Впервые камертон в качестве высокочастотного осциллятора с использованием средств электроники был предложен в 1956 г. швейцарским специалистом в области электроники Мак сом Хетцелем. Это изобретение и было использовано американской фирмой Бюлова для создания электронно-механических наручных часов «Аккутрон», которые на рынке появились в конце 1960 г. Часы «Аккутрон» являются наиболее распространенным прибором времени, основанным на электронике, до появления кварцевых наручных часов.
Принципиальная схема часов «Аккутрон», имеющих магнитоэлектрический транзисторный привод и индукционную систему освобождения, показана на рис. 280. Миниатюрный камер тон /, длина которого 25,5 мм, несет на концах своих ветвей два магнитопровода чашеобразной формы 4, изготовленных из магнитно-мягкого материала типа армко. В днище магнитопроводов запрессованы постоянные магниты 2 конической формы из материала альникс. Камертон жестко закреплен на платине часов винтом, где также закреплены пластмассовые каркасы, введенные в зазор между постоянными магнитами и магнитопроводами камертона. В зазор между магнитопроводом правой ветви камертона и магнитом входит катушка 6 освобождения, со держащая 2 тыс. витков, и часть катушки 5, содержащая 6 тыс. витков, намотанных коаксиально на одном и том же каркасе. Вторая часть катушки 3, намотанная на аналогичном каркасе, входит в зазор второго магнитопровода и соединена последовательно с катушкой 5. Катушка возбуждения включена между эмиттером и базой транзистора, а импульсная катушка — между коллектором и эмиттером транзистора; в эту же цепь включен микроминиатюрный окисно-ртутный элемент с емкостью порядка 80 мА-ч при напряжении 1,3 В, питающий схему часов. Импульсные катушки 3, 5 получают периодические импульсы от источника тока и колебательного контура с емкостью и сопротивлением через транзистор.
Когда камертон колеблется, его магниты с магнитопроводами перемещаются вдоль катушек. При этом в катушке возбуждения возникает ЭДС, приложенная к базе транзистора. Транзистор открывается и на какую-то долю секунды становится проводящим. Тогда ток от батареи по коллекторно-эмитерному переходу транзистора поступит в импульсную катушку. Поле этой катушки, воздействуя на камертон, сообщает ему импульс, необходимый для поддержания его колебания с частотой 360 Гц.
Передача движения на дополнительное устройство (стрелочный механизм) происходит следующим образом. На одной из ножек камертона расположена маленькая пальцеобразная пружина с камневым наконечником 7, называемая храповым пальцем. Ее функция — толкать храповое колесо 9 ежесекундно, т.е. один раз за каждое колебание камертона. Усилие, передаваемое этой пружиной, вращает храповое колесо посредством мелких зубцов; шаг храпового колеса составляет несколько сотых миллиметра, а диаметр меньше булавочной головки, толщина же равна половине толщины человеческого волоса. Колесо 9 закреплено на оси триба 10, от которой движение передается на стрелки часов.
Вторая фиксирующая пружинка 8 с камневым наконечником выполняет функцию собачки, которая удерживает храповое колесо от поворота в обратную сторону и гасит свободное колебание храпового колеса.
Конструкция храпового механизма позволяет камертону совершать колебания в широком диапазоне амплитуд, а вместе с этим вызывать перемещение храпового пальца также в широком диапазоне. В результате движение стрелок может быть слишком быстрым или слишком медленным. Когда амплитуда колебаний камертона начинает обнаруживать тенденцию к отклонению от установленной величины, электронная схема немедленно реагирует на это и сразу же возвращает камертон к нужному диапазону амплитуды. Следовательно, в данном случае имеет место автоматическое регулирование заданной амплитуды стационарных автоколебаний камертона на основе принципа обратной связи.
Стрелки часов «Аккутрон» перемещаются равномерно, поскольку центральное колесо жестко соединено с храповым коле сом. Часы «Аккутрон» не имеют необходимости в особой регулировке их хода с участием регулировщика, что является большим их преимуществом по сравнению с механическими наручными часами. Регулировка по частоте и уравновешиванию камер тона осуществляется с помощью электронного прибора и не требует специальных знаний. С помощью электронного прибора производится также и контроль температурного коэффициента сплава камертона.
Камертонные наручные электронные часы «Аккутрон» имеют средний суточный ход в пределах ±2 с, при максимальном отклонении от среднего суточного хода ±5 с. По точностной характеристике они намного превосходят обычные механические или электрические контактные наручные часы, особенно при работе в течение длительного периода.
Остановимся теперь на эксплуатационных особенностях часов «Аккутрон». Позиционные погрешности уменьшаются с увеличением частоты колебаний камертона. Однако в часах «Аккутрон» применен камертон с относительно низкой частотой (360 Гц), невыгодный с точки зрения добротности и точности часов. Ограничение в выборе для этих часов большей частоты обусловлено принятой передачей движения на стрелки непосредственно одной из ветвей камертона. Когда камертон занимает горизонтальное положение, суточный ход остается на одном уровне; когда ветви камертона направлены вниз, позиционная погрешность достигает ±5 с, и особенно значительна эта погрешность, когда ветви камертона повернуты вверх. Но в этом положении (цифрой 6 вниз) часы оказываются редко. Их ставят так, чтобы они давали опережение в 1 ‘/2 с за сутки в положениях «циферблатом вверх», «циферблатом вниз», цифрой 3 вниз и цифрой 9 вниз. Если в среднем у человека часы в положениях «цифрой 12 вниз» находятся в течение 7з суток, то отставание в этом положении компенсирует опережение в других положениях.
Изохронизм . При изменении амплитуды на 50% показания часов изменяются на 3/ с; за сутки ход часов может измениться на 1 /2 с при изменении температуры на 1°С, но путем соответствующего подбора материала температурный коэффициент камертона может быть значительно уменьшен.
Действие магнитного поля. Часы могут выдерживать магнитное поле в 60 Гс, не вызывая нарушения хода свыше 7 с в сутки.
Гарантия. Фирма Бюлова гарантирует постоянную точность хода часов порядка ± 1 мин в месяц.
В камертонных часах камертон, как осциллятор, выполняет, кроме своей основной функции, работу по передвижению стрелок, поэтому его «свобода» несколько ограничена. Этот недостаток присущ и всем другим высокочастотным осцилляторам, которые теперь получают широкое применение в хронометрии. В связи с этим большую актуальность приобретает проблема создания автономных стрелочных механизмов. В настоящее время она решается путем создания весьма экономичных шаговых двигателей, преобразующих электрические импульсы в перемещении шага.
Электрические наручные часы «Аккутрон» работают довольно надежно и в условиях невесомости в космосе, в сильных магнитных полях, при ударах и вибрациях. В часах, использованных в навигационном устройстве, предназначенном для космических исследований, точность хода была увеличена до 1 с в сутки путем электрического соединения работы трех часовых механизмов «Аккутрона».
Наручные кварцевые часы. Все более усиливающаяся микро миниатюризация радиоэлектронной аппаратуры, или уменьшение ее размера и веса, привела в конечном счете к появлению в электронике нового научно-технического направления — микро электроники. Решающей предпосылкой возникновения микро электроники явился научно-технический прогресс физики твердого тела и полупроводниковой техники, основанных на решении фундаментальных теоретических проблем. В настоящее время микроэлектроника является генеральным направлением всей электронной техники.
На развитие микроэлектроники оказало влияние открытие полупроводниковых свойств кремния и развитие техники осаждения полупроводников на стекле в керамических пластинах. С по мощью техники интегральных схем, называемой также молекулярной электроникой, возможно, например, на кремниевой пластинке размером 2X2 мм и толщиной 0,1 мм разместить всю элементарную электрическую схему, релаксационную схему или логические ячейки в схемах счетных машин. Современная прецизионная техника и ставит своей основной задачей добиться наивыгоднейшего объемного расположения интегрированных эле ментов, дальнейшего сокращения их размеров и увеличения плотности размещения элементов конструкции, т. е. увеличения числа элементов на каждом кубическом сантиметре.
Решающей предпосылкой появления кварцевых наручных часов и были достижения в области микроэлектроники по созданию интегральных схем, а также в области точной механики. Подготовительные работы по созданию этих часов велись в исследовательском центре часовых фирм (СЕН) в Швейцарии с 1960 по 1967 г. под руководством Макса Хецеля.
В часах СЕН использован кварцевый осциллятор с частотой 8192 Гц; на выходе после 5-каскадного бинарного делителя часто та равна 256 Гц. Храповой преобразователь, в котором использована вибропластинка, синхронизированная выходным сигналом делителя, приводит в движение стрелочный механизм часов. В 1967 г. кварцевые наручные часы при испытаниях в Невшательской обсерватории получили оценочное число 0,152 (рекорд по балансовым часам по этому оценочному числу 1,64).
В часах швейцарской фирмы «Лонжин», которая одна из первых наладила выпуск кварцевых наручных часов, использован кварцевый осциллятор с такой же частотой, как в часах СЕН, но в качестве преобразователя служит постоянный резона тор с частотой 170 Гц.
Наручные кварцевые часы с 1969—1970 гг. выпускались серийно восьмью швейцарскими фирмами, японской фирмой «Сейко» и американской фирмой «Гамильтон».
Кварцевые наручные часы состоят из двух основных узлов: электронного блока (осциллятор в виде кварца, формователи, делители частоты и схема привода) и механического узла, включающего в себя вибромотор, или шаговый двигатель, и ангренаж. Исключение составляют часы «Пульсар» фирмы «Гамильтон» с цифровой индикацией вместо стрелочной.
В системе индикации в этих часах использованы диоды, пре образующие электрическую энергию в световую. При нажатии кнопки, расположенной на верхней части корпуса часов, на циферблате загораются цифры, показывающие время в часах и минутах. Чтобы часы показывали и секунды, нажатие на кнопку должно быть более длительным. Изображение гаснет через 1,5 с. Яркость изображения автоматически регулируется в зависимости от внешней освещенности.
Источником питания в часах «Гамильтон» служит батарейка напряжением 4,5 В (срок службы 6 месяцев). При замене бата рейки часы автоматически подключаются к запасному источнику питания. Точность часов 2—3 с в месяц. Часы содержат 40 интегральных схем и 3500 транзисторов. Осциллятором здесь служит кварц с частотой колебаний 32 768 Гц, которая делится до 1 Гц.
Кварцевые часы и проблемы, связанные с ними, были пред метом дискуссии на Всемирном конгрессе по хронометрии в 1969 г. Наряду с признанием перспективности новых кварцевых часов обращалось внимание на их высокую стоимость. Напри мер, японские часы фирмы «Сейко» стоили около 500 фунтов стерлингов.
В настоящее время ведутся интенсивные исследовательские работы по использованию высокочастотных кварцевых резонаторов, шаговых двигателей, интегральных схем различных систем электронной индикации, атомных батареек, Целью экспериментов в области пьезоэлектрической хронометрии является определение оптимальной геометрии и направлений колебаний кварца. Ведутся также исследования барометрического коэффициента кварцевых резонаторов.
Быстрое развитие технологии изготовления электронных схем позволило улучшить не только технические показатели кварцевых наручных часов, но и снизить цену, что очень важно с точки зрения повышения их конкурентной способности на мировом рынке часов.
Эта конкуренция для механических наручных часов невелика до тех пор, пока кварцевые наручные часы будут содержать значительную механическую часть, изготовление которой происходит по одной технологии для механических и электронных часов.
Отдавая должное перспективности электрических и электронных наручных часов, нельзя вместе с тем упускать из виду, что механические наручные часы сохраняют свое значение как общераспространенный прибор времени бытового назначения не только в настоящее время, но которые будут употребляться в качестве таковых и впоследствии. Поэтому проблема повышения точности и надежности их хода имеет не меньшее значение, чем создание часов с новым высокочастотным осциллятором с электронной схемой. Возможности для этого несомненно имеются как в отношении применения новых сплавов для баланса, спирали и ходовой пружины, так и эффективных средств для автоматизации завода и герметизации корпуса, противоударных устройств и т. д. Имеются и необходимые предпосылки для дальнейшего снижения продажной цены этих часов, если учесть выдающиеся успехи и дальнейшие возможности в области автоматизации часового производства, для внедрения автоматических линий, усовершенствования технологических процессов, для внедрения электронной техники в производство и для контроля и регулирования хода часов.
В настоящее время на страницах печати все чаще обсуждается вопрос, каким требованиям должны отвечать механические наручные часы, чтобы в будущем они могли конкурировать с электронными наручными часами. Имея в виду эту проблему, Э. Франкенштейн находит1, что механические наручные часы смогут конкурировать по точности хода лишь в том случае, если средний их суточный ход будет составлять ±20 с в течение многих лет. Гарантия на часы должна быть не менее 3—5 лет. Между тем если иметь в виду ближайший период, то речь может идти лишь о размежевании сфер использования тех и других часов, но отнюдь не о наступлении эры безраздельного господства одних часов (электронных) и о вытеснении из всех областей других часов (механических). Механические наручные часы еще долго и прочно будут сохранять свое значение как часы бытового назначения, если удастся разумно использовать все потенциальные возможности для усовершенствования их хода. Электронные наручные часы бесспорно станут незаменимым средством для измерения времени во всех областях науки и техники.
В этой связи не лишне привести высказывания такого авторитета, как М. Хетцель, о том, что «система баланс—спираль в качестве осциллятора в классических наручных часах давно оправдала себя и будет совершенствоваться далее». Вместе с тем Хетцель считает, что регулятор хода совершенно не подходит для электрических и электронных часов из-за низкой собственной частоты ее колебаний. В настоящее время, по его мнению, «наметилась определенная тенденция применения высокочастотных механических осцилляторов и чисто механических делителей часто ты для индикации времени. Электроника ставится лишь на службу поддержания колебаний высокочастотных механических осцилляторов. Кроме того, нельзя утверждать, что камертон является практически единственным высокочастотным осциллято ром будущего. Уже в настоящее время можно предвидеть создание таких конструкций, которые по качеству будут во много лучше современных камертонных часов». Лучшим подтверждением этой перспективной возможности является появление в 1968 г. в Швейцарии кварцевых наручных часов.
Швейцарский часовой электронный центр представил на Международный 102-й хронометровый конкурс в Невшателе (Швейцария) наручные кварцевые часы, которые по точности хода установили новый рекорд по наручным часам, показав за 45 суток испытания вариацию хода в пределах нескольких десятых секунды при сверке с атомными часами. В объеме 0,5 см3 размещены: кварц на 10 Гц, делитель, микродвигатель с механической передачей, источник постоянного тока. Наручные кварце вые часы были разработаны коллективом специалистов (химики, физики, электронщики, часовщики) в течение 6 лет.
Электронные часы — часы будущего и представляют качественно новую ступень развития приборов времени. Вместе с кварцевыми, атомными, молекулярными часами наручные часы, основанные на применении высокочастотных осцилляторов с электронной схемой, начинают новейший период истории часов.