黒電話のしくみ：ダイヤルのパルスと交換機

回転ダイヤルを回すと起こること

5 の穴に指を入れ、金属のフックに当たるまで円板を回して離します。円板は小さな回転音とともに自力で戻ります。その間、電話は交換機に情報を送っています。内部のスイッチが回線電流を 5 回切り、交換機に届くのはその短い途切れだけです。「5」を表す音も符号もなく、交換機は回数を数えます。

ここでは指から目的の回線まで、その計数をたどります。まず指穴板とストッパー、復帰速度を決めるばねと調速機、パルス接点を見ます。続いてベル、フックスイッチ、炭素送話器、受話器を調べます。電線の先には、相手の回線を探す 6 つの方式があります。交換手の手動交換台、Strowger のステップ式選択機、マーカーを備えたクロスバー、蓄積プログラムで動く電子交換機、タイムスロット間で通話を移すデジタル交換機、そして電流の途切れではなく 2 音を聞くトーン受信器です。

模型の「交換機」で方式を切り替えます。電話は変わらず、最初の数字で 10 回線の行を選び、次の数字でその行の 1 回線を選ぶ規則も同じです。模型の電話は回線 42 で、ダイヤル中央のカードに番号があります。

復帰時だけパルスを送る理由

回す途中で穴が接点を通るたびにパルスを出す設計も考えられます。しかし手の速度は一定ではありません。パルスが密集したり間延びしたりすると、交換機が数え落とす可能性があります。

ダイヤルは巻く動作と送る動作を分けています。回す間は復帰ばねを巻くだけです。離すとばねが円板を戻し、そのときだけ接点が開閉します。Post Office の教育冊子も、指穴板をストッパーまで回して妨げずに戻すと、その復帰中にパルス円板が数字に対応する回数だけ接点を動かすと説明しています。復帰速度は手に左右されず、工場で設定できます。

巻く間はパルス接点を動かさない工夫が必要です。古い Post Office のダイヤルでは、ばね座金でパルス円板に押し付けた滑りカムが担います。回す方向ではレバーを円板の切欠きから持ち上げます。戻る方向でも、最初の切欠きが来るまで約 220 ms 持ち上げ続けます。この「最小休止」または「遊び時間」と、次の数字を巻く時間により、数字間は少なくとも 420 ms になり、選択機が動作を終えられます。

滑りカムは摩擦に頼り、摩擦は経年で変わります。後の設計はパルス円板上を動くステンレス製トリガーに置き換えました。休止は約 240 ms、数字間隔は 440 ms に伸びました。指の操作にも余裕があり、ストッパーの手前または先に穴半分ずれても、正しい数のパルスが出ます。

数字を決めるストッパー

模型の指穴は 30 度間隔です。1 の穴はストッパーに最も近く、0 は最も遠いため、大きな数字ほど長く回ります。どの穴も同じ位置で止まるので、移動距離は選んだ穴だけで決まります。復帰時にはその距離がパルス数に戻されます。

模型ではパルス数より穴 1 個分余分に進みます。3 の穴は 120 度で、カムの歯に相当する 90 度と、復帰の最後の自由移動 30 度です。最後の区間では回線がしばらく閉じ、交換機が数字の区切りを判別できます。

円板自体には数字がありません。下の固定された数字板が、静止時だけ穴から見えます。交換局名を回せるよう数字に文字を添えたダイヤルも多くありました。ITU のキー配置規格 E.161 は今も 2 に ABC、9 に WXYZ を置き、現在のキー盤にも文字が残っています。

毎秒 10 パルスを計算する

Post Office の標準は毎秒 10 パルスで、1 パルスは断続 66.6 ms、続いて閉成 33.3 ms、「断続率 66.6」です。模型は断続率を 66 % に丸めます。この値から次のようになります。

• パルス周期 = 1 / 10 s = 100 ms
• 断続 = 0.66 × 100 ms = 66 ms
• 閉成 = 100 ms − 66 ms = 34 ms
• 数字 0 = 10 パルス。最初の断続開始から最後の断続終了までは 9 × 100 ms + 66 ms = 966 ms

模型の復帰速度は毎秒 300 度です。30 度ごとにカムの歯が通り、毎秒 10 枚通るためです。下の波形は 100 ms の目盛に対するループ電流を描き、その下に直前の断続と閉成の長さを示します。模型自身の時間から測定し、初期設定では 66 ms と 34 ms になります。

実物の値には多少のずれがありました。調速機は毎秒 10 パルスに合わせ、Post Office の保守基準は 9～11 を許容しました。「パルス速度」は 3～14、「断続率」は 50～80 % まで動かせるため、交換機の許容範囲を超えた状態も試せます。次の節で結果を見ます。

番号全体には時間がかかります。999 は 27 パルス、送出 2.6 秒で、数字間の 420 ms の休止 2 回を加えると約 3.4 秒です。実験パネルの「パルスの時間」は任意の番号でこの計算を行います。

速すぎる・遅すぎるダイヤルを交換機がどう扱うか

交換機はダイヤルを直接見ていません。回線端のリレーが、電流が流れると吸引され、止まると戻ります。この戻りが 1 パルスです。リレーにも速度限界があります。実物の条件は方式や国で異なるため、模型では次の 2 つを模型用の値として示します。

1. 25 ms 未満の閉成は検出しません。リレーが再び吸引される時間がなく、前後の断続が 1 回の長い断続につながります。
2. 200 ms を超える断続は受話器を置いたものと判断します。別の遅いリレーは断続が短い間だけ通話を保持し、解放されると交換機が通話を解除します。

スライダーで試せます。毎秒 14 パルス、断続率 66 % なら周期は 71.4 ms、断続は 47.1 ms、閉成は 24.3 ms です。閉成が 25 ms をわずかに下回り、最初以降の断続がつながります。5 を回すと 4 × 71.4 ms + 47.1 ms = 333 ms の断続となり、200 ms を超えて解除されます。同じ速度で 2 を回すと 71.4 + 47.1 = 118.5 ms なので通話は残りますが、交換機は 2 ではなく 1 パルスと数えます。

逆に毎秒 3 パルスでは周期が 333 ms、断続は 0.66 × 333 ms = 220 ms です。最初のパルスから保持リレーの限界を超え、数字が届く前に解除されます。毎秒 4 パルスでは断続が 165 ms なので模型は正しく数えますが、実物では Post Office の 9～11 の範囲を大きく外れています。

実験パネルの 2 課題は、両方の失敗を意図的に起こします。波形ではループ電流の途切れが伸びたり密集したりし、状態表示に交換機の判断が出ます。

ダイヤル内部のばね・調速機・カム

「内部を見る」を有効にすると筐体が透明になり、数字板の後ろの時間を刻む部品が見えます。

平たい渦巻きばねは円板で巻かれ、復帰を駆動します。それだけなら戻りが速すぎ、長く回すほどさらに速くなります。遠心調速機がこれを抑えます。主軸の歯車で駆動され、回転すると羽根のおもりが外へ広がってカップの内側を押し、摩擦が速度を制限します。指で復帰を速めようとすると抵抗を感じる理由です。駆動部の一方向クラッチにより、巻くときは自由に回り、復帰時だけ調速機が制動します。

模型ではダイヤル軸の歯車が小歯車を回し、その小歯車が 2 個のおもりを収めたカップを回します。カムは円板と一緒に回ります。12 枚の歯は指穴と同じ 30 度間隔なので、穴 1 個分ごとに歯が 1 枚通ります。復帰時に各歯がパルス接点を 1 回押し開きます。接点は回線に直列なので、開くと交換機までのループ全体の電流が止まります。

実物には、静止位置を離れるとすぐ閉じるオフノーマル接点もあります。Post Office の冊子は、パルス回路に送話器の抵抗を含めないことと、受話器でパルスがクリック音として聞こえないことの 2 理由を挙げています。

フックで番号を送る

パルス接点は回線に直列のスイッチにすぎません。送受話器の下のフックスイッチも同じです。押すとループが切れるため、素早く押して離せば交換機には 1 パルスになります。

実験パネルの「フック」がこの操作です。受話器を上げ、素早く 3 回押して待ちます。模型は 0.4 秒の休止を数字の終わりとし、3 回なら数字 3 と数えて選択機が 3 段上がります。長く押して断続が 200 ms を超えると、受話器を置いたと判断して解除します。手で各押下をこの限界より短くし、さらに 25 ms 以上離すのは難しく、ダイヤルが必要な理由の 1 つです。

電話のほかの部分の内部

ダイヤルは交換機のスイッチに情報を送る部分です。「内部を見る」を有効にし、部品一覧からほかの部品を選べます。

ベル。 筐体下には 2 つのベル、ハンマー、1 対のコイルがあります。交換機は交流で電話を鳴らします。1965 年の Bell System の概説にも「標準の 20 周期ベル」を備えた電話機が登場します。模型ではコイル間の電機子が 1 周期に 1 往復し、ハンマーが両側を交互にたたきます。「ベル」で動かし、「スロー再生」で 5 倍遅く見られます。1937 年の Post Office Telephone No. 332 はベルを内蔵し、以前の 162 と 232 は別置きでした。

フックスイッチ。 受け台の 2 本の押し棒は送受話器の下にあります。上げると押し棒が上がり、接点群が閉じてループ電流が流れます。交換機は発信音を返します。模型ではベルが鳴る間に上げると、フックスイッチがベルを外して通話回路をつなぐため、鳴動も止まります。

通話回路。 ダイヤルの隣には誘導コイルとコンデンサーがあります。コイルは送話器と受話器を 2 本の回線につなぎ、自分の声が耳で大きすぎないようにします。コンデンサーはベルへの直流を遮り、呼出し用の交流を通します。

炭素送話器。 送話口の薄い振動板の奥に炭素粒のカプセルがあります。音が振動板を押すと粒が密になり、抵抗が下がって直流が増えます。戻ると抵抗が再び上がり、回線電流が声の圧力に応じて変わります。Thomas Edison は「Speaking-telegraph」を 1877 年 4 月 27 日に出願し、成立は 1892 年 5 月 3 日でした。模型では相手が応答すると振動板と粒が動きます。

受話器。 受話口では逆の変換をします。環状磁石が鉄の振動板を一定の力で引きます。変動する回線電流が磁極上の 2 個の小コイルを流れ、引く力を増減させます。振動板が電流に合わせて動き、耳の前の空気を動かします。

Strowger の上下回転式スイッチ

Almon B. Strowger は 1889 年 3 月 12 日に自動電話交換機を出願し、1891 年 3 月 10 日に米国特許 447,918 が成立しました。最初の自動交換局は 1892 年に Indiana 州 La Porte で開設されました。その経緯は変わっています。1890 年、Bell 社が町の手動交換局の加入者を特許侵害で訴え、裁判所は電話を Chicago に送って焼却するよう命じました。町は約 2 年電話を失いました。その後の Strowger 交換局は 99 人分を収容し、75 人が加入しました。交換局の想像図には一方の壁に 80 台の交換機、反対側に同数の湿電池があります。

中心は上下と回転の 2 動作を行うステップ式スイッチです。軸には接触腕のワイパーがあり、10 段に各 10 接点を並べた接点群の内側を動きます。一方の電磁石へのパルスで段ごとに上がり、他方へのパルスで 1 接点ずつ回ります。10 段 × 10 接点で 100 通りとなり、爪が各位置で軸を保持します。通話終了時に復帰電磁石が爪を外します。ばねで最初の角度に戻ってから、初めて下へ落ちます。

模型では最初の数字で軸が上がります。波形脇の格子もブロックの列で同じ動作を示します。最初の数字が終わると待ち、次の数字が回転電磁石を動かしてワイパーを行に沿って回します。3、0 と回すと 3 段目の接点 10、つまり回線 30 で止まります。呼出し中は接点の橙色ランプが点滅します。

La Porte の機構は長く同じではありませんでした。1894 年秋に A. E. Keith 設計の Zither 交換機に替わりましたが、うまく動きませんでした。1895 年 6 月には Keith と John、Charles Erickson 兄弟による第 3 の設計が入り、その機構が約 85 年使われる Strowger 交換機の基礎になりました。同じ 3 人は「Calling device for telephone-exchanges」を 1896 年 8 月 20 日に出願し、1898 年 1 月 11 日に特許を得ました。

1 台の選択機から都市の交換局へ

1 台で 100 回線を扱え、La Porte には十分でした。大きな交換局は、最終選択機の前に群選択機を置きます。追加の各数字で群選択機が回線群を選び、最後の 2 桁が模型と同じように最終選択機を動かします。段階を加えるたび到達回線数が 10 倍になるため、段階的に拡張できました。Smith と Campbell の教科書 Automatic Telephony（1921）も、100 回線の選択を十の位、次に一の位と説明しています。

最初の自動電話にはダイヤルがなく、Smith と Campbell は加入者電話の押しボタンが 1896 年に発信装置へ替わったと記します。交換手を中心に成長した Bell System の採用は後でした。自ら設置した最初のステップ式交換局は Automatic Electric Company 製で、Virginia 州 Norfolk にて 1919 年 11 月 8 日に稼働しました。Western Electric 独自のパネル交換機は 1920 年に Omaha で稼働しました。

ダイヤル以前の手動交換台

「交換機」で「手動交換台」を選びます。最初の電話交換局は Connecticut 州 New Haven で 1878 年 1 月 28 日に開設されました。全回線が 1 か所に集まり、最初の交換手が生まれました。

交換台では各回線がランプ付きのジャックに終わります。発信者が受話器を上げると点灯し、交換手が応答コードを差して番号を聞き、同じ対の呼出コードを相手のジャックに差して呼び出します。模型では受話器を上げると回線 42 のランプが点滅し、0.6 秒後に赤いプラグがジャック 42 に入り、黒いプラグがダイヤルした回線に入ります。手動交換台でダイヤルするのはもちろん便宜上の表現で、数字は口頭で伝える番号の代わりです。

実験パネルには、ジャック 2 の発信者から回線 5 へのコードを、発信側から自分で接続する課題があります。

韓国最初の電話回線は 1896 年 10 月 2 日、Deoksugung Palace と Incheon の監理署を結びました。Encyclopedia of Korean Culture によれば、宮殿はスウェーデンの LM Ericsson 製、100 回線用の磁石式手動交換台を使いました。1902 年 3 月 20 日には Mapo、Dodong、Siheung、Gyeonggyo、Incheon の電話局で一般サービスが始まりました。5 分 50 jeon の前払いで、早く切っても返金はありませんでした。

クロスバーは番号全体を先に読む

ステップ式では発信者のパルスが直接スイッチを動かします。簡単ですが、番号を回す間ずっとスイッチを占有します。クロスバー式はまずレジスターに数字を集め、その後に共通制御装置のマーカーが空き経路を選び、一度に設定します。

スイッチは横の選択棒 10 本と縦の保持棒 10 本の格子です。マーカーが選択棒を傾け、次に縦棒の保持電磁石を動かすと交点の接点が閉じて保持されます。選択棒は元に戻って別の通話に使えますが、保持棒は最初の接続を保ちます。模型では最初の数字が行、次が列を選び、交点が橙色になります。

クロスバーはスウェーデン生まれです。Ericsson の歴史資料によれば G. A. Betulander と Nils Palmgren は 1919 年、Televerket 発注の試験局でクロスバー式選択機の試験を始めました。Sundsvall の局は 1926 年に稼働し、Televerket は続く 20 年で 1,000 局以上を建設しました。Bell Laboratories は 1930 年の視察後に採用し、1938 年にはリンクとマーカーを備える 2 局が New York で稼働しました。最初の No. 5 クロスバーは Pennsylvania 州 Media で 1948 年 7 月 11 日に稼働し、Ericsson 初のリンク付き方式は 1950 年に Helsinki に入りました。

プログラムが決める電子交換

クロスバーのマーカーは、すでにリレーでできた小さなコンピューターです。次は本物のコンピューターにする段階でした。冷陰極管を使う電子交換機の利用者試験は Illinois 州 Morris で 1960 年 11 月 17 日に始まりました。最初の No. 1 Electronic Switching System は New Jersey 州 Succasunna で 1965 年 5 月に稼働しました。1965 年の Bell System Technical Journal の概説は No. 1 ESS を Morris 試験の商用後継としています。

「電子交換式」を選びます。左の枠は通話経路を作るガラス封入リード接点の格子です。上のランプ列は各回線の受話器が上がったか繰り返し調べる走査装置を表します。右の枠はプログラムと記憶装置です。受話器を上げると走査が回線 42 で止まります。数字は記憶されて小画面に表示され、両方がそろうとプログラムが格子の 3 交点を順に閉じ、相手の回線へつなぎます。

電子交換機は両方の発信方式に対応しました。同じ 1965 年の概説は、回転式とトーン式を同じ回線に接続し、回転式のパルスを制御装置が読めるトーンの短い列に変換すると説明しています。そのため模型のこの場面はパルスもトーン式キーも受け付けます。

韓国では 1979 年 12 月、Yeongdong と Dangsan の電話局に M10CN が入り、電子交換が始まりました。

デジタル交換とタイムスロット

ここまでの交換機はコード、ワイパー、交点、リード接点という金属で 2 回線をつなぎました。デジタル交換機は違います。音声を測って数値にします。ITU-T G.711 は毎秒 8000 回標本化し、各標本を 8 ビットで符号化するので、1 通話は 8000 × 8 = 64,000 ビット毎秒です。多くの通話が交代で同じ経路を使います。ITU-T G.732 では 2048 kbit/s を 125 マイクロ秒のフレームに分け、各フレームに 8 ビットのスロットを 32 個入れます。32 × 8 × 8000 = 2,048,000 ビット毎秒です。スロット 0 は同期用です。

接続はフレームごとに発信側スロットのバイトを相手側スロットに写すことです。模型の円板は 1 フレームの 32 スロットを、125 マイクロ秒から 1 回転 2 秒に遅くして示します。0 は暗いままです。受話器を上げると発信側が青くなり、番号を回すと相手側が橙色になって、小さな立方体が符号器から円板を通り反対側へバイトを運びます。

Ericsson と Televerket は 1970 年代に AXE を共同開発し、Western Electric は 1982 年に最初の No. 5 ESS 市内交換機を設置しました。韓国では現在の ETRI に当たる研究機関が時分割交換機 TDX を開発し、1984 年 4 月 25 日に試験機が開通、1986 年 3 月 14 日に商用化されました。TDX-1 は数百個の 8 ビット Z-80 が通信し、1 台のコンピューターとして働きました。

トーン式は各キーで 2 音を送る

パルス発信は遅く、接続を設定する間しか使えません。つながった後にダイヤルが送れる情報はありません。トーン式は代わりに音を送り、その音は接続された経路全体を通れます。

最初の実地試験は Ohio 州 Findlay で 1960 年 11 月 1 日に始まりました。Bell System は 1963 年 11 月 18 日に一般サービスを開始し、Pennsylvania 州 Carnegie と Greensburg が最初の地域でした。新しい電話の追加料金は月額 $1.50 です。当初は 10 ボタンで、星印と番号記号は約 5 年後に加わりました。

各キーは低周波群と高周波群から 1 音ずつ同時に送ります。ITU-T Q.23 の周波数は次のとおりです。

5 は 770 Hz と 1336 Hz、0 は 941 Hz と 1336 Hz です。第 4 列の 1633 Hz は A～D の 4 キーに対応し、家庭用では通常省きます。別の勧告 Q.24 が受信器の認識条件を定めます。模型には 8 周波数ごとにフィルターがあり、低音と高音がちょうど 1 つずつ反応したときだけ数字を受理します。声や口笛が偶然この組合せになることは少なく、どの音も別の音の整数倍に近くないため、倍音が別の周波数に重なりません。

「トーン信号式」を選び、模型か実験パネルのキーを押します。「音」を有効にすると組合せが聞こえ、受信器の棒が反応した 2 フィルターを示し、レジスターに数字が保存されます。古い方式では、トーン受信器のないステップ式のようにパルスだけを数え、トーンを無視します。

長く使われた電話機

電話の形の変化は交換機ほど頻繁ではなく、数十年続いた設計もあります。年代を確認できる例を挙げます。

• Post Office の卓上電話 No. 162 は 1929 年に登場し、ベルは別置きでした。
• No. 232 は 1934 年です。Science Museum Group の象牙色の資料は、尿素樹脂などに顔料を混ぜて着色できるようになったことを示します。
• No. 332 は 1937 年 6 月 14 日に登場し、ベルを内蔵しました。手動交換地域ではダイヤルの代わりに塞ぎ板を付け、自動化時にダイヤルを取り付けました。Science Museum Group は 1938 年英国製の黒い 332 を所蔵しています。
• 1931 年の Ericsson DBH 1001 は Oslo の Elektrisk Bureau、LM Ericsson、Televerket の協作です。Cooper Hewitt は樹脂製電話の形を定めた設計としています。
• Ericofon はダイヤルと送受話器を一体化しました。1954 年の試作後、1956～1982 年に Karlskrona で 250 万台以上を製造しました。30 色ありましたが黒はなく、スウェーデン向けは約 20 % でした。

模型はどれか 1 台の複製ではありません。1930 年代の傾斜した前面とベークライト筐体を持ち、ベルを内蔵しています。

韓国の交換機：宮殿回線から TDX へ

韓国の記録には、模型にある各方式の導入年が残ります。

1. 1896：100 回線 Ericsson 磁石式交換台による宮殿回線。
2. 1902：一般電話局が開設され、6 月 6 日から Hanseong で 10 回線・50 回線の交換台による市内交換。
3. 1908：磁石式の容量が不足した Gyeongseong 郵便局に共電式交換台。
4. 1935：3 月に Najin 郵便局へ Siemens Strowger F 型、10 月に Gyeongseong 中央電話局へ NEC Strowger A 型という最初の自動交換機。
5. 1960：8 月に Yongsan 電話局へ EMD 交換機。
6. 1962：12 月に Seoul 中央電話局へ韓国技術による 300 回線 Strowger 交換機。
7. 1979：12 月に Yeongdong と Dangsan へ M10CN 電子交換機。
8. 1983：12 月 22 日に最後の手動共電式交換局を廃止。
9. 1986：3 月 14 日から TDX を商用利用。

National Archives of Korea によれば、1987 年に電話は 1000 万回線、ほぼ 1 世帯 1 回線に達し、1993 年に 2000 万回線を超えました。

模型の発信音と呼出し

受話器を上げるとフックスイッチがループを閉じ、電流が流れて波形が上がります。「音」が有効なら、ITU-T の国別トーン一覧にある米国の発信音、350 Hz と 440 Hz の連続音を再生します。最初の断続で止まります。2 桁目が確定すると、発信者が聞く 440 Hz と 480 Hz の呼出音が 2 秒鳴り、4 秒休みます。6 秒後に相手が応答すると呼出音が止まり、送話器が動き始めます。音は有効にした後だけ鳴ります。

「ベル」は逆にこの電話を鳴らします。模型は 20 Hz の呼出電流を同じ 2 秒通電・4 秒休止で送り、ハンマーが両ベル間を動きます。「音」が有効ならベル音も聞こえます。受話器を上げると応答します。

「通話経路」は電話から床のコードを通り、表示中の交換機まで細い橙色の線を描きます。粒は通話が進んだ位置まで動き、受話器を上げると交換機まで、数字ごとに先へ進み、呼出時に相手の回線まで達します。実験パネルにも段階名の列で同じ経路を示します。

実物と模型の違い

• 電話は 100 回線の選択機またはその代替に直接つながっています。実物は回線捕捉機、群選択機、クロスバー式のリンクを経て最終選択機へ達します。
• 実物の選択機は各回線の電線用に接点群を 3 層重ねますが、模型は 1 層です。
• 閉成 25 ms 以上、断続 200 ms 以下という限界は模型用の丸い値です。実物の条件は方式と国で異なりました。
• ダイヤル速度は理想的に一定です。実物の調速機は摩耗に応じて清掃と調整が必要でした。
• 調速機の歯車比、カム寸法、ばねの巻数は図面の複製ではなく見やすさで選びました。
• ベル、通話回路、送話器、受話器は簡略形です。クロスバー・電子式・デジタル式も交換局全体ではなく、スイッチ、マーカー、リード格子、1 フレームのスロットで原理を示します。
• パルス数は一般的な符号に従い、数字 n は n 回、0 は 10 回です。