авторизация
Добавить в избранное
Сейчас в корзине
Последние новости

Посмотреть все новости

18.10.2011

Кварцевая стабильность

Ну, что такое кварцевые часы? Это всегда надежно. Это всегда точно. Это долгоиграющий и такой привычный товар, что в нем, кажется, вовсе нет романтики, как в сковордоке с тефлоновым покрытием. Все правильно, все хорошо, но все как-то обыденно. Романтика искусства часовых дел мастеров, кажется, растворяется в этой просчитанной надежности.

Самое смешное, что потеем или иным причинам мы все чаще выбираем именно кварцевые часы: у кого-то нет желания ежедневно заниматься подзаводом, кто-то выбирает по принципу длительности службы, у кого-то, что встречается не так редко, механические часы на запястье просто отказываются сколько-нибудь надежно показывать время. Но, чаще всего, при выборе часов для ношения мы просто об это мне думаем. И все же, кварцевые часы это совсем не так изящно, как механические. Скучно, скучно, господа.

Или не так уж скучно? Вообще, откуда взялась эта надежность и как она работает? Пьер Кюри занимался вопросами симметрии в строении вещества. Вместе со старшим братом Жаком они проводили эксперименты над полудрагоценным минералом турмалином, подвергая кристалл внешним воздействиям. Они заметили, что изменение размеров кристалла после нагрева или охлаждения сопровождалось возникновением на его гранях электрических зарядов, противоположных по знаку, то есть образованием разности потенциалов, или напряжения. Так в 1880 году молодыми французскими учеными был открыт прямой пьезоэлектрический эффект. Через год они же доказали существование обратного эффекта: оказалось, электрическое поле заставляет кристалл деформироваться. Благодаря неуемному желанию человечества прогрессировать спустя 90 лет это открытие изменит всю часовую индустрию. За точность в часах отвечает колебательная система: чем равномернее ее колебания, тем меньшую ошибку дают часы. А эта равномерность, в свою очередь, связана с частотой колебаний: чем она выше, тем меньшее влияние на точность хода оказывают всевозможные внешние возмущения. Сердцем наручных механических часов является колебательная система «баланс-спираль».

В большинстве современных часов используются резонаторы с частотой 32 768 Гц, что в 8 000 раз выше частоты колебаний осциллятора механических часов – работать с такой скоростью не может ни один механический узел. Благодаря этому кварцевые часы имеют погрешность в среднем +/– 20 секунд в месяц. Не удивительно, что кварцевые часы с выиграли у механики хронометрическое соревнование. Отмашкой для старта тотального проникновения электроники во все сферы жизни человека стало изобретение в 1947 году в лаборатории Bell Labs транзистора. К тому моменту электронные лампы как прибор для усиления сигналов и управления электронными цепями использовались уже давно, и часовщики даже успели создать несколько конструкций электронных часов, в том числе – не базе кварцевого резонатора. Но те устройства – как и ламповые радиоприемники – были весьма громоздкими и потребляли изрядное количество энергии.

Транзистор позволил создать первые электронно-механические часы, в которых управление колебаниями осуществлялось бесконтактным способом. Автором прорыва в вопросе повышения частоты в наручных часах стал выдающийся швейцарский инженер Макс Хетцель, который по заказу Bulova Watch Company Switzerland первым использовал в часах транзистор. Так 10 октября 1960 года появились на свет легендарные Bulova Accutron – первые в мире часы, которые заслуженно можно именовать электронными. Их механизм состоял всего лишь из 27 частей, только 12 из которых были движущимися! После изобретения транзисторов достаточно малого размера, которые могли бы поместиться в корпусе наручных часов, наряду с камертонными часами компания ESA стала выпускать механизмы с привычной колебательной системой «спираль-баланс», но колебанием этой системы управлял транзистор, выполняющий функцию переключателя. Этот механизм получил название ESA Dynotron и стал массово выпускаться в 1968 году.

Частота колебаний осциллятора первоначально составляла 3 Гц, а позже была увеличена до 4 Гц. Естественно, такие механизмы получили огромное количество хронометрических сертификатов. ESA продавала эти механизмы фабрикам, которые потом помещали их в свои корпуса и продавали готовые часы. Практически одновременно со швейцарцами подобные транзисторные часы были разработаны немцами (Junghans 600, этот механизм был скопирован в советских («Луч» 3045) и японских (Citizen X-8, работал на частоте 6 Гц).

Впервые идею так называемых кристаллических часов выдвинули в 1927 году американские физики Моррисон, Гортон и Лэк. Проблемы стабилизации частоты радиопередатчиков и измерения нерегулярности вращения Земли требовали создания более точного стандарта времени, чем существовавшие тогда маятниковые часы. В уже упоминавшейся лаборатории «Белла» они построили кварцевый эталонный генератор частоты, для работы которого использовался обратный пьезоэффект. Помимо собственно генератора, сердцем которого был кристалл кварца, эти модели содержали так называемый делитель частоты – электронную схему, понижавшую частоту колебаний с нескольких тысяч герц до 10 Гц или 1 Гц, и импульсы этой частоты подавались на шаговый двигатель, приводивший в движение стрелки. Чем выше была исходная частота, т.е. точность, тем большее количество каскадов электронных ламп приходилось размещать в делителе.

Даже с использованием транзисторов делитель частоты представлял собой электронный блок, состоящий из многих десятков деталей и потреблявший изрядное количество энергии и имеющий весьма внушительные размеры. Однако основной принцип был понятен, оставалось напряженно работать над уменьшением размеров, понижением энергопотребления, стоимостью производства и сроком жизни батареи и кристалла.

И в этот момент началась борьба за компактность. Итак: 1955 год – американская компания Brush производит первый синтетический кристалл кварца. Теперь становится возможным выпуск идентичных кристаллов в больших количествах. 1956 – Patek Philippe, прозорливо создавшая сразу после открытия транзистора электронное подразделение, выпускает первый прототип полностью электронных кварцевых часов. 1959 – Джек Килби получает патент на первую в мире микросхему, что открывает путь к миниатюризации электронной части часов. 1960 – на Базельской выставке кварцевые часы представляют Ulysse Nardin и ESA. 1962 – Seiko производит свои первые кварцевые часы.

Кристалл кварца работает на частоте 12 кГц, а система электронных делителей уменьшает частоту импульсов до необходимых 2 Гц. В этой же категории представляет свою модель Seiko. 1965 – те же Longines и Bernard Golay S.A. на том же соревновании показывают первые карманные кварцевые часы в категории объема до 19,64 см3. Их точность была просто удивительной – 0,01 секунды в сутки! 1966 – вслед за швейцарцами первые карманные часы представляют и японцы. 1967 – американская лаборатория RCA запускает новую технологию интегральных схем МОП, которая существенно снижает потребление энергии. Вот оно, недостающее звено – теперь все компоненты, необходимые для изготовления кварцевого механизма, могут быть размещены в корпусе наручных часов В декабре 1969 года первые в мире наручные кварцевые часы в ограниченном количестве поступили в продажу в Японии. Это был калибр Seiko 3500, работавший на частоте 8192 Гц. А уже в следующем месяце японцы запускают в производство калибр 3502 с частотой 16 384 Гц – первые коммерческие кварцевые наручные часы. В начале 1970 года индустриально было выпущено и несколько сот часов с механизмом Beta 21, однако гонка европейцами была проиграна.

И этот проигрыш ознаменовал новую эру – эру кварцевых часов и эру японского технологического доминирования на рынке часовых механизмов. А также эру непрекращающихся споров о том, что же лучше надежность кварца или традиции механики. Споров сколь бессмысленных, столь и беспощадных.

все статьи