クォーツ時計、機械式時計のしくみ

「そんな事当然知ってるよ」と言う方もいれば、 「毎朝ネジをまかなくても動く時計がクオーツで、ネジを巻かなくては動かないのが機械式でしょ？」なんて方もいるかもしれません。

現在、世界で作られている腕時計のほとんどはクオーツで、機械式は全体のほんの数パーセントにすぎません。 時計屋さんにはクオーツがたくさん並んでいます。でも、クオーツ腕時計は発明されてやっと30年程しか経っていない時計なのです。 クオ―ツ腕時計が出てくるまでの時計はすべて機械式で、時計と言えば貴重品として扱われたものでした。 というのも現在のクオーツのように大量生産できなかったため、非常に高価だったのです。 クオーツ腕時計の出現で時計は種類、価格、デザイン、機能等の幅がぐんと広がり、私たちにとってもっと身近な存在になりました。

クオーツ腕時計の便利さ、機械式腕時計ならではの魅力。　一体、基本的には何が違うのでしょう？

違いは時計の中のムーブメントとよばれる時間の経過を計る小さな装置です。 クオーツ腕時計は電子回路が針を動かしたり、デジタル数字を表示したりします。 動かすためには電池が必要です。 精度は高く、1カ月に15秒位の誤差しかありません。

一方、機械式腕時計はぜんまいじかけの歯車が時を刻み針を動かします。 ネジでぜんまいを巻いて使う手巻きと、腕の動きが自動的にぜんまいを巻き上げる自動巻きの2つのタイプがあります。 機械式腕時計の誤差は一般的な機種で1日に10秒から20秒位です。

2番車には分針が、4番車には秒針が取り付けられています。つまり2番車は1時間に1回転、4番車は1分間に1回転するわけです。言い換えれば2番車が1回転する間に4番車は60回転しなくてはいけないわけです。4番車につながるガンギ車は同じ間に一般的な機種の場合600回転します。

例えば歯車の数が次のようになっているとします。

香箱車が1回転すると、それぞれの車は何回転するでしょうか？ 香箱車の歯数は72、それに噛み合っている2番車のカナの歯数は12しかありませんから、香箱車が一回転すると2番車は6回転してしまうわけです。　おなじように順に48、360、3600回転となるでしょう。

さて、前に述べたように2番車には分針がついているのですから1時間に1回転してくれなくては困ります。ということは香箱車が1時間に1/6回転してくれれば都合がよいわけです。が、さて、どうやって？ぜんまいはばねですから巻いて手を離せば殆ど一瞬にしてほどけてしまうだろうと想像できますね。ぜんまいがもっとゆっくり、かつ一定した速度でほどけていくようにコントロールするしくみが必要です。その役目をしているのがガンギ車、アンクル、てんぷです。

時針は1時間に1/12回転するのですから、分針のついている2番車が1回転する間に1/12回転する歯車があれば良いわけです。
2番車の軸にもうひとつカナを付け、図(3)とは逆に下図のよう今度はカナから隣の歯車へと噛み合わせます。

そして、それぞれの歯数を例えば次のように組み合わせれば1/12回転になります。

いかがですか？時計の仕組みが解ったような気がしてきませんか？

時、分、秒だけでなく月、日、曜日や月齢を表示するカレンダーウオッチ、月末や閏年の修正が不用のパーペチュアルカレンダー、計測機能の付いたクロノグラフや音で時刻を報せるリピーター等にはさらにもっと多くの歯車や部品を組み合わせます。細密で複雑な仕掛けが小さな腕時計の中に納められているのです。時計の中を見ることなどなかなかできないと思われるかもしれませんが、時計ケースがガラス張り(スケルトン)又は。裏側がガラス張りになっていて機械が見える時計もあります。てんぷとアンクル、ガンギ車は忙しく動いていますからすぐに判るはずです。是非一度中を覗いてみて下さい。

●クオーツ腕時計の中はどんなしくみになっているのでしょうか？

クオーツとはもともと石英のこと。 石英は二酸化珪素(けいそ）からなる鉱物で、石英の透明な結晶が水晶です。 クオーツ腕時計は水晶で作った水晶振動子を時間の調速、つまり1秒を1秒に、1分を1分に制御する装置に使用している時計のことです。 掛け時計であれ腕時計であれ、 時計に正確な時を刻ませるためには一定の周期で振動するものを利用しています。 たとえば掛け時計のふりこ、機械式腕時計のてんぷ などです。 クオーツ腕時計に使用されている「一定の周期で振動するもの」は水晶なのです。

水晶などの結晶には圧力（押す）を加えると一方の表面に（+）電気を、もう一方の面には（−）電気を発生する性質があります。 張力（引っ張る）をくわえた時には発生する電気のプラスとマイナスの面が逆になります（これを圧電効果といいます）。
押したとき	引っ張ったとき
同じように、曲げた時には曲がる方向によってプラスの電気とマイナスの電気の発生する面が逆になります。 さらにその逆の現象、つまり、水晶片の両面に電気を加えると伸びたり縮んだりの変形を起こします（逆圧電効果といいます）。 例えば水晶片の両面にプラスとマイナスの電気を交互に加えれば、その向きによって伸びと縮みの変形が交互に起こることになります。 これが水晶振動子の振動です。 クオーツ腕時計はこの振動を時間の調速に利用しています。 現在、身の回りにはこのしくみを利用した時計がたくさんあります。 パソコンや携帯電話に時刻が表示されているでしょう。 みんな水晶振動子を利用した時刻表示なのです。

●32,768ヘルツの振動

一般的にクオーツ腕時計の水晶振動子は1秒間に32,768回振動します。 どんな水晶も32,768回の振動をするわけではありません。 そのカットや形によって振動の仕方が違い、固有の振動数も違います。天然水晶は不純物が含まれ品質にもばらつきがあるため、クオーツ腕時計に使用する水晶振動子には人工水晶を用い正確に32,768回の振動を起こすようカットしています。

●アナログクオーツを例にとってもう少し詳しく説明してみましょう。

アナログクオーツは電池、電子回路（発振回路、分周回路、駆動回路）水晶振動子、 モーター、歯車類で構成されています。 電池からの電圧を受けて発振回路に電気振動が生じます。 水晶振動子が電気振動の中から32、768ヘルツの振動を捉えて、先に説明した逆圧電効果により振動します。 そのことは同時に圧電効果により32、768ヘルツの電気振動を発生させ、発振回路に取り込ませます。 このことにより発振回路は32、768ヘルツの安定した振動を繰り返します。 この振動数（ヘルツ）は分周回路により1振動に下げられ、駆動回路からモーターに1秒1回のパルス電流として送り込まれます（パルス電流＝一定間隔をおいて起こる電気のこと。 瞬間的な電流が1秒間隔で流れる）。 モーターの回転子（ローター）はパルス電流が流れた時だけ一定の角度回転するように作られています。 そして回転する毎に噛み合わせられている歯車の歯を1つ送ります。 その歯車の歯数を60にして秒針を取り付けておけば、秒針が1秒毎にタク・タク・タクとひと目盛りづつ進み、60秒で一周することになります。 ここからは機械時計の歯車のしくみと同じです。 順に分針の取り付けられている歯車、時針の取り付けられている歯車と噛み合わせられて行き、それぞれ針を動かします。

デジタルクオーツの場合はモーターも歯車も使用しません。 駆動回路からの電気振動が液晶板の数字の各セグメントを点灯して所定の時刻を表示します。

スイス時計協会参考資料

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