バージ脱進機

バージ（またはクラウンホイール）脱進機は、機械式時計の機構で、歯車列を一定の間隔、つまり「ティック」で進めることで速度を制御する機械式脱進機の最も古いタイプです。バージ脱進機は、13世紀後半から19世紀半ばまで時計や懐中時計で使用されていました。バージという名前は、棒やロッドを意味するラテン語のvirgaに由来しています。^[1]

この発明は、全機械式時計の開発を可能にしたため、技術史上重要なものであった。これにより、水時計の液体の流れなどの連続的なプロセスによる時間の測定から、振り子の振動などの反復的な振動プロセスへの移行が起こり、より正確になる可能性があった。^{[2] [3]} 振動式時計は、すべての現代の時計の時間を刻んでいる。^{[4] [2] [5] [6] [7]}

バージ脱進機は13世紀のヨーロッパで発明され、その発明によって初の全機械式時計が開発された。^{[3] [9] [10]} 13世紀以降、ヨーロッパの町の広場、大聖堂、修道院に大きな塔時計が建てられた。これらの時計は、バージ脱進機を使用して原始的なタイプのテンプであるフォリオットを動かすことで時間を計っていた。^[11] フォリオットは水平の棒で、その両端近くに重りがバージと呼ばれる垂直の棒に固定されており、バージは自由に回転するように吊り下げられていた。バージ脱進機により、フォリオットは垂直軸の周りを前後に振動した。^[12]時計の速度は、フォリオットの重りを内側または外側に動かすことで調整できた。

バージ脱進機は、数世紀前に登場したベルを鳴らす警報機構から進化したものと考えられます。^{[13] [14]}ヴィラール・ド・オヌクールが1237年にバージ脱進機を発明した という憶測があり、天使像を指で太陽を追う奇妙な機構の図解が添えられていましたが、^{[15] [16]}これは脱進機ではなかったというのが一般的な見解です。^{[17] [18] [19] [20] [21] [22]}

13世紀後半のある時期に、バージ脱進機の機構が塔時計に採用され、最初の機械式脱進機時計が作られたと考えられています。^[11] これらの時計は当時、市民の誇りとして称賛され、そのことについて書かれた記録があるにもかかわらず、新しい脱進機が最初に使用されたのがいつなのかは、決してわからないかもしれません。^{[13]これは、これらの初期の塔時計のうちどれが機械式でどれが}水時計であるかを、わずかな文書資料から区別することが困難であることが判明したためです。同じラテン語のhorologeが両方に使用されていました。^{[23] [11]} オリジナルの機構はどれも変更されずに残っていません。どの写本証拠を決定的と見なすかによって、どの時計が機械式であると「知られている」最初の時計であるかについては情報源が異なります。候補の1つは、 1283年に建てられたイギリスのベッドフォードシャーにあるダンスタブル修道院の時計です。記録によると、この時計はロッドスクリーンの上に設置されており、水時計に必要な水を補充するのが難しいとのことです。^{[24] [11]} もう1つは、1335年にイタリアのミラノにあるヴィスコンティ宮殿で建てられた時計です。^[25] 天文学者ロベルトゥス・アングリクスは1271年に、時計職人が脱進機を発明しようとしていたが、まだ成功していなかったと書いています。^{[26] [11]} しかし、13世紀後半までに機械式時計が存在していたという点では一致しています。^{[3] [23] [27]}

脱進機に関する最も古い記述は、リチャード・オブ・ウォーリングフォードが1327年にセント・オールバンズ修道院で製作した時計について書いた写本『天文時計論考』にあるが、バージではなく「ストロボ」脱進機と呼ばれる変種である。^{[28] [29]} これは、同じ軸に一対のガンギ車が取り付けられ、交互に放射状の歯が並んでいた。^[11] バージロッドはそれらの間に吊り下げられ、短い横木が交互に並んだ歯が通り過ぎると、最初は一方向に回転し、次に反対方向に回転した。他の例は知られていないが、この設計が時計のより一般的なバージに先行していた可能性がある。^[28]

機械式時計が登場してから最初の200年ほどは、バージとフォリオットまたはバランスホイールが機械式時計で唯一使われていた脱進機だった。16世紀に代替脱進機が登場し始めたが、バージは350年間最も多く使われた脱進機であり続けた。17世紀半ばに機械工学が進歩し、振り子、後にはアンカー脱進機が採用された。 ^[30] 時計は貴重だったため、振り子の発明後、多くのバージ時計がこのより正確な計時技術を使用するように作り直された。そのため、初期のバージ時計とフォリオット時計で現在まで変更されずに残っているものはごくわずかである。

最初のバージ時計とフォリオット時計の精度がどの程度だったかは議論の余地があり、1日に1時間から2時間の誤差^{[31] [13] [2]}と推定されているが、この構造の時計を使った現代の実験では、設計とメンテナンスに十分な注意を払えば、1日に数分の精度が達成可能であることが示されている。^{[32] [33]初期のバージ時計は、おそらくそれ以前の}水時計 よりも正確ではなかったが、^[16]貯水池に水を手動で汲む必要がなく、冬に凍結せず、革新のためのより有望な技術であった。振り子がフォリオットに取って代わった17世紀半ばまでに、最高のバージ時計とフォリオット時計は1日15分の精度を達成していた。

初期のバージ時計とフォリオット時計の不正確さのほとんどは、脱進機自体ではなく、フォリオット振動子によるものでした。1656年頃に時計に初めて振り子が使用されると、バージ時計の精度は1日あたり数時間から数分にまで突然向上しました。ほとんどの時計はフォリオットを振り子に交換して再建されたため、^{[34] [35]、}今日ではオリジナルのバージ時計とフォリオット時計をそのまま見つけることは困難です。バージ時計の精度は、1658年にテンプスプリングが導入された後も同様に向上しました。

バージ脱進機は、ガンギ車と呼ばれる王冠のような形をした車輪で構成され、鋸歯状の歯が軸方向に前方に突き出ており、軸は水平に向いています。^{[13] [36]} その前には垂直の棒であるバージがあり、2枚の金属板であるパレットがガンギ車の歯と反対側で噛み合います。パレットは平行ではなく、その間に角度がついているので、一度に1枚だけが歯に引っ掛かります。バージの上部には慣性振動子、バランスホイール、または最も初期の時計ではフォリオット、つまり両端に重りが付いた水平の梁が取り付けられています。これが時計のタイムキーパーです。

時計の歯車が冠車を回転させる際（アニメーションを参照）、歯の 1 つがパレットに引っ掛かり、パレットを押します。^[13] これにより、バージとフォリオットが一方向に回転し、2 番目のパレットがホイールの反対側の歯の経路内に回転し、歯がパレットの端から滑り落ちて解放されます。次に、冠車が短い距離を自由に回転し、ホイールの反対側の歯が 2 番目のパレットに接触してこれを押します。これにより、バージ ロッドとフォリオットの方向が逆転し、バージが反対方向に回転し、この歯が 2 番目のパレットを押し過ぎるまで回転します。次に、このサイクルが繰り返されます。その結果、ホイールの回転運動がバージとフォリオットの振動運動に変わります。したがって、テンプが 1 回振動するたびに、ガンギ車の歯が 1 つ通過し、時計の輪列が一定量進み、針が一定速度で前進します。フォリオットまたはテンプホイールの慣性モーメントが振動速度を制御し、時計の速度を決定します。ガンギ車の歯は、各スイングでパレットを押し、摩擦によってフォリオットが失ったエネルギーを補う衝撃を与え、フォリオットを前後に振動させ続けます。

1656 年に振り子が発明された後に登場したバージ振り子時計 (写真参照)では、脱進機が 90 度回転してバージ ロッドが水平になり、ガンギ車の軸が垂直になり、バージ ロッドの下にありました。最初の振り子時計では、振り子はバランス車やフォリオットではなく、バージ ロッドの端に取り付けられていました。後の振り子時計では、振り子は時計のフレームから金属リボンの短い真っ直ぐなバネで吊り下げられ、バージ ロッドの端に取り付けられた垂直のアームの先端は振り子ロッドを包み込むフォーク状になっていました。これにより、振り子を枢動バージ ロッドから直接吊り下げることによる摩擦が回避されました。振り子が揺れるたびに、ガンギ車の歯が解放されました。

脱進機が機能するには、ガンギ車の歯の数が奇数でなければならない。^[36] 偶数の場合、2 つの反対の歯が同時にパレットに接触し、脱進機が動かなくなる。パレット間の通常の角度は 90° から 105° であったため、^{[13] [36]フォリオットまたは振り子の振動は約 80° から 100° となった。振り子の振動を減らしてより等}時性にするために、フランス人は 115° 以上の大きなパレット角度を使用した。^[36] これにより、振り子の振動は約 50° に減り、反動も減少した (下図) が、バージを冠車に非常に近い位置に配置する必要があり、歯がパレットの軸に非常に近い位置に落ちたため、初期のてこ比が減少し、摩擦が増加したため、より軽い振り子が必要になった。^{[36] [37]}

初期の発明から予想されるように、バージは広く使用されている脱進機の中で最も不正確です。次のような問題があります。

• バージ時計や置き時計は駆動力の変化に敏感で、主ゼンマイがほどけると動きが遅くなります。^[36] これは等時性の欠如と呼ばれます。バージ時計やフォリオット時計ではテンプがないため、この問題はさらに深刻でしたが、すべてのバージムーブメントで問題となっています。実際、初期のバージ時計の速度を調整する標準的な方法は、主ゼンマイの力を変えることでした。^[38] この問題の原因は、冠歯車の歯が常にパレットを押して、振り子またはテンプをその周期全体にわたって駆動しているため、計時要素が自由に振動することが決して許されないことです。^[36] したがって、駆動力が減少すると、振り子またはテンプの前後の振動が遅くなります。すべてのバージ時計とゼンマイ駆動時計では、最低限の精度を達成するためにも、主ゼンマイの力を均等にするためにフュジーが必要でした。
• 脱進機には「反動」があり、これはフォリオットまたは振り子の運動量が冠車を瞬間的に後方に押し、時計の輪列がサイクルの一部で逆方向に動くことを意味します。^{[13] [36]} これにより摩擦と摩耗が増加し、不正確になります。アンティーク時計にバージ脱進機があるかどうかを確認する方法の1つは、秒針をよく観察することです。サイクルごとに少し逆方向に動いている場合、時計はバージです。これは時計に必ずしも当てはまりません。反動を示す他の振り子脱進機もあります。
• 振り子時計では、バージに必要な 80° ～ 100° の広い振り子の振動角度により、円誤差による等時性がさらに失われます。
• 振り子の大きな振動は空気摩擦も大きくし、振り子の精度を低下させ、振り子を動かし続けるために多くの電力を必要とし、摩耗を増加させます。^[13] そのため、バージ振り子時計の振り子は軽くなり、精度が低下しました。
• バージ時計は、冠輪とアンクルが磨耗するにつれて加速する傾向があります。これは、18 世紀中頃以降のバージ時計で特に顕著です。今日、これらの時計を作動させると、1 日に何時間も進んだり、テンプが存在しないかのように回転したりすることは、まったく珍しいことではありません。これは、新しい脱進機が発明されたため、薄い時計が流行したためです。バージ時計でこれを実現するには、冠輪を非常に小さくする必要があり、磨耗の影響が大きくなります。

バージ脱進機は、400 年にわたってほぼすべての時計や腕時計に使用されていました。その後、17 世紀半ばに振り子とバランス スプリングが導入されて精度が向上し、脱進機による誤差に注目が集まりました。1820 年代までに、バージはより優れた脱進機に取って代わられましたが、安価なバージ時計は 19 世紀を通じて製造され続けました。

懐中時計では、精度の低さに加え、冠車の垂直方向の配置とかさばるフュゼの必要性から、バージムーブメントは時代遅れの厚いものとなってしまいました。フランスの時計職人は、1695年に発明されたより薄いシリンダー脱進機を採用しました。イギリスでは、高級時計は1782年に開発されたデュプレックス脱進機に移行しましたが、比較的安価なバージフュゼ時計は、レバー脱進機に取って代わられる19世紀半ばまで生産され続けました。 ^{[38] [39]} これらの後期のバージ時計は、そのかさばる造りから俗に「カブ」と呼ばれていました。

バージは振り子時計に短期間使用された後、おそらくロバート・フックによって1660年頃に発明され、1680年から広く使用されるようになったアンカー脱進機に置き換えられました。 ^[40] バージの問題点は、振り子が80°から100°の広い弧を描いて振動する必要があることでした。 1674年にクリスティアーン・ホイヘンスは、広い弧を描いて振動する振り子は不正確な計時装置であることを示しました。なぜなら、その振動周期は時計機構によって提供される駆動力の小さな変化に敏感だからです。^[40]

バージは精度が高いことでは知られていないが、精度を出すことは可能である。 1759年と1770年にジョン・ハリソンが製作した最初の成功した海洋クロノメーターであるH4とH5は、ダイヤモンドパレットを備えたバージ脱進機を使用していた。^{[13] [38] [41]}試験では、1日あたり5分の1秒以内の精度であった。^[42]

現在、バージはアンティーク時計またはアンティークレプリカ時計にのみ見られます。多くのオリジナルのブラケット時計では、ビクトリア朝時代のアンカー脱進機への変換が取り消され、オリジナルのスタイルのバージ脱進機が復元されています。時計職人はこれをバージ再変換と呼んでいます。

• ガリレオの脱進機-ガリレオ・ガリレイが最初に提案した振り子時計の脱進機。
• ドーバー城の時計– オリジナルのバージとフォリオットの脱進機を備えた、現在ロンドンの科学博物館にある、現在稼働している最古の時計。

• ギース、フランシス、ギース、ジョセフ (1994)。『大聖堂、鍛冶場、水車:中世の技術と発明』ハーパーコリンズ出版社、pp. 210–215。ISBN 0060165901。

• ブリタニカ百科事典の「重錘駆動時計」の記事には、バージとフォリオットの動作を示すアニメーションがあります。
• 商業ウェブサイト上のバージとフォリオットの描画
• Elytra Design、商業ウェブサイト上のバージおよびフォリオット脱進機の図
• マーク・フランク (2005)、「塔時計ムーブメントの進化」塔時計修復家による初期のバージ時計に関する多くの技術情報と、ムーブメントの多くのユニークな写真、参考文献が掲載された論文。