В последние десятилетия в развитии наручных часов отчетливо наметились две основные тенденции. Одна связана с дальнейшим усовершенствованием традиционных механических на ручных часов с целью повышения точности и стабильности их хода, другая направлена на создание новых конструкций электрических и электронных наручных часов.

Основная идея совершенствования механических наручных часов заключается в стабилизации импульса, сообщаемого часовым механизмом, и в обеспечении изохронизма колебательлой системы в различных положениях. Так, часы с автоматическим заводом, непрерывно подзаводящим пружину, часы со
стабилизатором, выравнивающим момент на оси анкерного ко леса, отличаются более стабильным режимом работы, чем часы, не имеющие их. Однако на этом пути трудно ожидать ка ких-либо кардинально новых технических решений, поскольку за длительный период существования механические часы в большей мере исчерпали ресурсы своего развития. Поэтому особый интерес представляет быстро развивающаяся область электрохронометрии. Электрические наручные часы способны работать в течение года (и более) от одной батареи. Увенчались успехом и усиленные поиски путей и средств для замены классической системы баланс—спираль новыми высокочастотными осцилляторами (камертон, кварц). Наручные камертонные часы выпускаются в США фирмой «Бюлова» миллионами штук. В настоящее время кварцевые наручные часы могут считаться уже вполне освоенными, серийное их производство на лажено во многих странах (Швейцария, Япония, СССР и др.). Добротность новых осцилляторов значительно выше, чем добротность системы баланс—спираль. Необходимость преобразования относительно высокой частоты таких осцилляторов в сравнительно медленное движение стрелок связано с рядом трудностей. Они стали причиной того, что малогабаритные часы с такими осцилляторами появились с большим запозданием. Однако в настоящее время основные проблемы, стоящие на пути создания электронно-механических часов, получили более или менее удовлетворительное решение.

Электрические наручные часы. Отдельные попытки использовать достижения электротехники для создания электромеханических хронометров (с балансовым регулятором) имели место еще во второй половине XIX в. Именно к 1872 г. относится создание электромеханических хронометров И. А. Данишевским и к 1882 г.—И. А. Тимченко на основе работ русской электротехнической школы, во главе которой тогда стояли Р. Н. Яблочков, А. Н. Лодыгин и др. В 1904 г. в Женеве был выдан Н. А. Комприче патент на электрический морской хронометр. К концу XIX в. среди изобретателей разных стран появляется интерес к созданию карманных часов с электрическим приводом. В 1899 г. патент на электромеханические часы обычного типа был выдан Д. Бютхеру (США), а в 1900 г.— на электромеханический спусковой регулятор И. Купцову (Россия). В 1920 г. два французских изобретателя изготовили электрические карманные часы. Хотя в данной области было заявлено множество патентов, их реализация задерживалась из-за непреодолимых в то время Трудностей, связанных с отсутствием миниатюрных батарей и с проблемой осуществления контактов и надежного спускового регулятора.

Исследования с целью создания наручных часов с электрическим приводом становятся более интенсивными начиная с 1945 г. В США и Франции на проведение этих исследований были вложены значительные средства. В печати того времени высказывались оптимистические прогнозы о том, что в 1953 г. появятся электронные наручные часы и часовая промышленность переключится на их изготовление взамен механических часов. К сожалению, производство таких наручных часов вызвало большие трудности; их выпуск был на время прекращен. Тем не менее в производстве электрических часов крупного калибра были достигнуты значительные успехи; эти часы стали вытеснять даже механические часы.

Производство нового типа наручных часов началось не с электронных, а с электромеханических контактных часов. Они были созданы на основе традиционной, хорошо освоенной часовщиками системы баланс—спираль с применением в качестве источника энергии миниатюрной батареи. Первые промышленно изготовленные образцы наручных электрических часов поя вились во Франции в 1954 г., а серийное их изготовление впер вые осуществила в январе 1957 г. американская фирма «Га мильтон». Особенно интенсивно производство наручных электрических часов стало развиваться с 1965 г.

Кинематическая схема электрических контактных часов существенно отличается от кинематической схемы обычных механических наручных часов. В механических часах движение стрелок осуществляется за счет энергии, подаваемой от завод ной пружины, а в контактных электрических наручных часах — за счет энергии миниатюрной батареи, обладающей свойством сохранять длительное время электродвижущую силу на одном уровне. Соединение батареи с механизмом часов осуществляется при помощи гибкого провода, проходящего сквозь ушки корпуса.

Энергия от батареи непосредственно сообщается системе баланс—спираль без использования для этой цели колесной передачи и спускового устройства. Преобразователем и распре делителем этой энергии является электромагнитный или магнитоэлектрический привод. Взаимодействие между магнитным полем, возникающим в импульсной катушке, когда через нее вследствие замыкания электрического контакта проходит ток, и полем постоянного магнита обеспечивает передачу импульса балансу.

Баланс у контактных электромеханических часов имеет значительно большую свободу колебания, чем в механических часах. Однако поскольку в этих часах сохраняется система баланс—спираль, то и сохраняются свойственные этой системе недостатки. Одним из недостатков является то, что в кончиках оси баланса — цапфах (несмотря на наличие рубиновых камней) — имеет место весьма значительное трение. Баланс трудно уравновесить таким образом, чтобы центр его тяжести был приведен строго к оси вращения, а это безусловно необходимо для обеспечения устойчивости колебания баланса.

Кроме того, система баланс—спираль выполняет одновременно функцию передачи движения колесной системы для счетного или индикаторного механизма, что также нежелательно с точки зрения точности часов.

Но наиболее уязвимым местом в контактных электрических часах являются сами контакты. Они замыкаются до 150 раз в минуту, т. е. около 80 млн. раз в год, и часы довольно быстро выходят из строя.

Все выпускаемые в настоящее время электрические наручные часы можно разделить на две основные категории: часы с подвижной катушкой (или с магнитоэлектрическим приводом) и часы с подвижным сердечником (или с электромагнитным приводом). Система с подвижным сердечником более проста, но менее эффективна. Система с подвижной катушкой более сложна, в ней использован принцип отталкивания одноименных магнитных полей. Но она имеет ряд преимуществ: ее импульсный режим менее подвержен действию блуждающих магнитных полей, она не требует для искрогашения ни диода, ни сопротивления. Недостаток системы—довольно высокая стоимость производства.

Электрические наручные часы с подвижной катушкой изготовляются в настоящее время фирмой «Гамильтон», «Таймекс», «Электрик», часы с подвижным сердечником — фирмами «Лип», «Эбош» и «Эльджин».

В деле разработки конструкции наручных часов с магнитоэлектрическим приводом большую роль сыграла фирма «Га мильтон»; в вопросе же разработки часов с электромагнитным приводом такую же роль сыграла французская фирма «Лип». Работы были начаты в 1952 г., а серийный выпуск первой модели контактных часов с электромагнитным приводом и питанием от двух источников тока был освоен в 1956 г.

Рис. 275. Схема импульсной системы электрических наручных часов «Гамиль- тон-500»
1 — источник питания; 2—постоянный магнит; 3 — стрелочный механизм; 4 — баланс; 5 — шунт-пластина; 6 — мост баланса; 7 — штифт; 8 — контактная пружина; 9 — спусковой контакт

Магнитоэлектрические контактные наручные часы. Первой моделью магнитоэлектрических контактных наручных часов, выпущенных американской фирмой «Гамильтон» в 1957 г., была модель «Гамильтон-500». Часы называются магнитоэлектрическими потому, что они снабжены магнитоэлектрической системой привода, а контактными — поскольку в этой системе привода импульс вызывается путем электрического контакта. Часы «Гамильтон-500» были использованы в качестве конструкционной базы многими зарубежными фирмами.

По габаритам «Гамильтон-500» не отличается от обычных механических наручных часов. Механизм часов собран в три этажа: верхний занят балансом, средняя часть — магнитной системой, а низ — стрелочным механизмом. Ось баланса проходит все три этажа; для ее защиты от поломки применены амортизаторы. Для обеспечения устойчивости работы магнитоэлектрического хода в этих часах используется баланс большего диаметра, чем в механических часах равного калибра.

Источником энергии является сухой миниатюрный гальванический элемент типа Лекланше. Импульсная система часов
«Гамильтон-500» приведена на рис. 275. Магнитная система образована двумя постоянными магнитами 2 из платиново-кобальтового сплава и магнитопроводом, детали которого изготовлены из магнитно-мягкого материала. На балансе 4 из бериллиевой бронзы внутри обода эксцентрично расположена плоская катушка из провода диаметром 12—14 мк и имеющая 2800 витков. Контактная система состоит из спусковой 9 и кон тактной 8 пружин, связанных рамкой, прикрепленной к спусковой пружине.

Положительный полюс батареи соединен через пластину и волосок с ободом баланса, к которому припаян один конец катушки. Второй конец припаян к золотой пластинке, приклеенной эпоксидной смолой к импульсной рольке 7. Отрицательный полюс батареи соединяется с контактной пружиной 8.

Рис. 276. Модернизированная конструкция магнитоэлектрических наручных часов «Гамильтон-505»
/ — баланс; 2 — катушка; 3 — штифт; 4 — колесо стрелочного механизма; 5 —латунное колесо; 6 — ролик

Баланс 4 служит ротором реактивного электродвигателя постоянного тока. Статором служат уже упомянутые цилиндрические постоянные магниты. Возбуждение катушки импульсами тока от источника энергии (батареи) осуществляется упругой контактной пружиной 5, замыкающей цепь источника тока один раз за период колебания баланса. При взаимодействии магнитного поля постоянных магнитов с магнитным полем то ка, протекающего по катушке, баланс будет получать механические импульсы, поддерживающие его колебания. Передача механического момента производится ходовым камнем к зубцам ходового колеса и далее на колесную систему стрелочного механизма 3.

Катушка от источника цепи возбуждается 75 млн. раз в год и столько же осуществляется контактов. Регулировка хода часов выполняется обычным способом посредством градусника и„ в случае необходимости, винтами баланса.

Последующие опыты, проводившиеся фирмой «Гамильтон» в течение пяти лет, привели к созданию модернизированной модели магнитоэлектрических контактных наручных часов «Га- мильтон-505» (рис. 276).

В этой модели вместо пружинного контактного устройства применено жесткое контактное устройство и изменена конструкция баланса. Храповой механизм и контактное устройство объединены и составляют как бы один узел. Благодаря приме нению жесткого контактного устройства в модели «505» обеспечивается стабильная работа контактного устройства, достигается взаимозаменяемость элементов и отпадает необходимость в регулировке контактов. В часах использовано противоударное устройство — антимагнитный волосок изставара. Баланс делает 18 тыс. полуколебаний в час, контакты замыкаются 9 тыс. раз.

Другой интересной разновидностью наручных электромеханических часов с магнитоэлектрическим приводом является модель наручных электрических часов «Таймекс электрик». Источником энергии служит окисно-ртутная батарея в герметическом корпусе. Эти батареи изготовляются фирмой «Юнион карбидо» (США); без замены батареи часы могут работать в течение года.

Механизм имеет большое сходство с электрическими наручными часами «Гамильтон-500». Однако, в отличие от последних, импульс балансу сообщается не один раз за период колебания, а два раза. Это создается изменением конструкции магнитной системы. В часах «Таймекс электрик» магнитная система выполнена в виде полукольца, причем намагничивание осуществлено таким образом, что в выпуклой части находится северный полюс, а на концах — южные полюсы. Когда по катушке проходит ток, то в результате взаимодействия поля катушки с полем: постоянного магнита возникает механический момент импульса, поддерживающий колебательное движение баланса. При обратном движении баланса взаимное направление тока в плечах катушки и соответствующих магнитных потоков изменяется на обратное. При этом замыкание контактов происходит в тот момент, когда импульсная катушка находится в правой части магнитной системы. Таким образом, в часах «Таймекс электрик» баланс получает два импульса за период колебания..

Недостатком часов является повышенное потребление тока, которое составляет 20—30 мкА, в то время как, например, в. часах «Гамильтон» потребление тока — в пределах 5—7 мкА. Такое повышенное потребление тока в часах «Таймекс электрик» объясняется конструкцией электропривода, создающего повышенные вихревые токи в ободе баланса.

Электромагнитные наручные часы. Одна из самых ранних, конструкций наручных часов с электромагнитным приводом баланса описана Уайзем. Эта конструкция, как свидетельствует автор, находилась в действии уже более 25 лет. Электромагнитный привод состоит из катушки (диаметр про волоки 0,025 мм, 3000 витков) и электромагнита. С сердечником из кремниевой стали этого магнита связан полюсный башмак, имеющий радиусную выемку. На одном конце импульсного рычага имеется дугообразный якорь, на другом — обычная анкерная вилка. К торцевой поверхности башмака может притягиваться стеллитовый якорь второго рычага, снабженного собачкой. Противоположный конец рычага отжимается легкой пластинчатой пружиной. Собачка взаимодействует с храповым ко лесом, которое через колесную зубчатую передачу связано со стрелочным механизмом. Угол поворота второго рычага весьма мал и ограничивается двумя упорными штифтами.

Работа механизма происходит следующим образом. При со прикосновении стального импульсного штифта баланса с анкер ной вилкой замыкается цепь питания электромагнита. Башмак электромагнита притягивает якорь импульсного рычага, вследствие чего другой конец рычага с вилкой передает штифту баланса механический импульс. Одновременно к башмаку притягивается якорь второго рычага, а собачка поворачивает храповое колесо на один зуб. После выхода импульсного штифта из вилки цепь размыкается, рычаги возвращаются в исходное положение, а баланс совершает свободное колебание. При движении баланса в обратном направлении весь цикл повторяется.

Конструкция электрических наручных часов фирмы «Лип» проста, хотя и сложна в изготовлении (рис. 277). Катушка на балансе отсутствует, поскольку в часах использована система с подвижным сердечником из магнитно-мягкого материала. Провод, из которого намотаны катушки 1, имеет диаметр 25 мкм; сердечники снабжены полюсными наконечниками 2. Обе катушки с перекладинами (из магнитно-мягкого материала) составляют электромагнитный привод, который может быть либо нейтральным, либо поляризованным. Во втором случае полюсные наконечники соединены между собой постоянным магнитом 6; в первом варианте этот магнит отсутствует. В образцах, выпущенных фирмой «Лип», как более экономичный, применен второй вариант привода.

Баланс этих часов является ротором электродвигателя постоянного тока. Статором служат две указанные катушки, поляризованные магнитом. Передача импульса осуществляется следующим образом. Рубиновый штифт 7, жестко связанный с балансом 5, при движении последнего по часовой стрелке вблизи от положения статического равновесия входит в соприкосновение с золотой пружинкой 4, изгибает ее до соприкосновения со штифтом 8, в результате чего электрическая цепь замы кается. Возникающее при этом электромагнитное поле между полюсами статора сообщает балансу, изготовленному из муметалла, необходимый импульс. При дальнейшем движении баланса в том же направлении контактная пружина 4 освобождается из-под штифта, электрическая цепь разрывается и импульс прекращается. При движении баланса в обратном направлении не происходит замыкания тока и только пружина 4 слегка изгибается и совершается самоочищение контактной поверхности. Следовательно, регулятору передается односторонний импульс, как и при хронометровом ходе. Период колебания баланса 0,4 с. Баланс является не только регулятором хода, но и двигателем, сообщая движение стрелкам через храповой механизм и колесную передачу.

Рис. 277. Схема электромагнитных наручных часов французской фирмы «Лип»
1 — сердечники катушки; 2 — полюсные наконечники; 3 — выступы на балансе для усиления магнитного воздействия катушек на баланс; 4 — золотая пружинка; 5 —баланс; 6 — постоянный магнит; 7 — рубиновый штифт; 8 — штифт; Ф1 — магнитный поток сердечника катушки; Ф2 —магнитный поток баланса; D—диод для предохранения контактов

Рис. 278. Схема спускового регулятора электромагнитных наручных часов
«Эбош»
1 — полюсные наконечники; 2 — сердечники катушки; 3 — контактные пружины; 4 — кон тактные штифты; 5 — рубиновый штифт; 6 — крестообразные перекладины; 7 — анкерная вилка; 8 — ходовое колесо; 9 — хвостовик; 10 — подковообразный постоянный магнит

Источником тока служат два сухих гальванических элемента в виде цилиндров диаметром 11,3 мм и высотой 3,2 мм, соединенных параллельно. В начале эксплуатации напряжение тока 1,5 В, в конце гарантийного срока, т. е. через год, 1,3 В.

Посадочный диаметр платины часов 27,8 мм, максимальная высота 9,4 мм. Секундная стрелка — центральная. Механизм часов на 17 камнях. Спираль антимагнитная, изниворокса. Механическая часть часов упрощена, так как отсутствует ремонтуар, пружинный двигатель, колесная передача к балансу, нет и механического спускового устройства. Из-за отсутствия заводного ключа достигнута практически полная герметичность механизма.

Ход часов отличается хронометровой точностью: отклонение суточного хода не превышает 4 с.

Кроме описанных выше первых наручных часов, фирма «Лип» с 1963 г. стала выпускать модель часов «R-148» с электромагнитным приводом нейтрального типа. В этих часах источником тока служит одна батарея более малого габарита, чем в первых часах. Баланс получает один импульс за период колебания (0,4 с),-как и в ранних часах. Продолжительность им пульса 3 мс. Во избежание искрения предусмотрен диод D.

В этой модели используется двойная контактная пружина, что является удачным решением. Первая пружина отходит от контакта раньше другой. Пружина, которая отходит от контакта последней, подвергается разрушительному воздействию иск рения до тех пор, пока не сработается. Тогда первая пружина берет на себя функцию второй. Это удваивает срок службы кон тактной системы.

Передача от баланса к стрелкам производится магнитным храповым устройством. Предохранение от пристука и останова баланса при переводе стрелок осуществляется анкерной вил кой специальной конструкции, не допускающей замыкания кон тактов.

В начале 1960 г. в Швейцарии появились электромагнитные часы фирмы «Эбош»; в конце 1961 г. там же несколько фирм начали серийное их изготовление. В настоящее время наручные электрочасы выпускают более 15 швейцарских фирм на основе базового механизма «Эбош». Принципиальная схема спускового регулятора часов «Эбош» показана на рис. 278. Часы имеют нейтральную электромагнитную систему привода. Колебательная система регулятора представляет собой обычную систему баланс—плоская спираль. Особенностью баланса является наличие на нем двух крестообразно расположенных перекладин 6, изготовленных из муметалла. Баланс играет роль ротора двигателя и часового регулятора; перекладины выполняют роль якоря приводного электромагнита. Статор двигателя имеет подковообразную форму и состоит из сердечника с полюсными наконечниками (башмаками) 1, изготовленными из муметалла и двухсекционной катушки с 17 тыс. витками, намотанными из провода диаметром 0,04 мм.

Если в часах фирмы «Лип» баланс получает импульс при колебании в одном направлении, то. часы фирмы «Эбош» полу чают этот импульс при колебании баланса в обоих направлениях. Конструкция контактов часов «Эбош» является поэтому более сложной.

Контактное устройство содержит две контактные пружины 3, прилегающие друг к другу наружными концами, и два контактных штифта 4. Рубиновый контактный штифт 5, установленный в ролике баланса, попеременно прижимает пружины 3 то к правому, то к левому штифту (в зависимости от направления движения баланса), замыкая цепь питания катушек от бата- реи. Таким образом вначале возникает проводимость в одной цепи, а затем во второй. Импульсный ток, протекающий по обмотке импульсной катушки, создает магнитное поле в рабочем зазоре электромагнита. В результате взаимодействия магнитного поля с перекладиной якоря возникает механический момент, подтягивающий перекладину к башмакам. Это значит, принцип работы часов «Эбош» подобен принципу работы часов
«Лип». Разница лишь в том, что в часах «Эбош» импульс со общается балансу в обоих направлениях его колебания, т. е. дважды за период. Контакты размыкаются, и импульс прекращается еще до прохождения балансом положения равновесия.

Для уменьшения искрения при размыкании контактов применена специальная искрогасящая схема, представляющая со бой цепочку из последовательно соединенных диода и сопротивления.

Преобразование колебательного движения баланса во вращательное движение стрелочного механизма производится с применением своеобразного механического анкерного преобразователя. Анкер похож на старый анкерный спуск, работающий в обратном направлении, т. е. движение передается не от ходового колеса на анкер, а наоборот. При каждом качании анкерной вилки 7 ходовое колесо 8 поворачивается на половину шага по часовой стрелке. В тех положениях анкера, когда палеты не фиксируют ходовое колесо, фиксация колеса осуществляется слабой плоской пружинкой, прижатой к оси ходового колеса.

Источник питания — гальванический элемент — расположен в крышке часов, что облегчает его замену. Батареи хватает на 12—15 месяцев, ее напряжение 1,25 В. Механизм часов — на 13 камнях; имеется инкаблок. Точность хода —в пределах ± 5 с.

Электрические наручные часы модели «725» фирмы «Эльджин» в настоящее время являются часами самого малого калибра (23 мм). В ходе разработки этой конструкции фирма «Эльджин» сотрудничала с фирмой «Лип». Поэтому вторая модель «R-148» фирмы «Лип» и часы фирмы «Эльджин» имеют много общего.

В часах используется нейтральная электромагнитная система баланса, существенной частью которой является электро магнит, состоящий из катушки с сердечником из железонике левого сплава и из насадки, расположенной на ободе баланса. Передача импульса балансу происходит тогда, когда электро магнит подтягивает насадку. Импульс подается при движении баланса только в одном направлении.

Баланс — диаметром 7,7 мм, высотой 1,05 мм из бериллиевой бронзы. В ролике баланса имеются два камня: один — для замыкания контакта, другой — для передачи движения на стрелки от храпового колеса.

Контактная система похожа на контактную систему первой модели часов «Лип». Контактная пружина из сплава золота с платиной довольно гибкая и тонкая.

Для передачи движения на стрелки служит храповой пре образователь, в который входит камень-толкатель на ролике баланса и храповое колесо, положение которого фиксируется миниатюрным постоянным магнитом. С храпового колеса через промежуточную колесную передачу движение передается на минутное колесо.

Питание часов «Эльджин» обеспечивается микроминиатюрным окисно-ртутным элементом. Несмотря на небольшие раз меры, часы «Эльджин» обладают точным ходом: средний суточный ход ±10 с. Однако из-за малых размеров их регулировка хода намного более сложна и трудна, чем в других электрических часах.

В 1967 г. выпуск электрических и электронных наручных часов во всем мире составил 2,5 млн. штук; наиболее перспективным считались электронные (транзисторные) часы, хотя значительную часть выпускаемых часов составляют электрические контактные часы. Наиболее крупные работы по усовершенствованию бесконтактных наручных часов в настоящее время проводят фирмы «Элеаш» (Швейцария), «Дженерал таймекс» (США), «Юнганс» (ФРГ) и «Лип» (Франция), а также японские фирмы «Цитизен» и «Рикок». Весьма большие успехи в выпуске электронных камертонных часов «Аккутрон» достигнуты фирмой Бюлова (США).

Для ведения научно-исследовательской работы в области электронных наручных часов и для разработки конструкции и технологии таких часов в Швейцарии в 1962 г. организован специальный центр по электронным наручным часам (Centre Electronique Horloger — СЕН). Его возглавляет М. Хетцель, ранее разработавший конструкцию камертонных наручных часов и электронных часов для фирмы Бюлова.