垂揺球儀
伊能忠敬は、地図作成作業において天体観測の結果を重要視し、大日本沿海輿地全図作成のための全国測量の際にも、晴れていれば必ず天体観測をするようにしていた。垂揺球儀は日食や月食などの時間を測定するのに使われた。垂揺球儀は太陽の南中を起点として、そこから翌日の南中までの振動回数を1日の振動回数とするものであるから、日食・月食の観測時には、数日前に観測場所に到着し、南中を観測して垂揺球儀を駆動させていた。
このほか、加賀藩では、垂揺球儀を使った新しい時刻制度が作られ、これに基づいて時鐘が打たれた。この時鐘制度は加賀藩独自のもので、垂揺球儀を使うことにより従来に比べて正確に時を告げることができるようになった。この制度は1823年(文政6年)に開始され、明治期まで続いた。
垂揺球儀は幕末まで、浅草天文台や間家、各地の天文学者によって使われていた。しかし明治になり、1873年(明治6年)に太陽暦による定時法が採用されると、和時計の使用機会はほとんど無くなった。1869年(明治2年)に浅草天文台が廃止されたときの記録では、土蔵に2台の垂揺球儀が保存されていることが記されている。また、明治時代に発足した海軍水路部で垂揺球儀が使用されていた記録が残されているが、1874年(明治7年)7月に外国製の天文振り子時計に置き換わった。
原理は振り子時計と同じである。すなわち、振り子はその長さが同じで、かつ振り子の振動が小さいときは、1回振動するのに要する時間は一定であるという「振り子の等時性」の法則があるので、これを利用することで時間が求められる。しかし振り子を振動させるだけの構造だと振り子は摩擦や空気抵抗によって減衰し止まってしまうので、振動を維持するための動力源や伝達機構が備わっている。垂揺球儀が従来の尺時計などの和時計と異なる点として、振り子を使用したこと、動力伝達の構造、そして振動数を計測する機能が挙げられる。
垂揺球儀の場合、振り子にあたるのが垂球(L)で、動力源となるのは下部の大錘(W)である。また、一般的な振り子時計と異なり、表示される数値は時刻ではなく、振り子の振動回数である。これは、当時の日本が不定時法を採用していたことと関係している。垂揺球儀の使用目的は主に天体観測であるが、天体観測の記録を記すには不定時法は不向きのため、時刻表示では不便であった。
以下に垂揺球儀の構造を示す。なお、細部の構造は個々の垂揺球儀によって差異がある。また部品名称は原則として和時計学会が1983年(昭和58年)に発行した報告書に記載された名称を使用した。同報告書で使用されている名称は、1844年(弘化元年)の『寛政暦書』に記載の名称を踏襲したものである。
動力源の大錘(W)は紐につながれ、その紐は套軸(G)に巻かれている。套軸は最下輪(C)と同軸となっており、套軸と最下輪は最下軸によって貫かれている。大錘の重力によって最下軸が回転する。
最下輪(C)には歯が設けられ、この歯は第二軸に取り付けられた第二軸カナ(D’)と噛み合っている。
ワシントンD.C.の国立アメリカ歴史博物館と、ロックフォードの時計博物館に1台ずつ所蔵されている。どちらも1983年(昭和58年)に国立科学博物館の佐々木勝浩によって発見された。両垂揺球儀は、振動数のほかに時刻も知ることができるように改良されているが、時刻の読み取り方は両者で異なっている。また、国立アメリカ歴史博物館の垂揺球儀は振動数を示す文字盤が3枚なのに対し、時計博物館の垂揺球儀は2枚である。