Кварцевый механизм часов¶

Кварцевый механизм — это часовой механизм, в котором в качестве регулятора колебаний используется кварцевый резонатор, преобразующий электрические колебания в механические с частотой, определяющей точность хода. Кварцевые часы впервые были созданы в 1927 году, а с 1969 года, после выпуска первых наручных часов Seiko Astron, они получили массовое распространение и до сих пор остаются самым распространённым типом часовых механизмов в мире.

¶Принцип работы

Кварцевый резонатор основан на пьезоэлектрическом эффекте: при подаче электрического напряжения на кварцевую пластину она деформируется, а при деформации вырабатывает электрический заряд. Пластина, нарезанная из природного или синтетического кварца в определённой ориентации (чаще всего — так называемый «режим толщины сдвигом», XY-срез), обладает собственной резонансной частотой, зависящей от её размеров. Стандартная частота для наручных и карманных часов — 32 768 Гц (215 колебаний в секунду), что позволяет делить частоту простым счётчиком до 1 Гц — одного тика в секунду.

Электрическая часть механизма состоит из:

• кварцевого резонатора — обычно в виде миниатюрной «галеты» (цилиндрической пластины толщиной около 0,1 мм), заключённой в герметичный корпус;
• генератора колебаний — транзисторной схемы, поддерживающей резонансные колебания резонатора;
• делителя частоты — цифрового счётчика, понижающего частоту до одного импульса в секунду;
• исполнительного механизма — шагового двигателя (обычно с ротором, поворачивающимся на 180° или 90° за импульс), который передаёт движение через зубчатую передачу на стрелки;
• источника питания — чаще всего сменной оксидно-ртутной или литиевой батарейки напряжением 1,5 В.

¶Точность

Точность кварцевого механизма определяется качеством резонатора и стабильностью температуры. Стандартный резонатор при комнатной температуре обеспечивает погрешность порядка ±20 секунд в месяц (±0,5 секунды в сутки). Для сравнения: механические часы среднего класса имеют погрешность ±5–15 секунд в сутки.

Кварцевый резонатор чувствителен к температуре: его частота меняется по параболическому закону с максимумом около 25–28 °C. В дешёвых часах температурная погрешность не компенсируется. В более точных конструкциях применяются:

• компенсированные кварцевые резонаторы (TCXO) — с термокомпенсацией, снижающие погрешность до ±3–5 секунд в год;
• режимы среза с малым температурным коэффициентом (например, AT-срез);
• стабилизированные резонаторы (OCXO) — с подогревом до постоянной температуры, применяемые в эталонных и лабораторных часах.

Лучшие лабораторные кварцевые стандарты достигают точности 10−13–10−14 в сутки, что на порядок превосходит цезиевые атомные стандарты в краткосрочной перспективе.

¶Типы кварцевых механизмов

По конструкции исполнительного механизма различают:

По уровню точности выделяют:

• бытовые — ±15–30 секунд в месяц;
• высокоточные (High Accuracy Quartz, HAQ) — ±5 секунд в год, используются в часах Grand Seiko, Breitling SuperQuartz и других;
• стандартные и лабораторные — служат для синхронизации и входят в состав первичных средств измерений.

¶История

Идея использования кварца для стабилизации частоты возникла в начале XX века. В 1921 году японский инженер Ёсиро Катаяма создал первый кварцевый хронометр, а в 1927 году канадский инженер Уоррен Мэйсон из Bell Labs собрал настольные кварцевые часы с точностью ±1 секунда в сутки. В 1930-е годы кварцевые стандарты начали применяться в радиовещании и телеметрии.

В 1969 году компания Seiko выпустила Astron 35SQ — первые в мире наручные часы с кварцевым механизмом. Их стоимость составляла 450 000 иен (примерно 1250 долларов США), что было сопоставимо с ценой автомобиля. Вскоре кварцевые механизмы были налажены в Швейцарии (ETA, ESA), США, СССР и других странах. В СССР производство кварцевых наручных часов началось в конце 1970-х годов на предприятиях «Восток» и «Ракета», а также по лицензии — в Польше (модель «Ятрань»).

К началу 1980-х годов «кварцевая революция» привела к резкому сокращению производства механических часов: к 1983 году Швейцария имела около 600 производителей механических часов, к 1984 году их осталось менее 100.

¶Применение

Кварцевые резонаторы используются не только в часах, но и в широком спектре электроники: компьютерах, микроконтроллерах, радиоприёмниках, системах точного времени. В часостроении кварцевый механизм остаётся базовым решением для массовых часов благодаря низкой стоимости, малому энергопотреблению (батарейки хватает на 2–10 лет) и высокой точности.

¶Источники

• Гуревич И. С. «Часы: от солнечных до атомных». — М.: Наука, 1985.
• Daniels G. W. «Watchmaking». — London: Philip Wilson Publishers, 2011.
• Seiko. История компании и хронология разработок кварцевых часов.
• БСЭ, статья «Кварцевые часы».