バランススプリング

ひげぜんまいは、機械式時計のテンプに取り付けられたバネです。時計が動いているときに、ひげぜんまいによってテンプが共振周波数で振動し、時計の歯車の回転速度、つまり針の動きの速度が制御されます。調整レバーが取り付けられていることが多く、これを使用してバネの自由長を変更し、時計の速度を調整できます。

テンプスプリングは、機械式時計、目覚まし時計、キッチンタイマー、海洋クロノメーター、およびその他の計時機構で、テンプの振動速度を制御するために使用される、細い螺旋状またはらせん状の ねじりバネです。テンプスプリングはテンプに不可欠な付属物であり、テンプを前後に振動させます。テンプスプリングとテンプホイールは一緒に調和振動子を形成し、外部の妨害に抵抗しながら正確な周期または「ビート」で振動し、計時の精度を担っています。

1657年頃、ロバート・フックとクリスティアーン・ホイヘンスがテン輪にひげゼンマイを追加したことで携帯用時計の精度が大幅に向上し、初期の懐中時計は高価な新奇なものから実用的な時計へと変貌しました。ひげゼンマイの改良により、それ以降の精度はさらに大幅に向上しました。現代のひげゼンマイは、ニバロックスなどの特殊な低温度係数合金で作られており、温度変化による歩度への影響を軽減し、主ゼンマイの消耗に伴う駆動力の変化の影響を最小限に抑えるように注意深く形成されています。1980年代以前は、ほぼすべての携帯用時計にひげ輪とひげゼンマイが使用されていましたが、ここ数十年で電子クオーツ計時技術が機械式時計に取って代わり、ひげゼンマイは主に機械式時計で使用されています。

1660年頃にイギリスの物理学者ロバート・フックが発明したのか、オランダの科学者クリスティアーン・ホイヘンスが発明したのかについては論争があり、おそらくフックが最初にアイデアを思いついたが、ヒゲゼンマイを使用した最初の機能する腕時計を作ったのはホイヘンスである。 ^{[2] [3]} それ以前にも、ゼンマイのないテンプやフォリオットが時計や腕時計に使用されていたが、これらは駆動​​力の変動に非常に敏感で、主ゼンマイがほどけると時計が遅れる原因となっていた。ヒゲゼンマイの導入により懐中時計の精度が大幅に向上し、おそらく1日に数時間^[4]から10分^[5]に向上し、初めて実用的な計時装置となった。最初のヒゲゼンマイは数回転のみであった。

初期の腕時計のいくつかにはウォームドライブを使用したバローレギュレーターが搭載されていましたが、最初に広く使われたレギュレーターは、1680年頃にトーマス・トンピオンによって発明されました^。[6] トンピオンのレギュレーターでは、カーブピンが半円形の歯付きラックに取り付けられており、歯車にキーを取り付けて回すことで調整されました。現代のレギュレーターは、テンプホイールと同心円状に回転するレバーで、1755年にジョセフ・ボズレーによって特許を取得しましたが、19世紀初頭までトンピオンレギュレーターに取って代わることはありませんでした。^[7]

テンプの速度を調節するため、テンプスプリングには通常、レギュレーターが付いています。レギュレーターは、テンプコックまたはブリッジに取り付けられた可動レバーで、テンプと同軸に回転します。レギュレーターの一方の端には、カーブピンと呼ばれる下向きに突き出た 2 本のピン、またはカーブピンとブーツと呼ばれるより重い部分を持つピンによって、狭いスロットが形成されています。テンプスプリングの外側の端は、テンプコックに固定されたスタッドに固定されています。次に、スプ​​リングの外側の端がレギュレーターのスロットを通過します。スタッドとスロットの間のスプリングの部分は固定されているため、スロットの位置によってスプリングの自由長が制御されます。レギュレーターを動かすと、スロットがスプリングの外側の端に沿ってスライドし、有効長が変わります。スロットをスタッドから遠ざけると、スプリングが短くなって硬くなり、テンプの振動速度が上がり、時計の時間が進みます。

レギュレーターはバネの動きをわずかに妨げ、不正確さの原因となるため、マリンクロノメーターや一部の高級腕時計などの精密時計はフリースプリング式、つまりレギュレーターを備えていません。代わりに、テンプのタイミングネジで速度を調整します。

バランススプリングレギュレータには主に 2 つのタイプがあります。

• トンピオン レギュレータでは、カーブ ピンがセクター ラックに取り付けられ、ピニオンによって動かされます。ピニオンには通常、目盛り付きの銀色または鋼色のディスクが取り付けられています。
• 前述のボズレー レギュレーターでは、ピンはテンプと同軸に回転するレバーに取り付けられ、レバーの先端は目盛りに沿って移動できます。レバーの移動精度を向上させるいくつかのバリエーションがあり、回転可能な螺旋状のカムにレバーがバネで取り付けられているカタツムリレギュレーター、レバーがウォーム ギアで移動するマイクロメーター、レバーの位置が細いネジで調整され、レバーが湾曲した白鳥の首の形をしたバネでネジに接触している白鳥の首またはリードレギュレーターなどがあります。これは、アメリカ人のジョージ P. リードによって発明され、1867 年 2 月 5 日付けの米国特許番号 61,867 で特許を取得しました。

豚の毛または豚の剛毛のレギュレーターもあります。これは、硬い繊維がテンプの弧の端に配置され、テンプを緩やかに停止させてから元に戻すものです。弧を短くすることで時計が加速します。これはテンプスプリング レギュレーターではなく、テンプスプリングが発明される前の最も初期の時計で使用されていました。

バロー レギュレーターもありますが、これは実際にはメインスプリングに「セットアップ テンション」を与える 2 つの主な方法のうちの、より初期の方法です。セットアップ テンションは、フュゼ チェーンを張った状態に保つために必要ですが、実際に時計を動かすには十分ではありません。バージ ウォッチはセットアップ テンションを調整することで調整できますが、前述のレギュレーターのいずれかが存在する場合、これは通常行われません。

ヒゲゼンマイにはさまざまな素材が使われてきました。初期には鋼が使われていましたが、硬化や焼き戻しの工程は施されていませんでした。そのため、これらのゼンマイは徐々に弱くなり、時計は遅れ始めました。^[要出典]ジョン・アーノルド などの時計職人は金を使用しましたが、金は腐食の問題を回避しますが、徐々に弱くなるという問題は残ります。硬化・焼き戻しされた鋼はジョン・ハリソンによって初めて使用され、その後 20 世紀まで選ばれる素材でした。

1833年、EJデント（国会議事堂の大時計の製作者）はガラス製のひげゼンマイを試作した。これは鋼鉄よりも熱の影響を受けにくく、必要な補正量も少なく、錆びることもなかった。ガラス製のひげゼンマイを使った他の実験では、製造が難しく高価であることが判明し、壊れやすいという認識が広まっていた。この認識は、グラスファイバーや光ファイバー素材の時代まで続いた。^[8]エッチング加工 されたシリコン製のひげゼンマイは20世紀後半に導入され、磁化の影響を受けない。^[9]

材料の弾性係数は温度に依存します。ほとんどの材料では、この温度係数は十分に大きいため、温度の変化はテンプとテンプスプリングの計時に大きな影響を与えます。フックやホイヘンスなど、テンプスプリングを備えた時計を最初に製造した人たちは、この影響を観察しましたが、解決策を見つけることができませんでした。

ハリソンは、海洋クロノメーターの開発の過程で、この問題を解決しました。これは本質的には、温度に応じてテンプの有効長さを調整するバイメタル温度計です。この方式は、ハリソンが経度法で定められた基準を満たすのに十分機能しましたが、広く採用されることはありませんでした。

1765年頃、ピエール・ル・ロワ（ジュリアン・ル・ロワの息子）が補正テンプを発明し、これが腕時計やクロノメーターの温度補正の標準的な方法となった。この方法では、温度に敏感な機構によって、テンプの形状を変えたり、テンプのスポークやリム上の調整用おもりを動かしたりした。これによりテン輪の慣性モーメントが変化し、その変化が調整されて、テン輪バネの弾性係数の変化を補正する。トーマス・アーンショウの補正テンプ設計は、単にバイメタルリムを持つテン輪で構成されており、温度補正の標準的な解決策となった。

補正テンプは、テンプスプリングの温度の影響を補正する方法として効果的でしたが、完全な解決策を提供することはできませんでした。基本設計は「中間温度誤差」の問題を抱えています。つまり、極端な温度で補正が正確に調整されると、その極端な温度の間の温度ではわずかにずれてしまいます。これを回避するため、さまざまな「補助補正」メカニズムが設計されましたが、どれも複雑で調整が難しいという問題がありました。

1900 年頃、エリンバーの発明者シャルル・エドゥアール・ギヨームによって、根本的に異なる解決策が生み出されました。エリンバーは、弾性率が温度にほとんど影響されないという特性を持つニッケル鋼合金です。エリンバー製ヒゲゼンマイを装着した時計は、温度補正がまったく必要ないか、またはほとんど必要ありません。これによりメカニズムが簡素化され、中間温度誤差も排除されるか、少なくとも大幅に減少します。

ヒゲゼンマイはフックの法則に従います。つまり、復元トルクは角度変位に比例します。この特性が正確に満たされている場合、ヒゲゼンマイは等時性があると言われ、振動周期は振動の振幅に依存しません。機械式駆動列は絶対的に一定の駆動力を提供することはできないため、これは正確な計時にとって不可欠な特性です。これは特に、巻き戻されるにつれて駆動力が減少する主ゼンマイで駆動される腕時計や携帯用時計に当てはまります。駆動力が変化するもう 1 つの原因は摩擦であり、これは潤滑油の経年変化とともに変化します。

初期の時計職人は、経験的にヒゲゼンマイを等時性にする方法を見出しました。例えば、アーノルドは1776年に、バネの両端が内側に巻かれたらせん状（円筒形）のヒゲゼンマイの特許を取得しました。1861年にM.フィリップスはこの問題の理論的処理を発表しました。^{[10]彼は、}重心 がテンプの軸と一致するヒゲゼンマイは等時性であることを実証しました。

一般的に、等時性を実現する最も一般的な方法はブレゲ オーバーコイルを使用することです。ブレゲ オーバーコイルは、ヘアスプリングの最も外側の巻きの一部を、スプリングの残りの部分とは異なる平面に配置します。これにより、テンプの回転時に、ヘアスプリング コイルがより均一かつ対称的に伸縮します。オーバーコイルには、段階的オーバーコイルと Z ベンドの 2 種類があります。段階的オーバーコイルは、ヘアスプリングに 2 つの段階的なねじれを加えることで得られ、半円周にわたって第 2 平面への上昇を形成します。Z ベンドは、補完的な 45 度の角度の 2 つのキンクを加えることでこれを実現し、約 3 つのスプリング セクションの高さで第 2 平面への上昇を実現します。2 番目の方法は美観上の理由で行われ、実行がはるかに困難です。オーバーコイルを形成するのが難しいため、現代の時計では、やや効果の低い「ドッグレッグ」がよく使用されます。これは、一連の鋭い曲げ (平面内) を使用して、最も外側のコイルの一部をスプリングの残りの部分の邪魔にならないように配置します。

テンプのばねとテン輪（通常は単にテンプと呼ばれる）は調和振動子を形成します。テンプのばねはテンプの動きを制限して逆転させる復元トルクを提供し、テンプは前後に振動します。その共振周期により、テンプは摂動力による変化に抵抗し、これがテンプを優れた計時装置にしているのです。ばねの硬さ、ばね係数（N·m/radian^2）とテン輪の慣性モーメント（kg·m ² ）によって、ホイールの振動周期が決まります。テンプの運動方程式は、フックの法則の角度形式とニュートンの第 2 法則の角度形式から導かれます。 ${\displaystyle \kappa \,}$${\displaystyle I\,}$ ${\displaystyle T\,}$$${\displaystyle \tau =-\kappa \theta =I\alpha \,\ .}$$

${\displaystyle \alpha \,}$は角加速度です。上記の式を変形すると、車輪の運動に関する次の微分方程式が得られます。 ${\displaystyle d^{2}\theta \,/dt^{2}}$$${\displaystyle {\frac {d^{2}\theta }{dt^{2}}}+{\frac {\kappa }{I}}\theta =0\,}$$

この天秤の運動方程式の解は単振動、つまり一定周期の正弦運動です。 $${\displaystyle \theta (t)=A\cos \left({\sqrt {\frac {\kappa }{I}}}t\right)+B\sin \left({\sqrt {\frac {\kappa }{I}}}t\right)\,}$$

したがって、上記の結果から、振動の周期に関する次の式を導き出すことができます。 この周期が時計の速度を制御します。 $${\displaystyle T=2\pi {\sqrt {\frac {I}{\kappa }}}\,}$$

• 計時装置の歴史