソンは後に脱進機のレイアウトを変更し、片方のパレットを押すのではなく引っ張るようにし、ピボットアームの端に小さなフックを付けてガンギ車の歯に接触させました。また、両方のヒンジ軸を共通のピンに取り付けました。

パレットがガンギ車を後方に押すとき、パレットはストッパーに対しても強く押されます。摩耗や損傷を防ぐため、ストッパーは曲がるように設計されています。各ストッパーは、パレットと同じ軸の周りにヒンジで取り付けられています。パレットはテールが重いですが、ストッパーはノーズが重いため、ホイールの方に落ちる傾向があります。ストッパーはノーズが十分に重いため、パレットとストッパーの組み合わせもホイールの方に落ちる傾向がありますが、これはアンカーの固定ピンによって防止されます。つまり、ピンがストッパーを保持し、ストッパーがパレットを適切な位置に保持して、ガンギ車ときれいに噛み合うようにします。パレットがホイールに接触すると、ホイールを後方に押し、その際にストッパーがピンから外れます。次にホイールがパレットを押すと、ストッパーがピンに戻ってパレットから離れます。各ストッパーは、到着するパレットの勢いによって、各サイクルで 1 回ピンから外れます。

パレットがホイールの邪魔にならないように移動する傾向には、いくつかの重大な結果があります。まず、ガンギ車への駆動が中断されるとパレットが接触を失い、駆動が回復すると、ガンギ車が拘束されずに急激に制御不能に加速する可能性があります。^[5]時計の巻き上げ中にこのようなことが起きないように、ハリソンは最も長持ちするメカニズムの 1 つである保持力機構を発明しました。これは現在でも時計や腕時計で広く使用されています。通常の構造では、これは、ムーブメントの最初の (そして最も回転の遅い) 駆動ギアと、重り (またはバネ) が取り付けられているバレルの間に挟まれ、それらと同軸になっているラチェット ホイールで構成されています。時計が巻き上げられると、バレルが逆方向に動き、保持ホイールのラチェットがバレルに切り込まれた歯の上を滑ります。ただし、保持ホイールと最初のギアの間にバネがあり、それがギアに押し付けられるため、最初のギアは前方に駆動されます。その際、保持ホイールを後方に押し出そうとします。これを防ぐには、時計のフレームに固定された爪を使います。爪は、保持ホイールの縁に切り込まれた歯と噛み合います。時計が完全に巻き上げられると、キーの圧力が解放され、バレルが保持ホイールと最初のギアを通常の方法で駆動します。また、保持スプリングを巻き戻して、次に時計を巻き上げる準備を整えます。通常の動作中は、保持ホイールが逆方向に動くのを防ぐ爪は、保持ホイールの歯の上を滑ります。

パレットがホイールの邪魔にならないように移動する傾向の2番目の結果は、時計が動き出して停止すると、両方のパレットが停止位置に戻ることです。^[5]片方または両方のパレットの端が、ガンギ車の歯の間の隙間に収まるほど長くなければ、時計が巻き上げられるとすぐにホイールが自由に動きます。停止用のヒンジが汚れて上がった位置で動かなくなると、同じ問題が発生する可能性があります。

精度の劣る他の脱進機と同様に、グラスホッパーは振り子をその周期を通して前後に押し、振り子が自由に振動することは決して許されない。^{[5]これにより、}調和振動子としての振り子の自然な動きが妨げられる。ハリソンがグラスホッパーを発明したのとほぼ同時期に、ジョージ・グラハムは、 1675年にリチャード・タウンリーが発明したデッドビート脱進機の改良版^[6]を導入し、これにより振り子はその周期のほとんどで実質的に妨げられることなく振動するようになった。この正確な脱進機は、精密レギュレーター時計の標準となった。^[6]

こうしたさまざまな特異性のため、グラスホッパー脱進機は広く使われることはありませんでした。^[5] ハリソンはそれを試作した海洋クロノメーターH1 - H3に使用し、^[7]ジャスティンとベンジャミン・ヴュリアミーはハリソンの設計を使用して少数のレギュレーターを製作しましたが、^[8]それは今日でもハリソンの時代と同じように、輝かしくユニークな珍品として残っています。

ジョン・ハリソンのグラスホッパー脱進機に敬意を表して作られたユニークな公共時計、コーパス・クロックが、2008年9月19日にイギリスのケンブリッジにあるケンブリッジ大学コーパス・クリスティ・カレッジで公開されました。実業家のジョン・テイラーは、この機械式時計の製作に100万ポンドを費やしました。ハリソンの脱進機が十分に知られていないと感じたため、時計のグラスホッパー脱進機は時計の上部に露出しており、「クロノファージ」または「タイムイーター」と呼ばれる悪魔のバッタの形をしており、リズミカルに口を開けたり閉じたりして、時間をむさぼり食うことを表現しています。

直径 1.5 メートルのこの時計には、他にも注目すべき特徴が数多くあります。針はなく、代わりに 3 組の同心円状の環状ディスクが積み重ねられており、各組は時間、分、秒を表し、スロットとレンズが付いており、密閉された連続点灯の発光ダイオードセットからの光が選択的に放出されます。各ディスクのスロットの配置と各組の先頭のディスクの回転によりバーニヤ効果が生まれ、時計の文字盤の 3 つの同心円状の円周の周りを光がさまざまな速度で回転しているような錯覚を生み出します。

振り子は速くなったり遅くなったり、時には止まったりしますが、5分ごとに正しい時間に戻ります。テイラーは自分自身の死を思い出すためにこの時計を設計しました。^[9]

グラスホッパー型脱進機は、腕時計用のまったく新しい機構に使用されています^[要出典] 。この新しいタイプの機械式レギュレーターは、脱進機と振動子の両方に柔軟な構造を使用しています。シリコンホイールは1時間に約86,400回振動し、従来の腕時計の約3倍の速さです。最初の開発は、スイスの物理学者ピエール・ジュヌカンを主任発明者として、スイス電子工学マイクロテクノロジーセンター(CSEM) で行われました。 ^[10]摩擦を可能な限り排除することで、このような時計は巻き戻した後も1か月以上作動し、並外れたパワーリザーブを実現しています。^{[11]このような新しい}キャリバー(ムーブメント)のプロトタイプは、パルミジャーニ・フルリエによって展示されています。^[12]

グラスホッパー脱進機は、マーティン・バージェスによる彫刻的な時計（バージェス・クロックBとして知られる）の重要な部分です。ジョン・ハリソンの後期レギュレーター・クロックの技術に基づいた一対のうちの1つで、所有者のドナルド・サフの依頼によりチャールズ・フロシャム＆カンパニーによって完成されました。そこでのテストに成功した後、長期にわたる性能の詳細な評価のためグリニッジの王立天文台に移送されました。 ^{[13]これは、}名誉ある時計職人の会社と国立物理学研究所によって監督され、代表者は時計のケースに改ざん防止シールを取り付けました。時計は電気的に巻き上げられているため、評価中に時計が乱れることはありませんが、それ以外は完全に機械式です。100日が経過した時点で、最大誤差は5/8秒を超えませんでした。時間（速度）の定常的なドリフトを考慮する必要はありませんでした。その結果、2015年4月18日、ギネス世界記録機構はマーティン・バージェスに、自由大気中で作動する最も正確な純粋に機械的な時計を製作したとして世界記録証明書^[14]を授与しました。時計は現在もROGに保管されていますが、2017年にハリソン海洋時計のギャラリーに移され、引き続きその性能を監視しています。

• Headrick, Mark. 「グラスホッパー エスケープメント」。abbeyclock.com 。 2015 年 4 月 24 日閲覧。操作を示すアニメーション図。
• ベンジャミン・ヴュリアミーのレギュレーター時計 — ヴュリアミーによる 1780 年のレギュレーターのムーブメント。グラスホッパー脱進機を採用した数少ない時計の 1 つ。
• 2 ピボット グラスホッパー エスケープメント - YouTube の John Harrison による、グラスホッパー エスケープメントの 2 ピボット バリアントの 3D アニメーション。より対称的なため、理解しやすいですが、一般的には使用されていません。
• ワン ピボット グラスホッパー エスケープメント - YouTube の John Harrison は、グラスホッパー エスケープメントのよりコンパクトなワン ピボット形式の 3D アニメーションです。
• YouTube の Grasshopper Escapement: むき出しのグラスホッパー エスケープメントの鮮明な画像。
• 2015 年 1 月 19 日、英国王立天文台のバージェス クロック B が YouTube で公開されました。実際に機能している高精度の時計のグラスホッパー脱進機の限定画像です。
• バージェス クロック B -グラスホッパー脱進機を使用して 100 日で 1 秒未満の精度を実現するマーティン バージェスによるクロック B の説明。