擒縱系統 - TAG HEUER豪雅 - 波與磁力學理論在腕錶微調上的應用

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8月 2013

TAG Heuer豪雅首次將新方法引入機械錶微調系統。

 MIKROGIRDER腕錶

那是1747年,距離托馬斯·馬基將槓桿擒縱引入便攜式鐘錶還有10年。著名的法國數學家和百科全書編纂者Jean le Rond d』Alembert讓·勒朗·達朗貝爾在同年發表了關於「振動弦」的理論。它究竟是什麼?在數學領域,這個理論是首個波動方程。它描述了「波動值在時間與空間上的變化」,例如一段開始振動的弦。或者,再舉一個更廣為人知的例子,這個程式可以用來測量一列士兵齊步通過一座橋時所產生的波效應。受這種波影響,橋梁開始有規律地振動,可能導致整座橋的毀壞。但這個方程式又與機械制表業有什麼聯繫呢?

Guy Semon
Guy Semon

儘管在很長一段時間內達朗貝爾的理論並未得到實際應用,但它最終在土木工程領域發揮了重要作用。

直到2012年,豪雅的研發總監Guy Semon蓋伊·塞蒙開始將這一理論應用到制表業中。

簡單回顧

在到達這一階段之前,我們需要簡單回顧一下過去。

一切開始於2003年,當時豪雅購買了Jean-François Ruchonnet的V4「概念表」方案。但開發和生產這種使用傳送帶而不是傳統齒輪傳動鏈的新型腕錶,需要使用一些制表業從未嘗試過的知識和特殊技能。在決定無論如何都要生產並發售這款前衛的產品之後,豪雅諮詢了汽車業、航天工業和其它尖端技術領域的顧問。這也就解釋了法國國防部前雇員,同時也是物理學家、數學家、工程師和大學講師的蓋伊·塞蒙與豪雅建立起聯繫的原因。這正值2004年。在2007年,豪雅正式邀請蓋伊·塞蒙加盟,來建立名符其實的研發部門。當時的首席執行官Jean-Christophe Babin對品牌的研發樹立了非常具有創新意義的目標,這也使豪雅超越傳統制表技術,在手錶精度與計時性能的技術改良領域聲名大噪。

遊絲擺輪系統的內在局限

蓋伊·塞蒙用理論、數學和物理等有別於傳統制表人使用的工具開始工作。
他很快發現,由Christiaan Huygens克里斯蒂安·惠更斯在1675年發明,並由托馬斯·馬基在一個世紀之後改良的傳統擺輪和遊絲配對,在頻率增強時有很大的局限性,難以測量極短的時間間隔。

在2011的Baselworld上,豪雅展示了頻率達到500赫茲的Mikrotimer Flying 1000,換言之每小時振動360萬次的天文數字。以此頻率,腕錶可以測量和顯示精確至千分之一秒!

為了取得這一舉世矚目的成就,豪雅繼續在雙擒縱機構技術方面的研究。同年推出的Carrera Mikrograph因為有兩個不同的微調系統,可顯示至百分之一秒。其時間顯示功能振動頻率為每小時28800次,而能顯示1/100秒的計時碼錶功能每小時振盪36萬次,或50赫茲。

現在,豪雅產品的頻率已達到500赫茲,秒針可以達到每秒10滿轉。我們開始超越惠更斯派制表的限制:擒縱機構不再需要擺輪,因為在高速狀態下遊絲會十分僵硬(只比普通情況多4圈或僵硬10倍),以至於擺輪不再需要回擺。

但是隨着這個沒有平衡擺的機芯,我們也達到了物理極限:槓桿的運作開始困難,調節裝置飽和,發條盒與擒縱輪之間的傳送失去協調,每次脈衝所需的能量已經不足。結果就是活力與能力之間不平衡。對蓋伊·塞蒙來說,這成為尋找新型調速技術的出發點。

達朗貝爾重返舞台

理論上講,達朗貝爾的「完美振動線」是有着無限靈活性、持久的張力、理想的彈性,並且不受任何重力影響的波。這是一種等時的振動波。

在應用中,需要先找到與理論描述的這種完美的波最接近的實例。這個原理看上去似乎足夠簡單,是將三個「振動梁」結合起來:一個與擒縱叉結合的勵磁振梁,組成振盪器很薄的「梁」,連接附屬機構的也可以稱之為「振梁」。振盪器的精妙之處在於它與「完美波動」理論中描述的情景極其相似,以完美定義的頻率來振動。它可以用偏心輪來加長或縮短振動梁,就像吉他調弦一樣。這種全新的非惠更斯型振盪器因此也是線型-就像繩子一樣!

The MIKROGIRDER 5/10000 微调机构
The MIKROGIRDER 5/10000 微調機構

但是,與每種經典機芯一樣,機械動力是通過非恆定方式傳遞到擒縱的小齒輪。為了儘可能彌補這種不穩定能量傳輸方式帶來的問題,擒縱機構的角度必須儘可能地縮小。因此擒縱輪的齒數是其它的兩倍,40個,而不是20個。因此,「休息」的傳統功能用來限制速度和防止運轉失控。擒縱輪和擒縱叉接觸點的幾何形狀也重新設計來彌補上述缺陷。

為了實現能量的慣性傳輸,設計出了一個「將連接擒縱與輪子的小齒輪脫鈎的系統」,以遊絲的形狀在帶有載荷的傳動中使用,能在下降時儲備勢能,使「獨力傳動時擒縱輪的加速度達到最大」。勵磁器首先將動能轉化為勢能,再用勢能驅動耦合振梁進行振動。勢能驅動會產生強大的動力,這麼大的能量可以使「振盪梁」到達極限位置,極限位置產生的位移由振動模式決定,從而獲得我們需要的頻率。

但是整個系統幾乎沒有慣性,產生的位移也很小(因為它振動速度很高,振幅很小),所以與其它類型的遊絲和擺輪微調系統相比,這個系統消耗的能量很少。另一個優點,就是頻率高,因為動力儲備時間可以更長。

適用於測量極短時間間隔的微調系統

配備有此種振盪器的豪雅 Mikrogirder概念表每小時振動頻率為驚人的720萬次,或1000 赫茲,可測量1/2000秒(豪雅更喜歡稱之為5/10000秒)。由於擁有雙擒縱系統,負責時間顯示的「常速」惠更斯鏈條與測量1/2000秒的「高速」計時碼錶鏈條相互獨立各不干擾。

The TAG HEUER MIKROGIRDER
The TAG HEUER MIKROGIRDER

如何讀取1/100、1/1000和2/1000秒這些時間呢?它們由每秒轉動20圈的中央指針來顯示,可以通過環繞表圈的刻度來讀取具體數值。12點位置的第二個刻度盤被分成每三秒一組,而3點位置則顯示十分之一秒。

這款劃時代的手錶有望突破十項專利。未來將會說明振動梁能否取代其它系統,成為最先進精確精密計時的佼佼者。

理論上說,這個系統適用於所有頻率,但低於50赫茲時有受阻的傾向。所以這種新型微調系統儘管可以完美測量極短時間間隔,但卻不太適用於時分秒的簡單顯示。因此,它不大可能取代老牌的「瑞士」槓桿式擒縱。

 PENDULUM鐘擺概念腕錶

2010年,豪雅與蓋伊·塞蒙的團隊展示了另一種完全不同的調速機構。這個調速機構去掉了傳統遊絲系統,替代以等效的磁性物質,以豪雅Pendulum鐘擺概念腕錶面世。

在此,擒縱輪和槓桿得到保留,但系統中心的遊絲擺輪系統被磁定子和轉子取代。

比「Girder」更前衛的是,新系統摒棄傳統制表技術,轉而運用物理學理論,甚至接近於量子力學的範疇。

定子與轉子打頭陣

整套裝置用四個磁體代替遊絲,其中的兩個磁體磁極相反,並僅在一個方向磁化。二者面對面放置在錶盤上,由軟鐵固定,形成一個法拉第籠。與擺輪同軸的中心處固定着一個傳統夾板,另外兩個磁體則放在一個旋轉的裝置上,這樣它們的磁極交替變換,就能在兩側形成磁場。為使這一切成立,所用磁體必須形狀特殊,使形成的磁力「直線化」(因為磁體的一大問題是磁性會隨距離的增加而急速減少,)而且需要小心地排列,以便在三維空間裡加以控制,確保提供足夠的線性轉矩使擺輪可以交替振動。

理論上講,這種系統的優勢十分明顯:磁場對重力和震動並不敏感,而傳統遊絲在這兩方面存在先天不足。除此之外這個裝置裝配簡單,可以讓制表者更輕鬆地工作。不過,它還是有一個大問題:磁場對溫度很敏感。問題就是如何製造一種精確度儘可能不受溫度影響的磁性物質。從某方面來看,豪雅團隊的開發人員正面臨着與上世紀二十年代的遊絲裝置相同的問題,那時Guillaume(紀堯姆,1920年諾貝爾物理獎獲得者)還沒發明出恆彈性鎳鉻鋼材。但如果這個主要挑戰,以及有關磁體能量密度、產品生產、產品實際尺寸和線性轉矩與振幅之間的函數關係可以得到解決,那麼從理論上來講,鐘擺概念的6赫茲、43200振頻/小時、無損振動和無超負荷頻率調整的特點,無疑會為它的精度和性能帶來巨大優勢。

在量子力學的邊緣

運用磁力學、空間幾何學和遺傳算法的知識,這些問題似乎在三年後得到了解答。

在這裡我們很難繼續描述研究的細節,因為其中的概念過為專業。簡而言之,作為替代的磁體是由含有鈷、釤和釓等元素的鐵磁性合金製成,其中釓作為稀土元素會表現出一些特性,比如它會成為「調整磁場的變量」。換句話說,正確使用釓元素可避免磁場受溫度變化的干擾,因為合金材料就像盾牌一樣吸收了溫度的影響。

豪雅卡莱拉Carrera MikroPendulum
豪雅卡萊拉Carrera MikroPendulum
由371個零件組成,雙鏈平台,平衡擺輪系統(每小時振動2.88萬次,或4赫茲,42小時動力存儲),計時碼錶功能搭載不含遊絲的鐘擺系統(每小時振動36萬次,即50赫茲,90分鐘動力存儲)。通過錶冠給計時碼錶上弦:這款腕錶搭載由振盪擺驅動的自動機芯,獲得瑞士官方天文台COSC認證。45毫米的表殼由噴砂、磨砂和拋光的鈦材製成,鐘擺部分展示在9點位置,3點處是分鐘計時器,秒鐘計時器在6點位置,動力儲備顯示則在12點位置。百分之一秒由錶盤中央一枚紅色的掃秒秒針顯示,並以碳黑色琺瑯上的儀表測量。高科技的錶帶為手工縫製的炭灰色鱷魚皮,搭配黑色鈦合金摺疊扣,備顯運動時尚感。

而「線性轉矩和振幅的函數關係」是要克服的另一個障礙。

如果磁體產生的磁場可以保持恆定,則轉子產生的轉矩將只由振幅決定,但在鐘擺平面內,磁場產生的磁力線無法保持獨立,因為它們還會接觸到周圍空間,這部分「鐵損」表現為一種磁摩擦。通過建模可知,「必須採用磁場幾何學的辦法」,這樣的話磁力線會成為完美直線,然後「被引導進磁場平面」。只有通過這種辦法,才能在給定振幅下於擺輪軸心獲得恆定機械轉矩。相關幾何學研究顯示,複雜的遺傳算法通過連續的拓撲優化,可以用來實現轉矩的線性化。

豪雅卡莱拉Carrera MikroPendulums
豪雅卡萊拉Carrera MikroPendulums
由兩個磁性鐘擺取代遊絲,一個報時,一個計時碼錶。整塊表共有454個零件,報時鏈振動為12赫茲,計時碼錶鏈為50赫茲(並有60分鐘動力儲備)。它擁有世界最快的陀飛輪計時器,可測百分之一秒,每小時振動36萬次,每分鐘旋轉12次。表殼由具有生物相容性的鉻和鈷合金製成,這種材料比航天和外科手術用的鈦合金還要堅硬。表殼設計與秒表設計的布置相似,在12點位置處有皇冠造型,此造型來自2012 Aiguille d』Or冠軍豪雅卡萊拉Mikrogirder和Carrera50周年紀念款Jack Heuer。兩個陀飛輪旋轉機構及其堅固的玫瑰金橋(18-cart 5N)可以透過精心打磨的炭黑錶盤欣賞到。12點處的手工鑲嵌的「100」標誌也是由玫瑰金製成。分鐘計時器在12點處,秒計時器在3點處,動力儲備顯示在9點處。百分之一秒的測量儀在銀制琺瑯上。錶帶為炭灰色手縫鱷魚皮,高科技風格的設計,手感柔軟。

最終結論顯示,鐘擺系統可取得與使用遊絲相同的效果,但目前它還未達到瑞士官方天文台COSC的要求。COSC要求需要系統對以溫差測量的每日氣溫變化率敏感。具體地講,瑞士官方天文台COSC標準要求0.6秒/日/ºC,而豪雅鐘擺概念表今年在巴塞爾世界鐘錶展發布的數據是1秒/日/ºC。它已經是集機械、數學和物理成果的完美體現。

擒縱系統

介紹

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來源:Europa Star名表世界2013年8月/9月印刷版

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