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振り子時計は、振り子と呼ばれる揺れる重りを計時要素として使用する時計です。振り子は、その長さに応じて一定時間で揺れ、他の速度で揺れることに抵抗する、近似的な調和振動子です。ガリレオ・ガリレイに触発されたクリスティアーン・ホイヘンスが1656年に発明してから1930年代まで、振り子時計は世界で最も正確なタイプの計時装置でした。[ 1 ] [ 2 ] 18世紀から19世紀にかけて、家庭、工場、オフィス、鉄道駅の振り子時計は、日常生活の活動、勤務シフト、公共交通機関のスケジュールを立てるための主要な時間基準として機能しました。その精度により、産業革命期の速いペースの生活が可能になりました。[ 3 ] : p.623 1930年代と1940年代に安価な同期式電気時計 に取って代わられた家庭用振り子時計は、現在では主に装飾的価値とアンティーク価値のために保管されています。
振り子時計は振り子の動きに影響を与えないように静止させておく必要があるため、携帯用の時計には別の機構が用いられている。
振り子時計は、1656年12月25日にオランダの科学者で発明家のクリスティアーン・ホイヘンスによって発明されました。この発明は翌年に特許を取得しました。ホイヘンスは、自身の手稿『時計』 （1658年）の中でこの時計について記述しています。ホイヘンスは、時計の製作をサロモン・コスターに委託しました。[ 4 ]
ホイヘンスは、1602年頃にガリレオ・ガリレイが行った振り子の研究に触発された。ガリレオは振り子が有用な計時器となる重要な特性、すなわち等時性、つまり揺れの大きさに依存しない周期で揺れるという特性を発見していた。 [ 5 ] [ 6 ] 1637年、ガリレオは息子ヴィンチェンツォに振り子を揺らし続けることができる機構について説明した。その機構は1649年に息子によって部分的に製作された。[ 4 ] [ 7 ]
振り子時計が使われるようになる前は、時計の精度は1日あたり約15分でした。計時に使用される最初の調和振動子である振り子の導入により、精度は1日あたり15秒に向上し[ 8 ] 、この改善により時計は急速に普及しました。既存の「バージ・アンド・フォリオット」時計の多くに振り子が取り付けられました。1659年までに、フランスの時計職人ニコラウス・アネットとイギリスのアハスエルス・フロマンテールによって振り子時計が製造されていました[ 4 ]。
これらの初期の時計は、脱進機がバージ式であったため、振り子の振り幅が 80～100° と大きかった[ 4 ]。ホイヘンスは 1673 年に振り子を分析した著書『Horologium Oscillatorium』の中で、振り幅が大きすぎると振り子の精度が悪くなり、その周期、ひいては時計の速度が、ムーブメントによって供給される駆動力の避けられない変動によって変化することを示した[ 4 ]。振り子の振り幅が数度程度の小さな振り子だけが等時性を持つという時計職人の認識が、1658 年頃にロバート・フックによるアンカー脱進機の発明を促した[ 4 ]。アンカー脱進機は振り子の振り幅を 4～6° に縮小した[ 9 ] 。アンカーは振り子時計で使用される標準的な脱進機となった。精度の向上に加えて、アンカーの狭い振り子振り幅により、時計のケースに、より長く、より遅い振り子を収めることができ、必要な動力が少なく、ムーブメントの摩耗も少なくなった。秒振り子（ロイヤル振り子とも呼ばれる）は長さ0.994m （39.1インチ）で、周期は2秒であり、高品質の時計で広く使用されるようになった。これらの振り子を中心に構築された細長い自立型の時計は、1680年頃にウィリアム・クレメントによって初めて作られ、彼はアンカー脱進機の発明者でもあると主張した[ 4 ] 。これらはグランドファーザー時計として知られるようになった。これらの発展によって精度が向上したため、それまで稀だった分針が1690年頃から時計の文字盤に追加されるようになった[ 10 ] [ 4 ] 。
振り子の発明に続く18世紀と19世紀の時計技術革新の波は、振り子時計に多くの改良をもたらしました。 [ 3 ]： p.624 1675年にリチャード・タウンリーによって発明され、1715年頃にジョージ・グラハムが精密な「レギュレーター」時計で普及させたデッドビート脱進機は、徐々にアンクル脱進機に取って代わり[ 11 ] [ 4 ]、現在ではほとんどの現代の振り子時計で使用されています。振り子時計が夏に遅くなるという観察から、温度変化による振り子棒の熱膨張と収縮が誤差の原因であることが認識されました。これは温度補償振り子の発明によって解決されました。1721年にグラハムが考案した水銀振り子と、1726年にジョン・ハリソンが考案した格子振り子。[ 12 ] [ 4 ]これらの改良により、18世紀半ばまでに精密振り子時計は週に数秒の精度を達成した。
19世紀までは、時計は個々の職人によって手作りされており、非常に高価でした。[ 3 ]： p.625この時代の振り子時計の豊かな装飾は、富裕層のステータスシンボルとしての価値を示しています。ヨーロッパの各国および地域の時計職人は、それぞれ独自のスタイルを発展させました。19世紀までに、時計部品の工場生産により、振り子時計は徐々に中流家庭でも手頃な価格になりました。
産業革命期には、生活のペースが速くなり、シフト制や列車などの公共交通機関のスケジュールが組まれるようになったため、振り子時計によって可能になったより正確な時刻計測が不可欠となった。[ 3 ]： p.624日常生活は、家庭用振り子時計を中心に組織されていた。レギュレーターと呼ばれるより正確な振り子時計は、事業所や鉄道駅に設置され、仕事のスケジュールを組んだり、他の時計を合わせたりするために使用された。長距離航海中に船上で経度を決定するための天体航法における極めて正確な時刻計測の必要性から、天文レギュレーターと呼ばれる最も正確な振り子時計の開発が進められた。これらの精密機器は、海軍天文台の時計室に設置され、頭上の星の通過を観測することで1秒の何分の1かの精度で維持され、海軍船や商船の航海用クロノメーターを合わせるために使用された。19世紀以降、海軍天文台の天文レギュレーターは、電信線で時刻信号を配信する国家時刻配信サービスの主要な標準として機能した。[ 13 ] 1909 年以降、米国標準局 (現在のNIST ) は、1 日あたり約 10 ミリ秒の精度を持つリーフラー振り子時計に基づいて米国の時刻標準を設定しました。1929 年にショート シンクロノーム自由振り子時計に切り替え、 1930 年代にはクォーツ標準を段階的に導入しました。 [ 14 ] [ 15 ] 1 年あたり 1 秒未満の誤差を持つショートは、開発当時、市販されている振り子時計の中で最も正確なものでした。[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]
振り子時計は、1927年にクォーツ時計が発明されるまで270年間、正確な時刻計測の世界標準であり続け、第二次世界大戦中も時間の基準として使用されました。フランス時間局は、1954年まで振り子時計を標準時計のアンサンブルに含めていました。[ 21 ]家庭用振り子時計は、1930年代から1940年代にかけて、電力網の振動に同期してより正確な時刻を刻む同期式電気時計に、家庭用時刻計測器として取って代わられ始めました。鉄のカーテンの向こう側では、クォーツ技術が利用できなかったため、振り子時計の実験ははるかに長く続けられ、精度もそれに応じて向上しました。物理学者フェオドシイ・フェドチェンコが1955年に開発したAChF-3等時振り子時計[ 22 ]は、クォーツ時計と同等の精度を持ち、これまでに生産された振り子時計の中で最も正確です。[23] これまでに作られた実験的な振り子時計の中で最も正確だったのは、エドワード・T・ホールが1990年代に作ったリトルモア時計[26]かもしれません（2003年に米国ペンシルベニア州コロンビアの国立時計博物館に 寄贈されました）。30メートル（98フィート）を超える最大の振り子時計は、ジュネーブ（1972年）とグダニスク（2016年）で作られました。[ 27 ] [ 28 ]
機械式時計を動かす機構はムーブメントと呼ばれます。すべての機械式振り子時計のムーブメントは、次の 5 つの部分から構成されています。[ 29 ]
時計の基本的な時刻表示機能以外に付加される機能は、コンプリケーションと呼ばれます。より精巧な振り子時計には、次のようなコンプリケーションが含まれている場合があります。
機械式マスタークロックなどに用いられる電気機械式振り子時計では、動力源は磁力によって振り子に振動を与える電気駆動ソレノイドに置き換えられ、脱進機は振り子が振動を受け取るのに適切な位置にあることを感知するスイッチまたは光検出器に置き換えられています。これらは、電子水晶時計モジュールが振り子を振る、より新しいクォーツ振り子時計と混同してはなりません。後者は、モジュール内の水晶によって時刻が制御され、振子の動きは単なる装飾的な模倣であるため、真の振り子時計ではありません。
ほとんどの時計の振り子は、木製または金属製の棒に金属製の重り（おもり）が取り付けられています。おもりは、空気抵抗を減らすために伝統的にレンズ型になっています。高品質の時計では、木材は金属よりも熱膨張係数が低いため、木製の棒がよく使われていました。棒は通常、短いまっすぐな金属リボンのバネで時計のフレームから吊り下げられています。これにより、従来の支点によって生じる不安定さを回避できます。最も精度の高いレギュレーター時計では、振り子は平らな瑪瑙（高度に研磨された表面を維持する硬い鉱物）の上に置かれた金属製の刃で吊り下げられています。
振り子は、脱進機のアンカーピースに取り付けられた、振り子の後ろに吊り下げられたアーム（「クラッチ」と呼ばれる）によって駆動されます。このアームの先端には「フォーク」があり、振り子の棒を包み込んでいます。振り子が揺れるたびに脱進車が解放され、脱進車の歯がパレットの1つに押し付けられ、クラッチとフォークを介して振り子の棒に短い押し力が加わり、振り子が揺れ続けます。
グランドファーザークロックを含むほとんどの高品質な時計には、「秒振り子」が使われており、振り子の1回の振り子運動に1秒かかります（完全なサイクルは2秒）。振り子は支点から重りの中心まで約1メートル（39インチ）の長さです。マントルクロックには、約25センチメートル（9.8インチ）の長さの0.5秒振り子がよく使われています。より長い振り子を使用しているのは、ごく一部の塔時計だけで、1.5秒振り子（長さ2.25メートル（7.4フィート））や、ビッグベンを収容するウェストミンスター大聖堂のグレートクロックで使用されている4メートル（13フィート）の2秒振り子などがあります。
振り子は、有効長さの平方根に比例する周期で揺れる。小さな揺れの場合、周期Tは、1 回の完全なサイクル (2 回の揺れ) にかかる時間であり、
ここで、Lは振り子の長さ、gは局所的な重力加速度です。すべての振り子時計には、速度を調整する手段があります。これは通常、振り子のおもりの下にある調整ナット(c)で、おもりをロッド上で上下に動かします。おもりを上に動かすと振り子の長さが短くなり、振り子の周期が短くなるため、時計は進みます。一部の振り子時計では、微調整は補助調整によって行われ、これは振り子ロッド上で上下に動かす小さな重りである場合があります。一部の親時計や塔時計では、ロッドに取り付けられた小さなトレイで調整を行い、そこに小さな重りを置いたり取り外したりして有効長を変更することで、時計を止めずに速度を調整できます。
振り子の周期は、その揺れ幅（振幅）が大きくなるにつれてわずかに増加します。これを円誤差と呼びます。誤差率は振幅とともに増加するため、数度程度の小さな揺れに限定すると、振り子はほぼ等時性となり、周期は振幅の変化に依存しなくなります。したがって、時計の振り子の揺れ幅は2度から4度に制限されます。
小さなスイング角度は、近似の数学的事実により等時性挙動に近づく傾向がある。角度がゼロに近づくにつれて、この式が有効になります。この置換を行うと、振り子の式は調和振動子の式となり、すべての場合において周期が一定になります。振り子の角度が大きくなるにつれて、この近似は徐々に破綻し、周期はもはや一定ではなくなります。
振り子時計における大きな誤差要因の一つは熱膨張です。振り子の棒は温度変化によってわずかに長さが変化するため、時計の進み具合が狂います。温度が上昇すると棒が膨張して振り子が長くなり、周期が長くなるため、時計は遅れてしまいます。古い高級時計の多くは、この誤差を軽減するために木製の振り子棒を使用していました。木材は金属よりも膨張率が低いためです。
この誤差を補正した最初の振り子は、 1721年にグラハムが発明した水銀振り子で、20世紀まで精密な調速時計に使用されました。この振り子は、液体金属である水銀の容器でできた重りを備えていました。温度が上昇すると振り子の棒が膨張しますが、容器内の水銀も膨張して容器内の水位がわずかに上昇し、振り子の重心が支点に向かって移動します。適切な量の水銀を使用することで、振り子の重心は一定の高さに保たれ、したがって温度変化に関わらず周期も一定に保たれました。
最も広く使われた温度補償振り子は、 1726年頃にジョン・ハリソンによって発明された格子振り子でした。これは、亜鉛や真鍮などの熱膨張率の高い金属と、鋼鉄などの熱膨張率の低い金属で作られた平行な棒を格子状に並べたものでした。これらを適切に組み合わせることで、熱膨張率の高い棒の長さの変化が熱膨張率の低い棒の長さの変化を相殺し、温度変化があっても振り子の周期を一定に保つことができました。このタイプの振り子は品質の象徴とみなされるようになり、実際には温度補償機能を持たない振り子時計にも、装飾的な「偽の」格子がしばしば見られます。
1900年頃から、最高精度の科学時計の中には、ニッケル鋼合金のインバーや溶融石英といった超低膨張材料で作られた振り子を備えたものがあり、温度変化による影響をほとんど補正する必要がなかった。
振り子が揺れる空気の粘性は、気圧、湿度、温度によって変化します。この空気抵抗は、本来であれば巻き上げ間隔を延ばすために使えるはずの動力を消費します。従来、振り子のおもりは空気抵抗を減らすために細長い流線型のレンズ形状で作られており、高品質の時計では駆動力の大部分はこの空気抵抗に使われます。19世紀後半から20世紀初頭にかけて、天文台の精密なレギュレーター時計の振り子は、空気抵抗を減らし、気圧の変化を避けることで振り子の動作精度をさらに高めるために、低圧にポンプで加圧されたチャンバー内で動作することがよくありました。密閉された筐体内の圧力をわずかに変化させることで、時計の速度を微調整することができました。
振り子時計は、正確な時間を刻むためには水平でなければなりません。水平でない場合、振り子は片側に大きく振れ、脱進機の対称的な動作が乱れます。この状態は、時計のチクタクという音で聞き取れることがよくあります。チクタク、つまり「ビート」は、正確に等間隔で「チクタク…チクタク…チクタク…」という音を発するはずです。もし等間隔でなく、「チクタク…チクタク…」という音がする場合は、時計のビートがずれており、水平にする必要があります。この問題は時計が動かなくなる原因となりやすく、修理依頼の最も一般的な理由の一つです。水準器や時計用タイミングマシンを使用すれば、ビートの音に頼るよりも高い精度が得られます。精密なレギュレーターには、この作業のために水準器が内蔵されていることがよくあります。古い自立型時計には、水平にするための調整ネジ付きの脚が付いていることが多く、最近の時計にはムーブメントに水平調整機能が備わっています。現代の振り子時計の中には、「自動拍子調整」または「自己調整式拍子調整」装置を備えているものがあり、この調整は不要です。
重力が増加すると振り子の速度も増加するため、局所的な重力加速度は地球上では緯度と標高によって変化するため、最も高精度の振り子時計は移動後に時間を維持するために再調整する必要があります。たとえば、振り子時計を海面から4,000 フィート (1,200 m)に移動すると、1 日あたり 16 秒遅れます。[ 30 ] 最も正確な振り子時計でも、時計を高い建物の屋上に移動しても、重力が小さくなるため測定可能な時間の遅れが生じます。[ 31 ]また、局所的な重力は赤道と極の間で緯度によって約 0.5% 変化し、地球が扁平な形状をしているため、高緯度では重力が大きくなります。そのため、20 世紀初頭に天体航法に使用された高精度レギュレーター時計は、異なる緯度に移動すると再調整する必要がありました。
ねじりばね振り子とも呼ばれるこの振り子は、ばね鋼の垂直な帯（リボン）から吊り下げられた車輪状の質量（多くの場合、交差するスポークに4つの球体）で構成され、ねじり振り子時計の調整機構として使用されます。質量の回転によってサスペンションスプリングが巻き上げられ、巻き戻され、そのエネルギーがスプリングの上部に伝達されます。このタイプの振り子の主な利点は、エネルギー消費量が少ないことです。周期が12～15秒であるのに対し、重力振り子の周期は0.5～2秒であるため、30日に1回、あるいは1年に1回以上巻き上げるだけで済む時計を作ることができます。復元力は温度によって変化するばねの弾性によって提供されるため、重力振り子よりも温度変化の影響を受けやすくなります。最も精度の高いねじり振り子時計は、弾性の温度係数が低いエリンバー製のばねを使用しています。
年に一度の巻き上げだけで済むねじり振り子時計は、「400日時計」や「記念日時計」と呼ばれることもあり、結婚祝いの贈り物として贈られることもあります。ねじり振り子は、巻き上げが不要な「永久時計」にも使用されています。永久時計は、蛇腹機構によって大気圧と気温の変化によって主ゼンマイが巻き上げられた状態に保たれます。例えば、アトモス時計は、60秒という長い振動周期を持つねじり振り子を使用しています。
脱進機は、時計の歯車列からの力を振り子を前後に揺らし続けるためのインパルスに変換する機械的な連結機構です。これは、振り子時計で「チクタク」という音を出す部分です。ほとんどの脱進機は、時計の歯車列によって回転する、尖った歯を持つ脱進車と呼ばれる歯車と、その歯が押し当てる面であるパレットで構成されています。振り子が揺れている間、ほとんどの時間、歯がパレットの1つに当たっているため、歯車は回転しません。これは「ロック」状態と呼ばれます。振り子が揺れるたびに、パレットが脱進車の歯を1つ解放します。歯車は、歯がもう一方のパレットに引っかかるまで、一定量だけ前方に回転します。これらの解放により、振り子が揺れるたびに時計の歯車列が一定量進み、振り子によって制御された一定の速度で針が前進します。
脱進機は必要不可欠だが、その力が振り子の自然な動きを妨げ、精密な振り子時計ではこれが時計の精度を制限する要因となることが多かった。この問題を解決するために、長年にわたり、さまざまな脱進機が振り子時計に使用されてきた。18 世紀と 19 世紀には、脱進機の設計が計時技術の進歩の最前線にあった。アンカー脱進機 (アニメーション参照) は、1800 年代に改良版のデッドビート脱進機が精密時計で主流になるまで、標準的な脱進機として使われていた。今日ではほとんどすべての振り子時計に使用されている。レモントワールは、脱進機を歯車列の変動する力から隔離する役割を果たす、一定間隔で巻き上げられる小さなゼンマイ機構で、一部の精密時計で使用されていた。塔時計では、歯車列が建物の外側の時計盤の大きな針を回す必要があり、雪や氷の蓄積によって変化するこれらの針の重さが、歯車列に変動する負荷をかける。重力脱進機は塔時計に使用されていた。
19世紀末までに、最も高精度な時計には特殊な脱進機が使用されるようになり、これらは天文レギュレーターと呼ばれ、海軍の天文台や科学研究に用いられた。クレメンス・リーフラー・レギュレーター時計に使用されたリーフラー脱進機は、1日あたり10ミリ秒の精度を誇った。スイッチや光電管を用いてソレノイド電磁石をオンにし、機械的な連結を必要とせずに振り子にインパルスを与える電磁脱進機も開発された。最も高精度な振り子時計は、1923年にWHショートとフランク・ホープ＝ジョーンズによって開発された、2つの振り子を備えた複雑な電気機械式時計であるショート・シンクロノーム時計で、1年あたり1秒以下の精度を誇った。別の時計内の従振り子は、真空タンク内の主振り子に電気回路と電磁石で連結されていた。従振り子は計時機能を果たし、主振り子は外部の影響をほとんど受けずに揺れ動いた。 1920年代には、ショート・シンクロノームが天文台における時刻計測の最高基準となったが、その後、クォーツ時計が振り子時計に取って代わり、精密な時刻基準となった。
表示方式は、ほとんどの場合、時針と分針が動く伝統的な文字盤です。多くの時計には、補助文字盤に秒を示す小さな第3の針が付いています。振り子時計は通常、ガラス製の文字盤カバーを開けて、分針を文字盤上で手動で正しい時刻に合わせるように設計されています。分針は、軸上で回転できる滑り摩擦スリーブに取り付けられています。時針は、歯車列ではなく、小さな歯車セットを介して分針の軸から駆動されるため、分針を手動で回転させると時針も同時に設定されます。
振り子時計は寿命が長く、メンテナンスもほとんど必要ないため、人気が高い理由の一つとなっている。
可動部品のあるあらゆる機構と同様に、時計の定期的な清掃と潤滑が必要です。時計専用の低粘度潤滑剤が開発されており、最も広く使用されているものの1つはポリアルカノエート系合成油です。
バネやピンは時間の経過とともに摩耗したり破損したりすることがあり、交換が必要になります。
振り子時計は単なる実用的な時計以上の存在でした。高価であったため、所有者の富と文化を象徴するステータスシンボルでもありました。振り子時計は、国や時代、用途に応じて、さまざまな伝統的なスタイルへと進化しました。ケースのスタイルは、その時代に流行した家具のスタイルをある程度反映しています。専門家は、ケースや文字盤の微妙な違いから、アンティーク時計が数十年単位で製造された時期を特定できることがよくあります。以下は、振り子時計のさまざまなスタイルの例です。
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