時計

概説

古くは日常生活の中で時刻を知る方法は太陽の動きなどであった。紀元前1500年頃には日時計が発明された。
11世紀以降の機械時計には、動くための力、一定の速度で動かすための調速機、計った時を外部に伝える部分の三要素がある。動力としては、錘を引く重力、ぜんまい（ネジ）、電気などが主に使用される。調速機としては、振り子、テンプ、音叉、電力線、水晶、原子などが利用されている。外部に伝える部分は、一般的には針（アナログ）や文字（デジタル）、音などである。
このように近世までに機械時計は存在したものの庶民にとっては値段が高く一般的なものではなかった。また、初期の機械時計はそれほど正確ではなく定期的に時刻の調整をしなければならなかった。近代以後、より正確な機械時計が普及しても無線やラジオ放送などが普及するまで正確な時刻をもとに機械時計の時刻を合わせることも容易でなく、機械時計の時刻の調整には南中を知るのに特化した正午計（日時計の一種）なども用いられた。
1970年代頃までは、腕時計や置時計では動力にぜんまいを使った機械式、掛時計では電気（トランジスタ）式がほとんどであったが、1980年代以降、現在のほとんどの時計は、動力に電気、調速機に水晶振動子を使ったクォーツ時計となった。但し、機械式時計が完全に廃れたわけではなく、その完成度の高さから機械式時計の愛好家は多い。
市販のクォーツ時計の多くは 1 秒間に 32,768（2の15乗）回振動する (32.768kHz) 水晶振動子を用いて時を刻む。必ずこの数値でなければならないわけではないが、時計に組み込むのに適切な大きさの振動子で発生しやすい周波数であり、また、簡易な回路で分周を行い周波数を半分にする操作を繰り返して1秒を得る為に、2のべき乗の値であると都合が良いことからこの周波数がよく用いられる。他の周波数の水晶振動子が用いられることもある。
また、近年はセシウム原子の振動 (9,192,631,770Hz=9.19263177GHz) を用いた原子時計の時刻を基に発信された電波（標準電波、JJY）を受信し、クォーツ時計の時刻を自動修正する電波時計も利用されている。日本での標準電波の発信基地（電波送信所）は、福島県田村市都路地区（大鷹鳥谷山、40kHz）と佐賀県佐賀市富士地区（羽金山、60kHz）の2か所。更に進んで、地球上どこでも受信できるGPSの電波により時刻修正を行う衛星電波時計も出現している。
一方、動力については、電池交換の手間を省くため、腕時計の分野では手の動きから力を取り出して発電機を駆動して (AGS) 電気を得る方法や、文字盤や盤面以外の部分に組み込まれた太陽電池などにより発生した電気を、二次電池もしくはキャパシタに充電しながら作動するタイプが出てきている。
また時計は電子機器の多くにも内蔵されている。これは、ビデオの録画予約や、電子レンジの加熱時間など、タイマーとして使われる。
英語で時計を指して「クロック」（clock）と言うが、同じ語はデジタル回路（論理回路）のクロック同期設計における同期のための信号（「クロック信号」）を指しても使われる。クロックの記事を参照。パソコンなどではそれより他にリアルタイムクロックという、時刻を刻む「時計」も持っていることも多い。またオペレーティングシステム内では通常、さらにそれらとは別のタイマーを利用した時刻管理系を持っている。

時計の歴史

有史以前より人類（おそらく他の動物にも）は太陽の位置などにより、朝-昼-夕程度の曖昧で不明確な時の概念を持っていたと考えられる。太陽の位置を知る方法に「固定された適当な物の影を見る」というのがあり、これはいわゆる紀元前約2000年頃に発明されたといわれる日時計である。
しかし日時計は晴天の日中しか利用することができない欠点がある。そのため、別の物理現象を使って時間の流れを測定する時計が考えられた。例えば特定の大きさで作った蝋燭や線香、火縄が燃える距離を使う（燃焼時計）、水や砂が小さな穴から落ちる体積を使う（水時計、砂時計）などであり、紀元前1400年 - 紀元前700年頃の間にエジプト、イタリア、中国などで考案された。なかでも水時計は流速を一定とした水を使用することから、それを動力とした機構を発達させ、かなり複雑な機構を使用するものへと変化し、やがて機械式時計を生み出すこととなった。
北宋時代、より正確に時間を計るため駆動軸の動きを制限する脱進機が発明され、1092年に蘇頌によって世界初の脱進機つき時計台である水運儀象台が開封に建設された。水運儀象台は時計台であると同時に天文台でもあった。同時期、イスラム世界においても水時計の進化は進み、その機構の多くはヨーロッパへと伝播した。
14世紀にはヨーロッパで、定期的に重錘を引き上げ、それが下がる速度を棒テンプと脱進機で調節する機構が発明された。また1510年頃、ニュルンベルクの錠前職人ピーター・ヘンラインがゼンマイを発明し携帯できるようになった。
1583年ガリレオ・ガリレイは、振り子の周期が振幅によらず一定であること（正確には振幅がごく小さい場合に限られる）を発見し、振り子時計を思いついた。1656年クリスティアーン・ホイヘンスは、サイクロイド曲線を描く振り子および振り子に動力を与える方法を発明し、振り子時計を作った。
1654年ロバート・フックはひげゼンマイの研究を行い、それが振り子と同じく一定周期で振動することを発見し、1675年ホイヘンスはこの原理を利用した懐中時計を開発した。18世紀初頭に入ると時計技術の進歩はさらに進み、ジョージ・グラハムによってシリンダー脱進機が発明され、彼の弟子であるトーマス・マッジはレバー式脱進機を発明した。
中世ヨーロッパでの時計の意義は主に宗教目的で、神に祈りを捧げる時を知るためのものであった。しかし大航海時代に入り、天測航法および計時によって現在位置の経度を知るためには、揺れる船内に長時間放置してもくるわない正確な時計（クロノメーター）が必要となった。時刻にして1分の誤差は経度にして15分（1/4度、赤道上で28km）もの誤差となり、時計の狂いが遭難や座礁につながるという事故が多発したためである。1713年イギリス政府は「5か月間の航海で誤差は1分以内」という懸賞条件に2万ポンドの賞金をかけ、1736年ジョン・ハリソンが見合う時計を完成させた。しかしハリソンが単なる職人だったためか、イギリス議会はいろいろと難癖を付けて賞金を払わず、40年に渡って改良を重ねさせた。ハリソンはジョージ3世の取りなしがあって、ようやく賞金を手に入れられたが、それは彼の死の3年前であった。

時計制作の歴史に革命を起こしたのが天才時計師として名高いアブラアム＝ルイ・ブレゲであり、彼によって時計の進歩は200年早まったとされる。ブレゲはスイスのヌシャテルで生まれたのち、フランスを中心に時計制作を行い、トゥールビヨン、永久カレンダー、ミニッツ・リピーターなど、現代の機械式時計にも用いられている画期的な発明を数多く行った。ブレゲの顧客にはフランス国王ルイ16世、ナポレオン・ボナパルト、イギリス国王ジョージ3世、ロシア皇帝アレクサンドル1世などがおり、当時の最高権力者たちはこぞって彼に時計制作を依頼していた。ブレゲがその生涯に制作した時計は約3,800個と言われ、数々の傑作を生み出したが、そのなかでも最高傑作として名高い逸品が、王妃マリー・アントワネットの注文に応じて制作された懐中時計「マリー・アントワネット」である。
その後、機械式時計は精度や携帯性を求めて様々な改良が施された。また、この17 - 19世紀初頭は、職人の徒弟チームによる手工芸的な少量生産から、いかに大量生産で高精度の時計を作れるか・定期的な保守を誰でもできるかという要求により改良がなされていった時代である。ぜんまい動力の掛かる駆動部の歯車はなるべく均一な力がかかるように歯車の歯数を互いに割り切れないようにする工夫もなされた。気温によって振り子の長さやひげゼンマイの弾性が変化することも精度に影響するため、20世紀初頭に熱膨張率の小さなインバー合金、温度によって弾性率の変化が小さなエリンバー合金が発明され、大きな貢献を与えた。各種あった脱進機も、現在のアンクル脱進機にほぼ絞り込まれていった。
20世紀に入ると、動力として電動機が使われるようになった。当初は調速機構を在来機械式時計と同じくしながら動力源をぜんまいの代わりに電動機としたのみであった。更に第二次世界大戦後には、小型置時計や腕時計の分野で、電気の安定にトランジスタを使ったトランジスタ時計、調速機にRC発振回路を使った時計、音叉を使った音叉時計などが開発されたが、一般向けの実用時計としては水晶振動子を使ったクォーツ時計、実験施設等の高度な計時装置としてはセシウム原子の振動を利用した原子時計等、新たな高精度な時計の出現によりほとんど姿を消した。
クォーツ時計は廉価で小型化が可能で、1か月の誤差が15秒ほどと実用上十分の精度があるため現在では一般的に使われている。一方原子時計は2000万年に1秒くらいの狂いという高精度を持つものの、21世紀初頭の段階では廉価・小型化が難しい。そこで、原子時計による時報を適当な頻度で電波によって受信し、クォーツ時計の時刻を自動修正する電波時計も利用されている。またこれ以上に正確な時刻を知る必要がある（科学技術用途など）場合、GPSにより10億分の1秒オーダの正確な時刻が地球上どこでも容易に得られるようになったことも特筆に値する。
クォーツ時計が一般化する前の電気式時計では、アナログ式では電源周波数に同期して回転するサーボモータを使ったり、デジタル式では電源周波数より1秒毎のパルスを得て駆動していた（後者は現在でもビデオテープレコーダなどのタイマー予約用時計に使われることがある）。このため商用電源（日本では50/60Hz）は長時間で誤差が累積されないように進み遅れの制御がなされている。
一方機械式時計の新しい発明として20世紀末には、ジョージ・ダニエルズによるコーアクシャル脱進機が提案されている。これはアンクル脱進機以来の発明といわれている。また、セイコーによるスプリングドライブの発明は、機械式時計とクオーツ式時計の融合として革命的である。

時計産業

時計産業は、17世紀には手工芸的な産業であり、イギリス、フランス、スイスによって激しい技術競争が起こっていた。このうちフランスにおいてはナントの勅令がルイ14世によって1685年に廃止され、ユグノーが多かった時計職人たちは迫害を逃れてスイスへと移住し、まずジュネーブで、ついでその北東に位置するヌシャテルにおいても時計産業が栄えるようになり、この2都市がスイス時計産業の中心となっていった。先発であるジュネーブが高級時計を主力としたのに対し、ジュネーブからの職人移住によって形成されたヌシャテルやジュラ山地の時計生産においては廉価な時計の生産が主力となっていた。時計の制作は複雑なため、個人ではなく職人たちがチームを組んで分業により制作する方式を採用していたが、これには一つ一つの部品が正確に製作され、それが組み合わされて狂いなく動作することが必要であり、この職人集団は結果として正確な機械製作技術を身につけることとなった。この技術は他の機械製作にも応用されるようになり、産業革命の技術的基礎となった。このころまでの時計は、航海の安全に直結するクロノメーターを除けば、ほとんどは装飾品に過ぎなかった。しかし産業革命時代に入ると、正確な時間を知ることが必要になり、それまでの装飾品としての時計から実用品としての比重が急速に高まった。このころはいまだそこまで正確な時計は完成していなかったが、アメリカ西部開拓時代になると、正確かつ規格化された鉄道時計の需要が生まれ、精度の高い時計が求められるとともにアメリカに開発・生産の重心を移していった。ところが労働コストの上昇等により、20世紀前半までにはアメリカの時計産業は衰退した。19世紀末から労働コストが安いスイス・ドイツなどが時計産業の中心となった。
日本での工業としての時計生産は、明治時代中期（1880年代）以降に東京、大阪、名古屋周辺で掛時計、置時計の製造が始まったのが嚆矢であるが、懐中時計・腕時計等の精密時計の大量生産は20世紀に入ってから始まった。1927年にはアメリカにおいてクォーツ時計が発明されていたが、1960年代には急速に改良が進んで実用化されるようになり、1969年にはアナログ式クォーツ腕時計が日本において初めて商品化され、さらに1970年代以降のデジタル化へのシフトにより、スイスの時計産業は衰退し日本へとその主軸を移していった。20世紀末には生産地がさらにアジア諸国にシフトしていった。
この頃にはクロノメーター時代の最高精度の何倍もの精度の時計が廉価で買えるようになり、デジタル時計なども実用的にはこれ以上進歩のしようがなくなった。ただし大量生産されたクオーツ式時計には物としての所有感が乏しいため、スイス・ドイツ・日本の高級精密時計産業がまた盛り返した。『実用的な道具としての時計』と『高級な嗜好品としての時計』に二極化していったといえる。
その後21世紀になると、携帯電話等に付属する時計を利用するユーザが多くなったため、前者の『実用的な道具としての時計』産業は衰退しつつある。後者の高級精密時計産業は、特にスイスの時計生産業者やファッションコングロマリットによりグループ化され統合されて発展しつつある。ファッションブランドとの統合による資本の安定、他の産業（自動車・光学・精密・電子機器など）との複合経営による資本の安定や技術の応用・還元などにより、機械式時計も技術的にもさらなる発展をしつつある。
その他パソコンの画面上ではタスクバーで時間が標準表示される他、主にガジェット、フリーソフトとして各種アナログ・デジタル時計が多数公開されている。

機械式時計

時計を動かす動力はぜんまいばねや錘（おもり）である。ぜんまいばねはゆっくりとほどけながら動力主軸を回し、おもりはゆっくりと下がりながら動力主軸に撒きついた鎖を引いて主軸を回す。ぜんまいばねがほどけきったら巻き直し、おもりが下がりきったら巻き上げる。ぜんまいばねがほどけきるまで数日から数十日のものが一般的だが、万年時計のように長期間動き続けるものも作られた。
動力主軸（1番車）の回転は短針を回転させ、歯車を経て回転比を上げた軸（2番車）が長針を回転させる。さらにこれより回転比を上げた軸（3番車・秒針付き時計の時代には秒針に用いられるようになった）・最後の軸（4番車）にいくに従いトルクは小さくなり速度は速くなる。4番車には調速機構である脱進機（エスケープメント）が取り付けられ、速度を調節するようになっている。現代の代表的な脱進機はアンクル脱進機であり、腕時計・懐中時計から柱時計にまで応用されている。

保守

以前は数年に一回の分解掃除が必要とされて来たが、多数所有が当然となって使用頻度が落ちていることやオイルが改良されて来たことから十数年に一度で良いという意見も、初期馴染みが出た購入後2年位で整備しその後は整備間隔を広く取る等の意見もある。分解掃除は主にオイルを足したり、機械パーツの摩耗により発生する金属粉を取り払うために行われるが、使用オイルを指定する機種もあり、適正量は極めて少量であるし、また部品の破損・紛失の危険性も高いため試行は難しい。結果として専門の業者に依頼することになるが、機械時計が主流でなくなってから久しいため、正しく分解掃除ができる業者が減り、また機械式時計ブームに乗ってちゃんと分解掃除ができないのに受け付ける業者も増えて来たことから、業者の選定には注意が必要である。

アンクル脱進機

アンクル脱進機では、4番車の同軸に特別な歯車（雁木車）と雁木車を止めるためのアンクルが取り付けられる。アンクルの2つのツメは雁木車を2つの位置で止める。またアンクルは規則的に往復運動する振り子やテンプに動力を供給し、逆に振り子・テンプは押されると一定時間後に反対側でアンクルのロックを解除する。
アンクルが片側に振れたときには一方のツメは雁木車から外れて、もう一方のツメが雁木車に掛かるようになっている。雁木車の歯やアンクルのツメの形状には工夫がしてあり、アンクルのツメが外れて雁木車が回転する際に僅かにツメを押し返すようになっている。アンクルが左右に振れるたびに雁木車はちょうど一歯分だけ回転する。アンクルの左右の振れを規制するためにバンキングピンと言われる部品があり「チクタク」と聞こえる時計の音は、アンクルがバンキングピンにぶつかる際の衝撃音である。
振り子は重力加速度と錘までの腕の長さによってほぼ振動周期が決定される。テンプはクロノメータ・懐中時計から腕時計に至るまで振り子を携帯する必要性のためにこれを往復回転する輪にしたもので、周期は渦巻きバネの長さによってほぼ決定される。振り子の振れ幅・テンプの回転角度によって周期は厳密には異なるが、ほぼ一定とみなすことができる程度であるため、巻きはじめと巻き終わりで著しくトルクが異なるぜんまいの動力により振り子またはテンプがはじかれる強さが異なっても、ほぼ一定の周期が保たれるわけである。

コーアクシャル脱進機

ジョージ・ダニエルズによって発明された。アンクルが雁木車を止める際に大きな衝撃が加わらないような動作をするもので、理論上構成部品の金属が全く摩耗しない強さの衝撃に抑えられているため機械の寿命低下を軽減すると期待されている。3つの爪をもつアンクル、同軸の2枚の雁木車（ちなみに2枚とも歯は雁木 = もはや雁の首の形をしていない）、バランスローラーをもつのが特徴である。

スプリングドライブ

機械式時計の輪列を用いゼンマイを動力としながら、脱進機部分に発電機を備えクオーツ機構により等時性を制御するものである。進み遅れをクオーツ部分の時刻と比較し、発電機の抵抗を増減することにより調整する。

電気式アナログ時計

電気式アナログ時計では、機械式と輪列は同様であるが、動力が伝わる向きは逆である。すなわち調速機構の位置にある動力源（電磁テンプやモータなど）・秒針位置にある動力源（ステッピングモータなど）で駆動する。
なお、伝統的な輪列により時-分-秒針が同期動作するのではなく、複数のステッピングモータを搭載し、時-分と秒針、または時針と分針と秒針を独立に動かせるコンピュータ制御の時計も一部にある。モード切替（ワールドタイム、クロノグラフなど）により針がジャンプしてシンプルな文字盤で多機能を実現するためである。

クオーツ式アナログ時計

水晶発振を分周したデジタル電子回路で、低速のパルス（多くは1Hz = 秒1回）を発生させ、ステッピングモータをそれに応じた角度だけ回転させる。1Hzでモータが60ステップの場合、直接秒針を駆動する。アナログとはいいながら中間の針位置がない（6度刻み）動作になる。現在の電気式アナログ時計の主流である。

音叉時計

アナログ電子回路を発振させた電気振動で電気音叉を駆動し、その先についた爪で秒針同軸の円盤に刻まれた細かい歯車を送る機構。アナログ電子回路では1Hzなどの低速のパルスは精度よく発生しにくいため、このような機構が発明された。小型化され腕時計にもなっている。

温度差式時計

1928年ニューシャテルの技術者ジャン=レオン・リュッテ（Jean-Léon Reutter）は気温の変化により駆動される時計を発明した。
丸型でガスと塩化エチルが注入されたタンクが取り付けられ、その温度変化による膨張収縮によりアコーディオンを動かしゼンマイを巻き上げる構造になっている。15℃から30℃の間で1℃の温度変化が生じれば2日間動く。
この原理を利用し1936年よりジャガー・ルクルトが「アトモス」の名称で発売している。