maj 2023

Wychowałem się w epoce zegarów mechanicznych, które trzeba było nakręcać od czasu do czasu, a dźwięk wahadła towarzyszył upływowi czasu w życiu całej rodziny. Po opuszczeniu gniazda rodzinnego dorobiłem się zegara elektronicznego, który zastąpił powszechnie dostępny radziecki zegary mechaniczny typu Pobieda. Zegarek kwarcowy z wyświetlaczem ciekło krystalicznym był obowiązkowym gadżetem lat 70-tych, który pachniał zachodnią modą i dawał złudzenie dobrobytu. Po latach dostałem w prezencie zegarek elektroniczny również kwarcowy ale z klasycznym układem wskazówek sekund, minut, godzin, który działa bez zarzutu do tej pory, ale wymaga wizyty u zegarmistrza raz na rok dla wymiany baterii. Cały sekret mojego zegara elektronicznego to kwarc który jest dokładny i niezawodny, a którego drgania w układzie elektronicznego generatora stanowią wzorzec czasowy zarówno dla zegarów analogowych oraz cyfrowych (z wyświetlaczami numerycznymi). Tym razem podjęty temat jest wynikiem awarii kwarcowego zegara ściennego, którego naprawa była nie opłacalna według zegarmistrza. Problem został rozwiązany po zakupie i wymianie kwarcowego mechanizmu zegarowego, który dostępny jest powszechnie w Internecie np. na Allegro w cenie około 5 zł ( ~1$), a przy okazji zmuszony byłem uzupełnić moje braki wiedzy w dziedzinie zegarów kwarcowych

US3863436 – SOLID STATE QUARTZ WATCH, Schwarzschild et al., Data patentu:4.04.1975.

Ten wynalazek odnosi się w szczególności do półprzewodnikowych elektronicznych zegarków naręcznych z wyświetlaczami elektrooptycznymi do wskazywania czasu i wykorzystujących zintegrowane obwody cyfrowe w tym dzielniki binarne w celu zmniejszenia częstotliwości odniesienia generatora z kryształem kwarcu. Znane są elektroniczne zegarki naręczne, które mają podłoża obwodów drukowanych z zamontowanymi na nich elementami układu scalonego, które zawierają obwody cyfrowe do zmniejszania częstotliwości odniesienia generatora kwarcowego oraz elementy wyświetlacza elektrooptycznego. W skrócie, wynalazek obejmuje zespół zegarka z wyświetlaczem elektrooptycznym mającym elektryczne zaciski stykowe na spodniej powierzchni, podłoże z zamontowanym na nim układem scalonym, połączonym przewodami obwodu drukowanego z zaciskami elektrycznymi na podłożu, złącze pośrednie ustawiające wyświetlacz i podłoże względem siebie i zapewniające połączenia elektryczne między zaciskami styków na wyświetlaczu i na podłożu oraz zacisk sprężynowy utrzymujący elementy razem w module. Moduł może również zawierać uchwyt członu oporowego podłożu i posiadające otwory do wykonania zewnętrznego testy i regulacje elementów podłoża.

clock0

FIG.1 jest rysunkiem elewacji, częściowo w przekroju ilustrujący zmontowany moduł, FIG.2 jest widokiem z góry wyświetlacza elektrooptycznego; FIG.3 jest schematem blokowym ilustrującym funkcje dzielnika częstotliwości w odpowiednim układzie scalonym; FIG.4 i 5 są widokiem z góry strony przedniej i tylnej podłoża obwodu drukowanego; FIG.6 jest częściowym układem elementów oscylatora na podłożu poza układem scalonym; FIG.7 przedstawia schemat obwodu sterownika napięcia wyświetlacza; FIG.8 i 9 są widokami montażu z przodu i z tyłu modułu.

Odnosząc się do FIG.1, elektrooptyczny wyświetlacz 1 jest ustawiony względem podzespołu podłoża 2 za pomocą pośredniego elementu łączącego 3. Podzespół podłoża 2 jest zamontowany na podłożu ceramicznym 4 utrzymywanym na miejscu przez element oporowy 5 i zacisk sprężynowy 6. Wyświetlacz elektrooptyczny 1 może być dowolnym z różnych typy sugerowanych w stanie techniki, takie jak ciekłe kryształy, diodowe, elektrochromowe, itp. mające wspólną cechę, jaką są wskaźniki znaków czasu, które są widoczne na powierzchni wyświetlacza sterowanego przez odpowiednio zakodowane sygnały elektryczne. Typ wyświetlacza pokazany w korzystnym przykładzie wykonania jest wyświetlaczem ciekłokrystalicznym typu „efekt pola”, który jest dostępny w handlu i zawiera konstrukcję warstwową z przezroczystej warstwy polaryzacyjnej 7, warstwy szklanej 8, innej warstwy szklanej 9, szczelnie z nią połączonej, kolejną przezroczystą warstwę polaryzacyjną 10 i warstwę odbijającą 11.

Komora pomiędzy szklanymi warstwami 8, 9 zawiera materiał ciekłokrystaliczny 12 odpowiedni do zastosowania w wyświetlaniu w trybie efektu polowego typu (twisted-nematic) TN- forma LCD. Wspólna przezroczysta warstwa elektrod 13 i oddzielnie zasilana przezroczysta elektroda 14 uzupełnia wyświetlacz 1. Jego działanie jest dobrze znane w stanie techniki. Szklana warstwa 8 wyświetlacza tworzy półkę 15, zapewniając elektryczne zaciski stykowe 23 na jego spodzie. Wyświetlacz jest umieszczony w elemencie łączącym 3 za pomocą wgłębienia 16 z dolną półką, na której spoczywa wyświetlacz 1.

Wyświetlacz pokazany na FIG.2 zawiera 7-segmentowy znaki 17, 18, 19, znak pojedynczego segmentu 20 i znaki „dwukropka” 21. Znaki 7-segmentowe, takie jak 17 składają się z indywidualnie zasilanych segmentów, takich jak 17a, 17b itd. Każdy segment, taki jak 17b, jest połączony przewodem 22 z odpowiednią warstwą przewodzącą 23, która rozciąga się tworząc elektryczny zacisk stykowy, który jest odsłonięty na spodniej stronie szklanego występu 15, FIG.1. „Wspólny” zacisk stykowy 24 jest połączony z przezroczystą warstwą przewodzącą 13 po drugiej stronie materiału ciekłokrystalicznego, dzięki czemu można ustalić gradient napięcia w materiale ciekłokrystalicznym, aby zasilić żądany segment. Odnosząc się teraz do FIG.3, która ilustruje schemat blokowy funkcje, które są realizowane w układzie scalonym „chipie” przedstawionym wewnątrz tablicy ograniczonej linią 25. Wzmacniacz 26 współpracuje z zewnętrznymi elementami obwodu, oscylatora wysokiej częstotliwości 32,896Hz, który jest sterowany przez piezoelektryczny kryształ kwarcu podłączonym za pośrednictwem zacisków 27. Dzielnik 28 zawierająca 15 stopni podziału„ „dziel przez dwa” zmniejsza częstotliwość przychodzących impulsów do 1 Hz. Sygnał jest dzielony przez 60 w liczniku „sekund”. 29, który zawiera możliwość resetowania. Sygnał jest ponownie dzielony przez 60 w liczniku „minut” 30 i ponownie dzielony przez 12 w liczniku „godzin” 31. Dwa ostatnie liczniki 30, 31 dostarczają dziesiętne kodowane binarnie (BCD) wyjścia do 7-segmentowego sterownika dekodera 32 do wskazywania minut w miejscu „jedności”, identyczny sterownik dekodera 33 do wskazywania minut w „dziesiątkach” oraz, identyczny sterownik dekodera 34 do wskazywania godzin w miejscu jedności oraz jedno segmentowy sterownik dekodera 35 do wskazywania godzin w miejscu „dziesiątek”. Odpowiedni znak wyświetlacza dla tego ostatniego to „1” lub pusty na wyświetlaczu 12-godzinnym, dlatego wystarczy aktywować tylko jeden segment.

Inny jedno segmentowy sterownik dekodera 36, który może być identyczny z wyżej wymienionym sterownikiem 35, uruchamia dwukropek, który odbiera sygnał wejściowy w Hz, powodując jego miganie z częstotliwością 1 Hz. Wspomniane sterowniki 32-36 są aktywowane przez sygnał 32 Hz pobrany w odpowiednim punkcie między stopniowym na rozdzielaczu 28. Ponieważ segmenty ciekłokrystaliczne zwykle wymagają wyższe napięcie sterujące niż dostarczane przez małe ogniwo energetyczne w zegarku, obwód zewnętrzny do omówienia w związku z FIG.7 rysunku podnosi napięcie sterujące wyświetlacza dostarczane do sterowników 32-36. Ten obwód zewnętrzny jest zasilany impulsami o wysokiej częstotliwości z zacisków 65 przez generator impulsów 37. Układ scalony 25 zawiera również obwody logiczne do zmiany lub aktualizacji wyświetlanego czasu, co jest wskazane w 38. Blok logiczny 38 zapewnia możliwość selektywnego przesuwania liczników minut lub godzin 30, 31 z częstotliwością 1 Hz i/lub resetowania licznika „sekund” 29 do zera poprzez manipulację zewnętrznymi przełącznikami S-1, S-2. Zegarek można również wyłączyć przełącznikiem S-3.

Inne przewody obwodu drukowanego są podłączone do zewnętrznego elementy montowane na podłożu, takie jak ścieżka 47 podłączona jest do kondensatora „chipowego” 48 połączonego z podłożem. Górna powierzchnia podłoża 4 zapewnia mocowanie obszar dla układu scalonego 25 w plastikowej zaporze 49, który jest mocowany do podłoża poprzez odkształcenie termiczne zdolne występy 50 wystające na przeciwną stronę podłoże. Chip 25 układu scalonego jest połączony drutem do przewodów obwodu drukowanego, a wnęka wewnątrz tamy, która zawiera również elementy dyskretne 62, 66 i 67, jest następnie wypełniana środkiem osłaniającym w celu ochrony obwodu i innych elementów. Odnosząc się do FIG.5 pokazujący drugą stronę podłoża, przewody obwodu drukowanego, takie jak 51, zapewniają połączenia między zasilaczem a komponentami, takimi jak cewka 52. Rezystor zmienny 53 jest nakładany techniką druku grubowarstwowego, a ramię wycieraczki 54 reguluje opór w celu przycięcia częstotliwość oscylatora (patrz FIG. 6). Podłoże służy również jako platforma montażowa dla kryształ kwarcu 55, ujemny zacisk akumulatora 56 i dodatni zacisk 57 akumulatora z wystającą wypustką uziemiającą 58. Wypust 58 jest przystosowany do uziemienia dodatniego zacisku ogniwa energetycznego do metalowej ramki zegarka.

FIG.6 i 7 pokazują schematy obwodów dla niektórych zewnętrznych elementów zamontowanych na podłożu, które są niezbędne do działania zegarka. FIG. 6 pokazuje zewnętrzny obwód rezonansowy oscylatora. Obwód zawiera kryształ kwarcowy 55, którego jeden zacisk jest podłączony do masy za pomocą szeregu, kombinacji kondensatora 60 i rezystora trymującego 53, podczas gdy drugi zacisk jest podłączony do masy za pomocą kondensatora 61. Ten obwód zbiornika, po podłączeniu przez zaciski 27 do wzmacniacza oscylatora w układzie scalonym (patrz Fig.3), powoduje oscylacje o częstotliwości własnej kryształu kwarcu 55. Odnosząc się do FIG.7, pokazano obwód zwiększający napięcie na zacisku 63 powyżej napięcia akumulatora przyłożonego do zacisku 64, gdy impulsy są przykładane do zacisku 65.

US3737746 QUARTZ CRYSTAL CONTROLLED STEPPER MOTOR, Cielaszyk et al. Data patentu: 5.czerwiec 1973

Wynalazek odnosi się do konstrukcji zegarka elektronicznego zasilanego bateryjnie, wyposażonego w wysoce wydajny silnik krokowy napędzany oscylatorem kwarcowym za pośrednictwem obwodu dzielnika w zespole zegarka. Wynalazek ten odnosi się również do konstrukcji miniaturowego silnika krokowego napędzanego impulsami o zmiennej polaryzacji, pochodzącymi z oscylatora kwarcowego za pośrednictwem obwodu dzielnika. Wyjście oscylatora kwarcowego jest podłączone do obwodu dzielnika, który dzieli wysoką częstotliwości sygnału oscylatora do postaci sygnału o częstotliwości 1 Hz. Komplementarne wyjścia ostatniego stopnia dzielnika są połączone z parą obwodów bistabilnych, a wyjście pośredniego stopnia dzielnika jest podłączone do zacisków resetowania obwodów bistabilnych w celu ograniczenia szerokości impulsu lub cyklu pracy impulsów generowanych przez każdy obwód bistabilny. Odpowiednie wyjścia obwodów bistabilnych są sprzężone do uzwojenia zasilającego na rdzeniu stojana silnika krokowego poprzez obwód napędowy w taki sposób, że impulsy z jednego z obwodów bistabilnych są przepuszczane przez uzwojenie w pierwszym kierunku, a impulsy z drugiego bistabilnego są przepuszczane przez uzwojenie w przeciwny kierunek.

clock1

FIG.1 jest schematyczną ilustracją silnika krokowego i jego obwodu zasilającego, w tym rozstrzelonym widokiem wirnika i zespołów układu napędowego zegarka; FIG.2 to rzut dolnej tarczy wirnika przedstawiający ząb blokujący; FIG.3 to widok przekroju tarczy wirnika wykonany wzdłuż linii 3–3 FIG.2; FIG.4 to rzut tarczy górnego wirnika; FIG.5 to widok przekroju górnej tarczy wirnika wykonany wzdłuż linii 5–5 FIG.4; FIG.6 to rzut kompozytowego zespołu wirnika; FIG.7 to widok przekroju kompozytowego zespołu wirnika wykonany zgodnie z liniami 7–7, FIG.6; FIG.8(a) jest rzutem silnika krokowego tego wynalazku, pokazującym wirnik w pierwszym położeniu przeciwnym do ruchu wskazówek zegara; FIG.8(b) jest częściowym widokiem silnika krokowego tego wynalazku, pokazującym wirnik w drugim położeniu zgodnym z ruchem wskazówek zegara; FIG.9 to widok przekroju silnika krokowego tego wynalazku umieszczonego w zegarku; FIG.10 to graficzne wyświetlanie przebiegów generowanych przez obwód FIG.1; FIG.11 to schematyczny schemat cewki zasilającej i obwodu napędu zilustrowany na FIG.1.

Na rysunku FIG.1 gdzie pokazano uproszczony schematyczny widok zegarka wykorzystującego silnik krokowy i jego obwód napędowy. W obudowie –kopercie zegarka 11 zamontowano baterię 13, która najlepiej jest ogniwem z tlenkiem srebra 1,5 V, takim jak na przykład bateria EPX-77 typu Eveready. W kopercie zegarka znajduje się również kryształ kwarcowy 15, który w przykładzie wykonania generuje sygnał o częstotliwości 32,768 Hz. Obwód do konwersji wysokiej częstotliwości wyjściowej kryształu kwarcu na sygnał impulsowy 1 Hz o niskim cyklu pracy jest zapakowany w element 17. Schematyczny schemat blokowy tego obwodu pokazano w górnej części rysunków i zostanie szczegółowo opisany poniżej.

Pokazany jest silnik krokowy 19 mający rdzeń stojana 21 z uzwojeniem zasilającym 23 wokół jego części ramienia. Końce rdzenia 21 stojana są rozdzielone w celu wyznaczenia generalnie kołowej szczeliny powietrznej 20, mającej części kanałowe 23 i 24 naprzeciw siebie pomiędzy końcami stojana. Obwód rdzenia stojana wokół kołowej części szczeliny powietrznej jest nacięty w celu utworzenia wielu zębów, które działają jak bieguny magnetyczne, gdy uzwojenie rdzenia jest zasilane. Wirnik 25, pokazany w stanie rozłożonym, jest umieszczony w szczelinie powietrznej 20. Wirnik ma odpowiednio górną i dolną tarczę 29 i 31, ze stałym elementem 99 umieszczonym pomiędzy nimi. Każda z tarcz 29 i 31 ma wiele zębów rozmieszczonych na obwodzie, przy czym tarcza 31 ma jeden podłużny ząb 33, który, gdy wirnik znajduje się na swoim miejscu w szczelinie powietrznej, rozciąga się do części kanałowej 23 szczeliny powietrznej. Ząb 33 ogranicza ruch obrotowy wirnika do określonej granicy. Należy rozumieć, że chociaż pokazano tylko jeden taki ząb, inny wydłużony ząb może być odpowiednio ustawiony tak, aby sięgał do kanału 24.

Wirnik jest podparty dla ruchu oscylacyjnego wokół jego oś za pomocą trzpienia lub osi 35 pokazanej jako częściowo odcięta. Oś 35 jest zamocowana czopowo na swoich odpowiednich końcach do oscylacyjnego obrotu wokół swojej osi wzdłużnej. Na stałe przymocowane do osi 35 jest ramię 37 palety, mające parę elementów mocujących 40 palety przymocowanych do niego na każdym jego końcu. Elementy paletowe nadają przerywany ruch wychwytowi sekundnikowi 39 przez okresowe uderzanie w zęby koła wychwytu 39, gdy wirnik oscyluje wokół osi 35. Koło wychwytowe 39 jest podtrzymywane dla ruchu obrotowego za pomocą wrzeciona 41 pokazanego w częściowym przekroju. Wskazówki sekundowa, minutowa i godzinowa 43, 45 i 47, odpowiednio, są pokazane schematycznie i zrozumiałe jest, że można wykorzystać dowolny znany odpowiedni układ przekładni napędowej do translacji ruchu koła wychwytowego 39 w celu odpowiedniego napędzania wskazówek minut i godzin . Natomiast wskazówka sekundowa 43 jest napędzana bezpośrednio przez wrzeciono 41 koła sekundowego.

Górna część FIG.1 jest uproszczonym schematem oscylatora kwarcowego 50, obwodu dzielnika 65 i obwodu napędu silnika krokowego 67, który kontroluje synchroniczne oscylacje wirnika do i z powrotem. Rezonator kwarcowy 15 ma jedną stronę połączoną z potencjałem odniesienia, takim jak masa, za pomocą kondensatora zmiennego 53 i kondensatora stałego 55. Druga strona kryształu jest połączona z ziemią za pomocą drugiego stałego kondensatora 57. Kondensatory 55 i 57 działają w celu kontrolowania ilości sprzężenia zwrotnego pochodzącego z wyjścia 59 wzmacniacza operacyjnego 61. Kondensator zmienny 53 jest regulowany w celu precyzyjnego dostrojenia częstotliwości sygnału generowanego przez kryształ kwarcu 15. Rezystor polaryzujący 63 jest podłączony na zaciskach wejściowych i wyjściowych wzmacniacza i inicjuje oscylacje w obwodzie oscylatora 50. Częstotliwość wyjściowa oscylatora 50 utworzonego przez wyżej wymienione elementy jest kontrolowana przez rozmiar kryształu kwarcu, ale może być nieznacznie zmieniana przez regulację kondensatora 53. W preferowanym przykładzie wykonania częstotliwość wyjścia oscylatora wynosi 32,768 Hz.

Aby zastosować sygnał obwodu oscylatora kwarcowego 50 do napędzania silnika krokowego, częstotliwość sygnału wyjścia oscylatora musi zostać podzielona w dół, aby zapewnić sygnał zasilający, o częstotliwości 1 Hz, uzwojenia 23. W związku z tym zapewniony jest dzielnik częstotliwości 65, który zawiera wiele podwójnych stopni dzielnika D1 do D16, przy czym każdy stopień dzieli częstotliwość wyjścia oscylatora przez współczynnik dwa. Tak więc wyjście stopnia dzielnika D1 wynosi 16,384 Hz, wyjście drugiego stopnia wynosi 8,192 Hz i tak dalej, przy czym ostatni stopień D16 zapewnia wyjście o częstotliwości 0,5 Hz. Jak pokazano na dzielniku, stopień 16 ma dwa uzupełniające się wyjścia: Q i Qnot. Wyjście Q jest podłączone do wejścia SET obwodu bistabilnego 69. Wyjście Qnot stopnia D16 jest podłączone do wejścia SET przerzutnika bistabilnego 71. Sygnał Q stopnia D16 ustawia wyjście przerzutnika 69 na 1,5V a sekundę później, jak pokazano na FIG.10, wyjście Qnot przechodzi z potencjału uziemienia do 1,5 wolta, podczas gdy wyjście Q powraca do potencjału ziemi. W ten sposób wyjście Qnot ustawia bistabilny przerzutnik 71, który generuje impuls wyjściowy 1,5V.

W celu oszczędzania energii baterii cykl pracy lub czas trwania impulsu wyjść przerzutników bistabilnych 69 i 71 należy zmniejszyć. W związku z tym wyjście Q10 stopień dzielnika, którego częstotliwość wynosi 32 Hz, jest dołączony do zacisków resetowania 73 i 75 odpowiednio przerzutników bistabilnych 69 i 71. Ponieważ częstotliwość wyjściowa Q10. stopnia wynosi 32 Hz, okres tego impulsu, tj. czas jego trwania, wynosi około 31,22 milisekundy. W konsekwencji przerzutniki bistabilne 69 i 71 są resetowane po 31,22 milisekundy po ich u ustawieniu. Widać więc, że wyjścia przerzutników bistabilnych 69 i 71 przewodzą prąd tylko przez bardzo krótki czas w każdym cyklu.

Wyjścia przerzutników bistabilnych 69 i 71 są połączone odpowiednio z inwerterami 77 i 79, których obwody są podłączone do przeciwległych końców uzwojenia 23 stojana. Rysunek z Fig.11 pokazuje bardziej szczegółowo schemat ideowy obwodów inwertera 77 i 79. Wyjście przerzutnika bistabilnego 69 jest doprowadzone do wejścia inwertera 77, a wyjście przerzutnika bistabilnego 71 jest doprowadzone do wejście inwertera 79. Inwerter 77 zawiera tranzystor MOS 81 z n-kanałem i tranzystor MOS z p-kanałem 83. Inwerter 79 podobnie ma n-kanałowy tranzystor 85 i tranzystor 87 z p-kanałem. Zaciski bramkowe tranzystorów 81 i 83 są podłączone do wyjścia przerzutnika bistabilnego 69, a zaciski bramkowe tranzystorów 85 i 87 są podłączone do wyjścia przerzutnika bistabilnego 71. Zaciski kolektora tranzystorów 81 i 83 są podłączony każdy do jednej strony uzwojenia zasilającego stojan 23 natomiast zaciski kolektora tranzystorów 85 i 87 są połączone z przeciwną stroną uzwojenia 23. Zaciski emitera tranzystorów z p-kanałem p są podłączony do zasilania bateryjnego 1,5 V, podczas gdy zaciski emitera n-kanałowych tranzystorów są podłączone do masy.

Gdy na wyjściu przerzutnika bistabilnego 69 mamy potencjał zero woltów, tranzystor p-kanałowy 83 przewodzi, a n-kanałowy tranzystor 81 jest odcięty. W konsekwencji napięcie na zacisku 89 cewki jest dodatnie. Kiedy wyjście przerzutnika bistabilny 69 wynosi 1,5 wolta, n-kanałowy tranzystor 81 przewodzi, a p-kanałowy tranzystor 83 jest odcięty. Napięcie na zacisku 89 cewki 23 jest następnie ograniczane do zera wolta. Podobnie, gdy wyjście przerzutnika bistabilnego 71 jest równe zero woltów, napięcie na zacisku 91 cewki wynosi 1,5 wolta, oraz kiedy wyjście przerzutnika bistabilnego 71 osiągnie 1,5 wolta, napięcie na przewodzie 91 spada do zera. W rezultacie kształt fali prądu płynącego przez cewkę zasilającą 23 jest taki jak pokazany na FIG.10(e). Naprzemienne impulsy dodatnie i ujemne przyłożone do cewki 23 indukują strumień przemienny impulsy w rdzeniu 21 silnika krokowego, które powodują że wirnik krokowy, aby oscylować tam i z powrotem. Ten ruch oscylacyjny występuje z częstotliwością jednej oscylacji na sekundę, powodując tym samym, że ramię 37 palety z osadzonymi na nim elementami 40 palety przesuwa koło sekundowe z szybkością jednego kroku na sekundę.

WNIOSKI

Zegar kwarcowy jest chyba najczęstszym urządzeniem gospodarstwa domowego, które jest obecne w życiu prawie każdego mieszkańca naszej planety. Nie ma znaczenia, czy są to zegary naręczne, ścienne, stołowe, a nawet szafkowe – wszystkie działają na tej samej zasadzie, a mechanizm ich jest w przybliżeniu taki sam. Pojawienie się mechanizmu kwarcowego zawdzięczamy Warrenowi Morrisonowi i Josephowi Hortonowi. To oni w 1927 roku zaprezentowali światu pierwszy zegarek kwarcowy. Niestety, wymiary zegara były tak duże, a dokładność tak niska, że wynalazek ten nie spotkał się z dużym zainteresowaniem. Producenci nie widzieli praktycznego zastosowania tego produktu, złożoność produkcji również nie dodawała optymizmu.

Głównymi elementami mechanizmu kwarcowego są jednostka elektroniczna i silnik krokowy. Jednostka elektroniczna raz na sekundę wysyła impuls do silnika i obraca strzałki. Bardzo wysoką stabilność częstotliwościową generowanych impulsów, a co za tym idzie wysoką precyzję, zapewnia kryształ kwarcu, od którego zegarek wziął swoją nazwę. Kryształ kwarcu ma wyjątkowe właściwości: pod wpływem prądu elektrycznego kwarc kurczy się i generuje impuls elektryczny. W ten sposób kryształ może kurczyć się i rozkurczać, czyli oscylować pod wpływem prądu elektrycznego. Wybierając rozmiar kryształu, uzyskuje się częstotliwość rezonansową 32768 Hz.

Blok elektroniczny mechanizmu kwarcowego składa się z dwóch części. Jedna część, oscylator, generuje oscylacje elektryczne, które są stabilizowane przez kryształ kwarcu, dla jego częstotliwości rezonansowej. Mamy więc generator oscylacji elektrycznych, a częstotliwość tych oscylacji jest bardzo stabilna. Pozostaje zamienić te równomierne oscylacje w równomierny ruch ruch wskazówek zegara. Generator generuje 32768 oscylacji elektrycznych na sekundę czyli 2 do potęgi piętnastej, co jest ważne, ponieważ obwód musi zawierać również najprostszy licznik binarny, znany również jako dzielnik, na wyjściu którego częstotliwość sygnału impulsowego spada do 1Hz. Impulsy te są przykładane do uzwojenia silnika krokowego.

Clock2

Mechanizm kwarcowy

Korpus mechanizmu
2. Koło sekundowe
3. Koło transmisyjne
4. Koło transmisyjne
5. Wirnik
6. Stojan
7. Płytka z generatorem, dzielnikiem i cewką
8. Osadzanie
9. Koło centralne
10. Koło minutowe
11. Koło godzinowe

Silnik składa się ze stojana, cewki z zamocowanym na niej uzwojeniem oraz wirnika – magnesu trwałego zamontowanego na osi. Kiedy impuls elektryczny przechodzi przez cewkę, powstaje pole magnetyczne, które obraca wirnik o pół obrotu. Wirnik obraca wskazówki poprzez system kół zębatych.

Przedstawiony silnik krokowy jest znany pod nazwa Lavet od nazwiska wynalazcy francuskiego inżyniera Marius Lavet, który wynalazł ten rodzaj napędu i opisał go w 1936 roku w swoim zgłoszeniu patentowym FR823395A. Współczesne zegary kwarcowe wykorzystują jednofazowy silnik krokowy tego typu, a dzięki miniaturyzacji może być stosowany w zegarkach na rękę ponieważ wymaga bardzo małej mocy, dzięki czemu bateria wystarcza na długi okres, około roku.

Jednofazowy silnik krokowy Lavet posiada konstrukcje w której wirnik jest magnesem stałym N-S umieszczonym w dwubiegunowym stojanie o uzwojeniu w postaci cewki sterowanej impulsowo. W zegarze kwarcowy obwód elektryczny generuje dwubiegunowy ciąg impulsów, który na przemian dostarcza dodatnie i ujemne impulsy napięcia do cewki której zmienne pole magnetyczne wymusza obrót wirnika w jedna stronę. Zasada działania silników krokowych w tym również opisanego silnika Lavet stanowi nowa gałąź napędów elektromechanicznych, których teoria wymaga oddzielnej obszernej analizy .

Przechodząc do czasów mojej epoki należy zauważyć, ze wszystko zaczęło się od zegarka wydanego do sprzedaży w Boże Narodzenie 1969 roku w Japonii. Seiko Quartz Astron 35SQ, Oczywiście Astron wyróżniał się dokładnością bardziej niż wyglądem ponieważ jego mechanizm wewnątrz nie był wykonany dokładnie tą samą technologią, która jest powszechnie spotykana w dzisiejszych zegarkach kwarcowych. Oto kilka liczb dla kontekstu: Większość nowoczesnego kwarcu działa z częstotliwością 32 768 Hz, podczas gdy częstotliwość Astron z 1969 roku wynosiła jedną czwartą tego, przy 8 192 Hz. Porównaj to ze standardowymi zegarkami mechanicznymi, które działają z częstotliwością 4 Hz. Te herce (Hz) odnoszą się do oscylacji na sekundę – w zegarkach mechanicznych jest to oscylacja koło wahadłowego, a w zegarkach kwarcowych jest to oscylacja wibrującego kryształu.

Praktycznym rezultatem w Astron była dokładność +/- 5 sekund miesięcznie, podczas gdy tak duże odchylenie w ciągu dnia nie jest złe w zegarku mechanicznym. Kwarc okazał się cieńszy, a mniej ruchomych części sprawiło, że był bardziej wytrzymały, szczególnie gdy później dodano elektronikę półprzewodnikową. Przewaga techniczna kwarcu jest oczywista, a kiedy jego produkcja stała się bardziej wydajna i opłacalna dla konsumentów to wywołała kryzys dla tradycyjnego przemysłu zegarmistrzowskiego („kryzys kwarcowy”). Mówi się, że liczba szwajcarskich firm zegarkowych liczyły około 1 600 w 1970 roku i spadły do 600 w 1983 roku; Zatrudnienie w przemyśle spadło z 90 000 (1970) do 28 000 w 1988 roku.

Wywołanie kryzysu kwarcowego może sugerować, że Seiko (lub „Japończycy”) po prostu rozpoczęli tanią masową produkcją i załamali szwajcarski przemysł zegarmistrzowski. Prawda jest bardziej skomplikowana bo szwajcarskie firmy nie były zaskoczone pojawieniem się kwarcu. Konsorcjum około 20 szwajcarskich firm współpracowało nad mechanizmem kwarcowym – ostatecznie nazwanym Beta 21 – od lat i wprowadziło prototyp (Beta 1) w 1967 roku. Ale Seiko wyprodukowało prototyp Astron w tym samym roku, który został wprowadzony do produkcji dwa lata później Można to uznać za ten wyścig, Seiko po prostu wygrało.

Jako ciekawostkę można podać cenę pierwszych zegarków Astron, które były droższe niż wiele zegarków mechanicznych tamtych czasów. Mówi się, że był to odpowiednik ceny średniej wielkości samochodu na poziomie 450 000 JPY (około 31000 USD dzisiaj).

The Quartz Watch

What makes a clock tick – exploring the Lavet motor

https://www.youtube.com/watch?v=cGN0ueVhNEY&t=574s