Quarzwerk

Quarzarmbanduhr mit integriertem Taschenrechner und Digitalanzeige von 1977

Eine Quarzuhr (falsche Schreibweise nach engl. quartz auch „Quartzuhr“) ist eine Uhr, deren Taktgeber kein mechanisches Pendel, sondern ein elektronischer Oszillator ist, dessen Frequenz mit Hilfe eines Schwingquarzes besonders genau eingehalten wird.

Eine Uhr geht umso genauer, je höher die Frequenz des bei ihr verwendeten Taktgebers ist. Mechanische Uhren können beispielsweise eine Schwingung von 5 Hz (der Unruh) aufweisen, wobei dieser Wert aufgrund des höheren Verschleißes bei schnellerem Lauf nur begrenzt gesteigert werden kann. Erste Versuche, einen Taktgeber mit höherer Frequenz zu verwenden, waren die sogenannten Stimmgabeluhren.

Die erste Quarzuhr wurde 1921 von H. M. Dadourian entwickelt, basierend auf Ultraschall-Experimenten mit Schwingquarzen durch Paul Langevin 1918 [1]. Diese ersten Prototypen wiesen jedoch – genau so wie auch die 1929 von dem kanadischen Telekommunikationsingenieur Warren Alvin Marrison bei Bell in den USA entwickelten – wegen nicht ausreichender Temperaturkompensation schlechtere Gangresultate auf als die zu dieser Zeit noch üblichen mechanischen Präzisionspendeluhren (PPU).

Erst die Quarzuhr von Adolf Scheibe und Udo Adelsberger erreichte deutlich bessere Gangresultate.

Zu Beginn verwendete man Röhren, seit den 1950er-Jahren Transistoren, um die Frequenz des Quarzoszillators auf einen Sekundentakt herunterzuteilen.

Diese Schwingungen treiben entweder über Schrittschaltwerk, 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.

Quarzuhren mit einem Quarz mit der üblichen Schwingfrequenz von 32.768 (=215) Hz haben normalerweise eine Genauigkeit (Abweichung) von ± 15–30 Sekunden im Monat. Da sich dieser Fehler kumuliert, muss auch eine Quarzuhr öfter synchronisiert werden, d.h. auf den Zeitwert einer genaueren Uhr eingestellt werden.

Der Quarzkristall wird in der Regel bei der Herstellung kalibriert, wobei auf den Kristall ein Zusatzgewicht, z. B. aus Metall, aufgebracht wird, das die Schwingfrequenz des Kristalls verkleinert. Nach Anregung wird die Schwingung des Kristalls gemessen und das Zusatzgewicht so lange mit einem Laserstrahl verdampft, bis die Eigenschwingung des Kristalls den gewünschten Wert erreicht.

Die Genauigkeit einer Quarzuhr kann durch Temperaturkompensation weiter gesteigert werden, die die Temperatur des Kristalls unabhängig von der Umgebungstemperatur konstant hält.

  • Funkuhren sind im allgemeinen Quarzuhren, die regelmäßig per Funk (Empfang des Zeitsenders DCF77) mit einer hochgenauen Atomuhr synchronisiert werden.
  • Die Systemuhr eines handelsüblichen Personal-Computers (RTC, Real Time Clock) ist auch eine Quarzuhr. Sie lässt sich per Software mit Hilfe des Network Time Protocol (NTP) über das Internet regelmäßig auf die genauere Uhrzeit eines Zeitservers stellen. Es besteht auch die Möglichkeit, die PC-Uhr über eine Funkuhr zu synchronisieren, die entweder im Computer integriert sein kann oder die extern angeschlossen wird, zum Beispiel in Form eines Dongles im Druckerkabel an der parallelen Schnittstelle.

Geschichte

Udo Adelsberger an der Quarzuhr, PTR 1938
  • 1929 Warren Alvin Marrison baut die erste Quarzuhr. Sie ist genauer als mechanische Uhren, reagiert jedoch auf Temperaturschwankungen.
  • 1932 Die Physiker Adolf Scheibe und Udo Adelsberger stellen 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 −0,03 Sekunden nach, im Herbst geht die Erddrehung +0,03 Sekunden 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 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.
v.l.n.r. Udo Adelsberger, Louis Essen, Japaner
  • 1938 verwendet Louis Essen (NPL, UK) statt Stäben ringförmige Oszillatoren (Essen-Ring) und steigert so die Präzision auf eine Gangabweichung von einer Sekunde in drei Jahren.
  • 1938 Rohde & Schwarz produziert die weltweit erste tragbare Quarzuhr.
  • 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 Der VEB Funkwerk in Erfurt in der DDR fertigt die Industriequarzuhr serienmäßig.
  • 1962 Die Firma ETA in der Schweiz entwickelt die erste batteriebetriebene Quarz-Armbanduhr: Beta 21.
  • 1969 Seiko in Japan produziert die erste Quarz-Armbanduhr für den Massenmarkt: „Astron“. Dies ist der Grundstein für eine weltweite japanische Marktdominanz; die Batteriekapazität reicht etwa ein Jahr.
  • 1970 Hamilton (USA) stellt 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 Longines und Seiko stellen digitale Armbanduhren mit energiesparenden Flüssigkristallanzeigen (LCD) vor, welche ständig die Zeit schwarz auf grau anzeigen. Dies ist bis heute Standard bei Digitaluhren.
  • 1974 Omega in der Schweiz baut mit dem Marine-Chronometer Constellation „Megaquarz“ eine Analog-Quarzarmbanduhr, deren Schwingkreis mit 2.359.296 Hz schwingt und die bis heute die genaueste Armbanduhr ist.
  • 1976 Als erster Hersteller einer neuen Art von Einsatz-Quarzuhren bringt Omega die wasserdichte Serie „Seamaster“ in den Handel.
  • 1977 Bifora-Uhren entwickelt die sog. „flat-line“ mit einer Gesamthöhe von ca. 2,8 mm.
  • 1980 baut Omega mit der „Dinosaure“ die flachste Quarzuhr (1,46 mm).
  • Aufgrund der Abkehr der renommierten Uhrenhersteller von der Quarzuhr findet in den 80er und 90er Jahren praktisch keine Innovation mehr statt (Quarzkrise).
  • 2005 führt Seiko den Spring Drive als federangetriebenen, quarzgesteuerten Uhrwerksmechanismus ein.

Einzelnachweise und Anmerkungen

  1. Die Uhrengeschichte

Weblinks


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