שעון קוורץ

שעון קוורץ הוא שעון שבמנגנונו מתנד המבוסס על גביש קוורץ. גביש פיאזואלקטרי זה יוצר אות חשמלי בתדר מדויק ביותר, דבר ההופך שעוני קוורץ לשעונים מדויקים בהרבה משעונים טובים בעלי מנגנון מכני. בשעון קוורץ קיים בדרך כלל רכיב אלקטרוני ספרתי המונה את מחזורי האות החשמלי ומתרגמו לתצוגת השעה, ביחידות של שעה, דקה, ושנייה. בשלהי המאה ה-20 ובתחילת המאה ה-21 שעוני קוורץ הם השעונים הנפוצים ביותר בין שעוני הקיר, שעוני היד, במחשבים ובאביזרי חשמל אחרים שבהם קיים שעון.

עקרון פעולה

הקוורץ הוא תרכובת צורן דו-חמצני השייך לקבוצת המינרלים הסיליקטיים (SiO₄). בסיליקטים אטום הצורן מצוי במרכזה של פירמידה בעלת ארבעה קדקודים, בכל אחד מהם אטום חמצן. מבנה הגביש קרוי "טטרהדרון" (ביוונית - ארבעה מישורים). כאשר גביש של קוורץ נחתך כראוי ומורכב במעגל חשמלי של זרם חילופין, ניתן להפוך אותו למתנד. ניתן לתרגם כל תנודה באות החשמלי, בעזרת מעגל אלקטרוני מתאים. התדר שבו פועל הגביש כמתנד תלוי בצורתו, בגודלו ובמיקומן של האלקטרודות המוצמדות אליו. אם צורת הגביש מדויקת והוא ממוקם באופן נכון, פעילותו כמתנד תהיה בתדר הרצוי. בשעוני קיר ובשעוני יד התדר הוא בדרך כלל 32,768 הרץ, זאת כיוון שהגביש הדרוש ליצירת תדר זה הוא קטן יחסית. תדר זה הוא גם חזקה שלמה של 2 וניתן למנות את תנודותיו באמצעות מונה בינארי בעל 15 סיביות. מעת שהמעגל האלקטרוני מנה את מספר התנודות הקבוע בגביש, הוא מקדם את השעון בשנייה אחת.
לגביש הקוורץ יתרון נוסף שבזכותו הוא מתאים למנגנוני שעונים: הוא אינו משנה את צורתו באופן משמעותי כתוצאה משינויי טמפרטורה.

המנגנון

בשעוני קוורץ מודרניים צורת המתנד בו גביש הקוורץ היא כצורת קולן זעיר, המעוצב באמצעות קרן לייזר כדי שיפעל בתדר 32,768 הרץ.תדר זה נבחר כיוון שכך ניתן לתרגמו בקלות באמצעות מעגל אלקטרוני לתדר 1 הרץ הדרוש כדי להפעיל את זרוע השניות של השעון. ברוב מנגנוני שעון הקוורץ המתנד נמצא בקופסה זעירה שאורכה כ-4 מ"מ.

דיוק

מתנדי קוורץ מקובלים ישמרו לאורך זמן על מידת דיוק של כ-6 חלקים למיליון בטמפרטורה של כ-31 מעלות צלזיוס. כך, שעון יד בעל מנגנון קוורץ "ימהר" או "יאחר" בכחצי שנייה כל יום, כאשר יפעל בטמפרטורת הגוף. במידה ומנגנון שעון יד עשוי קוורץ יכוונן בהתאם לשידורי שעון אטומי, ניתן להתאימו לרמת דיוק בעלת סטיה של כ-10 שניות בשנה. בזכות רמת דיוק זו שעוני קוורץ הם בעלי רמת דיוק מספקת לצורך ניווט אסטרונומי.
חלק משעוני הקוורץ היוקרתיים מכילים מנגנון נוסף המפקח על מתנד הגביש ומגביר את רמת דיוק השעון. בחלק משעוני היוקרה קיים אף מנגנון ה"מפצה" על תנודות טמפרטורה כדי להגביר את מידת הדיוק.
בשעוני יד זולים יותר בעלי מנגנון קוורץ, המתנד מכוון לפעול בתדר מעט גבוה יותר, ואילו המעגל האלקטרוני מתוכנת לפסוח על מספר קטן של תנודות, בזמנים קבועים, למשל אחת ל-10 שניות, או אחת לדקה. היתרון בשיטה זו הוא שלאחר מניית התדר של כל מעגל, באמצעות מונה מדויק בבעת תהליך הייצור במפעל השעונים, אין צורך לשנות את צורת הגביש כדי להתאימו בדייקנות לתדר המבוקש, וניתן לפצות על סטיות בתדר באמצעות מעגל אלקטרוני.
בשעוני כרונומטר מנגנון השעון בנוי כך שגביש הקוורץ נתון בתנור שנועד לשמור על הגביש בטמפרטורה קבועה, המונעת שינויים בתדר. חלק משעוני הכרונומטר מכילים "חוות גבישים" כך שהמנגנון אינו נסמך על גביש קוורץ בודד, אלא מחשב ממוצע ממדידות הזמן המתקבלות ממספר גבישים.

היסטוריה

תכונת הפיאזואלקטריות של גביש הקוורץ התגלתה על ידי ז'ק ופייר קירי בשנת 1880. מתנד הקוורץ הראשון נבנה על ידי הפיזיקאי האמריקאי וולטר ג. קאדי בשנת 1921. בשנת 1923 יצרו הפיזיקאי הבריטי דייוויד דיי במעבדה הלאומית הבריטית לפיזיקה, וכן וורן מריסון ממעבדות בל, מנגנונים מוני זמן באמצעות מתנדי קוורץ. בשנת 1927 נבנה במעבדות בל שעון הקוורץ הראשון על ידי וורן מריסון וג'.וו. הורטון.
בשלושת העשורים שחלפו מאז פיתוח שעון הקוורץ הראשון הלכו והשתכללו מנגנוני שעוני הקוורץ. מנגנונים אלה נבנו עם שפופרות ריק בתנאי מעבדה, דבר שהגביל עד מאד את השימוש בהם באתרים אחרים. בין שנות ה-30 ושנות ה-60 של המאה ה-20 ביסס ה-National Institute of Standards and Technology את מדידותיו על שעוני קוורץ, זאת עד למעבר למדידות המבוססות על שעונים אטומיים.
השימוש בשעוני קוורץ על ידי הציבור הרחב התאפשר רק לאחר פיתוח טכנולוגיה זולה של אלקטרוניקה ספרתית המבוססת על מוליכים למחצה בשנות ה-60 של המאה ה-20.
אבטיפוסים ראשונים של שעוני יד בעלי מנגנון קוורץ נחשפו לראשונה בשנת 1967. אבטיפוס בשם בטא 1, נחשף על ידי חברת Centre Electronique Horloger (CEH) בנשאטל בשווייץ. ביפן חשפה חברת סייקו אבטיפוס בשם אסטרון. בחג המולד 1969 החלה בטוקיו מכירת שעון Astron SQ, היה זה שעון היד הראשון בעל מנגנון קוורץ שנמכר באופן מסחרי בעולם. דיוקו היחסי של השעון ומחירו הזול הפכו שעונים אלה ללהיט, ואת חברת סייקו ליצרן שעוני היד הגדול בעולם בשנות ה-70 של המאה ה-20. בשנות ה-80 הוחדרו שעונים מבוססי קוורץ לישומים רבים ומגוונים, בהם קוצבי זמן לתנורי מטבח, שעונים מעוררים, קוצבי זמן לכספות, נפצים מושהים לחומרי נפץ, ועוד.
בתחילת המאה ה-21 קיימת דרישה גבוהה לשעוני יד בעלי מנגנון קוורץ לעומת שעונים בעלי מנגנון מכני. לשעונים אלה יתרון בכך שאין צורך למתוח קפיץ להפעלת מנגנון מכני ותחזוקתם פשוטה. במהלך השנים פותחו אף שעוני יד בעלי מנגנון קוורץ אשר מקור המתח החשמלי בהם הוא מתא פוטו-וולטאי המפיק אנרגיה חשמלית מן האור, או בעלי מנגנון המפיק אנרגיה חשמלית מתנועות היד.