ヒゲゼンマイ

ひげ ぜんまい 、またはひげぜんまいは、機械式時計のてん輪に取り付けられたばねです。これにより、時計が動いているときにバランスホイールが共振周波数で振動し、時計のホイールが回転する速度、つまり針の動きの速度が制御されます。多くの場合、 調整レバーが取り付けられており、これを使用してぜんまいの自由長を変更し、それによって時計の速度を調整することができます。

ひげぜんまいは、機械式時計、目覚まし時計、キッチンタイマー、マリンクロノメーター、およびその他の計時機構で使用されて、はずみ車の振動速度を制御するための細いらせんまたは螺旋ねじりばねです。ヒゲゼンマイはヒゲゼンマイに不可欠な付加物であり、ヒゲゼンマイを前後に振動させます。ヒゲゼンマイとヒゲゼンマイは共に調和振動子を形成します。これは、外乱に抵抗する正確な周期または「ビート」で振動し、計時精度に責任があります。

ロバートフックとクリスティアンホイヘンスが1657年頃にテンプにヒゲゼンマイを追加したことにより、携帯時計の精度が大幅に向上し、初期の懐中時計が高価なノベルティから便利なタイムキーパーに変わりました。ヒゲゼンマイの改良により、当時からさらに精度が大幅に向上しています。最新のヒゲゼンマイは、ニバロックスのような特別な低温度係数合金で作られており、温度変化による速度への影響を低減します。 1980年代以前は、ほぼすべての携帯型計時装置にてん輪とてんぷが使用されていましたが、最近の10年間で電子クオーツ計時技術は機械式時計仕掛けに取って代わりました。

歴史

1660年頃にイギリスの物理学者Robert Hookeとオランダの科学者Christiaan Huygensによって発明されたかどうかについては、いくつかの論争があります。それ以前は、時計や時計ではバネのないはずみ車やフォリオットが使用されていましたが、駆動力の変動に非常に敏感であり、ゼンマイがほどけると時計が遅くなりました。ひげぜんまいの導入により、懐中時計の精度が大幅に向上し、おそらく1日あたり数時間から1日あたり10分になり、初めて便利なタイムキーパーになりました。最初のヒゲゼンマイは数回転しかない。

いくつかの初期の時計にはワームドライブを使用するバローレギュレーターがありましたが、最初に広く使用されたレギュレーターはトーマストンピオンが1680年頃に発明しました。コグの鍵と回します。バランスホイールと同心に回転するレバーである最新のレギュレーターは、1755年にジョセフボスリ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のレギュレーターに置き換わりませんでした。

レギュレーター

レートを調整するために、ヒゲゼンマイには通常レギュレーターがあります。レギュレーターは、バランスコックまたはブリッジに取り付けられた可動レバーで、バランスと同軸に回転します。レギュレータの一方の端には、縁石ピンと呼ばれる下向きに突き出た2本のピン、または縁石ピンとブーツと呼ばれる重い部分のあるピンによって狭いスロットが形成されます。ヒゲゼンマイの外側の巻き終わりは、ヒゲ持ち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回転がレギュレータ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、スプリングの外側の回転に沿ってスロットがスライドし、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、ばねが短くなり、ばねが硬くなり、天びんの振動率が増加し、時計のゲイン時間が増加します。

レギュレーターはスプリングの動きにわずかに干渉し、不正確さを引き起こします。そのため、マリンクロノメーターや一部の高級時計などの精密時計は自由に動きます。つまり、レギュレーターがありません。代わりに、バランスホイールのタイミングネジで調整されます。

バランススプリングレギュレーターには2つの主要なタイプがあります。

縁石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るTompionレギュレーター。通常、ピニオンには目盛り付きの銀またはスチールのディスクが取り付けられています。
上記のように、ピンが天びんと同軸に回転するレバーに取り付けられているボスレーレギュレータ。レバーの先端は目盛り付きスケール上を移動できます。レバーを動かせる精度を向上させるいくつかのバリエーションがあります。たとえば、回転可能ならせんプロファイルのカムに対してレバーをバネで動かす「カタツムリ」レギュレーター、レバーを動かすマイクロメーターウォームギア、レバーの位置が細いネジで調整される「スワンズネック」または「リード」レギュレーター。レバーは湾曲した白鳥の首の形のバネでネジと接触します。これは、1867年2月5日付の米国特許第61,867号である米国のジョージP.リードによって発明され、特許を取得しました。

また、「Hog's Hair」または「Pig's Bristle」レギュレーターもあります。このレギュレーターでは、硬い繊維がバランスの弧の端に配置され、それを戻す前に穏やかに停止させます。アークを短くすることにより、ウォッチは加速されます。これは、ひげぜんまいが発明される前の初期の時計で使用されていたひげぜんまいレギュレータではありません。

バローレギュレーターもありますが、これは実際に、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つの主要な方法のうちの初期の方法です。 Fuseeチェーンを緊張状態に保つために必要ですが、実際にWatchを駆動するには十分ではありません。 Verge Watchは、セットアップ張力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が存在する場合、通常これは行われません。

材料

多くの材料がヒゲゼンマイに使用されています。早い段階で、スチールが使用されましたが、硬化または焼き戻しプロセスは適用されませんでした。その結果、これらのスプリングは徐々に弱まり、時計は時間を失い始めます。ジョン・アーノルドなどの一部の時計メーカーは金を使用しているため、腐食の問題は回避されますが、徐々に弱くなるという問題は残ります。焼入れ焼戻し鋼は、ジョンハリソンが最初に使用し、その後20世紀まで選択材料として使用されていました。

1833年、EJ Dent（国会議事堂の大時計のメーカー）はガラス製ヒゲゼンマイを実験しました。これは、鋼よりも熱の影響がはるかに少なく、必要な補償が減り、錆びることもありませんでした。ガラススプリングを使用した他の試験では、ガラススプリングの製造が難しく、高価であることが明らかになりました。また、ガラス繊維や光ファイバー材料の時代まで持続する脆弱性に対する広範な認識に苦しんでいました。

温度の影響

材料の弾性率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ので、温度の変動はてん輪とてんぷの計時に大きく影響します。 Robert HookeやChristiaan Huygensなどのヒゲゼンマイ付き時計の初期のメーカーは、解決策を見つけることなくこの効果を観察しました。

ジョン・ハリソンは、海洋クロノメーターの開発過程で、「補償縁石」によって問題を解決しました。本質的には、温度の関数としてヒゲゼンマイの有効長を調整するバイメタル温度計です。このスキームは、ハリソンが経度法によって設定された基準を満たすのに十分に機能しましたが、広く採用されていませんでした。

1765年頃、ピエール・ル・ロイ（ジュリアン・ル・ロイの息子）が補償バランスを発明し、これが時計とクロノメーターの温度補償の標準的なアプローチになりました。このアプローチでは、温度に敏感なメカニズムにより、天びんの形状が変更されるか、調整用の重りが天びんのスポークまたはリム上で動かされます。これにより、てん輪の慣性モーメントが変化し、その変化は、てんぷの弾性率の変化を補償するように調整されます。単純にバイメタルリムを備えたバランスホイールで構成されるトーマスアーンショーの補正バランス設計は、温度補正の標準ソリューションになりました。

エリンバー

補償天びんは、ヒゲゼンマイの温度の影響を補償する方法として有効でしたが、完全な解決策を提供することはできませんでした。基本設計には、「中間温度誤差」があります。温度の極端な状態で補正が正確になるように調整すると、極端な温度の間ではわずかにずれます。これを回避するためにさまざまな「補助補償」メカニズムが設計されましたが、それらはすべて複雑で調整が難しいという問題があります。

1900年頃、エリンバーの発明者であるチャールズエドゥアールギヨームによって根本的に異なるソリューションが作成されました。これは、弾性率が温度の影響をほとんど受けないという性質を持つニッケル鋼合金です。エリンバーのヒゲゼンマイを取り付けた時計は、温度補償をまったく必要としないか、ほとんど必要としません。これにより、メカニズムが簡素化されます。また、中間温度誤差も同様に排除されるか、少なくとも大幅に削減されます。

等時性

ヒゲゼンマイはフックの法則に従います。復元トルクは角変位に比例します。この特性が正確に満たされると、ヒゲゼンマイは等時性と呼ばれ、振動の周期は振動の振幅とは無関係になります。これは、正確な計時のために不可欠な特性です。機械式ドライブトレインは絶対に一定の駆動力を提供できないためです。これは、ゼンマイを動力とする時計や携帯時計に特に当てはまります。ゼンマイは、ほどけると駆動力が低下します。駆動力が変化する別の原因は摩擦であり、これは潤滑油が古くなるにつれて変化します。

初期の時計職人は、ヒゲゼンマイを等時性にする方法を経験的に発見しました。たとえば、ジョン・アーノルドは1776年に、ヒゲゼンマイのらせん形（円筒形）の特許を取得しました。 1861年、M。フィリップスは問題の理論的扱いを発表しました。彼は、重心がテンプ輪の軸と一致するヒゲゼンマイが等時性であることを実証しました。

一般的に、等時性を達成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。これは、ヘアスプリングの最も外側のターンの一部を、他のスプリングとは異なる平面に配置します。これにより、ヒゲゼンマイはより均等かつ対称的に「呼吸」できます。緩やかなオーバーコイルとZベンドの2種類のオーバーコイルが見つかりました。緩やかなオーバーコイルは、ヘアスプリングに2つの緩やかなねじりを加えて、円周の半分にわたって第2平面への上昇を形成することによって得られます。 Zベンドは、相補的な45度の角度の2つのねじれを課すことでこれを行い、約3つのスプリングセクションの高さで2番目の平面まで上昇します。 2番目の方法は、審美的な理由で行われ、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、現代の時計は、わずかに効果の低い「ドッグレッグ」を使用することが多く、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残りのスプリングの邪魔にならないように配置します。

振動の周期

ヒゲゼンマイとヒゲゼンマイ（通常、単に「ヒゲ」と呼ばれます）は、調和振動子を形成します。ヒゲゼンマイは、テンプの動きを制限および反転させて前後に振動させる復元カップルを提供します。天びんの運動は、ほぼ単純な調和運動、つまり一定周期の正弦波運動です。その共振周期により、摂動力による変化に耐えることができるため、優れた計時デバイスになります。 N * m /ラジアンでのばねの剛性、そのばね係数、κ{\ displaystyle \ kappa \、}、およびテンプ輪の慣性モーメントI {\ displaystyle I \、}、kg * m2ホイールの振動周期T {\ displaystyle T \、}秒：

T =2πIκ{\ displaystyle T = 2 \ pi {\ sqrt {\ frac {I} {\ kappa}}} \、}

この期間は時計の速度を制御します。