Quarzuhr

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Eine Quarzuhr ist eine elektromechanische oder vollelektronische Uhr, deren Taktgeber ein elektronischer Quarzoszillator ist, dessen Frequenz mit Hilfe eines Schwingquarzes gehalten wird. Quarzuhren ohne direkte Anzeige, welche üblicherweise in Computersystemen eingebaut sind, werden als Echtzeituhr bezeichnet.

Früher Quarzwecker von Kundo, um 1976 (Preis damals 69 DM, was heute ca. 85 EUR entspricht)
Uhrwerk des oben gezeigten Kundo-Quarzweckers; gut erkennbar im Uhrzeigersinn: die Spule des Schrittmotors und der Schwingquarz

Physikalisch-technischer Hintergrund[Bearbeiten]

Die Quarzuhr basiert auf der physikalischen Erkenntnis, dass eine Erhöhung der Frequenz des Taktgebers (bei mechanischen Uhren meist die Unruh) eine genauere Zeitmessung ermöglicht, was zum Beispiel zur Entwicklung sogenannter Schnellschwinger-Unruhen führte. Erste Versuche, einen Taktgeber mit einer Frequenz zu verwenden, die höher als bei einer Unruh war, waren die so genannten Stimmgabeluhren mit Frequenzen von einigen 100 Hz und Baugrößen um fünf Zentimeter.

Herzstück ist ein Uhrenquarz in Form einer Quarzstimmgabel für typischerweise 32.768 Hz, aus dem sich mittels Frequenzteilung durch 215 – dazu dienen in Summe 15 Flipflops – Sekundenimpulse herleiten lassen. Da Quarz sehr hart ist, liegt bei Anregung des Quarzes als Dickenschwinger die Resonanzfrequenz eines Kristallblocks von einigen Millimetern Größe, der problemlos in ein übliches Uhrgehäuse passen würde, viel zu hoch, nämlich im Megahertzbereich. Durch die Stimmgabelform ließ sich das Quarz leichter biegen, und die Baugröße würde kleiner, so dass ein Quarz trotz tiefer Resonanzfrequenz in ein Uhrgehäuse passte. Quarze in Stimmgabelform sind jedoch schwer herzustellen und teuer. Stabförmige Biegeschwinger sind noch kleiner und lassen sich zudem leichter und kostengünstiger herstellen. Daher verwenden Kleinquarze mit niedriger Frequenz meist stabförmige Biegeschwinger. Diese Frequenz ist ein Kompromiss, da die Stromaufnahme der Flipflops proportional mit der Frequenz steigt und die Batterie der Uhr einige Jahre Strom liefern soll.

Zu Beginn verwendete man spezielle Zählröhren für den Frequenzteiler, seit den 1950er-Jahren digitale Zählerschaltungen (Flipflops) in integrierten Schaltungen basierend auf Transistoren, um die Frequenz des Quarzoszillators auf einen Sekundentakt herunterzuteilen.

Diese Schwingungen treiben entweder einen Lavet-Schrittmotor, Synchronmotor oder elektrischen Unruhschwinger ein mechanisches Uhrwerk an oder geben den Takt für eine Elektronik vor. Die Anzeige kann über mechanische Zeiger, Flüssigkristallbildschirm (LCD) oder Leuchtdiode (LED) realisiert werden.

Aufbau[Bearbeiten]

Rückseite einer Armbanduhr.
Unten: rechts Uhrenquarz, links daneben Knopfzelle (Batterie).
Oben: rechts Oszillator und Taktteiler (unter schwarzer Versiegelung), links die Spule des Lavet-Schrittmotors mit rotem Lackdraht für den Antrieb der Zeiger.
Uhrenquarz mit und ohne Gehäuse

Grundlegend[Bearbeiten]

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:

„Komplikationen“[Bearbeiten]

Quarzuhren können – genau wie mechanische Uhren – verschiedene Komplikationen aufweisen. Beispiele komplexer Quarzuhrwerke für Armbanduhren sind:

  • Das Kaliber 6870 von Citizen mit sechs Zeigern, Datum und mit vier Drückern zusätzlich zur Krone, bei dem ein Chronograph, ein Ewiger Kalender, zwei Wecker, ein Abwärtstimer und eine zweite Zeitzone realisiert sind.[1] Die meisten Zeiger haben Mehrfachverwendungen; der jeweils aktive Modus wird über einen eigenen Zeiger mit Stellungen wie TIME, ALM, CHR etc. angezeigt.
  • Das Kaliber 633 von Jaeger-LeCoultre (ab 1987) mit 233 Bauteilen und 27 Lagersteinen verfügt über Zeit- und Datumsanzeige, Wecker und mechanischen Chronographen. Verwendet wurde dieses Kaliber zum Beispiel in der IWC Ingenieur Chrono Alarm.[2]
  • Das Kaliber ETA 1066, eingesetzt ausschließlich in der Omega Speedmaster X-33 (ab 1998), verfügt zusätzlich zu drei Zeigern für Stunde, Minute und Sekunde über ein um die Zentralachse herum gelegenes kreisrundes LC-Anzeigenfeld („Hybriduhr“) mit ebenfalls kreisförmig angeordneten Anzeigen für verschiedene Funktionen wie ewiger Kalender, Countdown-Timer, Chronograph, zweite Zeitzone (24-Stunden-Anzeige) und zwei Alarmfunktionen.[3]
  • Ähnliche Kaliber mit Zeigern und LC-Anzeigen gibt es auch von anderen Anbietern, zum Beispiel Breitling und Victorinox.
  • Tissot bietet Hybriduhren unter der Bezeichnung „T-Touch“ an, bei denen die Funktionen durch Berühren des Uhrglases an verschiedenen Stellen selektiert werden.
  • Das Kaliber 6770 der japanischen Firma Shellman ist eine Grande Complication mit Chronograph, Ewigem Kalender, Rattrapante und Repetition[4]. Es basiert auf einem Citizen-Kaliber.
  • Das Timex-Kaliber 730 verfügt über Flyback-Zeiger.[5]

Ganggenauigkeit[Bearbeiten]

Digital-Quarzuhr von Mondaine Watch, Zürich, mit kundenspezifischer integrierter Schaltung zur variablen Frequenzteilung, Mitte der 1970er-Jahre

Quarzuhren mit einem Uhrenquarz mit der üblichen Schwingfrequenz von 32.768 (=215) Hz haben normalerweise einen Uhrgang (fortschreitende Abweichung) von ± 10–30 Sekunden im Monat. Da sich dieser Fehler kumuliert, muss auch eine Quarzuhr öfter synchronisiert werden, d.h. auf den Zeitwert einer genaueren Uhr oder eines Zeitzeichensenders eingestellt werden.

Gangabweichungen einer Quarzuhr können minimiert werden durch:

  • eine möglichst konstante Temperatur
  • Temperaturkompensation (Messung der Quarztemperatur und Kompensation bei Kenntnis des Temperaturkoeffizienten),
  • manuelle Veränderung (über Bedienungsknopf) des Teilerverhältnisses des elektronischen Frequenzteilers entsprechend den individuellen Benutzergegebenheiten (Klima, Traggewohnheit Tag/Nacht, usw),
  • Betrieb des Schwingquarzes in einem Quarzofen (OCXO), einer Form von Thermostat, welcher die Temperatur konstant hält,
  • Anbindung an Funkuhren, die regelmäßig per Funk (in Mitteleuropa Empfang der Zeitsender DCF77 oder HBG) mit der koordinierten Weltzeit synchronisiert werden, oder
  • Anbindung an genauere 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.

Geschichte[Bearbeiten]

Udo Adelsberger an der Quarzuhr, PTR 1938
Vorderseite einer Quarzuhr mit Zeigern
Digitale Quarz-Armbanduhr
Erste Funk-Armbanduhr der Welt
analog digital
Junghans
MEGA
Junghans
MEGA 1

Übersicht[Bearbeiten]

Die erste Quarzuhr wurde 1919 von H. M. Dadourian entwickelt, basierend auf Ultraschall-Experimenten mit Schwingquarzen durch Paul Langevin 1918.[6] Diese ersten Prototypen wiesen jedoch – ebenso wie die 1929 von dem kanadischen Telekommunikationsingenieur Warren Alvin Marrison bei Bell in den Vereinigten Staaten entwickelten – wegen nicht ausreichender Temperaturkompensation schlechtere Gangresultate auf als die zu dieser Zeit noch üblichen mechanischen Präzisionspendeluhren.

Erst die Quarzuhr von Adolf Scheibe und Udo Adelsberger[7] erreichte deutlich bessere Gangresultate. Die Miniaturisierung der Elektronik führte um 1970 zu den ersten Digitalstoppuhren und Quarz-Armbanduhren.

Meilensteine[Bearbeiten]

  • 1929 baut Warren Alvin Marrison die erste Quarzuhr. Sie ist genauer als mechanische Uhren, reagiert jedoch auf Temperaturschwankungen.
  • 1932 stellen die Physiker Adolf Scheibe und Udo Adelsberger an der „Physikalisch-Technischen Reichsanstalt zu Berlin“ die erste Quarzuhr in Deutschland her und finden mit ihrer Hilfe heraus, dass sich die Erde ungleichmäßig dreht: Die Umdrehungsgeschwindigkeit der Erde ist jahreszeitlich verschieden lang (im Frühjahr hinkt die Erddrehung der Zeit 30 Millisekunden nach, im Herbst geht die Erddrehung 30 Millisekunden vor); zudem taumelt ihre Umdrehungsachse und trägt zur Unvorhersagbarkeit der Drehung bei. Die Uhr wird ein Jahr später im Geodätischen Institut in Potsdam aufgestellt.
  • Mitte der 1930er-Jahre entwickelt die Firma Rohde & Schwarz in München als eines der ersten Industrieunternehmen Quarzuhren zur Serienreife. Sie funktionieren noch mit Elektronenröhren und haben die Größe eines Schrankes.
  • 1938 verwendet Louis Essen (NPL, Großbritannien) statt Stäben ringförmige Oszillatoren (Essen-Ring) und steigert so die Präzision auf eine Gangabweichung von einer Sekunde in drei Jahren.
  • 1938 produziert Rohde & Schwarz die weltweit erste tragbare Quarzuhr mit einer Ganggenauigkeit von +/- 0,004 Sekunden pro Tag.[8]
  • 1939 erwirbt das Royal Greenwich Observatory die erste Quarzuhr mit Essen-Ring.
  • 1942 werden Gruppen solcher Uhren Basis der offiziellen Greenwich Mean Time (GMT).
  • 1958 fertigt der VEB Funkwerk in Erfurt in der DDR die Industriequarzuhr serienmäßig.
  • 1965 bis 1967 werden am Centre Electronique Horloger (CEH) in der Schweiz die Prototypen für die erste Quarz-Armbanduhr der Welt, Beta 1 und Beta 2, gebaut und am Observatorium in Neuenburg getestet. Die gemessene Ganggenauigkeit übertrifft die herkömmlichen Chronometer um mindestens eine Größenordnung.[9][10]
  • 1969 produziert Seiko in Japan mit der „Astron“ die erste Quarz-Armbanduhr für den Massenmarkt; die Batteriekapazität reichte etwa ein Jahr. Damit wurde der Grundstein für eine weltweite japanische Marktdominanz und die Quarzkrise gelegt.
  • 1970 wird das Kaliber Beta 21 mit einem vibrierenden Motor von einem industriellen Konsortium in Kleinserie produziert und von fünfzehn verschiedenen Schweizer Uhrenherstellern vermarktet.[9]
  • 1970 bringt Junghans eine Vorserie der ersten deutschen Quarz-Armbanduhr, der "Astro-Quartz" mit eigenem, seit 1967 entwickeltem Werk.[11]
  • 1972 stellt Hamilton (USA) die erste elektronische digitale Armbanduhr vor; sie zeigt auf Knopfdruck kurzzeitig die Zeit in roten Zahlen mit Leuchtdioden (LED) an, wobei die Batterien sehr beansprucht werden. Ab 1979 wurde Hamilton und der Markenname Pulsar von Seiko übernommen.
  • 1972 stellen Longines und Seiko digitale Armbanduhren mit energiesparenden Flüssigkristallanzeigen (LCD) vor, welche ständig die Zeit in schwarzen Siebensegment-Ziffern vor grauem Hintergrund anzeigen (bis heute Standard bei Digitaluhren).
  • 1974 baut Omega in der Schweiz mit dem Marine-Chronometer Constellation „Megaquarz“ eine Analog-Quarzarmbanduhr, deren Schwingkreis mit 2.359.296 Hz schwingt.
  • 1976 bringt Omega als erster Hersteller eine neue Art von Einsatz-Quarzuhren in den Handel, die wasserdichte Serie „Seamaster“.
  • Mitte der 1970er-Jahre erscheinen erste Digitaluhren mit Taschenrechner, darunter 1977 die HP-01 von Hewlett-Packard, die auch ein Rechnen mit Zeiten/Zeiträumen ermöglichte.
  • 1977 entwickelt Bifora-Uhren die „flat-line“ mit einer Gesamthöhe von etwa 2,8 Millimetern.
  • 1980 baut Omega mit der „Dinosaure“ die flachste Quarzuhr (1,46 mm).
  • 1986 erschien die erste Funkuhr (von Junghans), 1988 die erste Armband-Funkuhr.
  • Aufgrund der Renaissance der mechanischen Uhr im Luxussegment und der folgenden Abkehr der renommierten Uhrenhersteller von der Quarzuhr findet von den 1990er-Jahren an wenig Innovation bei Quarzuhren statt.
  • 1998 führte Seiko mit dem „Ruputer“ eine erste Armbanduhr mit PDA-Funktionen („Wrist PDA“) ein.
  • 2005 führt Seiko den Spring Drive als federangetriebenen, quarzgesteuerten Uhrwerksmechanismus ein.

Anhang[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

  • Lucien F. Trueb: Die Quarzrevolution. Von der Mechanik zur Elektronik und zurück. In: Franz Betschon et al. (Hrsg.): Ingenieure bauen die Schweiz – Technikgeschichte aus erster Hand, S. 354-374, Verlag Neue Zürcher Zeitung, Zürich 2013, ISBN 978-3-03823-791-4

Belege[Bearbeiten]

  1. http://www.citizenwatch.com/Technical/English/Abbreviated/6870_condensed.pdf
  2. http://wwwmoeb.ch/Ingenieur/11d_Chronoalarm.html
  3. http://www.watchlounge.com/wbb3/wl/watch-lounge/omega/omega-galerie/58518-speedmaster-professional-x-33-ref-3290-50-00/
  4. Grand Complication auf der Website Watchtime.net
  5. Timex auf techcrunch.com
  6. Die Uhrengeschichte
  7. Horst Hassler: A. Scheibe und U. Adelsberger — Physiker und Uhrenbauer aus Deutschland. (PDF; 426 kB)
  8. Firmengeschichte: 75 Jahre Rohde & Schwarz
  9. a b http://invention.smithsonian.org/centerpieces/quartz/coolwatches/beta21.html
  10. http://www.ieeeghn.com/wiki/index.php/First-Hand:The_First_Quartz_Wrist_Watch
  11. JUNGHANS ZEITREISE auf der Website der Uhrenfabrik Junghans. Abgerufen am 26. Februar 2014

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Quarzuhren – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
 Wiktionary: Quarzuhr – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen