ساعة كوارتز

ساعة كوارتز تناظرية أساسية

ساعة يد كوارتز عصرية

ساعات الكوارتز هي أجهزة قياس الوقت تستخدم مذبذبًا إلكترونيًا يُضبط بواسطة بلورة كوارتز . يُولّد هذا المذبذب ، الذي يتحكم فيه اهتزازات بلورة الكوارتز الميكانيكية ، إشارة بتردد دقيق للغاية ، مما يجعل ساعات الكوارتز أكثر دقة من الساعات الميكانيكية بعشرة أضعاف على الأقل . عادةً، تقوم دائرة منطقية رقمية بحساب دورات هذه الإشارة وعرض الوقت رقميًا ، عادةً بوحدات الساعات والدقائق والثواني .

مع ظهور الإلكترونيات الرقمية ذات الحالة الصلبة في الثمانينيات مما سمح بتصنيعها بشكل أكثر إحكاما وأقل تكلفة، أصبحت أجهزة ضبط الوقت الكوارتزية هي تقنية ضبط الوقت الأكثر استخدامًا في العالم، حيث تستخدم في معظم الساعات، بالإضافة إلى أجهزة الكمبيوتر والأجهزة الأخرى التي تحافظ على الوقت.

كيميائيًا، الكوارتز هو شكل محدد من مركب يُسمى ثاني أكسيد السيليكون . يمكن تشكيل العديد من المواد على هيئة صفائح رنانة . مع ذلك، يُعد الكوارتز أيضًا مادة كهرضغطية : أي أنه عندما يتعرض بلور الكوارتز لإجهاد ميكانيكي، كالانحناء، فإنه يُراكم شحنة كهربائية عبر بعض مستوياته. وفي المقابل، إذا وُضعت شحنات عبر مستوى البلورة، فإن بلورات الكوارتز تنحني. وبما أن الكوارتز يُمكن تحريكه مباشرةً (لينحني) بواسطة إشارة كهربائية، فلا حاجة إلى محول طاقة إضافي لاستخدامه في الرنان . تُستخدم بلورات مشابهة في خراطيش الفونوغراف منخفضة الجودة : إذ تُحرك الإبرة (القلم) بلورة الكوارتز، مما يُنتج جهدًا كهربائيًا صغيرًا، يتم تضخيمه وتشغيله عبر مكبرات الصوت. لا تزال ميكروفونات الكوارتز متوفرة، وإن لم تكن شائعة.

يتميز الكوارتز بميزة إضافية تتمثل في ثبات حجمه مع تغيرات درجة الحرارة . ويُستخدم الكوارتز المصهور غالبًا في المعدات المختبرية التي يجب ألا يتغير شكلها بتغير درجة الحرارة. وبالتالي، فإن تردد رنين صفيحة الكوارتز، بناءً على حجمها، لا يرتفع أو ينخفض ​​بشكل ملحوظ. وبالمثل، نظرًا لأن رنانها لا يتغير شكله، فإن ساعة الكوارتز تحافظ على دقتها النسبية مع تغير درجة الحرارة.

في أوائل القرن العشرين، سعى مهندسو الراديو إلى إيجاد مصدر دقيق ومستقر للترددات الراديوية، وبدأوا في البداية باستخدام رنانات فولاذية. إلا أنه عندما اكتشف والتر جايتون كادي في أوائل عشرينيات القرن الماضي أن الكوارتز قادر على الرنين باستخدام معدات أقل وبثبات حراري أفضل، اختفت الرنانات الفولاذية في غضون سنوات قليلة. لاحقًا، اكتشف علماء في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (الذي كان يُعرف آنذاك بالمكتب الوطني الأمريكي للمعايير) أن المذبذب البلوري قد يكون أكثر دقة من ساعة البندول .

الدائرة الإلكترونية عبارة عن مذبذب ، وهو مضخم يمر خرجه عبر رنان كوارتز. يعمل الرنان كمرشح إلكتروني ، حيث يزيل جميع الترددات باستثناء التردد المطلوب. يُعاد تغذية خرج الرنان إلى مدخل المضخم، ويضمن الرنان أن يعمل المذبذب بالتردد المطلوب بدقة. عند تشغيل الدائرة، يمكن لنبضة واحدة من ضوضاء الطلقة (الموجودة دائمًا في الدوائر الإلكترونية) أن تتوالى لتُحفز المذبذب على التذبذب بالتردد المطلوب. لو كان المضخم خاليًا تمامًا من الضوضاء، لما بدأ المذبذب بالعمل.

يعتمد تردد تذبذب البلورة على شكلها وحجمها ومستوى قطع الكوارتز. كما أن مواضع الأقطاب الكهربائية قد تُغير التردد قليلاً. إذا تم تشكيل البلورة ووضعها بدقة، فإنها ستتذبذب بتردد مُحدد. في جميع ساعات الكوارتز تقريبًا، يكون التردد32768 هرتز ،  ^{[ 1} ] ويتم قطع البلورة على شكل شوكة رنانة صغيرة على مستوى بلوري معين. ^{[ 2 ]} هذا التردد هو قوة للعدد اثنين ⁽32768 = ^{215 )} ، وهو مستوى عالٍ بما يكفي لتجاوز نطاق السمع البشري ، ولكنه منخفض بما يكفي للحفاظ على استهلاك الطاقة الكهربائية والتكلفة والحجم عند مستوى معقول، وللسماح للعدادات غير المكلفة باستخلاص نبضة مدتها ثانية واحدة. ^{[ 3 ]} يكون خرج خط البيانات من رنان الكوارتز هذا عاليًا ومنخفضًا.32768 مرة في الثانية. تُغذّى هذه الإشارة إلى قلاب (وهو عبارة عن ترانزستورين موصولين ببعضهما) يتغير من حالة منخفضة إلى حالة عالية، أو العكس، كلما تغير خط الإشارة من البلورة من حالة عالية إلى حالة منخفضة. يُغذّى خرج هذا القلاب إلى قلاب ثانٍ، وهكذا عبر سلسلة من 15 قلابًا، يعمل كل منها كمقسم تردد فعال من خلال قسمة تردد إشارة الدخل على 2. والنتيجة هي عداد رقمي ثنائي 15 بت يعمل بالتردد، ويحدث تجاوز في طاقته مرة واحدة في الثانية، مما يُنتج نبضة رقمية مرة واحدة في الثانية. يمكن استخدام خرج النبضة في الثانية لتشغيل أنواع عديدة من الساعات. في ساعات الكوارتز التناظرية وساعات اليد، يُنقل خرج النبضة الكهربائية في الثانية دائمًا تقريبًا إلى محرك خطوي من نوع لافيت، الذي يحول نبضات الدخل الإلكترونية من وحدة عد القلابات إلى خرج ميكانيكي يُستخدم لتحريك العقارب.

من الممكن أيضاً أن تتذبذب بلورة الكوارتز في ساعات الكوارتز بتردد أعلى من32768 (= 2.15 ⁾ هرتز (حركات كوارتز عالية التردد ^{[ 4 ]} ) و / أو توليد نبضات رقمية أكثر من مرة في الثانية، لتحريك عقرب الثواني بمحرك متدرج بقوة أعلى من مرة واحدة في الثانية ^{[ 5 ]،} ولكن يزداد استهلاك الطاقة الكهربائية (استنزاف البطارية) لأن ترددات التذبذب العالية وأي تشغيل للمحرك المتدرج يستهلك طاقة، مما يجعل حركات ساعات الكوارتز الصغيرة التي تعمل بالبطارية نادرة نسبيًا. تتميز بعض ساعات الكوارتز التناظرية بعقرب ثوانٍ مركزي يتحرك بواسطة محرك كهربائي يعمل بالبطارية أو التيار الكهربائي، مما يؤدي غالبًا إلى تقليل الضوضاء الميكانيكية الناتجة.

في ساعات الكوارتز الحديثة ذات الجودة القياسية، يتم قطع رنان أو مذبذب بلورة الكوارتز على شكل شوكة رنانة صغيرة ( قطع XY )، أو يتم تشذيبه بالليزر أو صقله بدقة ليهتز عند32768 هرتز  . هذا التردد يساوي 2 ^ ¹⁵ دورة في الثانية. تم اختيار قوة للعدد 2 حتى تتمكن سلسلة بسيطة من مراحل القسمة الرقمية على 2 من اشتقاق يلزم إشارة بتردد 1 هرتز لتحريك عقرب الثواني في الساعة. في معظم الساعات، يوجد الرنان في غلاف أسطواني صغير أو مسطح، يبلغ طوله حوالي 4 إلى 6 ملم (0.16 إلى 0.24 بوصة) . ^{[ 6 ]}   أصبح الرنان بتردد 32768 هرتز شائعًا جدًا بسبب حل وسط بين الحجم المادي الكبير للبلورات منخفضة التردد للساعات واستهلاك التيار الأكبر للبلورات عالية التردد ، مما يقلل من عمر بطارية الساعة .

الصيغة الأساسية لحساب التردد الأساسي${\displaystyle f}$اهتزاز الكابولي كدالة لأبعاده (المقطع العرضي التربيعي) هو ^{[ 7 ]}

${\displaystyle f={\frac {1.875104^{2}}{2\pi }}{\frac {a}{l^{2}}}{\sqrt {\frac {E}{12\rho }}},}$

أين

${\displaystyle 1.875104}$(بعد التقريب) هو أصغر حل موجب للمعادلة${\displaystyle \cos(x)\cosh(x)=-1}$; ^{[ 8 ]}

${\displaystyle l}$هو طول الناتئ؛

${\displaystyle a}$سمكها على طول اتجاه الحركة؛

${\displaystyle E}$وهو معامل يونغ الخاص به ؛ و

${\displaystyle \rho }$كثافتها .​

ناتئ مصنوع من الكوارتز (${\displaystyle E}$= 10 ¹¹ نيوتن /م ²  = 100 جيجا باسكال = 15 مليون رطل لكل بوصة مربعة ؛     ${\displaystyle \rho }$= 2.625 جم/سم³ ⁼ 0.0948 رطل /بوصة مكعبة ^{[ 9 ]} )، بطول 3 مم (0.12 بوصة) وسماكة 0.3 مم (0.012 بوصة) ، وبالتالي فإن ترددها الأساسي يبلغ حوالي        33  كيلوهرتز . تم ضبط البلورة على 2.15 ^بالضبط = 32768 هرتز  ، أو يعمل بتردد أعلى قليلاً مع تعويض التثبيط (انظر أدناه).

يتميز الرنان الكوارتزي ودائرة تشغيله باستقرار نسبي أفضل بكثير من دقته المطلقة. جودة قياسية تضمن رنانات 32768 هرتز من هذا النوع دقة طويلة الأمد تبلغ حوالي ستة أجزاء في المليون (0.0006٪) عند 31 درجة مئوية ( 87.8 درجة فهرنهايت) : أي أن ساعة الكوارتز النموذجية أو ساعة اليد ستكسب أو تخسر 15 ثانية كل 30 يومًا (ضمن نطاق درجة حرارة طبيعي من 5 إلى 35 درجة مئوية أو من 41 إلى 95 درجة فهرنهايت ) أو أقل من نصف ثانية انحراف الساعة يوميًا عند ارتدائها بالقرب من الجسم.    

تحسين الدقة

تتميز بعض تصميمات الحركة بخصائص تعزز الدقة أو تقوم بالمعايرة الذاتية والتنظيم الذاتي. بمعنى آخر، بدلاً من مجرد عدّ الاهتزازات، يقوم برنامج الكمبيوتر الخاص بها بأخذ العدد البسيط وتعديله باستخدام نسبة محسوبة بين وقت محدد في المصنع وآخر وقت تم فيه ضبط الساعة. كما أن الساعات التي يتم ضبطها أحيانًا بواسطة مراكز الخدمة بمساعدة مؤقت دقيق ووحدة ضبط بعد خروجها من المصنع، تصبح أكثر دقة مع مرور الوقت ، حيث يتم تعويض تأثيرات التقادم غير المتوقعة بشكل مناسب.

تتميز حركات الكوارتز ذاتية التشغيل عالية الدقة، حتى في ساعات اليد ، بدقة تصل إلى ±1 إلى ±25 ثانية في السنة ، ويمكن اعتمادها واستخدامها ككرونومترات بحرية لتحديد خط الطول ( موقع نقطة على سطح الأرض شرقًا وغربًا ) باستخدام الملاحة الفلكية . عندما يكون الوقت عند خط غرينتش (أو أي نقطة بداية أخرى) معروفًا بدقة كافية، يمكن للملاحة الفلكية تحديد خط الطول، وكلما زادت دقة معرفة الوقت، زادت دقة تحديد خط العرض. عند خط عرض 45 درجة، تعادل ثانية واحدة من الوقت في خط الطول 1077.8 قدمًا (328.51 مترًا ) ، أو أن عُشر الثانية يعادل 107.8 قدمًا (32.86 مترًا) . ^{[ 12 ]}    

مكثف آلة تشذيب الشعر

بغض النظر عن دقة المذبذب، قد تحتوي حركة ساعة الكوارتز التناظرية أو الرقمية على مكثف ضبط . توجد هذه المكثفات عادةً في ساعات الكوارتز القديمة، وحتى في العديد من الساعات الرخيصة. يعمل مكثف الضبط، أو المكثف المتغير، على تغيير التردد الصادر من مذبذب بلورة الكوارتز عند تغيير سعته. ^{[ 13 ]} تبقى مقسمات التردد ثابتة، لذا يمكن استخدام مكثف الضبط لضبط النبضات الكهربائية في الثانية (أو أي فاصل زمني آخر مطلوب). يبدو مكثف الضبط كبرغي صغير موصول بلوحة الدائرة. عادةً، يؤدي تدوير البرغي في اتجاه عقارب الساعة إلى تسريع الحركة، بينما يؤدي تدويره عكس اتجاه عقارب الساعة إلى إبطائها بمقدار ثانية واحدة تقريبًا في اليوم لكل سدس دورة من البرغي. تتميز بعض تصميمات حركات الكوارتز الحديثة بمكثف ضبط ميكانيكي ، وتعتمد بشكل عام على طرق تصحيح رقمية.

التعويض الحراري

ساعات كوارتز محسّنة الدقة

ساعة أوميغا البحرية ذات  الرنان الكوارتزي عالي التردد بتردد 4.19 ميجاهرتز ، والتي توفر دقة أفضل من ± 5 ثوانٍ في السنة، صادرة عن البحرية الفرنسية.

ساعة كرونوغراف تناظرية-رقمية من سيتيزن مزودة باستقبال إشارة التوقيت الراديوي لأربع مناطق (أمريكا الشمالية، أوروبا، الصين، اليابان) ومزامنة يتم التحكم فيها لاسلكيًا

من الممكن لحركة كوارتز محوسبة عالية الدقة قياس درجة حرارتها وتعديلها تلقائيًا. ولتحقيق ذلك، تقيس الحركة درجة حرارة البلورة تلقائيًا من بضع مئات إلى بضعة آلاف من المرات يوميًا، وتعوض ذلك بانحراف محسوب صغير. وقد استُخدم كل من التعويض الحراري التناظري والرقمي في ساعات الكوارتز الفاخرة. في ساعات الكوارتز الفاخرة باهظة الثمن، يُمكن تطبيق التعويض الحراري عن طريق تغيير عدد دورات التثبيط بناءً على قراءة مستشعر درجة الحرارة. يبلغ متوسط ​​المعدل اليومي المعتمد من قبل COSC لساعات الكوارتز المعتمدة رسميًا ±25.55 ثانية سنويًا عند 23 درجة مئوية أو 73 درجة فهرنهايت . للحصول على علامة COSC لساعات الكوارتز، يجب أن تتمتع الساعة بخاصية التعويض الحراري والتغليف المحكم. تُختبر كل ساعة كوارتز لمدة 13 يومًا، في وضع واحد، عند 3 درجات حرارة مختلفة و4 مستويات رطوبة نسبية مختلفة. ^{[ 14 ]} حوالي 0.2% فقط من ساعات الكوارتز السويسرية الصنع حاصلة على شهادة الكرونومتر من COSC. ^{[ 15 ]} يمكن استخدام هذه الحركات الحاصلة على شهادة الكرونومتر من COSC ككرونومترات بحرية لتحديد خط الطول عن طريق الملاحة الفلكية. ^{[ 16 ] [ 17 ]}  

طرق إضافية لتحسين الدقة

في عام 2019، أصبح محرك ساعة كوارتز عالي الدقة يعمل بالطاقة الضوئية ، ومتاحًا تجاريًا، ويُزعم أن دقته تصل إلى ± ثانية واحدة في السنة. ^{[ 18 ] [ 19 ]} من العناصر الأساسية لتحقيق هذه الدقة العالية المزعومة استخدام بلورة كوارتز ذات شكل غير عادي (بالنسبة للساعات) ( قطع AT ) تعمل بتردد ^2.23 أوتردد 8388608 هرتز ، والتعويض الحراري ، والاختيار اليدوي  ^{للبلورات} المعالجة مسبقًا. ^[ 20 ^] تسمح اختلافات القطع AT بتحمل درجات حرارة أكبر، وتحديدًا في نطاق من -40 إلى 125 درجة مئوية (-40 إلى 257 درجة فهرنهايت) ، حيث تُظهر انحرافات أقل ناتجة عن تغيرات التوجيه بفعل الجاذبية. ونتيجة لذلك، تصبح الأخطاء الناتجة عن التوجيه المكاني والموقع أقل أهمية. ^{[ 21 ] [ 22 ]}  

تعويض التثبيط

تستخدم العديد من ساعات الكوارتز الرخيصة تقنية معايرة وتعويض تُعرف باسم تعويض التثبيط . ^{[ 1 ]} يُصنع البلور عمدًا ليعمل بسرعة أكبر قليلًا. بعد التصنيع، تُعاير كل وحدة مقابل ساعة دقيقة في المصنع، وتُضبط للحفاظ على دقة الوقت من خلال برمجة المنطق الرقمي لتخطي عدد قليل من دورات البلور على فترات منتظمة، مثل 10 ثوانٍ أو دقيقة واحدة. بالنسبة لحركة الكوارتز النموذجية، يسمح هذا بإجراء تعديلات مُبرمجة بزيادات قدرها 7.91 ثانية لكل 30 يومًا لفترات 10 ثوانٍ (على بوابة قياس 10 ثوانٍ)، أو تعديلات مُبرمجة بزيادات قدرها 1.32 ثانية لكل 30 يومًا لفترات 60 ثانية (على بوابة قياس 60 ثانية). ميزة هذه الطريقة هي أن استخدام البرمجة الرقمية لتخزين عدد النبضات المراد تثبيطها في سجل ذاكرة غير متطاير على الشريحة أقل تكلفة من التقنية القديمة لضبط تردد شوكة رنين الكوارتز. يمكن تنظيم منطق التثبيط والتعويض لبعض حركات الكوارتز بواسطة مراكز الخدمة بمساعدة مؤقت دقيق احترافي ومحطة ضبط بعد مغادرة المصنع، على الرغم من أن العديد من حركات ساعات الكوارتز غير المكلفة لا توفر هذه الوظيفة.

تصحيح إشارة التوقيت الخارجي

إذا تم "معايرة" حركة الكوارتز يوميًا بقياس خصائص ضبط الوقت الخاصة بها مقابل إشارة توقيت لاسلكية أو إشارة توقيت فضائية ، لتحديد مقدار الوقت الذي كسبته أو خسرته الحركة بين استقبال إشارات التوقيت، وتم إجراء تعديلات على الدوائر الإلكترونية "لتنظيم" ضبط الوقت، فسيكون الوقت المصحح دقيقًا في حدود ±1 ثانية في السنة. وهذا أكثر من كافٍ لتحديد خط الطول عن طريق الملاحة الفلكية . تصبح حركات الكوارتز هذه أقل دقة بمرور الوقت عندما لا يتم استقبال أي إشارة توقيت خارجية بنجاح ومعالجتها داخليًا لضبط أو مزامنة وقتها تلقائيًا، وبدون هذا التعويض الخارجي، تعتمد عمومًا على ضبط الوقت الذاتي. وقد نشر المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا (NIST) إرشادات توصي بأن تحافظ هذه الحركات على الوقت بين عمليات المزامنة في حدود ±0.5 ثانية للحفاظ على دقة الوقت عند تقريبه إلى أقرب ثانية. ^{[ 23 ]} يمكن لبعض هذه الحركات الحفاظ على الوقت بين عمليات المزامنة في حدود ±0.2 ثانية عن طريق المزامنة أكثر من مرة موزعة على مدار اليوم. ^{[ 24 ]}

تُصنّع بلورات الكوارتز المستخدمة في الساعات في بيئة فائقة النظافة، ثم تُحفظ في حاويات محكمة الإغلاق تحت فراغ فائق. ورغم هذه الإجراءات، قد يتغير تردد بلورة الكوارتز ببطء مع مرور الوقت. إلا أن تأثير التقادم أقل بكثير من تأثير تغير التردد الناتج عن تغيرات درجة الحرارة، ويمكن للمصنّعين تقدير هذا التأثير. عمومًا، يؤدي التقادم في النهاية إلى انخفاض تردد البلورة، ولكنه قد يزيده أيضًا. ^{[ 25 ]}

تشمل العوامل التي قد تُسبب انحرافًا طفيفًا في التردد مع مرور الوقت: تخفيف الإجهاد في هيكل التثبيت، وفقدان الإحكام التام، وتلوث الشبكة البلورية ، وامتصاص الرطوبة، والتغيرات في بلورة الكوارتز أو على سطحها، والصدمات والاهتزازات الشديدة، والتعرض لدرجات حرارة عالية جدًا. ^{[ 26 ]} يميل تقادم البلورات إلى أن يكون لوغاريتميًا ، أي أن أقصى معدل لتغير التردد يحدث مباشرة بعد التصنيع ثم يتناقص بعد ذلك. يحدث معظم التقادم خلال السنة الأولى من عمر البلورة. تتوقف البلورات عن التقادم في النهاية ( بشكل تقاربي )، ولكن قد يستغرق ذلك سنوات عديدة. يمكن لمصنعي آليات الساعات تعريض البلورات للتقادم المسبق قبل تجميعها في آليات الساعات. ولتسريع عملية التقادم، تُعرَّض البلورات لدرجات حرارة عالية. ^{[ 27 ]} إذا خضعت البلورة للتقادم المسبق، يمكن للمصنِّع قياس معدلات تقادمها (بدقة، المعاملات في معادلة التقادم) وجعل وحدة تحكم دقيقة تحسب التصحيحات بمرور الوقت. ستبقى المعايرة الأولية للآلية دقيقة لفترة أطول إذا خضعت البلورات للتقادم المسبق. ستنتهي هذه الميزة بعد عملية ضبط لاحقة تُعيد ضبط أي خطأ تراكمي ناتج عن التقادم إلى الصفر. ومن أسباب دقة الحركات الأغلى ثمناً أن البلورات تُخضع لعملية تقادم مسبقة أطول وتُختار بعناية لتحسين أدائها مع مرور الوقت. وفي بعض الأحيان، تُختار البلورات المُعتقة مسبقاً يدوياً لتحسين أداء الحركة. ^{[ 28 ]}

غالباً ما تتضمن ساعات الكرونومتر الكوارتزية المصممة كمعايير زمنية فرنًا كريستاليًا للحفاظ على درجة حرارة الكريستال ثابتة. بعضها يُضبط ذاتيًا ويحتوي على "مزارع كريستالية" بحيث يمكن للساعة حساب متوسط ​​مجموعة من قياسات الوقت.

قد تتأثر محركات الخطوة من نوع لافيت، المستخدمة في حركات ساعات الكوارتز التناظرية والتي تعمل بدورها بواسطة مجال مغناطيسي (يولده الملف)، بمصادر مغناطيسية خارجية (قريبة) ، مما قد يؤثر على خرج ترس الدوار . ونتيجة لذلك، قد يتوقف الخرج الميكانيكي لحركات ساعات الكوارتز التناظرية مؤقتًا، أو يتقدم أو يتراجع، مما يؤثر سلبًا على دقة ضبط الوقت. ولأن قوة المجال المغناطيسي تتناقص دائمًا تقريبًا مع المسافة، فإن إبعاد حركة ساعة الكوارتز التناظرية عن مصدر مغناطيسي خارجي متداخل يؤدي عادةً إلى استئناف الخرج الميكانيكي الصحيح. تحتوي بعض أجهزة اختبار ساعات الكوارتز على وظيفة المجال المغناطيسي لاختبار قدرة محرك الخطوة على توفير خرج ميكانيكي، وتسمح بتروس الساعة وعقاربها بالدوران بسرعة فائقة عمدًا لإزالة أي احتكاك طفيف. بشكل عام، لا يؤثر المجال المغناطيسي الذي نتعرض له في الحياة اليومية على حركات ساعات الكوارتز الرقمية لعدم وجود محركات خطوة فيها. ^{[ 29 ]} يمكن لمصادر مغناطيسية قوية، مثل مغناطيسات التصوير بالرنين المغناطيسي، أن تُلحق الضرر بحركات ساعات الكوارتز. ^{[ 30 ]}

ساعات الكوارتز المبكرة للمستهلكين

أول ساعة كوارتز أوروبية للمستهلكين "أستروكرون"، جونغانس ، شرامبرغ، 1967

أول حركة ساعة يد كوارتز، عيار 35A، سيكو، اليابان، 1969

اكتشف جاك كوري وبيير كوري الخصائص الكهروضغطية للكوارتز عام 1880. واختُرع مذبذب الأنبوب المفرغ عام 1912. ^{[ 31 ]} واستخدم الفيزيائي البريطاني ويليام إيكلز مذبذبًا كهربائيًا لأول مرة للحفاظ على حركة شوكة رنانة عام 1919؛ ^{[ 32 ]} وقد أدى إنجازه إلى إزالة جزء كبير من التخميد المرتبط بالأجهزة الميكانيكية وزيادة استقرار تردد الاهتزاز إلى أقصى حد. ^{[ 32 ]} وبنى والتر جي. كادي أول مذبذب بلوري كوارتز عام 1921. وفي عام 1923، أنتج دي دبليو داي في المختبر الفيزيائي الوطني في المملكة المتحدة ووارن ماريسون في مختبرات بيل للهاتف سلاسل من إشارات زمنية دقيقة باستخدام مذبذبات الكوارتز.

في أكتوبر 1927، وصف جوزيف دبليو هورتون ووارن أ. ماريسون أول ساعة كوارتز وقاما ببنائها في مختبرات بيل للهواتف . ^{[ 33 ] [ أ ] [ 35 ] [ 36 ]} استخدمت ساعة 1927 كتلة من الكريستال، يتم تحفيزها بالكهرباء، لإنتاج نبضات بتردد 50,000 دورة في الثانية. ^{[ 37 ]} ثم قام مولد تردد فرعي مُتحكم به بتقسيم هذا التردد إلى نبضة منتظمة قابلة للاستخدام، والتي بدورها شغّلت محركًا متزامنًا . ^{[ 37 ]}

شهدت العقود الثلاثة التالية تطور ساعات الكوارتز كمعايير زمنية دقيقة في المختبرات؛ إلا أن الإلكترونيات الدقيقة الضخمة المستخدمة في العد، والمبنية على أنابيب مفرغة ، حدّت من استخدامها في أماكن أخرى. في عام 1932، تمكنت ساعة كوارتز من قياس تغيرات طفيفة في معدل دوران الأرض على مدى فترات قصيرة تصل إلى بضعة أسابيع. ^{[ 38 ]} في اليابان عام 1932، طور إسحاق كوجا بلورة مقطوعة أعطت تردد تذبذب بتأثر أقل بكثير بدرجة الحرارة. ^{[ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]} اعتمد المكتب الوطني للمعايير ( المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا حاليًا ) معيار الوقت في الولايات المتحدة على ساعات الكوارتز بين ثلاثينيات وستينيات القرن العشرين، ثم انتقل بعد ذلك إلى الساعات الذرية ، ^{[ 42 ]} التي تعتمد على نفس الآلية التي يستخدمها النظام الدولي للوحدات (SI) لتحديد الثانية. في عام 1953، طرحت لونجين أول حركة كوارتز. ^{[ 43 ]} لم ينتشر استخدام تقنية ساعات الكوارتز على نطاق واسع إلا بعد تطوير منطق رقمي شبه موصل رخيص في ستينيات القرن العشرين. وذكرت الطبعة الرابعة عشرة المنقحة من موسوعة بريتانيكا عام 1929 أن ساعات الكوارتز ربما لن تكون في متناول الجميع للاستخدام المنزلي.

وقد أدى استقرارها الفيزيائي والكيميائي المتأصل ودقتها إلى انتشارها اللاحق، ومنذ أربعينيات القرن العشرين شكلت الأساس لقياسات دقيقة للوقت والتردد في جميع أنحاء العالم. ^{[ 44 ]}

شهد تطوير ساعات الكوارتز للسوق الاستهلاكية خلال ستينيات القرن العشرين. وكان من أوائل النجاحات ساعة كوارتز محمولة تُدعى " سيكو كريستال كرونومتر QC-951" . استُخدمت هذه الساعة المحمولة كمؤقت احتياطي لسباقات الماراثون في دورة الألعاب الأولمبية الصيفية لعام 1964 في طوكيو. ^{[ 45 ]} وفي عام 1966، كشفت شركتا سيكو ولونجين عن نماذج أولية لأول ساعة جيب كوارتز في العالم في مسابقة مرصد نوشاتيل لعام 1966. ^{[ 46 ]} وفي عام 1967، قدّم كل من مركز علم الفلك والهيدرولوجيا (CEH) وشركة سيكو نماذج أولية لساعات يد كوارتز في مسابقة مرصد نوشاتيل. ^{[ 45 ] [ 47 ]} كُشف النقاب عن أول نموذج أولي لساعات اليد الكوارتز التناظرية في العالم عام 1967: ساعة بيتا 1 التي كشف عنها مركز الإلكترونيات والساعات (CEH) في نوشاتيل، سويسرا، ^{[ 48 ] [ 49 ]} ونموذج أسترون الأولي الذي كشفت عنه شركة سيكو في اليابان (كانت سيكو تعمل على ساعات الكوارتز منذ عام 1958). ^{[ 48 ] [ 45 ] [ 46 ] [ 50 ]} وصلت أول ساعة كوارتز سويسرية - إيبوش إس إيه بيتا 21 - إلى معرض بازل عام 1970. ^{[ 46 ] [ 51 ]} في ديسمبر 1969، أنتجت سيكو أول ساعة يد كوارتز تجارية في العالم، وهي سيكو كوارتز-أسترون 35SQ ^{[ 52 ] [ 53 ]} والتي تُكرّم الآن بجائزة IEEE Milestone . ^{[ 54 ] [ 55 ]} احتوت ساعة أسترون على مذبذب كوارتز بتردد 8192 هرتز، وكانت دقتها تصل إلى 0.2 ثانية في اليوم، أو 5 ثوانٍ في الشهر، أو دقيقة واحدة في السنة. صدرت أسترون قبل أقل من عام من طرح ساعة بيتا 21 السويسرية، التي طورتها 16 شركة سويسرية مصنعة للساعات، واستخدمتها رولكس وباتيك وأوميغا في ساعاتهم الكهرو-كوارتز. كانت ساعات الكوارتز الأولى باهظة الثمن، وسُوِّقت كساعات فاخرة. وقد أدت الدقة العالية المتأصلة فيها، وانخفاض تكلفة إنتاجها لاحقًا، إلى انتشار ساعات الكوارتز منذ ذلك الحين.    

قدمت جيرارد-بيريغو عيار 350 عام 1971، بدقة معلنة تبلغ حوالي 0.164 ثانية في اليوم، مزودًا بمذبذب كوارتز بتردد 32,768 هرتز، وهو تردد أسرع من حركات ساعات الكوارتز السابقة، وأصبح منذ ذلك الحين التردد المستخدم في معظم ساعات الكوارتز. ^{[ 56 ] [ 57 ]} أتاح إدخال الدوائر المتكاملة لأشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة (MOS) خلال سبعينيات القرن الماضي عمر بطارية يصل إلى 12 شهرًا باستخدام خلية زر واحدة عند تشغيل محرك خطوي ميكانيكي من نوع لافيت ، أو محرك سلس الحركة غير خطوي، أو شاشة عرض بلورية سائلة (في ساعة رقمية LCD). أصبحت شاشات الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) نادرة في الساعات نظرًا لاستهلاكها العالي نسبيًا للبطارية. جعلت هذه الابتكارات هذه التقنية مناسبة للانتشار الواسع في السوق. في البيئات المختبرية، حلت الساعات الذرية محل ساعات الكوارتز كأساس للقياسات الدقيقة للوقت والتردد، مما أدى إلى ظهور التوقيت الذري الدولي .

بحلول ثمانينيات القرن العشرين، سيطرت تقنية الكوارتز على تطبيقات مثل مؤقتات المطبخ ، وساعات المنبه ، وأقفال الوقت لخزائن البنوك ، والصمامات الزمنية على الذخائر، من حركات عجلة التوازن الميكانيكية السابقة ، وهو تحول يُعرف في صناعة الساعات باسم أزمة الكوارتز .

هيمنت ساعات الكوارتز على سوق ساعات اليد والساعات المنزلية منذ ثمانينيات القرن الماضي. وبفضل عامل الجودة العالي ومعامل درجة الحرارة المنخفض لبلورة الكوارتز، فهي أكثر دقة من أفضل الساعات الميكانيكية، كما أن التخلص من جميع الأجزاء المتحركة وانخفاض حساسيتها بشكل كبير للاضطرابات الناتجة عن أسباب خارجية مثل المغناطيسية والصدمات يجعلها أكثر متانة وتغني عن الحاجة إلى الصيانة الدورية.

أصبحت وحدات الكريستال القياسية الخاصة بساعات اليد أو ساعات الوقت الحقيقي (RTC) سلعًا رخيصة يتم إنتاجها بكميات كبيرة في سوق قطع الغيار الإلكترونية. ^{[ 58 ]}

منذ ثمانينيات القرن الماضي، أصبحت الساعات اللاسلكية متاحة، وهي تستخدم إشارات الراديو لضبط توقيتها. وتنتقل هذه الساعات تلقائيًا من التوقيت القياسي إلى التوقيت الصيفي. وبما أن هذه الإشارات تُبث في أغلب الأحيان ضمن نطاق الموجات الطويلة، فإن هذه الأجهزة تعمل حتى في الأماكن التي تكون فيها ظروف استقبال الراديو ضعيفة.

مع انتشار الإنترنت ، أصبح بإمكان أجهزة ضبط الوقت الاستهلاكية (مثل الهواتف الذكية والساعات الذكية ) الآن مزامنة ساعاتها الداخلية تلقائيًا عبر بروتوكولات مؤتمتة (مثل بروتوكول وقت الشبكة ) مع خوادم وقت الساعة الذرية.

• كوارتز أوتوماتيكي
• ترددات مذبذب الكريستال
• ساعة تعمل بالطاقة الشمسية
• ساعة كهربائية
• أزمة الكوارتز
• محرك خطوي من نوع لافيت
• مذبذب بيرس

• كوك أ (2001). "الزمن والجمعية الملكية". ملاحظات وسجلات الجمعية الملكية في لندن . 55 (1): 9-27 . doi : 10.1098/rsnr.2001.0123 . S2CID 120948178 . 
• ماريسون، دبليو إيه (1948). "تطور ساعة الكوارتز البلورية" . مجلة بيل سيستم التقنية . 27 (3): 510-588 . رمز Bibcode : 1948BSTJ...27..510M . doi : 10.1002/j.1538-7305.1948.tb01343.x . مؤرشف من الأصل بتاريخ 13 مايو 2007.

• مقال على موقع TimeZone.com حول تطور ساعات الكوارتز
• شرح هذه الأمور: كيف تعمل ساعات الكوارتز
• ساعات كوارتز "تناظرية" حديثة مزودة برسوم متحركة
• دوغلاس دواير. كيف تعمل ساعات الكوارتز ؟ (موقع HowStuffWorks) 
• أساسيات علم الساعات - أسئلة وأجوبة حول الكوارتز (مؤرشف بتاريخ 3 مارس 2016 في أرشيف الإنترنت)
• مقدمة موجزة عن بلورات الكوارتز ذات القطع AT، مؤرشفة بتاريخ 4 مارس 2016 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine).
• مقدمة في معايير تردد الكوارتز بقلم جون ر. فيج، مؤرشفة بتاريخ 10 يوليو 2021 على موقع Wayback Machine