Kryształy kwarcowe decydują o dokładności zegarków. Ten minerał, zbudowany głównie z krzemionki, wykazuje unikalną właściwość zwaną piezoelektrycznością. Pod wpływem napięcia elektrycznego zmienia kształt, a mechaniczne ugięcie wytwarza impuls elektryczny. W zegarkach wykorzystuje się to do tworzenia stabilnych wibracji.
Rezonator kwarcowy przybiera formę cienkiej płytki wyciętej z kryształu. Montuje się go między elektrodami w obudowie próżniowej. Prąd stały z baterii przechodzi przez układ scalony, który nadaje impulsy startowe. Potem kryształ samoczynnie oscyluje z równomierną częstotliwością. Te drgania dzieli się na impulsy sterujące mechanizmem wskazań.
Proces cięcia i strojenia
Tworzenie rezonatora wymaga precyzyjnego cięcia kryształu. Najczęściej stosuje się orientację zwaną cięciem AT, gdzie oś optyczna jest pochylona względem powierzchni. Dzięki temu wibracje przebiegają w poprzek płytki, co zapewnia stabilność termiczną. Po wycięciu element szlifuje się i trawi w kwasie, by osiągnąć pożądaną grubość. Następnie sprawdza się jego parametry w komorze temperaturowej i koryguje poprzez nakładanie warstw metalu na elektrody.
Piezoelektryczność w praktyce
W zegarku kwarcowym oscylacje kwarcu sterują licznikiem dzielącym sygnał na sekundy. Mechanizm ten działa bez tarcia kół zębatych, jak w zegarach mechanicznych. Bateria zasila cały układ przez okresy liczone w latach. Kryształ pozostaje odporny na wstrząsy, wilgoć i zmiany pola magnetycznego, o ile obudowa jest szczelna.
Produkcja kryształów kwarcowych opiera się na metodzie hydrotermalnej. Roztwór wodny z krzemianami pod wysokim ciśnieniem i temperaturą krystalizuje w formy zbliżone do naturalnego kwarcu. Syntetyczne wersje przewyższają naturalne czystością i jednorodnością struktury. W zegarkach unika się zanieczyszczeń, bo nawet drobinki pyłu mogą zakłócić rezonans.
Wpływ warunków zewnętrznych
Temperatura wpływa na częstotliwość wibracji, lecz cięcie AT minimalizuje ten efekt. Starsze typy rezonatorów wykazywały większe zmiany, dlatego ewoluowały ku bardziej zaawansowanym cięciom. Ciśnienie atmosferyczne i przyspieszenie działają słabiej niż w mechanizmach sprężynowych. Regularna kalibracja podczas produkcji zapewnia spójność parametrów.
Konserwacja zegarka kwarcowego sprowadza się do wymiany baterii i czyszczenia uszczelek. Kryształ rzadko ulega awarii, chyba że dojdzie do mechanicznego uszkodzenia. W specjalistycznych zastosowaniach stosuje się termostabilizowane obudowy, lecz w codziennych zegarkach wystarcza standardowa konstrukcja.
Technologia kwarcowa zrewolucjonizowała pomiary czasu, czyniąc je dostępnymi i niezawodnymi. Bez kryształów zegarki traciłyby na precyzji w porównaniu do dawnych metod.