游丝的歷史演变与材质分析摆轮与游丝(下)

在1664 年，英国的物理学家胡克（Robert Hooke）首先发明游丝，日后这个概念，由荷兰的科学家惠更斯（Christian Huygens）加以发扬光大。在1675 年惠更斯发明螺旋状的游丝，搭配圆形的摆轮，使后来计时工具的精准度大幅提升，同时让怀表逐渐微型化，大幅改善可携带性与便利性。因此游丝的发明，虽然是一个非常不起眼的设计，但却是影响计时工具甚鉅的伟大成就，足以名列鐘表发展史的前叁名。在往后的百餘年间，计时工具都是採用惠更斯发明出来的单一平面游丝为主，外型并没有太大的改变，只是就材质与造型方面加以精进。

直到1776年，英国鐘表师John Arnold 发明圆柱形游丝，使用于天文台鐘，并于1782 年申请专利。这款犹如圆柱体的游丝，可确保运作稳定并保持等时性，因此大量运用于航海鐘与天文台怀表。直到1800 年初期，许多高精确度的怀表仍採用圆柱形游丝，但游丝的高度比航海鐘使用的游丝短上许多，这已经是圆柱形游丝最后出现在怀表的时代，因为同时间有了另外一项伟大的发明。

在1795 年，宝璣以圆柱形游丝为基础，经过不断的研发与测试，推出双层游丝的设计，其结构与一般的平游丝不同之处，在于最后一圈向上且朝中心内弯曲，从外观来看就如同两层游丝，因此宝璣双层游丝的名称就是由此而来的。由于此项装置的发明，渐渐取代较佔空间的圆柱形游丝，成为精确计时工具的不二选择。而在1861 年，数学家菲利浦斯（Eduard Phillips）以宝璣双层游丝为研究对象，针对末端曲线加以研究改良，其研究成果仍沿用至今。

▲宝璣双层篮钢游丝

在十九世纪与二十世纪初的这段期间，高阶复杂怀表皆採用宝璣双层蓝钢游丝与双合金温差补偿摆轮，搭配鹅颈式微调装置，可提供良好的走时稳定度。

主要的游丝类型

▲平游丝

▲圆柱形游丝

▲宝璣双层游丝

▲球状游丝

游丝材质的进化

在1766 年，Pierre Le Roy 提出Isochronism 等时性的概念，这是衡量时间误差的重要关键，透过摆轮有规律的震动，方能达成精确的运转。而影响游丝达成等时状态的主要因素包括：游丝扩张与收缩的不平均、温度导致游丝的长度与弹性改变以及磁场对于游丝的干扰，而后两者则是十九世纪末至今，各大表厂所努力改革的方向。

首先在1896 年，瑞士科学家居尔劳密（Charles Edouard Guillaume）研发出Invar 不变合金（或称不膨胀钢），其主要材质是铁（Fe）与镍（Ni），透过含量达36% 的镍金属，使其膨胀系数极低，能够在很大的温度范围之间，保持一定长度，是非常适合制作游丝的材质，因此立刻取代当时品质不佳的铁系游丝。

在1919年，居尔劳密发现在铁镍合金中，加入少量的铬（Cr）与钨（Wu），可使合金的弹性系数接近于零，也就是不因为温度而改变其弹性，同时膨胀系数依然很低，这就是Elinvar 合金，更为优异的金属特性，日后成为制造游丝的主要材质。

在1933 年，Straumann 博士在他位于波兰的Waldenbourg 的实验室中，制造出名为Nivarox 的新合金，它採用铁与高含量的鈷（42-48%）、镍（15-25%）、铬（16-22%）以及少量的鈹（Be）与鈦（Ti），藉由减少铁的含量与增加其他金属的特性，达成抗磁、防锈、膨胀系数低与弹性系数低等特质。

在1950 年起，Nivarox 游丝开始取代以往的以Invar、Elinvar 合金游丝，作为天文台机芯或是高级机芯的游丝材质。时至今日，一般中、高价表款都已採用此种材质的游丝，不过依然有等级之分，Nivarox 的型号共分为Nivarox 1 到Nivarox 5，而Nivarox 1 自然是最优等级，用于天文台等级的表款。

同时位于日本的SEIKO 精工，自1940 年起，即开始採用与Nivarox 合金相当接近的Co-elinvar 合金，作为游丝的主要材质；同样是增加鈷（Co）的含量，以达成游丝所需的金属特性。其后精工特别与日本东北大学的金属材料研究所合作，研发特殊的SPRON 系列合金，作为发条与游丝的材质。

在2009 年，精工推出最新的SPRON 610 游丝，它是Co-elinvar 合金的进化版，其衝击性较以往提升两倍，而抗磁性则为以往的叁倍，有效提高现有的游丝品质。上述的游丝材质演变，基本上都不脱离以铁、镍与鈷为主要成分的设计，在进入二十一世纪之后，情况则有所改变。

▲精工新、旧款游丝比较图

此图是精工GRAND SEIKO 系列的新、旧款比较，左方是新推出的SPRON 610 游丝，而右方为旧款的SPRON 游丝；两款游丝外围末端的弧度，有明显的差异。

游丝发展新趋势

在2005 年，ROLEX 劳力士推出了全新的GMTMaster II，黄K 金的贵金属表壳内，搭载新款的3186 自动机芯，其中最重大的改变，就是採用大家称为蓝游丝的Parachrom hairspring 鈮鋯合金游丝。

其实在2000 年推出的新款迪通拿中，就已经採用鈮鋯合金游丝，但是由于表面为银白色泽，所以除了厂方人员之外，并没有人知道劳力士使用新的合金游丝，直到2005 年之后，厂方才透露此一讯息。其主要的材质是85% 的鈮（Nb）与15% 的鋯（Zr），都具有不易被腐蚀的金属特性，而且表面都为银白色。这两种金属在2400 度的高温下被融合，并以每小时20公分的速度通过5000 伏特的鎔炉，必须经过叁次鎔炉制作手续，以确保其品质。

而制造出来的鈮鋯合金与空气裡的氧气接触之后，会形成蓝色的氧化物，也就是游丝表面的色彩。此款合金游丝，其最大的优点为完全防磁设计，因为不含铁这项金属，所以完全没有被磁化的可能，而其他的金属特性则与Nivarox 游丝接近。Nivarox 游丝与早期的Elinvar 游丝相比，因为已经大量加入非铁金属，防磁功能已经有所提升，但是鈮鋯合金游丝则更胜一筹。

在2006年，PATEK PHILIPPE 百达翡丽推出名为Spiromax®硅游丝，这是业界首度推出非金属材质的游丝，也是瑞士表厂对于硅材质研究的重大成果；除了百达翡丽之外，另有Swatch 集团与劳力士都一同参与研究。硅材质具有完全防磁的特性，同时不会因为温差影响游丝长度与弹性，透过这项材质可将外在因素的影响减至最低。此外，Spiromax® 硅游丝的重量只有一般游丝的叁分之一，可减少离心力与地心引力的影响。

而Spiromax® 硅游丝为单一平面游丝设计，对于平游丝无法在扩张与收放时，达成同心收放的特性，厂方以革新的末端弧线设计，称为「百达翡丽末端弧线」；透过游丝外端较厚，进而迫使游丝朝同心摆动，达成精确运转的效果。另外，游丝的中央底座採用一体成型设计，避免透过焊接或烧接等方式，导致游丝末端变形或遇热膨胀，以保持游丝的本体完整。在百达翡丽推出硅游丝之后，欧米茄与雅典也纷纷推出硅游丝，而有关于新材质游丝的表现如何？未来是否会有更多表厂採用？我们可以拭目以待。