以下の文書は次の一部分の翻訳です。 使用している絵も英語版の Wikipedia の絵から作ったものです。

Marine chronometer - Wikipedia (海洋クロノメーター)

以下の文章で、バランス・ホイール、バランス・スプリングなどの用語が登場します。 バランス・スプリングはヒゲゼンマイと訳される方が多いのですが、 こうすると全体の言葉が調和しなくなるのでバランス・スプリングとしています。

バランス・ホイール、バランス・スプリングは次のようなものです。 これは 1950 年代の目覚まし時計のもの (Balance wheel - Wikipedia)。

バランス・ホイールとバランス・スプリングは一体となって左右に回転し、 振り子時計の振り子の役目をする発振子です。写真の中の番号は何の説明かわかりませんが、 1 がバランス・スプリング、その下にあるのがバランス・ホイールです。

海洋クロノメーターは携帯可能な標準時として使用するのに十分なほど精密で正確な時計のことである。 そのため、天測航法で経度を決定するのに使用可能である。 最初に開発された時は、 これは重大な技術的成果であった。 その理由は長期の航海の間に時刻を知ることは、 電子的手段あるいは通信手段がない場合には、 ナビゲーションにとって必要だったからである。 最初の真のクロノメーターは一人の人、ジョン・ハリソンの一生の 仕事であり、31 年間にわたる 不屈の試みと失敗であり、これは 航海 (あるいは後には航空) ナビゲーションに革命を起こし、 大航海時代と 植民地主義の新たな章を開いたのである。

クロノメーターという用語はジェレミー・サッカーが 1714 年に作った用語のようで、 彼は同じ年の 「 経度法」 (Longitude Act) で設定された賞金の競争者の一人であった。 クロノメーターは、もっと最近では、一定の精度の標準を満たすことを検査し、保障された腕時計に 使用される用語である。 スイスで製造された時計は、CSSC (公的スイス・クロノメーター検査協会、Official Swiss Chronometer Testing Institute) によって保障された時計のみが「クロノメーター」の表示を許されている。

地球の表面における位置の決定には、緯度、経度、高度を知ることが必要十分である。 高度を考慮することは、海上で操船している船舶にとって、無論無視することができる。 1750 年代の中頃までは、陸が見えない場合の正確な航海は未解決の問題であり、 これは経度を計算することが困難であったからである。 緯度に関しては、ナビゲータは正午の太陽 (あるいは太陽の高度が最も高い時) の角度を測定すれば決定できる。 しかしながら、経度を決定するためには船上で動作する標準時間が必要であった。 通常の天体の運行の観測、例えば木製の衛星を観測するガリレオの方法、は通常は船の動きにより海上では 可能ではなかった。 もともと ヨハネス・ヴェルナー (Johannes Werner) により 1530 年に提唱された「月からの距離方法」(Lunar Distance Method) は 海洋クロノメーターと並行して開発が進められた。 オランダの科学者である ゲンマ・フリシウス (Gemma Frisius) が 1530 年に経度の決定のために 海洋クロノメーターを使用することを始めて提唱した。

クロノメーターの目的は、よく知られた固定された場所の時間、 例えばグリニッジ平均時 (GMT, Greenwich Mean Time) を正確に刻むことである。 これはナビゲーションにはとりわけ重要である。 地方時の正午における GMT がわかれば、ナビゲーターは 船舶の位置とグリニッジの子午線における時間差がわかり、 これによりグリニッジ子午線 (0° と定義) に関しての船舶の相対的な経度を決定できる。

海上で信頼できる計時装置を作ることは困難であった。 20 世紀に至るまで、 最も良い計時装置は振り子時計であった。 しかし、海上における船の揺れから、重力に基礎を置く振り子は単に役に立たなかった。

クリスティアーン・ホイヘンスは、1656 年の振り子時計の発明に続き、 ジャン-バティスト・コルベール (Jean-Baptice Colbert) の援助のもとで、1673 年にフランスで最初の海洋クロノメータを 試みた。 1675 年にはホイヘンスは、ルイ XIV 世から年金を受け取っており、 振り子の代わりに制御用のバランス・ホイールと渦巻きバネ (spiral spring) を使用したクロノメーターを作り、 海洋クロノメーターと現代のポケット時計や腕時計の道を開いた。 かれはこの発明により、コルベールから特許を得た。 しかし、彼の時計は海上では不正確であった。

ホイヘンスのクロノメーター

より多くの試みを 英国では 1714 年にジェレミー・サッカー (eremy Thacker) が行い、 フランスでは 1716 年にアンリ・シュリー (Henry Sully) が行った。 シュリーは 1726 年に「シュリー氏により発明され、動かされた時計」(Une Horloge inventée et executée par M. Sulli) と題した本を出版している。 しかし、これらの発明は、海上でのうねりを克服して時を正確に保持することがまだ可能でなかった。

ジェレミー・サッカーの クロノメーターはジンバルと 真空なベル型の壺を使用

アンリ・シュリー (1680-1729) が 1716 年に提示したクロノメーター

1714 年に、英国政府は海上で経度を決定する方法に 経度懸賞を提供した。 懸賞金は 10000 ボンドから 20000 ポンド (今日の額では 数100万ポンド) で、額は精度に依存していた。 ヨークシャー の大工であった ジョン・ハリソンは 1730 年に計画を提出し、 1735 年に時計を完成した。これでは一対の逆に振動する重り付きのビームがバネで接続され、 重力あるいは船の動きに影響を受けないようになっていた。 彼の最初の計時装置である H1 と H2 (1741 年に完成) はこのシステムを使用した。 しかし、彼はこれらが基本的には遠心力に鋭敏であることに気付いた。 これの意味する所は、洋上では絶対に正確にはならないということであった。 1759 年に完成した 3 番目の機械 -- H3 と命名 -- には 新しい円状のバランスと バイメタル (bi-metallic strip) と 転がり軸受 (caged roller bearing) の発明を含んでいた。 この発明は現在でも広く利用されている。 しかしながら、H3 の円状のバランスは非常に不正確であることがわかり、 まもなく大きな機械を放棄した。

ハリソンは 1761 年のもっと小さな H4 クロノメータのデザインで精度の問題を解決した。 H4 は直径が 5 インチ (12 cm) で、大きなポケット時計のようであった。 ハリソンは 1761 年に 20000 ポンドの経度の賞金を目指して H4 を提出した。 彼のデザインでは、周期の速いバランス・ホイールと 温度変化を補正した渦巻きバネ (spiral spring) を使用した。 この一般的なレイアウトはその後使用され続け、終には 安定的な電子発振子により非常に正確な計時装置が手に入れやすくなるまで続いた。 ハリソンは 1767 年に「ハリソン氏の計時装置の原理」と題した本を出版した。

1781 年のハリソンの
H4 クロノメーター
彼の本の挿絵

同じ頃、フランスではピエール・ル・ロア (Pierre Le Roy) が 1748 年に現代的なクロノメーターに特徴的なデテント・エスケープメントを発明した (デテント、detent, ツメ) 。 1776 年にル・ロアはデテント・エスケープメントと温度補正したバランスと等時的なバランス・スプリング (ヒゲゼンマイ) を 組み込んだ革命的なクロノメーターを作った。 ハリソンは海上で信頼できるクロノメーターの可能性を示し、ル・ロアによる発展は 現代的なクロノメーターの基礎とみなされている。 ル・ロアの新考案により、それ以前に想定されていたものよりも、もっと正確な計時装置が可能となった。

フランスのフェルディナンド・ベルトゥ (Ferdinand Berthoud) はもとより、イギリスのトーマス・マッジ (Thomas Mudge) も海洋計時装置を成功裏に製造した。 そのいずれも単純ではなかったが、ハリソンのデザインが問題に対する唯一つの解答ではないことを示した。 実用性の重大な前進はトーマス・アーンショー (Thomas Earnshow) とジョン・アーノルド (John Arnold) の手によっており、 彼らは 1780 年に単純化された分離 "スプリング・デテント" エスケープメント (detached, "spring detent" escapement) を発明して、 特許を取り、 温度補正をバランスに移動し、バランス・スプリング (ヒゲゼンマイ) のデザインと製造を改良した。 この新考案の組み合わせは、電子時代に至るまで海洋クロノメーターの基礎となったのである。

フェルディナンド・ベルトゥ のクロノメーター no.3, 1763 年	ピエール・ル・ロアの クロノメーター, 1766 年
	ハリソンの クロノメーター H5, 1772 年

新しい技術は最初は非常に高価で、すべての船が携行したわけではなかった。 これは東インド貿易船のアーニストン (Arniston) の運命的な最後の航海に例証されている。 しかしながら、1825 年までに、王立海軍は定期的に、艦船にクロノメーターを供給したのである。

当時は長い航海に旅立つ前に艦船はグリニッジのようなタイムボールでクロノメーターを チェックすることが通例であった。 毎日、艦船は短時間テームズ川に停泊し、天文台のボールが 1 時きっかりに落下することを待った。 この慣例により、グリニッジ平均時間がその後国際標準と採用されることになったのである。 (タイムボールは 1920 年頃のラジオの時報の導入により余剰なものとなり、ラジオの時報も GPS の時刻により、 大半が不要となった。) 旅立ちの前の時刻合わせに加え、船舶のクロノメーターは海上で月もしくは太陽の観測により、 定期的に精度がチェックされた。

工業生産の方法が 19 世紀中頃に時計製造に革命を引き起こしたが、クロノメーターの生産は長い間手作業であった。 20 世紀の初めにかけて、 ユリスナルダン (Ulysse Nardin) のようなスイスの時計メーカーが 多大に前進し、現代的な製造方法を組み込み、完全に互換性のある部品を使用することになった。 しかしながら、米国の ハミルトン が大量生産の工程を完成したのは、ようやく第二次大戦の開始時点であった。 これにより、とりわけ優れたハミルトン・モデル 21 海洋クロノメーターを、 米国と連合国のために何千個も製造することが可能となったのである。 ハミルトンの成功にもかかわらず、古い方法で製造されたクロノメーターは機械時計の時代には市場からは決して消えることが なかった。 例えば、英国の セント・オールバンズ (St Albans) の Mercer は伝統的な製造法で高品質なクロノメーターを 1970 年代に 至るまで製造し続けたのである。

海洋クロノメーターの正確さと、それが可能とした航海の偉業の正確さがなくしては、 英国海軍の優越性と大英帝国の拡張がなかったことであろう。 戦争による帝国の形成と海外における植民地の支配は、 英国がクロノメーターによる信頼できるナビゲーションの手段を 持っていた時期に起きているのである。 一方、対抗するポルトガル、オランダ、フランスではこれがなかったのである。 例えば、フランスは、英国よりも先にインドや他の場所ですでに地位を確立していたが、 7 年戦争では海軍で敗北したのである。

海洋クロノメーターのもっとも完全な国際的なコレクションは、ハリソンの H1 から H4 も含め、 英国グリニッジ国立海洋博物館にあります。

図式化されたクロノメーターのメカニズム (テキストは独語)
フュージーがあることに着目、これによりバネの張力の変化が一定となる

重大な問題は、船が海上で遭遇する条件にも影響を受けない共振器を見つけることであった。 スプリングで抑制されたバランス・ホイールが船の動きに関係する大半の問題を解決した。 残念なことに、大半のバランス・スプリング (ヒゲゼンマイ) の材料の弾性は温度と共に変化する。 常に変化するスプリングの強さを補正するために、 クロノメーターのバランスの大多数は バイメタル (bi-metallic strip) を使用し、 これが重りを振動の中心に引きつけたり、引き離したりした。 これにより、バランスの周期を変更し、スプリングの変化する力と適合するようにした。 バランス・スプリングの問題はニッケルと鉄の合金によって解決され、 この合金は室温では弾性を変化させないためエリンバー (Elinvar) と命名された。 発明者である シャルル・エドゥアール・ギヨーム (Charles Édouard Guillaume) は冶金学の業績を認められて 1920 年にノーベル物理学賞を受賞した。 (時計に関しての業績から与えられた唯一のノーベル賞である)

エスケープメントには 2 つの目的がある。 1 つには、エスケープメントは歯車の列を断片的に前進させ、バランスの振動を記録することである。 もう 1 つには、摩擦から失われる微量のエネルギーを再供給し、 振動の均衡を維持することである。 エスケープメントはチクタク音の 1 部である。 振動するバランスの自然な共鳴はクロノメーターの心臓部であるため、 クロノメーターのエスケープメントはバランスにできる限り干渉しないようにデザインされている。 多くの一定力 (constance force) と分離エスケープメント (detached escapement) のデザインがあるが、 最も普通なものは、スプリング・デテントと回転デテント (pivotted detent) である。 このどちらにおいても、 小さなデテント (ツメ、detent) がエスケープ・ホイールをロックするが、 バランスには全く干渉せずに自由に揺らせている。 但し、バランスが振動の中心にある時は別で、この場合には 外部からの干渉をもっとも受けにくくなっている。 振動の中心では バランス棒のローラーがデテントを移動し、エスケープ・ホイールの 1 枚の歯が通り抜けることを許す。 エスケープ・ホイールの歯は、次に、バランス棒の上の第二のローラーにエネルギーを伝える。 エスケープ・ホイールは一方向にしか回転しないので、 バランスは衝撃を一方向のみに受ける。 復帰振動では、デテントの端を通り抜けるスプリングが、棒の上のアンロック用のローラーを移動し、この際にデテントは動かさない、

クロノメーターには時々効率や精度を上げるために、これ以外の新考案が含まれている。 しばしばルビーやサファイアなどの硬い石が ベアリングとして使用される。これは 摩擦を減らしたり、軸やエスケープメントの摩耗を減らしたりするためである。 20 世紀の3 番目の四半世紀に機械式のクロノメーターの製造が中止されるまで、 メーカーはボール・ベアリングやクロームメッキした軸などの実験を続けた。

海洋クロノメーターには持続動力 (maintaining power) が付いており、 これにより巻き上げている最中にもクロノメーターを動作させ続けることができ、 また海洋クロノメーターの動力源は、 巻き上げない場合にどれだけ長時間動作するかを表示できた。 海洋クロノメーターは、かって製造された装置の中で、もっとも精密な携行可能な機械式時計であり、 1 日に付き 1/10 秒の精度を達成していた。 これにより 1 ヵ月航海をしたあとでも、 船舶の位置を 4600 フィート (1400 m) の精度で決定できたのである。

船やボートでは電子的なナビゲーション装置 -- 大抵は GPS -- を普通は使用する。 しかしながら、天測ナビゲーションは、精密クロノメーターが必要とされるものの、 いまだにある種の国際的な船乗りの資格に必要である。 このような資格にはナビゲーション担当の航海士 (Officer in Charge of Navigational Watch)、 主任航海士 (Master and Chief Mate deck officers)、 長距離航海の個人所有のヨットの船長補助 (supplements offshore yachtmasters ) がある。 現代の海洋クロノメーターは GPS 信号やラジオの時報で定期的に補正するクォーツ時計に基づくことも 可能である。 しかしながら、 年間で 10 秒から 20 秒の精度を持つクォーツ装置が腕時計にさえある。 少なくとも、一つの先端ナビゲーションのためのクォーツ・クロノメーターは GPS 信号で補正した上に、更に複数のクォーツ・クリスタルを使用し、 計算機で平均値を取って補正している。