錶的節拍器(上) - 擺輪(balance wheel) - 手錶

[歷史]

約在十六世紀初發明時鐘之初，用來消耗發條彈力的結構都是所謂的"鐘擺",
是以鍊子繫住用鐵做的鐘擺，並利用地心引力作為動力來源來走時，
這類時鐘只能安放固定地方，例如高樓、牆壁上所掛的大鐘，
並不適合做在隨身攜帶的錶上,
也不利於在搖搖晃晃海上做為航海鐘用。

在17世紀後半葉，英國人虎克（Robert Hooke)發現了虎克彈性定律，
也就是 F=kx, 當固體材料受力之後，材料所受之力與變形量之間成線性關係。
也就是一個固體的受力和它的變形量成正比,
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然後荷蘭人惠更斯(Christiaan Huygens)，
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就根據這的定律發明了游絲擺輪系統並申請專利，
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據說虎克因此對惠更斯大發雷霆，兩個人對誰先發明游絲擺輪爭論不休，
最後好像是惠更斯拿到專利，
因為虎克的仇人太多了，包括被蘋果打到頭, 人品惡劣至極的牛頓,
這些當做八卦看看就好，總而言之，這兩個人的發明讓整個鐘錶發展開創了新的一頁。

虎克 vs. 惠更斯 請參考:
http://www.ticktockcolorado.com/musings-on-clocks/hooke-vs-huygens/

虎克 vs. 牛頓 請參考:
http://www.creative-wisdom.com/education/essays/others/shoulder.shtml

之後，身處大航海時代的英國, 在迫切需要精准航海鐘的情況下,
開展了一場著名的航海鐘競賽,
而英國著名錶匠 約翰·哈里森(John Harrison)的持續發展改良之下，
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將惠更斯的擺輪游絲系統縮小化後，花了將近30年的時間研究改良，
終於作出了劃時代航海鐘H4與H5, 至此游絲擺倫系統的形式被確立下來，
開始了更長遠的改良精進之路。
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約翰·哈里森 請參考: https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%BA%A6%E7%BF%B0%C2%B7%E5%93%88%E9%87%8C%E6%A3%AE


[擺輪的演進，最大的敵人有三個: 溫度、溫度、溫度]



1. 環形擺輪

早期的英國表的擺輪游絲系統是一個金屬
的閉合光擺配合鐵基做成的平游絲(藍鋼游絲)，
也就是荷蘭科學家惠更斯發明的擺輪游絲鐘的縮小版。
通常，高級的英國表的擺輪是由貴金屬製造（k金）以增加擺輪的慣量，
可以達到走時準確的目的。

早期擺輪有個致命的缺點：對溫度變化相當敏感。
擺輪是金屬製造的圓形，溫度變化導致零件尺寸變化，
溫度升高直徑變大，同時金屬遊絲變軟，表就會明顯走慢，
因此擺輪受溫度的影響是非常敏感的。

1773年 Ferdinand Berthoud 發現，黃銅擺輪與鋼製游絲，
在溫度升高33攝氏度，就會每天走慢393秒，也就是6分半鐘，
這對鐘錶的精准度打了相當大的折扣，
也是讓當時鐘錶匠，因為材料上的限制而束手無策的重大問題。
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2. 截斷式雙合金溫差補償擺輪(Temperature compensated balance wheels)

早期由於遊絲抗溫差的能力不足，在環境溫度提高時，
遊絲的總長度變長、彈性變弱，會造成走時變慢；
相反的，當溫度下降時，遊絲長度變短、彈性變強，走時自然會變快。
在當時，沒有高品質的遊絲可提供製錶師使用，因此必須從擺輪來著手改善。
在當時人們發現黃銅對於溫度的傳導與膨脹係數都高於鋼，
容易受到溫度影響而改變金屬形狀，
因此將鋼與銅製作成一根金屬條，在溫度提高或是降低時，
金屬條會明顯的彎曲，這就是雙合金溫差補償擺輪的製作原理。

在200多年前, 英國人 John Arnold 發明了截斷式雙合金溫差補償擺輪,
這種擺輪在外觀上可以看見外側三分之二是黃銅，而內側三分之一是鋼，
在兩側靠近橫樑處各有一個缺口，
以便擺輪環方便移動。在溫度提高導致遊絲變長時，膨脹係數高的黃銅，
會壓迫內側的鋼，造成擺輪環往內縮，
使擺輪的力矩變小而走時變快；另外在溫度下降遊絲變短時，外側的黃銅會微縮，
造成擺輪環向外推移，使擺輪力矩變大而走時變慢。
如此一來一往的互補效應，讓機芯的準確度維持在一定的速率，成功克服以往的問題
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3. 紀堯姆擺輪

在紀堯姆因瓦鋼發明之前，他還發明了一種雙合金溫度補償合金，叫做anibal,
用這種合金製作的擺輪就名為紀堯姆擺輪
因為後面紀堯姆又改良了他自己的發明，因此作為一種新材料，
在當時技術不成熟以致成本很高的情況下，
紀堯姆擺輪只短暫的用在當時歐洲最高級的錶上才使用
可以這麼說，在當時沒有用紀堯姆擺輪的不一定不高級，
但是有用紀堯姆擺輪的一定是高級錶
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4, Invor(Elinvar)擺輪

1920年, 任職于瑞士國際度量衡局的夏爾·愛德華·紀堯姆(Charles Edouard Guillaume)，
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開始了他對合金膨脹係數的研究，
他發現當鎳含量在36%時，熱膨脹係數出現了最低點，
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並因此發明了鎳鉻恆彈性鋼(英文Invar或者Elinvar，常直譯為因瓦鋼),
這種在很大的溫度差異下熱膨脹係數幾乎為零、楊係數恆定的合金。
這種材料不僅堅硬、耐腐蝕、熱膨脹係數低，而且還具有很好的防磁性能，
是具有優異性能的合金材料

這種材料被用於高級鐘錶和計時器的製作上，
這使那些高級鐘錶和計時器的誤差減少到了秒鐘以下。
紀堯姆因為這個發現而獲得了該年度的諾貝爾物理學獎,
這也是目前為止, 鐘錶界唯一得過的一座諾貝爾獎
使用Invor合金的擺輪， 再也不需要做溫度補償，
所以至此取代了截斷式雙合金溫差補償擺輪。
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5. Nivarox合金擺輪

材料進步的第二個高峰是在1933年, 由德國Dr. Straumann發明的Nivarox合金，
其中除鎳外增加了其他元素，
含鐵54%, 鎳38%,鉻8%,鈦1%,矽0.2%, 錳0.8%, 鈹 0.9%, 含碳小於 0.1%。
使用Nivarox的擺輪和遊絲受溫度影響的日差精度極限是0.3秒。

目前在swatch集團下，專門製造游絲的公司Nivarox，就是以這種合金為名



6. Glucydur鈹銅合金擺輪

幾乎與Nivarox同時發明的另外一種合金，
Glucydur, 由鈹、銅 及 鐵 (berrylium bronze)組合而成，
其優點是非常硬及穩定，耐變形，防磁，及防鏽
自從Invor與這些新合金出現之後，新的合金容許單一物料擺輪，
因為擺輪無需再為溫度影響作出補償
使得擺輪不再使用雙金屬截斷的結構，並取消了螺釘，
我們稱之為光擺(smooth Glucydur balance)

光擺大大降低了擺輪的製造和調校的難度，
大幅度的降低了鐘錶的製造成本，又有輕巧節省動力的特性，
因此現在絕大多數的擺輪都是Glucydur合金製作而成的光擺。
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[擺輪的調校]

1. 光擺
早期光擺就真的只是光擺，透過快慢針調節游絲長度來校時，
到了近代，光擺會用機器或人工
在擺輪底下鑽洞來調整
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2. 釘擺，或稱蓮花擺輪
釘擺則是透過在擺輪上面裝設平衡微調螺絲，
來平衡擺輪(螺絲分為兩種: 平衡螺絲和調速螺絲，
大小和功用不一樣，平衡螺絲出廠後幾乎不會動到，
調速螺絲則是進行微調時候使用)。
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在懷錶時代，釘擺可說是百花齊放，極盡奢華之能事，
上面的螺釘最高級的會用到18K鉑金與黃金，放在一起的確令人賞心悅目
我個人私心最喜歡還是蓮花擺輪，因為它最具有古典氣息，
雖然理性上現代擺輪性能較好，但是誰叫人類是一種懂得浪漫的動物呢(笑)
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3. 砝碼擺輪
透過在擺輪上砝碼的裂縫會減少該點的重量的特性，
轉動砝碼便可改變擺輪邊的重量分配。
如一雙相對的砝碼以同方式調整，手錶的日差便可被調整.
越多砝碼指向擺輪外(裂縫指向擺輪中心)會增加擺輪的有效直徑，
並減慢手錶的時間. 砝碼也可獨立調整以用作平衡 擺輪本身.
此設計通常只有高級品牌在使用，例如PP, AP, A.Lange等
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4. 慣性螺絲微調擺輪
透過轉動螺絲或調整砝碼的方向，可改變擺輪的慣性，精準的調整擺輪的快慢
其調校的精准度可以達調整的精密度可達1、2秒，為Rolex的招牌擺輪。
在近期有更多錶廠跟進使用慣性螺絲微調擺輪 + 無卡度游絲的設計，
例如Omega, Panreai, 積家與寶璣
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5. 其他擺輪
在19世紀前的船鐘，有各式各樣的擺輪，這邊就不一一闡述，
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而現代也有不是圓形的擺輪，
例如積家在2015年出品的跳秒錶，其擺輪就是工字形，非常特別
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[擺輪大小]

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擺輪直徑大小與擺動頻率為正相關，
越大的擺輪通常頻率就越慢，越小則頻率越快
目前現代錶普遍都使用小擺輪，因為頻率越高每次擺動切分的時間就越小，
根據機械學原理，擺頻提高，其擺幅隨輸入力矩的變化比率降低，
也即發條放鬆期間輸出力矩的變化,
以及手錶隨人體運動造成的衝擊力矩和位置變化帶來的摩擦力矩變化,
對擺輪的擺動幅度影響減少，對錶走時精度的影響就相應減少.

再者，由於擺動週期短，
利用傳統的變動游絲有效工作長度方式調節擺頻就更為容易

簡單說就是對於佩戴時外界的干擾，例如震動，方位差，地心引力等，
高振頻的錶受到的影響更少，也就會越精准，
但是相對的因為頻率變快，相對的消耗較多的能量，
導致在使用同樣發條的情況下，走時時間會下降，並且會加速零件的磨損。

以前在懷錶時代因為都放在西裝口袋裡，
並不會像手錶一樣受到太多外界的干擾，因此懷錶普遍都是低振頻的,
振頻從每小時 3,600次、7,200次、14,400次、18,000次為主,
而現代鐘錶振頻則為18,000次、21,600次、28,800次、36,000次到72,000次為主


[結論]

經過了多年在材料科學上的努力，我們現在已經有幾乎不受溫度影響的精準擺輪可用，
每一秒誤差的減少，都是多少前人努力付出下達到，讓我在看著擺輪穩定的擺動時，
想像著當年虎克與惠更斯吵架的身影(咦?)

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