Het quartzhorloge is niet zomaar aangekomen. Het ontplofte.
Begin jaren zeventig was dit niet zomaar een uurwerk. Het was het nieuwste hightechgadget ter wereld. Die eerste modellen waren luxeartikelen. In de Verenigde Staten kosten ze ongeveer $ 500. Ze hadden rode LED-displays die oplichtten in het donker. Tegenwoordig is het landschap compleet anders.
De prijzen zijn ingestort. Je kunt nu gratis quartzhorloges vinden in ontbijtgranendozen. De technologie die ooit status signaleerde, is alomtegenwoordig geworden. Rozekwarts, de prachtige roze variant, zien we in goedkope beautyrollers en kristallen in de supermarkt. Maar onder de esthetische verschuiving schuilt een fundamentele verandering in de manier waarop we tijd meten.
Wat is een quartzhorloge?
In de kern gebruikt een kwartshorloge een kwartskristal om de tijd te regelen. Dit is anders dan de opwindbare mechanische horloges die eeuwenlang domineerden.
Het mechanische horloge is een technisch wonder. De ontwikkeling ervan begon aan het einde van de 14e eeuw. Innovaties door de jaren heen hebben deze apparaten dunner, betrouwbaarder en uiteindelijk zelfopwindend gemaakt. Het blijven indrukwekkende staaltjes van miniatuurmechanica.
Traditionele opwindhorloges zijn afhankelijk van een specifieke reeks componenten die al honderden jaren bestaan:
- Een drijfveer om stroom te leveren
- Een oscillerend balanswiel om de tijdbasis vast te stellen
- Wijzers om de tijd weer te geven
- Een opgesomde wijzerplaat
- Tandwielen om energie van de veer naar de handen over te brengen
Zie Hoe slingerklokken werken om de bredere context van mechanische tijdwaarneming te begrijpen. Deze systemen zijn traag. Ze tikken. Ze zijn onderhevig aan wrijving en zwaartekracht.
De stemvorkovergang
Tegen het einde van de jaren zestig was de industrie op zoek naar een upgrade. Bulova zette de eerste stap. Ze stapten af van het traditionele balanswiel.
In plaats daarvan gebruikten ze een transistoroscillator met een stemvork. Dit horloge tikte niet. Het neuriede. Het werkte op honderden Hertz. Dat zijn cycli per seconde. Het was veel sneller dan mechanische echappementen.
De stemvork verving het balanswiel en de veer. Het was een resonator uit één materiaal. Dit verminderde de wrijving en verbeterde de stabiliteit. De batterij verving de opwindveer. Hierdoor werd handmatig opwinden overbodig.
Tandwielen en wielen zetten de mechanische beweging van de stemvork nog steeds om in handbeweging. Maar het kerntimingmechanisme was veranderd. In de kern was het elektronisch, ook al waren de wijzers nog mechanisch.
De volgende logische stap
Horlogemakers erkenden eind jaren zestig een beperking. De stemvork was goed. Maar geïntegreerde schakelingen waren in opkomst. Deze waren erg nieuw. Hun prijzen daalden snel. Het aantal transistors in deze circuits groeide exponentieel.
Er was een duidelijk pad voorwaarts. De volgende stap vereiste een timingelement dat nog stabieler was dan een stemvork. Er was ook een geïntegreerd circuit voor nodig dat heel weinig stroom verbruikte. Waarom? Omdat het horloge op een kleine interne batterij werkte. Grote batterijen zouden het strakke ontwerp verpesten.
LED’s waren ook nieuw. Ze boden een digitaal display-alternatief voor handen. De industrie moest twee problemen tegelijkertijd oplossen. Ze hadden een nieuw timingelement nodig. Ze hadden elektronica met ultralaag vermogen nodig.
De oplossing lag in een materiële eigenschap. Piëzo-elektriciteit.
De kracht van piëzo-elektriciteit
Het kiezen van het juiste timingelement was niet moeilijk. Kwarts is duizenden keren beter dan een stemvork om de tijd bij te houden. Deze kristallen bestonden al jaren. De echte uitdaging was het vinden van geïntegreerde circuittechnologie die kon functioneren op een voldoende laag vermogen.
Kwarts is overal. Het geeft nauwkeurige frequenties aan radiozenders, ontvangers en computers. Die nauwkeurigheid komt voort uit een gelukkige reeks fysieke toevalligheden. Siliciumdioxide, dat in feite zand is, blijft honderden graden kristallijn. Het negeert de meeste oplosmiddelen.
De magie gebeurt als je erin knijpt. Het piëzo-elektrische effect zorgt ervoor dat kwarts bij samendrukking een lading of spanning op het oppervlak genereert. Zet er spanning op en hij buigt. Slechts een klein beetje.
Stel je een bel voor, gemaakt van één kwartskristal. Tik erop en hij gaat minutenlang over. Er gaat vrijwel geen energie verloren. De oscillatiesnelheid verandert niet met de temperatuur. Je kunt die oppervlaktespanning met elektroden aflezen. Versterk het. Plaats hem er weer in. Het kristal blijft rinkelen.
Je zou een klok van kwarts kunnen maken. Het is echter niet ideaal. Er lekt te veel energie de lucht in. Een rechte staaf of een schijf werkt beter. Een balk behoudt zijn frequentie zolang de lengte-breedteverhouding geldt.
Moderne horloges gebruiken kleine staafjes of stemvorken. Ze zijn vaak gemaakt van dunne platen kwarts. Plaat ze als een geïntegreerd circuit. Ets ze chemisch in vorm.
32 kilohertz is de standaardfrequentie voor horloges. Het is klein. Hogere frequenties hebben meer vermogen nodig. Vroege horlogemakers hebben miljoenen uitgegeven aan pogingen om geïntegreerde schakelingen te laten splitsen van de 1 naar 2 MHz die door schijfkristallen wordt gegenereerd.
Een goede tijdwaarneming is afhankelijk van de nauwkeurigheid van de initiële frequentie. De hoek van de snede ten opzichte van de kristallijne as is van belang. Dat geldt ook voor de hoeveelheid vuil die in het horloge terechtkomt.
De elektronica versterkt ruis op de kristalfrequentie. Dit bouwt oscillatie op. De oscillatoruitgang wordt omgezet in pulsen voor digitale circuits. Of, als er handen zijn, creëren de verdelers pulsen van één seconde. Een kleine motor drijft de tandwielen aan.
Precisie ontmoet betaalbaarheid
Quartz-horloges hebben de industrie veranderd. Ze combineren precisie met duurzaamheid en betaalbaarheid. Mechanische horloges kunnen niet concurreren met de consistentie van kwartsoscillaties.
Batterijvermogen betekent minder bewegende delen. Dat vergroot de betrouwbaarheid. Het onderhoud daalt aanzienlijk.
Horologie heeft altijd van innovatie gehouden. Quartz combineert traditionele uitstraling met moderne efficiëntie. Naarmate de technologie evolueert, blijven deze uurwerken een bewijs van die geest.
Over de auteur
Douglas Dwyer richtte Frequency Precision Ltd. op. Hij adviseert voor de elektronica-industrie. Hij is sinds het midden van de jaren zestig actief in de frequentiecontrole. Hij heeft geschreven over kristaloscillatoren, temperatuurgecompenseerde versies en ovengestuurde modellen. Oppervlakte-akoestische golfoscillatoren vormen een ander gebied van zijn expertise. Industriële fabricagetechnologieën maken ook deel uit van zijn werk. Hij is geïnteresseerd in de geschiedenis van klokken sinds hij begon met het ontwerpen van quartzhorloges.
