Генезис. Первые наручные кварцевые часы

[Caretaker]

Здравствуйте, уважаемые коллеги!

Хочу рассказать вам о четырех достойнейших представителях кварцевых часов. Я бы даже сказал, о праотцах современных кварцевых часовых механизмов. Все слышали о «кварцевой революции», о том, что швейцарская часовая промышленность чуть не погибла в ней, но не все знают, как собственно всё это начиналось. А начало было достаточно интересным и неоднозначным

Предпосылки

Под спойлером - немного (или много…) вводной информации. Про кварцевые резонаторы, генераторы, транзисторы и микросхемы, и про первые опыты применения кварца в часах размером с холодильник. Тем, кто знаком с электроникой, всё это будет не интересно. Тем, кто не любит технические детали, всё это можно вообще пропустить

Теория. Кварцевый резонатор

Идея как-то использовать кварц, а точнее, его пьезоэлектрические свойства, в часовых механизмах появилась сразу же, как только эти свойства были открыты и осмыслены. Если кратко и очень-очень упрощенно, то кварц имеет интересную особенность – если специальным образом вырезанную из кристалла кварца тонкую пластинку слегка деформировать, то она «выделяет» электричество (образуется разность потенциалов на разных сторонах пластинки). И наоборот, если на неё воздействовать электричеством, то пластинка будет слегка деформироваться. У такой пластинки есть собственная частота резонанса, и если подать на неё переменное напряжение этой частоты, то пластинка начнет вибрировать с этой частотой и дополнительно генерировать электроимпульсы. Дальше на этом эффекте резонанса строятся электроцепи с поразительным качеством частоты генерируемого сигнала (это качество еще называют добротностью). Частота такого сигнала очень стабильна и в основном зависит от температуры окружающей среды. А еще кварц и хрупок чисто механически и стареет со временем. Но стареет не быстро, для ощутимого изменения резонансной частоты необходимо несколько десятков лет, и это случается далеко не всегда. Получается, что кварцевая пластинка являет собой качественный резонатор, дешевый и долговечный.

На схеме из интернета мы видим внутренность кварцевого резонатора и саму эту пластинку в середине между двумя электродами.




Первые часы

Так вот, как только это свойство кварца было осмыслено, применение кварцевых резонаторов в часах стало делом времени. Первые кварцевые часы, стационарные, размером с холодильник, появились в 1927 году. Вот как они выглядели (фото из интернета, из музея International Museum of Horology в городе La Chaux-de-Fonds, Швейцария):



Кварцевый генератор

А дальше это всё нужно было уменьшить. Сначала посмотрим на электрическую часть. Для того, чтобы эффект резонанса кварцевой пластины превратить в источник сигнала, используют кварцевый генератор. На выходе генератора получается сигнал с резонансной частотой кварцевого резонатора, и именно этот сигнал в дальнейшем используется как основа для отсчета времени. Схем генератора частоты на кварцевом резонаторе много, они все достаточно просты, но все включают в себя транзистор. Вот один из вариантов схемы генератора из интернета:



Микросхемы

Применение транзистора в генераторе означает, что до появления массовых полупроводниковых приборов и технологий кварцу в наручных часах ничего особо не «светило». Потому что до этого транзисторы делались в виде вакуумных радиоламп .

Но один-два транзистора в генераторе – это только часть проблемы. Вторая заключалась в том, что частота кварцевого резонатора зависит от его физического размера – чем пластинка меньше, тем частота больше. Чтобы упихать резонатор в наручные часы и чтобы там еще осталось место для шестеренок и батарейки, резонансная частота кварца должна быть, как минимум, несколько килогерц (тысяч колебаний в секунду). А такую частоту надо понижать, чтобы получить разумные для часовых механизмов несколько герц (колебаний в секунду). Для понижения частоты использовались делители частоты триггерного типа на транзисторах, но транзисторов там уже было много, примерно по четыре штуки на один этап деления частоты пополам. Таких этапов деления должно быть от 5 до 15, в зависимости от частоты самого кварца. И количество только транзисторов в схемах таких делителей приближалось к 60. Так что к моменту создания первых наручных кварцевых часов должны были быть разработаны подходы к физической миниатюризации полупроводниковых схем.

Работы по миниатюризации полупроводниковых схем начались в 1958 году, в 1960-62 годах появились первые работоспособные прототипы, которые получили название микросхем. Это позволило всерьез думать о применении кварцевых генераторов в наручных часах. К 1965 году технологии производства микросхем уже более-менее работали, и их можно было использовать в реальных изделиях.

В СССР, кстати, не отставали, а иногда и опережали своих западных коллег. Так, первую в мире гибридную микросхему, или микросборку, сделали на заводе Квант в 1962 году! Вот как примерно выглядела тогдашняя микросхема (микросборка) внутри. Фото из интернета:



К слову. Микросборки, а затем и микросхемы активно применяли в производстве компьютеров. Но по-настоящему сильный толчок в процессе и технологиях миниатюризации полупроводниковых устройств дало именно начало массового производства кварцевых наручных часов. Тиражи часов, а это миллионы устройств в год, давали огромный спрос в области полупроводников и явились локомотивом развития полупроводниковых технологий. Да, микросхемы в часах были достаточно простыми, но требования к ним были высокими и их нужно было делать много.

Источник питания

Еще одной проблемой был источник электроэнергии. Если мы хотим видеть время в привычном всем стрелочном формате в наручных часах на основе кварцевого генератора, то такие часы откуда-то должны получать электроэнергию для своей работы. Надо учитывать, что кроме упомянутой выше электроники (генератор и делитель частоты) в стрелочных кварцевых часах есть еще один очевидный потребитель энергии – электродвигатель, преобразующий колебания, полученные через делитель частоты от генератора, в движение стрелок. В общем, для всего этого необходим компактный и емкий источник электроэнергии. Такой источник был создан компанией Union Carbide (сейчас это марка Eveready) для первых электрических (электромеханических) часов Hamilton в 1957 году. Hamilton обратился более чем к 40(!) компаниями, производившим батареи в то время, но взялись за такое производство только в Union Carbide. К сожалению, фото той самой первой часовой батарейки Union Carbide 301 я найти не смог, поэтому приходится довольствоваться скромной страничкой из рекламы первых Hamilton 500, позаимствованной с сайта electric-watches.co.uk (красным выделена батарея и она же в часах):



Батарейки в электромеханических часах менялись примерно раз в 10-12 месяцев, что было настоящей фантастикой тогда. До наступления эры кварцевых часов на рынок успели выйти два основных типа электромеханических часов – это балансовые механизмы типа Hamilton 500 (СССРовский аналог Слава Электрические) и камертонные механизмы типа Bulova 214 (СССРовский аналог Слава Транзистор). В камертонных часах даже использовались транзисторы, что позволяло назвать их первыми не просто электромеханическим, но электронномеханическими часами. Так что к середине 1960х годов технологии производства миниатюрных батарей были отлажены и апробированы именно при эксплуатации наручных электро(электронно)механических часов.

И электромеханические балансовые часы, и электронномеханические камертонные часы достойны отдельного рассказа, я же пока вернусь к кварцу.

Создание наручных кварцевых часов

В результате немыслимой ранее скорости технического прогресса к середине 1960-х годов человечество осмыслило возможности кварцевого резонатора, придумало, как разместить много транзисторов в небольшом пространстве, и освоило производство компактных батареек. Всё было готово. И в начале 1960-х работы по внедрению кварца в наручные часы начались сразу в двух местах – в Швейцарии и в Японии.

Швейцария

В Швейцарии с целью разработки новых электронных часов ведущими часовыми компаниями в 1962 году был образован консорциум C.E.H. (Centre Electronique Horloger).

В C.E.H. были разработаны несколько прототипов на разных технологических принципах, но к 1967 году разработчики остановились на использовании кварцевого резонатора. В 1967 году были разработаны два механизма, Beta 1 и Beta 2. На базе Beta 1 собрали несколько прототипов наручных часов, и некоторые из них даже протестировали в августе 1967 года в Observatoire Astronomique et Chronometrique de Neuchatel. Хотя в продажу часы на Beta 1 никогда не поступали, именно эти прототипы являются первыми наручными кварцевыми часами. Вот их изображение (фото из интернета):



Несмотря на наличие прототипа на Beta 1, в дальнейшем специалистами C.E.H. в качестве базового калибра для развития был выбран механизм Beta 2. И, как потом выяснилось, это было неудачный выбор.

В 1969 году 20 швейцарских часовых компании образовали промышленную группу по производству коммерческого калибра Beta 21, созданного на базе Beta 2. Непосредственным производством занимались три партнера: C.E.H. (электроника), Ebauches Electronique S.A. (механизм и сборка) и Omega (мотор). К началу 1970 года первые несколько сотен Beta 21 были выпущены и отправлены участникам для установки в часы. С 1970 по 1972 год было выпущено всего около 6000 механизмов Beta 21, а c 1972 по 1974 – около 50000 механизмов Beta 22, которые являются модификацией Beta 21. Затем эту конструкцию с производства сняли вовсе.

Участники группы производили часы на Beta 21 под собственными марками, поэтому часов с маркой «C.E.H.» крайне мало. Компания Longines выпустила небольшую, скорее всего демо-серию, в своем корпусе, но с надписью «C.E.H.» вместо «Longines». Вот фото из интернета:





Первые коммерческие часы на Beta 21 были представлены на Basel Fair в апреле 1970 года и цены на них были высокими. Очень высокими. Например, стоимость новых часов на Beta 21 от компании Omega была больше 1100 фунтов за часы в золотом корпусе и oколо 330 фунтов за часы в стальном корпусе. Для сравнения, в то время механические хронографы Omega Moonwatch стоили около 100 фунтов. Запомним пока эти цены.

Часы на калибре Beta 21 работали на одной батарейке более года. Частота кварца составляла 8192 герца.

Япония

В Японии пионером кварца стала компания Seiko, начавшая эксперименты с кварцем аж в 1958 году. К сожалению, всей истории создания своих прототипов Seiko не раскрывает. Первые настольные кварцевые хронометры от Seiko были размером с небольшой ящик и использовались, в том числе, на Олимпийских играх в Токио в 1964 году. Позднее на основе этих хронометров был создан морской кварцевый хронометр от Seiko – практически первые массовые кварцевые часы. Как и швейцарцы, японцы положили массу сил и средств на миниатюризацию всех компонент кварцевых часов. Как и швейцарцы, японцы передали свои прототипы на тестирование в Observatoire Astronomique et Chronometrique de Neuchatel, но чуть позже, в ноябре 1967 года. Однако именно Seiko в декабре 1969 года первая выпустила на рынок коммерческий продукт, всего на четыре месяца опередив швейцарцев. Именно тогда, на очередном Basel Forum (не путать с Basel Fair!), Seiko торжественно представила первые коммерчески доступные кварцевые часы – Seiko Astron 35SQ. Его фото, из интернета (фото с www.hodinkee.com):



Тираж Seiko Astron 35SQ составлял всего 100 штук. Золотой корпус и заоблачный ценник в 485 тысяч иен (1250 долларов США). Цена новой автомашины Toyota Corolla . А те самые Omega на механизме Beta 21 в золотом корпусе за 1100 фунтов по тогдашнему курсу стоили «всего» около 400 тысяч иен.

Как и швейцарские часы, первый Astron работал на одной батарейке более года. Частота кварца составляла те же 8192 герца.

Кто же победил?

Что же, в итоге получается, что и японцы, и швейцарцы в кварцевой гонке шли ноздря в ноздрю? И да, и нет. Швейцарцы первыми создали наручные кварцевые часы, а японцы первыми выпустили такие часы на рынок. По датам, ценам, времени работы и частоте кварцевого резонатора обе группы разработчиков получили очень похожие результаты.

А вот по техническим решениям – не совсем.

Швейцарцы, коромысло

Дело в том, что швейцарцы в своем Beta 21 пошли по проторенному пути. Взяли обкатанный в камертонных часах принцип устройства часового механизма и приделали туда вместо камертона новый источник движения – качающееся коромысло. А саму идею механизма оставили той же, камертонной. Работает Beta 21 так: сигнал с кварцевого генератора попадает на делитель частоты. Коэффициент деления частоты из-за проблем с энергопотреблением был выбран равным 32 (два в пятой степени), и на выходе получался сигнал с частотой, равной 256 герцам. После делителя сигнал подавался на расположенный на платине электромагнит, который являлся статором мотора. Внутри статора качалось коромысло, на котором был закреплен постоянный магнит. Это ротор мотора. Коромысло раскачивалось в такт импульсам, с частотой 256 герц. Раскачиваясь, коромысло через приделанный к нему толкатель проворачивало индексное (или храповое, или «бархатное») колесо и приводило в движение стрелочный механизм. Посмотрим на интернет-фото механизма и коромысла. Фото не мои, с сайта http://www.crazywatches.pl. Я не рискнул разбирать свои часы до такого состояния .



На фото под номером 1 двигатель в сборе, номер 2 – та самая микросборка, где вся электроника спрятана, под номером 3 – электромагнит, под номером 4 – коромысло с постоянным магнитом 5 и толкателем 6, под номером 7 – храповая пружинка с камнем, который фиксирует индексное колесо. Кварцевый резонатор находится под платой 8 на всю её длину.

Видно, что идея движения механизма один в один взята из камертонных часов, но в Beta 21 все чуть-чуть побольше, поэтому видно всё чуть-чуть получше. Но все же последнее фото сделано с увеличением 200х!

Такой вариант двигателя имеет некоторые врожденные проблемы, в частности, перескок толкателя через несколько зубьев, сложность настройки всего механизма из-за тонкого и гнущегося толкателя и стопорной пружинки, а также сложность изготовления толкателя, стопорной пружинки и индексного колеса. Кроме того, частота колебаний коромысла составляет целых 256 герц. Конечно, камертонные часы имеют частоту колебаний ещё выше – от 300 до 360 герц. Но отличия тут непринципиальны, зато проблемы, возникающие из-за таких слишком высокочастотных механических движений, уже тогда были понятны. Это износ всех деталей, вплоть до механических повреждений индексного колеса. Для сравнения, частота колебаний механического баланса в самых продвинутых часовых механизмах с трудом достигает 5 герц (10 полуколебаний, или 5 полных колебаний, в секунду, или 36000 полуколебаний в час). А в Beta 21 коромысло делает 256 колебаний в секунду или 921600 колебаний в час!

Кроме того, чисто физически вся эта конструкция имеет конечную толщину. И поэтому размеры всего механизма и часов на таком механизме достаточно велики и сильно уменьшить их не получается.

Зато секундная стрелка в этих часах двигается плавно

Японцы, шаговый двигатель

Японцы пошли совершенно другим путем. В их часах впервые в истории часового дела был применен однофазный шаговый двигатель (single-phase stepping motor). Как видно из называния, такой двигатель двигается не непрерывно, а шагами. Это вполне укладывается в общую идеологию кварцевого генератора, генерирующего отдельные импульсы заданной частоты. Конструкция такого шагового двигателя была изобретена французским инженером Морисом Лаве (Marius Lavet) в 1936 году. Инженеры Seiko сконструировали вокруг этого двигателя и кварцевого резонатора кварцевые стрелочные часы, ставшие прообразом всех современных кварцевых стрелочных часов. В конструкции Seiko сигнал с кварцевого генератора частотой 8192 (два в тринадцатой степени) герца через делитель частоты с коэффициентом деления 8192 подавался на шаговый двигатель, который делал один шаг в одну секунду. Основные модули первых японских кварцевых часов – на этом фото механизма Seiko Astron 35SQ:



Номером 1 обозначена катушка шагового двигателя; номер 2 – крышка, под которой спрятан кварцевый резонатор и электронный модуль; номер 3 – мост, под которым спрятана вся колесная система и собственно шаговый двигатель. Номер 4 – это наборный конденсатор для тонкой настройки частоты. Есть только в первых поколениях механизмов Seiko, в современных кварцевых механизмах отсутствует.

В такой конструкции износы минимальны, в 256 раз меньше, чем у конкурентов, сама конструкция проще и деталей меньше. Из минусов – на тот момент схема с 13 делителями была практически в три раза более энергоемкой, чем схема с 5 делителями. Но Seiko справилась с этой проблемой, сэкономив на в разы меньшем потреблении самого двигателя.

Еще одним технологическим достижением Seiko стало использование кварцевого резонатора не в форме параллелепипеда, а в форме камертонной вилки. Это позволило существенно уменьшить физический размер резонатор, габариты калибра и часов на его основе. В настоящее время кварцевый резонатор в форме камертонной вилки используется повсеместно и стал стандартом де-факто.

Но есть одно «но», за которое это вариант кварцевых часов не любят настоящие ценители . Секундная стрелка здесь навсегда утратила плавность хода!

Мои часы

Ну и наконец мы добрались до экспонатов моей коллекции .
Из ранних кварцевых стрелочных механизмов в моей коллекции обитают четыре экземпляра:

1. Omega Constellation Electroquartz F8192, ранний вариант на калибре Omega 1300 (Beta 21), 1970 года выпуска, судя по номеру на механизме;
2. Longines Ultraquartz на калибре Longines 6512, выпуск 1972-73 годов, согласно полученной от Longines информации;
3. Seiko Quartz V.F.A. на калибре Seiko 3823 выпуск октября 1971 года, судя по номеру на корпусе;
4. Seth Thomas Quartzmatic на калибре Roamer MCT 900, выпуск 1972-1973 годов, судя по информации из интернета.

Посмотрим на них поближе.

Omega





На задней крышке, как я понимаю – эмблема обсерватории в Neuchatel.



В часах стоит оригинальная Beta 21 (калибр Omega 1300). Этот конкретный механизм с номером 31731359 сделан в 1970 году. Про механизм и принцип его работы я рассказал чуть выше. Часы на ходу. Репассаж был проведен в мастерской Точный ход» Андрея Бабанина.

Longines

Вторые часы – это Longines Ultraquartz, или первые (и последние) Cybernetic watch от компании Longines. Разработаны в 1969 году, впускались с 1970 года и до середины 1970-х годов, этот конкретный экземпляр изготовлен «между 1972 и 1973 годами» (с) Longines Brand Heritage.



Удивительно красивые часы, сделанные в виде капсулы! Снимаем ремень, вытаскиваем два фиксатора и… держим в руках настоящую «капсулу времени».



Вход в капсулу через снятие стекла, я сам не рискнул. По моей просьбе Андрей Бабанин (опять же!) обслужил эти часы и сделал несколько фотографий того, что внутри. А внутри то, ради чего я и покупал эти часы.



Уникальный механизм. Единственный в своем роде. На самом деле это другая инкарнация идеи с коромыслом, но только тут все поменяно местами по сравнению с Beta 21. К коромыслу приделана обмотка, а на платине стоят постоянные магниты. Толкатель на коромысле толкает бархатное колесо, а дальше вообще шедевр – червячная пара! Для меня это было настоящим шоком, т.к. червячные пары, мягко говоря, не очень эффективны и точны.





На фото номер 1 – коромысло с обмоткой, качается в направлении, перпендикулярном экрану монитора, номер 2 – два постоянных магнита-статора, номер 3 – червячная пара, номер 4 – бархатное колесо с толкателем под номером 5. Толкатель видно плохо, он находится под коромыслом и движется вместе с ним в плоскости, перпендикулярной экрану.

Другой шедевр – электронная часть. Она собрана на отдельных элементах, и в ней 19 резисторов, 14 транзисторов, 7 емкостей и кварц! На фото прекрасно видно это спагетти из проводков и ножек, причем паянных, похоже, вручную! Имейте ввиду, что размер всего механизма Longines 6512 примерно 30х30 мм, а плата еще меньше.

Частота кварца была выбрана равной 9350 герц, частота колебаний коромысла была выбрана равной 170 герц. В Longines начали разрабатывать этот механизм в 1968-69 годах, параллельно с исследованиями C.E.H, и, чтобы не возиться с дорогущими в то время микросборками, инженеры Longines предложили оригинальное решение. Они не стали делать много последовательных делителей частоты пополам, а сделали делитель накопительного типа с коэффициентом деления 55 (!), причем на отдельных деталях. Так что вся эта мешанина из проводников и деталей как раз и делит частоту кварцевого генератора на 55 и формирует нужные импульсы для управления коромыслом. Такой подход был реализован впервые и за это часы и получили название Cybernetic watch. Однако делитель частоты на 55 схемотехнически более чувствителен к качеству и состоянию использованных аналоговых деталей (конденсаторов и резисторов), чем последовательные делители «на 2». Отсюда - сложности в настройке и практическая неремонтопригодность этих часов, т.к. «уход» из-за возраста параметров конденсаторов отрицательно влияет на точность, а регулировок толком нет, схемы нет, конденсаторов семь штук, и какой из них спёкся – непонятно. Красиво, но очень непрактично.

Интересны маркетинговые ходы Longines при продвижении этих часов. Во-первых, «вот у Beta 21 всего 8192 герца, а у нас целых 9350 герц. Мы круче!» А, во-вторых, «микросборки и микросхемы – это дорого и ненадежно!»
Решения, реализованные в Cybernetic watch, нигде и никогда после не использовались. Так что это – первые и единственные в мире кибернетические часы!

Seiko

В моей коллекции – часы Seiko 3823. Калибр Seiko 38 – это третий кварцевый калибр Seiko для наручных часов и первый реально доступный для публики. Первый кварцевый калибр Seiko 3500 был выпущен в 1969 году тиражом всего 100 экземпляров, и тот самый первый Astron 35SQ был сделан как раз на этом калибре. Потом было развитие 3500 – практически идентичный калибр Seiko 3501/3502, выпущенный в 1970 году тиражом 1800 экземпляров с кварцем на 16384 герца. Вторым калибром был Seiko 3601/3602, тоже 1970 год и около 1000 экземпляров. На нем опробовали использование в часах технологии CMOS производства не просто микросборок, а настоящих интегральных микросхем. И затем, уже осенью 1971 года, вышло первое семейство массовых калибров Seiko 38 с частотой кварца 16384 герца. В семействе Seiko 38 было целых 10 вариантов, с разной точностью, с разным сочетанием календарей и даже с дополнительной GMT-стрелкой. Мои часы на калибре 3823 – это первый выпущенный калибр в линейке Seiko 38, два календаря и Very Fine Adjustment (V.F.A.) с заявленной точностью +/- 5 секунд в месяц. Выпущены эти часы в октябре 1971 года, из самых первых серий, в тот момент даже «V.F.A.» на циферблате еще не писали. Зато на самом механизме – «ADJSIX6POS&TEMP», «Adjusted in six positions and temperature», «Настроено по шести позициям и по температуре». Как раз V.F.A., как оно есть



Цена часов на калибре Seiko 3823 в стальном корпусе в год своего выпуска составляла около 150000 иен. Тоже совсем недешево. Но все равно в три раза дешевле стоимости первоначального Astron 35SQ.

Теперь посмотрим на часы внутри.
Видно, что компоновка Seiko 38, в отличие от первых швейцарцев, уже очень сильно напоминает компоновку современных кварцевых часов. Сравним основные модули Seiko 38 с современным женским механизмом Ronda из часов моей жены.

На обоих фото под номером 1 - обмотка шагового двигателя; под номером 2 - кварц и электронный блок (в Ronda спрятан под крышку); под номером 3 - небольшой блок колес, прикрытый сверху единственным мостом. Сам шаговый двигатель также скрыт под этим же мостом.



Обратите внимание на размеры. Фотографии я старался отмасштабировать в соответствии с реальным миром. Ronda, с размерами 15x12.5 мм, по площади практически в четыре раза меньше механизма Seiko 38, диаметр которого 25.6 мм. Этот факт говорит о том, что японский подход был более подходящим для дальнейшего уменьшения физических размеров конструкции.

Seth Thomas/Roamer

Американская компания Seth Thomas выпускала в основном настольные, настенные, каминные и другие часы больших форм. Карманные и наручные часы тоже были в ассортименте, но не были основным товаром этой компании. В 1960е-70е годы компания Seth Thomas изготавливала наручные часы, в том числе, на калибрах швейцарской компании Roamer. И серия ранних стрелочных кварцевых часов Seth Thomas Quartzmatic была изготовлена на калибрах Roamer MCT900/901/902 (без календаря, с одинарным и двойным календарем соответственно).
Часы в моей коллекции сделаны на калибре MCT900.



С виду это обычные часы, однако внутри стоит не клон Beta 21, как было бы логично предположить, а калибр, сконструированный по принципам Beta 1!



Похожие калибры выпускались компанией Omegs (MegaQuartz 32К 1510/1511) с 1974 года, а компанией Rolex (OysterQuartz 5035/5055) - с 1977 года. Однако скромный Roamer довел Beta 1 до коммерческого продукта раньше именитых грандов . Любопытно, что после сравнения механизмов Roamer и Rolex утверждение последних о том, что их технология была разработана «с чистого листа» выглядит, мягко говоря, некоторым преувеличением

Но вернемся к Seth Thomas/Roamer. Сравним схему Beta 1 из статьи про историю C.E.H. и фотографию калибра MCT900.





На фото мы видим швейцарскую инкарнацию шагового двигателя. Основной привод этого механизма выглядит, как анкерный спуск, но направление передачи импульсов тут прямо противоположное. «Анкерная вилка» (номер 1) приделана жестко к электромагниту (номер 2) и перемещается из правого положения в левое и обратно при изменении полярности тока, протекающего через электромагнит. При перемещении вилка толкает «анкерное» колесо (номер 3). Поэтому «анкерную вилку» правильнее называть толкателем, а «анкерное» колесо - ходовым колесом. И уже от ходового колеса приводится в движение вся остальная колесная система часов.

Для большей наглядности отдельно покажу вилку с магнитом:



Идея такого привода была взята из первого электромеханического балансового калибра Hamilton 500 и творчески доработана. В электромеханических балансовых часах аналогичную «анкерную» вилку толкает баланс, а здесь конструкторы исключили баланс и упростили всю кинематическую схему.

Такой двигатель совершает ровно одно колебание в секунду, так же как и Seiko. Однако механизм получился громоздким, в первую очередь из-за высоты «анкерной» вилки, установленной сверху на шаговый двигатель. Да и деталей в таком механизме больше, чем у Seiko, а значит, он дороже в производстве и сложнее в обслуживании.

Зато какой звук у MCT900… «Камертонные» Omega и Longines просто монотонно гудят. Seiko co своим шаговым двигателем, который вращается всегда в одном направлении, издает звук «тик-тик-тик». А Roamer звучит отчетливо «тик-так», как механические часы. Дело в том, что у вилки два разных положения, и звук перехода из положения 1 в положение 2 отличается от звука перехода в обратном направлении.

В итоге в массовую серию калибры, аналогичные Roamer MCT90x, а позже Rolex 5035/5055, не пошли. Так что Roamer первым на практике доказал, что подход Beta 1 также был неконкурентоспособен по сравнению с подходом Seiko. А единичный Rolex OysterQuartz на калибрах 5035/5055, который выпускался 24 года, но был сделан всего в 25 000 экземпляров, только подтверждает общее правило .

Вместе

Omega и Longines показывают основной путь развития кварцевых часов в варианте Швейцарии начала 1970-х – сложные, ненадежные и труднообслуживаемые конструкции с высокочастотными механическим частями, сделанными по идеологии камертонных часов. Причем ненадежность и неремонтопригоднось этих решений фактически признали сами производители. Например, калибр 6512 от Longines не предполагал ремонта и в случае поломки производитель менял механизм целиком, причем, начиная с какого-то момента, на более простые и надежные калибры на шаговых двигателях, с заменой задней крышки и заводной головки…

На следующем фото показаны часы на всех четырех механизмах:



Обратите внимание – часы Seiko меньше, чем часы Omega, Longines и Seth Thomas. Потому что Seiko смогли создать относительно компактный круглый калибр, а у швейцарцев получились либо совсем громоздкие прямоугольные, либо круглые, но тоже немаленькие. Физические размеры говорят сами за себя: размер калибра Omega 1300 (Beta 21) – 30.9x26.5 мм (диагональ 40.7 мм), Longines 6512 – 31.8x32.8 мм (диагональ 45.7 мм), диаметр Roamer MCT900 – 28 мм, а диаметр Seiko 3823 – 25.6 мм!

На следующем коллаже механизмы. Пропорции не соблюдены, но кое-какие выводы сделать можно.



(Фото Roamer на этом коллаже – из донорских часов, однако размеры от этого никак не поменялись)

Все четыре моих механизма примерно одного возраста и точно одного поколения. Однако, на фото видно, насколько японская конструкция более ладная, цельная и технологичная, что ли… Она красивее (я так думаю ).

Итоги

Швейцарцы сделали неправильный выбор и почти проиграли в кварцевой то ли войне, то ли кризисе, то ли революции. Во-первых, они долго не верили и не рассматривали всерьез кварцевые механизмы, как серьезное массовое явление и технологию. Во-вторых, подход Seiko с дешевым и простым шаговым двигателем позволил японцам за счет удешевления электронной части (закон Мура уже работал, хотя про него мало кто знал тогда) получать все более точные, функциональные и дешевые часы. У швейцарцев, с их пошедшими в «массовую» серию храповыми камертоноподобными механизмами, такого резерва не было – сам механический привод был дорогим и ненадежным. А последователи Beta 1 так и остались экзотическими нишевыми продуктами.

Но реальной угрозой для сложных и дорогих механизмов (как кварцевых, так и механических) стало появление часов со светодиодными и позже с жидкокристаллическим индикаторами. Ни одной движущейся части, а функциональность ограничена только фантазией конструкторов и размерами запястья. И себестоимость производства, стремящаяся к нулю. И вот это как раз и была та самая кварцевая революция, переросшая в кварцевый кризис.
В ходе тех боев полегло немало старых и известных швейцарских и американских часовых марок, но швейцарская часовая индустрия выжила. И помогли ей две вещи. Во-первых, это благородство Seiko, открывшей часть своих патентов для всеобщего использования. И, во-вторых, тандем «кризисных управляющих»: Ernst Thomke и Nicolas G. Hayek, Sr. Они сделали ETA, а потом Swatch Group, сильно сократили «косты» на производстве и заставили, наконец, швейцарскую часовую промышленность начать делать нормальные кварцевые часы, дешевые, красивые и на шаговых двигателях. Но это было уже в конце 1970х-начале 1980х и «это уже совсем другая история».

PS. Вне конкурса

Пока я все это писал и собирал подборку часов для этой статьи, в коллекцию заплыл очаровательный экспонат, Benrus TechniQuartz. Кентавр от часовой индустрии



Как просто и быстро сделать кварцевые часы? Берем обычный механизм от ETA (в данном случае это, судя по всему, ETA 2618), выковыриваем оттуда баланс, пружину, ненужные мосты, а сверху приделываем печатную плату с мотором, кварцем и микросхемой управления. Потом всё это обзываем новым калибром Benrus H0101 – и вуаля, кварцевые часы готовы . Пять баллов! И это всё уже в 1973 году (точнее, в сентябре 1973, судя по маркировке на микросхеме)!



Видно, что вместо пружины и баланса пустые места (номер 1), а в ангренажном мосту продолговатое отверстие под кварцевый резонатор (номер 2). Отсек для батареи идеально разместился на месте баланса.
Слева простенькая плата, которая заменила баланс и пружину , а справа виден весь этот сендвич сбоку



Понятно, что такое решение было избыточным, т.к. запаса прочности, заложенного в обычные механические часы, для кварцевых механизмов не требуется, и можно было сделать более легкий, компактный и дешевый механизм. Но зато такой подход давал возможность быстро выбросить на рынок готовый продукт.

Что характерно, основная масса производителей таким путем не пошла, а предпочла конструировать механическую часть кварцевых калибров с нуля.

PPS. Некоторые интересные факты «из жизни кварца»

Тиражи

В 2018 году в мире было сделано 1395 миллионов часов. Без малого полтора миллиарда! Из них 1350 миллионов (96.8%) это кварцевые часы. Стрелочных (или аналоговых) кварцевых часов было сделано 74.6% и цифровых (с цифровыми LCD-индикаторами) – оставшиеся 22.2%. И только 3.2% (всего каких-то 45 миллионов ) пришлось на всё остальное, в том числе на любимую нами всеми старую добрую «ламповую» механику.

Точность кварцевого генератора

Известно, что обычные кварцевые часы, которые «за три копейки», редко когда имеют погрешность больше 20 секунд в месяц. Давайте посчитаем, какое может быть при этом максимальное отклонение частоты кварцевого генератора от эталонной.

Базовая частота кварцевого генератора в 99.9999% всех современных часов составляет 32768 герц. Или 2 в 15 степени. В сутках 24*60*60 == 86400 секунд. Если кварцевый генератор имеет частоту всего на 1 герц больше, то в сутки он сделает 86400 лишних колебаний и такие часы будут спешить на 86400/32768, или приблизительно на 2.6 секунды в день. Что в месяц даст ощутимые почти 80 секунд! Так что отклонение частоты кварцевого резонатора/генератора от эталонной должно быть не более одного колебания на 4-5 секунд!

Термокомпенсация

Частота кварцевого генератора зависит от температуры. Объясняется это просто – резонансная частота кварцевой пластинки зависит от ее размера. А размер зависит от температуры. В температурном диапазоне существования наручных часов перепады меряются максимум 50-60 градусами Цельсия, если смотреть на допустимые диапазоны эксплуатации по паспорту. В реальности перепады температур поменьше, но и этого хватает. Поэтому вопрос термокомпенсации для точности кварцевых механизмов существенен и решать его начали с самого начала производства кварцевых часов. В стационарных кварцевых часах использовали специальные подогреваемые боксы с постоянной температурой, в которых содержались кварцевые резонаторы. В наручных часах, кроме чисто электронных схемотехнических решений, были и механические: конструкция корпуса часов, позволявшая, подобно термосу, сохранять тепло руки; расположение кварцевого резонатора таким образом, чтобы теплообмен между ним и остальными деталями был бы минимальным. С течением времени подходы к сохранению стабильности генератора во всем рабочем диапазоне температур стали более продвинутыми и микропроцессоры внутри современных дорогих кварцевых механизмов следят за температурой с помощью независимых датчиков и соответственно корректируют работу часов. Но до сих пор актуальна рекомендация Seiko из самого начального периода производства и продажи кварцевых часов: «Носите часы постоянно. Так они показывают наиболее точный ход». Просто потому, будучи надетыми на руку живого человека, наручные часы сохраняют постоянную температуру в диапазоне 25-28С практически независимо от температуры окружающей среды . И ровно потому же сравнительные замеры точности хода кварцевых часов проводятся в режиме «16 часов на руке, 8 часов на столе» – чтобы обеспечить постоянный температурный режим.


--- === *** ----- *** === ---


Ссылки и дополнительные материалы


Про кварцевые резонаторы и генераторы. Доходчиво!

https://www.ruselectronic.com/kvarts...vyj-generator/
https://www.ruselectronic.com/kvartsevyj-generator/

Про душераздирающую историю создания Beta 21

https://ethw.org/First-Hand:The_Firs...tz_Wrist_Watch
https://ethw.org/First-Hand:The_Firs...ssembling_Crew

Автор, как непосредственный участник всего процесса, очень переживает за неудачу и неправильные решения, принятые C.E.H. на заре кварцевой эпохи, считая, что если бы вместо Beta 2 был бы выбран Beta 1, то было бы лучше. На мой взгляд, подход, которого придерживались в C.E.H. при создании Вeta 1, был бы таким же проигрышным, как и подход Beta 2/Beta 21. Против шагового двигателя Seiko оба варианта швейцарцев были абсолютно неконкурентными.

История создания кварцевых часов Seiko

Немного здесь:
http://americanhistory.si.edu/collec...t/nmah_1204788
И еще здесь (книга «A Journey In Time. A Remarkable Story Of Seiko», страницы 53-64, спасибо flyinghat http://forum.watch.ru/member.php?u=190535):
http://forum.watch.ru/attachment.php...1&d=1553551887
Про открытие патентов Seiko (конец третьего абзаца):
https://www.seikowatches.com/in-en/c...artz-knowledge

В отличие от швейцарцев, история у Seiko выглядит уж больно лакированной. «Мы работали-работали, но у нас ничего не получалось. И тут пришел Величайший, разогнал нас всех, научил мудрости, и все сразу получилось…»

Шаговый двигатель

https://en.wikipedia.org/wiki/Lavet-type_stepping_motor

Longines 6512

https://www.longines.com/company/history/20th/1969
http://electric-watches.co.uk/makers...-ultra-quartz/

Закон Мура

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97...83%D1%80%D0%B0

Тиражи часов в 2018 году

https://www.jcwa.or.jp/data/estimate.html
Там всё на японском, но графики говорят сами за себя. В английском разделе графики еще недавно были и кончались на 2015 году Теперь их почему-то вообще нет, зато гугл транслейт отлично переводит с японского.

Просто познавательные сайты

Про всякие необычные часы:
http://www.crazywatches.pl/home
Про электронные и электрические часы:
http://electric-watches.co.uk/

--- === *** ----- *** === ---

Disclaimer 1. Эта статья – частичная компиляция из многих интернет-ресурсов с попыткой анализа причины того, почему развитие кварцевых часовых механизмов пошло так, как оно пошло, несмотря на большое количество возможных вариантов.
Disclaimer 2. Фотографии, особенно исторических моделей, частично заимствованы из интернета. Там, где это возможно, я указывал источники или просто писал «фото из интернета». Остальные фото – мои.
Disclaimer 3. Получилось длинно (AKA «много букв»). Имейте в виду! Часть текста спрятана под спойлером. И всё равно технических деталей получилось много.
Disclaimer 4. К мастерской «Точный Ход» и Андрею Бабанину лично я не имею никакого отношения, кроме как являюсь их постоянным клиентом.

[nedwas]

Пробую разобраться почему после чистки Piaget 8p2 механизм начал работать в другую сторону т.е. против часовой стрелки. И работает хорошо. Но в другую сторону. Кто имеет инфу об этом калибре ?

[SDE78]

направление линий магнитной индукции в зазоре поменялось) шаговый двигатель крутит в обратную сторону.

[JohnSn0vv]

Благодарю за такой крутой обзор на такую редкую и весьма крутую экзотику! У самого в коллекции есть Longines Ultra Quartz такой же капсюльной формы, только в позолоте. Правда не работает - обмотка катушки порватая в одном месте увы) Камертонные, Кварцевые и Электро Механические часы, прям страсть

Кстати о калибре МСТ900, он еще встречается у бренда Westclox "Quartzmatic" выпущеной довльно обширным тиражом в 70тые годы. Классный калибр, такой у него характерный громкий (именно ГРОмкий) звучный звук щелчка 1 раз в секунду. Было 3-4 вариации дизайна, можно в раене 100$ периодически найти на аукционах и тп. У меня вот такие в коллекции есть, идут точно, очень нравятся. Еще один на пути из Англии в оригинальной коробке \ сохран со склада - вот жду.