精工掀起的“石英风暴”（资料贴）

本帖最后由 ppcspy 于 2024-7-28 07:02 编辑

1880年，雅克·居里（Jacques Curie）和皮埃尔·居里（Pierre Curie）兄弟在偶然间所发现石英晶体自身所具备的神奇的压电效应，而皮埃尔·居里（Pierre Curie）就是世界上最伟大的科学家之一居里夫人（Madam Curie）的丈夫。
https://s2.loli.net/2024/07/28/fXoniSRNQTp5dzg.jpg' />居里兄弟（Brothers Jacques Curie & Pierre Curie）
石英钟表的概念，最早诞生于1922年，当时美国的物理学家（也是工程师）沃尔特·盖顿·卡迪（Walter Guyton Cady）发表了关于石英晶体与电源相连时，会产生稳定振动的论文；而这种仅需少许电力便能够稳定运作的石英电子振荡器Crystal Oscillators，便成为石英钟表的基础。
https://s2.loli.net/2024/07/28/Ae3mtgNCoUuhcKv.jpg' />沃尔特·盖顿·卡迪（Walter Guyton Cady）1874年12月10日~1974年12月9日
https://s2.loli.net/2024/07/28/UHfMiBre83FSAvI.jpg' />石英电子振荡器原理图
在一战之前，石英晶振主要是用来改善无线电广播，因为在此之前，广播电台是通过调谐电路控制频率，这很容易发生频率偏离，造成相邻电台频道之间串线。1926年，石英晶振以优秀的频率精度及稳定性开始广泛应用于广播电台的频率控制应用，并同时受到大量无线电爱好者的欢迎。1927年，美国贝尔电话实验室的沃伦·马里森（Warren Marrison）和乔·霍顿（J. W. Horton），运用石英晶体振荡器制造了世界上第一台石英钟，经过修改之后，提供给贝尔电话系统进行报时服务。

https://s2.loli.net/2024/07/28/UNgk5FAQExtPW9p.jpg' />世界上第一台石英钟（1927年）
1928年，沃伦·马里森（Warren Marrison）研发了世界上第一台石英钟。不过当时所推出的石英钟，不仅体积惊人（需要如同衣柜的大小），同时耗电量也非常可观。直到第二次世界大战时，人们才将石英钟的体积缩小至牛奶箱的大小。

https://s2.loli.net/2024/07/28/N9nQ2FEa4fMBoGV.jpg' />瑞士生产的第一个石英钟（1948年）
https://s2.loli.net/2024/07/28/mQb524zwjrlEqoL.jpg' />欧洲第一台面向消费者的石英钟（1967年）
而受限于体积的缘故，当时人们都将石英钟当做官方的精密计时工具，因此，SEIKO在1958年替日本国家广播公司（NHK）制作了一台石英钟，就是为了规范NHK每小时的无线电定时信号。

https://s2.loli.net/2024/07/28/8a6LxZiUk4QV3cs.jpg' /> SEIKOSHA早期制造的石英钟（1958年）
随后为了迎接1964年东京奥运的来临，诹访精工（现在的SEIKO EPSON）在中村恒也的带领之下，于1963年推出小型可携带式（仅3公斤）的QC-951天文台石英计时器，其每日的误差值在±0.2秒之内，同时耗电量大幅降低到仅0.003W，这是日后Astron 35SQ石英腕表能推出的重要关键——超低耗电量。

https://s2.loli.net/2024/07/28/3kXEZNtGV1OKMBb.jpg' /> SEIKO 生产的QC-951天文台石英计时器（1963）

几乎与此同时，瑞士也已展开石英表的研究计划，1962年，在瑞士纳沙泰尔由20家瑞士钟表公司（包括百达翡丽、伯爵、欧米伽等数家瑞士顶尖表行）成立的电子制表中心CEH（Centre Electronique Horloger），打造出Beta-1石英机芯（8192 Hz），并于1967年推出世界上第一只石英腕表（实验型），同年创制出耗电量更低的Beta-2石英机芯，也就是1970年的量产款Beta-21石英机芯的前身。

CEH-Beta-1与CEH-Beta-2原型（来源：ETA官网）
https://s2.loli.net/2024/07/28/Vxyl7gwjtXv4znD.jpg' />CEH-Beta-1型石英机芯（1967年）
https://s2.loli.net/2024/07/28/l9V1UmBMKAZiauG.jpg' />世界上第一枚石英手表（非售品）CEH-1020（Beta-1型石英机芯）（1967年）
https://s2.loli.net/2024/07/28/Jv5jRyrwAhupkD2.jpg' />CEH-1020（Beta-1）组装团队从左至右：Charles-André Dubois（钟表技师）、François Niklès (钟表技师)、Jean Hermann（电气工程师） Richard Challandes（钟表技师）、Charles Frossard（钟表技师）
https://s2.loli.net/2024/07/28/atDV4Cj3JXpSOQW.jpg' /> CEH-Beta-1与CEH-Beta-2机芯

https://s2.loli.net/2024/07/28/47VlweQy6hsXRDB.jpg' /> CEH-Beta-21机芯

不过，在1969年的12月25日，SEIKO抢在所有瑞士表商之前，推出第一款上市销售的石英腕表Quartz Astron（35SQ），内部搭载具8,192Hz的石英振荡器机芯，以及省电的步进式马达（1秒跳一下），月误差在±5秒内，其振频与CHE-Beta-1石英机芯相同。该机芯由Suwa Seikosha（诹访精工舍）的中村恒也领导技术团队经过十年的研发，攻克了石英晶体振荡器、混合集成电路和微型步进电机等关键技术。由于SEIKO 35A型石英机芯与瑞士的CHE-Beta-21石英机芯同样属于手工制作，所以价格比传统机械表还贵，当年45万日圆的价格，已能购买一辆丰田的中小型客车，因此这款腕表仅销售了数百只。

https://s2.loli.net/2024/07/28/CJ4FXq6YiHAgtPm.jpg' />世界上第一枚上市销售的石英手表 SEIKO Quartz Astron（1969年）
https://s2.loli.net/2024/07/28/iKvdyf3xZWUoarg.jpg' /> https://s2.loli.net/2024/07/28/nMkloHOQt1mfJNw.jpg' />SEIKO 35A型机芯
https://s2.loli.net/2024/07/28/mBjLHs1TKtRwWfZ.jpg' />石英腕表机芯电子部件示意图
但是SEIKO看好未来石英腕表的市场，与许多瑞士表厂仅是试水观望不同，SEIKO与当时著名的半导体厂商英特矽尔（Intersil）合作（其股东之一还是一家以欧米茄为首的SSIH集团），生产低耗电量的CMOS集成电路芯片（日后位于长野诹访的Suwa Seikosha自行设立了芯片生产线），结合低廉的人工与逐步提升的技术（振频也从8,192 Hz提升至32,768Hz），并授权石英机芯专利与销售芯片给其他厂商，使得SEIKO在1970年代后期，几乎击溃了瑞士制表产业。

在1970年代初，SEIKO成为最早实现石英表商业化和大规模生产的公司之一。他们成功开发了C-MOS芯片技术，使得生产大量低成本而高精度的石英表成为可能。此外，SEIKO还申请了数百项专利，主导了石英表市场。

与此同时，SEIKO为了追求更高的精准度，持续钻研石英机芯的技术。由于石英振荡器的振频往往会随着温度高低而有所变化，因此SEIKO在机芯内装入两支石英振荡器，其中一支用于侦测温度，由此校正另一支石英振荡器因为温度变化而产生的误差。于是在1978年完成的Twin Quartz机芯带领腕表的精准度进入了年误差的等级，其中Grand Twin Quartz的精准度高达年差±10秒，而“SEIKO Superior Twin Quartz”还更上一层楼，达到了年差±5秒的水平。


https://s2.loli.net/2024/07/28/wERJzdXPmiQsAU4.webp' />Twin Quartz机芯原理示意图

https://s2.loli.net/2024/07/28/csFW5HfleOQRZnD.jpg' />Twin Quartz 机芯系列腕表
20世纪80年代腕表界的石英风暴，让全世界都感受到了石英手表所带来的冲击和威力，于是各大手表品牌不遗余力的发展石英手表。作为新宠儿的创造者，SEIKO当仁不让，先后推出CREDOR、KING QUARTZ、GRAND QUARTZ、MAJESTA、LASSALE、DOLCE等多个高端石英系列。

但是这一时期的高精度石英表款式，表款外观都极为相似，代表当时表厂忽略了制表产业原有的设计精神与工艺价值。因此SEIKO在1988年推出新一代的GRAND SEIKO石英表，就是回归昔日的设计精神，内部搭载年差±10秒的9581与9587石英机芯，不过这两款机芯具备较小的扭矩，无法采用较大型的指针与日期窗，因此受到不少批评。


因此研发团队以昔日的旗舰级GS机械表款为目标，重新设立机芯所需的标准，由SEIKO EPSON（原Suwa Seikosha诹访精工舍）研发全新的石英机芯，并在1993年推出年差±10秒的9F83石英机芯，成为日后GS表款的主力机型。为了追求高精度，9F机芯所使用的石英振荡器，是特别挑选经过90天“熟成”的石英晶体；许多的石英晶体会在25度恒温与50%湿度环境下，持续通电三个月，并记录其表现，只有通过标准筛选出来的石英晶体，才会拿来制造9F机芯所需的石英振荡器。

https://s2.loli.net/2024/07/28/fjozspQedLgOwhk.jpg' />精挑细选的熟化石英
https://s2.loli.net/2024/07/28/YiOx2cCZbRreJUy.jpg' />GRAND SEIKO 9F83A机芯
由于石英振荡器容易受到温度的影响，每秒振荡32,768Hz的频率会有所波动，因此每一个石英振荡器先前测试的信息都会记载于机芯的IC芯片之中，通过量身打造的设计，使其能完美运作。此外，机芯每天都会侦测540次表款内部的温度，并将温度信息传递至IC芯片且进行处理，补偿温差所带来的影响。
https://s2.loli.net/2024/07/28/jzyStgKT6pbwCmO.jpg' />9F系列机芯IC芯片
由于9F机芯每天进行多次侦测温度的任务，相较于一般石英机芯根本没有此功能，厂方特别采用耗电量极低的温度校正系统（省电芯片），避免损耗电池的寿命。同时，9F机芯还具有少见的快慢针设计，如果因为外在环境或是其他影响，使得机芯走时偏快或是偏慢，就可以通过快慢针来校正误差，然后继续维持高精度的运作。

https://s2.loli.net/2024/07/28/kSfHTLoCQb1yFVe.jpg' />9F系列机芯快慢针
结构上的革新除此之外，石英机芯在结构上与传统机械表不尽相同，因此SEIKO通过结构上的革新与创新科技，提升实用性与整体品质。首先，就是可驱动宽大GS指针的双脉冲步进马达，不仅能推动较重的指针，同时还保有省电的效果。因为传统的石英机芯都是采取一秒一跳的设计，而9F机芯则是每秒钟连续移动两次，由连续的两脉冲驱动，因此增加了步进马达的扭矩，不过因为移动速度太快，秒针看起来还是移动一次的感觉。

https://s2.loli.net/2024/07/28/jIA8su21KwpFvMt.jpg' />9F机芯双脉冲步进马达
另外，石英机芯的走时轮系并不像机械表有强大的回传动能，每一个啮合的齿轮之间仍有齿隙的存在。当步进马达传递动能时，秒针会产生些微的抖动。为了减少此一缺失，厂商特别在轮系的末端安装齿隙调整机制，此结构拥有一组游丝，利用其微小动力，能稳定秒针的抖动状况，使秒针的移动更为精确。

https://s2.loli.net/2024/07/28/xTA9ulIjV7vLgHD.jpg' />9F系列机芯齿隙自动调整机构
传统石英机芯受限于步进马达的微弱动能，日期结构往往需要跨越3-4个小时，才能完成换日。由于9F机芯拥有强大的扭力，厂商特别设置一组凸轮、杠杆与日期轮结构，每当换日之前，时针轮会将动能力积累于杠杆弹簧之间，最后抵达凸轮位置时，会将动力释放出来，在1/2000秒之内完成换日动作，这是石英机芯中少见的成就，而SEIKO将此时间设定于在午夜12点的前5分钟内。

https://s2.loli.net/2024/07/28/qrFiMb7PUs328Ia.jpg' />9F系列机芯日期瞬切机构
为了让指针得以顺畅运作，9F机芯具备3轴独立结构，让时、分、秒针的小齿轮间都有垫片分隔，所以每一个指针轴都可以独立运作，避免摩擦；而最新加入的9F86机芯更采用4轴独立结构，在调整时间时，能在不影响其他指针的情况下，顺畅地转动指针，这也是9F机芯有别于一般石英机芯的高级做法。

https://s2.loli.net/2024/07/28/QE2ehY9ulL8oWAJ.jpg' />9F机芯轴独立系统
SEIKO通过不断的创新和技术积累，在石英表领域取得了显著成就。从最初的35SQ石英机芯到后来的9系石英机芯，再到GS品牌的9F系列机芯，每一步都体现了SEIKO对卓越工艺和高性能的追求。

SEIKO掀起的石英风暴不仅是钟表史上的一个重要事件，也是技术创新和市场竞争策略成功结合的典范。通过对这一历史事件的研究，我们可以更好地理解现代科技如何推动传统行业变革，并为未来的科技创新提供宝贵的借鉴。

虽然搬运，但营养丰富，喜欢看。