擒纵系统 - TAG HEUER豪雅 - 波与磁力学理论在腕表微调上的应用

TAG Heuer豪雅首次将新方法引入机械表微调系统。

 MIKROGIRDER腕表

那是1747年，距离托马斯·马基将杠杆擒纵引入便携式钟表还有10年。著名的法国数学家和百科全书编纂者Jean le Rond d’Alembert让·勒朗·达朗贝尔在同年发表了关于“振动弦”的理论。它究竟是什么？在数学领域，这个理论是首个波动方程。它描述了“波动值在时间与空间上的变化”，例如一段开始振动的弦。或者，再举一个更广为人知的例子，这个程式可以用来测量一列士兵齐步通过一座桥时所产生的波效应。受这种波影响，桥梁开始有规律地振动，可能导致整座桥的毁坏。但这个方程式又与机械制表业有什么联系呢？

尽管在很长一段时间内达朗贝尔的理论并未得到实际应用，但它最终在土木工程领域发挥了重要作用。

直到2012年，豪雅的研发总监Guy Semon盖伊·塞蒙开始将这一理论应用到制表业中。

简单回顾

在到达这一阶段之前，我们需要简单回顾一下过去。

一切开始于2003年，当时豪雅购买了Jean-François Ruchonnet的V4“概念表”方案。但开发和生产这种使用传送带而不是传统齿轮传动链的新型腕表，需要使用一些制表业从未尝试过的知识和特殊技能。在决定无论如何都要生产并发售这款前卫的产品之后，豪雅咨询了汽车业、航天工业和其它尖端技术领域的顾问。这也就解释了法国国防部前雇员，同时也是物理学家、数学家、工程师和大学讲师的盖伊·塞蒙与豪雅建立起联系的原因。这正值2004年。在2007年，豪雅正式邀请盖伊·塞蒙加盟，来建立名符其实的研发部门。当时的首席执行官Jean-Christophe Babin对品牌的研发树立了非常具有创新意义的目标，这也使豪雅超越传统制表技术，在手表精度与计时性能的技术改良领域声名大噪。

游丝摆轮系统的内在局限

盖伊·塞蒙用理论、数学和物理等有别于传统制表人使用的工具开始工作。
他很快发现，由Christiaan Huygens克里斯蒂安·惠更斯在1675年发明，并由托马斯·马基在一个世纪之后改良的传统摆轮和游丝配对，在频率增强时有很大的局限性，难以测量极短的时间间隔。

在2011的Baselworld上，豪雅展示了频率达到500赫兹的Mikrotimer Flying 1000，换言之每小时振动360万次的天文数字。以此频率，腕表可以测量和显示精确至千分之一秒！

为了取得这一举世瞩目的成就，豪雅继续在双擒纵机构技术方面的研究。同年推出的Carrera Mikrograph因为有两个不同的微调系统，可显示至百分之一秒。其时间显示功能振动频率为每小时28800次，而能显示1/100秒的计时码表功能每小时振荡36万次，或50赫兹。

现在，豪雅产品的频率已达到500赫兹，秒针可以达到每秒10满转。我们开始超越惠更斯派制表的限制：擒纵机构不再需要摆轮，因为在高速状态下游丝会十分僵硬（只比普通情况多4圈或僵硬10倍），以至于摆轮不再需要回摆。

但是随着这个没有平衡摆的机芯，我们也达到了物理极限：杠杆的运作开始困难，调节装置饱和，发条盒与擒纵轮之间的传送失去协调，每次脉冲所需的能量已经不足。结果就是活力与能力之间不平衡。对盖伊·塞蒙来说，这成为寻找新型调速技术的出发点。

达朗贝尔重返舞台

理论上讲，达朗贝尔的“完美振动线”是有着无限灵活性、持久的张力、理想的弹性，并且不受任何重力影响的波。这是一种等时的振动波。

在应用中，需要先找到与理论描述的这种完美的波最接近的实例。这个原理看上去似乎足够简单，是将三个“振动梁”结合起来：一个与擒纵叉结合的励磁振梁，组成振荡器很薄的“梁”，连接附属机构的也可以称之为“振梁”。振荡器的精妙之处在于它与“完美波动”理论中描述的情景极其相似，以完美定义的频率来振动。它可以用偏心轮来加长或缩短振动梁，就像吉他调弦一样。这种全新的非惠更斯型振荡器因此也是线型－就像绳子一样！

但是，与每种经典机芯一样，机械动力是通过非恒定方式传递到擒纵的小齿轮。为了尽可能弥补这种不稳定能量传输方式带来的问题，擒纵机构的角度必须尽可能地缩小。因此擒纵轮的齿数是其它的两倍，40个，而不是20个。因此，“休息”的传统功能用来限制速度和防止运转失控。擒纵轮和擒纵叉接触点的几何形状也重新设计来弥补上述缺陷。

为了实现能量的惯性传输，设计出了一个“将连接擒纵与轮子的小齿轮脱钩的系统”，以游丝的形状在带有载荷的传动中使用，能在下降时储备势能，使“独力传动时擒纵轮的加速度达到最大”。励磁器首先将动能转化为势能，再用势能驱动耦合振梁进行振动。势能驱动会产生强大的动力，这么大的能量可以使“振荡梁”到达极限位置，极限位置产生的位移由振动模式决定，从而获得我们需要的频率。

但是整个系统几乎没有惯性，产生的位移也很小（因为它振动速度很高，振幅很小），所以与其它类型的游丝和摆轮微调系统相比，这个系统消耗的能量很少。另一个优点，就是频率高，因为动力储备时间可以更长。

适用于测量极短时间间隔的微调系统

配备有此种振荡器的豪雅 Mikrogirder概念表每小时振动频率为惊人的720万次，或1000 赫兹，可测量1/2000秒（豪雅更喜欢称之为5/10000秒）。由于拥有双擒纵系统，负责时间显示的“常速”惠更斯链条与测量1/2000秒的“高速”计时码表链条相互独立各不干扰。

如何读取1/100、1/1000和2/1000秒这些时间呢？它们由每秒转动20圈的中央指针来显示，可以通过环绕表圈的刻度来读取具体数值。12点位置的第二个刻度盘被分成每三秒一组，而3点位置则显示十分之一秒。

这款划时代的手表有望突破十项专利。未来将会说明振动梁能否取代其它系统，成为最先进精确精密计时的佼佼者。

理论上说，这个系统适用于所有频率，但低于50赫兹时有受阻的倾向。所以这种新型微调系统尽管可以完美测量极短时间间隔，但却不太适用于时分秒的简单显示。因此，它不大可能取代老牌的“瑞士”杠杆式擒纵。

 PENDULUM钟摆概念腕表

2010年，豪雅与盖伊·塞蒙的团队展示了另一种完全不同的调速机构。这个调速机构去掉了传统游丝系统，替代以等效的磁性物质，以豪雅Pendulum钟摆概念腕表面世。

在此，擒纵轮和杠杆得到保留，但系统中心的游丝摆轮系统被磁定子和转子取代。

比“Girder”更前卫的是，新系统摒弃传统制表技术，转而运用物理学理论，甚至接近于量子力学的范畴。

定子与转子打头阵

整套装置用四个磁体代替游丝，其中的两个磁体磁极相反，并仅在一个方向磁化。二者面对面放置在表盘上，由软铁固定，形成一个法拉第笼。与摆轮同轴的中心处固定着一个传统夹板，另外两个磁体则放在一个旋转的装置上，这样它们的磁极交替变换，就能在两侧形成磁场。为使这一切成立，所用磁体必须形状特殊，使形成的磁力“直线化”（因为磁体的一大问题是磁性会随距离的增加而急速减少，）而且需要小心地排列，以便在三维空间里加以控制，确保提供足够的线性转矩使摆轮可以交替振动。

理论上讲，这种系统的优势十分明显：磁场对重力和震动并不敏感，而传统游丝在这两方面存在先天不足。除此之外这个装置装配简单，可以让制表者更轻松地工作。不过，它还是有一个大问题：磁场对温度很敏感。问题就是如何制造一种精确度尽可能不受温度影响的磁性物质。从某方面来看，豪雅团队的开发人员正面临着与上世纪二十年代的游丝装置相同的问题，那时Guillaume（纪尧姆，1920年诺贝尔物理奖获得者）还没发明出恒弹性镍铬钢材。但如果这个主要挑战，以及有关磁体能量密度、产品生产、产品实际尺寸和线性转矩与振幅之间的函数关系可以得到解决，那么从理论上来讲，钟摆概念的6赫兹、43200振频/小时、无损振动和无超负荷频率调整的特点，无疑会为它的精度和性能带来巨大优势。

在量子力学的边缘

运用磁力学、空间几何学和遗传算法的知识，这些问题似乎在三年后得到了解答。

在这里我们很难继续描述研究的细节，因为其中的概念过为专业。简而言之，作为替代的磁体是由含有钴、钐和钆等元素的铁磁性合金制成，其中钆作为稀土元素会表现出一些特性，比如它会成为“调整磁场的变量”。换句话说，正确使用钆元素可避免磁场受温度变化的干扰，因为合金材料就像盾牌一样吸收了温度的影响。

而“线性转矩和振幅的函数关系”是要克服的另一个障碍。

如果磁体产生的磁场可以保持恒定，则转子产生的转矩将只由振幅决定，但在钟摆平面内，磁场产生的磁力线无法保持独立，因为它们还会接触到周围空间，这部分“铁损”表现为一种磁摩擦。通过建模可知，“必须采用磁场几何学的办法”，这样的话磁力线会成为完美直线，然后“被引导进磁场平面”。只有通过这种办法，才能在给定振幅下于摆轮轴心获得恒定机械转矩。相关几何学研究显示，复杂的遗传算法通过连续的拓扑优化，可以用来实现转矩的线性化。

最终结论显示，钟摆系统可取得与使用游丝相同的效果，但目前它还未达到瑞士官方天文台COSC的要求。COSC要求需要系统对以温差测量的每日气温变化率敏感。具体地讲，瑞士官方天文台COSC标准要求0.6秒/日/ºC，而豪雅钟摆概念表今年在巴塞尔世界钟表展发布的数据是1秒/日/ºC。它已经是集机械、数学和物理成果的完美体现。

擒纵系统

介绍

OMEGA欧米茄－乔治·丹尼尔的遗产

来源：Europa Star名表世界2013年8月/9月印刷版