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Une horloge à quartz

Une montre à quartz est une montre qui utilise un oscillateur électronique qui est asservi par un quartz de cristal pour garder le temps. Cet oscillateur à cristal crée un signal très précis de la fréquence, de sorte que les montres à quartz sont à moins d'un ordre de grandeur plus précis que les montres mécaniques. Généralement, une certaine forme de logique numérique compte les cycles de ce signal et de l'offre numérique du temps d'affichage, généralement exprimée en unités d'heures, de minutes et de secondes. La première horloge à quartz a été construit en 1927 par Warren Marrison et J. W. Horton à la Bell Telephone Laboratories. Depuis les années 1980, lors de l'avènement de l'état solide de l'électronique numérique leur a permis d'être faite compact et peu coûteux, le quartz, les chronométreurs sont devenus la plus largement utilisée de la technologie du chronométrage, utilisé dans la plupart des horloges et des montres, ainsi que des ordinateurs et d'autres appareils qui les maintenir dans le temps.

Explication

Première Européenne horloge à quartz pour les consommateurs "Astrochron", Junghans, Schramberg, 1967 (allemand Horloge Musée, Inv. 1995-603)

Première montre-bracelet à quartz mouvement, utilisé dans la Seiko Astron, Calibre 35, No. 00234, Seiko, le Japon, 1969 (allemand Horloge Musée, Inv. 2010-006)

Chimiquement, le quartz est un composé appelé dioxyde de silicium. De nombreux matériaux peuvent être formés dans des assiettes qui aura de l'écho. Cependant, le quartz est également un matériau piézoélectrique, lorsqu'un cristal de quartz est soumis à des contraintes mécaniques, telles que la flexion, il accumule de la charge électrique à travers quelques avions. Dans l'effet inverse, si des accusations sont placés dans l'avion de cristal, cristaux de quartz se plier. Puisque le quartz peut être directement pilotée (flex) en un signal électrique, aucun haut-parleur ou le microphone est nécessaire pour l'utiliser dans un résonateur. Semblable à des cristaux sont utilisés dans le bas de gamme phonographe cartouches: Le mouvement du stylet (à l'aiguille) fléchit un cristal de quartz, ce qui produit une petite tension, qui est amplifié et diffusé par des haut-parleurs. Quartz microphones sont toujours disponibles, mais pas commun.

Le Quartz a un autre avantage, c'est que sa taille ne change pas grand chose tant que la température varie. Quartz fondu est souvent utilisé pour l'équipement de laboratoire qui ne doit pas changer de forme ainsi que la température. Une plaque de quartz de fréquence de résonance, en fonction de sa taille, ne sera pas de manière significative la hausse ou la baisse. De même, depuis son résonateur ne pas changer de forme, une horloge à quartz restera relativement précise que les changements de température.

Dans le début du 20e siècle, la radio ingénieurs ont cherché un stable et précise de la source de fréquences radio, et a commencé à en premier avec de l'acier résonateurs. Toutefois, lorsque Walter Guyton Cady constaté que le quartz peut résonner avec moins d'équipement et une meilleure stabilité de la température, de l'acier résonateurs ont disparu en quelques années. Plus tard, les chercheurs du NIST (les états-UNIS National Bureau of Standards) ont découvert qu'un oscillateur à quartz pourrait être plus précis qu'une horloge à pendule.

Le circuit électronique est un oscillateur, un amplificateur dont la sortie passe à travers le résonateur à quartz. Le résonateur agit comme un filtre électronique, en éliminant toutes les mais la seule fréquence d'intérêt. La sortie du résonateur renvoit à l'entrée de l'amplificateur, et le résonateur assure que l'oscillateur "hurlements" avec la fréquence exacte d'intérêt. Lorsque le circuit démarre, même un seul tir en cascade pour apporter de l'oscillateur à la fréquence souhaitée. Si l'amplificateur est trop parfait, l'oscillateur ne démarre pas.

La fréquence à laquelle le cristal oscille dépend de sa forme, la taille, et l'avion de cristal sur lequel le quartz est coupé. Les positions au cours de laquelle les électrodes sont placées pouvez légèrement modifier le réglage. Si le cristal est précisément en forme et positionnés, elle va osciller à une fréquence souhaitée. Dans presque toutes les montres à quartz, la fréquence est de 32 768 Hz, et le cristal est taillé dans un petit diapason forme sur un avion de cristal. Cette fréquence est une puissance de deux (de 32 768 = 2¹⁵), juste assez haut pour la plupart des gens ne peuvent pas entendre, mais suffisamment faible pour permettre peu coûteux compteurs à tirer un 1-deuxième impulsion. 15-bit binaire numérique compteur piloté par la fréquence de dépassement de fois par seconde, la création d'un pouls digital une fois par seconde. L'impulsion par seconde sortie peut être utilisée pour conduire de nombreuses sortes d'horloges.

Bien que le quartz a un très faible coefficient de dilatation thermique, les changements de température sont la principale cause de variation de fréquence dans des oscillateurs à quartz. Le moyen le plus évident de la réduction de l'effet de la température sur le taux d'oscillation est de garder le cristal à une température constante. Pour la qualité de laboratoire oscillateurs d'un Four-Controlled Crystal Oscillator est utilisé, dans lequel le cristal est conservé dans un très petit four qui est maintenu à une température constante. Cette méthode est cependant peu pratique pour les consommateurs de quartz de l'horloge et de montre-bracelet de mouvements.

Le cristal de plans et de paramétrage d'un consommateur grade quartz de l'horloge sont conçus pour un minimum de sensibilité à la température en fonction de leur effet sur la fréquence et d'exploiter au mieux au sujet 25  ( ). À cette température, le cristal oscille à sa plus rapide. Une augmentation ou une diminution de la température entraînera une -0.035 parties par million/°C² (plus lent), le taux d'oscillation. Donc un écart de ±1 °C la température de déviation sera prise en compte pour une (1)² x -0.035 = -0.035 parties par million (ppm) de taux, ce qui est équivalent à -1.1 secondes par an. Si, au lieu de cela, le cristal expériences ±10 °C de la température de déviation, puis le changement du taux pourra être (10)² x -0.035 ppm = 100 x -0.035 ppm = -3.5 ppm, ce qui est équivalent à -110 secondes par an.

Montre à Quartz fabricants d'utiliser une version simplifiée de la Four-Controlled Crystal Oscillator méthode en recommandant que leurs montres être porté régulièrement pour garantir une meilleure performance. Régulière de porter une montre à quartz réduit de manière significative l'ampleur de la température ambiante balançoires, depuis un correctement conçu le boîtier de montre en formes un expédient four à cristal qui utilise la stabilité de la température du corps humain pour garder le cristal dans sa forme la plus précise de la température de la gamme.

Mécanisme

Base de quartz montre-bracelet mouvement. En bas à droite de quartz oscillateur à cristal, bouton gauche de la cellule de batterie de montre. En haut à droite de l'oscillateur contre, en haut à gauche de la bobine du moteur pas à pas qui alimente les aiguilles de la montre.

L'image d'un cristal de quartz résonateur, utilisé comme indication de l'heure de la composante dans le quartz, les montres et les horloges, avec le cas supprimé. Il est formé dans la forme d'un diapason. La plupart de ces horloge à quartz en cristaux de vibrer à une fréquence de 32 768 Hz.

Moderne les montres à quartz, le cristal de quartz résonateur ou de l'oscillateur est dans la forme d'un petit diapason, laser-ou garnis de précision baignée de vibrer à de 32 768 Hz. Cette fréquence est égale à 2^{à 15} cycles par seconde. Une puissance de 2 est choisie de telle sorte qu'une simple chaîne de la fracture numérique par 2 étapes peuvent dériver le 1 Hz signal nécessaires à la conduite de la montre de seconde main. Dans la plupart des horloges, le résonateur est dans une petite boîte ou paquet plat, d'environ 4 mm de long. La raison la de 32 768 Hz résonateur est devenu si commun est dû à un compromis entre la grande taille physique de faible fréquence des cristaux pour les montres et le grand drain de courant de haute fréquence des cristaux, ce qui réduit la durée de vie de la pile de montre. Durant les années 1970, l'introduction de métal–oxyde–semiconducteur (MOS) de circuits intégrés a permis à 12 mois de vie de la batterie à partir d'une seule pièce de la cellule lors de la conduite d'une mécanique Lavet type de moteur pas à pas ou un affichage à cristaux liquides (LCD montre numérique). Diode électroluminescente (LED) s'affiche pour les montres sont devenues rares en raison de leur relativement élevé de la consommation de la batterie.

La formule de base pour le calcul de la fréquence fondamentale (f) de la vibration d'un cantilever en fonction de ses dimensions (quadratique cross-section) est de:

${\displaystyle }$

où

• Hauteur 1,875 la plus petite solution positive de cos(x)cosh(x) = -1
• l est la longueur du levier
• un est son épaisseur le long de la direction du mouvement
• E est son module de Young
• et ρ est sa densité

Un cantilever faite de quartz (E = 10¹¹ N·m^-2 = 100 GPa et ρ = 2634 kg·m^-3 ) avec une longueur de 3 mm et d'une épaisseur de 0,3 mm a donc une fréquence fondamentale de près de 33 kHz. Le cristal est à l'écoute à exactement 2¹⁵ = de 32 768 Hz ou fonctionne à une fréquence légèrement plus élevée avec l'inhibition de la rémunération (voir ci-dessous).

Précision

La relative stabilité du résonateur à quartz et son circuit de conduite est beaucoup mieux que sa précision absolue. La norme de qualité des résonateurs de ce type sont garantis à long terme de précision d'environ 6 parties par million (0.0006%) à 31 degrés Celsius (87,8 °F): c'est typique d'un quartz de l'horloge ou de montre-bracelet va gagner ou perdre 15 secondes par 30 jours (dans une normale plage de température de 5 °C/41 °F à 35 °C/95 °F) ou du moins d'une demi-seconde dérive de l'horloge par jour lorsqu'il est porté près du corps.

L'Inhibition de la rémunération

Bon marché montres à quartz et les montres de l'utilisation d'une technique connue sous le nom d'inhibition de la rémunération. Le cristal est délibérément fait pour courir un peu rapide. Après la fabrication, chaque module est calibré par rapport à une horloge de précision à l'usine et ajusté afin de maintenir de l'heure exacte par programmation de la logique numérique pour passer d'un petit nombre de crystal cycles à intervalles réguliers, par exemple 10 secondes ou 1 minute. Pour un type de mouvement de quartz cela permet programmée des ajustements dans 7.91 secondes par 30 jours par incréments de 10 secondes (sur un 10-deuxième porte de mesure) ou programmé des ajustements dans 1.32 secondes par incréments de 30 jours pour 60 secondes (sur un 60-deuxième porte de mesure). L'avantage de cette méthode est que l'utilisation de la programmation numérique pour stocker le nombre d'impulsions à supprimer, dans une mémoire non-volatile s'inscrire sur la puce est moins cher que l'ancienne technique de la coupe du quartz diapason de la fréquence. L'inhibition de la logique de compensation de certains mouvements à quartz peut être régulée par des centres de service à l'aide d'un régulateur de précision et ajustement de terminal après la sortie de l'usine, bien que de nombreux mouvements de montres à quartz bon marché ne proposent pas cette fonctionnalité.

Réglage interne

Certains prime mouvement des conceptions de soi de taux et de s'auto-réguler. C'est, plutôt qu'un simple comptage des vibrations, leur programme d'ordinateur prend le simple comptage, et les échelles à l'aide d'un ratio calculé entre une époque réglé à l'usine, et la dernière fois le réglage de l'horloge. Ces montres deviennent plus précises à mesure qu'ils vieillissent.^{[réf. nécessaire]}

Il est possible pour un système informatisé de haute précision du mouvement à quartz afin de mesurer sa température, et de s'y adapter. À la fois analogique et numérique de la température de compensation ont été utilisés dans le haut de gamme des montres à quartz. En plus cher haut de gamme des montres à quartz, compensation thermique peut être mis en œuvre en variant le nombre de cycles pour inhiber la fonction de la sortie d'un capteur de température. Le COSC, le taux journalier moyen standard pour officiellement certifié COSC quartz chronomètres est de ± 25.55 secondes par an. Thermo compensé mouvements à quartz, même dans les montres-bracelets, peut être précis à ± 5 à ± 25 secondes par an et peuvent être utilisés comme des chronomètres de marine pour déterminer la longitude par le biais de la navigation astronomique.

Réglage externe

Si un mouvement à quartz est "classé" par la mesure de son chronométrage caractéristiques par rapport à une horloge radio's temps de diffusion, afin de déterminer combien de temps la montre gagne ou perd par jour, et des ajustements sont apportés au circuit de "réguler" le chronométrage, puis le temps corrigé facilement une précision de ± 10 secondes par an. C'est plus que suffisant pour effectuer la navigation astronomique.

Chronomètres

Quartz chronomètres conçus comme des normes de temps souvent comprennent un four à cristal, afin de garder le cristal à une température constante. Certains auto-taux et comprennent des "crystal fermes," de sorte que l'horloge peut prendre la moyenne d'un ensemble de mesures de temps.

L'histoire

Quatre précision de 100 kHz à quartz, oscillateurs à l'US Bureau of Standards (maintenant NIST), qui est devenu le premier de la fréquence de quartz standard pour les États-unis en 1929. Conservé à température contrôlée fours à empêcher la fréquence de la dérive due à la dilatation thermique ou la contraction de la grande résonateurs à quartz (monté sous les dômes de verre sur le dessus de la unités) ils ont réalisé précision de 10^-7, environ 1 seconde erreur dans 4 mois.

Le premier Suisse à quartz de l'horloge, qui a été fait après la seconde guerre mondiale (à gauche), sur l'affichage au Musée International de l'Horlogerie à La Chaux-de-Fonds.

Les propriétés piézoélectriques du quartz ont été découverts par Jacques et Pierre Curie en 1880. Le premier quartz oscillateur à cristal a été construit par Walter G. Cady en 1921. En 1923, D. W. Colorant au Laboratoire National de Physique dans le royaume-UNI et Warren Marrison à Bell Telephone Laboratories séquences produites de précision du temps des signaux avec des oscillateurs à quartz. En 1927, la première horloge à quartz a été construit par Warren Marrison et J. W. Horton chez Bell Telephone Laboratories. Les 3 prochaines décennies ont vu le développement de montres à quartz de précision des normes de temps en laboratoire; les encombrants délicat de comptage électronique, construit avec des tubes à vide, limité leur utilisation ailleurs. En 1932, une horloge à quartz a été en mesure de mesurer de minuscules variations de la vitesse de rotation de la Terre sur des périodes de quelques semaines. Au Japon en 1932, Issac Koga développé un cristal de coupe qui a donné une fréquence d'oscillation indépendante de la variation de température. Le National Bureau of Standards (maintenant NIST) en fonction de l'heure standard de l'-NOUS sur les montres à quartz entre les années 1930 et les années 1960, après quoi il fait la transition vers les horloges atomiques. L'utilisation plus large de quartz de l'horloge de la technologie a dû attendre la mise en place de bon marché des semi-conducteurs de logique numérique dans les années 1960. La version révisée de la 14e édition de l'Encyclopædia Britannica^[Quand ?] a déclaré que les montres à quartz ne serait probablement jamais assez abordable pour être utilisé à l'échelle nationale.^{[réf. nécessaire]}

Le monde du premier prototype analogique à quartz de montres-bracelets ont été révélé en 1967: la Bêta 1 a révélé par le Centre Électronique Horloger (CEH) de Neuchâtel, en Suisse, et le prototype de l'Astron révélé par Seiko au Japon. (Seiko a été de travailler sur les montres à quartz, depuis 1958).

En décembre 1969, Seiko produit le premier au monde commercial de quartz montre-bracelet, l'Astron. Cette montre a été publié juste avant l'introduction de la Suisse Beta21, qui a été développé par 16 Montre Suisse fabrique et utilisé par Rolex, Patek célèbre et l'Oméga dans leur electroquartz modèles. La version Bêta 21 montres avaient une précision de 5 secondes par mois, mais ont été rapidement dépassé par l'introduction de plus économique et plus exacte les montres à quartz. Inhérents à la précision et à faible coût de production a entraîné la prolifération des montres à quartz et des montres depuis ce temps. Dans les années 1980, le quartz, la technologie a pris plus d'applications comme la cuisine des chronomètres, réveils, des coffres de banque de temps serrures, et le temps des fusées sur les sous-munitions, à partir plus tôt mécanique de la roue de la balance des mouvements, des bouleversements connus dans l'horlogerie comme le quartz crise.

Quartz montres ont dominé la montre et de l'horloge de marché depuis les années 1980. En raison de la forte facteur Q et un faible coefficient de température du cristal de quartz, elles sont plus précises que le meilleur des garde-temps mécaniques, et l'élimination de toutes les pièces mobiles et les rend plus robuste et élimine le besoin d'un entretien périodique.

Commercial analogiques et numériques, des horloges murales sont disponibles en 2014 qui utilisent un four double oscillateur à quartz, avec une précision de 0,2 ppb. Ces horloges sont à l'usine synchronisé avec le temps atomique standard, et ne nécessitent généralement pas toute les ajustements en temps pour la vie de l'horloge.

Voir aussi

• Quartz automatique
• La lumière alimenté quartz
• Montre électrique
• Quartz crise
• Lavet type de moteur pas à pas
• Oscillateur Pierce

Lectures complémentaires

• Cook A, « Time and the Royal Society », Notes and Records of the Royal Society of London, vol. 55, n^o 1,‎ 2001, p. 9–27 (DOI 10.1098/rsnr.2001.0123)
• Marrison WA, « The Evolution of the quartz crystal clock », Bell System Technical Journal, vol. 27,‎ 1948, p. 510–588 (DOI 10.1002/j.1538-7305.1948.tb01343.x, lire en ligne)

Liens externes

• TimeZone.com article sur le développement de montres à quartz
• Expliquer ce genre de Choses: Comment les montres à quartz de travail
• Moderne quartz analogique" horloges et des montres avec des animations
• Douglas Dwyer.Modèle:HowStuffWorks
• Horlogerie 101 - quartz F. A. Q.
• Une courte introduction sur la coupe de cristaux de quartz