游絲的歷史演變與材質分析擺輪與游絲(下)

在1664 年，英國的物理學家胡克（Robert Hooke）首先發明游絲，日後這個概念，由荷蘭的科學家惠更斯（Christian Huygens）加以發揚光大。在1675 年惠更斯發明螺旋狀的游絲，搭配圓形的擺輪，使後來計時工具的精準度大幅提升，同時讓懷錶逐漸微型化，大幅改善可攜帶性與便利性。因此游絲的發明，雖然是一個非常不起眼的設計，但卻是影響計時工具甚鉅的偉大成就，足以名列鐘錶發展史的前三名。在往後的百餘年間，計時工具都是採用惠更斯發明出來的單一平面游絲為主，外型並沒有太大的改變，只是就材質與造型方面加以精進。

直到1776年，英國鐘錶師John Arnold 發明圓柱形游絲，使用於天文台鐘，並於1782 年申請專利。這款猶如圓柱體的游絲，可確保運作穩定並保持等時性，因此大量運用於航海鐘與天文台懷錶。直到1800 年初期，許多高精確度的懷錶仍採用圓柱形游絲，但游絲的高度比航海鐘使用的游絲短上許多，這已經是圓柱形游絲最後出現在懷錶的時代，因為同時間有了另外一項偉大的發明。

在1795 年，寶璣以圓柱形游絲為基礎，經過不斷的研發與測試，推出雙層游絲的設計，其結構與一般的平游絲不同之處，在於最後一圈向上且朝中心內彎曲，從外觀來看就如同兩層游絲，因此寶璣雙層游絲的名稱就是由此而來的。由於此項裝置的發明，漸漸取代較佔空間的圓柱形游絲，成為精確計時工具的不二選擇。而在1861 年，數學家菲利浦斯（Eduard Phillips）以寶璣雙層游絲為研究對象，針對末端曲線加以研究改良，其研究成果仍沿用至今。

▲寶璣雙層籃鋼游絲

在十九世紀與二十世紀初的這段期間，高階複雜懷錶皆採用寶璣雙層藍鋼游絲與雙合金溫差補償擺輪，搭配鵝頸式微調裝置，可提供良好的走時穩定度。

主要的游絲類型

▲平游絲

▲圓柱形游絲

▲寶璣雙層游絲

▲球狀游絲

游絲材質的進化

在1766 年，Pierre Le Roy 提出Isochronism 等時性的概念，這是衡量時間誤差的重要關鍵，透過擺輪有規律的震動，方能達成精確的運轉。而影響游絲達成等時狀態的主要因素包括：游絲擴張與收縮的不平均、溫度導致游絲的長度與彈性改變以及磁場對於游絲的干擾，而後兩者則是十九世紀末至今，各大錶廠所努力改革的方向。

首先在1896 年，瑞士科學家居爾勞密（Charles Edouard Guillaume）研發出Invar 不變合金（或稱不膨脹鋼），其主要材質是鐵（Fe）與鎳（Ni），透過含量達36% 的鎳金屬，使其膨脹係數極低，能夠在很大的溫度範圍之間，保持一定長度，是非常適合製作游絲的材質，因此立刻取代當時品質不佳的鐵系游絲。

在1919年，居爾勞密發現在鐵鎳合金中，加入少量的鉻（Cr）與鎢（Wu），可使合金的彈性係數接近於零，也就是不因為溫度而改變其彈性，同時膨脹係數依然很低，這就是Elinvar 合金，更為優異的金屬特性，日後成為製造游絲的主要材質。

在1933 年，Straumann 博士在他位於波蘭的Waldenbourg 的實驗室中，製造出名為Nivarox 的新合金，它採用鐵與高含量的鈷（42-48%）、鎳（15-25%）、鉻（16-22%）以及少量的鈹（Be）與鈦（Ti），藉由減少鐵的含量與增加其他金屬的特性，達成抗磁、防鏽、膨脹係數低與彈性係數低等特質。

在1950 年起，Nivarox 游絲開始取代以往的以Invar、Elinvar 合金游絲，作為天文台機芯或是高級機芯的游絲材質。時至今日，一般中、高價錶款都已採用此種材質的游絲，不過依然有等級之分，Nivarox 的型號共分為Nivarox 1 到Nivarox 5，而Nivarox 1 自然是最優等級，用於天文台等級的錶款。

同時位於日本的SEIKO 精工，自1940 年起，即開始採用與Nivarox 合金相當接近的Co-elinvar 合金，作為游絲的主要材質；同樣是增加鈷（Co）的含量，以達成游絲所需的金屬特性。其後精工特別與日本東北大學的金屬材料研究所合作，研發特殊的SPRON 系列合金，作為發條與游絲的材質。

在2009 年，精工推出最新的SPRON 610 游絲，它是Co-elinvar 合金的進化版，其衝擊性較以往提升兩倍，而抗磁性則為以往的三倍，有效提高現有的游絲品質。上述的游絲材質演變，基本上都不脫離以鐵、鎳與鈷為主要成分的設計，在進入二十一世紀之後，情況則有所改變。

▲精工新、舊款游絲比較圖

此圖是精工GRAND SEIKO 系列的新、舊款比較，左方是新推出的SPRON 610 遊絲，而右方為舊款的SPRON 遊絲；兩款游絲外圍末端的弧度，有明顯的差異。

游絲發展新趨勢

在2005 年，ROLEX 勞力士推出了全新的GMTMaster II，黃K 金的貴金屬錶殼內，搭載新款的3186 自動機芯，其中最重大的改變，就是採用大家稱為藍游絲的Parachrom hairspring 鈮鋯合金游絲。

其實在2000 年推出的新款迪通拿中，就已經採用鈮鋯合金游絲，但是由於表面為銀白色澤，所以除了廠方人員之外，並沒有人知道勞力士使用新的合金游絲，直到2005 年之後，廠方才透露此一訊息。其主要的材質是85% 的鈮（Nb）與15% 的鋯（Zr），都具有不易被腐蝕的金屬特性，而且表面都為銀白色。這兩種金屬在2400 度的高溫下被融合，並以每小時20公分的速度通過5000 伏特的鎔爐，必須經過三次鎔爐製作手續，以確保其品質。

而製造出來的鈮鋯合金與空氣裡的氧氣接觸之後，會形成藍色的氧化物，也就是游絲表面的色彩。此款合金游絲，其最大的優點為完全防磁設計，因為不含鐵這項金屬，所以完全沒有被磁化的可能，而其他的金屬特性則與Nivarox 游絲接近。Nivarox 游絲與早期的Elinvar 游絲相比，因為已經大量加入非鐵金屬，防磁功能已經有所提升，但是鈮鋯合金游絲則更勝一籌。

在2006年，PATEK PHILIPPE 百達翡麗推出名為Spiromax®矽游絲，這是業界首度推出非金屬材質的游絲，也是瑞士錶廠對於矽材質研究的重大成果；除了百達翡麗之外，另有Swatch 集團與勞力士都一同參與研究。矽材質具有完全防磁的特性，同時不會因為溫差影響游絲長度與彈性，透過這項材質可將外在因素的影響減至最低。此外，Spiromax® 矽游絲的重量只有一般游絲的三分之一，可減少離心力與地心引力的影響。

而Spiromax® 矽游絲為單一平面游絲設計，對於平游絲無法在擴張與收放時，達成同心收放的特性，廠方以革新的末端弧線設計，稱為「百達翡麗末端弧線」；透過游絲外端較厚，進而迫使游絲朝同心擺動，達成精確運轉的效果。另外，游絲的中央底座採用一體成型設計，避免透過焊接或燒接等方式，導致游絲末端變形或遇熱膨脹，以保持游絲的本體完整。在百達翡麗推出矽游絲之後，歐米茄與雅典也紛紛推出矽游絲，而有關於新材質游絲的表現如何？未來是否會有更多錶廠採用？我們可以拭目以待。