與計時工具同步進化 機芯動力來源︱發條

一、機芯的重要零件

發條是機芯的動力來源,從十五世紀就開始運用於計時工具之上,至今仍然沒有太大的改變。其原理是藉由發條釋放出來的彈力來驅動輪系運轉,因此發條的品質優劣,關係著計時工具的穩定與否,同時也影響產品的耐久性。隨著歷史的演變,現在發條的材質、形狀、與提供能量這些方面,都有了卓越的改善,與當年的發條品質是不可同日而語。

一般的發條長度約在20 至40 公分左右,厚度約0.05mm 到0.2mm 之間,當然這是指一般機芯的發條尺寸,多日鍊與大型懷錶就不適用於此。早期的發條除了動力不足之外,還有著容易斷裂、容易生鏽等問題。根據記載最早期的發條需要每天上滿兩次鍊,才能提供足夠的能量,另外頻繁的上鍊動作也容易使發條金屬疲勞,造成斷裂的情況;但依靠人們的努力,這些問題也都慢慢的改善。在二十世紀,由於冶金學的進步,容易生鏽的發條已改為合金鋼製作,這對於計時工具的品質有莫大的貢獻。

 

▲1. 發條盒結構

發條盒所含的零件其實相當少,主要分為發條盒、發條盒蓋、發條盒軸心、發條等。

 

▲2. 發條上鍊的狀態
發條在上鍊之前(左)與上滿鍊後的狀態(右)。
 

二、發條品質的提升

在1933 年,Straumann 博士在Waldenbourg實驗室研發出不易變形、不易氧化、不易熱脹冷縮的特殊合金- Nivarox,這是日後製作游絲的最主要材質。同樣的,具有這種特性的合金也適合做為發條,在1952 年Nivaflex合金正式發表,它主要的金屬成分為(45%鈷+ 21% 鎳+ 18% 鉻+ 5% 鐵+ 4% 鎢 + 4%鉬+ 1% 鈦),另外針對不同的需求還會增加鈹或者其他金屬,以增加金屬特性。目前大部分的發條,都是以這款合金來製作;總體來看Nivaflex 與Nivarox 的成分相當接近,不過材質的組成只要有些微的差異,就足以改變其金屬特性。因此許多錶款的商品介紹,都會將發條型號登出, 常見的有NivaflexNM、Nivaflex NO、與Nivaflex NE,其品質是以Nivaflex NM 為第一等級,通常用於高級腕錶以及天文台認證錶款。

除了材質有所改變之外,另一項改變就是發條的捲曲形狀(下圖),早期的發條都是採用自然捲曲型(A),朝發條盒軸心彎曲,由於製作簡單,老式的懷錶與發條鐘都採用同樣的設計。其缺點是發條的力量差距過大,穩定的有效能量偏短。因此後期的發條設計在尾端都向外彎曲(B),雖然只是小改變,但卻可以使發條的彈力增加許多。而新一代的發條都採用S 型設計(C),加長發條尾端的捲曲度與長度,所以發條的頭跟尾端是朝不同方向捲曲,置入發條盒中,可有效增加扭力的釋放,對於發條能量的提升是相當有幫助的。

 

▲1. 發條形狀
 
▲2. 不斷鍊設計
一般而言,手上鍊的發條上到滿,就會感到無法轉動,如果再上鍊的話,發條會有斷裂之虞;而自動上鍊的發條具有退簧片,因此無法上滿鍊,退簧片會在滿鍊時自動的移位,防止發條斷裂。
 

三、提高儲能設計

除了發條材質與捲曲的形狀有大幅改變之外,在80 年代機械錶復興之後,許多的新機芯都採用較長的動力儲存,或是超過7 天的多日鍊設計。一般來說,加大發條盒與延長發條的長度,這是最簡單的方法。例如精工的Cal.9S55 機芯,原本動力儲存約在50小時左右,在2007 年推出的Cal.9S67,在不更動機芯尺寸與輪系排列為前提之下,將動力延長至72 小時以上。其作法就是將發條長度由40 公分延長到50 公分,發條厚度由0.12mm 減為0.1mm,避免擴大發條盒的尺寸,同時保有適當的盒內空間,一舉將動力儲存時間延長至三天。

除了加長發條的長度之外,另外增加發條盒數量也是提高儲能的方法之一;現在雙發條盒的設計相當常見,由於雙發條盒的動能傳輸與扭力傳遞都較為溫和,同時增加動力儲存時間,因此可見度提升不少。此外隨著多日鍊的流行,三發條盒、四發條盒的設計也都開始出現,下列我們將簡單介紹不同類型的發條盒設計,讓讀者了解現在發條的最新發展。

 

發條盒類型比較圖
單一發條盒- IWC Cal. 5000 串連雙發條盒-朗格L034.1 機芯 並列雙發條盒-積家Cal.879

在2000 年IWC 推出Cal. 5000 系列機芯,它僅採用一個發條盒,就達成7 天以上的動力儲能。通常單一發條盒,要達到長動力的表現,需要增加發條長度、降低振頻、增加輪系齒輪等多方面的配合。

LANGE 31 腕錶, 採用L034.1 機芯, 並配備兩個相疊的巨型發條盒,內直徑25mm,佔據機芯四分之三的面積。每條發條長1,850毫米,兩條發條的長度是傳統腕錶機芯的五到十倍,上滿一次鍊,可以運轉31 天。

在2002 年積家推出了Cal.879 手動上鍊機芯,這枚雙發條盒機芯,具有8 天的動力儲存,並且每小時的振頻達到28,800 轉。此後積家更推出具15 日鍊的三問錶款,同樣採用雙發條盒設計,但是發條盒尺寸大上許多。

 

發條盒類型比較圖
並列三發條盒-寶鉑Cal.13RO 並列串連三發條盒-沛納海P.2002 並列串連四發條盒- L.U.C Quattro 1.98
在2006 年,寶鉑推出了新款Cal.13RO 手動上鍊機芯,它採用三個並列的發條盒,可提供8 天的動能。另外在2007 年,寶鉑推出具自動上鍊功能的Cal.1315 機芯,同樣也是採用三發條盒設計。 沛納海的P.2002 手動上鍊機芯,具有八天的動力儲存,它是由3 個發條盒組成:其中兩個互相重疊,另一個則採用並列的方式。此後沛納海以這枚機芯為基礎,推出數款多日鍊腕錶,動力儲存時間由6 日到10 日不等。 在2000 年, 蕭邦發表手上鍊機芯L.U.CQuattro 1.98,擁有專利的4 個發條盒設計,採用串連重疊與左右並列的排列方式,這款機芯具有特殊的結構與長達216 小時的長動力,擁有超過8 天的動能。