موتور ساعت های کوارتز

کوارتز یک ماده سخت، کریستالی و معدنی است اکه از اتم های سیلیکون و اکسیژن تشکیل شده است. فرمول شیمیایی آن SiO₂ بوده و دومین ماده معدنی فراوان در پوسته زمین است.

در زمان باستان، کوارتز رایج ترین ماده معدنی استفاده شده در ساخت جواهرات و اشیاء زینتی در اورآسیا (قاره اروپا و آسیا) بوده و امروزه در صنعت شیشه سازی و ساخت ریزپردازشگرها (میکروپروسسورها)  به کار می‌رود. کلمه کوارتز از لغت آلمانی "Quarz" مشتق شده است که آن نیز از اصطلاح لهستانی kwardy و کلمه tvrdý به معنی "سخت" در زبان چک گرفته شده است. جالب است بدانید که یونانیان باستان به این ماده (κρύσταλλος (krustallos که از کلمه (κρύος (kruos گرفته شده است و به معنی "سرمای یخبندان" می باشد، می گفتند. علت این نامگذاری آن بود که برخی از فیلسوفان یونانی بر این عقیده بودند که این ماده معدنی از سرد شدن فوق العاده یخ بوجود می آید. امروزه از اصلاح "سنگ کریستالی" برای نام بردن خالصترین نوع کوارتز استفاده می شود.

اما آیا می دانید تفاوت سنگ کوارتز طبیعی با سنگ کوارتز ساعت چیست؟

سنگ کوارتزی که در ساعت بکار می رود با کوارتزی که در طبیعت یافت می شود، متفاوت است. اگر چه کوارتز کشت شده توسط انسان را نیز نمی توان کوارتز غیر طبیعی نامید. کوارتز را برای قرار گرفتن دانه های تشکیل دهنده اش به صورت یکنواخت، بطور کنترل شده رشد می دهند و این فرایند را کشت می نامند. بیشتر کوارتزهای الکترونیک، مصنوعی هستند و کوارتزهای خاصی را می توان با فرکانسهای خاص برای کارکردهای خاص ایجاد کرد. پس از کشت برای بریدن آن به ضخامتهای مشخص، از اشعه ایکس برای اندازه گیری دقیق ضخامت و از اشعه لیزر برای برش استفاده می کنند. در طبیعت کریستال های تولید شده از یک سنگ هیچگاه دارای یک فرکانس برابر نیستند. اگر کوارتز ضربه ببیند، به محض قطع ضربه ولتاژی تا چند صد و یا چند هزار ولت تولید می کند. کوارتز های استفاده شده در وسایل الکترونیکی معمولا بزرگتر از کوارتزهای بکار رفته در موتور ساعتهای مچی هستند.

سنگ کوارتزی که در ساعت های مچی امروزی به عنوان نوسان ساز ساعت استفاده می شود، به شکل یک چنگال دو لبه کوچک است که توسط لیزر برش خورده است. برخی از سرامیک ها و کریستال های کوارتز دارای خاصیتی هستند که می توانند انرژی مکانیکی را به الکتریسیته تبدیل کنند و بالعکس، که به این خاصیت تبدیل انرژی "پیزوالکتریک" می گویند. این همان خاصیتی است که از آن در ساعت های کوارتز استفاده می شود تا بتواند نوسانی یکنواخت برای تولید ضربان ساعت ایجاد کنند.

موتور ساعت های کوارتز

اولین ساعت کوارتز در سال ۱۹۲۷ و توسط وارن ماریسون و جی. وی. هورتون در آزمایشگاه‌های بل ساخته شد. از سال ۱۹۸۰ و با فراگیر شدن استفاده از محصولات الکتریکی این امکان فراهم گردید تا این مدل ساعت‌ها در اندازه‌های مناسب‌تر و قیمت تمام شده ارزان‌تری تولید گردند.

اجزای ساعت های کوارتز:

1. باتری: منبع تغذیه ساعت های کوارتز است. باتری یک ساعت معمولا بین 1 تا 2 سال عمر می کند که البته به نوع موتور ساعت نیز بستگی دارد، برای مثال یک موتورکرونوگراف (موتورهایی که در اصلاح به آنها سه موتوره می گویند و دارای  سه عقربه بیشتر برای اندازه گیری ساعت، دقیقه و ثانیه و البته گاهی نیز صدم ثانیه می باشند.) انرژی بیشتری نسبت به یک ساعت بدون کرونوگراف مصرف می کند که در نتیجه عمر باتری کاهش می یابد.

2. موتور گام زن الکتریکی (Stepping Motor)

3. ریز تراشه (Microcheap) 

4. مداری که ریزتراشه را به قسمت های دیگر وصل می کند.

5. کریستال نوسان کننده ی کوارتز

6. سردسته تنظیم کننده ساعت

7. چرخ دنده های حرکت دهنده عقربه های ساعت با سرعتهای مختلف

8. محور باریک نگه دارنده عقربه ها

مراحل عملکرد ساعت های کوارتز:

1. باتری جریان الکتریکی را وارد مدار ریزتراشه می کند.

2. مدار ریزتراشه باعث نوسان کریستال کوارتز (کریستا برش خورده چنگالی شکل) به میزان 32768 بار در ثانیه (32768 هرتز) می شود.

3. مدار ریزتراشه نوسانات کریستال را تشخیص داده و آنها را به پالسهای الکتریکی مرتب، که هر یک بار در ثانیه  برقرار می گردند، تبدیل می کند.

4. پالس های الکتریکی کوچک به سمت موتور گام زن حرکت کرده و این انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی تبدیل می شود.

5. موتور گام زن، چرخ دنده ها را به چرخش در می آورد.

6. چرخ دنده ها باعث حرکت عقربه ها می شوند و در نهایت زمان را نشان می دهند.

مفهوم EOL یا END OF LIFE :

توجه داشته باشید در اکثر ساعت های کوارتز حدوداً یک ماه مانده به اتمام باتری، عقربه ثانیه شمارهر 4 ثانیه را یکجا می پرد که این حالت دلیلی بر خرابی ساعت نخواهد بود بلکه این هشداری برای نزدیک شدن به پایان عمر باتری است.

خصوصیات ساعت های کوارتز:

1. ساعت های کوارتز نسبت به ساعت های مکانیکی (ساعت هایی که بدون باطری و یا با کوک کردن، انرژی خود را تأمین می کنند) دقت بالاتری دارند.

2. عمر باتری این ساعت ها بسیار زیاد بوده و این موضوع از نظر اقتصادی بسیار به صرفه است. بسته به نوع ساعت باتری باید بین 1 تا 2 سال عوض شود.

3. ساعت های کوارتز ارزانتر از ساعت های مکانیکی هستند.

تاریخچه:

سال 1880: فیزیکدانان فرانسوی ژاک (Jacques) و پیر کوری (Pierre Curie) پیزوالکتریک بودن در کوارتز را کشف می کنند.

سال 1927: وارن ماریسون (Warren Marrison) و جی. دبلیو هورتون (J. W. Horton) اولین ساعت کوارتز را در آزمایشگاه های بل تولید کردند.

سال 1952: الگین (Elgin) و LIP نمونه های اولیه ساعتهای الکترونیکی را ارائه می دهند ، اگرچه هیچ یک از کوارتز استفاده نمی کنند.

سال 1957: همیلتون اولین ساعت الکترونیکی را معرفی می کند.

سال 1967: مرکز سوئیسی Electronique Horloge نمونه اولیه ساعت مچی کوارتز به نام Beta 1 را تولید می کند.

سال 1969: سیکو ، اولین ساعت مچی کوارتز تجاری را تولید می کند که قیمت تمام شده آن برابر 450،000 ین یا 8000 دلار امروز بود.

سال 1971: Girard-Perregaux کالیبر 350 را معرفی کرده و استاندارد نوسان کوارتز را 32768 هرتز تعیین می کند، این مدل سریعتر، دقیق تر و انرژی کمتری نسبت به مدل های قدیمی مصرف می کند.

چهار نوسان ساز کوارتز با دقت 100 کیلو هرتز در دفتر استانداردهای ایالات متحده (اکنون NIST) که اولین استاندارد فرکانس کوارتز برای ایالات متحده در سال 1929 شد.

اولین ساعت کوارتز سوئیسی ، که پس از جنگ جهانی دوم ساخته شده و در موزه بین المللی طالع بینی در Chaux-de-Fonds به نمایش گذاشته شده است (سمت چپ).