Механізми
Існує досить мало способів приводити в дію (джерел енергії) годинникові механізми наручних годинників: - механічні годинники (простий спосіб ручного заводу); - механічний годинник з автоподзаводом (автоматик); - кварцеві (електромеханічні, елемент живлення - батарейка), до кварцевих годинників також відносяться системи живлення «Кінетика» (Seiko), «Автокварц» (швейцарський годинник), «Еко-драйв» (Citizen), сонячний елемент. - Термочаси, що використовують як джерело енергії різницю температур (від 1 С).
Механічні годинники
Термін «годинниковий механізм» застосовується до повністю зібраного годинника без корпусу. Годинниковий механізм складається з: шестереночного механізму з двигуном у вигляді заводної пружини, і анкерного механізму, стримуючого розпускання пружини і контролюючого швидкість обертання шестерень. Якщо до годинникового механізму додати стрілки, то вони якраз будуть реєструвати швидкість обертання шестереночного механізму.
Основні вузли механічних годинників збираються на платині - нікель - сріблястій пластині, яка є основою годинникового механізму. Нікель - срібний сплав використовується в швейцарській годинниковій промисловості унаслідок своєї механічної міцності і довговічності. Крім отворів для кріплення осей шестерінок, платина має цілу серію проточек, западин і виступів, що підвищують її механічну міцність і дають можливість розмістити деталі годинникового механізму на порівняно малій площі. Протилежні кінці шестерінок кріпляться в отворах мостів - фасонних деталей, що закріплюються за допомогою гвинтів на платині. Застосування мостів полегшує збірку механізму і регулювання осьового люфту. Для позначення розміру, форми годинникового механізму і платин, до яких він кріпиться, використовується термін калібр (Caliber). У Швейцарії, на відміну від Росії, калібри механізму вказуються в лініях (Lignes). Одна лінія відповідає 2.255 мм.
Однією зі складових точності ходу годинника є зниження тертя. Такі частини годинникового механізму, як осі шестерінок, вісь балансу, вісь вилки і т.д., спираються на синтетичні рубінові камені, що представляють собою плоскі мініатюрні циліндри з воронками для утримання годинникового масла. Застосування в годиннику рубінових каменів обумовлене тим, що втрати на тертя передавальних пар повинні бути мінімальні. Цій вимозі задовольняє рубін, що має найменший коефіцієнт тертя в парі зі сталлю, ще більш знижується в процесі експлуатації. Початок використання рубінових каменів йде з 1700 року, коли почали використовуватися природні рубіни. Використання синтетичних каменів почалося в 1902 році, і сьогодні без них не обходиться жодне годинникове виробництво. В залежності від якості механізму зазвичай використовуються 7, 15, 17, 21 або 25 каменів. Зміна кінематичної схеми годинника і введення додаткових пристроїв веде до збільшення числа каменів, і в окремих випадках воно може досягати 68 і навіть 126 каменів (Calibre 89 Patek Philippe).
В якості джерела енергії що забезпечує роботу годинникового механізму, застосовується спіральна пружина, розташована в барабані із зубчастим краєм. При заведенні годинника, пружині передається згинальний момент, який при розкручуванні перетвориться в обертовий момент барабана, обертання якого приводить в рух весь годинниковий механізм. Недоліком пружинного двигуна є нерівномірність крутного моменту, що передається на баланс, що призводить до неточності ходу годинника. Найбільший обертальний момент має повністю заведена пружина, найменший - розкручена. Через таку нерівномірності крутного моменту виникає похибка в частоті коливань балансу. А різниця навіть в 10 коливань в добу дає розбіжність з точним часом в дві секунди. В особливо точних годинах - «Морських хронометрах» (Marine Chronometer), для компенсації різниці моменту пружини, застосовується пристрій, який називається равлик. Він являє собою конус, основою якого є головна шестерінка годинникового механізму, на який спірально навитий ланцюг. Один кінець ланцюга зачеплений за основу конуса, інший кінець - за зовнішню поверхню пружинного барабана. Коли пружина заведена і має максимальний момент, ланцюг намотаний на конус повністю, при цьому конус надає максимальний опір обертанню за рахунок сили тертя. У міру того, як пружина розгортається, момент пружини зменшується. Одночасно зі зменшенням моменту пружини зменшується і зусилля, потрібне для повороту конуса. Таким чином, при правильно розрахованому конусі, момент пружини буде постійно однаковий, що забезпечить високу точність ходу годинникового механізму. Для заводу наручного годинника також використовується механізм автоподзавода.
Класичний механізм складається з ротора (інерційного сектора), що обертається навколо центральної осі годинника, і реверсивного пристрою, що забезпечує перетворення двостороннього обертання ротора в одностороннє обертання валу пружинного барабана. При різних рухах зап'ястя руки, під дією сили тяжіння, ротор повертається навколо своєї осі, передаючи через зубчасту передачу обертання на вал заводнрї пружини, заводячи її. У такому годиннику пружинний барабан влаштований таким чином, що під час заводу пружини, при досягненні максимального моменту, пружина буде прослизати, запобігаючи поломці годинникового механізму. Для передачі енергії від пружини через шестереночний механізм до балансу, а також підтримання його коливань і керування швидкістю обертання шестереночного механізму, служить анкерний механізм. Анкерний механізм складається з анкерного колеса (шестерні), як правило, з 15 зубчиками, анкерної вилки, з впресованими в палети синтетичними рубінами, і балансу. Анкер періодично звільняє зубчату передачу і перетворює енергію пружини в імпульси, що передаються балансу для підтримки його коливань зі строго певним періодом, і перетворення цих коливань в рівномірне обертання шестереночного механізму. Вигнуті кінці анкерної вилки називаються паллетами. Їх дві - вхідна і вихідна. При підйомі вхідної паллети одночасно опускається вихідна, і анкерне колесо повертається на один зубець. Потім піднімається вихідна паллета і опускається вхідна, анкерне колесо повертається ще на один зубець і т.д. Під час підйому вхідної паллети, під дією анкера, баланс повертається на пів-обороту до обмежувача, при цьому власна пружина балансу згортається. Під час опускання вхідної паллети, під дією власної розгортаючої пружини, баланс здійснює рух у зворотний бік до другого обмежувача. Таким чином, баланс постійно здійснює строго обмежені напівколиваня, врівноважуючи тим самим хід годинникового механізму. Оскільки саме балансне колесо (баланс) являє собою подвійний маятник, то на точність його ходу, як і у випадку з простим маятником, роблять вплив температура, тертя і сила тяжіння Землі. Так як балансне колесо роблять з металу, то воно, як і всі метали, схильні розширенню і стиску під дією температури. Для мінімізації цього впливу колесо роблять біметалічним: з матеріалів з різним коефіцієнтом розширення, наприклад, сталі і цинку.
Для зменшення сили тертя кінці осі балансу (цапфи) роблять дуже тонкими, порядка 0.07-0.08 мм. Тому при необережному поводженні з годинником може відбутися поломка цапфи. З метою запобігання осі балансу від поломки, для кріплення балансу в платині і мості використовують протиударний механізм. У звичайній конструкції вузла балансу наскрізні камені, в яких знаходяться цапфи, жорстко запресовують в отвори платини і моста, а накладні камені - в отвори накладок, пригвинчених до площин платини і моста. Між каменями залишають зазори, що заповнюються при складанні вузла годиннковим маслом. У протиударному механізмі осі балансу запресовані в спеціальні рухомі опори. Рухома опора влаштована таким чином, що при осьовому ударі вісь балансу зміщуватиметься вгору до тих пір, поки широка частина осі балансу не упреться у вузький отвір наскрізного каменя, прийнявши на себе, таким чином, силу удару. При бічному ударі вісь балансу зміщуватиметься у бік до тих пір, поки не упреться своєю потовщеною частиною в стінку отвору опори. Таким чином, замість тонких цапф, всі навантаження приймають на себе потовщені частини осі балансу, оберігаючи перші від поломки і вигину. Для компенсації гравітації на анкерний механізм був винайдений турбійоний регулятор (турбійон).
Кварцеві годинники
Принципово всі кварцеві годинники схожі - кварцевий генератор видає синусоїдальний сигнал з високим ступенем стабілізації частоти, який надалі ділиться до частоти 1 Гц і посилений подається на обмотку крокового механізму, який рухає секундну стрілку або подається в процесор, який обробляє сигнал і подає на рідкокристалічний індикатор команди управління.
Особливості кварцу - висока стабільність частоти, практично не залежна від зовнішніх факторів, таких як температура, вологість, напруга живлення. Кристал кварцу володіє унікальними властивостями: при стисненні він породжує електричний імпульс, а при впливі електричного струму кварц стискається. І так кристал можна змусити стискатися і розтискати, тобто коливатися, під впливом електричного струму. Підбором розмірів кристала домагаються частоти резонансу 32.768 МГц.
З початком виробництва інтегральних мікросхем стало можливо використовувати ці властивості в годиннику, завдяки чому реалізувалася нинішня середня точність ходу кварцевого годинника + / - 15 секунд в місяць, а в спеціально спроектованих хронометрах - навіть 0.3 секунди на місяць. А якщо до цього ще додати простоту, надійність, довговічність і відсутність в механізмі кварцевого годинника деталей, які постійно знаходяться в напрузі, то цілком закономірно, що зараз кварцеві годинники є домінантою на годинниковому ринку. Тут можуть заперечити любителі швейцарської механіки, що, мовляв, кварцеві годинники - це не годинник зовсім, а стрілки або індикатор з батареєю, але годинник в першу чергу повинні показувати правильний час, а з цим кварцеві годинники справляються набагато краще швейцарської механіки (питання престижу, іміджу, дизайну, гармонії з навколишнім світом і т.п. зараз не зачіпаються, оскільки мова йде про системи постачання годинникового механізму енергією). Прийнята спочатку схема живлення - батарейка, до якої принципово зводяться всі інші способи живлення. У неї існує величезна перевага перед іншими схемами живлення - дешевизна елементів живлення і відносна простота їх заміни (безумовно, краще користуватися послугами фірмових сервіс-центрів або годинникових майстрів для заміни батарейок - в кінцевому рахунку, це обходиться дешевше).
Цей тип годинників з'явився в 70-ті роки 20-го століття і в перший час практично витіснив класичні годинники з ринку, багато фірм в той час розорилися. До того ж кварцеві годинники можна зробити вельми тонкими, зменшення ж товщини механічних годинників веде до їх істотного подорожчання і стикається з серйозними технічними труднощами.
Недолік кварцевих годинників - обмеженість терміну дії елемента живлення, в той час як механічні годинники можуть працювати вельми довго, а якщо ними не користуватися, - то досить декількох рухів - і вони знову на ходу. Тому виробники постійно шукають джерела «підживлення» для своїх годинників. В даний час існують різні способи підзарядки елемента живлення годинника: - зарядка генератора від механічного маятника (як у механічних годинниках з автопідзаводом) та перетворення механічної енергії в електричну за допомогою мініатюрного генератора. У цьому досягли успіху фірми Seiko (годинник серії Kinetic) і Swatch Group (механізм ETA Autoquartz, використовується в моделях Omega, Certina, Tissot і ін). - Підживлення енергією від джерел світла. Найбільших успіхів тут досягла фірма Citizen (серія годинників Eco-Drive) і деякі швейцарські та німецькі фірми. - Використання різниці температур - реалізовано фірмою Citizen у серії Eco-Drive Thermo, використовуючи різницю температур (достатньо різниці в 1 градус Цельсія). У годиннику типу «Eco-Drive» фірми Citizen сонячна енергія проходить через циферблат і потрапляє на майданчики сонячного елемента, який заряджає акумулятор, встановлений у годиннику.
У годиннику «Kinetic» фірми Seiko застосована більш складна схема зарядки акумулятора годинника. По суті Kinetic є гібридом між годинниками з «автоподзаводом» і простими кварцевим годинником. Той же груз, що і в автопідзаводному обертається при носінні годинника, але обертає він вже не механізм заводу пружини, а ротор генератора, який розвиває швидкість обертання до 2500 обертів за хвилину. Генератор вже перетворює струм генерації в струм зарядки і заряджає акумулятор. Переваги системи Eco-Drive у відсутності зайвих деталей, що рухаються, що підвищує термін служби годинника в цілому, а годинник типу Kinetic - одне з останніх слів в технології годинників. Системи Kinetic і Eco-Drive - по суті маленькі пересувні електростанції з досить хитрими механізмами, що вселяє в володаря таких механізмів почуття гордості за свій годинник.
Недоліки обох систем з використанням акумулятора - обмежений термін служби самого акумулятора - від 3 до 10 років, і його висока вартість (в 3-7 разів вище ніж у звичайної батареї). Час роботи годинника Eco-Drive без потрапляння сонячних променів на циферблат від 40 до 500 днів; годинник типу Kinetic без руху працюють від 2 днів до 6 місяців (дані згідно з паспортами).
Також досягненнями по застосуванню нестандартних джерел енергії в годинниках є термогодинники, вироблені фірмами Seiko і Citizen. Принцип роботи цих годинників схожий з Eco-Drive і Kinetic, тільки акумулятор заряджається від системи термопар, що використовують різницю температур на внутрішній (задній кришці) і зовнішньої (ранті) стороні годинника. Поки ці годинники досить громіздкі, важкі (близько 150-200 гр.) І дорогі (700-1500 дол США), але з часом ця технологія, безсумнівно, буде покращена і спрощена. Seiko Kinetic Auto Relay являє собою вдосконалену модель годинника Kinetic і має додаткові функції. Для годинників даної колекції, як і для будь-яких годинників серії Kinetic, не потрібна батарея, щоб забезпечити їх працездатність. Якщо годинник залишалися без руху протягом 3-х днів, стрілки перестануть рухатися, щоб зменшити споживання енергії, але вбудований інтегральний ланцюг продовжує відлічувати час аж до 4-ох років. Годинник «прокинеться», якщо його трохи потрясти, стрілки почнуть швидке обертання і встановлять точний час, після чого продовжать свій нормальний хід, але дату треба коригувати вручну.
