Ein Quarz steuert das Uhrwerk

Wie eine mechanische Uhr funktioniert ist vorstellbar. Bei einer Quarzuhr ist das schwieriger. Was kann ein Stück synthetischer Quarz bewirken?

Wenn man eine elektrische Spannung an einen Quarzkristall anlegt, so beginnt dieser, mit einer ständig gleichbleibenden Frequenz von 32,768 Khz zu vibrieren oder zu schwingen. Diesen „piezoelektrischen Effekt' untersuchte 1880 erstmals Pierre Curie, der Ehemann von Marie Curie, die bahnbrechend auf dem Gebiet der Radioaktivität forschte. Er beobachtete, dass ein elektrisches Feld einen Quarzkristall zu Schwingungen anregt.

Als es vor hundert Jahren um die neue Radiotechnik ging, die stabile Frequenzen brauchte, wurden die Quarzkristalle weiter untersucht. Fernmeldetechniker der Telefonfirma Bell entwickelten dabei große Uhren, die durch einen Quarz-Oszillator gesteuert wurden und erstaunlich genau gingen. Sie wurden bald als astronomische Zentraluhren in Sternwarten verwendet. Danach wurden Quarzuhren auf der ganzen Welt benutzt.

In einer Quarzuhr arbeitet ein Quarzkristall-Oszillator mit sehr präziser Schwing-Geschwindigkeit. Ein elektronischer Schaltkreis erfasst diese Hochfrequenzschwingungen und reduziert sie auf eine brauchbare Frequenz. Diese Schritte treiben ein Räderwerk und damit die Zeiger für Stunden, Minuten und Sekunden an.

Präzision und Größe

Die frühen Quarzuhren waren sehr genau, aber alle zunächst sehr groß. Die ersten Modelle füllten ganze Räume. Nach und nach baute man kleiner, aber die für den Betriebsstrom nötigen Batterien waren immer noch sehr umfangreich und passten zunächst in keine Armbanduhr. Baute man sie sehr klein, so konnten sie nicht lange genug Strom abgeben.

Amerikanern gelang es erst in den 50er-Jahren des vorigen Jahrhunderts, kleine, leistungsstarke Batterien herzustellen. Die Hamilton Watch Company fertigte mit der Hamilton 500 1957 die erste elektrische Armbanduhr. Sie arbeitete allerdings nicht mit einem Quarz-Element, sondern hier setzte die Batterie durch winzige Stromstöße das mechanische Werk in Gang.

Quarz, Silizium und Gold

Bei anderen Versuchen, Batterien für Uhrwerke zu verwenden, wurden regelrechte kleine Stimmgabeln aus Metall benutzt, die durch einen Transistor in konstante Schwingungen versetzt wurden. So wurde ab 1955 an der Accutron" von Bulova gebaut, die 1960 auf den Markt kam. Diese Uhr tickte nicht mehr — sie summte.

Inzwischen hatte sich Seikosha in Japan — bei uns als „Seiko" bekannt — mit der Quarztechnologie beschäftigt. 1958 stellte das Unternehmen einen Quarzzeitmesser für Rundfunkstationen her, der sehr gut funktionierte, aber immer noch die Ausmaße eines Aktenschranks hatte. Man bemühte sich um Verkleinerung, und bald entstand ein Quarz-Marinechronometer, Seikos erste Uhr, die an einem Chronometer-Wettbewerb des Observatoriums von Neuchätel teilnahm.

1964 wurde eine kommerzielle Version dieser Uhr produziert, die 1964 bei den Olympischen Spielen in Tokio benutzt wurde.

Aber dieses Prinzip in eine Armbanduhr einzubauen —ging das? Jahre wurde daran gearbeitet. Viele quarzbetriebene Ohrentypen wurden ohne großen Erfolg gebaut. Die erste zufriedenstellend arbeitende Quarz-Armbanduhr brachte Seiko am 25. Dezember 1969 heraus. Heute werden gute Quarz-Armbanduhren von vielen Firmen neben mechanischen Zeitmessern angeboten.

In Quarz-Armbanduhren verwendet man extrem dünne Blätter aus synthetischem Quarz, die sehr stoßbeständig und in Stimmgabelform zugeschnitten sind. Eine elektrische Schaltung versorgt den Quarz mit Energie (diese kommt meist aus einer winzigen 1,55-Volt-Batterie) und nimmt seine Vibrationen auf.

Dieses Schaltsystem ist das Gehirn der Quarzuhr. Es besteht aus einem Siliziumplättchen mit einem aufgedruckten komplizierten Netz von Halbleitern, Widerständen und Kondensatoren und ist mit den anderen Elementen der Uhr durch feinste Goldfäden verbunden. Sie erfasst die vom Quarz ausgesandten elektrischen Signale, deren Frequenz anschließend fünfzehn mal halbiert werden muss, damit sie für das Uhrwerk verwendbar ist.

So erhält man einen einzelnen elektrischen Impuls pro Sekunde, der einen Schrittmotor

steuert. Dieser treibt über eine Übersetzung die Zeiger an. Damit werden die Uhren zu kleinen

Computern, in denen Programme auch einen ewigen Kalender oder andere komplizierte Funktionen steuern können.

Ein Problem aber blieb: die Batterie, die man wechseln muss. Bei modernen Quarz-Uhren halten die Batterien jahrelang, aber dann — und oft im ungeeignetsten Augenblick — setzen sie aus. Man muss eine neue Batterie einbauen lassen. Für Taucher oder Piloten kann das gefährlich sein. Deshalb bemühte man sich, eine Quarzuhr herzustellen, die keine Batterie mehr braucht.

Bei mechanischen Uhren tritt dieses Problem so nicht auf. Viele haben heute schon Gangreserven von mehreren Tagen. So lange können sie unbewegt oder ohne zusätzlichen Aufzug bleiben, ohne stillzustehen. So lag die Überlegung nahe, ob die Bewegung des Handgelenks, die eine Automatik-Uhr aufzieht, nicht ausreichen könnte, elektrischen Strom für ein Quarz-Werk zu liefern. Theoretisch war das kein Problem, in der Praxis aber durchaus: Strom ließ sich damit zwar über einen winzigen Dynamo produzieren, aber er reichte zunächst nicht aus. Immerhin stellte Seiko schon 1986 einn Prototyp vor.

Kinetik-Uhren ohne Batterie

Die ersten Prototypen dieser Quarzuhr mit elektrischem Generator enthielten ein Schwunggewicht, ähnlich dem, das in einer Automatik-Uhr verwendet wird. Die durch die Armbewegungen des Trägers erzeugte kinetische Energie sollte, in Elektrizität umgewandelt, die Quarzuhr antreiben. Aber diese Energiezufuhr war zu ungleichmäßig. Ein normaler Dynamo braucht einen gleichmäßigen Antrieb, um eine brauchbare Menge an Strom zu erzeugen. Es dauerte Jahre, bis neue elektrische Schaltkreise erfunden wurden, die die winzige Spannung der Uhren-Generatoren für den Quarzbetrieb nutzen konnten.

Heute gibt es solche Kinetik- oder Hybrid-Uhren, die gut funktionieren. Der winzige Generator versorgt einen Kondensator mit Strom. Dieser hat die Rolle der Batterie übernommen und kann Energie für einige Tage speichern, was bei einer regelmäßig getragenen Uhr ausreicht. Andere Quarz-Uhren laufen bereits mit Strom, der aus Tageslicht gewonnen wird.

Mit Beginn der Quarzära wurden für Quarzuhren auch digitale Anzeigen statt der Zeiger entwickelt. Die Zeitanzeige und andere Informationen wie das Datum, Stoppuhr-Werte und vieles andere werden mit digitalen Ziffern und Buchstaben angezeigt. Diese bestehen aus Flüssigkristallen, die elektrisch aktiviert werden. Für voll mechanische Uhrwerke ohne Batterie kommen sie deshalb nicht in Frage, diese bleiben bei den herkömmlichen Zeigern und Sichtfenstern.