Quarzuhr

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Früher Quarzwecker von Kundo

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

Physikalisch-technischer Hintergrund[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Nahaufnahme eines Uhrenquarzes in Stimmgabelform ohne Gehäuse

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 | Quelltext 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.
Quarzuhrwerk; erkennbar im Uhrzeigersinn: die Spule des Lavet-Schrittmotors und der Schwingquarz

Grundlegend[Bearbeiten | Quelltext 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 | Quelltext 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 | Quelltext bearbeiten]

Grand Seiko Quartz 9940-8010 (Twin Quartz - Temperaturkompensation), 1979

Quarzuhren mit einem Uhrenquarz mit der üblichen Schwingfrequenz von 32.768 (=215) Hz haben normalerweise einen Uhrgang (fortschreitende Abweichung) von ± 10 bis 30 Sekunden im Monat. Da sich dieser Fehler kumuliert, muss auch eine Quarzuhr öfter synchronisiert werden, das heißt 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 Bedienknopf) 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 des Zeitsenders DCF77) 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 | Quelltext bearbeiten]

Technische Voraussetzungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Quarzuhr entstand im Zusammenhang der seit dem Ersten Weltkrieg boomenden Hochfrequenzforschung. In den 1920er Jahren entstanden Geräte zur Erzeugung und Kontrolle der Sendefrequenzen für die sich rasant vermehrenden Radiostationen. Da Frequenz als das Inverse der Zeit definiert ist, konnte die Technologie der quarzstabilisierten Normalfrequenzgeneratoren auch für den Bau erster Quarzuhren verwendet werden.

Voraussetzung 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.[6]
  • Ausgabeeinheiten für den Sekundentakt. Dazu mussten Frequenzteiler bzw. schnell drehende Synchronmotoren entwickelt werden.

Die Pionierphase bis zum Zweiten Weltkrieg[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Nationaler Frequenzstandard der USA 1929, bestehend aus vier beheizten Quarzoszillatoren bei den Bell Laboratories

Am 13. Oktober 1927 stellten Joseph W. Horton und Warren Alvin Marrison von den New Yorker [Bell Laboratories] auf der Konferenz der International Union of Scientific Radio Telegraphy die erste Quarzuhr vor.[7] Ein Schwingquarz mit einer Resonanzfrequenz von 50 kHz regulierte einen elektronischen Schwingkreis, dessen Wechselstrom einen kleinen Synchronmotor mit Zeigerwerk antrieb.

Eine Gruppe von vier weiterentwickelten Quarzoszillatoren aus den Bell Laboratories diente 1929 als nationaler Frequenzstandard der Vereinigten Staaten, wie in nebenstehender Abbildung dargestellt. Um äussere Temperaturschwankungen und damit thermisch bedingte Schwankungen der Genauigkeit des Oszillators zu minimieren, wurden die vier Quarzoszillatoren in beheizten Schränken auf einer konstanten Temperatur gehalten. Beheizte Quarzoszillatoren werden als Quarzofen (englisch Oven Controlled Crystal Oscillator, OCXO) bezeichnet und dank eines ausgeklügelten Vergleichsverfahrens der Oszillatoren untereinander konnte das National Bureau of Standards die Normfrequenz mit einer Genauigkeit von 10−7 angeben.[8]

1928 bot General Radio aus Cambridge (MA) einen serienmäßigen Frequenzstandard an, der schon fabrikseitig mit einer Synchron-Uhr ausgestattet war.[9] Nur in Ausnahmefällen wurde dieses elektronische Gerät als Uhr gebraucht, sondern meist als Meßmittel für wissenschaftliche Versuche.[10] Das Zifferblatt diente nur selten als hochpräzise Zeitanzeige, sondern in der Regel als Schnittstelle zur Kalibrierung der Normfrequenz über einen Vergleich mit dem amtlichen Zeitsignal.

In den folgenden zwei Jahrzehnten wurde die Quarzuhr als Laborgerät weiterentwickelt. Wichtige Meilensteine bei der Definition nationaler Standards für Zeit und Frequenz wurden in Deutschland und England gesetzt. Aber auch andere Länder wie Italien, Japan oder die Niederlande taten sich seit den 1920er Jahren bei der Weiterentwicklung der Quarzuhrtechnologie hervor.[11]

Ab 1932 bauten Adolf Scheibe und Udo Adelsberger an der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt in Berlin eine Reihe von Quarzuhren unterschiedlicher Konstruktion.[12] Mit diesen Uhren gelang es Scheibe und Adelsberger nachzuweisen, dass die Erddrehung neben jahreszeitlichen auch kurzzeitigen willkürlichen Schwankungen ausgesetzt ist. Erstmals war ein von Menschen gebaute Uhr genauer als die bisherige Referenz der Zeitmessung, die Erddrehung.

Auch die ab 1938 von Louis Essen am National Physical Laboratory konstruierten Quarzuhren mit ringförmigem Quarz setzten Maßstäbe. Anfang der 1940er Jahre hatte Großbritannien das größte Netz von Quarzuhren weltweit.[13]

Die erste käufliche Quarzuhr für Industrie und Wissenschaft wurde vom Physikalisch-Technischen Entwicklungslabor Dr. Rohde und Dr. Schwarz (heute: Rohde und Schwarz) in München entwickelt.[14] Die Quarzuhr CFQ, die mit einer patentierten Kombination aus Quarzoszillator und Stimmgabel auf geschickte Weise die Unwägbarkeiten früher Röhrenelektronik umschiffte, kam 1938 auf dem Markt. Aufgrund ihrer Präzision und Zuverlässigkeit wurden zwei Uhren dieser Bauart ab Oktober 1939 im deutschen Zeitdienst eingesetzt. Sie gingen in die Berechnung der Normalzeit ein und dienten darüber hinaus als Steuergerät für das Zeitzeichen.[15]

Quarzuhren der Nachkriegszeit[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

In der Zeit nach 1945 ersetzten Quarzuhren flächendeckend die Präzisionspendeluhren als industriellen und wissenschaftlichen Standard. Die besten Geräte hatten eine Genauigkeit von 1 x 10-9 erreicht.

Patek Philippe Chronotome. Erste, in Kleinserie gefertigte tragbare Batteriequarzuhr, ab 1960

Als besonders folgenreich sollten sich die Bemühungen um eine Miniaturisierung der Quarzuhren erweisen. Schon während des Zweiten Weltkrieges hatte es im Borg-Gibbs Laboratory[16] in den Vereinigten Staaten sowie bei Rohde & Schwarz[17] in Deutschland Versuche gegeben, tragbare Quarzuhren zu entwickeln. Diese scheiterten jedoch am zu hohen Stromverbrauch der Röhrenelektronik. Erst in den späten 1950er Jahren war es dem Genfer Uhrenhersteller Patek Philippe gelungen, dank Halbleitertechnologie, neuartigen Synchronmotoren sowie zuverlässigen Batterien erste tragbare Quarzuhren herstellten.[18] Diese Quarzuhren waren wie die Batteriequarzuhren anderer Uhrenfabriken wie Seiko oder Junghans in den 1960er Jahren noch deutlich teurer als hochwertige mechanische Uhren.

Quarzuhren für jedermann[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Prototyp einer Quarz-Armbanduhr, Modell Beta 1, Centre Electronique Horloger (CEH), Schweiz, 1967

Dank Mikroelektronik konnte man um 1970 erste Quarzuhren für den Massenmarkt bauen. Schnell setzte insbesondere bei Autouhren, Wand- und Tischuhren ein Preisverfall ein. Ab Mitte der 1970er Jahre waren Quarzuhren billiger als herkömmliche mechanische Zeitmesser, dabei deutlich genauer und bis auf den Batteriewechsel weitgehend wartungsfrei.

Etwas später setzte diese Entwicklung im Bereich der Armbanduhren an. Dabei wurde die Quarzuhr für das Handgelenk in der Schweiz, in Japan und in den USA „mindestens achtmal erfunden“.[19] Kurz darauf stellten auch Firmen in Deutschland und Frankreich eigene Konstruktionen vor.

In den Focus der breiten Öffentlichkeit waren Quarzarmbanduhren erstmals 1967 durch den Chronometerwettbewerb des Observatoriums im Schweizer Neuchatel geraten. Das Schweizer Forschungszentrum für elektronische Uhren „Centre Electronique Horloger“ (CEH) hatte ebenso wie Seiko Prototypen von Quarzarmbanduhren eingereicht. Die Quarzuhren waren allen anderen mechanischen Armbanduhren überlegen. Dank Temperaturkompensation erreichten die Schweizer Quarzuhren noch bessere Werte als die Konkurrenz aus Japan.[20]

Seiko Astron mit Cal. 35A, erste, Weihnachten 1969 in einer Auflage von 100 Stück verkaufte Quarzarmbanduhr

Doch sollte sich für Seiko auszahlen, dass man bei der Entwicklung von Quarzarmbanduhren konsequent auf die spätere Massenproduktion geachtet hatte.[21] Weihnachten 1969 verkaufte Seiko in Tokyo die erste Kleinserie von Quarzarmbanduhren, die Astron, allerdings noch zum Stückpreis eines Kleinwagens. Mit ihrem bahnbrechenden Design für Quarzuhrwerke legte Seiko den Grundstein für eine weltweite japanische Marktdominanz. Seiko entwickelte bis 1972/73 drei Schlüsseltechnologien zur Serienreife, die bis heute praktisch jede Quarzarmbanduhr mit analoger Zeitanzeige auszeichnen: der stimmgabelförmige, fotolithografisch hergestellte Quarzresonator, die integrierte Schaltung des CMOS-Typs und den Schrittschaltmotor.

Quarzuhren mit Digitalanzeige kommen meist ganz ohne mechanische Teile aus. Die erste Solid State-Quarzuhr, die sündhaft teure Pulsar von Hamilton (USA), hatte 1972 noch rote Zahlen mit Leuchtdioden (LED) enthalten. Bald wurden jedoch energiesparende Flüssigkristallanzeigen (LCD) verwendet.

Bis Mitte der 1970er Jahre war der Preis von Quarzuhren bereits auf unter 100.- DM gesunken, und er sank schnell weiter. Mechanische Uhrwerke waren preislich und qualitativ nicht mehr konkurrenzfähig. Viele traditionelle Uhrenfabriken mussten in der Quarzkrise der 1970er und 1980er Jahre schließen.

Um 1975 hatte sich abgezeichnet, dass sich der von Seiko entwickelte Grundaufbau der Quarzarmbanduhr durchsetzen würde. Wenige Jahre später schwenkten auch die Hersteller von Großuhrwerken auf dieses Design ein. Alle späteren Entwicklungen betrafen nur noch die weitere Reduzierung der Anzahl und Größe der Einzelteile bzw. Zusatzfeatures:

  • 1973 bringt Staiger in St. Georgen (Schwarzwald) das Uhrwerk CQ 2002 auf den Markt. Dank eines 4,19 MHz-Quarzes erreicht es eine deutlich höhere Genauigkeit als bisherige Quarzwerke für den Endverbraucher.
  • 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.
  • 1980 baut Omega mit der „Dinosaure“ die flachste Quarzuhr (1,46 mm).
  • 1986 erschien die erste Funkuhr (zeitgleich von Junghans aus Schramberg und Kundo aus St. Georgen), 1990 die erste Armband-Funkuhr von Junghans.
  • 1988 Die welterste Quarzuhr mit automatischer Energieerzeugung (A.G.S. – Automatic Generating System), später in „Kinetic“ umbenannt, wird von Seiko vorgestellt (Kaliber 7M22).
  • 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.
Quarzuhr mit Zeitsignalsteuerung (Funkuhr)

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Johannes Graf (Hrsg.): Die Quarzrevolution. 75 Jahre Quarzuhr in Deutschland. Vorträge anlässlich der Tagung im Deutschen Uhrenmuseum Furtwangen am 20. und 21. August 2007, Furtwangen 2008. ISBN 3-922673-27-9.
  • Michael A. Lombardi: The Evolution of Time Measurement, Part 2: Quartz Clocks, in: IEEE Instrumentation & Measurement Magazine, Jg. 14, 2011, S. 41–48.
  • Lucien F. Trueb, Günther Ramm, Peter Wenzig: Die Elektrifizierung der Armbanduhr, München 2011. ISBN 978-3-87188-236-4.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. http://www.citizenwatch.com/Technical/English/Abbreviated/6870_condensed.pdf
  2. http://www.moeb.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. Michael A. Lombardi: The Evolution of Time Measurement, Part 2: Quartz Clocks, in: IEEE Instrumentation & Measurement Magazine, Jg. 14, 2011, S. 41–48, hier S. 42.
  7. Joseph W. Horton, Warren A. Marrison: Precision Determination of Frequency, in: Proceedings of the Institute of Radio Engineers, Bd. 16, 1928, S. 137–154.
  8. Michael A. Lombardi: NIST Primary Frequency Standards and the Realization of the SI Second, in: Measure, Vol. 2, No. 4, 2007, S. 74–89, hier S. 76.
  9. http://www.ietlabs.com/pdf/GR_Experimenters/1935/GenRad_Experimenter_June_1935.pdf, S. 13.
  10. Johannes Graf: Quarzuhren bestehen nicht aus Quarz. Serienmäßige Quarzuhren der Zwischenkriegszeit, in: Deutsche Gesellschaft für Chronometrie. Jahresschrift, Bd. 54, 2015, S. 67–90.
  11. Shaul Katzir: Pursuing frequency standards and control. The invention of quartz clock technologies, in: Annals of Science 2015, doi:10.1080/00033790.2015.1008044.
  12. Horst Hassler: A. Scheibe und U. Adelsberger — Physiker und Uhrenbauer aus Deutschland. (PDF; 426 kB)
  13. Eduard C. Saluz: Quarzuhren und Präzisionszeitmessung in England und Frankreich von 1930 bis 1950, in: Die Quarzrevolution. 75 Jahre Quarzuhr in Deutschland. Hrsg. v. Johannes Graf, Furtwangen 2008, S. 40–51, zu England bes. S. 42–46.
  14. Firmengeschichte: 75 Jahre Rohde & Schwarz
  15. Johannes Graf: Quarzuhren bestehen nicht aus Quarz. Serienmäßige Quarzuhren der Zwischenkriegszeit, in: Deutsche Gesellschaft für Chronometrie. Jahresschrift, Bd. 54, 2015, S. 67–90, hier S. 77.
  16. Marvin E. Whitney: The Ship’s Chronometer, Cincinnati (OH) 1985, S. 307–310.
  17. Johannes Graf: Quarzuhren bestehen nicht aus Quarz. Serienmäßige Quarzuhren der Zwischenkriegszeit, in: Deutsche Gesellschaft für Chronometrie. Jahresschrift, Bd. 54, 2015, S. 67–90, hier S. 83–86.
  18. Michael Schuldes: Erste tragbare, batteriebetriebene Quarzuhr der Firma Patek Philippe, in: Die Quarzrevolution. 75 Jahre Quarzuhr in Deutschland. Hrsg. v. Johannes Graf, Furtwangen 2008, S. 52–61.
  19. Lucien F. Trueb, Günther Ramm, Peter Wenzig: Die Elektrifizierung der Armbanduhr, München 2011, S. 99.
  20. Trueb, S. 102.
  21. Wie das folgende: Trueb, S. 108–111.