Kvartsi katsella tai elektronisen rannekellon käyttää elektronivärähtelijää alistettu jonka kvartsi kideresonaattorin . Tämä kideoskillaattori luo erittäin tarkan aikasignaalin, joten kvartsikellot ovat tarkempia kuin mekaaniset kellot .
Kvartsikellon ja elektronisen kellon termejä käytetään identtisesti , mikä on oikein useimmissa tapauksissa. Voimme kuitenkin löytää:
Lohkokaavio kvartsi kello on suhteellisen yksinkertainen. Energia on peräisin nappiparisto , joka antaa virtaa integroitu piiri (IC) , kvartsi, ja näyttö järjestelmä, joka käyttää joko liikkuvien osien mekaaninen näyttö kellon tai näytön elektronisen näytön katsella. IC saa kvartsin värähtelemään tarkalla ja vakaalla taajuudella, joka on aikaperusta. Mekaanisen näyttökellon tapauksessa IC lähettää pulsseja säännöllisin väliajoin askelmoottorille, joka kääntää hammaspyörän, johon on kiinnitetty neuloja tai levyjä, jotka osoittavat tunnit, minuutit ja tunnit, usein sekunnit.
Näyttöjä on kahdenlaisia:
Meillä on kaksi tekniikkaa:
Yhdistetty kello elektronisella analogisella näytöllä. Kädet näytetään OLED-näytöllä. Huawei GT 2 -kello.
Elektroninen kello digitaalisella näytöllä. Casio W-86 -kello.
Alussa 20 th luvun, radio insinöörit etsivät lähde tarkka ja vakaa taajuus. Ne alkavat teräsresonaattoreista. Samanaikaisesti Paul Langevin käyttää kvartsia akustisten aaltojen ( kaikuluotaimen ) lähettämiseen ja vastaanottamiseen , mikä inspiroi Walter Guyton Cadyä ja GW Piercea, jotka kehittävät ensimmäiset kvartsioskillaattorit. Jälkimmäiset osoittautuvat erittäin vakaina, vaikka lämpötila vaihtelee. Teräsresonaattorit häviävät muutamassa vuodessa. Myöhemmin National Institute of Standards and Technology (NIST) -tutkijat havaitsivat, että kideoskillaattorin sisältävä kello voi olla paljon tarkempi kuin heilurikello . Vuosina 1930–1960 kvartsikellot olivat uunin kokoisia ja asettivat vertailuarvon ajaksi atomikellojen ilmestymiseen saakka .
Elektroniikan pienentämisen ja valmistusprosessien parantamisen ansiosta jääkaapin sisältö tulee yhtäkkiä kannettavaksi ranteessa. Kehittäminen kvartsi kellot tapahtuu samanaikaisesti Japanissa ja Sveitsissä. Se oli 1967 kansainvälinen chronometry kilpailussa että ensimmäinen kvartsi liikkeitä esiteltiin suurelle yleisölle. Jotkut tulevat Centre Électronique Horlogerista (CEH) ja toiset Seikon tutkimus- ja kehityskeskuksesta . Se on todellinen kronometrinen vallankumous, nämä liikkeet ovat jo kymmenen kertaa tarkempia kuin aikojen parhaat mekaaniset kellot. Kymmenen ensimmäistä paikkaa kilpailussa saa CEH. Nämä liikkeet sisältävät tangon muotoisen kvartsiresonaattorin, eräänlaisen resonaattorin, jota ei enää käytetä lainkaan tänään .
Ensimmäinen kaupan pidettävä kvartsi-rannekello on Seiko 35SQ , joka julkaistiin markkinoilla vuonna 1969. Myydään 100 kappaletta kultakotelolla , se maksaa auton hinnan. Ensimmäisiä beeta 21 -liikettä käyttäviä sveitsiläisiä kvartsikelloja markkinoitiin vuodesta 1970.
1970-luvulla MOS- tyyppisten integroitujen piirien käyttöönotto mahdollisti 12 kuukauden autonomian saamisen yksinkertaisella nappiparistolla riippumatta siitä, käytetäänkö Lavet-tyyppistä askelmoottoria vai nestekidenäyttöä (LCD). Toisaalta, valoa lähettävä diodi (LED) näyttää kuitenkin nopeasti luovuttiin, koska niiden suhteellisen korkea kulutus.
Elektronisten kellojen napisolut ovat joko hopeaoksidia (1,5 V) tai litiumia (3 V). Niiden kapasiteetti vaihtelee akun koosta ja kellon toiminnoista riippuen välillä 20-200 mAh. Luonnollisesti ajanotto kello , jossa on päivämäärä ja valaistus tulee sisältää akun suurempi kapasiteetti kuin kahden käden katsella jotta olla vastaava autonomia (tai teho varauksesta ).
Elektronisen kolmikätisen kellon käyttämiseen tarvittava teho vastaa mekaanisen kellon tehoa (tyypillisesti 1,5 μW), mutta painikkeen kennossa käytettävissä oleva energiamäärä on suurempi kuin tynnyrissä , mikä antaa yksinkertaisilla elektronisilla kelloilla suurempi autonomia (tyypillisesti 3 vuotta mekaanisten kellojen 2 päivää vastaan).
Elektronisten kellojen integroitu piiri tuotetaan CMOS- tekniikassa kiinnittäen erityistä huomiota kulutettuun tehoon, jonka on oltava mahdollisimman alhainen (tyypillisesti 0,1 μW). Osa piiristä on omistettu oskillaattorille. Tämä osa sisältää vahvistimen, joka yhdistettynä ulkoiseen kvartsiin ja kahteen kondensaattoriin muodostaa Pierce-oskillaattorin . Kondensaattorit voidaan liittää integroituun piiriin tai olla ulkoinen. Niitä käytetään oskillaattorin taajuuden säätämiseen.
IC: n toisessa osassa on 15 vaihetta, joista kukin jakaa oskillaattorin taajuuden kahdella. Tämä taajuus muuttuu siten 32 768 Hz: stä 1 Hz: iin ja sitä käytetään sekuntien lisäämiseen.
Kulutuksen rajoittamiseksi moottoriin lähetetyt pulssit voidaan pilkkoa ja leikkausnopeutta muuttaa moottorin kuormituksesta riippuen. Moottorin läpi kulkevan virran merkin perusteella IC havaitsee, onko moottorivaihe onnistunut vai epäonnistunut. Jos se jää väliin, askel tarttuu kiinni ja hajautusnopeus sovitetaan niin, että vaihe tehdään oikein. Sitten servo yrittää vähentää kulutusta uudelleen vähentämällä hajautusastetta. Tämä tapahtuu tyypillisesti päivämäärän muutoksen aikana (päivämäärän muutoksessa), jolloin hammasratas tarvitsee lisää vääntömomenttia tällä hetkellä.
Jos kellossa on elektroninen näyttö, näytön ohjaus korvaa moottorin ohjaimen.
IC voi sisältää myös lisätoimintojen, kuten ajanoton tai herätyskellon, ohjauksen.
IC voi sisältää myös ajon asettamisen estämällä.
Kvartsi yksikiteistä yhdistää kolme ominaisuutta, jotka tekevät siitä hyvin suositun resonaattorina emäksen aikaa tai taajuus :
Kemiallisesti, kvartsi koostuu piidioksidia (SiO 2 ), molekyylit , jotka on järjestetty trigonaalinen-puolisuunnikkaan kiteen rakenne ja joilla on pietsosähköisiä ominaisuuksia . Kun kvartsiterä altistuu mekaanisille rasituksille, kuten taivutukselle, se kerää sähkövaroja pinnalle. Toisaalta, jos kvartsiterän pinnoille asetetaan sähkövaroja, se taipuu. Näitä pietsosähköisiä ja käänteisiä pietsosähköisiä vaikutuksia voidaan käyttää sekä mikrofoneissa tai äänitteissä , joissa mekaaniset värähtelyt tuottavat sähköisen signaalin, että mustesuihkutulostuspääissä, joissa sähköinen signaali tuottaa mekaanisia värähtelyjä.
Kvartsi on toinen tärkeä etu: riippuen kiteinen suunta kiekon , jossa resonaattori on valmistettu, ja riippuen värähtelymoodi, sen termomekaanisen kertoimet, erityisesti sen termoelastinen kerroin (vaihtelu Youngin moduuli , jossa lämpötila ) ovat alhaiset, ja siksi sen resonanssitaajuus pysyy vakaana lämpötilan vaihdellessa. Virityshaarukat on valmistettu kvartsilevyistä, jotka on suunnattu leikkaukseen nimeltä z + 2 ° x. Heidän värähtelytapa on taipuminen . Muita resonaattoreita on käytetty, esimerkiksi ZT-leikkauksella, joka vastaa kaksinkertaista kiertämistä (alkaen z-leikkauksesta, ensimmäinen kiertyminen x: n ympäri kulmassa φ = 26,5 °, sitten kiertyminen Θ = 20 ° z ': n ympäri) . ZT-resonaattori toimii laajennuksessa , sen resonanssitaajuus on tyypillisesti 2 MHz. Lainataan myös AT-leikkausta, jota käytetään laajalti muutaman MHz: n ja 200 MHz: n taajuusalustojen tekemiseen ja joka käyttää leikkausmoodia .
Kvartsi syövytetään fluorivetyhappoa sisältävään liuokseen paljon nopeammin z-akselia pitkin kuin muihin suuntiin. Jauhamisprosessi koostuu Cr: n ja Au: n metallikerrosten kerrostamisesta ja sitten fotoresistin (PR) levittämisestä näiden kerrosten poistamiseksi paikallisella tavalla ja tämä kiekkojen molemmin puolin. Metallikerrokset toimivat sitten maskina kvartsin kemialliselle syövyttämiselle ja niitä voidaan sitten käyttää osassa elektrodeja. Tämä voimakkaasti anisotrooppinen kemiallinen syövytys mahdollistaa suhteellisen suorien sivujen saamisen. Metallikerrokset on järjestetty edelleen haarukkavarsien sivuille. Lopuksi taajuuksien säätö laserablaatiolla suoritetaan varsien päihin.
Edellä mainittujen ominaisuuksien ansiosta on mahdollista valmistaa noin 32 kHz: llä värähteleviä haarukkamaisia resonaattoreita, joilla on erinomaiset kronometriset ominaisuudet. Nämä resonaattorit kapseloidaan edelleen tyhjössä estämään kitkaa ilmassa, mikä lisää laatutekijää ja vähentää siten värähtelyjen ylläpitoon tarvittavaa tehoa.
Kuva synteettisestä yksikiteisestä kvartsisauvasta.
Kaavio synteettisestä kvartsikangasta tavallisilla osilla.
Kohdassa nähty kvartsikiekon anisotrooppinen kaiverrus.
Kvartsikellon elektroninen piiri käsittää oskillaattorin , joka sisältää integroituun piiriin integroidun vahvistimen ja kvartsiresonaattorin. Resonaattori toimii kuin elektroninen suodatin eliminoimalla kaikki taajuudet lukuun ottamatta sen luonnollista taajuutta. Resonaattorin ulostulossa oleva signaali palautetaan vahvistimen tuloon, mikä varmistaa piirin värähtelyn. Kun piiri alkaa, piirissä on riittävästi kohinaa värähtelyn aloittamiseksi halutulla taajuudella.
Moderni kvartsikellojen, kvartsi resonaattori on muodoltaan pieni äänirauta , resonanssitaajuus, joka on säädetty lähes 32768 Hz avulla on laser . Tämä taajuus, joka on yhtä suuri kuin 15 sykliä sekunnissa, valitaan siten, että 15 elektronisen jakajan ketju (T flip-flop) mahdollistaa 1 Hz: n taajuuden saavuttamisen, joka on välttämätön sekuntien osoittamisen ohjaamiseksi. Kelloissa resonaattori on kapseloitu metallitölkkiin tai keraamiseen koteloon . Se on juotettu elektroniseen moduuliin samanaikaisesti muiden elektronisten komponenttien kanssa.
Syy siihen, että 32 kHz: n resonaattorista on tullut niin suosittu, johtuu suurten ylläpitotehoa vaativien korkeiden taajuuksien ja suuria kiteitä vaativien matalien taajuuksien välisestä kompromissista.
Kaavan laskemiseksi perustaajuus ( ) on värähtelyn kvartsi palkin mukaan sen mitat on:
tai
Varhaisimmissa kvartsi-rannekelloresonaattoreissa oli tangon muotoinen kvartsi, vakio K 5590 Hz m, kun taas virityshaarukalle tämä vakio on vain 880 Hz m. Tietyllä taajuudella matala vakio K tarkoittaa pienempiä mittoja, mikä on mielenkiintoista kellolle. Lisäksi virityshaarukan kiinnittäminen koteloonsa on helpompaa kuin tangon.
Kvartsikellon toiminnan tarkkuus on parempi kuin ± 1 s / d (toinen päivä).
Valmistusrajoitusten vuoksi kvartsi ei ole koskaan tarkalleen toivotulla taajuudella, ja tämä huolimatta lukuisista säätövaiheista kemiallisen syövytyksen aikana sekä valmistuksen lopussa d-kerroksen laserablation aikana. 'Kulta käsivarren pituudelta. Erilaiset nopeudenkorjausjärjestelmät mahdollistavat joko taajuuden korjaamisen (säätö kondensaattorilla) tai taajuusjakajan lohkon korjaamisen (säätö estämällä).
Nopeuden säätäminen vaihtelevalla kondensaattorillaElektroninen piiri, joka ylläpitää kvartsin värähtelyjä, pitää sitä sähköisenä LC-piirinä .
Siksi on mahdollista säätää värähtelytaajuutta lisäämällä kvartsin kanssa sarjaan säädettävä kondensaattori, jota kutsutaan myös trimmeriksi .
Tämä ensimmäisissä kvartsielektroniikkamoduuleissa käytetty ratkaisu aiheuttaa ikääntymisongelman. Vuosien varrella muuttuvan kondensaattorin kapasiteetti muuttuu ja taajuus alkaa ajautua. Kelloa tulisi säätää säännöllisesti. Tämä järjestelmä löytyy vain vanhoista elektronisista moduuleista.
Tällä hetkellä kvartsikellot käyttävät tekniikkaa säätämiseen integroiduilla kondensaattoreilla tai estolla.
Nopeuden säätäminen integroiduilla kondensaattoreillaTämä järjestelmä toimii muuttuvan kondensaattorin säätelyä lukuun ottamatta, että muuttuva kondensaattori korvataan kiinteiden kondensaattoreiden pankilla, joka on istutettu integroituun piiriin. Säätö tapahtuu irrottamalla yksi tai useampi näistä kiinteistä kondensaattoreista. Korjaus on siis ohjelmoitu polttamalla ("sulatettu laser") tiettyjä kondensaattoriliitäntöjä suoraan integroidulle piirille. Liitännät voidaan ohjelmoida myös EEPROM: iin, joka aktivoi transistorit kondensaattoreiden kytkemiseksi. Nopeuden uudelleenohjelmointi on mahdollista EEPROM: n tapauksessa.
Nopeuden säätäminen estämälläKun nopeuden säätöjärjestelmää estetään, kvartsin värähtelytaajuuden on oltava hieman yli 32 768 Hz . Taajuuden jakava elektroninen piiri on varustettu logiikalla, jonka avulla voidaan vähentää tietty määrä pulsseja säännöllisin väliajoin, esimerkiksi kerran minuutissa. Kun elektroninen moduuli on koottu, sen taajuutta verrataan tarkkakelloon. Vähennettävien jaksojen lukumäärä määritetään ja ohjelmoidaan elektroniseen moduuliin.
Jälleen ohjelmointi voidaan suorittaa leikkaamalla kupariraidat painetulle piirille ("piirilevyn naarmu"), polttamalla laserin integroidun piirin liitännät ("sulatettu laser") tai tallentamalla tiedot EEPROM: iin .
LämpöriippuvuusOskillaattorin taajuus säädetään jollakin edellä mainituista menetelmistä, periaatteessa 25 ° C: n lämpötilassa. Lämpötilan vaihtelut aiheuttavat kuitenkin taajuuspoikkeaman, joka voidaan kuvata seuraavasti:
tai
Z + 2 ° x perus- kvartsi äänirauta, käytetään suurimmassa kellot, on parabolinen lämpötilariippuvuus ( = -0,035 ppm / ° C 2 ja = 25 ° C), toinen lämpötila kertoimet ovat lähes nolla. Viitaten käyrään, joka on vastakohta s / d- nopeudelle (1 s / d = 11,6 ppm ), kvartsikello yleensä jää jälkeen, riippumatta siitä, nouseeko lämpötila vai laskeuko se lämpötilaan 25 ° C verrattuna.
LämpökompensointiUseat kehitykset ovat mahdollistaneet elektronisten kellojen tarkkuuden parantamisen. Esimerkiksi käyttämällä kahta virityshaarukkaa, joiden lämpöriippuvuus on siirtynyt, tai valitsemalla toinen kvartsileikkaus, kuten ZT-leikkaus, jolla on paljon vähemmän riippuvuutta ja kuution muotoinen. Tämäntyyppiset resonaattorit käyttävät venymävärähtelytilaa. Niillä on suhteellisen korkea resonanssitaajuus, joka on luokkaa MHz, ja siksi ne kuluttavat enemmän energiaa kuin virityshaarukat. Niiden lämpöriippuvuus on samanlainen kuin AT-leikkausleikkausresonaattoreilla.
Joissakin elektronisissa kelloissa lämpötilan vaihtelut kompensoidaan. Anturi on integroitu lämpötilan mittaamiseksi ja nopeuden korjaamiseksi toisella estolla taajuusjakajan lohkossa. Piiri on kalibroitava, jotta muistiin voidaan lisätä mitattavien pulssien määrä mitatun lämpötilan funktiona. Tämän lämpötilakompensoinnin avulla kellot voidaan tuottaa tarkkuudella enintään ± 5 s / vuosi .
Joissakin elektronisissa liikkeissä aika voidaan synkronoida säännöllisin väliajoin radioaallon lähettämän ajan kanssa. Tätä kutsutaan radio-ohjatuksi kelloksi . Aikaradiolähetyksiä on useita:
Radio-ohjattavien kellojen tarkkuus on erinomainen. Se on verrattavissa atomikelloihin, joihin ne on synkronoitu. Lisäksi radio-ohjatut kellot asetetaan automaattisesti aikavyöhykkeiden muuttuessa.
Tämä tarkkuus ei kuitenkaan johdu itse kellosta. Lähetyssignaalin katoamisen yhteydessä radio-ohjattu kello laskee takaisin sen sisältämän kvartsin tarkkuuteen.
Sähköinen kello voi vaatia kronometrin arvon . Tätä varten jokaisen kellon on läpäistävä erikseen sertifioidun laboratorion, kuten COSC: n, testit .
Kronometrin otsikko asettaa kvartsikellolle alle 0,07 s / d eli 25 s / vuosi -virheen . Chronometer-tarran näiden tiukkojen kriteerien täyttämiseksi kvartsikelloissa on tällä hetkellä oltava lämpökompensointi (katso yllä).
Radio-ohjattavat kellot eivät voi vaatia kronometrin otsikkoa, koska niiden tarkkuus saavutetaan kellon ulkopuolisilla atomikelloilla.
Mekaanisilla näytöillä varustetut kvartsikellot käyttävät melkein aina vaiheittaista , Lavet-tyyppistä moottoria käsien tai levyjen siirtämiseen.
Marius Lavetin vuonna 1936 keksimä Lavet-moottori sisältää roottorin, joka sisältää magneetin ja staattorin . Kun staattorikäämin yli syötetään jännitepulssia, syntyvä magneettikenttä ohjaa staattorin pehmeää magneettista materiaalia ja kiertää roottoria. Sen toiminta voidaan jakaa neljään vaiheeseen (kuvattu vastakkaisessa kaaviossa):
Tätä moottoria koskeva patentti teki Marius Lavetille omaisuuden, jonka ansiosta hän loi Chéreau-Lavet-palkinnon, joka palkitsi ranskalaisia insinöörejä-keksijöitä.
Kolmen käden kelloissa, joten toisen kanssa askelmoottori tekee U-käännöksen joka sekunti, 30x: n alennusvaihdetta käytetään siis sekuntipyörään asti.
Kellonajan asettaminenPeriaatteessa mekaanisella näytöllä varustettujen kellojen aika tapahtuu mekaanisesti. Ratas kytketty kruunu tekee mahdolliseksi säätää asentoon tunti ja minuutti kädet tai levyjä.
Elektroninen näyttökello noudattaa mekaanisen näyttökellon hieman muokattua mallia. IC ohjaa elektronista näyttöä. Siksi ei ole liikkuvia mekaanisia osia lukuun ottamatta painikkeita ajan säätämiseksi tai esimerkiksi valon kytkemiseksi päälle yön ajan näkemiseksi.
Sähköinen juliste koostuu pinnasta, joka sisältää useita aktiivisia elementtejä, joita kutsutaan segmenteiksi tai pikseleiksi. Näitä kohteita käytetään ajan, tekstin, kuvakkeiden jne. Näyttämiseen. Nykyään eniten käytetty tekniikka on LCD , LED , OLED ja elektroninen paperi .
Tunnit, minuutit ja mahdollisesti sekunnit näytetään useimmissa tapauksissa nestekiteitä (LCD) sisältävien segmenttien muodostamilla numeerisilla numeroilla . Nestekiteeseen kohdistetusta jännitteestä riippuen segmentti on joko näkyvä tai läpinäkyvä. Nestekiteet ovat yleensä kierrettyä nemaattista tyyppiä . Ilman jännitettä liittimissään se kiertää valon polarisaatiota 90 °. Ja polarisaattorit on sijoitettu kummallakin puolella nestekiteen kohtisuorassa polariteetin suhteessa toisiinsa. Ilman jännitettä valo kulkee segmentin ja polarisaattoreiden läpi. Kun jännite on riittävä, nestekiteet suuntaavat kenttään eivätkä siten enää kierrä polarisaatiota. Sitten toinen polarisaattori estää valon ja segmentti näyttää siis mustalta.
Elektronisella näytöllä varustettujen kellojen aika tehdään yleensä painikkeilla tai elektronisella kruunulla tai kosketuspinnalla, joka asetetaan kellokiteen alle.