钟表世界的硅革命

tintin8 · 发表于 2009-7-28 11:30

对于硅在制表业的应用，我们听到的越来越多。这种材料很有前景，因为它特有的属性，它表面的条件以及对润滑油的摆脱。硅还表现出造型上的优势，可用于制造新型的擒纵机构。由Girard- Perregaux推出的Constant Escapement就是在手表中利用这种材料的最好实证。我们来看一看这场硅的革命。

硅是一种在钟表制造中相对较新的材料-过去几年内才投入使用，它仍在继续证明自己的潜质。2005年，Patek Philippe百达翡丽推出了单晶体硅擒纵轮，首次将它变成关注的焦点。（单晶体硅擒纵轮是与几家研究中心合作开发，合作方包括洛桑的EFL联邦理工大学，Neuchâtel纽沙特尔大学的微型技术学院，瑞士电子和微技术中心以及COMLAB 实验室）。

这种硬度极高的材料（1100 Vickers，钢仅为700 Vickers），而且耐腐蚀、防磁化，重量轻，以及低密度（仅2.33克/立方厘米，钢为8克/立方厘米），最初被选中是缘于它的磨擦学特性，因为机械制表的主要目标之一就是不使用润滑油。而硅的物理特性和完美的表面状态无需润滑油。这一点对于机芯的最敏感的部位-擒纵机构来说，由为重要。
新的形状

除了无需润滑这一重要优势之外，在制造硅质零件中采用的特殊技术（与影印平版印刷法中采用的流程相似-参见DRIE的工具条）也使得制表师能够从一开始就重新设计这些零件的形状。

Patek Philippe百达翡丽2006年的第二项发明Spiromax®，是用Silinvar®制成的游丝。这种以硅基材料的专利技术通过真空氧化法来补偿温度变差而得到，是与Swatch Group斯沃其集团以及Rolex劳力士一起联合投资进行研究的成果。它具有完美的同中心特性（游丝以自己的中心对称地膨胀和收缩），其终端曲线造就了这种特性。这种曲线不是向上转动，而在外部终端形成一个特别粗的区域。

新的布局包括一个内部平衡杆和立柱附件，这也带来了另一个优势：不受温度变化、磁场存在或是机芯位置影响的完美同步振动。它比带有摆轮游丝末圈的Breguet宝玑式游丝薄三分之一，因此在超薄形机芯中的安装更为容易。

Patek Philippe百达翡丽仍在继续以硅基零件形状的研发，今年又推出了另一项新发明Pulsomax®擒纵机构。Pulsomax®的基本原理与传统的瑞士杠杆擒纵机构相似，唯一的不同是它通过使用一种新型独有的几何结构形状来优化机构的功能，从而改善了机构的性能。新的杠杆采用DRIE等离子蚀刻术生产，这种方式让在第二层上加工Silinvar®零件成为可能，不再需要红宝石棘爪。它们被杠杆本身被替代，杠杆的几何结构被重新设计过（两个棘爪的形状都各不相同）。这种杠杆与新的Silinvar®擒纵轮一起配合工作，擒纵轮也重新设计过，从前的二十齿变成了十六齿。

Patek Philippe百达翡丽的制表师创造的成果是，新杠杆能够将更多的能量传递给游丝，因此提高了等时性，从而优化效率。（Patek Philippe百达翡丽声称效率提高了百分之三十，这将意味着具有四十八小时能量存贮的手表现在能运行六十二小时了。）其他的优点包括在性能上，调校上，以及机芯的可靠性上，明显的可以量化的提升，以及长期不再需要润滑油。

Ulysse Nardin，真正的首创

Patek Philippe百达翡丽并不是在硅领域做出努力的唯一品牌。Ulysse Nardin在2000年就是一个真正的先锋，推出了硅制的Dual Direct Escapement的第一只样表。2002年，该品牌用人造钻石制造了第一只游丝和第一只擒纵机构，采用与选择性刻蚀技术相同的方法。但是在这个案例中，刻蚀技术并不是在一个单晶体硅芯片上进行的，而是在一个单晶体钻石芯片上。

Ulysse Nardin的这些创意在2005年得以面市，应用在一款名为Freak28,800 V/h Diamond Heart的手表中。这只手表装配了钻石制成的Dual Ulysse擒纵机构。Freak的擒纵机构是由Ludwig Oechslin为Ulysse Nardin开发的。十年的研发就是为了在2001年的巴塞尔展会上的亮相。正如Oechslin所说，Freak的擒纵机构是“一小时的旋转木马，机芯每小时将旋转一次。所有的零件都在外摆在线，除了承载整个手表的底部的发条盒，而且发条盒保证了八天的工作能量储备。机芯被表底的表圈缠绕着，时间的设置是通过表上部的表圈实现的。其目标是使得擒纵机构比普通杠杆式擒纵机构更简单，更可靠。它的成功应归功于于整体上对称的擒纵机构：两个轮子为一个微型的中心提供相同的推力。从理论上来说，相对于杠杆擒纵机构的复杂角度来说，这一结构是非常简单的。磨擦力也非常小，可以不需要润滑油。我们使用了硅基材料来制造擒纵机构，因为我们需要一种非常硬而轻质的材料，以减小惯量。”

今年，Ulysse Nardin在大量的研究开发工作之后，提出了一个更为创新的概念Innovision。这只手表具有十项创新成果，几乎都是与硅基技术有关的。无论硅的广泛应用的价值何在，在Freak的擒纵机构中的应用毫无疑问是非常关键的。这一擒纵机构从根本上与Patek Philippe百达翡丽的创意是不同的，后者的创新是基于瑞士杠杆式擒纵机构。Freak结构理论上也可以使用传统材料来实现，但效能可能较差。

Ulysse Nardin 推出的Innovision

Ulysse Nardi的Innovision是一只手表原型，包含了十项技术创新，其中大多采用DRIE和LIGA技术生产，包括：

- 硅轴承（替代红宝石轴承，而且无需润滑油）
- 硅擒纵机构夹板（高精度的定位孔和低磨擦）
- 硅及镍夹板（精度，低磨擦，以及机械强度）
- 硅吸震器（利用硅的弹性）
- 硅游丝（掌握生产的决窍）
- 采用DRIE工艺在一个零件上实现滚轮和滚针
- 擒纵机构的锁止叉和安全销是一个部件（DRIE技术）
- 硅擒纵轮和轮轴设置在两个杠杆的同一个零件上这些创新还要加上无润滑的球形轴承上的发条盒以及硅质双重Ulysse擒纵机构。

对Ulysse Nardin来说，这些技术的目标关键在于减少润滑，利用这种工艺的高精度，证明两面加工或双层加工的方法的可能，以及使用更多的DRIE和LIGA技术。

来自Girard-Perregaux 芝柏的Constant Escapement

硅技术领域迄今为止最先进的代表是Constant Escapement，Girard-Perregaux芝柏将这一成果呈现在今年的SIHH上。如果没有硅材料的特有属性，特别是它的弹性，这一新型的擒纵机构将不可能成功。它的弹性使得硅制的微型结构能够在具有高硬度的同时保持其柔韧性，这也使得制表师得以打破机械表制造中的限制，实现那些在不久前还被认为是不可能的效果。

此刻，Constant Escapement仍在测试阶段，但Girard-Perregaux芝柏计划在两年内投入商业运作。让我们来了解一下这个特殊的产物的功能。

它的诞生有一点有趣，与许多其它发明相似，这一发明也大部分缘于“幸运”。Girard-Perregaux芝柏的研发部经理Nicolas Dehon有一天坐火车旅行，在车上他随意地玩着车票。他将这张小张片在手指里弯来弯去，突然，一个要发明一种擒纵机构的念头闯入他的脑中，这种新的擒纵机构应该没有游丝，而是有一个极薄的金属片，能够交替地将压力一一传递下去，就象车票先向一个方向弯曲，接着弯向另一个方向。举一个例子更好地说明他的工作原理：回想你在童年时代的一种玩具，你按压一个弯曲的金属带能使它跳起。当这条金属带改变位置时，它的反应就象弹簧一样，推动玩具前进。唯一能够使 Dehon的想法成为现实的材料就是硅。Girard-Perregaux芝柏和其所属的Sowind集团的整个研究开发部门因此全部投入到这一项目中。

比人类头发丝还薄的金属片

这个金属片比人类毛发还纤细。其横截面是方矩形的；厚度仅二十微米；宽度为十分之一毫米；而长度约为二十毫米。这个金属片是由单晶体硅（采用DRIE生产方式制造）制成的三片式椭圆形零件的一部分，单晶硅支持着金属片及推动杠杆。这个系统就是擒纵机构的弹簧。

这个弹簧的功能相当于一个微型的能量存贮器。“每次振荡器振动时，他存贮能量，然后释放微量的能量-小于一微焦。这一能量存贮在擒纵机构的弹簧中，使得他从稳态弯曲到亚稳态，这时他拥有比稳态更高的能量。从前一种状态向后一种状态转化的过程释放出能量，这些能量用于维持游丝的振幅从定常态址到能量存完成。”该品牌的发言人解释道。

这种“恒定”的能量通过带有两个不同的杠杆臂的推动杠杆传递给擒纵轮。一个臂带有保护销(1)，而另一个臂控制着两对红宝石圆盘钉(2)，两者之间放置着小型的擒纵弹****。推动杠杆是用通过LIGA技术（参见关于LIGA的工具条）采用纯镍制成。两个擒纵轮有六齿，也用硅制成，为了解决磨擦的问题，但他们也可以用纯镍或是用其他传统金属制成。至于通过传递能量改变金属片的上弦杠杆，也是用纯镍制成的，还镀上了黄金。

根据Girard-Perregaux芝柏提供的研究结果。这种新型的擒纵机构“用持续的能量传递驱动力”，因此提供了“恒定的振幅和频率”，而与他接收到的能量的变化无关。（回到跳动的玩具这一例子，以更大或更小的力施加在玩具的金属片上并不会改变他跳起的幅度。）这种稳定性被进一步强化，因为与传统的杠杆擒纵机构一样，这种恒定的擒纵机构在每次振动中提供两次推动力。（见附图。）

Girard-Perregaux芝柏的终极目标是逐渐将这一创意整合到他的手表中，为手表提供绝对精密的计时性能。研发和测度工作将需要约两年的时间，之后这种擒纵机构才能投入到商业化应用。从美学的角度来说，他也开创了一个新的****，不仅是为将来的表盘设计可以更加开放地展示整个擒纵机构，从视角表现来说也是一个进步。由硅制成的完美的平面在传统的制表过程中是很难达到的。而且，他们还提供了非常独有的彩虹色。从不同的角度去看时会从土耳其蓝过渡到深紫。这一效果是由于硅上涂覆的氧化层的原因。在当代制表业中，硅真正是一个新的领域，这一点毫无疑问。

采用硅擒纵机构生产的Frdrique Constant’s Tourbillon

去年，Frdrique Constant推出了Heart Beat系列的又一款表，内部采用了硅擒纵轮。今年，这个日内瓦的品牌还推出了一只新的内部设计的陀飞轮表，也集成了同一只硅擒纵轮。这种创新技术的主要优势是为陀飞轮带来更大的能量效率，因为轮子的重量减轻而且磨擦减少。Frdrique Constant能在垂直和水平方向上达到三百度的振幅。而且，这种陀飞轮的振动频率是每小时四赫兹或是二万八千八百次每小时。

Extreme LAB, 另一个里程碑

Jaeger-LeCoultre积家的ExtremeLAB是第一只不需要任何润滑油的手表。它成功地将不同的材料结合在一起，并采用了不同的表面处理工艺，最终实现了这样的效果。但是在这只表内部，仅有擒纵轮是硅质的。而其它部件采用了一些新的几何形状设计，以及全系列的新型材料：

- 红宝石被一种碳氮化合物材料取代
- 支柱与枢轴以经二硫化钼处理过的轧制钢制成
- 彩盘用黑色的单晶体钻石制成
- 支柱的支点以二硫化钼处理
- 上弦和设时间的机构的组成零件以镍特氟纶（或是Nickel PTFE）处理
- 陶瓷球轴承确保摆锤的平滑运动
- 摆锤有一个最初的形状，而且是由两个截然不同的部件组成：连接件是用碳纤维制成，而各段是由铂铱合金制成（铂铱合金是已知的最重的无毒材料）
- 游丝用铂铱合金制成
- 陀飞轮的框架由镁铝合金制成

DRIE工艺

DRIE（深反应离子蚀刻）工艺是一种硅构零件的生产方法，与机加工，钻孔等传统方式完全不同，因为这种零件完全采用“照相”一样的方法加工而成。

需要生产的零件的图象被投射到一个圆形的硅芯片上，这张硅芯片直径一百毫米，仅0.5 毫米厚。这种尺寸的芯片可以生产250个齿轮。这种芯片由三层不同的硅组成，中间是分离层。当照片生成后，表面的感光层将被洗去，露出芯片上未暴露的部分。未涂漆的部分被蚀刻到分离层。硅质齿轮随之以各向同性晶体蚀刻释放。通过这一流程产生的产品只需要清洗一下表面即可。它们全都一模一样，不需平衡调整、中心定位或是抛光就可以使用。

DRIE工艺能够生产出特殊形状、微小尺寸而且高精度的产品。相比传统技术，生产公差可以减少一半。

LIGA工艺

LIGA（平版印刷，电镀和浇铸的德语缩写）是一种微型加工工艺，从二十世纪八十年代开始出现，是将平版印刷和电镀结合起来的一种工艺。它最初用于医学领域，这种“混合式”技术如今应用于生产高质量、完美表面工艺的微型零件，特别是无缺陷的机芯零件上。它还带来了各种零件在形状与功能上的创新的可能。Ulysse Nardin与Sigatec和Mimotec等公司一起为它的Innovision表开发了许多零件，都是采用DRIE 和LIGA工艺来生产的，以获得硅与镍的合金零件。

ZT- Pierre Maillard