垂搖球儀

垂搖球儀是日本江戶時代製造的和式時鐘，屬於擺鐘的一種。其主要功能是記錄擺錘的擺動次數以推算時間，內部設有動力源與傳動裝置，能維持擺錘持續擺動。在江戶時代，這項儀器主要用於天體觀測與曆法修訂，伊能忠敬進行全國測量時也曾攜帶使用。

## 構造與原理

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垂搖球儀的基本原理與擺鐘相同，皆運用「擺的等時性」定律：當擺長固定且擺幅很小時，擺錘完成一次擺動所需的時間恆定不變。然而，僅有擺動結構的擺錘會因摩擦與空氣阻力而逐漸停止，因此垂搖球儀配備了維持擺動的動力源與傳動裝置。相較於尺時鐘等傳統和式時鐘，垂搖球儀的特色在於採用擺錘、獨特的動力傳動結構，並具備記錄擺動次數的功能。其擺錘部分稱為「垂球」（L），動力來源則為下方的「大錘」（W）（如圖1所示）。此外，與一般擺鐘不同，其顯示的數值並非時刻，而是擺動次數。這與當時日本採用不定時法有關，由於不定時法不便記錄天體觀測數據，若直接顯示時刻反而造成困擾。

以下為垂搖球儀的構造說明。需留意不同垂搖球儀的細部構造可能存在差異。零件名稱主要依據和式時鐘學會1983年（昭和58年）的報告書，其命名則沿襲1844年（弘化元年）《寬政曆書》的記載。

### 動力與傳動系統

如圖1所示，動力源「大錘」（W）藉由重力帶動最下軸（與套軸G、最下輪C同軸）旋轉。動力透過三級齒輪（C→D′、D→E′、E→F′）逐級加速，齒數比皆為10:1，因此最下軸每旋轉一圈，爪車（F）的軸便會旋轉1000圈。

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### 擒縱機制

爪車（F）的旋轉動力，透過稱為「促球機」的擒縱器傳遞給垂球（L），以維持其擺動（運作原理詳見圖2說明）。擒縱器主要由一對皇冠狀的爪車（圖2的F1, F2）和一個隨垂球擺動的「鋼鐵片」（圖2的I）組成。鋼鐵片在每次擺動中從兩個爪車獲得動力補充；同時，鋼鐵片每完成一次往復擺動，兩個爪車皆會轉過一個棘爪的距離。由於爪車有10個棘爪，因此垂球擺動10次，爪車便會旋轉一整圈。來自爪車的動力經由擒縱器的一系列槓桿（如圖3所示的I、J、K部件）傳遞，最終推動懸掛垂球（L）的繩索，使其以固有週期持續擺動。此週期反過來也決定了爪車及各級齒輪軸的轉速。

### 計數與顯示

最下軸、第二軸與第三軸分別連動指針（圖1的C″、D″、E″），與度盤共同顯示垂球的擺動次數。計數規則如下：

- 第三軸指針 (E″)：每100次擺動轉一圈。
- 第二軸指針 (D″)：每1000次擺動轉一圈。
- 最下軸指針 (C″)：每1萬次擺動轉一圈。

最下軸下方還設有兩枚稱為「計數輪」的星形轉盤（圖1的T1、T2），用於記錄更大的擺動次數：

- 第一計數輪 (T1)：代表10萬次擺動。
- 第二計數輪 (T2)：代表100萬次擺動。

憑藉此機制，垂搖球儀可顯示高達100萬次的擺動。由於垂球一天約擺動6萬次，連續運作約16天後顯示便會歸零。

### 其他功能

垂球（L）與大錘（W）收納於主體下方的箱盒中。箱內附有標示不定時法時刻的「時辰表」，大錘上則裝有指針。裝置運作時，大錘會勻速下降，若每日定時為大錘上弦，便可根據指針在時辰表上的位置得知大概時刻，此機制與尺時鐘相同。

此外，垂搖球儀配備「垂準器」以確認水平。要使垂搖球儀正常運作，保持裝置水平至關重要。在所有和式時鐘中，僅垂搖球儀具備此裝置。

### 使用方法

若要從垂搖球儀推算時刻，需預先測得正午時的擺動次數，以及一天（一太陽日）的總擺動次數，然後記錄目標時間點（如日食始末）的擺動次數即可。使用垂搖球儀時，必須定期為大錘上弦。《寬政曆書》記載為每日正午進行。但上弦期間動力會中斷，當時的人們可能用手指按住第二輪（D）等方法防止垂球停止，後來也出現了配備動力維持裝置的垂搖球儀。

## 歷史

### 傳播

16世紀後半葉，伽利略·伽利萊發現了「擺的等時性」定律。荷蘭物理學家克里斯蒂安·惠更斯運用此定律，於1656年發明了擺鐘，此後歐洲的擺鐘技術不斷改良。當時的日本因鎖國政策，西方科技難以傳入，天體觀測若需計時，多採用「百刻環」（日晷）或「漏刻」（水鐘）等工具。1720年（享保5年），雖然部分解除了西學書籍的進口禁令，但擺鐘技術並未立即傳入。

將擺鐘知識傳入日本的關鍵，是1748年（延享5年）引進的書籍《靈台儀象志》。此書由旅居清朝的比利時耶穌會士南懷仁於1674年以漢文寫成。書中「垂線球儀」一節簡要記載了利用擺錘計時的方法，其附錄《儀象圖》中更繪有擺鐘的圖樣。

### 誕生

天文學家麻田剛立與其弟子高橋至時、間重富閱讀《靈台儀象志》後，便將擺錘計時法應用於天體觀測。從1782年（天明2年）月食的觀測記錄中留有「垂球創用」的記載，可見當時已開始使用擺錘，這也是日本最早使用擺錘計時的記錄。然而，僅憑書中方法，擺錘振動會因摩擦而停止。因此，他們不得不手動推動擺錘，或準備兩個擺錘交替使用。

麻田剛立一派構思出能持續維持擺錘振動的機制，並將想法告知京都的鐘錶師戶田東三郎忠行。戶田隨後製成此種時鐘，初名「垂球儀」，後由平賀中南命名為「垂搖球儀」。1789年（寬政元年）觀測日食時，已有使用垂搖球儀的記錄。

1844年（弘化元年），高橋至時的次子澀川景佑撰寫《寬政曆書》，闡述寬政曆的曆法，書中也對垂搖球儀進行了總計37頁（文字17頁，圖20頁）的詳細說明。關於垂搖球儀的發明者，《寬政曆書》記為麻田剛立，但間重富的墓碑銘則稱是重富所創，說法不一。此外，亦有觀點認為此機制乃模仿西洋時鐘，故垂搖球儀是否為日本原創，學界見解分歧。

### 使用

戶田東三郎忠行以外的鐘錶師也開始製造垂搖球儀。間重富之子間重新亦製作了名為「一車垂搖球儀」的款式，上弦時的動力維持裝置也隨之出現各種改良。其總製造數量不詳，但和式時鐘學會在1983年的報告中推估：「總數加起來，是否有二十座都難說」。

當時使用垂搖球儀者僅限於部分天文學家和曆學家，一般大眾可能並不知曉，其應用領域主要為天體觀測、曆法修訂及伊能忠敬的測量工作。在天體觀測方面，大阪的羽間文庫藏有間家的觀測紀錄，顯示他們在觀測日食、月食或太陽南中時，使用垂搖球儀計時。間家至少擁有三台垂搖球儀。

在曆法修訂方面，高橋至時與間重富主導寬政曆修訂時，首次將垂搖球儀投入使用。當時他們在江戶曆局和京都改曆御用所兩地觀測天象，比較觀測值作為修曆依據。之後的天保曆修訂也使用了垂搖球儀。

伊能忠敬在製圖工作中極為重視天體觀測，為繪製《大日本沿海輿地全圖》而進行全國測量時，只要天氣晴朗，必定觀測天象。垂搖球儀被用來測量日食、月食等現象的時間。由於垂搖球儀是以太陽南中為基準，計算至次日南中的擺動次數作為一日總擺動數，因此在觀測日食、月食時，測量隊會提前數日抵達觀測點，觀測南中並啟動垂搖球儀。

此外，加賀藩曾利用垂搖球儀建立新的報時制度，並據此敲響時鐘。此報時制度為加賀藩獨有，因使用垂搖球儀，報時較以往更為精確。該制度始於1823年（文政6年），一直沿用至明治時期。

直到幕末，垂搖球儀仍在淺草天文台、間家及各地天文學家之間使用。但進入明治時代，1873年（明治6年）採用公曆與定時法後，和式時鐘便逐漸停用。根據1869年（明治2年）淺草天文台廢止時的記錄，其倉庫中還保存著兩台垂搖球儀。另有記錄顯示，明治時代成立的海軍水路部曾使用垂搖球儀，但在1874年（明治7年）7月改用外國製的天文擺鐘。

## 現存的主要垂搖球儀

由於垂搖球儀製造數量本就稀少，現存實物亦為數不多。

### 近江神宮藏品

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一位旅日美國遊客發現了此垂搖球儀，並於1966年6月10日的漏刻祭上奉納給近江神宮。現展示於近江神宮內的時計館寶物館，據稱是唯一一座完整保存至今的垂搖球儀。此鐘為戶田東三郎忠行所造，外觀為木製黑漆塗，箱盒正面寬18公分、高96公分、深29公分，大錘與垂球皆收納其中。為便於觀察垂球運動，箱盒左側設有門。主體機械則安裝在箱盒上方的背板上。

### 伊能忠敬紀念館藏品

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千葉縣香取市的伊能忠敬紀念館共保存兩台垂搖球儀，一台為伊能忠敬本人使用，另一台為其孫伊能忠誨所用。

伊能忠敬使用的垂搖球儀由戶田東三郎忠行製作，約於1796年（寬政8年）經間重富轉交給忠敬。木箱內貼有一張紙條，記載著製造年份與製造者。忠敬移居江戶深川後，在自家設立天文台，購置各式觀測儀器。1800年（寬政12年）的忠敬儀器清單中，便可見垂搖球儀之名。推測同年開始的全國測量所攜帶的亦是此台垂搖球儀。此外，《寬政曆書》所繪的垂搖球儀也與此鐘相似。

另一方面，忠誨使用的垂搖球儀上刻有「文政八乙酉春江府東神田住大野規行造之」字樣，可知此鐘為大野規行於1825年（文政8年）製作，當時忠敬已去世。與忠敬用款不同，其0至100及100至1000的指針安裝在同心軸上。該鐘還配備動力維持裝置，以防為大錘上弦時垂球停止擺動。現存的忠敬用垂搖球儀缺少一根指針，且兩台鐘僅共用一個垂球及一個大錘，其原本歸屬已不可考。

忠敬使用的垂搖球儀，作為「伊能忠敬遺書並遺品一括」的一部分，於1949年（昭和24年）獲認定為重要美術品。之後於1957年（昭和32年），「伊能忠敬遺書並遺品一括」獲指定為重要文化財。值得一提的是，最初曾誤將忠誨所用者指定，直到1967年，前國立科學博物館的朝比奈貞一指出此錯誤，才將指定對象更正為忠敬所用款式。2010年（平成22年），兩台垂搖球儀作為「伊能忠敬關係資料」的一部分，最終一同獲指定為國寶。

### 高樹文庫藏品

此為加賀藩所用之物，當時稱為「正時版符天機」。此鐘在富山縣內發現後，現收藏於射水市新湊博物館的高樹文庫。根據箱底記載，此鐘於1832年（天保3年）由金澤的鐘錶師與右衛門製作。國立科學博物館收藏的一個名為「精密尺時鐘」的箱盒，被認為可能就是此垂搖球儀的收納箱。此外，據信為加賀藩使用的垂搖球儀，除高樹文庫藏品外，還有一座個人收藏的時鐘（銘文「慶應元年 治動作」）和一座神奈川縣中井町「江戶民具街道」收藏的時鐘（記載「文政八年」）。

### 美國博物館藏品

華盛頓哥倫比亞特區的美國國家歷史博物館和伊利諾州羅克福德的鐘錶博物館各收藏一台。兩者皆是國立科學博物館的佐佐木勝浩於1983年（昭和58年）發現。這兩台垂搖球儀都經過改良，除了顯示擺動次數外，還能顯示時刻，但兩者讀取時刻的方法不同。此外，美國國家歷史博物館的垂搖球儀有三個顯示擺動次數的度盤，而鐘錶博物館的則有兩個。

## 調查與研究

### 大谷亮吉的調查

1909年（明治42年）7月10日，伊能忠敬的遺品在東京帝國大學供明治天皇御覽，當時擔任解說的長岡半太郎也解說了垂搖球儀。1913年（大正2年），東宮（後來的昭和天皇）在千葉縣立佐原高等學校參觀伊能忠敬的遺品，推測其中也包括垂搖球儀。

1917年（大正6年），帝國學士院囑託大谷亮吉出版伊能忠敬研究專著《伊能忠敬》，書中用一整個章節、共15頁的篇幅介紹了垂搖球儀。大谷的記述是明治以後首篇關於垂搖球儀的詳細論述。書中，大谷引用《寬政曆書》等文獻，指出儘管這些史料對發明者的說法不一，但都記載垂搖球儀為日本所創。然而，大谷對此提出異議，主張從惠更斯發明擺鐘到垂搖球儀誕生已過130餘年，期間西方觀測儀器已傳入日本，難以想像唯獨擺鐘沒有傳入。因此，大谷斷定，垂搖球儀為日本原創之說「終究不過是誇大之詞」（畢竟誇張之言に過ぎざるべし）。此外，大谷還調查了伊能忠敬使用過的垂搖球儀，並配圖詳細解說。

### 和式時鐘學會的調查

大谷之後，垂搖球儀的專門研究一度沉寂，相關文獻幾乎都是引用或轉引大谷的論述，其「非日本原創」的主張也為學界普遍接受。然而，後來有人對大谷的主張提出質疑，契機是1975年（昭和50年）7月23日拆解近江神宮所藏垂搖球儀一事。這次拆解因時間所限未能深入調查，但一些在場專家發現實物與大谷的記錄存在差異，從而對其主張起了疑心。1981年（昭和56年），在有志之士的號召下，和式時鐘學會成立。該學會隨即收集垂搖球儀的相關資料，並調查、比較了現存實物。他們實際啟動兩台垂搖球儀測量，確認其結果良好。這些成果由淺井忠、戶田光良、吉田嘉一整理為《和式時鐘調查報告 垂搖球儀》，於1983年（昭和58年）出版。

該報告書否定了垂搖球儀是模仿西方的說法，指出大谷並未具體說明垂搖球儀模仿何處，且若真有被模仿的時鐘傳入日本，理應在垂搖球儀誕生前就用於天體觀測。報告進而主張，無論是齒輪排列還是擒縱器結構，垂搖球儀都展現出獨創性，並非模仿西方。

### 後續研究

在垂搖球儀是否為日本原創的問題上，學界看法分歧。2011年（平成23年），栃木縣立足利高等學校的小曾根淳提出了兩項新資料。其一是《新製靈台儀象圖》附錄《儀象圖》中的第八十四圖與八十五圖，其中繪有擺鐘圖樣。此圖雖無垂搖球儀特有的雙重爪車等結構，但推測麻田剛立等人應看過此圖。其二是精工時鐘資料館收藏的一件附有擺錘度盤的摺疊式板尺時鐘。此鐘製作年代不詳，但沒有雙重爪車，技術上介於尺時鐘與垂搖球儀之間。基於這些資料，小曾根得出結論：從參考《儀象圖》附圖製作這點來看，可說垂搖球儀參考了西方擺鐘；但垂搖球儀中融入了多項附圖所沒有的巧思，因此不能斷言其純屬西方模仿。