Quarzuhr

Früher Quarzwecker von Kundo, um 1976 (Preis damals 69 DM, was heute ca. 81 EUR entspricht)

Eine Quarzuhr (falsche Schreibweise nach englisch quartz auch „Quartzuhr“) ist eine elektromechanische Uhr, deren Taktgeber kein mechanisches Pendel, sondern 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.

Bauweise

Uhrwerk des oben gezeigten Kundo-Quarzweckers; gut erkennbar im Uhrzeigersinn: die Spule des Schrittmotors und der Schwingquarz

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

Uhrenquarz mit und 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.

Die Hauptkomponenten einer Quarzuhr sind

• ein Quarzschwingungs-basierter Taktgeber,
• eine Elektronik zur Verarbeitung der Takte und der Benutzereingaben,
• ein Anzeigeteil zur Darstellung von Zeitinformationen sowie gegebenenfalls Betriebszuständen der Uhr und
• eine Energieversorgung.

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 die Resonanzfrequenz eines Kristallblocks von einigen Millimetern Größe bei Anregung des Quarzes als Dickenschwinger, der problemlos in ein übliches Uhrgehäuse passen würde, viel zu hoch, nämlich im Megahertzbereich. Durch die Stimmgabelform ließe 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, LCD oder LED realisiert werden.

Als Energiequelle kommen zum Einsatz

• das Stromnetz (bei größeren Uhren),
• eine mobile Stromversorgung wie Batterie (meist eine Knopfzelle) oder Akku
• ein hochkapazitiver Doppelschicht-Kondensator mit Aufladung durch einen Schwungmassengenerator (ähnlich dem Aufzugsmechanismus bei automatischen Uhren) oder
• ein Kondensator, der von einem meist auf oder unter dem Zifferblatt angebrachten Solarpanel geladen wird.

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.

Die erste Quarzuhr wurde 1921 von H. M. Dadourian entwickelt, basierend auf Ultraschall-Experimenten mit Schwingquarzen durch Paul Langevin 1918.^[4] 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^[5] erreichte deutlich bessere Gangresultate. Die Miniaturisierung der Elektronik führte um 1970 zu den ersten Digitalstoppuhren und Quarz-Armbanduhren.

Ganggenauigkeit

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.

Die Genauigkeit einer Quarzuhr kann gesteigert werden durch:

• möglichst konstante Temperatur
• Temperaturkompensation (Messung der Quarztemperatur und Kompensation bei Kenntnis des Temperaturkoeffizienten),
• 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

Udo Adelsberger an der Quarzuhr, PTR 1938

Vorderseite einer Quarzuhr mit Zeigern

Digitale Quarz-Armbanduhr

• 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.^[6]
• 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.^[7][8]
• 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 gelegt.
• 1970 wird das Kaliber Beta 21 mit einem vibrierenden Motor von einem industriellen Konsortium in Kleinserie produziert und von verschiedenen Schweizer Uhrenherstellern vermarktet.^[7]
• 1970 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 neuen 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 Abkehr der renommierten Uhrenhersteller von der Quarzuhr findet in den 1990er-Jahren praktisch keine Innovation mehr statt (Quarzkrise).
• 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.

Einzelnachweise und Anmerkungen

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. ↑ Die Uhrengeschichte
5. ↑ Horst Hassler: A. Scheibe und U. Adelsberger — Physiker und Uhrenbauer aus Deutschland.
6. ↑ Firmengeschichte: 75 Jahre Rohde & Schwarz
7. ↑ ^{a b} http://invention.smithsonian.org/centerpieces/quartz/coolwatches/beta21.html
8. ↑ http://www.ieeeghn.com/wiki/index.php/First-Hand:The_First_Quartz_Wrist_Watch

Weblinks

 Commons: Quarzuhren – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

 Wiktionary: Quarzuhr – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Kleine Quarzarmbanduhren-Geschichtsbetrachtung (englisch)

Normdaten: SWD in der DNB: 4176635-0