Кварцевые часы не просто появились. Они взорвались.
В начале 1970-х годов это был не просто прибор для измерения времени. Это был новейший высокотехнологичный гаджет на планете. Первые модели были предметами роскоши. Они стоили около 500 долларов в США. Они оснащались красными светодиодными (LED) дисплеями, которые светились в темноте. Сегодня ситуация полностью изменилась.
Цены рухнули. Теперь кварцевые часы можно найти бесплатно в коробках с хлопьевыми завтраками. Технология, которая когда-то сигнализировала о статусе, стала повсеместной. Мы видим розовый кварц, красивую розовую разновидность минерала, в дешевых массажных роликах для красоты и кристаллах в супермаркетах. Но за эстетическими изменениями скрывается фундаментальное изменение в том, как мы измеряем время.
Что такое кварцевые часы?
В основе кварцевых часов лежит использование кварцевого кристалла для регулирования времени. Это отличается от механических часов с заводом от руки, которые доминировали на протяжении веков.
Механические часы — это инженерное чудо. Их разработка началась в конце XIV века. Инновации на протяжении многих лет делали эти устройства более тонкими, надежными и в конечном итоге автоматическими. Они остаются впечатляющими достижениями микромашиностроения.
Традиционные часы с заводом от руки полагаются на определенный набор компонентов, которые существуют уже сотни лет:
- Бочкообразная пружина для подачи энергии
- Качающийся балансир для создания временной базы
- Стрелки для отображения времени
- Циферблат с нанесенными делениями
- Шестерни для передачи энергии от пружины к стрелкам
Смотрите, как работают маятниковые часы, чтобы понять более широкий контекст механического хронометража. Эти системы медленные. Они тикают. Они подвержены трению и влиянию гравитации.
Переход к камертону
К концу 1960-х годов индустрия искала обновление. Компания Bulova сделала первый шаг. Она отказалась от традиционного балансового колеса.
Вместо этого она использовала транзисторный генератор с камертоном. Эти часы не тикали. Они гудели. Они работали на частоте в сотни герц. То есть циклов в секунду. Это было намного быстрее, чем механические анкерные ходы.
Камертон заменил балансир и спиральную пружину. Он представлял собой резонатор из одного материала. Это снизило трение и улучшило стабильность. Батарея заменила заводную пружину. Это устранило необходимость ручной заправки.
Шестерни и колеса по-прежнему преобразовывали механическое движение камертона в движение стрелок. Но основной механизм хронометража изменился. В своей основе он стал электронным, даже если стрелки оставались механическими.
Следующий логический шаг
Часовщики в конце 1960-х годов осознали ограничение. Камертон был хорош. Но появлялись интегральные схемы. Они были совсем новыми. Их цены быстро падали. Количество транзисторов в этих схемах росло экспоненциально.
Был ясный путь вперед. Следующий шаг требовал элемента хронометража, который был бы еще более стабильным, чем камертон. Он также требовал интегральную схему с очень низким энергопотреблением. Почему? Потому что часы работали от крошечной внутренней батареи. Большие батареи испортили бы изящный дизайн.
Светодиоды (LED) также были новинкой. Они предлагали цифровое отображение в качестве альтернативы стрелкам. Индустрии нужно было одновременно решить две проблемы. Ей нужен был новый элемент хронометража. Ей нужна была электроника с ультранизким энергопотреблением.
Решение заключалось в свойстве материала. Пьезоэлектричество.
Сила пьезоэлектричества
Выбрать правильный элемент таймера было несложно. Кварц в тысячи раз превосходит камертон по точности поддержания времени. Эти кристаллы использовались уже много лет. Настоящей проблемой стала интеграция полупроводниковых технологий, способных работать при достаточно низком энергопотреблении.
Кварц повсюду. Он обеспечивает точные частоты для радиопередатчиков, приемников и компьютеров. Эта точность обусловлена удачным совпадением физических свойств. Диоксид кремния, который по сути является песком, сохраняет кристаллическую структуру при температурах в сотни градусов. Он устойчив к большинству растворителей.
Магия происходит, когда вы сжимаете его. Пьезоэлектрический эффект заставляет кварц генерировать электрический заряд или напряжение на своей поверхности при сжатии. Если приложить к нему напряжение, он немного изгибается.
Представьте себе колокол, выточенный из единого кристалла кварца. Ударьте по нему, и он будет звенеть несколько минут. Практически нет потерь энергии. Частота колебаний не меняется с температурой. Вы можете снять это поверхностное напряжение с помощью электродов. Усилить его. Вернуть обратно. Кристалл продолжает звенеть.
Вы могли бы сделать кварцевый колокол. Но это не идеально. Слишком много энергии утекает в воздух. Прямая полоска или диск работают лучше. Полоска сохраняет свою частоту до тех пор, пока сохраняется соотношение длины к ширине.
Современные часы используют крошечные полоски или формы в виде камертона. Они часто изготавливаются из тонких листов кварца. Нанесите на них структуру, как в интегральной схеме. Вытравите их химическим способом, чтобы придать форму.
32 килогерца — стандартная частота для часов. Она небольшая. Более высокие частоты требуют больше энергии. Ранние часовщики потратили миллионы долларов, пытаясь заставить интегральные схемы делить частоту 1–2 МГц, генерируемую дисковыми кристаллами.
Хороший хронометраж зависит от точности начальной частоты. Угол резки относительно кристаллографической оси имеет значение. Также важно, сколько загрязнений попадет внутрь часов.
Электроника усиливает шум на частоте кристалла. Это приводит к возникновению колебаний. Выходной сигнал генератора преобразуется в импульсы для цифровых схем. Или, если есть стрелки, делители создают импульсы с периодом в одну секунду. Крошечный двигатель приводит в движение шестерни.
Точность встречается с доступностью
Кварцевые часы изменили индустрию. Они сочетают точность с долговечностью и доступностью. Механические часы не могут конкурировать с стабильностью кварцевых колебаний.
Питание от батареи означает меньшее количество движущихся частей. Это повышает надежность. Значительно снижается необходимость в обслуживании.
Горология всегда любила инновации. Кварц сочетает традиционную привлекательность с современной эффективностью. По мере развития технологий эти часы остаются свидетельством этого духа.
Об авторе
Дуглас Двайер основал компанию Frequency Precision Ltd. Он консультирует электронную промышленность. Он работает в области управления частотой с середины 1960-х годов. Он писал о кварцевых генераторах, их температурно-компенсированных версиях и моделях с термостатированием. Генераторы на поверхностных акустических волнах — еще одна область его экспертизы. Технологии промышленного производства также являются частью его работы. Он интересуется историей часов с тех пор, как начал проектировать кварцевые часы.
