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工藝解碼／一「絲」不苟！鐘錶游絲350年簡史（上）
發佈時間2025.10.09 22:09 臺北時間
更新時間2025.10.18 18:40 臺北時間
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在Geneva Watch Days 2025上，TAG HEUER發表了革命性的「TH‑Carbonspring 前衛碳游絲」材質，並宣佈已進入預量產階段。在金屬、矽之外，提供了第三種游絲材質選項。
而若熟悉鐘錶史的人或許會注意到，今年正好是游絲發明滿350週年。1675 年荷蘭天文學家兼發明家--Christiaan Huygens公開了史上第一個採用游絲（但看起來或許更像個「鐵片蚊香卷」）的擒縱器草圖，讓鐘錶技術正式進入了游絲時代。可別小看游絲的發明，在那之前計時器都只能使用又大又吵的冠輪式擒縱（Crown-Wheel Escapement），而且僅限於塔鐘或座鐘上。游絲發明後讓計時器的小型化成為可能，並繼續衍生出懷錶、甚至是腕錶。
回顧游絲這350年來的進化，基本上就是一部冶金、數學、材料等人類近代科學的發展史。無數專業人士廢寢忘食的投入研發，只為了讓鐘錶走時更準個幾秒，對於航海、軍事和天文等許多領域都至關重要。其中的擇善固執，令人敬佩。
根據史書記載，Christiaan Huygens（1629-1695）當年所發明的游絲應該是採用鐵銅合金材質，為的是更容易加工為螺旋形。而隨著冶金技術的進步，彈性更好的鋼合金也被製錶師應用在游絲材質上。但無論是鐵銅合金或鋼合金，都有著對溫差敏感、金屬疲勞導致走時不準的問題，甚至還會生鏽！
而為了改善上述的疑難雜症，許多歷史上有名的製錶大師都曾經提出過解決方案。英國製錶師John Harrison（1693-1776）提出對游絲施以回火等熱處理消除金屬疲勞，附加的紅利則是具備防鏽效果的藍色氧化膜，也就是所謂的「藍鋼游絲」；同樣也是英國製錶師，John Arnold（1736-1799）則嘗試了鈀合金與黃金，並發現黃金對於溫差變化最不敏感，但無法熱處理；大師Abraham-Louis Breguet（1747-1823）挑戰以玻璃材質打造筒狀游絲，抗溫差能力更勝黃金，但易碎的先天劣勢使其無法普及。
游絲材質的改良看似遇到了瓶頸。但山不轉路轉。遊絲在高溫下會變軟，在低溫下會變硬，製錶師們發現要抵消這樣的溫差彈性變化，或許可以從「擺輪」上下手。法國製錶師Pierre Le Roy（1717-1785）發明了雙金屬溫差補償擺輪，其外層為黃銅、內層為鋼，用配重螺絲固定，並將擺輪環切割出兩個缺口，以應對其在熱脹冷縮時所產生的形狀變化。
其工作原理為在低溫下，外層黃銅的收縮速度比內層的鋼更快，導致擺輪輕微變形、並將較多顆側的配重螺絲外推，此時重心向外偏移並增加擺輪的慣性矩，抵消游絲硬化的影響；高溫時的運作則與前述剛好相反。雙金屬補償擺輪的效果確實不錯，測試時能在0°C與30°C良好運作，但中間值的表現卻不如預期。之後才知道是因為中間溫度誤差（Middle Temperature Error，MLE）效應的影響，簡單解釋就是內層鋼環的膨脹係數，並非與溫度成等比變化。
最近因為FERDINAND BERTHOUD Naissance d’Une Montre 3的發表，而廣為人知的瑞士物理學家Charles Édouard Guillaume（1861-1938）亦長期關注MLE現象，尤其是他成為國際度量衡局局長後，致力尋找一種更不受溫差影響的合金材質，以替代昂貴的鉑銥合金來打造度量衡標準原器（International Prototype）。他後來發現鎳含量至少為36-37%的鐵鎳合金的表現最佳，並將其命名為「Invar」，除了度量衡標準原器外，之後亦使用於打造雙金屬補償擺輪的內側金屬，有效的消除了MLE所造成的影響。
Guillaume的製錶師好友Paul Perret（1854-1904）也注意到了Invar的潛力。嘗試拿它來製作游絲後，Perret發現Invar游絲在高溫下竟然會變硬！跟傳統游絲完全相反。Guillaume在聽了Perret的報告後，於1912年開始在Invar中加入添加鉻和錳，目標是研發出可以在廣域溫度變化範圍內，仍可以維持固定彈性係數的游絲材質。
1920年Guillaume發明了Elinvar合金，由34%的鎳、54%的鐵以及12%的鉻組成，由這種合金做出來的Elinvar游絲不僅抗腐蝕且延展性佳，且其彈性係數可以在-50°C~+100°C的溫度範圍內保持不變，堪稱是當時游絲材質的革命！而也因為Elinvar游絲的優異性能，所以雙金屬補償擺輪的存在已無必要，鐘錶產業正式進入了單金屬擺輪時代。而Guillaume也因為他在解決MLE現象、並發明了Invar合金與Elinvar合金的貢獻，而獲得了1920年諾貝爾物理獎。
Elinvar游絲一開始使用於航海天文鐘，之後逐漸普及於全部的高級鐘錶、甚至是軍用鐘錶領域。不過隨著人類文明對於電氣製品的高度依賴，所產生的磁場連Elinvar游絲也開始招架不住，即便它具有一定的防磁性能。
※參考資料：
Watches by SJX，《Hairspring Materials and Evolution》
Quill & Pad，《Hairsprings: Origins, Progress, And (Dare I Say) Exciting Future》