腕表课堂:什么是石英表?

  编辑:刘雨  时间:2011年9月25日   

  手表主要分为机械表、石英表,石英表的英文是quartz watch。 将石英晶体运用在钟表上是一种现代的发明。第一只石英表在1969年首度出现。在这一年,日本的精工公司发现了如何将石英制成音叉的方法。第一个进入生产石英手表是精工35平方天文学,...发布于1957年由汉密尔顿钟表公司的兰开斯特,宾夕法尼亚州。

石英表

  石英表如何运作

  和音叉会循某种规律振动一样,当石英晶体受到电池电力影响时,它也会产生规律的振动。

  石英晶体每秒的振动次数高达32768次,我们可以设计简易的电路来计算它振动的次数,当它数到32768次时,电路会传出讯息,让秒针往前走一秒。

  因为石英的振动相当规律,即使是便宜的石英表,一天之内的误差率也不会超过1秒。

  大量生产

  石英晶体的应用使得手表可以大量生产,不但生产速度比以前快很多,价格也随之下降。每年约可制造5亿只手表,足以供应全球使用。

  原理

  石英表也可叫做“水晶振动式电子表”,因为它是利用水晶片的“发振现象”。

  当水晶接受到外部的加力电压,就会有变形及伸缩的性质,相反,若压缩水晶,便会使水晶两端产生电力;这样的性质在很多结晶体上也可见到,称为“压电效果”。

  石英表就是利用周期性持续“发振”的水晶,为我们带来准确的时间。

  首先,将石英表内的水晶片上加电,水晶便会以32768赫兹的周波数,正确地振动;然后必须将此频率化成1Hz(电流一秒间的一次变化)的信号电流周波数。

  再增加些信号的幅度(由于因振动而产生的电流甚弱),跟着些信号电流再发动转子齿轮,表上的秒针便会随之发动。

  之后分针,时针的跳动则关乎于机械结构上的原理,如:秒针跳动60下,分针便会跳一下。

  所有石英表都装有一粒电池。它为一块集成电路和一个石英谐振器提供能量,每秒振动32768 次。还有比这更快的。集成电路是表的“大脑”。它控制着石英谐振器的振动,并起着分频器的作用。32768次振动被对半分割15次,以达到每秒产生一次脉冲。 有了一秒这个时间的“原材料”,就能驱动钟表。

石英表机芯

  元件结构

  一、CMOS集成电路

  石英表的集成电路,全名为互补型金属一氧化物一半导体集成电路(Complementary Metal oxide -Semiconductor)缩写成CMOS。它控制了电子表的所有功能。集成电路晶片面积约有10平方毫米,用金线或铝线点焊而接到电路板的引线上再加黑色封胶保护。这种集成电路的特点是集成度高,就是很小面积的硅片始容得下数千个晶体管,并且耗电极低。根据半导体过去质景的记录,在合理使用的情况下,集成电路损坏的机会很小,寿命应该是很长的。现在见到的电子表集成电路损坏,绝大部分都是由于使用时受外界(水汽、静电等)破坏引起。

  二、液晶显示器(Liquid Crystal DIsplay)

  一般认为物质只有固体、液体和气体三种状态。这种看法并不完全正确,特别是对某些有机物来说,由固体变为液体并不是简单的转变,而要经过一个相当复杂的转变过程。例如,有机物在16℃时熔化,76℃时变成完全澄清的液体。此时,一方面具有液体的流动性,同时又具有液晶体的性质,即晶体所具有的光学特性和晶体电学特性,因此它是介于固体和液体之间的一种中问敞态,故称液晶体。液晶体一般由樟状柱形对称分子。

  石英表显示屏三、石英振子

  石英,是一种氧化硅结晶体(Slicon Oxide)可分为人造晶体和天然晶体两种,由于天然晶体古柏杂质,所以电子表一般采用人造晶体。石英有这样的特点;当在晶体上施加电气时,晶体便产生机械变形,当在晶体上施加压力时,它便变形产生电气。这种现象叫做石英的压电效应。因它具有这种特性而且振荡频率高而稳定,所以,被视为理想的振荡器件而应用于电子表中。由于采用了石英晶体振荡子代替摆轮,使得电子表比机械表的走时精度提高了千百倍。

  四、微调电容

  微调电容与石英振子等组成电子手表的振荡电路,调节此电容的容量可以改变振荡频率,以达到标准的32768Hz。微调电容无论微调电容还是振荡电容,容量越小,频率越高。说明,假定开始时动片与定片金属部分刚好对正,即0。这时电容量最大(3 5PF),而频率最低。相对角度改变到某一点时,频率刚好为32768H正点,再到到最小电容5PF,这时频率相对亦为最高,这样循环改变,在实际调整时,变化当然不一定如理想曲线,但只要它出现有32768H.的调正点,使可达到调校的目的。

  五、升压,稳压与振荡电容

  升压、稳压与振荡电容部是陶瓷小电容,陶瓷介质与银一钯电极层 迭合而成电容。瑞士手表用于升压与稳压的电容,其数值因CMOS同而使用0.2uf,0.0147uf或0.1uf的电表。振荡电容又名补偿电容,因不同的振子负荷电容而使用不同数值。负荷电容CL为10.5PF的振子;振荡电容为18PF,CL为12.5PFe的振子,振荡电容虚选27PF。有些CMOS品片上已有内接振荡电容,只要选取合适振子,便不用外加振荡电容。

  石英表的优缺点

  石英是一种氧化物,成分为二氧化硅(SiO2),石英置于震荡电路里会震动,在特定的条件下,它会将其自身的频率传递到电路中,若将这种特性应用于石英机芯,透过石英震荡器可将电能转变为动利用机械化设备大量生产电路板,再配以电阻及电容,即可完成其机芯,再装上表壳、玻璃及表带,一只石英表即粗略的组装完成,它的好处是准确、重量轻及保养较容易;缺点是:一般石英电池寿命只有一两年,常需更换,再者是利用石英振荡的手表,常使用了五~八年后石英振荡会衰退,相对的准确度会降低,此时便需换装,但由于现代工业的发达,人工费用高涨,用人工来换装众多细小的零件太不符合成本,所以石英表若出现大故障,通常原厂皆会要求直接换一个新的机芯。

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