За несколько столетий человек смог значительно усовершенствовать наручные механические часы. Путем создания различных сложных по конструкции устройств удалось добиться точности хода до +-5 секунд в сутки. Но такие часы были сложны в изготовлении и, как следствие, очень дороги.

Электричество, все сильнее вторгавшееся во все области жизни человека, не могло обойти часовое дело. С появлением кварцевых технологий высокоточные часы стали доступны каждому жителю Земли, а качество часов стало зависеть не столько от мастерства и опыта людей, сколько от точности работы автоматических линий. Сегодня абсолютное большинство выпускаемых в мире часов относятся именно к кварцевым. Как они устроены, как работают и почему все больше людей отдают предпочтение именно кварцевым часам?

В двух словах

Основными элементами кварцевых часов являются электронный блок и шаговый электродвигатель. Электронный блок раз в секунду посылает импульс двигателю, а тот поворачивает стрелки.

Очень высокую стабильность частоты вырабатываемых импульсов, а значит, и высокую точность хода, обеспечивает кристалл кварца, из-за которого часы и получили свое название.

Батарейка, питающая электронный блок и двигатель, рассчитана на несколько лет работы и избавляет от необходимости заводить часы в течение всего этого срока. Получается уникальное сочетание высокой точности и удобства в использовании.
Иногда вместо циферблата со стрелками используется цифровой дисплей. Такие часы у нас принято называть электронными, но во всем мире их называют кварцевыми часами с цифровой индикацией. Это название подчеркивает, что, во-первых, основой часов является кварцевый генератор, а во-вторых, информация о времени  в них отображается в виде цифр.

По сути, кварцевые часы являются мини-компьютером. Запрограммировав соответствующим образом микросхему, их легко превратить в многофункциональное устройство: хронограф, секундомер, добавить к ним будильник и т.д. Причем, в  отличие от механических часов, их стоимость при этом возрастает не так сильно.

Зачем часам кристалл

Кристалл кварца обладает уникальными свойствами: при сжатии он порождает электрический импульс, а при воздействии электрического тока кварц сжимается. Таким образом, кристалл можно заставить сжиматься-разжиматься, т.е. колебаться, под воздействием электрического тока. Подбором размеров кристалла добиваются частоты резонанса 32768 герц.

Электронный блок кварцевых часов состоит из двух частей. Одна часть, генератор, вырабатывает электрические колебания, которые стабилизируются кварцевым кристаллом на его резонансной частоте. Таким образом, мы имеем генератор электрических колебаний, причем частота этих колебаний очень стабильна. Остается эти равномерные колебания превратить в равномерное же движение стрелок.

Генератор вырабатывает 32768 электрических колебаний в секунду. Это примерно в 10000 раз больше, чем число колебаний баланса в обыкновенных часах. Ни одно механическое устройство не может работать с такой скоростью. Поэтому другая часть электронной схемы, называемая делителем, преобразует эти колебания в импульсы частотой 1 герц. Эти импульсы подаются на обмотку шагового электродвигателя.

Двигатель состоит из статора, неподвижно закрепленной на нем катушки с обмоткой и ротора - постоянного магнита, насаженного на ось. При прохождении через катушку электрического импульса возникает магнитное поле, которое поворачивает ротор на пол-оборота. Ротор через систему шестерен вращает стрелки.

Какие часы точнее?

У механических часов точность зависит от множества факторов: температуры, положения часов, степени завода пружины, износа деталей, регулировки. В кварцевых часах все проще: частота импульсов, вырабатываемых кварцевым генератором, практически постоянна. А двигатель и стрелки - это просто исполнительное устройство, их дело - вращаться по команде. И если для механических часов хорошим результатом считается отклонение +-20 секунд в сутки, а +-5 секунд - почти предельным, то основная масса кварцевых часов обеспечивает точность около +-20 секунд в месяц,  а лучшие - до +-5 секунд в год. Даже дешевые кварцевые часы точнее механического хронометра.

Почему механизмы кварцевых часов часто делают пластмассовыми?

Все детали механических часов большую часть времени находятся под нагрузкой, которую создает заводная пружина, и только в очень малые моменты времени, когда баланс и анкерная вилка разрешают повернуться анкерному колесу, это напряжение падает.

Большие нагрузки, высокое контактное давление, требуют использования твердых материалов, таких как сталь, латунь, рубин. В кварцевых же часах все наоборот: большую часть времени детали свободны. И только когда шаговый двигатель поворачивает колеса, на короткое время детали оказываются нагруженными. Это позволяет использовать более мягкие материалы. К тому же мощность, развиваемая  шаговым двигателем, во много раз меньше мощности, развиваемой заводной пружиной.

Чтобы двигатель смог повернуть стрелки, детали кварцевого механизма должны быть как можно легче, а трение - меньше. Пластик легче стали, а при специальном подборе пластиков удается сделать трение в паре "пластик-пластик" в несколько раз меньше, чем в паре "сталь-латунь", обычно используемой в механике. Другими словами, в кварцевых часах использование пластика по многим причинам предпочтительнее.

Кстати, у Seiko, например, состав пластмасс, используемых в механизмах, запатентован.

Почему в кварцевых часах обычно нет камней?

Потому, что они там не нужны. Вопреки распространенному мнению, камни в механических часах используются не потому, что они позволяют снизить трение, а потому, что рубин тверже и лучше выдерживает контактное давление. А в кварцевых часах оно очень мало.

Обычно в кварцевых часах ставят один камень - нижнюю опору ротора шагового двигателя. Дело в том, что статор двигателя достаточно сильно "притягивает" ротор, и эта опора единственное место в часах, где контактное давление относительно велико.

Почему кварцевые часы дешевле?

Точность хода кварцевых часов определяется только параметрами генератора. Кварцевые часы не требуют тонкой ручной настройки при сборке, в них относительно мало деталей. Это позволяет большинство операций по изготовлению деталей и сборке механизма поручить автоматике. Естественно, себестоимость таких часов ниже.

Боятся ли кварцевые часы ударов?

В кварцевых часах нет деталей, чувствительных к ударам подобно оси баланса в механических. Фактически, все кварцевые часы являются противоударными. Они почти не чувствительны к обычным в реальной жизни ударам, которые выводят из строя механику. Но экспериментировать, проверяя их на прочность, мы не советуем.

Какие часы дольше прослужат?

Многие говорят, что механические часы служат намного дольше, чем кварцевые. В пример приводят экземпляры сто и даже двухсотлетней давности. Но многие ли из часов, выпущенных 100 - 200 лет назад, работают сегодня?

Сколько же прослужит "кварц"?

Колесный механизм у кварцевых часов имеет тот же ресурс, что и у механических. Очень долго прослужит и шаговый двигатель. Сегодня можно встретить работоспособные радиоприемники 20-х годов, т.е. ресурс электронных компонентов также велик и до конца еще не изучен. И, теоретически, хорошие кварцевые часы по долголетию не должны уступать механическим.

Статистики по "долгожительству" кварцевых часов пока не набрано, ведь они появились всего 30 лет назад. Но многие электронно-балансовые часы, выпущенные лет 40 назад, прекрасно ходят и по сей день.

С другой стороны, 100 лет назад часы передавали по наследству потому, что это была чрезвычайно редкая и дорогая вещь. Те времена давно прошли, сегодня все чаще мы покупаем новую вещь не потому, что старая испортилась, а потому, что она морально устарела. А срок, необходимый для морального устаревания, кварцевые часы выхаживают, доставляя владельцу минимум хлопот.

В нашей стране механические часы пока популярнее кварцевых. Но, по прогнозам зарубежных специалистов, в ближайшие годы ситуация будет резко меняться и через 4-5 лет доля кварцевых часов составит не менее 80% рынка.

Вячеслав МЕДВЕДЕВ
Опубликовано в журнале "Часовой Бизнес " №5-2000

Автор: При перепечатке активная ссылка на источник обязательна
При перепечатке активная ссылка обязательна

Теги: Технологии и материалы 5-2000