Quarzuhr

Eine einfache analoge Quarzuhr ⓘ

Platine eines e-Blocks aus einer Chronographen-Armbanduhr. Quarzoszillatorkristall auf der rechten Seite. ⓘ

Quarzuhren sind Zeitmesser, die einen elektronischen Oszillator verwenden, der von einem Quarzkristall gesteuert wird, um die Zeit zu halten. Dieser Kristalloszillator erzeugt ein Signal mit sehr präziser Frequenz, so dass Quarzuhren mindestens eine Größenordnung genauer sind als mechanische Uhren. In der Regel zählt eine Art digitale Logik die Zyklen dieses Signals und liefert eine numerische Zeitanzeige, in der Regel in Einheiten von Stunden, Minuten und Sekunden. ⓘ

Seit den 1980er Jahren, als das Aufkommen der digitalen Festkörperelektronik es ermöglichte, sie kompakt und kostengünstig zu gestalten, sind Quarzzeitmesser die weltweit am häufigsten verwendete Technologie zur Zeitmessung und werden in den meisten Uhren sowie in Computern und anderen Geräten zur Zeitmessung eingesetzt. ⓘ

Eine Quarzuhr ist eine elektromechanische oder vollelektronische Uhr, deren Taktgeber (als Zeitnormal) ein als Uhrenquarz ausgebildeter Schwingquarz ist. Neben Quarzuhren mit Skalenanzeige oder Ziffernanzeige gibt es solche ohne Anzeige, welche üblicherweise in Computersystemen die Information über die Zeit als elektrisches Signal ausgeben und als Echtzeituhr bezeichnet werden. Das Uhrwerk einer elektronischen Quarzuhr bezeichnet man als Quarzwerk. Viele Uhrenhersteller verwenden nach englischem Sprachgebrauch die Schreibung „Quartz“. ⓘ

Früher Quarzwecker mit Skalenanzeige ⓘ

Erläuterung

Zerlegtes analoges Quarzuhrwerk; Echtzeituhr (RTC)-Quarzkristall-Oszillatoreinheit (oben links), Lavet-Schrittmotor (links) mit schwarzem Rotorrad und angeschlossenen weißen und transparenten Zahnrädern (rechts). Diese Zahnräder steuern die Bewegung des Sekunden-, Minuten- und Stundenzeigers. ⓘ

Grundlegendes Quarz-Armbanduhrwerk. Unten rechts: Quarzkristall-Oszillator, links: Knopfzellenbatterie, oben rechts: Oszillatorzähler, digitaler Frequenzteiler und Treiber für den Schrittmotor (unter schwarzem Epoxidharz), oben links: die Spule des Schrittmotors, der die Zeiger antreibt. ⓘ

Chemisch gesehen handelt es sich bei Quarz um eine bestimmte Form einer Verbindung namens Siliziumdioxid. Viele Materialien können zu Platten geformt werden, die in Resonanz gehen. Quarz ist jedoch auch ein piezoelektrisches Material: Wenn ein Quarzkristall mechanisch belastet wird, z. B. durch Biegen, sammelt er elektrische Ladung in einigen Ebenen an. Umgekehrt verbiegt sich ein Quarzkristall, wenn Ladungen über die Kristallebene gelegt werden. Da Quarz durch ein elektrisches Signal direkt angetrieben (gebogen) werden kann, ist kein zusätzlicher Wandler erforderlich, um ihn in einem Resonator zu verwenden. Ähnliche Kristalle werden in einfachen Tonabnehmern verwendet: Durch die Bewegung der Nadel wird ein Quarzkristall verformt, der eine kleine Spannung erzeugt, die verstärkt und über Lautsprecher wiedergegeben wird. Quarzmikrofone sind immer noch erhältlich, wenn auch nicht sehr verbreitet. ⓘ

Ein weiterer Vorteil von Quarz ist, dass sich seine Größe bei Temperaturschwankungen kaum verändert. Quarzglas wird häufig für Laborgeräte verwendet, die ihre Form nicht mit der Temperatur verändern dürfen. Die Resonanzfrequenz einer Quarzplatte wird sich aufgrund ihrer Größe nicht wesentlich erhöhen oder verringern. Da sich die Form des Resonators nicht ändert, bleibt eine Quarzuhr auch bei Temperaturschwankungen relativ genau. ⓘ

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts suchten Radioingenieure nach einer präzisen, stabilen Quelle für Radiofrequenzen und begannen zunächst mit Stahlresonatoren. Als Walter Guyton Cady jedoch feststellte, dass Quarz mit weniger Geräten und besserer Temperaturstabilität in Resonanz treten kann, verschwanden die Stahlresonatoren innerhalb weniger Jahre. Später entdeckten Wissenschaftler des National Institute of Standards and Technology (damals das U.S. National Bureau of Standards), dass ein Kristalloszillator genauer sein kann als eine Pendeluhr. ⓘ

Der elektronische Schaltkreis ist ein Oszillator, ein Verstärker, dessen Ausgangssignal durch den Quarzresonator geleitet wird. Der Resonator fungiert als elektronischer Filter, der alle Frequenzen bis auf die eine, die von Interesse ist, eliminiert. Der Ausgang des Resonators führt zurück zum Eingang des Verstärkers, und der Resonator sorgt dafür, dass der Oszillator genau mit der gewünschten Frequenz läuft. Beim Einschalten des Schaltkreises kann ein einziges Schussrauschen (das in elektronischen Schaltkreisen immer vorhanden ist) den Oszillator kaskadenartig auf der gewünschten Frequenz zum Schwingen bringen. Wäre der Verstärker vollkommen rauschfrei, würde der Oszillator nicht anlaufen. ⓘ

Die Frequenz, mit der der Kristall schwingt, hängt von seiner Form, Größe und der Kristallebene ab, auf der der Quarz geschliffen ist. Auch die Positionen, an denen die Elektroden angebracht sind, können die Stimmung leicht verändern. Wenn der Quarz genau geformt und positioniert ist, schwingt er mit der gewünschten Frequenz. Bei fast allen Quarzuhren beträgt die Frequenz 32768 Hz, und der Kristall ist in Form einer kleinen Stimmgabel auf einer bestimmten Kristallebene geschliffen. Diese Frequenz ist eine Zweierpotenz (32768 = 2¹⁵), gerade hoch genug, um den menschlichen Hörbereich zu überschreiten, aber niedrig genug, um den Stromverbrauch auf einem bescheidenen Niveau zu halten und preiswerte Zähler zur Ableitung eines 1-Sekunden-Impulses zu ermöglichen. Der Datenleitungsausgang eines solchen Quarzresonators geht 32768 Mal pro Sekunde hoch und runter. Diese Daten werden in ein Flip-Flop (im Wesentlichen zwei Transistoren mit ein paar Querverbindungen) eingespeist, das immer dann von Low auf High oder umgekehrt wechselt, wenn die Leitung des Quarzes von High auf Low wechselt. Das Ausgangssignal wird in ein zweites Flipflop eingespeist und so weiter durch eine Kette von 15 Flipflops, von denen jedes als effektiver Frequenzteiler mit einer Potenz von 2 fungiert, indem es die Frequenz des Eingangssignals durch 2 teilt. Das Ergebnis ist ein binärer digitaler 15-Bit-Zähler, der von der Frequenz angetrieben wird und einmal pro Sekunde überläuft, was einen digitalen Impuls pro Sekunde erzeugt. Der Sekundenpuls-Ausgang kann zur Ansteuerung vieler Arten von Uhren verwendet werden. Bei analogen Quarzuhren und Armbanduhren wird der elektrische Sekundenimpuls-Ausgang fast immer auf einen Schrittmotor vom Typ Lavet übertragen, der die elektronischen Eingangsimpulse der Flip-Flop-Zähleinheit in einen mechanischen Ausgang umwandelt, der zum Bewegen der Zeiger verwendet werden kann. ⓘ

Jedes Flip-Flop senkt die Frequenz um den Faktor 2 ⓘ

Bei Quarzuhren ist es auch möglich, den Quarzkristall mit einer höheren Frequenz als 32768 (= 2¹⁵) Hz schwingen zu lassen (Hochfrequenz-Quarzwerke) und/oder digitale Impulse mehr als einmal pro Sekunde zu erzeugen, um einen schrittmotorbetriebenen Sekundenzeiger mit einer höheren Leistung von 2 als einmal pro Sekunde anzutreiben, aber der Stromverbrauch (Belastung der Batterie) steigt, da höhere Schwingungsfrequenzen und jede Aktivierung des Schrittmotors Energie kosten, wodurch solche kleinen batteriebetriebenen Quarzuhrwerke relativ selten sind. Einige analoge Quarzuhren verfügen über einen Sekundenzeiger, der von einem batterie- oder netzbetriebenen Elektromotor angetrieben wird, was oft zu einem geringeren mechanischen Ausgangsgeräusch führt. ⓘ

Nahaufnahme eines Uhrenquarzes in Stimmgabelform ohne Gehäuse ⓘ

Quarz ist ein piezoelektrisches Material: Mechanische Verformungen erzeugen ein elektrisches Feld, und externe elektrische Felder bewirken mechanische Verformungen. Schwingquarze sind daher zu elektromechanischen Resonanzschwingungen fähige Bauelemente. Sie halten ihre Nennfrequenz innerhalb sehr geringer relativer Fehlergrenzen (typ.: 10⁻⁵ ≈ 1 s pro Tag) ein und eignen sich daher als genaue Taktgeber in Uhren. Die Resonanzfrequenz eines Kristallblocks von wenigen Millimetern Größe, der problemlos in ein übliches Uhrgehäuse passt, liegt bei diesem harten Material sehr hoch, nämlich im Megahertzbereich. Solch hohe Frequenzen sind aber unhandlich für Uhren. ⓘ

Der Sekundenpuls treibt entweder einen Lavet-Schrittmotor oder elektrischen Unruhschwinger in einem mechanischen Uhrwerk an oder gibt den Takt für eine elektronische Schaltung vor. Die Anzeige erfolgt mit mechanischen Zeigern, Flüssigkristallbildschirm (LCD) oder Leuchtdioden (LED). ⓘ

Quarzuhrwerk; erkennbar im Uhrzeigersinn: die Spule des Lavet-Schrittmotors und der Schwingquarz ⓘ

Die Hauptkomponenten einer Quarzuhr sind ein Taktgeber auf Basis von Quarzschwingungen, eine Elektronik zur Verarbeitung der Takte und der Benutzereingaben, ein Anzeigeteil zur Darstellung von Zeitinformationen sowie gegebenenfalls Betriebszuständen der Uhr und eine Energieversorgung. ⓘ

Als Energiequelle kommen anstelle eines durch Gewichte oder Feder angetriebenen mechanischen Pendels bzw. einer Unruh zum Einsatz:

• das Stromnetz (bei größeren Uhren)
• eine mobile Stromversorgung wie Akku oder Batterie (meist eine AA- oder Knopfzelle)
• ein hochkapazitiver Doppelschichtkondensator mit Aufladung durch einen Schwungmassengenerator (ähnlich dem Aufzugsmechanismus bei automatischen Uhren) oder
• ein Kondensator, der von einer meist auf oder unter dem Zifferblatt angebrachter Solarzelle geladen wird. ⓘ

Quarzuhren können – genau wie mechanische Uhren – verschiedene „Komplikationen“ aufweisen, sodass Armbanduhren beispielsweise zusätzliche Zeiger haben und Datum, Chronographen, Ewigen Kalender, Mondphase, zwei Wecker, Abwärtstimer und eine zweite Zeitzone (24-Stunden-Anzeige) anzeigen können. ⓘ

Mechanismus

Abbildung eines Quarzkristall-Resonators, der in Quarzuhren als zeithaltende Komponente verwendet wird, mit abgenommenem Gehäuse. Er hat die Form einer Stimmgabel. Die meisten dieser Quarzkristalle schwingen mit einer Frequenz von 32768 Hz. ⓘ

In modernen Quarzuhren von Standardqualität hat der Quarzkristallresonator oder -oszillator die Form einer kleinen Stimmgabel (XY-Schnitt), die mit Laser getrimmt oder präzise geläppt wurde, um mit 32768 Hz zu schwingen. Diese Frequenz entspricht 2¹⁵ Zyklen pro Sekunde. Die Potenz 2 ist so gewählt, dass eine einfache Kette digitaler Teiler durch 2 das 1-Hz-Signal ableiten kann, das für den Antrieb des Sekundenzeigers der Uhr benötigt wird. In den meisten Uhren befindet sich der Resonator in einem kleinen zylindrischen oder flachen Gehäuse von etwa 4 mm bis 6 mm Länge. Der 32768-Hz-Resonator ist so üblich geworden, weil ein Kompromiss zwischen der großen physischen Größe von Niederfrequenzquarzen für Uhren und dem großen Stromverbrauch von Hochfrequenzquarzen gefunden wurde, der die Lebensdauer der Uhrenbatterie verringert. ⓘ

Die Grundformel für die Berechnung der Grundfrequenz (f) der Schwingung eines Auslegers in Abhängigkeit von seinen Abmessungen (quadratischer Querschnitt) lautet ⓘ

$f={\frac {1.875104^{2}}{2\pi }}{\frac {a}{l^{2}}}{\sqrt {\frac {E}{12\rho }}},$ ⓘ

wobei

1,875104 (gerundet) ist die kleinste positive Lösung der Gleichung cos(x) cosh(x) = -1,

l ist die Länge des Auslegers,

a ist die Dicke des Auslegers entlang der Bewegungsrichtung,

E ist sein Elastizitätsmodul,

ρ ist seine Dichte. ⓘ

Ein Cantilever aus Quarz (E = 10¹¹N/m² = 100 GPa und ρ = 2634 kg/m³) mit einer Länge von 3 mm und einer Dicke von 0,3 mm hat also eine Grundfrequenz um 33 kHz. Der Quarz ist genau auf 2¹⁵ = 32768 Hz abgestimmt oder läuft mit Hemmungskompensation auf einer etwas höheren Frequenz (siehe unten). ⓘ

Genauigkeit

Die relative Stabilität des Quarzresonators und seiner Treiberschaltung ist viel besser als seine absolute Genauigkeit. Für 32768-Hz-Standardresonatoren dieses Typs wird eine Langzeitgenauigkeit von etwa sechs Teilen pro Million (0,0006 %) bei 31 °C garantiert, d. h. eine typische Quarzuhr oder Armbanduhr geht innerhalb von 30 Tagen um 15 Sekunden vor oder zurück (innerhalb eines normalen Temperaturbereichs von 5 bis 35 °C) bzw. weniger als eine halbe Sekunde pro Tag, wenn sie in Körpernähe getragen wird. ⓘ

Temperatur- und Frequenzschwankungen

Obwohl Quarz einen sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, sind Temperaturschwankungen die Hauptursache für Frequenzschwankungen bei Kristalloszillatoren. Die naheliegendste Möglichkeit, die Auswirkungen der Temperatur auf die Schwingungsrate zu verringern, besteht darin, den Kristall auf einer konstanten Temperatur zu halten. Für Oszillatoren in Laborqualität wird ein ofengesteuerter Kristalloszillator verwendet, bei dem der Kristall in einem sehr kleinen Ofen auf konstanter Temperatur gehalten wird. Diese Methode ist jedoch für Quarzuhrwerke und Armbanduhren unpraktisch. ⓘ

Die Quarzebenen und die Abstimmung der in Armbanduhren verwendeten Quarzresonatoren sind für eine minimale Temperaturempfindlichkeit in Bezug auf ihre Auswirkungen auf die Frequenz ausgelegt und funktionieren am besten in einem Temperaturbereich von etwa 25 bis 28 °C (77 bis 82 °F). Die genaue Temperatur, bei der der Kristall am schnellsten schwingt, wird als "Umkehrpunkt" bezeichnet und kann innerhalb bestimmter Grenzen gewählt werden. Ein gut gewählter Umkehrpunkt kann die negativen Auswirkungen der temperaturbedingten Frequenzdrift minimieren und somit die praktische Zeitmessgenauigkeit eines Quarzoszillators der Verbraucherklasse verbessern, ohne dass dies mit erheblichen Mehrkosten verbunden ist. Eine höhere oder niedrigere Temperatur führt zu einer (langsameren) Oszillationsrate von -0,035 ppm/°C². Eine Temperaturabweichung von ±1 °C führt also zu einer Ratenänderung von (±1)² × -0,035 ppm = -0,035 ppm, was -1,1 Sekunden pro Jahr entspricht. Erfährt der Quarz hingegen eine Temperaturabweichung von ±10 °C, so beträgt die Gangänderung (±10)² × -0,035 ppm = -3,5 ppm, was -110 Sekunden pro Jahr entspricht. ⓘ

Die Hersteller von Quarzuhren verwenden eine vereinfachte Version der Methode des ofengesteuerten Kristalloszillators, indem sie empfehlen, ihre Uhren regelmäßig zu tragen, um eine optimale Zeitmessung zu gewährleisten. Das regelmäßige Tragen einer Quarzuhr verringert das Ausmaß der Temperaturschwankungen in der Umgebung erheblich, da ein korrekt konstruiertes Uhrengehäuse einen zweckmäßigen Kristallofen bildet, der die stabile Temperatur des menschlichen Körpers nutzt, um den Kristalloszillator in seinem genauesten Temperaturbereich zu halten. ⓘ

Verbesserung der Ganggenauigkeit

Einige Uhrwerkskonstruktionen verfügen über Funktionen zur Verbesserung der Ganggenauigkeit oder zur Selbstmessung und -regulierung. Das bedeutet, dass ihr Computerprogramm nicht nur die Schwingungen zählt, sondern die einfache Zählung anhand eines Verhältnisses zwischen einer im Werk eingestellten Epoche und der letzten Zeit, zu der die Uhr eingestellt wurde, skaliert. Uhren, die manchmal nach dem Verlassen des Werks von Servicezentren mit Hilfe eines Präzisionszeitmessers und eines Einstellterminals reguliert werden, werden auch genauer, wenn ihr Quarzkristall altert und die etwas unvorhersehbaren Alterungseffekte entsprechend kompensiert werden. ⓘ

Autonome, hochpräzise Quarzwerke, selbst in Armbanduhren, können auf ±1 bis ±25 Sekunden pro Jahr genau sein und können als Marinechronometer zur Bestimmung des Längengrads (der Ost-West-Position eines Punktes auf der Erdoberfläche) mittels Himmelsnavigation zertifiziert und verwendet werden. Wenn die Zeit am Nullmeridian (oder einem anderen Ausgangspunkt) genau genug bekannt ist, kann die Himmelsnavigation die geographische Länge bestimmen, und je genauer die Zeit bekannt ist, desto genauer ist die Bestimmung des Breitengrades. Bei 45° Breite entspricht eine Sekunde Zeit in der Länge 1.077,8 Fuß (328,51 m), oder eine Zehntelsekunde entspricht 107,8 Fuß (32,86 m). ⓘ

Thermische Kompensation

Omega 4,19 MHz Hochfrequenz-Quarzresonator-Schiffschronometer mit einer Genauigkeit von weniger als ± 5 Sekunden pro Jahr, ausgestellt von der französischen Marine

Analog-digitaler Chronograph von Citizen mit Empfang von Funkzeitsignalen in 4 Bereichen (Nordamerika, Europa, China, Japan) und funkgesteuerter Synchronisation

Genauigkeitsverbesserte Quarzuhren ⓘ

Ein computergestütztes, hochpräzises Quarzwerk kann seine Temperatur messen und ausgleichen. In hochwertigen Quarzuhren wurden sowohl analoge als auch digitale Temperaturkompensationen eingesetzt. In teureren High-End-Quarzuhren kann die Temperaturkompensation durch Variation der Anzahl der zu sperrenden Zyklen in Abhängigkeit von der Ausgabe eines Temperatursensors erfolgen. Der COSC-Standard für die durchschnittliche tägliche Ganggenauigkeit von offiziell zertifizierten COSC-Quarzchronometern beträgt ±25,55 Sekunden pro Jahr bei 23 °C oder 73 °F. Um das COSC-Chronometergütesiegel zu erhalten, muss ein Quarzinstrument thermokompensiert und streng gekapselt sein. Jeder Quarzchronometer wird 13 Tage lang in einer Position, bei 3 verschiedenen Temperaturen und 4 verschiedenen relativen Luftfeuchtigkeiten getestet. Nur etwa 0,2% der in der Schweiz hergestellten Quarzuhren sind von der COSC als Chronometer zertifiziert. Diese COSC-zertifizierten Chronometerwerke können als Marinechronometer zur Bestimmung der geografischen Länge mit Hilfe der Himmelsnavigation verwendet werden. ⓘ

Zusätzliche Methoden zur Verbesserung der Genauigkeit

Seit 2019 ist ein autonomes, lichtbetriebenes, hochpräzises Quarzuhrwerk im Handel erhältlich, das eine Genauigkeit von ± 1 Sekunde pro Jahr aufweisen soll. Schlüsselelemente zur Erzielung der behaupteten hohen Genauigkeit sind die Verwendung eines für eine Uhr ungewöhnlich geformten (AT-cut) Quarzkristalls, der mit einer Frequenz von 2²³ oder 8388608 Hz betrieben wird, die thermische Kompensation und die manuelle Auswahl vorgealterter Quarze. AT-Schliff-Variationen ermöglichen nicht nur größere Temperaturtoleranzen, insbesondere im Bereich von -40 bis 125 °C, sondern weisen auch geringere Abweichungen aufgrund von gravitativen Orientierungsänderungen auf. Dadurch werden Fehler, die durch die räumliche Orientierung und Positionierung verursacht werden, weniger problematisch. Im März 2019 wurden drei Armbanduhrmodelle in limitierter Auflage mit dem hochpräzisen Uhrwerk Kaliber 0100 angekündigt, die im Herbst 2019 ausgeliefert werden sollen. ⓘ

Hemmungsausgleich

Viele preiswerte Quarzuhren verwenden eine als Inhibitionskompensation bekannte Bewertungs- und Kompensationstechnik. Dabei wird der Quarz absichtlich so eingestellt, dass er etwas schneller läuft. Nach der Herstellung wird jedes Modul im Werk anhand einer Präzisionsuhr kalibriert und so eingestellt, dass die Zeit genau eingehalten wird, indem die digitale Logik so programmiert wird, dass eine kleine Anzahl von Quarzzyklen in regelmäßigen Abständen, z. B. 10 Sekunden oder 1 Minute, übersprungen wird. Für ein typisches Quarzwerk ermöglicht dies programmierte Anpassungen in 7,91 Sekunden pro 30 Tage für 10-Sekunden-Intervalle (bei einem 10-Sekunden-Messgate) oder programmierte Anpassungen in 1,32 Sekunden pro 30 Tage für 60-Sekunden-Intervalle (bei einem 60-Sekunden-Messgate). Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass die digitale Programmierung, bei der die Anzahl der zu unterdrückenden Impulse in einem nichtflüchtigen Speicherregister auf dem Chip gespeichert wird, weniger kostspielig ist als die ältere Technik des Trimmens der Quarz-Stimmgabelfrequenz. Die Inhibitionskompensationslogik einiger Quarzuhrwerke kann von Servicezentren mit Hilfe eines professionellen Präzisionszeitmessers und eines Einstellterminals nach dem Verlassen des Werks reguliert werden, obwohl viele preiswerte Quarzuhrwerke diese Funktion nicht bieten. ⓘ

Externe Zeitsignalkorrektur

Wenn ein Quarzwerk täglich "bewertet" wird, indem seine Zeitnahmeeigenschaften anhand eines Funkzeitsignals oder eines Satellitenzeitsignals gemessen werden, um festzustellen, wie viel Zeit das Uhrwerk zwischen den Zeitsignalempfängen gewonnen oder verloren hat, und wenn an den Schaltkreisen Anpassungen vorgenommen werden, um die Zeitnahme zu "regulieren", dann wird die korrigierte Zeit auf ±1 Sekunde pro Jahr genau sein. Dies ist mehr als ausreichend, um die Längengradbestimmung durch Himmelsnavigation durchzuführen. Diese Quarzwerke werden mit der Zeit ungenauer, wenn kein externes Zeitsignal empfangen und intern verarbeitet wurde, um die Zeit automatisch einzustellen oder zu synchronisieren, und ohne eine solche externe Kompensation werden sie im Allgemeinen auf eine autonome Zeitmessung zurückgreifen. Das United States National Institute of Standards and Technology (NIST) hat Richtlinien veröffentlicht, in denen empfohlen wird, dass diese Uhrwerke die Zeit zwischen den Synchronisationen mit einer Genauigkeit von ±0,5 Sekunden halten, um die Zeit auf die nächste Sekunde gerundet korrekt zu halten. Einige dieser Uhrwerke können die Zeit zwischen den Synchronisationen auf ±0,2 Sekunden genau einhalten, indem sie über einen Tag verteilt mehrmals synchronisiert werden. ⓘ

Alterung von Quarzkristallen

Uhrenquarze werden in einer extrem sauberen Umgebung hergestellt und dann in hermetisch verschlossenen Behältern durch ein inertes Ultrahochvakuum geschützt. Trotz dieser Maßnahmen kann sich die Frequenz eines Quarzes im Laufe der Zeit langsam verändern. Die Auswirkung der Alterung ist jedoch viel geringer als die Auswirkung der durch Temperaturschwankungen verursachten Frequenzschwankungen, und die Hersteller können ihre Auswirkungen abschätzen. Im Allgemeinen führt der Alterungseffekt dazu, dass die Frequenz eines bestimmten Quarzes sinkt, er kann aber auch die Frequenz eines bestimmten Quarzes erhöhen. ⓘ

Faktoren, die im Laufe der Zeit eine geringe Frequenzdrift verursachen können, sind Spannungsabbau in der Montagestruktur, Verlust der hermetischen Abdichtung, Verunreinigung des Kristallgitters, Feuchtigkeitsaufnahme, Veränderungen im oder am Quarzkristall, starke Stoß- und Vibrationseinwirkungen und die Einwirkung sehr hoher Temperaturen. Die Alterung von Quarzkristallen verläuft in der Regel logarithmisch, d. h. die maximale Frequenzänderungsrate tritt unmittelbar nach der Herstellung auf und nimmt danach ab. Der größte Teil der Alterung findet innerhalb des ersten Jahres der Lebensdauer des Kristalls statt. Die Alterung der Quarze hört schließlich auf (asymptotisch), kann aber viele Jahre dauern. Die Hersteller von Uhrwerken können die Kristalle vor dem Einbau in die Uhrwerke voraltern lassen. Um die Alterung zu beschleunigen, werden die Kristalle hohen Temperaturen ausgesetzt. Wenn ein Quarz vorgealtert ist, kann der Hersteller seine Alterungsraten (genau genommen die Koeffizienten in der Alterungsformel) messen und die Korrekturen im Laufe der Zeit von einem Mikrocontroller ausrechnen lassen. Die Erstkalibrierung eines Uhrwerks bleibt länger genau, wenn die Quarze vorgealtert sind. Der Vorteil endet nach einer späteren Regulierung, die jeden kumulativen Alterungsfehler auf Null zurücksetzt. Ein Grund dafür, dass teurere Uhrwerke in der Regel genauer sind, ist, dass die Quarze länger vorgealtert und für eine bessere Alterungsleistung ausgewählt werden. Manchmal werden die vorgealterten Quarze von Hand für die Leistung des Uhrwerks ausgewählt. ⓘ

Chronometer

Quarzchronometer, die als Zeitnormale konzipiert sind, verfügen häufig über einen Quarzofen, um den Quarz auf einer konstanten Temperatur zu halten. Einige sind selbsteinstellend und verfügen über "Quarzfarmen", so dass die Uhr den Durchschnitt einer Reihe von Zeitmessungen messen kann. ⓘ

Externe magnetische Störungen

Die in analogen Quarzuhrwerken verwendeten Lavet-Schrittmotoren, die ihrerseits durch ein (von der Spule erzeugtes) Magnetfeld angetrieben werden, können durch externe (nahegelegene) Magnetquellen beeinflusst werden, was sich auf die Leistung des Rotorkettenrads auswirken kann. Infolgedessen kann der mechanische Ausgang von analogen Quarzuhrwerken vorübergehend anhalten, vor- oder zurücklaufen und die korrekte Zeitmessung beeinträchtigen. Da die Stärke eines Magnetfelds fast immer mit der Entfernung abnimmt, führt die Entfernung eines analogen Quarzuhrwerks von einer störenden externen Magnetquelle normalerweise dazu, dass die korrekte mechanische Ausgabe wieder aufgenommen wird. Einige Testgeräte für Quarzuhren verfügen über eine Magnetfeldfunktion, um zu prüfen, ob der Schrittmotor eine mechanische Leistung erbringen kann, und lassen das Räderwerk und die Zeiger absichtlich zu schnell drehen, um kleinere Verschmutzungen zu beseitigen. Im Allgemeinen hat der im täglichen Leben auftretende Magnetismus keine Auswirkungen auf digitale Quarzuhrwerke, da diese keine Schrittmotoren enthalten. Starke Magnetismusquellen wie MRT-Magnete können Quarzuhrwerke beschädigen. ⓘ

Geschichte

Vier Präzisions-100-kHz-Quarzoszillatoren im US Bureau of Standards (heute NIST), die 1929 zum ersten Quarzfrequenzstandard für die Vereinigten Staaten wurden. Sie wurden in temperaturgeregelten Öfen aufbewahrt, um eine Frequenzabweichung durch thermische Ausdehnung oder Kontraktion der großen Quarzresonatoren (die unter den Glaskuppeln auf der Oberseite der Geräte angebracht waren) zu verhindern, und erreichten eine Genauigkeit von 10-7, d. h. etwa 1 Sekunde Abweichung in 4 Monaten. ⓘ

Erste europäische Quarzuhr für Verbraucher "Astrochron", Junghans, Schramberg, 1967

Erstes Quarz-Armbanduhrwerk, Kaliber 35A, Seiko, Japan, 1969

Frühe Quarzuhren für Verbraucher ⓘ

Eine an der Wand hängende Quarzuhr, 2005 ⓘ

Die piezoelektrischen Eigenschaften von Quarz wurden 1880 von Jacques und Pierre Curie entdeckt. Der Vakuumröhrenoszillator wurde 1912 erfunden. Ein elektrischer Oszillator wurde erstmals 1919 von dem britischen Physiker William Eccles eingesetzt, um die Bewegung einer Stimmgabel aufrechtzuerhalten; seine Errungenschaft beseitigte einen Großteil der mit mechanischen Geräten verbundenen Dämpfung und maximierte die Stabilität der Schwingungsfrequenz. Der erste Quarzkristall-Oszillator wurde 1921 von Walter G. Cady gebaut. Im Jahr 1923 stellten D. W. Dye am National Physical Laboratory im Vereinigten Königreich und Warren Marrison an den Bell Telephone Laboratories mit Quarzoszillatoren präzise Zeitsignalfolgen her. ⓘ

Im Oktober 1927 wurde die erste Quarzuhr von Joseph W. Horton und Warren A. Marrison in den Bell Telephone Laboratories beschrieben und gebaut. Die Uhr von 1927 verwendete einen Kristallblock, der durch Elektrizität angeregt wurde, um Impulse mit einer Frequenz von 50.000 Zyklen pro Sekunde zu erzeugen. Ein mehrfach gesteuerter Frequenzgenerator teilte diese dann auf einen brauchbaren, regelmäßigen Impuls herunter, der einen Synchronmotor antrieb. ⓘ

In den folgenden drei Jahrzehnten wurden Quarzuhren als Präzisionszeitnormale in Labors entwickelt; die sperrige, empfindliche Zählelektronik, die mit Vakuumröhren gebaut wurde, schränkte ihre Verwendung in anderen Bereichen ein. Im Jahr 1932 war eine Quarzuhr in der Lage, winzige Schwankungen der Erdrotation über Zeiträume von nur wenigen Wochen zu messen. In Japan entwickelte Issac Koga 1932 einen Kristallschliff, der eine Schwingungsfrequenz mit stark reduzierter Temperaturabhängigkeit ergab. Das National Bureau of Standards (heute NIST) stützte den Zeitstandard der USA zwischen den 1930er und den 1960er Jahren auf Quarzuhren, bevor es zu Atomuhren überging. Die breitere Anwendung der Quarzuhrentechnologie musste bis zur Entwicklung der billigen digitalen Halbleiterlogik in den 1960er Jahren warten. In der überarbeiteten 14. Ausgabe der Encyclopædia Britannica von 1929 hieß es, dass Quarzuhren wahrscheinlich nie erschwinglich genug sein würden, um im Inland verwendet zu werden. ⓘ

Ihre inhärente physikalische und chemische Stabilität und Genauigkeit führte zu ihrer weiteren Verbreitung, und seit den 1940er Jahren bilden sie weltweit die Grundlage für Präzisionsmessungen von Zeit und Frequenz. ⓘ

Die Entwicklung von Quarzuhren für den Verbrauchermarkt fand in den 1960er Jahren statt. Einer der ersten Erfolge war eine tragbare Quarzuhr namens Seiko Crystal Chronometer QC-951. Diese tragbare Uhr wurde bei den Olympischen Sommerspielen 1964 in Tokio als Ersatzzeitmesser für Marathonläufe eingesetzt. 1966 stellten Seiko und Longines im Rahmen des Wettbewerbs des Observatoriums von Neuchâtel Prototypen der ersten Quarz-Taschenuhr der Welt vor. 1967 präsentierten sowohl das CEH als auch Seiko Prototypen von Quarzarmbanduhren beim Wettbewerb des Observatoriums von Neuenburg. Die weltweit ersten Prototypen analoger Quarzarmbanduhren wurden 1967 vorgestellt: die Beta 1 des Centre Electronique Horloger (CEH) in Neuenburg und der Prototyp der Astron von Seiko in Japan (Seiko arbeitete seit 1958 an Quarzuhren).

Die erste Schweizer Quarzuhr - die Ebauches SA Beta 21 - wird auf der Basler Messe 1970 vorgestellt.

Im Dezember 1969 produzierte Seiko die erste kommerzielle Quarz-Armbanduhr der Welt, die Seiko-Quarz Astron 35SQ

die heute mit einem IEEE-Meilenstein geehrt wird. Die Astron hatte einen Quarzoszillator mit einer Frequenz von 8.192 Hz und eine Ganggenauigkeit von 0,2 Sekunden pro Tag, 5 Sekunden pro Monat oder 1 Minute pro Jahr. Die Astron kam weniger als ein Jahr vor der Einführung der Swiss Beta 21 auf den Markt, die von 16 Schweizer Uhrenherstellern entwickelt und von Rolex, Patek und Omega in ihren Elektroquarzmodellen verwendet wurde. Die inhärente Genauigkeit und die niedrigen Produktionskosten haben dazu geführt, dass sich Quarzuhren seit dieser Zeit immer weiter verbreitet haben. ⓘ

In den 1970er Jahren ermöglichte die Einführung integrierter Metall-Oxid-Halbleiter-Schaltungen (MOS) eine 12-monatige Batterielebensdauer mit einer einzigen Knopfzelle, die entweder einen mechanischen Lavet-Schrittmotor, einen sanft schwingenden Nicht-Schrittmotor oder eine Flüssigkristallanzeige (in einer LCD-Digitaluhr) antrieb. Anzeigen mit Leuchtdioden (LED) für Uhren sind wegen ihres vergleichsweise hohen Batterieverbrauchs selten geworden. Im Laborbereich hatten Atomuhren die Quarzuhren als Grundlage für Präzisionsmessungen von Zeit und Frequenz abgelöst, was zur Internationalen Atomzeit führte. ⓘ

Bis in die 1980er Jahre hatte die Quarztechnologie Anwendungen wie Küchenuhren, Wecker, Zeitschlösser in Banktresoren und Zeitzünder für Munition von den früheren mechanischen Unruhwerken übernommen - ein Umbruch, der in der Uhrenindustrie als Quarzkrise bekannt wurde. ⓘ

Seit den 1980er Jahren dominieren Quarzuhren den Markt für Armband- und Haushaltsuhren. Aufgrund des hohen Q-Faktors und des niedrigen Temperaturkoeffizienten des Quarzkristalls sind sie genauer als die besten mechanischen Zeitmesser, und der Verzicht auf alle beweglichen Teile macht sie robuster und macht eine regelmäßige Wartung überflüssig. ⓘ

Seit 2014 sind kommerzielle analoge und digitale Wanduhren erhältlich, die einen Doppelofen-Quarzoszillator mit einer Genauigkeit von 0,2 ppb verwenden. Diese Uhren sind werkseitig mit dem Atomzeitstandard synchronisiert und erfordern in der Regel keine weiteren Zeitanpassungen während der gesamten Lebensdauer der Uhr. Im Jahr 2021 wurden 32768-Hz-Standard-"Uhren" oder Echtzeituhr-Kristalleinheiten (RTC) zu billigen Massenprodukten auf dem Markt für elektronische Bauteile. ⓘ

Technische Voraussetzungen

Die Quarzuhr wurde im Zusammenhang mit der seit dem Ersten Weltkrieg einsetzenden Hochfrequenzforschung entwickelt. In den 1920er Jahren entstanden Geräte zur Erzeugung und Kontrolle der Sendefrequenzen für die sich rasch vermehrenden Radiostationen. Da Frequenz als Kehrwert der Periodendauer definiert ist, konnte die Technik der quarzstabilisierten Normalfrequenzgeneratoren auch für den Bau der ersten Quarzuhren verwendet werden. ⓘ

Voraussetzungen für die Entwicklung von Quarzuhren waren:

• die Entdeckung der Piezoelektrizität durch Jacques und Pierre Curie 1880.
• elektronische Schaltkreise zur Anregung des Quarzes und Stabilisierung eines Schwingkreises, entwickelt von Walter Guyton Cady 1920 und 1921, sowie die Vereinfachung der Schaltung durch George W. Pierce und R. L. Miller 1922. Die Pierce-Miller-Schaltung ist der bis heute am weitesten verbreitete Typus eines piezoelektrischen Schaltkreises.
• Ausgabeeinheiten für den Sekundentakt. Dazu mussten Frequenzteiler bzw. schnelldrehende Synchronmotoren entwickelt werden. ⓘ

Ganggenauigkeit

Quarzuhr mit „Twin Quartz“ Temperaturkompensation, 1979 ⓘ

Quarzuhren mit einem Uhrenquarz mit der üblichen Schwingfrequenz von 32.768 (2¹⁵) Hz können normalerweise einen Uhrgang (fortschreitende Abweichung) von ±60 Sekunden im Jahr (Gangabweichung: ±2 ppm) bis ±30 Sekunden im Monat (Gangabweichung: ±10 ppm) haben. Da sich diese Abweichungen mit der Zeit akkumulieren, muss auch eine Quarzuhr gelegentlich nach der Zeit einer genaueren Uhr oder einer Zeitansage im Rundfunk nachgestellt werden. ⓘ

Gangabweichungen einer Quarzuhr können minimiert werden durch: Hochgenaue Quarze und -uhren (1…50 ppb):

• Voralterung des Quarzes
• Betrieb in einem Heizofen bei konstanter Temperatur (Oven Controlled Crystal Oscillator (OCXO)). Die Heizöfen sind heutzutage miniaturisiert mit Volumina von unter 0,1 cm³ bis wenige cm³. ⓘ

Weitere Maßnahmen:

• veraltet: Frequenzfeinjustage mittels eines Trimmkondensators
• Feinjustage mittels digitaler Kalibrierung (Inhibition compensation), die Quarze schwingen etwas zu schnell, es wird in einem Permanentspeicher hinterlegt, wie viele Schwingungen z. B. am Ende einer Minute zu ignorieren sind.
• temperaturkompensiertes Design, sowohl analog (Kompensationschaltung) wie digital möglich (temperaturabhängige Inhibition compensation)
• Anbindung an Funkuhren, die täglich oder stündlich per Funk (in Mitteleuropa Empfang des Zeitsenders DCF77) mit der koordinierten Weltzeit synchronisiert werden, oder an andere Uhren über USB, Bluetooth oder Internet und Synchronisation mit genaueren Uhren. Viele portable Geräte synchronisieren sich bei Anschluss an den PC auf die PC-Zeit, PCs ihrerseits können sich über NTP mit Internet-Zeitservern synchronisieren. ⓘ