擺輪的早期歷史演進

相信許多人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。

 

▲ 早期的環形擺輪
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。

 

▲ 雙合金溫差補償擺輪設計原理
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。


二十世紀初的擺輪演進
在十九世紀中期到二十世紀初，雙合金溫差補償擺輪已經是中高階錶款必備的裝置，經過特別的調校後，精準的航海天文鐘每日誤差約可控制在3至4秒內，這已經是極佳的成果，至於中高階的懷錶準確度會稍微差一點。由於雙合金溫差補償擺輪本身的結構，與游絲已經成為極佳的互補效果，因此各大錶廠對於此裝置沒有太大的改善。但是各錶廠仍針對擺輪上的微調裝置，進行精密的的改良計畫。

一般來說，除了擺環上對稱放置的補償螺絲之外，許多錶廠會放置二或四顆的微調快慢螺絲，利用力矩來改變時間快慢；但是由於調整方式較為麻煩，因此位於擺輪錶橋上的快慢針微調裝置，仍肩負起微調時間快慢的重責大任。到了十九世紀後期，瑞士科學家Charles Edouard Guillaume以新研發的Anibal鎳鋼合金，取代原有擺輪中的鋼，因此達成更佳的中間溫度誤差性能，使得這款名為Guillaume擺輪的走時精準度，甚至可控制在1秒鐘左右，相當驚人。

另外在1896年，Guillaume研發出Invar不變合金(或稱不膨脹鋼)，它是Invariable Alloy的簡字，其主要材質是鋼Steel與鎳Nickel，透過含量高達36%的鎳金屬，使得此款合金在溫度改變的環境中，具有不易變形的優點。因此在二十世紀開始，以鎳鋼製作的游絲開始運用於懷錶，搭配Guillaume擺輪，使得準確度日益增加。

然而，Charles Edouard Guillaume後來推出的Elinvar合金材質，使游絲受到溫度的影響變更小，原先成本高且製作難度也高的雙合金溫差補償擺輪，已經失去了其存在性；特別是在手錶日漸普及後，許多錶廠放棄在小尺寸的機芯上，裝置如此精密且佔空間的大型擺輪。因此在1940年代之後，已經逐漸看不到這款擺輪的蹤跡了，但是一些傳統的天文台航海鐘，仍會採用此項裝置。

 

▲ 擺輪與微調裝置
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。

 

▲ 航海鐘的擺輪裝置
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。