Удивительная история и устройство Seiko Spring Drive

В часах Seiko Spring Drive движение обеспечено механизмом, который я бы назвал самым уникальным, гениальным, суперэффективным и удивительно точно откалиброванным, из всех массово выпускаемых в своем классе.

Обратите внимание, мы будем рассматривать механизм работы Spring Drive по той лишь простой причине, что нужно понимать как функционирует система и как она устроена, прежде чем говорить о захватывающей истории, которая за всем этим стоит. Таким образом, мы обсудим историю Spring Drive позднее, но сначала давайте погрузимся в глубины этого великолепного механизма…

… А прежде, чем мы это сделаем, позвольте мне мельком заглянуть в исследования, необходимые для данной статьи. К сожалению, компания Seiko печально известна тем, что умышленно или случайно разбрасывает обрывки ценной информации относительно той или иной темы по разным интернет сайтам, СМИ  и медиа. Так что приходится буквально по крупицам находить разрозненные данные на обширных просторах интернета. Мне понадобилось несколько дней, для того чтобы собрать воедино информацию по данному вопросу, поэтому смею надеяться, что вы оцените мои усилия и будете смело делиться в комментариях обнаруженными находками, если мы что-то пропустили.

Как работает Spring Drive

На нашем портале мы уже несколько раз говорили о принципе работы Spring Drive, однако, по вышеупомянутым причинам, считаем необходимым рассмотреть и уточнить этот вопрос еще раз. В то время как традиционные электронные часы запитаны от батареи и работают благодаря кварцевому генератору, который управляет шаговым двигателем, контролирующим непосредственно стрелки часов, а Spring Drive, как уже следует из самого названия, получает всю необходимую энергию из витых пружин.

Сами по себе, часы с Spring Drive имеют завод с запасом хода на период от двух до восьми дней (в зависимости от типа механизма), как и обычные механические часы. Их пружина соединена с зубчатой шестеренкой, так же очень похожей на шестеренки обычных механических часов. На самом деле, комплектация Spring Drive примерно на 80% ничем не отличается от механизма классических роскошных часов.

Хитрость, однако, заключается в том, что в конце этой зубчатой передачи есть колесико, которое не проворачивается вперед-назад, как маховик в традиционных механических часах, но, наоборот, поворачивается только в одном направлении. Seiko называют это колесико «ротором», так как оно вращается только в одну сторону.

Я постараюсь изложить свои мысли максимально последовательно и доступно для понимания, с тем чтобы вы могли без труда различить, идет ли речь об автоматическом роторе, или о роторе, отвечающем за хронометраж и расположенном в конце зубчатой передачи.

Основной вопрос, а также главная хитрость механизма с пружинным приводом в том, как же все-таки происходит точный отсчет времени. В механических часах обычно спусковой механизм и маховик отвечают за ход с заданной частотой (обычно 2,5-5 Гц). В механизме с пружинным приводом для этого существует, так называемый, три-синхрорегулятор, названный так, за способность контролировать три различных типа энергии:

1. Механическая энергия (пружина)
2. Электрическая энергия (микросхема или кварцевый генератор)
3. Электромагнитная энергия (ротор, статор)

Три-синхро регулятор контролирует и координирует каждый из этих трех источников энергии, а вот механизм его работы просто гениален.

Если нет батарейки, от чего запитаны кварцевый генератор и микросхема?.. Вы имеете полное право задать мне этот вопрос. Таким образом, ротор, совместно с корпусом катушки, выступает в качестве источника энергии. Он работает по принципу динамо-машины, вырабатывающей электрическую энергию из энергии вращения колеса.

Выработанная электрическая энергия активирует внутреннюю микросхему и связанный с нею кварцевый генератор,в результате чего последний производит сигнал в  32,786 Герц. Чип сравнивает этот сигнал со скоростью вращения ротора, которая в свою очередь составляет восемь оборотов в секунду. Каким образом все это происходит, мы подробнее рассмотрим позднее, а сейчас идем дальше.

Теперь, когда у нас есть необходимая энергия и  пусковой импульс для запуска часов, последняя задача сводится к тому, чтобы заставить ротор, зубчатую передачу и, следовательно, стрелки часов вращаться с необходимой нам скоростью. Для этого три-синхро регулятор периодически применяет электромагнитный тормоз, чтобы убедиться в том, что вращение ротора совпадает с эталонным сигналом от кварцевого генератора. Встроенный чип сравнивает скорость вращения ротора с сигналом и периодически использует магнитный тормоз с целью предотвратить чрезмерно быстрое вращение.

… А вот как работает пружинный привод. Взведенная пружина приводится в движение посредством зубчатой передачи, при этом регулируется встроенной микросхемой и кварцевым генератором. Это самое уникальное сочетание традиционного механического часового искусства и технологии 21-го века.

Теперь, наконец, давайте представим, что все эти электромеханические пружинно-вращательные технологии втиснули в настолько миниатюрный корпус, что его можно носить на запястье руки. Часы с трехдневным запасом хода, с точностью, допускающей отклонение не более чем на +/-15 секунд в месяц, гарантирующие надежность на долгие годы, способные работать в более широком спектре температурных условий, чем обычные механические часы.

Кстати, по поводу долгосрочной надежности Seiko утверждает, что благодаря тому, что зубчатая передача вращается без периодических перерывов, после которых следуют толчковые запуски с чувствительных, смазанных частей механизма, но, наоборот, зубчатый ротор вращается непрерывно, часы с Spring Drive должны прослужить вам очень долго. Что касается электронных деталей, в связи с отсутствием химических компонентов (например, батарейки), способных ухудшать со временем состояние комплектующих, сроки службы электроники сравнимы со сроками службы кварцевых механизмов (которые могут работать по несколько десятилетий). Соответственно, от часов с Spring Drive можно ожидать надежности на долгие годы.

После всего вышеизложенного, давайте познакомимся с человеком, стоящим за идеей Spring Drive, и узнаем о тридцати годах напряженной работы, которые потребовались Seiko для создания этого механизма. А также у нас будет возможность узнать больше о технических деталях Spring Drive и выйти за рамки простого изучения принципов его функционирования.

 

История пружинного привода

В 1969 году Seiko запустила в массовую продажу Astron – первые кварцевые часы. Самые первые кварцевые часы  допускали погрешность в точности +/-1 сек в сутки, однако, довольно скоро они были настолько усовершенствованы, что допустимая погрешность не превышала +/-5 секунд в год (то есть, меньше, чем полсекунды в месяц).

Однако задолго до этого, в 1913 году компания Seiko выпустила свои первые механические часы… И попытка объединения этих двух, в высшей степени полярных миров – электрических и механических часов – для главного вдохновителя компании была лишь вопросом времени. Вы, конечно, уже поняли к чему я веду, конечным результатом станут Seiko Spring Drive, часы с пружинным приводом, совершенно новая концепция, которую не стоит путать с  Seiko Kinetic и другими механическими, либо кварцевыми моделями. Чтобы было понятнее, поясню, что внутри Seiko Spring Drive нет ни батарейки, ни какого-либо другого «двигателя».

Но давайте не будем забегать вперед. Это было в 1977 году, 40 лет назад (заметьте, что примерно в то же время, многие знаменитые сегодня швейцарские бренды были заняты тем, что соображали, как бы выдать за совершенно новую концепцию часы класса «люкс», сделанные из стали) молодому часовщику и ученому Йошикацу Акахане пришло озарение и он стал пробовать создать механические часы, которые могли бы регулироваться встроенным электронным устройством.

Акахана-сан начал работать в компании Seiko в 1971 году и поначалу занимался разработкой батареек для кварцевых часов. Одним из его лучших проектов, по словам Seiko, была концепция Twin Quartz – часы, снабженные вторым кварцевым генератором, который бы исправлял погрешности первого кварцевого генератора, вызванные температурными колебаниями. Кстати, именно благодаря этому в кварцевых часах удалось добиться вышеупомянутой точности в +/-5 секунд в год.

Это было вскоре после того как Акахана разработал свою идею «кварцевого замка» – данная разработка позволяет исправить погрешности механических часов при помощи встраивания в них стандартных устройств от кварцевых часов. Он впоследствии отказался от этой идеи, занявшись вплотную методикой, разработанной специально для коррекции точности Twin Quartz. Но об этом позже.

В 1982 году Акахана стал руководителем отдела Отдела по развитию и дизайну компании Seiko и с энтузиазмом стал разрабатывать идею «кварцевого замка». Акахана и его команда сделали экспериментальную модель для проверки принципа «кварцевого замка» и прототип проработал в течение четырех часов. Это означало, что сама идея заслуживает внимания, но также и то, что энергопотребление следовало уменьшить до одной десятой используемого для того, чтобы достичь практической пользы. Как бы то ни было, в том же году Seiko отказались от этого проекта, так как не видели никаких перспектив для успеха, вне зависимости от того, насколько долго и кропотливо команда специалистов работала над тем, чтобы достичь главной на тот момент цели компании – обеспечить запас хода на 48 часов. Основная проблема заключалась в том, что встроенная микросхема потребляла слишком много энергии. На тот момент только лишь для запуска микросхемы требовалось в 100 раз больше энергии, чем в сумме должен потреблять конечный продукт. Следовательно, реализация проекта была приостановлена и возобновлена только 10 лет спустя, в 1993 году.

В последующие годы, теперь уже при полной поддержке корпорации и благодаря наконец-то разработанным более энергоэффективным микросхемам, последовали более удачные прототипы в 1993 и 1997 гг. (между 1993 и 1997 Seiko приостановил проект во второй раз). Публичный дебют технологии пружинного привода состоялся в 1998 году на выставке в Базеле. От момента зарождения идеи пружинного привода у Акахана-сан до момента, когда Seiko решили предать огласке свою новую технологию прошли долгих 20 лет. Впервые компания Seiko описала технологию пружинного привода в 1997 году в Journal of the Swiss Society for Chronometry. Вероятно, они были абсолютно уверены в том, что швейцарские производители никогда даже не пытались создать что-нибудь столь же значительное, как предложенная ими новая технология – впоследствии выяснилось, что их предположения оправдались.

Достижение  48-часового запаса хода в 1998 году стало важной вехой как для Seiko так и для технологии пружинного привода. До того момента, как технология пружинного привода завоевала международный рынок, компания Seiko отметила это событие, выпустив для внутреннего рынка Японии версию 1998 года с ручным заводом. К сожалению, это произошло в том же году, когда создатель пружинного привода Акахана-сан скончался в возрасте 52 лет.

К счастью, Seiko были непреклонны в сохранении проекта, поэтому в 1999 году был создан первый автоматический прототип часов с пружинным приводом. Второй прототип такого рода был выпущен в 2001, а третий – в 2003 году. Затем, наконец, в 2005 дебютировал Seiko Spring Drive калибра 5R64/5R65 с автоматическим подзаводом. Первые Seiko Spring Drive, по всеобщему признанию, были выпущены в свет для того, чтобы помочь бренду завоевать высший сегмент рынка часов за пределами Японии.

Есть ряд причин, по которым Seiko потребовалось 28 лет, в общей сложности более 600 прототипов и 230 патентов, чтобы внедрить технологию привода на мировой рынок. Некоторые из причин были связаны с тем, что требовалось добиться определенных технологических достижений даже для того, чтобы заставить пружинный привод просто работать, а некоторые – с высокими (даже по сегодняшним меркам) ожиданиями Seiko по поводу того, как эти инновации должны быть выполнены.

Как мы уже отмечали, одной из весомых предпосылок для Seiko Spring Drive было обеспечить 72-часовой резерв хода. Исключение составляли только комплектации с ручным заводом, произведенные для внутреннего рынка Японии в конце 90-х и начале 00-х, резерв хода которых составлял 48 часов. Для Seiko Spring Drive, которые должны были завоевать международный рынок, компания решила предложить запас хода в 72 часа, или трое суток, с тем, чтобы эти часы могли прослужить полноценные выходные: то есть, если вы их заводите в пятницу вечером, они должны работать и показывать точное время в понедельник утром.

Для достижения этой цели, вначале Seiko создали более «мощный» сплав для пружины, названный Spron 510. Это сплав кобальта, никеля, хрома, с добавлением молибдена и некоторых других материалов, которые компания держит в секрете. Пружина из нового материала имеет более высокую эластичность и прочность, что позволяет усилить крутящий момент и, соответственно, увеличить запас хода. Затем компания пошла еще дальше, так далеко, что разработала специальную технологию шлифовки поверхности вращающихся частей, которые до этого вследствие недостаточной шлифовки производили бесполезное сцепление, что приводило к потере запаса хода.

Последним, что Seiko разработали для достижения своей цели, был «волшебный рычаг» — двунаправленная автоматическая система подзавода, которая была выпущена в 2005 году и внедрена в первых автоматических Spring Drive (с тех пор эта технология так и осталась их неотъемлемой частью). Мы еще поговорим об эффективности этой системы автоматического подзавода в моем обзоре, но будет совсем не лишним сказать, что она весьма примечательна.

Как вы можете увидеть из представленных выше схем, «волшебный рычаг» — это удивительно простая и поэтому гениальная двунаправленная система автоматического подзавода, с которой Seiko дебютировала еще в 1959 году, задолго до рождения идеи пружинного привода. Если она вам что-то напоминает, поспешу развеять ваши сомнения: основной ее принцип действительно похож на автоматический подзавод системы Пеллатон, разработанный и запатентованный в 1946 году Альбертом Пеллатоном, впоследствии техническим директором IWC.

Стержень «волшебного рычага» представляет собой хитро сконструированный рычаг, который в зависимости от направления вращения ротора автоматического подзавода, либо давит на зубчатое колесо, либо подтягивает его. Причина того, почему эта система так хорошо работает, в том, что даже малейшее движение ротора (в любом направлении) приводит к подзаводу пружины. Другие двунаправленные (а тем более однонаправленные) системы намотки допускают немалый люфт, который в большинстве случаев препятствует подзаводу пружины из-за неэффективной конструкции и зазоров между деталями.

В целом, основное различие между системой «волшебного рычага» (которая, кстати, в последние года была успешно принята на вооружение рядом таких швейцарских брендов как Panerai в их Р.9000, Cartier в их 1904MC, и TAG Heuer в 1987) и системой Пеллатона, которую можно и сейчас встретить в некоторых механизмах IWC,  состоит в том, что первая проще. Устройство рычага в системе Пеллатона справедливо служит основой для «волшебного рычага», но решение Seiko настолько долговечно и легко для производства, что его даже внедряли в некоторые даже весьма доступные модели.

Проблема выработки энергии была решена, следующей проблемой стало эффективно использовать эту энергию для питания «сердца» пружинного привода. Давайте рассмотрим, как Seiko решили эту проблему, внедрив крошечный компьютер в механическое устройство, единственный источник энергии которого – это взведенная пружина.

«Сердце» пружинного привода получает питание от ротора, который вращается в конце зубчатой передачи и заряжает катушку. Seiko пришлось развивать и совершенствовать конструкцию этой катушки, чтобы сделать ее как можно более эффективной (как с точки зрения использования пространства, так и с позиции выработки энергии): провод в катушке толщиной 15 мкм (это 0.015 миллиметров или шесть тысячных дюйма), он намотан 25 000 раз и уложен в 18 слоев, для того, чтобы получить катушку.

Не так уж и важно насколько высокотехнологично производится выработка энергии, но если она поступает к неэффективной микросхеме, то много энергии будет потеряно и система не сможет стабильно работать. Это заставило Seiko и Epson (которая является частью Seiko) десятилетиями разрабатывать маломощные микросхемы, дабы иметь, наконец, возможность произвести то, что позволит реализовать идею пружинного привода.

Seiko Epson является частью Seiko Group (два других крупных члена корпорации — Seiko Holdings Corporation и Seiko Instruments Inc.) и она является разработчиком, производителем и продавцом оборудования со штатом свыше 73 000 сотрудников, и рыночным капиталом примерно в 6,2 млрд долларов. Иными словами, компания Epson, которая расположена в Токио, является одной из трех ветвей корпорации Seiko Group и, по сути, значится среди производителей часовых механизмов Seiko (вместе с Seiko Instruments Inc.).

Весь этот корпоративный бред изложен здесь для того, чтобы показать огромные ресурсы компании, как финансовые, так и интеллектуальные, и пояснить, что Seiko было на что опереться в процессе разработки необходимых технологий для пружинного привода. Здесь же не лишним будет упомянуть, что часы Grand Seiko Spring Drive, являются одними из немногих часов в мире, которые являются на 100% продукцией собственного производства данной компании (без каких бы то ни было оговорок).

Микросхемы, которые сегодня используются в часах с пружинным приводом, как мы уже упоминали выше, примерно в 100 раз более эффективны, чем их прототипы конца 80-х и начала 90-х годов. Поместив тонким слоем пленку из оксида кремния между микросхемой и кремниевой подложкой, разработчики получили схему малой мощности, которая способна работать на ультранизком напряжении. Она настолько эффективна, что потребляет всего 25 нановатт энергии, что составляет 25 тысяч миллионную долю ватта. Чтобы дать вам лучшее представление о том, как мало энергии потребляет эта микросхема в недрах пружинного привода, представьте себе следующее: если все семь миллиардов жителей Земли станут носить часы с пружинным приводом, их общая потребляемая мощность составит всего 175 Вт – эквивалентная мощность потребления 15-тидолларовой лампочки. Другими словами, интегральная микросхема требует энергии 1/300 000 000 тыс. от потребления светодиодной лампочки.

В ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Если вы сложите вместе все огромные прыжки и небольшие последовательные шаги, которые предприняли Seiko и Seiko Epson, в развитии данной технологии, вы без тени сомнения, придете к выводу, что то, чего они достигли на сегодняшний день, является самым передовым серийным механизмом, не зависящим от батареек.

По материалам ABTW

Вы можете заказать часы Seiko у официального дилера Seiko в России.