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遊絲是什麼原理

生活 更新时间:2024-12-22 16:29:21

你看得清楚自己的指紋嗎?如果可以,代表你眼力不錯。如果不行,那大概也很難看清楚機心内部最細小卻最關鍵的零件──遊絲。

遊絲的功能

要理解遊絲扮演的角色,首先要知道機械機心的運作原理。當發條上緊、動力通過齒輪傳送到擒縱輪,擒縱輪便會撥動擒縱叉,再由擒縱叉撥動擺輪軸心底下的沖擊盤,進而使擺輪朝單一方向轉動。然而若擺輪持續朝單一方向轉動,動力就會像潑出去的水一樣,擒縱叉以及擒縱輪也就無法創造出規律的節奏(等時性),讓對應着齒輪的指針每60秒、60分鐘、12小時繞着表盤走一圈。

遊絲是一條能夠讓擺輪轉到一定程度時反彈、轉向的彈簧,一旦擺輪來回轉動,擒縱叉也就跟着左右搖擺,對擒縱輪做出一擒一縱的規律動作。換句話說,有了遊絲,機心才有辦法運作。

遊絲是什麼原理(一篇文章讓你了解遊絲的全部)1

安裝在擺輪上細如指紋的遊絲。

看不清遊絲很正常,因為從上方圖中就可以發現,它的厚度跟指紋其實是差不多的。換算成數字來表示,每一條遊絲的厚度大約是10微米,也就是0.01毫米,0.001公分。如果你還是無法想像,那麼隻要拿它跟直徑50微米的頭發比較應該就清楚了。

遊絲是什麼原理(一篇文章讓你了解遊絲的全部)2

在傳統遊絲制作過程中,将直徑約0.6毫米粗的鎳鐵合金線安裝到帶有兩個圓錐轉輪的機器上,啟動機器,讓圓錐轉輪将金屬線由直徑較小的内圈轉到外圈。

所以,為什麼這麼細小的零件很重要?重要到人們都說“機心是腕表的心髒,遊絲是機心的靈魂?”因為一組擒縱系統裡隻有一條遊絲,當來自發條的動力從時輪、分輪、秒輪一路傳到擒縱輪,撥動擒縱叉再轉動擺輪的時候,若沒有“遊絲”這條“彈簧”拉扯擺輪,擺輪就會朝同一方向繼續轉動,擒縱叉就不會對擒縱輪做出一擒一縱的動作,機心就無法規律計算時間,表,就無法運作。

遊絲是什麼原理(一篇文章讓你了解遊絲的全部)3

鎳鐵合金線每通過轉輪中間的壓縮管就會被拉得更細,最終直徑約0.05毫米,再經由另一台機器壓縮成扁平狀。

遊絲就是這麼一枚神奇的零件,它的概念最早由英國發明家Robert Hooke(胡克定律就是以他的名字命名)在1660年代提出,不過表圈内公認的發明者則是荷蘭物理、天文及數學家Christiaan Huygens惠更斯,他在1675年将遊絲裝在擺輪上,為計時工具開啟了另一個時代;直到今日,腕表機心擒縱系統内的擺輪遊絲結構依舊采用相同的形式,可見這項發明的重要性。

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直徑0.05毫米的金屬線經過機器壓縮成扁平狀後,将四條金屬線放入工具内同時卷曲成遊絲的同心圓形狀。

當然,從Huygens發明的遊絲到現代的遊絲之間還是經曆了許多改革,最重要的改革莫過于材質。從前遊絲所用的金屬(主要成分為鐵)會在溫度變化下膨脹、收縮,一旦細小的遊絲産生些微變化肯定影響擺輪擺動的幅度,造成誤差;又因為鐵極為容易受磁,若要遊絲不受環境幹擾根本不可能。1896年瑞士科學家夏爾·愛德華·紀堯姆(Charles Édouard Guillaume)研發出由54%的鐵及36%的鎳所組成的Invar合金,能有效控制熱漲冷縮的現象。而後紀堯姆又進一步在鎳鐵合金中加入鉻,形成全新的Elinvar合金(由52%的鐵、36%的鎳以及12%的鉻組成),膨脹系數一樣很低,且不易改變彈性。

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将四條卷曲後的遊絲分離安裝在軸心,并将遊絲末端微微彎曲以固定在遊絲樁上。由于遊絲極為細小,過程中所有動作都必須非常仔細。

Elinvar合金讓紀堯姆獲得了1920年的諾貝爾物理學獎,也讓鐘表産業有了全新的遊絲材質;即便到了1933年瑞士機械工程師Reinhard Straumann發現若在鎳鐵鉻合金中加入了钴、钛、铍等各種元素,可調配出表現更佳、且後來被斯沃琪集團收購成為市場占有率95%的Nivarox遊絲,都還是脫離不了鎳鐵合金的本質。

隻是,鎳鐵合金終究是金屬,終究會受磁,要從本質上改變遊絲的性能,似乎還有很長的一段路要走。

超越傳統的矽遊絲

确實,Nivarox鎳鐵合金遊絲直到今日依然是鐘表産業中最常見也最能被接受的遊絲,可惜它并不防磁,一旦進入磁場強大的環境,就有可能影響到腕表走時的精準度。這并不是采用雙層、圓柱、球體等各種型态的遊絲就能解決的問題,唯有找到一種無畏磁場的材質才是辦法。例如:矽。

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Marine領航者榮耀腕表,黑色DLC不鏽鋼表殼,表徑44毫米,時、分、小秒針,UN-118機心自動上鍊機心,矽質擒縱及遊絲,動力儲存60小時,COSC認證,藍寶石水晶玻璃鏡面,防水50米,織物表帶,限量300隻

雅典表是鐘表産業中最早采用矽材質零件的品牌,強大的生産力也讓他們将矽材質運用在遊絲及擒縱,并搭載于旗下系列表款中。

矽是一種輕盈、耐磨、抗腐蝕且完全防磁、防溫差的材質,用它來做遊絲或許就能取代含鐵的Nivarox。當然,要用矽晶體量産成細如發絲的遊絲在當時可以說是非常困難,一來這樣的技術尚未研發,二來研發的過程必須花費大量的資金(光是一台機器就要上百萬瑞士法郎),就連勞力士、百達翡麗與斯沃琪集團這些鐘表産業中的佼佼者都無法獨自完成。于是在1990年代末,這三家鐘表集團開始共同參與在瑞士電子和顯微技術中心(Swiss Center for Electronics and Microtechnology,CSEM)執行的矽材質研發計劃;這也是瑞士鐘表産業自1960年代一起研發石英機心後的再次合作。有意思的是當初集結20個品牌研發石英機心的電子鐘表中心(Centre Electronique Horloger)就是CSEM的前身。

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百達翡麗在2005年推出搭載矽擒縱輪的Ref.5250,引起鐘表産業對于矽材質的關注。2006年首款采用Silinvar®矽遊絲的PP腕表Ref. 5350(如圖)更使得高級品牌正式進入矽遊絲時代。

就在勞力士、百達翡麗與Swatch集團還在想要如何做出矽遊絲的同時,獨立于集團之外的雅典表也默默做着相同的事,而且速度更快,搶在2001年就發表了一整套矽質的擒縱系統。制作矽擒縱的過程有許多複雜的細節,簡單來說就是運用深反應離子蝕刻技術(deep reactive ion etching,DRIE)在矽晶圓上刻出用「微米」(千分之一毫米)來計算的不規則圖形──擒縱叉、擒縱輪以及充滿同心圓的遊絲的形狀,也就是說從前要一步步把金屬線慢慢拉成細絲的動作都免了,而且更加精确。拜強大的科技所賜,制作成的矽零件不但一體成形、完全不需要潤滑油就能順暢運作,不受磁場、溫差幹擾的特性更大幅提升機心精準度。

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2017年百達翡麗更進一步改良Silinvar®矽遊絲,搭載于Aquanaut Ref. 5650G-001中(如圖),于遊絲的内側及外側做出凸起的曲線,确保遊絲在收放的過程中近乎同心圓形狀,使遊絲在各個方位下都能維持精準。

不過真正把矽材質帶進鐘表産業的是百達翡麗。畢竟當雅典表率先推出矽材質擒縱系統後其實并沒有引起太多反應,直到百達翡麗在2005年推出采用矽擒縱輪的Ref.5250、2006年進一步推出采用矽遊絲的Ref.5350,制表業才開始關注這個前所未有的創新材質。緊接着共同參與研發的斯沃琪集團也為旗下的高端品牌寶玑搭載矽擒縱與矽遊絲。當時的矽遊絲就好比1990年代的手機,先進、前衛、稀有、昂貴,隻有少數人能從少數品牌的少數表款中獲得。有人說它是偉大的發明,有人說它是讓機械表完美的救贖,但事實上矽遊絲并非完美,甚至存在着極大的缺點。

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Classique Chronométrie 7727腕表,18K玫瑰金表殼,表徑41毫米,機刻雕花表盤,574DRF手動上鍊機心,雙層矽遊絲,動力儲存60小時。

寶玑是少數大量采用矽遊絲及擒縱的高端品牌,又除了扁平式的矽遊絲,寶玑更發展出具有雙層結構的特殊矽遊絲(如圖)。

沒錯,矽不是金屬,不會像金屬一樣扭曲變形,也不會産生金屬疲勞的現象,卻正因為它不是金屬,一旦受到強烈的沖擊就會立即斷裂。或許要讓遊絲遭受到如此強烈撞擊的機會不多,萬一發生時造成「非得送回去換一條全新遊絲」的麻煩還是讓許多人遲疑。至于更深一層的憂慮則在未來,當科技進步到已經把矽淘汰的程度時,斷了矽遊絲的機心是否就真的沒救了?而這也是包含愛彼表在内等許多高端品牌拒絕使用矽遊絲的一大原因。

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歐米茄海馬潛水300米同軸擒縱大師天文台腕表不鏽鋼表殼,陶瓷單向旋轉表圈,手動排氦閥門,表徑42毫米,時、分、秒、日期,8800同軸擒縱自動上鍊機心,矽遊絲,防磁15,000高斯,動力儲存55小時,COSC認證,藍寶石水晶玻璃鏡面及底蓋,防水300米,橡膠表帶。

然而,拒絕矽遊絲的論點并沒有阻止這項來自半導體産業的材質發展。最初先進、前衛、稀有、昂貴的矽遊絲也随着越來越成熟的技術漸漸從高端品牌走入中價位品牌。好比斯沃琪集團旗下的歐米茄,自從在2008年開始采用矽遊絲之後就一路延續至今(獨立于集團之外的康斯登則是在2007年将矽擒縱帶入平價表款的領域)。就這樣,不排斥矽材質的品牌紛紛加入這場戰局,等到2014年勞力士終于推出搭載矽遊絲的Datejust Pearlmaster 34女表時,矽遊絲在高級表身上已經沒什麼好令人驚訝了。

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美度舵手腕表。不鏽鋼表殼,表徑42毫米,時、分、秒、日期、星期,Caliber 80 Si 自動上鍊機心,矽遊絲,動力儲存80小時,COSC認證,藍寶石水晶玻璃鏡面,透明底蓋,防水100米,不鏽鋼表帶。

令人驚訝的是,過去總是被強調有多厲害(或許還借機提高表款價格)的矽遊絲,到了2017年竟然出現在天梭以及美度這般親民的表款身上,且搭配具有80小時動力儲存的機心并通過COSC瑞士官方天文台認證,這是矽遊絲首次出現在萬元以下手表當中,可見矽遊絲誕生了十幾年總算可以讓更多人買得起,進入一個普及的時代。從品牌的立場來看,能夠充分運用成熟的技術大量生産、銷售矽遊絲也是好事。事實上這就是為什麼矽遊絲能夠下放到平價表款的原因,畢竟撇除當初龐大的研發費用,矽這項材料其實不貴。

當然,無論矽遊絲普及到什麼程度,都不能解決它有可能斷裂的問題。至于要不要繼續使用或研發新的材質,就見仁見智了。

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Tissot Ballade矽遊絲COSC 男/女腕表(左/右)不鏽鋼表殼,表徑41/32毫米,時、分、秒、日期,Powermatic 80自動上鍊機心,動力儲存80小時,藍寶石水晶玻璃鏡面,透明底蓋,防水50米,皮革表帶/不鏽鋼鍊帶。

超強新遊絲貴不貴

雖然說斯沃琪集團今日在矽遊絲上的成就完全不輸其他無論是高端還是中低價位的品牌,旗下的Nivarox遊絲廠依然提供了瑞士鐘表産業95%的遊絲,然而他們并沒有因此停下腳步,甚至在2019年進一步推出另一種創新材質遊絲──Nivachron™。

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斯沃琪與愛彼聯合開發的Nivachron™钛合金遊絲,耐沖擊、能夠抵禦溫度變化,抗磁能力高達一般金屬遊絲20倍

Nivachron™是一種以钛金屬為基底的合金材質,耐沖擊、能夠抵禦溫度變化,做成細如頭發、容易受環境變化影響造成誤差的遊絲正好。更重要的是它具備了強大的順磁性,抗磁能力高達一般金屬遊絲的20倍,可以說是擁有矽遊絲最大的優點,又不至于像矽遊絲一樣很可能在強烈撞擊下碎裂。而存在碎裂風險這件事正是矽遊絲最大的弱點,也是許多高端品牌直到現在都還拒絕使用矽遊絲的一大原因,從這個角度來看,就不難理解斯沃琪集團為何抱着矽遊絲繼續積極研發全新Nivachron™钛基合金遊絲了。

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Swatch FlyMagic腕表,首款采用Nivachron™遊絲的腕表,不鏽鋼表殼,表徑45毫米,時、分、逆行小秒針,Sistem 51自動上鍊機心外加15枚零件,動力儲存90小時,藍寶石水晶玻璃鏡面,透明底蓋,橡膠表帶,另附兩條小牛皮表帶,另有黑色(玫瑰金PVD表殼)及紅色款,限量各500隻。

有趣的是研發Nivachron™遊絲的不單隻有斯沃琪集團,還有向來不用矽遊絲的愛彼。正确來說Nivachron™是兩者合作開發的産物(關注表界動态的人或許還有印象,愛彼和斯沃琪集團曾經在2018年8月宣布這項消息),盡管目前愛彼尚未推出任何一款采用Nivachron™遊絲的機心或表款,但若未來推出了,那遊絲就會是與斯沃琪集團用的一模一樣的钛基合金遊絲。

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Swatch Sistem 51腕表,PVD不鏽鋼表殼,表徑42毫米,時、分、秒、日期,Sistem 51自動上鍊機心,Nivachron™遊絲,動力儲存90小時,橡膠表帶。

「可能與AP采用相同遊絲」還不是最讓人意外的地方,在斯沃琪集團正式推出Nivachron™遊絲之前,根本沒有人想到他們會把這項創新技術運用在旗下最親民、幾乎任何人都垂手可得的Swatch腕表當中!當然,首款搭載Nivachron™遊絲的FlyMagic限量腕表并不像一般的Swatch腕表那麼便宜,刻意将Sistem 51機心反轉并在12點鐘位置加裝「逆時鐘小秒針」的設計也有别于以往的Swatch表款。

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Swatch Sistem 51小秒針腕表,不鏽鋼表殼,表徑42毫米,時、分、小秒針、日期,Sistem 51自動上鍊機心,Nivachron™遊絲,動力儲存90小時,皮革表帶。

其實從矽遊絲平價化這件事就可以了解,像斯沃琪這樣有能力大規模制作、甚至提供所有機心零件的鐘表集團,以量取勝才是最合理的方式;一旦有量來支撐,Nivachron™生産(不包含研發)成本并不比傳統的鎳鐵合金遊絲高,如此一來選擇下放到Swatch而非僅供少量的高端品牌的做法自然沒有問題。事實上在限量的FlyMagic之後,Swatch也推出多款采用Nivachron™遊絲的Sistem 51,讓這一系列僅用了51枚零件且自動化組裝的平價機械表更具吸引力。

的确,精密手工制表技藝值得人們用高價入手,然而用高科技創造出來的腕表未必需要高價。

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