製錶業中「恆力」的兩難困境

國立臺灣大學資訊工程學系

本文翻譯自 Markl (2016) 發表於 MONOCHROME 的《The dilemma of Constant Force in Watchmaking》一文。恆力是製錶與計時學領域的聖杯。傳遞至腕錶調速機構的驅動力若不穩定，便會影響其走時精度，因為擺輪並非完全等時——所謂等時，意指擺動週期與擺動振幅無關. 現代發條盒與瑞士槓桿擒縱機構已能提供令人滿意的走時穩定性。然而，在對精準度的持續追求中，製錶師們正重新展現出對進一步掌控動能的濃厚興趣。以下是我們針對「恆力」這一複雜概念所撰寫的技術指南。

發條盒是腕錶機芯中儲存能量的裝置。它內含纏繞在發條軸上的主發條，該發條在受拉伸狀態下為機芯提供動力。發條盒釋放的動力並不均勻。當發條盒完全上緊時，會提供強大的扭矩，隨後在動力儲存期間逐漸減弱。這會影響腕錶的走時精度，因為擺輪並非完全等時。擺動週期（即腕錶的走時速率）會受到驅動力變化的影響，這促使製錶師設計出旨在平衡主發條動力的機制。火箭與鏈條錐形發條可追溯至15世紀，曾被應用於鐘錶及懷錶中。它與「堆疊式撥輪」一同，是解決走時不均問題的最早方案之一。後者是一種由彈簧壓迫的凸輪，透過反向作用力來補償主發條的動力 – 鑑於製錶師總是試圖將摩擦降至最低，這是一種相當違反直覺的裝置。

A. Lange & Sohne 的發條盒與鏈條機構。理查德·朗格「為卓越而生」。錐輪由一個錐形滑輪組成，並與纏繞在發條盒上的鏈條相連。錐輪上設有螺旋槽，用以容納鏈條。由於螺旋槽的周長逐漸增大，主發條逐漸減弱的張力得以補償（這與自行車的齒輪傳動原理非常相似）。隨著主發條逐漸鬆開，鏈條會沿著發條盒滾動並從錐形導輪上脫落。錐形導輪逐漸增大的槓桿作用，可補償發條盒逐漸減弱的扭矩。

這是一款為慶祝勒洛克製錶廠創始人誕辰150週年而推出的Zenith Academy George Favre-Jacot腕錶，特此呈現其發射器與鍊條的特寫鏡頭。棘輪與鏈條機構的製造過程複雜，調校困難，因此價格不菲。為了讓大家了解其製作的繁複程度，以理查德·朗格 Pour Le Mérite 腕錶為例，其鏈條由 636 個零件組成——而橫截面僅有 0.6 毫米乘以 0.3 毫米。此外，這類機構還需要相當大的空間。隨著擒縱機構（特別是瑞士槓桿擒縱機構）的改良，以及現代發條盒能提供相當穩定的動力，錐輪與鏈條已不再是必需品。這解釋了為何這些機構在腕錶中極為罕見，並在二十世紀幾乎完全被棄用。然而，在對計時精準度不懈追求的過程中，為彰顯卓越的工藝與製錶技藝，近年來仍有數家製錶商採用此類機芯——尤其是寶璣（Breguet）、真力時（Zenith）、朗格（Lange & Söhne）、卡貝斯坦（Cabestan）、羅曼·高蒂耶（Romain Gauthier）以及德維特（De Witt）。

這款令人驚豔的 Romain Gauthier Logical One 天然鈦金屬腕錶，採用了改良版的螺旋齒輪與鏈條結構。緩慢旋轉的蝸牛形凸輪取代了傳統的螺旋齒輪，使動力得以沿直線傳遞，同時避免了鏈條扭轉——其鏈節採用低摩擦、耐磨的合成紅寶石製成。停工 – 槍管／彈簧改良止捲裝置是一種用於防止發條盒過度上弦的裝置，也就是在發條盒彈簧尚未完全纏繞在軸芯上之前，便停止上弦。

費迪南·貝爾圖（Ferdinand Berthoud）槍管上的馬耳他十字腕錶中最常見的止動裝置之一便是馬耳他十字。此裝置由一個呈十字形的齒輪構成，該齒輪擁有數條齒臂——除其中一條外，其餘均為凹面端——並與另一個齒輪配合運作，該齒輪上有一根固定於發條盒軸上的指狀部件。當齒臂的凸面端接觸到該指狀部件時，便會阻止發條盒軸旋轉。馬耳他十字裝置亦能在發條盒尚未完全放鬆前停止腕錶的運轉。因此，它僅允許發條盒進行特定數次的轉動，並僅利用主發條部分的張力——即其最佳運作範圍內的張力，從而避免扭矩過高或過低的情況。

隨著錶殼的改良及發條技術的創新，停走裝置已大多不再必要，如今也鮮少被使用。然而，朗格（Lange & Söhne）的 Datograph L952.1 機芯仍配備了停走裝置；2000 年推出的 IWC 5000 機芯雖擁有 8.5 天的「虛擬」動力儲存，但若未上鍊，7 天後便會停止運轉。製錶師們也持續致力於優化發條盒與發條的設計，採用串聯式發條盒，調整發條盒的齒輪傳動比以確保扭力盡可能保持恆定，研發新型合金以期最終取代廣泛使用的 Nivaflexâ，或導入新型潤滑劑。為了提升發條盒的效率，卡地亞在其 ID Two 概念腕錶中搭載了兩個雙層發條盒，因此共有 4 條發條以串聯方式釋放動力。這些發條採用玻璃微纖維而非金屬製成，具備極佳的彈性特性。其設計亦能確保發條在釋放能量時，能量流更加穩定。卡地亞還致力於降低發條盒內的摩擦，透過在發條表面塗覆超薄光滑聚合物塗層，取代傳統的潤滑方式。卡地亞宣稱，這些創新技術使發條盒內可用體積釋放的能量增加了30%。

卡地亞 ID Two 的兩組雙層筒身內，裝有 4 根創新的玻璃纖維彈簧。上鍊裝置

F.P. Journe，雙軸高性能擒縱機構、停秒裝置及等時發條（葉片彈簧）機制（左）。朗格 31 型腕錶的朗格發條盒（右）。其捲簧發揮緩衝作用，使主發條在 31 天的動力儲存期間所提供的動力更加平穩。「齒輪上鍊裝置」（法語稱 remontoir）是另一種恆力裝置，由副彈簧（片狀彈簧或螺旋彈簧）構成，用以驅動擒縱機構。該裝置由主發條定期上鍊，並使擒縱機構與擺輪免受發條盒扭矩波動的影響。鐘錶匠約斯特·布爾吉（Jost Bürgi，1552-1632）曾運用上鍊器來提升其鐘錶的精度，藉此觀測恆星的運行軌跡。然而，如同棘輪鏈條裝置一般，隨著製錶技術的進步，複雜的上鍊裝置逐漸被遺忘。F.P. 朱爾恩（F.P. Journe）列舉喬治·丹尼爾斯（George Daniels）、安東尼·蘭德爾（Anthony Randall）以及他本人，作為二十世紀少數曾製作此類裝置的製錶師。然而，上鍊裝置也迎來了復甦，茱爾恩憑藉其優雅的 Remontoir d’égalité 成為先驅。近年來，多家製錶商紛紛效法，在腕錶中搭載上鍊裝置：朗格（Lange & Söhne）、朗格與海涅（Lang & Heyne）、克里斯托夫·克拉雷（Christophe Claret）、阿諾德父子（Arnold & Son），以及更近期的格羅內菲爾德（Grönefeld）。

這款精美的 Gronefeld 1941 調速器在 8 秒內釋放能量，而大多數類似裝置則採用 1 秒的循環週期。恆力擒縱機構針對發條動力逐漸衰減的問題，最精妙的解決方案之一，恐怕就是著手改良擒縱機構本身。在該領域的早期研究中，英國鐘錶專家查爾斯·海利（Charles Haley）於1796年獲得了第2132號專利，該專利涉及一種恆力擒縱機構；而偉大的寶璣（Breguet）則於1798年為鐘錶用恆力擒縱機構申請了專利。近期，芝柏表（Girard-Perregaux）推出了一項突破性技術，為提升腕錶的走時均勻性提供了革命性的解決方案——「恆定擒縱系統」。這項由尼古拉·德翁（Nicolas Déhon）提出的構想可追溯至1990年代末期，當時他開始構思首款「ELF（Echappement à Lame Flambée）」設計，並在數年後憑藉現代科技與矽材的應用得以實現。其運作原理基於彎曲刀片所具備的彈性與雙穩態特性。這片厚度僅14微米的矽質元件，猶如微型能量儲存單元，能向振盪器提供恆定的能量脈衝。刀片在儲存並釋放固定能量（少於1毫焦耳）後，便會從一個位置翻轉至另一個位置。

它與擒縱機構的區別在於，恆力裝置（即彎曲葉片）是擒縱機構本身的一部分，能直接向擺輪提供動力，無需中間齒輪。此外，恆力並非在一段時間內持續提供，而是隨著葉片的每次彈開而釋放，也就是說，每次擺動都會獲得一次動力。

這是恆定擒縱機構及其擒縱彈簧的早期版本。這個由單晶矽製成的單一組件，具備確保其精準定位的框架、受屈曲約束限制的葉片，以及與上鍊槓同軸轉動的衝力槓——該衝力槓會向擺輪提供恆定的衝力。在近期推出的新型擒縱機構中，雅典錶亦善用矽質扁平游絲所賦予的潛力，設計出「雅典錶錨式擒縱機構」，並為擺輪提供恆定的驅動力。

自動上鍊如果說自動上鍊正是提供恆定動力的最簡單解決方案呢？佩戴自動腕錶時，錶機便會持續上鍊。其主發條的設計能在發條盒內產生滑動，藉此防止過度上鍊，並讓腕錶在最佳工作範圍內運作。為了完善這套直觀的系統，理查米勒甚至開發了一項概念設計，當動力儲存達到足夠水平時，擺陀便會自動脫離。儘管如此，手動上鍊腕錶仍散發著獨特的魅力。畢竟，正如喬治·丹尼爾斯（George Daniels）在其著作《製錶術》（Watchmaking）中所闡述的：「在現代擒縱機構的普遍應用中，腕錶的發力與調校方法已消除了對恆力裝置的需求。」不知為何，螺旋桿、上鍊輪或恆力擒縱機構不再像過去那樣不可或缺，這反而更增添了它們的魅力。