Как работают часы

Чем кварц отличается от механики, а механо-кварц от Spring Drive

Начать надо с того, что все часовые механизмы устроены одинаково, как счастливые семьи у Льва Толстого. Они базируются на трех составляющих: источник энергии, регулятор и счетчик времени. В традиционных часах все эти компоненты являются 100% механическими: энергию дает барабан с заводной пружиной, регулятором служит система баланса и спуска, а связь между заводом, регулятором и стрелками обеспечивает колесная передача.

Задача регулятора – распределять поток энергии, идущий от заводного барабана, на равномерную последовательность тактов. Ключевым элементом, обеспечивающим стабильность «тактов», стал осциллятор, создающий равные колебания. Вначале маятник, а затем и более компактное изобретение – тончайший металлический волосок, имеющий форму спирали Архимеда и помещенный в центр балансового обода. Пружина сжимается и разжимается, поворачивая баланс вправо и влево и равномерно качая анкерную вилку, превращая тем самым непрерывное движение в прерывистое. Для наглядности можно сравнить эту систему с бачком унитаза, который регулирует подачу воды, чтобы она не хлестала непрерывным потоком.

У механического осциллятора есть два существенных недостатка: зависимость от внешнего воздействия и низкая частота колебаний. Поэтому революционным осциллятором стал кристалл кварца с подведенными к нему электродами - фактически, электрический колебательный контур, знакомый всем по урокам физики.
Стандартная частота работы кварцевого резонатора составляет 32 768 Гц (для сравнения, обычная частота работы «баланс-спирали» от 2,5 до 5 Гц), очевидно, что для подсчета такого числа импульсов не может использоваться и обычный механический анкер. Поэтому за снятие показаний для передачи на стрелки в кварцевых часах отвечает электронный делитель частоты – двоичный счетчик, который преобразовывает резонансную частоту кварца в импульс 1 Гц, который передается на шаговый двигатель секундной стрелки.

Еще до появления кварцевых часов, было много попыток скрестить часовую механику с электромагнитной силой. Но и даже после изобретения кварцевого резонатора инженеры не оставляли попытки взять лучшее из двух миров. Одним таким решением является система «авто-кварца» или кварцевых часов с автоматическим заводом. В 1986 году ее впервые представил Seiko под названием AGM, а впоследствии переименовал в Kinetic. Идея в том, что механическая энергия ротора подзавода заряжает генератор, который вырабатывает ток, передающийся на электроды. Чтобы полностью зарядить авто-кварц, требуется две-три недели непрерывного ношения часов. Кроме Seiko Kinetic, собственные автокварцевые часы также выпускают Citizen, Tissot, Omega и, что забавно, мастер усложнений Франсуа-Поль Журн в суб-бренде Elegante by F.P.Journe.
Конечно, у авто-кварца есть и свои недостатки. Главный в том, что даже подзаряжаемый аккумулятор рано или поздно придет в негодность. То же можно сказать и о батарее, заряжаемой от солнечной энергии. Кстати, и сам кристалл кварца в резонаторе тоже имеет свойство стареть и портиться.

Уникальную систему Spring Drive от Seiko многие путают с авто-кварцем, хотя у них мало общего. Скорее она наследует электромеханические идеи середины ХХ века: тут присутствует заводной барабан и классическая колесная передача, но вместо баланс-спирали и спуска в качестве регулятора выступает мощный ротор со статором, вращение которого контролируется вырабатываемым им же самим магнитным полем. Запуск Spring Drive в 1999 году стал возможен благодаря изобретению новой полупроводниковой схемы Silicon on Isolator (кремний на изоляторе), отличающийся высокой мощностью при низком энергопотреблении.