二十世纪两项“昙花一现”的手表技术

文、图 / 鲁湘伯

二十世纪两项“昙花一现”的手表技术

文、图 / 鲁湘伯

自十五世纪末十六世纪初欧洲陆续出现能个人配戴的机械表（是德国的纽伦堡蛋早还是意大利颈项表先，几百来欧洲人一直争论不休）以来，全球制表业已走过了五百年的历史。在这五百年间，制表业先后出现了许多伟大的技术发明，如：1525年雅各布·泽赫（Jacob Zech）发明的“塔形轮缓释技术”（1680年英国制表师用金属链条代替绳索，将该技术应用于怀表。俗称“芝麻链”技术）；1675年克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）发明的摆轮游丝技术；1754年皮埃尔·勒·罗伊（Pierre Le Roy）发明的棘爪擒纵机构（叉瓦式擒纵机构的前身）；制表大师亚伯拉罕·路易·宝玑（Abrahan Louis Breguet）1790年发明的摆轮减震器和1801年发明的陀飞轮，等等。这些优秀技术发明以其强大的生命力，一直在世界制表工业领域中应用和发展至今。但在五百年的制表历史中，也有许多技术发明如同匆匆过客一般，只是昙花一现。本文要说的是二十世纪制表工业出现的两项“短命”技术发明。

电子摆轮游丝手表技术

了解机械表工作原理的人都知道，机械表机心的核心部件是摆轮游丝和擒纵机构（机械振荡器）。而摆轮摆动频率的高低是决定机械表走时精度最主要的因素：摆动频率越高机械表走时误差也越小。所以几百年来，世界各地的制表师们无不为提高机械表摆轮的摆动频率而孜孜不倦地探索着。进入二十世纪后，机械表摆频已能提高到接近极限的5赫兹（36000次/小时），由于摆轮摆动惯性的影响和摆轮金属材料强度等原因，继续大幅度提高机械表摆轮摆频已十分困难并且还会大大降低表的使用寿命，因此制表师们只好在其它技术路线上另辟蹊径。

1940年代出现的两项重要的电子技术发明——晶体三极管技术和纽扣电池技术的诞生，使得电子产品小型化和手表产品电子化成为可能。

图1-1：摆轮游丝电子手表机心结构示意图

图1-2：摆轮游丝电子手表电路图

1952年美国埃尔金（Elgin）公司发明手表电子摆轮技术，该技术用纽扣电池取代机械表的发条为手表动力能源，设计了一个晶体三极管电磁开关电路为电子摆轮驱动磁力线圈提供开关电流，在电磁力和游丝推拉作用下，驱使电子摆轮和擒纵机构工作（图1）。1955年瑞士埃勃什（Ebauches S.A.）手表厂利用手表电子摆轮技术量产出“第一代电子手表”——摆轮游丝电子手表。此后天美时（Timex）、西铁城（Citizen）等知名手表品牌也先后在市场上推出了自己的摆轮游丝电子手表（图2）。

1962年上海表带厂借鉴国外成品实物，率先在国内研制摆轮游丝电子表。1966年表带厂研制团队及设备并入上海圆珠笔厂，该厂后改名为上海手表六厂。上海手表六厂通过与上海浦江电表厂、复旦大学联合攻关，于1969年试制成功SD1型销钉式摆轮游丝电子表。1972年又改进出SD2型叉瓦式摆轮游丝电子表，该表被定名为“向阳牌”（图3），到1980年代初停产时，该厂共生产“向阳牌”摆轮游丝电子表约三万只，并且投放上海市场试销。

摆轮游丝电子表靠晶体三极管开关电路产生的开关电流工作，可以轻松实现当年高频机械表3—5赫兹的摆频，因此走时要比大多数机械表精准（走时误差在15秒/日左右）。但是摆轮游丝电子表仍然受摆轮游丝机构的束缚，在机心振荡器频率上很难有质的提升，其生产成本和销售价格也与机械表相当，没有明显的成本优势。

音叉电子手表技术

1953年美国宝路华（Bulova）表厂工程师马克思赫泽勒（Max Hetzel）设计出音叉电子表机心并申请了发明专利（图4）。1960年宝路华表厂开始量产“Bulova Accutron”音叉电子表（图5）。该表以音叉作震荡器，靠晶体三级管开关电路为音叉提供震荡动能，通过音叉300—720赫兹的高频震荡，推动棘爪和计数棘轮，实现手表1秒/日误差的精确计时。由于音叉电子手表问世时间晚于摆轮游丝电子手表，因此被业内称之为第二代电子表。音叉电子手表以其优良的计时精度，吸引了发达国家许多手表厂争相制造。其中“欧米茄”（OMEGA）公司生产的音叉电子表（图6）还被美国航天局（NASA）选定为美国登月计划航天员专用手表。

图4：音叉电子手表工作原理及电路示意图

1965年我国天津手表厂与天津大学联合试制出音叉电子表机心样机，定型为ST4型。1969年天津第二手表厂成立，ST4型机心音叉电子表试生产任务移交给该厂，并定型为“天津牌”DST2型音叉电子表（图7）。由于该表制造难度大且成本高，一直未能规模生产，直到1978年停产时，该型表只生产了千余只（图8）。

图7：国产“天津牌”音叉电子手表工作示意图（摘自相关钟表书籍）

图8：“天津牌”音叉电子手表

音叉电子表核心部件中以计数棘轮加工难度最大：该轮是一个有300个棘齿、直径只有2.4毫米的微型齿轮。要在这样一个7.5毫米圆周上加工出300个齿斜长25微米、齿高15微米的棘齿，以当时我国精密机械加工技术条件，其困难之大可想而知。由于音叉电子表核心零部件加工成品率极低，直接导致该表生产成本奇高。当年就有业内人士揶揄“天津牌”DST2型音叉电子表为“三间房”，意思是生产一只该表的成本足可以在天津当地买三间平房了。音叉电子表虽然在震荡器的高频震荡频率上有较大突破，但仍没改变机械震荡的模式，加之其生产成本也高于普通机械表，所以仍然不是制表师们想要的理想技术。

1967年是世界制表业划时代的一年，这一年日本精工公司和瑞士电子计时中心分别研制出石英电子表样机。石英电子表以石英晶体压电原理制成的石英电子震荡器为技术核心，可产生高达32768--4194304赫兹的高频电流驱动步进电机及手表指针系或液晶显示板工作。石英电子震荡器全电子震荡模式使手表的走时精度达到了前所未有的误差0.5--0.01秒/日水平。随着石英电子震荡器不断升级，其生产成本也直线下降。从1969年日本精工公司第一款商品化石英电子表面市到1980年代初世界手表业刮起“石英风暴”的十余年里，石英电子表凭借着巨大的技术优势和成本优势，将机械手表逐渐挤出了钟表实用器市场，同时也终结了摆轮游丝电子手表和音叉电子手表的生产历史。

摆轮游丝电子手表和音叉电子手表从发明到消亡不过存续了短短的三十余年的时间，与表业五百年历史相比不过是昙花一现。但作为手表电子化早期探索的技术先驱，无疑为后来的石英电子表在技术路径筛选上起到了垫脚石的作用。所以，摆轮游丝电子手表和音叉电子手表也无愧于“第一代电子表”、“第二代电子表”的历史称谓。