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受信機能を持つ時計たち

受信機能を持つ時計たち

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標準電波 地上局から送信される電波
衛星電波 GPS衛星から送信される電波
Bluetooth PCやモバイル機器との通信に利用される電波

上の3つは、腕時計が受信することのできる現在主流の電波で、これらの電波は時刻とカレンダーの情報を含んでいます。
今回は、これらの電波にどのような違いがあるのか、どのように受信しているのか、そもそも何のために受信しているのか、ということを中心に解説します。
それぞれの電波にメリット/デメリットがあり、それを受信する腕時計を大きく特徴づけています。
腕時計を選ぶとき、受信する電波の違いにも注目すると、よりライフスタイルにフィットする腕時計を見つけることができるかもしれません。

3つの電波

標準電波
電波の周波数 30~300 kHz(長波/LF)
受信可能範囲 1500~3000 km
通信の特徴 北米、欧州など主要な地域をカバーする送信所が世界各地にあり、日本にも2局存在する。
いわゆる「電波時計」が受信する電波。
衛星電波
電波の周波数 1.2 GHz帯、1.5 GHz帯 (極超短波/UHF)
受信可能範囲 地上全域
通信の特徴 準天頂衛星「みちびき」を含むGPS衛星30数機のうち、複数機の送信信号を受信し、時刻カレンダー情報の他、位置情報も取得できる。「衛星電波時計」「GPS衛星電波時計」が受信する電波。
Bluetooth
電波の周波数 2.4 GHz帯 (極超短波/UHF)
受信可能範囲 数 m~10数 m
通信の特徴 ペアリングした1台のPCやモバイル機器と接続し、双方向通信が可能。

3つの主要な電波は、標準電波、衛星電波、Bluetoothの順番に実用化されています。
必ずしも後者が前者の進化版というわけではなく、それぞれ用途が異なり、また技術的背景も異なっています。

準天頂衛星みちびき

準天頂衛星とは、特定の地域の上空に長く止まるような軌道を描く人工衛星のことです。
日本の準天頂衛星「みちびき」は、現在までに4機が打ち上げられ、日本上空からオーストラリア上空までを8の字ような軌道を描いています。

みちびきの軌道

みちびきは、GPSを補完・補強する働きを持っていて、みちびきのいずれかが常に日本上空にとどまるように配置されていることから、日本国内での受信環境改善やナビゲーションシステムの精度向上に貢献しています。
最新のGPS衛星電波時計は、真上の上空が開けている場所であれば、容易に衛星電波を受信できるようになり、高層建築が多い都会での使用にも最適化されています。

なぜ、腕時計に受信機能が付くのか?

他の機械がそうであるように、腕時計もまたその発明以来「自動化」に向けて進化し続けています。
「腕時計の自動化」とは、つまり、機械式時計の時代に行う必要のあったすべての手動操作のうち特に次の3つを自動化することにほかなりません。

ぜんまいを巻く 機械式腕時計は、巻き上げられたぜんまいがほどける力を動力にして動くため、ほどけきったら、巻き上げる必要があります。
時刻を合わせる アナログ式時計では、針や日表示などは、歯車などの機械部品で構成されています。
機械部品は、どれだけ精密に作成されたにしても、その精度には限界があるため、どこかで合わせる必要があります。
カレンダーを合わせる ひと月に含まれる日数には、31日、30日、29日(うるう年の2月)、28日(平年の2月)の4タイプがあります。
時計のカレンダーがこれらを正確に表示するためには、あらかじめすべての暦を記憶するか、その周期性を機械的に内蔵しておく必要があります。記憶も内蔵もしない場合は、毎月ごとにカレンダーを合わせる必要があります。

機械式時計の進化と限界

機械式腕時計の自動巻機構は、腕時計を使用しているうちに自動でぜんまいを巻き上げるという画期的なしくみです。ただし、長期間腕時計を使用しないでおくと、当然止まってしまいます。
また、万年カレンダーを搭載した機械式腕時計も作成されました。これもまた画期的な発明ではありましたが、極めて複雑な機構を持つことから、時計自体が大変高価になったり、点検頻度が大きくなるなど、「自動化」の恩恵はあまり得られなかったようです。
一方、現実の時間は、数千年に1秒、数万年に1秒、数10万年に1秒、数千万年に1秒のくるいしか生じないような原子時計によって管理されるようになりました。
その時間精度は、機械式時計には到底実現できないような桁違いなレベルに達してしまっていたのです。
機械式腕時計がどれほど機械的な精密さと正確さを向上させても、それは「時刻カレンダー合わせ」なしでくるいの生じない時計になるという目標を目指すものであって、実現が限りなく難しい高すぎる理想にすぎなかったのです。
もっと現実的な、発想の転換が必要になったのです。

機械式時計を超えて

原子時計が刻むような高い精度の時間を腕時計でどのように実現するか。
これは時計の長い歴史の中に突然現れ、しかも早急に対応すべき課題だったと言えるでしょう。ラジオやテレビの普及により、原子時計の時間は、番組内や時報という形で多くの人々に簡単に届けられるようになり、腕時計のほうがずれている、ということが当たり前の風景になってしまっていたのです。
人々の生活も徐々に時間に追われるようになり、1分1秒の誤りも見逃せなくなってきているなかで、腕時計だけが取り残されて良いわけがありませんでした。
この課題への解答が、時刻カレンダー合わせの自動化だったのです。正しい時刻カレンダー情報を持った電波さえ受信することができれば、あとは、腕時計の針や表示をそこに合わせるだけで良いのです。

ぜんまいを巻く 電池と水晶振動子によるクオーツウオッチ化に成功
時刻を合わせる 電波を受信し、自動時刻カレンダー合わせに成功
カレンダーを合わせる

受信から自動時刻カレンダー合わせまで

自動時刻カレンダー合わせのプロセス

実は、電波の種類に関わらず、電波受信以降から時刻カレンダー合わせまでの時計内部のプロセスにはほとんど違いはありません。
電波によって、アンテナ、時刻カレンダー情報の形式、デコードの方法は異なりますが、時計内部のプログラムによって適切に処理され、針や表示を動かすモーター(ローター)への信号に変換されるということに違いはないのです。

電波時計の自動時刻カレンダー合わせのプロセス

受信から時刻合わせまで

実際の標準電波時計や衛星電波時計の回路部分では、電波から時刻カレンダー情報を取得した後、時計の持つ現在の時刻カレンダー情報と比較し、その差が小さい場合は、時刻カレンダー合わせを実行します。
差が大きい場合は、再度受信を試みるようプログラムされているのです。この慎重な対応は、時計が持つ自然な誤差に対して外部時刻との差が不自然である場合、一旦は疑ってかかることで、受信した時刻カレンダー情報の正確さを見極めるための措置である、と言えます。

デジタルとアナログのギャップ

受信部・解析部・制御部から構成される、一般的な自動時刻カレンダー合わせ機能つき時計には、避けることのできない一つのギャップがあります。
解析部が時計内部で電子的に(つまりデジタル的に)時を刻んでいる一方で、制御部は歯車などを使用して機械的に(つまりアナログ的に)時を刻みます。
このデジタル部分とアナログ部分に、問題のギャップがあります。デジタル部分は、アナログ部分に指示を出して針や表示を動かすのですが、この指示が一方的なもので、アナログ部分からデジタル部分には、何の情報も戻らないのです。
何も情報が戻らないということは、つまり、デジタル部分はアナログ部分が今どういう時刻を表示しているのかわからないまま指示を出している(指示が正しく伝わっているかどうかすらわからない)ということなのです。

ギャップを補完する「約束」=「基準位置」

しかし、実際の自動時刻カレンダー合わせ機能つき時計は、正しい時刻カレンダーを表示することに成功しています。
実は、デジタル部分とアナログ部分と間には、あらかじめ一つの約束があって、デジタル部分からの指示は、アナログ部分がその約束に従っていることを前提に、行われているから可能なのです。
その約束のことを「基準位置」と言います。

基準位置とは、デジタル部分とアナログ部分の約束である

基準位置

回路部分から、機械部分が「基準位置」=「約束」を正しく守っているかどうかを知ることはできません。
ですから、回路部分は、機械部分が「約束」を正しく守っていることを前提にして、針表示合わせの指示を行うしかないのです。

基準位置が正しくないと

機械式時計がそうであったように、アナログ部分の精度は、デジタル部分の精度よりどうしても劣ります。
また、時計をぶつけるなどの衝撃によって、アナログ部分が大きくずれてしまうこともあるかもしれません。
正しく取り交わしたはずの約束「基準位置」は、このように時間とともに、ずれてしまうことがあるのです。
基準位置が正しくなくなってしまった場合、時計は電波を受信しても、正しい時刻カレンダーを表示できなくなります。
たとえ、手動で時刻カレンダー合わせを行って表示を正しくしても、それは一時的なものにすぎません。
電波を受信すると、正しくない基準位置に基づいて針と表示を動かすことになるわけですから、結局再びずれてしまうわけです。

時計に基準位置があるのは、電波受信などによって正しさが保たれるデジタル部の時刻カレンダーを、正しくアナログ部に伝えるためです。
ときどき時計の基準位置が正しいかどうかを確認し、正しくないときは正しい基準位置になるように修正しましょう。
それにしても、ギャップを約束で埋めるという解決方法が採用されていること、ときどきは昔取り交わした約束を確認して、必要なら再度約束を取り交わすこと、この何とも人間っぽいところも、時計の魅力の一つなのかもしれません。

針位置補正機能について

上の説明では、自動時刻カレンダー合わせ機能つき時計のデジタル部分に、アナログ部分からの情報が戻らないと言いましたが、時計はやはり進化しています。
実は、アナログ部分の状態の一部ではあるのですが、デジタル部分が把握できる工夫が存在しているのです。
それが、針位置補正機能です。この機能によって、針の位置を1秒単位で捕捉し修正することが可能になりました。
それはつまり、基準位置を確認したり、修正したりする必要が、ほぼなくなるということであり、時計の自動化がまた一歩前進したことを意味するのです。

標準電波を受信する電波時計

標準電波は、地上の送信所から送信される電波で、受信範囲は送信所を中心とした円形で示されます。
標準電波の送信に使用される長波は、室内での受信も可能で、壁掛け型の時計の多くが対応しています。

日本国内の電波送信所と電波の到達可能範囲

日本の電波送信所

腕時計は小型だけど

腕時計では、アンテナが小型であることなど、壁掛け型時計ほど受信能力は高くはありません。
しかし、受信した電波から時刻カレンダー情報を取得する際の解析能力を高めることで、電波が微弱であったり受信環境が最適でない場所での受信でも、時刻カレンダー合わせを行うことができるようになっています。ここには、シチズンが電波受信機能を長期間に渡って開発してきた経験が活きているのです。
こうして、腕時計による室内受信は、送信所方向の窓際であれば問題なく実行できるようになったのです。また、長波は他の電波が少ないほうが受信に適しているため、腕時計の自動受信機能は夜間に行われます。夜寝る前に、時計内部の受信アンテナの位置も考慮して、送信所方向の窓際近くに置くだけで、深夜に自動受信→自動時刻カレンダー合わせが行われます。

標準電波送信所

標準電波は、海外にも送信所があり、これらを利用して移動先で時刻カレンダー合わせを行うことができます。
日本の送信所も含め、代表的な海外の送信所は、次の通りです。

北米
送信所 フォートコリンズ送信所
コロラド州デンバー
標準電波 WWVB
送信される時刻カレンダー情報のUTCとの時差 0 (UTC+00:00)
ヨーロッパ
送信所 マインフリンゲン送信所
フランクフルト南東
標準電波 DCF77
送信される時刻カレンダー情報のUTCとの時差 +1時間 (UTC+01:00)
中国
送信所 河南省商丘市送信所
標準電波 BPC
送信される時刻カレンダー情報のUTCとの時差 +8時間 (UTC+08:00)
日本
送信所 おおたかどや山標準電波送信所(福島局)
はがね山標準電波送信所(九州局)
標準電波 JJY
送信される時刻カレンダー情報のUTCとの時差 +9時間 (UTC+09:00)

日本は南北に長いことから、2つの送信所が運用されていて、時計はいずれかの送信所の電波を利用して時刻カレンダー合わせを行なっています。

ところで、北米やヨーロッパでは、複数の時差が含まれる地域でも一つの送信所からの電波を受信して時刻カレンダー合わせを行っていますが、それぞれの時差の問題はどのように処理されているのでしょうか?
複数の時差が含まれる地域の電波受信では、時差のないUTC(協定世界時)に、地域ごとの(UTCからの)時差を加え、時刻カレンダーを表示するようにしているのです。

ワールドタイム機能

この「時計にあらかじめ設定された各地域の時差」が、時計の「都市設定」や「地域設定」と呼ばれるもので、これはワールドタイム機能の一部になります。

世界の時差

タイムゾーン世界地図

この地図上では、世界のすべての地域が、UTCからの時差によって区分されています。

サマータイム機能

同様のことが、サマータイムについても行われます。
サマータイムとは、夏や冬の一定期間だけ、地域や国全体で時計を進めたり遅らせたりする制度で、日本ではなじみがないのですが、ヨーロッパや北米で実施されています。
標準電波には、サマータイムの有無についての信号も含まれており、サマータイム実施時にその信号を受け取ると、時計もサマータイムを表示するようになるわけです。
これもまた、ワールドタイム設定と同じように、時計内部でサマータイム信号を受け取ったときにどうするかを地域ごとに設定することができるのです。

まとめ

このように、標準電波を受信する電波時計では、地域の特色に合わせた処理が細かに行われることから、特定地域での使い勝手が大変良いことがわかります。

標準電波を受信する電波時計のまとめ
電波の受信 送信電波の特性から、窓際ならば室内でも受信が可能
受信の頻度 毎日1回受信で習慣化しやすい
海外などの旅先での利便性 電波送信所の受信可能範囲で、ワールドタイム機能を上手に活用
サマータイムなどの地域特色にも対応
こんな人に向いています 安定した電波受信ができる環境にいる人で、規則的に電波受信をしたいと考える人

GPS衛星からの電波を受信するGPS衛星電波時計

GPSは、Global Positioning System (全地球測位システム)の略で、「測位」という言葉からもわかるように、もともと地球上のどこでも位置情報を取得するためのシステムです。

GPS衛星の周回軌道

GPS衛星の周回軌道

GPS衛星は、およそ12時間で地球を1周しています。

そのようなシステムから、時計がどのように時刻カレンダー情報を取得しているのか、少し詳しく解説します。

GPS衛星の特徴

GPS衛星からの電波は、GPS衛星が私たちの上空にいるときは、いつでも受信できます。
しかし、これは不思議なことです。
というのも、GPS衛星がどんなに高速で周回していても、必ず地球の裏側という死角に入ってしまう時間帯ができてしまいその間は受信できない、ということになってしまうからです。
そこで、GPS衛星は、地球上のどの上空にも常に複数個が存在するように衛星軌道上に配置され、周回するようになっています。

つまり、GPSと呼ばれているものは衛星1つのことではなく、複数のGPS衛星(およそ30基)が相互に連携しながら、死角を作らないよう組織的に配置されて地球を周回しているシステムである、というわけなのです。

GPS衛星から受信する情報

こうした複数個のGPS衛星からの信号を受信することによって、GPS衛星電波時計では、時刻カレンダー合わせができるだけではなく、三角測量の要領で、カーナビと同じように、地球上の自分の位置も知ることができるようになりました。
ところで、GPS衛星電波時計やカーナビは、GPS衛星からどのような情報を受け取っているのでしょうか?

これが意外なことに、位置情報などではなく、時刻カレンダー情報だけなのです。
GPS衛星には、10万年で1秒以内の誤差という原子時計を搭載されていて、常に時刻カレンダー情報を発信しています。
そうした時刻カレンダー情報を受信することで、GPS衛星電波時計が自動時刻カレンダー合わせを行うのはある意味当然のことと言ってよいでしょう。
しかし、位置情報はどうなっているのでしょうか?
時刻カレンダー情報からどのように位置を割り出すというのでしょうか?

GPS衛星からの位置情報取得

それぞれのGPS衛星は、周回軌道上の位置が時刻によって決まっています。
ですから、あるGPS衛星からの時刻カレンダー情報を受信すれば、その衛星の位置が分かるのです。
GPS衛星電波時計の位置情報の取得では、複数のGPS衛星から時刻カレンダー情報を受信し、それぞれの衛星の位置とその距離を算出し自分の位置を割り出すという計算作業を行っているのです。
こうした位置情報の取得には、最低4基のGPS衛星からの受信が必要であるため、位置情報取得のための受信は、時刻カレンダー合わせの受信よりも、長い時間を必要とするのです。

GPS衛星からの位置情報取得

GPS衛星の周回軌道

GPS衛星電波時計の受信の実際

シチズン最新のGPS衛星電波時計では、自動時刻受信はおよそ6日に1回行われます。
実は、標準電波の電波受信とくらべて、GPS衛星の電波受信はより多くの電力を必要とするため、受信を毎日行うことが現実的ではないのです。
標準電波の電波受信が毎日1回であるのに対して、6日に1回では少ないように思われます。
しかし、シチズン最新のGPS衛星電波時計では、時間精度を標準的な「月差±15秒」から「月差±5秒」と高くし、時計のずれそのものを少なくすることで十分な対応を行っているのです。

その一方で、GPS衛星の電波受信で時刻カレンダーを合わせを行うときは、タイミングさえ良ければ、ほんの数秒で終わるというメリットがあります。
さらに、自分の位置情報を取得する(この受信には、30秒~2分かかります)ことで、内蔵地図に照らし合わせて、「都市設定」「地域設定」を自動で行うことも可能です。

つまり、ワールドタイム設定の自動化が果たされたのです。

GPS衛星からの電波を受信するには、上空が広く開けた場所で、受信を手動で開始し、受信中はできるだけ時計を動かさないように注意します。
また、GPS衛星電波には、サマータイム信号などのローカル情報は一切含まれないため、サマータイムの表示は、手動で行う必要があります。

まとめ

GPS衛星からの電波を受信するGPS衛星電波時計の利点
電波の受信 室内での受信は、窓際で上空が広く開けたところで。
理想的には、屋外の上空が広く開けた場所が望ましい。
受信の頻度 自動受信は、およそ6日に1回。
海外などの旅先での利便性 位置情報を取得して、ワールドタイム設定も自動で行う。
サマータイムは、地域の情報に基づいて手動で設定。
こんな人に向いています 北米やヨーロッパ以外の海外にもどんどん出かけていく人、行く先々で正確な時刻が必要なビジネスマン。

Bluetoothでスマートフォンと接続する時計

Bluetoothは、スマートフォンと無線で接続するイヤフォンやヘッドフォンに代表されるように、PCやスマートフォンとの接続を主眼とする電波です。

双方向通信

この電波の大きな特徴は、双方向通信が可能なことです。
スマートフォンと腕時計を接続した場合は、時刻カレンダー情報をスマートフォンから受信するだけでなく、腕時計の充電量や発電量といった情報をスマートフォン側に送信することもできるのです。
これによって、電話着信、メール着信の有無を、腕時計上の通知で確認するなどといった、これまでの電波時計ではできなかったことも可能になります。

スマートフォンから電話着信通知

電話着信通知

スマートフォンからメール着信通知

メール着信通知

時計からスマートフォンを鳴らす(スマートフォンサーチ)

スマートフォンサーチ

連携する時刻カレンダー機能

腕時計が取得できる時刻カレンダー情報の時間精度は、スマートフォンがインターネットから取得する時刻カレンダー情報に準じているため、スマートフォンと同じレベルになるでしょう。

スマートフォンから時刻カレンダー情報取得

時刻カレンダー情報取得

最大の利点は、スマートフォンと同じ時刻カレンダーを表示するように設定しておけば、スマートフォンの状況に応じて、時計の表示も自動で切り替わることにあります。
例えば、スマートフォンを持って海外に行き、スマートフォンの時刻カレンダーが滞在先に合わせて変更されたとすると、時計も同じように変更される、といった具合です。

まとめ

このようなスマートフォンと腕時計の連携は、スマートフォン上のアプリでコントロールすることができ、新たな使いかたを自由に提案できるところが、魅力の一つと言えるでしょう。

Bluetoothでスマートフォンと接続する腕時計の利点
電波の受信 使用している機能にもよるが、一日数時間は接続可能。
ただし、すぐ隣の部屋にあっても、受信できない場合がある。
受信の頻度 自動時刻受信は、1日1回。
海外などの旅先での利便性 スマートフォン上の時刻カレンダーの変更を、時計でもそのまま行うことができるなど、高い自動化を行うことが可能。
こんな人に向いています 細かい設定は手慣れたアプリですませたい人、時計にはスマートフォンとの連携を求めたい人。