相信許多讀者都看過早期的機械鐘的照片,在機械裝置的頂端,都有一個左右對稱的砝碼橫桿;在橫桿的兩端都各有一個砝碼,可以左右滑動調整,以獲得較佳的精準度。在當時這種機械鐘的誤差時間,是以10、20 分鐘為基礎來累積,誤差值可說相當的大,僅能略知大概的時間,可靠度明顯不足。這種藉由調整力矩的方式,來改變擺動的速度快慢,在數百年後的今天,已成為高級機芯必備的裝置。不過在當時,由於更多其他的因素,例如:精密度不佳的零件組裝、沒有良好品質的潤滑油與缺乏精確的擒縱裝置等。這些因素更影響著機械鐘的準確度,所以製錶師自然優先改善上述的各項缺點與其他機械結構問題。對於砝碼橫桿這項裝置的改善,自然是速度緩慢。
隨後在1675年,惠更斯發明螺旋狀的游絲,搭配圓形的擺輪,使計時工具正式邁向懷錶時代。在當時冶金術與加工精密度不足的狀態下,擺輪的外型其實都是簡單的光擺,搭配抗溫差能力不足的游絲,在冷熱溫差較大的環境中,每天誤差數分鐘,自然是家常便飯。
在十九世紀起,由於航海天文鐘的技術逐漸成熟,業界對於擺輪有更進一步的改良。其主要的方式是在擺輪的上方加裝砝碼或補償螺絲,讓擺輪的每一個部分均衡等重,減少方位差;或是方便調整擺輪的力矩大小,進而讓速度加快或是變慢,成功擺脫早期鐘錶誤差過大的情形。
然而此時游絲的品質已有改良,但仍未符合製錶師的需求,因此約在1765 年,由Pierre Le Roy 與John Arnold 以及Thomas Earnshaw 合作推出了溫差補償擺輪,也就是後來的雙合金溫差補償擺輪的雛型;這款裝置在後來,成為每只高級懷錶的必備裝置,其後稱霸錶壇百餘年。
早期的擺輪都是採用簡單的環形擺輪,沒有任何的微調與補償螺絲。
▲雙合金溫差補償擺輪
在雙合金溫差補償擺輪發明之後, 中高階的錶款,幾乎都會搭載此一裝置。
雙合金溫差補償擺輪
早期由於游絲抗溫差的能力不足,在環境溫度提高時,游絲的總長度變長、彈性變弱,會造成走時變慢;相反的,當溫度下降時,游絲長度變短、彈性變強,走時自然會變快。在當時,沒有高品質的游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。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。在溫度提高導致游絲變長時,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;另外在溫度下降游絲變短時,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。
在第一張圖,我們可以看到,當溫度提高時,對於溫度膨脹係數高的銅,整體長度變長,壓迫內側的鋼向內彎曲,進而使走時加快,平衡了因溫度提高而走時變慢的游絲。第二張圖,則是正常溫度下的擺輪形狀。第三張圖,則是在溫度降低時,擺輪環向外微微彎曲,使擺輪的速度變慢,彌補走時變快的游絲。
雖然搭配了雙合金溫差補償擺輪,但是絕大部分機芯仍裝置快慢針微調裝置,調整時間快慢更為簡單;由此圖我們可以看到,擺輪外側與內側的黃銅與鋼兩種材質。
此款是沛納海推出的航海鐘背面機芯圖,同樣也是採用雙合金溫差補償擺輪,但是微調走時快慢,則是依靠擺輪兩側橫樑上的兩顆微調快慢螺絲。
現今的擺輪類型
在1935 年,一款名為Glucydur 的擺輪正式問世,它主要是以銅、鈹與鎳為主要材質,並添加少許不同材質;由於其無磁性、不生鏽以及對溫度影響變化不大等特性,因此成為後來擺輪的主要材質。
Glucydur 擺輪屬於單一合金擺輪設計,並不像雙合金溫差補償擺輪,從表面可看出具有兩種金屬;同時Glucydur 擺輪的輪環並沒有任何缺口,這也是另一個辨識的方法。雖然在1950 年起,已有眾多錶廠開始採用此款擺輪;但是此時,擺輪的輪環上方仍使用補償螺絲,以便平衡擺輪的整體重量,減少方位差。隨著科技的進步,高科技的技術已經可使擺輪在製作完成時,就擁有完整的平均重量與真圓度,廠方人員只需以儀器檢查,然後在擺環底部以雷射或機器鑽孔,即可完成擺輪的製作手續。
以勞力士早期的1570 自動機芯為例,它仍採用補償螺絲,但是同時以擺輪上的四顆微調螺絲來調整快慢;與1951 年百達翡麗推出的Gyromax 砝碼擺輪相同。但是在1978 年,勞力士推出了3035 自動機芯,捨棄使用補償螺絲只留下四顆微調螺絲,也是改以鑽孔來校正擺輪重量。因此現今的擺輪是以環形擺輪、微調螺絲擺輪與螺絲擺輪為三大類型,但後者的補償螺絲無法調整,單純是視覺效果。