Origin & development
The origin of rotating disc tumbler is an very old concept. In 2nd century AD, romans already used combination padlocks made in bronze with coding-wheels. In 1870, we found some vestiges in Kerameikos near Athens (2).
L’origine des sûretés à disque est un concept très ancien. Dès le 2ème siècle après J.C-, les romains utilisaient déjà des cadenas à combinaison en bronze munis de rouleaux codés. En 1870, on a retrouvé quelques vestiges à kerameikos près d’Athènes (2).
In 17th century, Kristofer Pålhammar (afterwards named Polhem) was an swedish mechanical engineer.Around 1684, in his workshop at Stjernsund (3), he improve the coding-wheel mechanism by moving them with a key. The Polhem’s lock have an advantage of holding the freeze well because his padlock is made in copper and have no springs. Like Joseph Bramah, he designed and manafactured lock machinery to produce his revolutionary padlock.
Au 17ème siècle, Kristopfer Pålammar (plus tard dit Polhem) est un ingénieur mécanicien suédois. Vers 1684, dans son atelier de Stjernsund (3), il améliore le mécanisme à rouleaux codés en les actionnant par une clef. La serrure de Polhem a l’ avantage de résister au gèle car son cadenas est fabriqué en cuivre et ne possède aucun ressort. Comme Joseph Bramah, il conçut et fabriqua ces machines afin de faciliter l’industrialisation de son invention.
Polhem’s padlock mechanism
The principle is very simple and similar than the roman’s combination padlock design. A removable grooved skackle is blocked by disc-tumblers. All discs have two notches on their contour and diametrically opposed to each other. When the right key is inserted, the discs rotate 90° and the skackle can be free to move.
Each disc have a rectangular opening for the inserting of the key. between all disc, a fixed spacer prevents friction and the rotation of the key. At this time, the Polhem’s key has no angular bitting but we can observe some cuts to allow the passage of the spacers used like wards.
Le fonctionnement est très simple et similaire à celui des cadenas à combinaison romains. L’anse possède de multiples rainures dans lesquelles viennent se loger les disques et bloque sa course. Les disques ont deux encoches sur leur contour diamétralement opposées l’une de l’autre. Quand la bonne clef est insérée, les disques tournent de 90°, les encoches sont alignées et l’anse peut se libérer.
Chaque disque possède une ouverture rectangulaire pour le passage de la clef. Entre chaque disque, une entretoise fixe réduit la friction et fait obstacle à la rotation de la clef. A cet époque, la clef de Polhem ne possède aucune découpe angulaire mais nous pouvons observer que chaque découpe permet le passage des entretoise utilisées ici comme des garnitures.
From 1870 and 1880, scandinavian’s padlock became fashionable in US and will be used for various purposes, in particular to equip prison door. The manufacture of padlocks and its keys has been improved with the evolution of sheet-metal process and die-casting technique (N°116,977).
In 1875, Philo S. Felter introduce the first sidebar’s design in a lock cylinder (N°167,088). But his invention didn’t meet a commercial success, outpassed by the popularity of the Yale lock. That’s why, we will have to wait until 1919 that Emil W. Henriksson imagined the basics of the modern disc-tumbler lock as we know it today. By a patent (N°1,514,318), he fixes his design with a angled-cut key inspired by Mr Ahrend’s patent (N°156,113).
De 1870 à 1880, le cadenas “scandinave” devient à la mode aux Etats-Unis et sera utilisé dans divers secteurs, en particulier le domaine pénitentiaire. La fabrication du cadenas et de sa clef a été amélioré grâce à l’évolution des techniques de découpe des tôles et de la fonderie.
En 1875, Philo S. Felter est le premier à utiliser un système de blocage à barre latérale associé à un rotor. Mais son invention ne connut aucun succès commercial, devancée par la popularité de la serrure Yale. Il faudra attendre 1919 que Emil W. Henriksson imagine les bases de la serrure à disque telle qu’on la connait de nos jours. Par son brevet (N°1,514,318), il impose le concept d’une clef avec un taillage angulaire inspiré par le brevet de Mr Ahrend (N°156,113).
Mechanism & terminology
When the correct key is turned 90°, all disc’s notches are aligned and the sidebar can drop in the groove (green). In the other hand, when an incorrect key is inserted, the sidebar bind against the contour of the disc and block the plug’s rotation.
The key have an angular bitting allowing to rotate each disc to a determined angle. Six bitting angles are often possible to 0 (no cut) to 90° in increment of 18°.
Quand la bonne clef est tournée de 90°, toute les encoches des disques sont alignées et la barre latérale peut se glisser dans la rainure formée par l’alignement des encoches (en vert ci-dessus). A contrario, si la mauvaise clef est insérée, la barre latérale bute contre le disque et bloque la rotation du rotor.
La clef possède des découpes angulaires permettant de tourner chaque disque d’un angle déterminé. Six tailles angulaires sont souvent utilisées de 0 (aucune découpe) à 90° par incrément de 18°.
When the key is turned in counter-clockwise, 0-discs are first in contact with 0-cuts. During the rotation, the key will drive the others discs. At 90°, the key tensioned the plug throught them. Its rotation move the sidebar which slides along the vee-groove made in the shell and falls into the aligned notches. When we turn in clockwise to lock the mechanism, 0-discs allow to reset the sidebar in the shell’s groove because the sidebar isn’t springloaded.
Quand la clef est tournée dans le sens anti-horaire, les disques 0 sont les premiers en contact avec les tailles 0 de la clef. Au fur et à mesure de la rotation, la clef entraine les autres disques. Une fois à 90°, la clef entraine le rotor par l’intermédiaire des disques 0. Le rotor agit sur la barre latérale qui glisse le long de la rainure en vé et se loge dans les encoches alignées. Quand on tourne la clef dans le sens opposé pour verrouiller le mécanisme, les disques 0 permettent de repositionner la barre latérale dans la rainure du stator car elle n’a aucun ressort de rappel.
(1) Wikipedia source : https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cadenas_romain.jpg
(2) Hoepfner, W. : “Ein Kombinationsschloss aus dem Karameikos”, 1970, Archäologischer Anzeiger Tome 85 Volume 2 : p 210–213.
(3) “Läsebok för folkskolan : Faksimilutgåva efter första upplagan”, Norstedts förlag, 1868 : p 348-350.