ぜんまい

ゼンマイばねは、金属リボン（通常はバネ鋼）でできた螺旋状のねじりばねで、機械式腕時計、一部の置き時計、その他のぜんまい仕掛けの機構の動力源として使用されます。ノブまたはキーを回して時計を巻き上げると、らせん状の部分がきつくねじられてゼンマイにエネルギーが蓄えられます。ゼンマイの力で時計の歯車が回転し、次の巻き上げが必要になるまで回転し続けます。形容詞の「 wind-up」や「spring-powered」は、キッチンタイマー、メトロノーム、オルゴール、ゼンマイ仕掛けのおもちゃ、ぜんまい仕掛けのラジオなど、ぜんまいで動く機構を指します。

現代の腕時計の主ゼンマイは、長さ 20～30 cm、厚さ 0.05～0.2 mm の、硬化および青焼きされた鋼または特殊な合金鋼の長い帯です。一般的な 1 日巻きムーブメントの主ゼンマイは、時計が 36～40 時間作動するように計算されています。つまり、毎日の巻き上げ間隔は 24 時間で、所有者が時計を遅く巻き上げた場合でも 12～16 時間のパワーリザーブが確保されます。これは、手巻き式時計と自動巻き式時計の通常の標準です。週巻きの時計に使用される 8 日巻きムーブメントは、少なくとも 192 時間駆動しますが、より長い主ゼンマイとより大きな香箱を使用します。時計の主ゼンマイは、大きい点だけが時計のゼンマイに似ています。

1945年以降、炭素鋼 合金は、新しい特殊合金（鉄、ニッケル、クロムにコバルト、モリブデン、ベリリウムを加えたもの）や冷間圧延合金（構造硬化）にますます取って代わられてきた。時計職人の間では「ホワイトメタル」バネ（青焼き炭素鋼とは対照的）として知られているこれらは、ステンレス製で、より高い弾性限界を持つ。永久的な曲がり（疲労）が少なく、破損の危険性もほとんどない。また、実質的に非磁性の合金もある。独自の合金には、セイコー製のSPRONやスウォッチグループのNivaroxなどがある。^{[1] [2]}

緩んだ状態では、ゼンマイは 3 つの異なる形状で作られています。

• 螺旋巻き: 全体が同じ方向に単純な螺旋状に巻かれています。
• セミリバース：スプリングの外側の端が逆方向に1回転未満（360°未満）巻かれています。
• 逆（弾性）: スプリングの外側の端が逆方向に 1 回以上（360° を超える）巻かれています。

セミリバースタイプとリバースタイプは、ゼンマイのエネルギーがほとんどなくなる動作期間の終了時に余分な力を加え、時計が最後まで一定の速度で動作し続けるようにします。

ゼンマイは軸と呼ばれる軸に巻き付けられ、内側の端が軸に引っ掛けられています。多くの時計では、外側の端は固定された支柱に取り付けられています。ゼンマイは軸を回すことで巻き上げられ、巻き上げられた後にその力で軸が反対方向に回転して時計を動かします。このオープンスプリング配置の欠点は、ゼンマイが巻き上げられている間、その駆動力が時計の動きから取り除かれるため、時計が止まる可能性があることです。このタイプは、巻き上げ中に機構が停止しても問題のない目覚まし時計、オルゴール、キッチンタイマーでよく使用されます。巻き上げ機構には必ずラチェットが取り付けられており、バネがほどけるのを防ぐ爪（時計職人はクリックと呼びます）が付いています。

現代の腕時計で使用されている形式は、ゴーイングバレルと呼ばれ、ゼンマイは軸の周りに巻かれ、自由に回転するバレルと呼ばれる円筒形の箱の中に収められています。ゼンマイは、内側の端で軸に、外側の端でバレルに接続されています。接続部は小さなフックまたはタブで、バネは端の四角い穴に引っ掛けられるため、簡単に交換できます。

ゼンマイは軸を回すことで巻き上げられますが、時計のムーブメントを動かすのは香箱です。この仕組みにより、ゼンマイは巻き上げられている間も時計に動力を供給し続けます。時計を巻くと軸が回転し、ゼンマイが締め付けられて軸にしっかりと巻き付きます。軸にはラチェットが付いており、バネが軸を逆回転させ、巻き戻らないようにクリック音が付いています。巻き上げ後は軸は固定され、ゼンマイの引力で歯車の歯のリングが周囲にある香箱を回転させます。これが時計の歯車の 1 つ、通常はセンターホイール ピニオンとかみ合い、輪列を駆動します。香箱は通常 8 時間で 1 回転するため、一般的な 40 時間のゼンマイは完全に巻き戻すのに 5 回転かかります。

ゼンマイには大きなエネルギーが蓄えられています。分解時に注意を払わないと、ゼンマイが突然解放され、重大な傷害を引き起こす可能性があります。修理の前に、巻き上げキーを押しながらクリックを引き戻すことで、ゼンマイをゆっくりと「緩めて」、ゼンマイをゆっくりと巻き戻します。しかし、「緩めた」状態でも、ゼンマイには危険な残留張力があります。時計職人は、ゼンマイを安全に取り付けたり取り外したりするために、「ゼンマイ巻き上げ機」と呼ばれる道具を使用します。時計の大型ゼンマイは、取り外す前に「ゼンマイクランプ」で固定します。

ゼンマイばねは、15世紀のヨーロッパで、最初のゼンマイ動力時計に登場しました。それは、それまでの機械式時計の動力源であった、滑車に巻き付けられた紐からぶら下がる重りに代わるものでした。1400年頃、コイルばねが錠前に使われるようになり、^[3]初期の時計職人の多くは錠前職人でもありました。^[4]時計にばねが使われるようになったのは、それまでの重りで動く時計よりも時計を小さく持ち運びやすくするためで、1600年までには最初の懐中時計へと進化しました。多くの資料では、ゼンマイばねの発明は、 1511年頃のニュルンベルクの時計職人ペーター・ヘンライン（Henle、またはHeleとも綴られる）によるものだと誤っています。 ^{[5] [6] [7]}しかし、15世紀の資料には「重りのない」携帯可能な時計への言及が多く見られ、少なくとも2つの現存する実例は、その世紀初頭までにゼンマイ駆動の時計が存在していたことを示しています。^{[3] [8] [9]}ゼンマイで動く現存する最古の時計は、ニュルンベルクのゲルマン国立博物館に所蔵されている、金箔を施した華やかな室内時計「ブルグンダーウーア（ブルゴーニュ時計）」で、図像学からブルゴーニュ公フィリップ3世のために1430年頃に作られたものと推測されています。^[3]

最初のゼンマイは、焼き入れや硬化処理を施さずに鋼で作られていた。それらはあまり長くは動かず、1日に2回巻き上げなければならなかった。ヘンラインは、巻き上げ間隔が40時間になる時計を作ったことで有名だった。18世紀のゼンマイ製造方法は、ベルサウド^[10]とブレイキー^{[11]によって説明されている。}

ゼンマイ駆動の時計や腕時計の歴史を通じて問題となっているのは、ゼンマイによって提供される力 (トルク) が一定ではなく、ゼンマイがほどけるにつれて減少することです (グラフを参照)。しかし、正確な時間を保つためには、時計は一定の速度で作動する必要があります。計時機構は完全に等時性というわけではなく、その速度は駆動力の変化の影響を受けます。これは、 1657 年にヒゲゼンマイが登場する前に使用されていた原始的なバージとフォリオットのタイプに特に当てはまりました。そのため、初期の時計は作動中に主ゼンマイが消耗するにつれて速度が低下し、不正確な時間計測を引き起こしました。

この問題に対する 2 つの解決策は、15 世紀初期のゼンマイ動力時計に登場しました。スタックフリードとフュゼです。

スタックフリードは、スプリング軸に取り付けられた偏心カムで、スプリング式のローラーが押し付けられていました。カムは「カタツムリ」の形をしており、スプリングが強く押されている稼働期間の初めには、スプリングがカムの広い部分に当たって強い抵抗力を生み出し、稼働期間の後半にはスプリングの力が弱まると、スプリングがカムの狭い部分に当たって抵抗力も弱まります。スタックフリードは摩擦を多く加え、時計の稼働時間を大幅に短縮したと考えられます。一部のドイツ製時計にのみ使用され、約 1 世紀後には廃止されました。

フュゼは、はるかに長く続いた革新でした。これは円錐形の滑車で、ゼンマイのバレルに巻き付けられたチェーンによって回転します。その湾曲した形状により、リンクの機械的利点が継続的に変化し、ゼンマイが下がるにつれてその力が均等化されます。フュゼは、ゼンマイから一定のトルクを得るための標準的な方法になりました。フュゼは、最初に登場してから 19 世紀にバレルが取って代わるまで、ほとんどのゼンマイ駆動の時計や腕時計に使用され、1970 年代まで 海洋クロノメーターにも使用されました。

ゼンマイの力を均一にするのに役立つ別の初期の装置は、巻き止めまたは巻き上げ止めで、ゼンマイが完全に巻き上げられるのを防ぎ、巻き戻されるのを防ぎます。そのアイデアは、力がより一定である、ゼンマイの「トルク曲線」の中央部分のみを使用するというものでした。最も一般的な形式は、ジュネーブストップまたは「マルタ十字」でした。現代の時計では、巻き止めは必要ありません。

いくつかの精密時計で使用されていた 4 番目の装置は、ルモントワールです。これは、時計の脱進機に動力を与える小さな二次バネまたは重りで、それ自体が主バネによって定期的に巻き戻されます。これにより、計時要素が変化する主バネの力から分離されました。

1760 年にジャン アントワーヌ レピーヌが発明した現代の香箱は、必要以上に長い主ゼンマイを使用し、香箱内で張力をかけながら巻き上げるだけで、一定の力を生み出します。作動中は、一度に数巻きのゼンマイのみが使用され、残りは香箱の外壁に押し付けられます。数学的には、張力によってゼンマイのトルク曲線に「平坦」な部分 (グラフを参照) が作成され、この平坦な部分のみが使用されます。さらに、ゼンマイの外側の端は逆曲線になっていることが多く、S 字型になっています。これにより、作動期間の終わりに向かって、より多くの張力がスプリングの外側の巻きに蓄えられます。その結果、香箱は時計の設計上の作動期間にわたってほぼ一定のトルクを供給します。トルクは、主ゼンマイがほぼ消耗するまで低下しません。

巻き上げバレル内のバネには張力が組み込まれているため、巻き上げていない状態でも分解するのは危険です。

ゼンマイは常に応力サイクルにさらされているため、1960年代までは、時計の他の部分よりもずっと前に、金属疲労で壊れるのが一般的で、消耗品とみなされていました。 ^[12]これは、ゼンマイが軸の周りにできるだけきつく巻き上げられ、コイル間に隙間がなくなったときに、巻き上げ工程の最後によく起こりました。手動で巻き上げる場合、予期せずこの段階に達し、ゼンマイに過度の圧力がかかってしまうことがよくあります。もう1つの原因は温度変化でした。夕方に時計が完全に巻き上げられ、夜に気温が下がった場合、コイル間にたるみがないと、長いゼンマイの熱収縮により、一方の端の取り付け部からゼンマイが外れてしまう可能性があります。以前、時計修理工は、天候の変化によりゼンマイが壊れた時計が急増することに気づきました。1960年代まで、壊れたゼンマイは時計修理の最大の原因でした。^{[13]それ以来、前述のバネ}冶金の改良により、壊れたゼンマイはまれになりました。

主ゼンマイが破損しにくい場合でも、巻き上げ時に過度の力がかかると、初期の時計では「ノッキング」または「バンキング」と呼ばれる別の問題が発生しました。^{[14] [15]}巻き上げ後にゼンマイにほとんどたるみが残っていない場合（「巻き上げすぎ」）、巻き上げノブの最後の回転の圧力によってゼンマイの端に過度の張力がかかり、ラチェットの最後のクリックでその張力が固定されます。そのため、ゼンマイの端の余分な張力が解放されるまで、時計は数時間にわたって過度の駆動力で動きます。これにより、テンプが各方向に回転しすぎて、ホイールのインパルスピンがフォークホーンの背面にぶつかります。これにより時計が時間を早め、インパルスピンが破損する可能性があります。古い時計では、これは「ストップワーク」によって防止されていました。現代の時計では、クリックにいくらかの「反動」（バックラッシュ）を設計することでこれを防ぎ、ラチェットの歯約2つ分巻き上げた後に軸が後方に回転して余分な張力が除去されるようにします。

1900 年頃、時計のゼンマイの破損が大きな問題となっていた頃、一部の懐中時計では、モーター バレルまたは安全バレルと呼ばれる、回転バレルのバリエーションが使用されていました。ゼンマイは通常、軸への取り付け部分で破損し、曲げ応力が最大になります。ゼンマイが破損すると、外側の部品が反動し、その勢いでバレルが逆方向に回転します。これにより、繊細な輪列と脱進機に大きな力が加わり、ピボットや宝石が破損することがよくありました。

モーター香箱では、軸と香箱の機能が、香箱の駆動とは逆になっています。ゼンマイは香箱で巻き上げられ、軸を回して輪列を駆動します。そのため、ゼンマイが切れても、香箱の破壊的な反動は輪列ではなく、それに耐えられるほど頑丈な巻き上げ機構に伝わります。

安全ピニオンは、回転するバレルで使用される代替の保護手段でした。この場合、バレルの歯車がかみ合うセンターホイールピニオンは、逆ネジでシャフトに接続されていました。バネが壊れた場合、バレルの逆反動は歯車列に伝わるのではなく、単にピニオンのネジが緩みます。

腕時計や置き時計は、ゼンマイが完全に巻き上げられた状態で止まっていることがよくあるため、ゼンマイ駆動の時計を完全に巻き上げると時計が損傷するという迷信が生まれました。^[16]この種の故障の原因はいくつかありますが、時計は完全に巻き上げられた状態に耐えられるように設計されているため、「巻きすぎ」が原因ではありません。^[16]

「巻きすぎ」の原因の 1 つは汚れです。時計のムーブメントは定期的に清掃と潤滑が必要ですが、時計の清掃を怠ると、通常、時計は完全に巻き上げられた状態で停止します。時計のムーブメントに汚れが付着し、オイルが乾燥すると、摩擦が増加し、通常の動作期間の終了時にメインスプリングに時計を回す力がなくなり、時計が早期に停止します。所有者が修理せずに時計を巻き上げ、使用し続けると、最終的に摩擦力がトルク曲線の「平坦」な部分に達し、すぐにメインスプリングに完全に巻き上げられても時計を動かす力がなくなるポイントに達し、メインスプリングが完全に巻き上げられた状態で時計が停止します。時計の修理が必要ですが、問題は「巻きすぎ」ではなく、汚れたムーブメントまたはその他の欠陥によって発生します。

時計が完全に巻き上げられた状態で止まるもう一つの一般的な原因は、時計を落とした場合にテンプ軸が壊れ、ゼンマイが完全に巻き上げられても時計が動かなくなることです。

1950 年代に広く導入された自動巻き時計は、手首の自然な動きを利用してゼンマイを巻き上げます。時計の中央に取り付けられた半円形の重りが、手首の動きに合わせて回転します。巻き上げ機構は両方向の回転を利用してゼンマイを巻き上げます。

自動巻き時計では、手首の動きによってゼンマイが切れるまで巻き上げ続ける可能性があります。これはスリッピングクラッチ装置によって防止されます。^[17]ゼンマイの外側の端は、バレルに取り付けられる代わりに、ブライドルと呼ばれる円形の伸縮バネに取り付けられており、ブライドルはバレルの内壁に押し付けられ、バレルにはブライドルを保持するための鋸歯状またはノッチがあります。通常の巻き上げ中は、ブライドルはバレルに摩擦で保持され、ゼンマイが巻き上げられます。ゼンマイが最大張力に達すると、その引っ張り力はブライドルよりも強くなります。軸をさらに回転させると、ブライドルがバレルに沿って滑り、それ以上巻き上げられなくなります。時計会社の用語では、これはしばしば誤解を招く「壊れないゼンマイ」と呼ばれます。^[要出典]

数十年の使用後、古い時計のゼンマイはわずかに変形し、力が弱まり、「疲れ」や「固まり」が生じます。この状態は主に香箱のゼンマイに見られます。これにより、巻き上げ間の稼働時間が短くなります。メンテナンス中にゼンマイの「疲れ」をチェックし、必要に応じて交換する必要があります。英国時計協会は、次のテストを推奨しています。^[18]

• ゼンマイのバレルでは、巻き戻されて緩んでいるとき、健全なゼンマイの巻きの大半はバレルの壁に平らに押し付けられ、1 巻きか 2 巻きだけが中央の空間を螺旋状に横切って軸に取り付けられます。中央で 2 巻き以上緩んでいる場合、ゼンマイは「疲れている」可能性があります。4 巻きまたは 5 巻きの場合は、間違いなく「疲れている」ことになります。
• バレルから取り外した際に、平らな面に置かれた緩んだ状態のスプリングの直径がバレルの直径の 2.5 倍未満である場合、スプリングは「疲れている」状態です。

高級時計の中には、ゼンマイに残っている動力量を示す追加のダイヤルが文字盤に付いているものがあり、時計が動く残り時間で目盛りが付けられていることが多い。軸とバレルの両方が回転するため、この機構には、軸がバレルに対してどれだけ回転したかを測定する差動ギアが必要である。

主ゼンマイは通常はコイル状の金属バネですが、例外もあります。

• ワゴンスプリング時計: アメリカの時計製造の歴史において、コイル状のバネ鋼が米国で入手できなかった時期があり、独創的な時計職人が、ワゴンのサスペンションスプリングとして伝統的に使用されてきたものに似た、積み重ねられた板バネで動く時計を製作しました。
• 他のタイプのバネも考えられ、実験的な時計では時折使用されてきました。
• 時々、合成弾性材料など、金属以外の材料で作られたバネを備えた奇妙な時計が見つかります。

• GA Berner 4 か国語用語集、1988 年再版、提供: FH、スイス時計協会、ビエンヌ、スイス。
• Murray, Michael P. (2005-02-01). 「時計のゼンマイについて知りたいことすべて」。Mike's Clock Clinic。2009-07-06閲覧。

• スイス時計協会辞書