Quarzuhr

Eine Quarzuhr ist eine elektromechanische oder vollelektronische Uhr, deren Taktgeber ein elektronischer Uhrenquarz ist. Neben Quarzuhren mit Skalenanzeige oder Ziffernanzeige gibt es solche ohne Anzeige, welche üblicherweise in Computersystemen die Information zur Zeit als elektrisches Signal ausgeben und als Echtzeituhr bezeichnet werden.

Früher Quarzwecker mit Skalenanzeige

Physikalisch-technischer Hintergrund

Nahaufnahme eines Uhrenquarzes in Stimmgabelform ohne Gehäuse

Schwingquarze sind zu elektromechanischen Resonanzschwingungen fähige Bauelemente. Sie halten ihre Nennfrequenz ein innerhalb sehr kleiner relativer Fehlergrenzen (Richtwert 10⁻⁵ ≈ 1 s pro Tag) und eignen sich daher als recht genaue Taktgeber in Uhren. Die Resonanzfrequenz eines Kristallblocks von einigen Millimetern Größe, der problemlos in ein übliches Uhrgehäuse passen würde, liegt bei diesem harten Material sehr hoch, nämlich im Megahertz­bereich. Solch hohe Frequenzen sind aber unhandlich für Uhren.

Durch besondere Formgebung sind Uhrenquarze mit einer für Quarze ungewöhnlich niedrigen Frequenz von 32 768 Hz entwickelt worden, aus der sich mittels Frequenzteilung durch 2¹⁵ ein Sekundenpuls herleiten lässt. Zur Teilung dient eine Schaltung aus 15 T-Flipflops, die die Frequenz jeweils halbieren. Die Quarzfrequenz ist ein Kompromiss, da die Stromaufnahme der Flipflops proportional mit der Frequenz ist, zu niedriger Frequenz hin also abnimmt, so dass die Batterie der Uhr lange Strom liefern kann.

Der Sekundenpuls treibt entweder einen Lavet-Schrittmotor oder elektrischen Unruhschwinger in einem mechanischen Uhrwerk an oder gibt den Takt für eine elektronische Schaltung vor. Die Anzeige wird über mechanische Zeiger, Flüssigkristallbildschirm (LCD) oder Leuchtdioden (LED) realisiert.

Aufbau

Rückseite einer Armbanduhr.
Unten: rechts Uhrenquarz, links daneben Knopfzelle (Batterie).
Oben: rechts Oszillator und Taktteiler (unter schwarzer Versiegelung), links die Spule des Lavet-Schrittmotors mit rotem Lackdraht für den Antrieb der Zeiger.

Quarzuhrwerk; erkennbar im Uhrzeigersinn: die Spule des Lavet-Schrittmotors und der Schwingquarz

Die Hauptkomponenten einer Quarzuhr sind ein Taktgeber auf Basis von Quarzschwingungen, eine Elektronik zur Verarbeitung der Takte und der Benutzereingaben, ein Anzeigeteil zur Darstellung von Zeitinformationen sowie gegebenenfalls Betriebszuständen der Uhr und eine Energieversorgung.

Als Energiequelle kommen anstelle eines durch Gewichte oder Feder angetriebenen mechanischen Pendels bzw. einer Unruh zum Einsatz:

• das Stromnetz (bei größeren Uhren)
• eine mobile Stromversorgung wie Akku oder Batterie (meist eine AA- oder Knopfzelle)
• ein hochkapazitiver Doppelschicht-Kondensator mit Aufladung durch einen Schwungmassengenerator (ähnlich dem Aufzugsmechanismus bei automatischen Uhren) oder
• ein Kondensator, der von einer meist auf oder unter dem Zifferblatt angebrachter Solarzelle geladen wird.

Quarzuhren können – genau wie mechanische Uhren – verschiedene „Komplikationen“ aufweisen, so dass für Armbanduhren beispielsweise zusätzliche Zeiger, Datum, Chronograph, Ewiger Kalender, Mondphase, zwei Wecker, Abwärtstimer und eine zweite Zeitzone (24-Stunden-Anzeige) realisiert sein können.

Ganggenauigkeit

Quarzuhr mit „Twin Quartz“­Temperaturkompensation, 1979

Quarzuhren mit einem Uhrenquarz mit der üblichen Schwingfrequenz von 32 768 (= 2¹⁵) Hz können normalerweise einen Uhrgang (fortschreitende Abweichung) bis ± 30 Sekunden im Monat haben. Da sich diese Abweichung kumuliert, muss auch eine Quarzuhr gelegentlich synchronisiert werden, das heißt auf den Zeitwert einer genaueren Uhr oder eines Zeitzeichensenders eingestellt werden.

Gangabweichungen einer Quarzuhr können minimiert werden durch:

• Beeinflussung der Frequenz durch Justierung mittels eines Trimmkondensators,
• Betrieb bei möglichst konstanter Temperatur,
• Anbindung an Funkuhren, die regelmäßig per Funk (in Mitteleuropa Empfang des Zeitsenders DCF77) mit der koordinierten Weltzeit synchronisiert werden, oder an andere Uhren über USB, Bluetooth oder Internet und Synchronisation mit genaueren Uhren. Viele portable Geräte synchronisieren sich bei Anschluss an den PC auf die PC-Zeit, PCs ihrerseits können sich über NTP mit Internet-Zeitservern synchronisieren.

Geschichte

Technische Voraussetzungen

Die Quarzuhr entstand im Zusammenhang der seit dem Ersten Weltkrieg einsetzenden Hochfrequenzforschung. In den 1920er Jahren entstanden Geräte zur Erzeugung und Kontrolle der Sendefrequenzen für die sich rasant vermehrenden Radiostationen. Da Frequenz als das Inverse der Periodendauer definiert ist, konnte die Technologie der quarzstabilisierten Normalfrequenzgeneratoren auch für den Bau erster Quarzuhren verwendet werden.

Voraussetzung für die Entwicklung von Quarzuhren waren:

• die Entdeckung der Piezoelektrizität durch Jacques und Pierre Curie 1880.
• elektronische Schaltkreise zur Anregung des Quarzes und Stabilisierung eines Schwingkreises, entwickelt von Walter Guyton Cady 1920 und 1921, sowie die Vereinfachung der Schaltung durch George W. Pierce und R. L. Miller 1922. Die Pierce-Miller-Schaltung ist der bis heute am weitesten verbreitete Typus eines piezoelektrischen Schaltkreises.
• Ausgabeeinheiten für den Sekundentakt. Dazu mussten Frequenzteiler bzw. schnell drehende Synchronmotoren entwickelt werden.

Die Pionierphase bis zum Zweiten Weltkrieg

Nationaler Frequenzstandard der USA 1929, bestehend aus vier beheizten Quarzoszillatoren bei den Bell Laboratories

Am 13. Oktober 1927 stellten Joseph W. Horton und Warren Alvin Marrison von den New Yorker Bell Laboratories auf der Konferenz der International Union of Scientific Radio Telegraphy die erste Quarzuhr vor. Ein Schwingquarz mit einer Resonanzfrequenz von 50 kHz regulierte einen elektronischen Schwingkreis, dessen Wechselstrom einen kleinen Synchronmotor mit Zeigerwerk antrieb.

Eine Gruppe von vier weiterentwickelten Quarzoszillatoren aus den Bell Laboratories diente 1929 als nationaler Frequenzstandard der Vereinigten Staaten, wie in nebenstehender Abbildung dargestellt. Um äußere Temperaturschwankungen und damit thermisch bedingte Schwankungen der Genauigkeit des Oszillators zu minimieren, wurden die vier Quarzoszillatoren in beheizten Schränken auf einer konstanten Temperatur gehalten. Beheizte Quarzoszillatoren werden als Quarzofen (englisch Oven Controlled Crystal Oscillator, OCXO) bezeichnet und dank eines ausgeklügelten Vergleichsverfahrens der Oszillatoren untereinander konnte das National Bureau of Standards die Normfrequenz mit einer Genauigkeit von 10⁻⁷ angeben.

1928 bot General Radio aus Cambridge (MA) einen serienmäßigen Frequenzstandard an, der schon fabrikseitig mit einer Synchron-Uhr ausgestattet war. Nur in Ausnahmefällen wurde dieses elektronische Gerät als Uhr gebraucht, sondern meist als Messmittel für wissenschaftliche Versuche. Das Zifferblatt diente nur selten als hochpräzise Zeitanzeige, sondern in der Regel als Schnittstelle zur Kalibrierung der Normfrequenz über einen Vergleich mit dem amtlichen Zeitsignal.

In den folgenden zwei Jahrzehnten wurde die Quarzuhr als Laborgerät weiterentwickelt. Wichtige Meilensteine bei der Definition nationaler Standards für Zeit und Frequenz wurden in Deutschland und England gesetzt. Aber auch andere Länder wie Italien, Japan oder die Niederlande taten sich seit den 1920er Jahren bei der Weiterentwicklung der Quarzuhrtechnologie hervor.

Ab 1932 bauten Adolf Scheibe und Udo Adelsberger an der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt in Berlin eine Reihe von Quarzuhren unterschiedlicher Konstruktion. Mit diesen Uhren gelang es Scheibe und Adelsberger nachzuweisen, dass die Erddrehung neben jahreszeitlichen auch kurzzeitigen willkürlichen Schwankungen ausgesetzt ist. Erstmals war eine von Menschen gebaute Uhr genauer als die bisherige Referenz der Zeitmessung, die Erddrehung.

Auch die ab 1938 von Louis Essen am National Physical Laboratory konstruierten Quarzuhren mit ringförmigem Quarz setzten Maßstäbe. Anfang der 1940er-Jahre hatte Großbritannien das größte Netz von Quarzuhren weltweit.

Die erste käufliche Quarzuhr für Industrie und Wissenschaft wurde vom Physikalisch-Technischen Entwicklungslabor Dr. Rohde und Dr. Schwarz (heute: Rohde & Schwarz) in München entwickelt. Die Quarzuhr CFQ, die mit einer patentierten Kombination aus Quarzoszillator und Stimmgabel auf geschickte Weise die Unwägbarkeiten früher Röhrenelektronik umschiffte, kam 1938 auf dem Markt. Aufgrund ihrer Präzision und Zuverlässigkeit wurden zwei Uhren dieser Bauart ab Oktober 1939 im deutschen Zeitdienst eingesetzt. Sie gingen in die Berechnung der Normalzeit ein und dienten darüber hinaus als Steuergerät für das Zeitzeichen.

Quarzuhren der Nachkriegszeit

In der Zeit nach 1945 ersetzten Quarzuhren flächendeckend die Präzisionspendeluhren als industriellen und wissenschaftlichen Standard. Die besten Geräte hatten eine Genauigkeit von 1 × 10-9 erreicht.

Patek Philippe Chronotome. Erste, in Kleinserie gefertigte tragbare Batteriequarzuhr, ab 1960

Als besonders folgenreich sollten sich die Bemühungen um eine Miniaturisierung der Quarzuhren erweisen. Schon während des Zweiten Weltkrieges hatte es im Borg-Gibbs Laboratory in den Vereinigten Staaten sowie bei Rohde & Schwarz in Deutschland Versuche gegeben, tragbare Quarzuhren zu entwickeln. Diese scheiterten jedoch am zu hohen Stromverbrauch der Röhrenelektronik. Erst in den späten 1950er Jahren war es dem Genfer Uhrenhersteller Patek Philippe gelungen, dank Halbleitertechnologie, neuartigen Synchronmotoren sowie zuverlässigen Batterien erste tragbare Quarzuhren herstellten. Diese Quarzuhren waren wie die Batteriequarzuhren anderer Uhrenfabriken wie Seiko oder Junghans in den 1960er Jahren noch deutlich teurer als hochwertige mechanische Uhren.

Quarzuhren für jedermann

Prototyp einer Quarz-Armbanduhr, Modell Beta 1, Centre Electronique Horloger (CEH), Schweiz, 1967

Dank Mikroelektronik konnte man um 1970 erste Quarzuhren für den Massenmarkt bauen. Schnell setzte insbesondere bei Autouhren, Wand- und Tischuhren ein Preisverfall ein. Ab Mitte der 1970er Jahre waren Quarzuhren billiger als herkömmliche mechanische Zeitmesser, dabei deutlich genauer und bis auf den Batteriewechsel weitgehend wartungsfrei.

Etwas später setzte diese Entwicklung im Bereich der Armbanduhren an. Dabei wurde die Quarzuhr für das Handgelenk in der Schweiz, in Japan und in den USA „mindestens achtmal erfunden“. Kurz darauf stellten auch Firmen in Deutschland und Frankreich eigene Konstruktionen vor.

In den Fokus der breiten Öffentlichkeit waren Quarzarmbanduhren erstmals 1967 durch den Chronometerwettbewerb des Observatoriums im Schweizer Neuchatel geraten. Das Schweizer Forschungszentrum für elektronische Uhren „Centre Electronique Horloger“ (CEH) hatte ebenso wie Seiko Prototypen von Quarzarmbanduhren eingereicht. Die Quarzuhren waren allen anderen mechanischen Armbanduhren überlegen. Dank Temperaturkompensation erreichten die Schweizer Quarzuhren noch bessere Werte als die Konkurrenz aus Japan.

Seiko Astron mit Cal. 35A, erste, Weihnachten 1969 in einer Auflage von 100 Stück verkaufte Quarzarmbanduhr

Doch sollte sich für Seiko auszahlen, dass man bei der Entwicklung von Quarzarmbanduhren konsequent auf die spätere Massenproduktion geachtet hatte. Weihnachten 1969 verkaufte Seiko in Tokyo die erste Kleinserie von Quarzarmbanduhren, die Astron, allerdings noch zum Stückpreis eines Kleinwagens. Mit ihrem bahnbrechenden Design für Quarzuhrwerke legte Seiko den Grundstein für eine weltweite japanische Marktdominanz. Seiko entwickelte bis 1972/73 drei Schlüsseltechnologien zur Serienreife, die bis heute praktisch jede Quarzarmbanduhr mit analoger Zeitanzeige auszeichnen: der stimmgabelförmige, fotolithografisch hergestellte Quarzresonator, die integrierte Schaltung des CMOS-Typs und den Schrittschaltmotor.

Quarzuhren mit Digitalanzeige kommen meist ganz ohne mechanische Teile aus. Die erste Solid State-Quarzuhr, die sündhaft teure Pulsar von Hamilton (USA), hatte 1972 noch rote Zahlen mit Leuchtdioden (LED) enthalten. Bald wurden jedoch energiesparende Flüssigkristallanzeigen (LCD) verwendet.

Bis Mitte der 1970er Jahre war der Preis von Quarzuhren bereits auf unter 100.- DM gesunken, und er sank schnell weiter. Mechanische Uhrwerke waren preislich und qualitativ nicht mehr konkurrenzfähig. Viele traditionelle Uhrenfabriken mussten in der Quarzkrise der 1970er und 1980er Jahre schließen.

Um 1975 hatte sich abgezeichnet, dass sich der von Seiko entwickelte Grundaufbau der Quarzarmbanduhr durchsetzen würde. Wenige Jahre später schwenkten auch die Hersteller von Großuhrwerken auf dieses Design ein. Alle späteren Entwicklungen betrafen nur noch die weitere Reduzierung der Anzahl und Größe der Einzelteile bzw. Zusatzfeatures:

• 1973 bringt Staiger in St. Georgen (Schwarzwald) das Uhrwerk CQ 2002 auf den Markt. Dank eines 4.194.304 Hz-Quarzes erreicht es eine deutlich höhere Genauigkeit als bisherige Quarzwerke für den Endverbraucher.
• 1974 baut Omega in der Schweiz mit dem Marine-Chronometer Constellation „Megaquarz“ eine Analog-Quarzarmbanduhr, deren Schwingkreis mit 2.359.296 Hz schwingt.
• 1976 bringt Omega als erster Hersteller eine neue Art von Einsatz-Quarzuhren in den Handel, die wasserdichte Serie „Seamaster“.
• Mitte der 1970er-Jahre erscheinen erste Digitaluhren mit Taschenrechner, darunter 1977 die HP-01 von Hewlett-Packard, die auch ein Rechnen mit Zeiten/Zeiträumen ermöglichte.
• 1980 baut Omega mit der „Dinosaure“ die flachste Quarzuhr (1,46 mm).
• 1986 erschien die erste Funkuhr (zeitgleich von Junghans aus Schramberg und Kundo aus St. Georgen), 1990 die erste Armband-Funkuhr von Junghans.
• 1988 Die welterste Quarzuhr mit automatischer Energieerzeugung (A.G.S. – Automatic Generating System), später in „Kinetic“ umbenannt, wird von Seiko vorgestellt (Kaliber 7M22).
• 1998 führte Seiko mit dem „Ruputer“ eine erste Armbanduhr mit PDA-Funktionen („Wrist PDA“) ein.
• 2005 führt Seiko den Spring Drive als federangetriebenen, quarzgesteuerten Uhrwerksmechanismus ein.

Quarzuhr mit Zeitsignalsteuerung (Funkuhr)

Literatur

• Johannes Graf (Hrsg.): Die Quarzrevolution. 75 Jahre Quarzuhr in Deutschland. Vorträge anlässlich der Tagung im Deutschen Uhrenmuseum Furtwangen am 20. und 21. August 2007, Furtwangen 2008. ISBN 3-922673-27-9.
• Michael A. Lombardi: The Evolution of Time Measurement, Part 2: Quartz Clocks, in: IEEE Instrumentation & Measurement Magazine, Jg. 14, 2011, S. 41–48.
• Lucien F. Trueb, Günther Ramm, Peter Wenzig: Die Elektrifizierung der Armbanduhr, München 2011. ISBN 978-3-87188-236-4.

Weblinks

Commons: Quarzuhren – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Quarzuhr – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Kleine Quarzarmbanduhren-Geschichtsbetrachtung (englisch)
• Höher, schneller, Absturz. Die Entwicklung der Quarzuhr und die Geschichte der Schweizer Uhrenindustrie. brand eins, 12/2011