Historia technologii kwarcowej na przykładzie Seiko Quartz i Twin Quartz

Ciekawostki

Opowieść ta ma swoje początki w badaniach Pierre’a Curie (męża naszej rodaczki Marii Curie-Skłodowskiej), pioniera badań nad zjawiskami piezoelektrycznymi, który w 1880 zaobserował, że pewne kryształy poddane odkształceniu mechanicznemu generują impuls elektryczny. Technologię kwarcową we współczenej formie zawdzięczamy z kolei firmie Bell, która w roku 1928 skonstruowała pierwszy tego typu czasomierz. Wczesne urządzenia były jednak zbyt duże aby mogły znaleźć zastosowanie poza laboratorium i trafić na rynek konsumencki. Gwałtowny rozwój technologii XX wieku szybko zmienił ten stan rzeczy i obecnie trudno wyobrazić sobie świat bez zegarków kwarcowych. Dla wielu jest to pierwszy wybór jeśli chodzi o typ mechanizmu przy zakupie zarówno garniturowca jak i zegarka “do zadań wszelakich”.

Prace nad rozwojem technologii kwarcowej z nastawieniem na wyprodukowanie zegarka naręcznego podjęła około połowy XX w. większość liczących się ówcześnie marek, jednak wyraźny prym wiodło Seiko. W ramach prowadzonego od 1959 roku “Projektu 59A”, dążyło ono do wypuszczenia na rynek pierwszego takiego produktu, zanim uczyniłyby to firmy szwajcarskie. Tym drugim prawdopodobnie nie dopomogło znaczne rozproszenie rodzimego rynku, w tym mnogość małych manufaktur o niskich zdolnościach R&D oraz możliwościach przestawienia produkcji z technologii tradycyjnej na nowoczesną. Należy jednak wspomnieć, że firmy takie jak m.in. Longines nie odstawały znacznie w tym wyścigu.

Seiko Quartz Astron i jego mechanizm, kaliber 35a
Źródło: WatchUSeek

25 grudnia 1969r. światło dzienne ujrzał pierwszy komercyjnie dostępny zegarek kwarcowy, czyli Seiko Quartz Astron 35 SQ. Cena była dość zaporowa – 450 000 yen czyli $1250, a więc tyle co średniej klasy Toyota z tego okresu. Niedługo potem, bo w roku 1970 zaprezentowany został pierwszy szwajcarski zegarek nowego typu – Ebauches SA Beta 21 bazujący na mechaniźmie Beta 21.

W Astronie zastosowano sporo nowatorskich technologii m.in. rezonator kwarcowy o kształcie kamertonu pracujący z częstotliwością 8192Hz, mocny, miniaturowy silnik krokowy oraz hybrydową konstrukcję będącą czymś przejściowym pomiędzy technologią układów dyskretnych i scalonych. 2 lata później mechanizm usprawniono i oscylator kwarcowy pracował już z częstotliwością 16,384HZ. Dokładność pierwszej wersji Astrona wynosiła =/-0,2s dziennie lub +/- 5s miesięcznie. Co istotne, Seiko nie zamknęło patentu na swoją technologię, dzięki czemu nastąpiła jej gwałtowna ekspansja w kolejnych dekadach.

Seiko Quartz Astron 35 SQ wpisany został do rejestru IEEE (the Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc.) jako technologiczny kamień milowy w dziedzinie inżynierii elektrycznej.

Warto wspomnieć przynajmniej pokrótce jak pracuje zegarek kwarcowy, bo może to być mniej intuicyjne niż koncepcja działania zegarka mechanicznego (dla uproszczenia pomijam konstrukcje LED/LCD).

W mechaniźmie kwarcowym wykorzystujemy zjawisko piezoelektryczne. Wg wikipedii:

„Piezoelektryk, materiał piezoelektrycznykryształ wykazujący zjawisko piezoelektryczne, polegające na pojawieniu się na jego powierzchni ładunków elektrycznych pod wpływem naprężeń mechanicznych.”

Zegarek męski ELYSEE Zelos 98004

Zegarek ORIENT Bambino FAC0000DD0

Ważne do odnotowania jest to, że zachodzi również zjawisko odwrotne tzn. przyłożenie ładunku elektrycznego do piezoelektryka wywołuje jego odkształcenie, przy czym stopień jak i częstotliwość zależne są od wysokości napięcia. Dokładnie takie zjawisko występuje w rezonatorze kwarcowym pracującym w omawianych przez nas zegarkach. Kształtem przypomina on kamerton i często w literaturze napotkamy odniesienia do tego faktu, chociaż nie należy go łączyć stricte z typem mechanizmu, bo “kamerton” to nazwa zarezerwowana dla konstrukcji, spopularyzowanej zwłaszcza przez Bulovę Accutron i pracującej na nieco innej zasadzie. Motyw ten został jednak wykorzystany przez Seiko na tarczach zegarków kwarcowych dla jednoznacznego wyróżnienia i identyfikacji typu mechanizmu.

rezonator kwarcowy ze zdjętą osłoną

Jak to dokładnie działa?

Ładunek elektryczny przekazywany jest z baterii na rezonator za pomocą układu scalonego, co powoduje drganie (oscylację) kryształu kwarcu (współcześnie, poza nielicznymi wyjątkami jest to 32KHz).

Impuls z rezonatora wraca na microchip i przez zastosowanie dzielników częstotliwości przekształcany jest na sygnał elektryczny o częstotliwości 1s. Każdy dzielnik obniża częstotliwość o połowę a ponieważ 32768 Hz to 2 do potęgi 15, to po 15 podziałach dochodzimy do 1Hz czyli jednego impulsu na sekundę. Taki impuls napędza miniaturowy silniczek krokowy poruszający koła zębate i w efekcie wskazówki. Poniższa ilustracja z Encyklopedii Britannica pozwala zwizualizować wzajemne relacje między poszczególnymi elementami tego układu.

Wspomniany wcześniej Seiko Astron oferował dokładność chodu na poziomie +/-5s miesięcznie, co na owe czasy było wynikiem oszałamiającym. Problemem zegarków kwarcowych wyposażonych w tylko jeden rezonator jest jednak podatność na odchylenia spowodowane temperaturą. Swoją drogą ciepło generowane przez taki układ samo w sobie stanowiło na przeszkodę technologicznę i wiele wczesnych kwarców po prostu się usmażyło.

Jak zatem inżynierowie poradzili sobie z tą trudnością?

W 1978 roku konstruktorzy Seiko zaprezentowali mechanizm „Twin Quartz” (stąd charakterystyczny motyw graficzny podwójnego rezonatora na tarczy, lub – jak potocznie się go określa – plastra miodu). Zasada działania jest prosta, aczkolwiek wykonanie już zupełnie nie. Podczas gdy pierwszy rezonator spełnia swoją zwyczajową funkcję, drugi ma za zadanie kompensację dryfu tego pierwszego. Kluczowe jest tu zastosowanie kryształów o różnej charakterystyce temperaturowej, co umożliwia dokonanie przeliczeń przez układ cyfrowy w oparciu o ich wzajemny dryf. Twin Quartz podniósł poprzeczkę do poziomu +/-5s odchyłki rocznej.

Reklama zegarka Seiko Superior, wykonanego w technologii Twin Quartz

Mechanizmów tego typu było relatywnie niewiele wziąwszy pod uwagę rozpiętość oferty produktowej Seiko. Faktyczne, lub precyzyjniej mówiąc masowe zapotrzebowanie na tak dokładny czasomierz było i jest małe a współcześnie w dobie zegarów atomowych, synchronizacji radiowej, NTP i PTP – niemal żadne. Koszt produkcji jest za to bardzo wysoki, zatem można uznać, że w okresie dominacji Seiko na rynku zegarków kwarcowych Twin Quartz był raczej produktem „state of the art” stanowiącym dowód możliwości technologicznych. Stosowany był on w modelach Superior, King Quartz czy Grand Quartz (kalibry 9943 czy 9983) a więc produktach z górnej półki.

Zegarek BALTICUS Fala Brąz – limitowana edycja

Zegarek LIP Himalaya 671554

Warto wspomnieć o innych istotnych horologicznie mechanizmach kwarcowych wysokiej precyzji. Takim jest z na przykład Rolex Oysterquartz cal. 5034 z 1977r. lub Omega Megaquartz (w tym przypadku mamy do czynienia z jednym rezonatorem ale pracującym z wysoką częstotliwością).

Współcześnie Breitling stosuje termokompensację w zegarkach opartych na modyfikowanym mechaniźmie ETA. Uczciwie jest też wspomnieć o bodajże najdokładniejszym mechaniźmie kwarcowym czyli Citizen Cryston 4 Mega (nazwa bierze się od częstotliwości pracy rezonatora czyli w tym przypadku 4MHz). Jego dokładność chodu wynosi +/-3 sekundy rocznie (!).

Seiko Grand Quartz z mechanizmem kwarcowym o podwójnym rezonatorze

Uważam, że kwarcowe Seiko z serii Lord, King, Grand czy Superior stanowią świetną ofertę dla osób poszukujących bardzo dobrej jakości w niewygórowanej cenie.

Zegarki z tych linii wyposażone są w wysokiej próby mechanizmy kwarcowe, piękne tarcze (m.in. o strukturze płótna, papirusu czy efekcie sunburst), starannie nakładane indeksy, precyzyjnie wykonane wskazówki, eleganckie koperty o różnorakich szlifach oraz (o ile wiem bez wyjątku) eleganckie bransolety z pełnych ogniw. W porównaniu z ich odpowiednikami mechanicznymi ceny utrzymują się nadal na rozsądnym poziomie ale przewiduję, że ten trend ostatecznie się zmieni na fali zainteresowania vintage Seiko oraz stopniowym uznaniu przez kolekcjonerów, technologii kwarcowej, jako godnie konkurującej z tradycyjną.

Osoby niebojące się lektury technicznej gorąco zachęcam do zapoznania się z wynikami testu dokładności i stabilności mechanizmów kwarcowych, znajdującymi się pod tym adresem: https://tf.nist.gov/general/pdf/2276.pdf

2 komentarze do “Historia technologii kwarcowej na przykładzie Seiko Quartz i Twin Quartz”

  • Borsuk napisał/a:

    Bardzo dobry artykuł, przyjemnie się go czyta. W moim odczuciu kapitalny tekst o mechanizmach kwarcowych i tym w jakim kierunku obecnie ta technologia się rozwija. Nosząc zegarki od lat nigdy, do tej pory nie zastanawiałem się nad zasadą ich działania. Czekam na następne wpisy 🙂

    • Adam Piskorz napisał/a:

      Pięknie dziękuję za pozytywny komentarz. Z pewnością będę kontynuował pisanie w zbliżonym duchu i na blogu będą się pojawiały kolejne artykuły :-).

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Możesz użyć tych tagów i atrybutów HTML:

<a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>