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Elektrische Uhren ... oder was tut der Quarz in einer Uhr ?

Grundsätzlich lassen sich "elektrische Uhren" unterteilen in solche, die elektrisch angetrieben werden, aber mit einem herkömmlichen Uhrwerk funktionieren, und in solche, die elektrisch gesteuert werden. Uhren mit "herkömmlichem" Uhrwerk meinen entweder das Ersetzen der Kraftquelle wie z. B. der Zugfeder oder des Gewichtes durch einen Elektromotor oder - noch einfacher - das elektrische Aufziehen der Kraftquelle durch einen Elektroantrieb (Abb. links). Bei späteren Entwicklungen hat man dann nicht mehr die Kraftquelle elektrisch unterstützt, sondern ging dazu über, direkt den Gangregler anzutreiben (Abb. rechts).

Die andere Form der elektrischen Uhren sind jene, die elektrisch gesteuert werden. Zu ihnen gehören Synchronuhren, die die konstante Netzfrequenz als Zeitnormal benutzen, elektrischen Uhren mit Schwingsystemen, wie z. B. Stimmgabeluhren und natürlich auch Quarzuhren.

Diese Erfindung ist auch nicht in den 80er Jahren des letzten Jahrhunderts von Japanern gemacht worden, sondern bereits gut 50 Jahre früher,1932 von A. Scheibe und U. Adelsberger in Deutschland. Damals hatte diese Uhr noch die Größe eines Schrankes und verschlang Unmengen elektrischer Energie. Die kleinsten Quarzuhren sind heute kleiner als ein Pfennigstück und laufen mit einer 1,5 Volt Zelle von 4 mm Durchmesser und 1 mm Höhe mehr als ein Jahr. Die flachste Quarzuhr ist 1,22 mm dünn und erlaubt durch das kreisrunde Zifferblatt aus Glas einen Durchblick bis auf das Handgelenk. Diese Uhr heißt "Dinosaure" und wurde bereits 1982 von Omega präsentiert. Nun aber zur Funktionsweise der Quarzuhr:

Um die Ganggenauigkeit der tragbaren Uhren weiter zu verbessern, versuchte man in der Zeit der Entwicklung der elektronischen Technologien, diese auch für Uhren nutzbar zu machen. Zunächst begann man mit elektrisch angetriebenen Uhren, die immer noch eine Unruh besaßen, allerdings wurde das Schwingsystem nicht durch ein Räderwerk angetrieben wie bei der mechanischen Uhr, sondern direkt durch Elektromagnete. Die durch ein RC-Glied (Schaltungsbaustein) elektrisch in Schwung gebrachte Unruh trieb ihrerseits ein kleines Räderwerk an, das den Schaltimpuls der Unruh bis zum Zeigerwerk übertrug. Ein gleichmäßiger, präziser Antrieb des Schwingsystems war erreicht, die Nachteile der Unruh mit Spiralfeder blieben aber. Einige Zeit später hat man sich, nach dem Vorbild der Schwingung der Stimmgabel, Gedanken über einen Biegeschwinger gemacht, der durch Elektromagnete in Schwung gehalten wird.

Der Vorteil der Elektronik waren, deren extrem rasche Schaltimpulse (nahezu Lichtgeschwindigkeit), die somit eine Steigerung der Frequenz des Schwingsystems erlaubten. Diese "Stimmgabeluhren" erreichten eine Frequenz von 300 Hz bis hin zu 720 Hz, die zu einer erheblich verbesserten Ganggenauigkeit führte.

Eine normale Armbanduhr schwingt mit einer Frequenz von 4 Hz und ist infolgedessen auch durch die normale Handbewegung beeinflussbar. Diese Einflüsse wirken sich je nach Bewegung des Armes entweder verzögernd oder beschleunigend auf das Gangergebnis aus. Diesen Einfluss konnte man durch die Steigerung der Frequenz drastisch verringern. Diese Uhrwerke waren allerdings in ihrem mechanischen Teil recht kompliziert und anspruchsvoll gebaut. Eine an der Stimmgabel befestigte Klinke aus Rubin schob bei jeder positiven Halbschwingung ein winziges Zahnrad mit 300 Zähnen auf einem Durchmesser von etwa 2 mm vorwärts. Eine andere Klinke, befestigt an einer Werkbrücke rastete in das Zahnrad ein und verhinderte ein Rückwärtsdrehen des Zahnrades während der negativen Halbschwingung der Stimmgabel. Auf diese Weise wurde das Zahnrad in einer Sekunde um 300 Zähne vorangetrieben und gab diese Drehbewegung an das Räderwerk weiter. Der Sekundenzeiger einer solchen Uhr läuft gleichmäßig kriechend über das Zifferblatt, und wenn man diese Uhr ans Ohr hält, ist ein gleichmäßiges Summen wahrzunehmen. Nachdem diese Technik sehr hohe Präzision in der Fertigung voraussetzte, ließen sich diese Uhren aufgrund des Preises nicht für ein großes Publikum herstellen (Abb. umseitig).

Die große Erfahrung der Schweizer Herstellungsfirma mit hochwertigen mechanischen Uhren ließ aber durchaus eine Serienreife und eine für dauerhafte Beanspruchung ausgelegte Qualität zu. Viele dieser Uhren laufen nach 30-jähriger Benutzung bis auf den heutigen Tag einwandfrei. Kurze Zeit später erfanden Uhrenentwickler eine Möglichkeit, diese Schwingfrequenz noch um einen beträchtlichen Teil zu erhöhen, indem sie einen Quarz als Schwingkörper für tragbare Uhren verwendeten. Die Möglichkeit, Zeit mittels eines Quarzes genau zu messen, warschon seit längerem bekannt, aber erst die Verkleinerung der dazu benötigten Bauteile und die Reduzierung des Energieverbrauchs ermöglichten es die Armbanduhren damit auszustatten.

"Können Sie mir einen neuen Quarz einbauen,

meine Uhr ist stehen geblieben!"

Dabei funktionieren diese Uhren nicht mit Quarzantrieb, sondern im eigentlichen Sinne sind es elektrische Uhren, die durch einen Quarz gesteuert werden.

Bei der Verwendung eines Quarzkristalls zur Steuerung macht man sich dessen seit langem bekannten piezoelektrischen Effekt zu Nutze, der einen Quarz bei Ausübung von Druck zur Erzeugung von elektrischer Spannung bringt. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass ein Quarz, an den man eine Spannung anlegt, sich zu verformen, zu schwingen beginnt. Wenn man nun aus einem Quarzkristall in einem bestimmten Winkel einen Körper herausschneidet, schwingt dieser mit einer bestimmten Frequenz, die aufgrund ihrer konstanten Schwingungsdauer hervorragend zur Ermittlung einer Zeitkonstante gebraucht werden kann. Anfänglich verwendete man Biegeschwinger, die an hauchdünnen Fäden aufgehängt mit einer Frequenz von etwa 8200 Hz schwangen. Sie waren allerdings aufgrund ihrer Aufhängung sehr stoßempfindlich. Die an den Quarz angelegte Spannung brachte ihn also zum Schwingen. Diese Schwingung wiederum steuerte den Oszillatorschwingkreis, der den Quarz wiederum mit Spannungsimpulsen am Schwingen hielt. Die erzeugte Schwingung wird in mehreren binären Teilerstufen bis auf eine Schaltfrequenz von 256 Hz heruntergeteilt, die dann verstärkt wird und einen Motor mit Impulsen versorgt. Dieser Motor, der sich summend, ähnlich dem Stimmgabelgeräusch verhielt, drehte sich synchron zur Schwingung und gab diese an ein Räderwerk weiter, das schlussendlich die Zeiger versorgte. (In einer technischen Beschreibung des Werkes von damals war zu lesen: Die Elektronische Uhr enthält "28 Transistoren, soviel wie in 5 Transistorradios und weitere 61 Bauteile.")

Mit der technischen Entwicklung ergab sich auch die Möglichkeit, kleinere, in Form einer Stimmgabel geschnittene Quarze zu fertigen, die dann eine Frequenz von 32.768 Hz hatten. Auch sog. Dickenschärungsschwinger mit einer Frequenz von 4.194.304 Hz wurden entwickelt, sind aber nur in Ausnahmefällen in Armbanduhren zur Verwendung gekommen. Dies war nicht durch die eigentlich zu erwartende höhere Genauigkeit bedingt, sondern durch die wesentlich größere Anzahl an binären Teilerstufen, von denen jede gemessen an ihrer Schalthäufigkeit wiederum mehr Strom verbrauchte. Man beschränkte sich auf die völlig ausreichende Frequenz des stimmgabelförmigen Quarzes. Durch die noch nicht ganz perfektenErgebnisse beim Herausschneiden der Stimmgabeln aus dem Quarzrohmaterial ergaben sich auch unterschiedliche Schwingungszahlen der einzelnen Quarze. Um den Ausschuss in der Produktion dieser Quarze so klein wie möglich zu halten, schnitt man den Quarz etwas zu klein, damit die Schwingfrequenz höher als die zu erzielende war. Nachdem diese Uhren unbeeinflusst ständig zu schnell gehen würden, trug man auf die Enden des Quarzes eine kleine Schicht Gold auf, die diese Schwingungen unter die Sollfrequenz drückte. Durch Abdampfen eines Teiles der Goldauflage mittels eines Lasers ließ sich die Schwingungszahl ziemlich genau erreichen. Der Quarz wurde danach in eine Hülse gesteckt und in einem Vakuum verschlossen. Ein Regulieren war nun nicht mehr möglich. Um dennoch Einfluss auf den Quarz zu haben, baute man zunächst parallel zu diesem Quarz einen Kondensator ein, dessen Wert man regulieren konnte (sog. Trimmer); er diente dazu, den Quarz in seinen Schwingungen zu regulieren. Da der Trimmer aber sowohl von Alterung, Feuchtigkeit als auch von Stößen beeinflussbar war, erfand man die Möglichkeit der elektronischen Einflussnahme durch die integrierte Schaltung. Man schnitt in Folge die Quarze so aus dem Material, dass die Schwingungszahl zu hoch war und ließ sie unbeeinflusst in die Hülsen verschweißen. Nach einer gewissen Alterung durch längeres Schwingen maß man die exakte Schwingfrequenz und ermittelte, welche Beeinflussung durch die Elektronik notwendig war, um die Uhr genau gehen zu lassen. War die Schwingung so schnell, dass die Uhr innerhalb von 10 Sekunden um 0,2 Sekunden abwich, beeinflusste man die Teilerstufe in der Elektronik so, dass die Uhr 8 Sekunden zu schnell läuft, und anschließend zwei Sekunden lang zu langsam. Der Quarz schwingt konstant in derselben Frequenz, aber der nachfolgende binäre Teiler gibt entsprechende Impulse an den Verstärker weiter, der den Motor treibt. Die Regulierung durch "Inhibition" (Beeinflussung), wie man dies Verfahren nannte, führte zu sehr verbesserten Gangresultaten, da der Quarz unbeeinflusst konstanter schwingt als mit einem parallel geschalteten Kondensator als "Ballast". Beim Nachmessen der Elektronik in der Uhrmacherwerkstatt ergibt sich auf den Messgeräten genau dieses Phänomen, dass die zu prüfende Uhr scheinbar einmal stark vor und nach einigen Sekunden stark nachgeht. Um genaue Ergebnisse zu erzielen, wird bei der Messung einfach das Messintervall auf mindestens 60 Sekunden verlängert und die errechnete Durchschnittsgenauigkeit ergibt ein korrektes Ergebnis. Diese Uhren werden, falls nötig, nicht mehr reguliert, sondern programmiert.

Das nächste Problem der quarzgesteuerten Armbanduhr war der Energieverbrauch. Im Gegensatz zu Wanduhren oder Weckern, bei denen die Kapazität der Batterien bis zu einigen Tausend Milliampere-Stunden (mAh) geht, ist die Energiereserve in Kleinuhrbatterien begrenzt. Etwa 80 mAh ist die gesamte Kapazität, mit der die Uhr mindestens ein Jahr laufen muss. Vor diese Aufgabe stellten sowohl Verbraucher als auch Uhrenfirmen die Entwickler. Als man die Batterien noch entsprechend den Stromverbrauch der Uhr entwickelte und sie dann in die Werkgröße integrierte, waren die Batterien noch etwa 11 mm im Durchmesser, 4 mm in der Höhe und hatten eine Kapazität von über 100 mAh. Die immer kleiner werdenden Werke erforderten auch kleiner werdende Batterien, die infolgedessen auch weniger Kapazität hatten. Wie auch beim Benzintank gilt: je kleiner die Abmessungen, desto geringer der Inhalt. Um die "Reichweite" des Verbrauchers zu erhöhen, muss der Verbrauch gesenkt werden. Im Falle der Uhr hieß das, mit der vorgegebenen Quarzfrequenz und der gleichen Anzahl der Teilerstufen weniger Energie zu verbrauchen. Man entwickelte eine kürzere Impulsdauer und später sogar eine sensitive Motoransteuerung. Der heruntergeteilte Impuls des Quarzes dauert 0,5 sec für die positive Halbschwingung und 0,5 sec für die negative. Während dieses Impulses dreht sich der Schrittschaltmotor um je eine halbe Umdrehung. Nun würde aber auch ein kürzerer Impuls als der von 0,5 sec Dauer ausreichen, um den Rotor zu drehen. Man kürzte den Impuls bis auf die Dauer von etwa 11 Millisekunden. Mit dieser Maßnahme erreichte man schon eine enorme Stromersparnis und konnte die Werke weiter verkleinern. Uhrwerke ohne Sekundenzeiger brauchten ja keinen Sekundenimpuls und eine Teilerstufe verbraucht weniger als ein Antriebsimpuls. So verringerte man die Impulshäufigkeit bei Uhren ohne Sekunde auf drei Impulse in der Minute (alle 20 Sekunden). Gerade bei Damenuhren oder flachen Herrenuhren ist diese Zeitanzeige häufig vorzufinden. Auch noch seltenere Impulse, bis hin zu einem Schritt pro Minute, sind gebräuchlich. Bei Armbanduhren mit zusätzlichen Funktionen brauchte man aber eine gewisse Menge Kraft, um die zusätzlichen Baugruppen wie Chronograph oder Kalenderschaltungen anzutreiben. Eine weitere Absenkung der Impulsdauer bei sekundengenauer Anzeige ist also nicht ohne weiteres möglich. Nachdem aber die Datumsschaltung nur während einiger Stunden der Nacht, also in 90 % der Zeit nicht aktiv ist, erfand man eine "mitdenkende" Motoransteuerung. Wenn das Quarzwerk unter normalen, reibungsarmen Bedingungen läuft, reicht eine Impulsdauer von 4,8 Millisekunden (ms) aus, um den Antrieb der Räder zu gewährleisten. Setzt nun ein Widerstand in Form von einer zusätzlichen Baugruppe wie der Datumsschaltung ein, merkt die Elektronik, dass der Impuls mit einer Dauer von 4,8 ms nicht ausreicht und setzt einen zweiten, stärkeren unmittelbar hinterher. Sollte dies immer noch nicht reichen, schaltet die Elektronik in den nächsten "Gang" und gibt noch mehr Gas, bis der Impuls sicher durchgeführt wird. Hat die Uhr während einiger Zeit alle Impulse ausgeführt, schaltet die Elektronik einen Gang zurück und versucht die nächstkleinere Impulsdauer. Ist dies erfolgreich, werden die Impulsdauern in der nächsten Zeit Schritt für Schritt heruntergefahren bis an die untere Funktionsgrenze der Uhr. Kommt die Schaltung des Motors nicht zustande, bleibt die Impulsdauer auf voller Kraft, bis das "Hindernis" überwunden ist. Diese Technik wurde auch speziell für die Uhren entwickelt, bei denen eine Reinigung des Räderwerkes nicht möglich ist, da das Gehäuse verschweißt wird. Die berühmte SWATCH ist ein solches Beispiel. Die Entwickler wussten, dass diese Uhr wartungsfrei funktionieren musste, und gaben ihr sowohl die Inhibitionselektronik als auch die sensible Motoransteuerung mit ins Gepäck. Sie stellten damit sicher, dass man eine verschweißte SWATCH sowohl von außen durch die Batteriekontakte regulieren kann als auch dass der Antrieb bei kleinsten Verschmutzungen trotzdem schaltet. Die Batterielebensdauer einer solchen "High Tech Uhr" liegt bei bis zu 5 Jahren.

Was unterscheidet "teure" von "billigen" Quarzuhren?

Wie im vorhergehenden Beispiel gezeigt wird, ist es sehr wohl möglich, der simplen Quarzuhr doch noch ein paar technische Raffinessen dazuzugeben, welche die Präzision erhöhen. Damit sind nicht die Zusatzfunktionen gemeint, die auch schon in einfachen digitalen Uhren zu haben sind, sondern die technologischen Verfeinerungen der "normalen" analogen Quarzuhr.

Neben der sensiblen Motoransteuerung gibt es auch noch eine Anzeige für den "Reservetank". Wie beim Auto meldet sich auch die Uhr, wenn die Energieversorgung kurz vor dem Zusammenbruch steht. Anders als bei Taschenlampen, oder bei Modellautos kann man bei einer Quarzuhr nicht von außen sehen, wann die Batterie zu Ende geht. Die Uhr läuft bis zuletzt nicht falsch, da die Quarzbasis immer gleich schwingt. Ärgerlich ist dies, wenn man im Urlaub in einem fernen Land am Strand ist und die Uhr gerade stehen bleibt. Durch den unterschiedlichen Stromverbrauch der Uhren kann auch nicht vorhergesagt werden, wie lange die Uhr mit dieser oder jener Batterie läuft. Ebenso wie beim Auto ist die Kilometerleistung pro Liter Treibstoff vom Verbrauch abhängig. Demzufolge gibt es auch keine Jahres-, oder 5-Jahresbatterien wie immer wieder fälschlicherweise behauptet wird. In die Uhr passen aufgrund der Abmessungen nur ein bestimmter Typ Batterien hinein, mit der die Uhr eine bestimmte Zeit, abhängig vom Verbrauch, läuft.

Die Batterie hat eine Nennspannung von 1,55 Volt Gleichstrom und eine Kapazität von 11 mAh bei ganz kleinen bis 110 mAh bei größeren Batterien. Sinkt nun gegen Ende der Lebensdauer die Batteriespannung unter einen bestimmten Punkt ab, so bleibt die Uhr abrupt stehen. Diesen Punkt nennt man untere Funktionsspannung. Er liegt je nach Modell zwischen 0,9 und 1,3 Volt. Erreicht die Batterie nun in etwa diesen Wert, bemerkt die Elektronik einer modernen Uhr diesen Zustand und veranlasst den Motor zu einer "Warnanzeige" Der Zeiger bleibt 4 Sekunden lang stehen und macht in der fünften Sekunde fünf Schaltimpulse auf einmal. Die Anzeige der Uhr warnt den Besitzer vor einer zu Ende gehenden Batterie und bringtihn etwa 2 Wochen vor dem Stehenbleiben in die Situation, die Batterie wechseln lassen zu können. Diese Schaltung nennt man EOL (End Of Life).

Eine weitere technische Errungenschaft zur Steigerung der Ganggenauigkeit ist die Einführung der Twin Quarz-Technologie. Diese, bei Uhren mit ausreichend Platz für eine große Batterie angewendete Technik ermöglicht eine aktive Überwachung der Quarzfrequenz während des Tragens der Uhr. Quarze sind zwar weder erschütterungs- noch feuchtigkeitsempfindlich, aber sehr wohl temperaturempfindlich. Trägt man also eine Quarzuhr am Handgelenk, hat sie aufgrund der höheren Temperatur im Vergleich zu einer nicht getragenen Uhr ein anderes Gangergebnis. Um diesen Fehler zu kompensieren, gibt man der Uhr einen zweiten, viel schneller schwingenden Quarz mit, der in Abständen von 10 Minuten "dazugeschaltet" wird. Während einer bestimmten Zeit wird dieser Quarz zusätzlich In Gang gesetzt, um nach einer Einschwingzeit mit seiner höheren und damit stabileren Quarzfrequenz den langsameren, aber permanent arbeitenden Quarz abzugleichen. Diesen Quarz lässt man nicht die ganze Zeit laufen, da der Stromverbrauch stark steigen würde. Ebenso stark wäre der Verbrauch, wenn man diesen Hochfrequenz-Quarz als Zeitnormal einbauen würde. So nimmt man ihn nur als "Supervisor" für den eigentlichen Gangregler und ist in der Lage, alle 10 Minuten eine "Inhibition" auf den Gangregler auszuüben. Dies führt zu einer Genauigkeit, die bis auf wenige Sekunden im Jahr an die Normalzeit heranreicht. In Japan hat man einen anderen Weg beschritten. Bei dem Twin Quarz-Werk von Seiko benutzt man diese Technologie nicht zur Temperaturkonpensation, sonder lässt beide Quarze permanent schwingen und nimmt den Mittelwert der Schwingfrequenzen zur Steuerung der Uhr. Auch hier ist das Ergebnis bis auf 3 Sekunden pro Jahr exakt. Diese aufwendigen Quarzwerke werden aber nicht in einfache, billige Uhren eingebaut, sondern sind entsprechend ihren Entwicklungskosten wenigen Markenuhren vorbehalten. Eine Twin Quarz-Seiko kostete Anfang der 90er Jahre immerhin etwa DM 1000.- (etwa 511.- Euro). Ein weiterer Grund für unterschiedliche Preise bei Quarzuhren ist die Baugröße der Werke. Bei den meisten Uhren ist die Größe kein technologisches Problem mehr. Im Gegenteil, in den meisten Uhren finden sich im Verhältnis zum Gehäuse wesentlich kleinere Werke wieder. Dies liegt an der immer weiter voranschreitenden Vereinheitlichung der Herstellung. Ein Quarzwerk in den Abmessungen 12 x 15 mm erfüllt die gleichen Aufgaben wie größere Werke. Da die Uhrenhersteller aber eine Vielzahl unterschiedlicher Gehäuse anfertigen, ist es nicht sinnvoll, ebenso viele verschiedene Werkgrößen zu konstruieren. So werden meist Werkhalteringe in die Uhren eingebaut, die den Platz zwischen Uhrwerk und Gehäuse ausfüllen. Nun gibt es aber auch Uhren in der Kollektion verschiedener luxuriöser Uhrenfirmen, bei denen das besondere Design auch entsprechende Spezialwerke vorschreibt. Beispielsweise ein Quarzwerk mit Stunden- und Minutenfunktion mit dem Gesamtdurchmesser von 9 mm, wovon die Batterie 6,5 mm abdeckt. Ebenso gibt es Werke, die flacher als eine Münze sein müssen, um in extrem flache Uhren eingebaut werden zu können und somit ein flaches Erscheinungsbild der Uhr am Handgelenk zu ermöglichen. Diese Werke sind meist Spezialanfertigungen, die entsprechend kleine Auflagen haben und deshalb teurer sind als herkömmliche. Auch besondere Präzision kostet Geld. Normalerweise haben Zahnräder bei ihrem gegenseitigen Eingriff ein gewisses Spiel, was keine sichtbaren Auswirkungen auf die Zeigeranzeige hat, wenn diese Zahnräder unter Druck durch den Antrieb stehen. Bei Quarzuhren ist kein solcher Druck vorhanden und die Antriebskraft an den Zeiger beträgt etwa 3 Millionstel Newton (bei mechanischen Uhren etwa 300 mN). Ist nun ein entsprechend langer Sekundenzeiger auf der Sekundenwelle platziert, ist an dessen äußerem Ende ein ungleichmäßiger Vortrieb zu bemerken. Der Zeiger vollführt nicht immer die exakt gleiche Strecke von einer Sekunde pro Impuls. Die Genauigkeit schwankt um eine oder zwei Zeigerbreiten. Je geringer die Abweichung, desto präziser ist das antreibende Räderspiel gefertigt. Diese ebenso wie die Räder in mechanischen Uhren in Rubinen gelagerten Zahnräder haben ein verringertes Zahnspiel oder gar eine Mikroverzahnung, die auf dem gleichen Raddurchmesser wesentlich mehr Zähne aufweist als herkömmliche Verzahnungen. Diese präzise, sehr feine Verzahnung ist gegen Verschmutzung und äußere Einflüsse wie z. B. Feuchtigkeit sehr empfindlich. Solche Werke werden also nur in Uhren verwendet deren Gehäuse besonders gut verarbeitet und die ebenfalls wasserdicht sind. Ein auch handwerklich besonders schönes Uhrwerk ist das Omega Kaliber 1332, bei dem auch der Schrittschaltmotor nicht wie üblich zwei magnetische Seiten hat, sondern acht. Ein exakt in die Position springender Rotor ist die Folge. Gerade ein Zahnrad mit sehr kleiner Übersetzung ist zwischen den Rotor und den Sekundenzeiger geschaltet. Das Springen des Zeigers in die exakte Position ist somit durch die perfekte Konstruktion gegeben.

Solaruhren, Generatoruhren oder die batterieunabhängige Stromversorgung

Ein Nachteil, den die elektrischen Uhren im Vergleich zu mechanischen haben, ist die Notwendigkeit der Energieversorgung durch eine elektrische Spannungsquelle, meist eine Batterie. Während man bei einer mechanischen Uhr die Energieversorgung im Bedarfsfall einfach durch Aufziehen selbst übernehmen kann, muss man bei einer elektrischen Uhr die Spannungsquelle auswechseln. Im ungünstigsten Fall bleibt eine solche Uhr gerade dann stehen, wenn man nicht die Möglichkeit hat, die Batterie problemlos wechseln zu lassen. Um diesem Problem Abhilfe zu schaffen und um die Uhren von der Abhängigkeit der Batterieversorgung zu lösen, suchten die Entwickler nach neuen Methoden der Stromversorgung, um die Uhrenunabhängig zu machen. Die Möglichkeit, über andere Energiequellen nachzudenken, wurde auch erst durch die immer geringer werdende Stromaufnahme der modernen Quarzuhren gegeben, denn eine Stimmgabeluhr hat noch zu viel Energie verbraucht, um von einer Batterie unabhängig werden zu können.

Der erste Schritt in diese Richtung war durch die Verwendung von Solarzellen für Armbanduhren, aber auch für Tischuhren getan. Die Kapazität dieser Energiequellen aus Licht war am Anfang noch nicht so groß, um eine Batterie ganz zu ersetzen, und so wurden kombinierte Stromversorgungen aus Solarzellen und wiederaufladbaren Batterien verwendet. Mit der Verbesserung der Solarzellen wurde es auch möglich, auf eine Batterie zu verzichten, und man versuchte stromspeichernde elektrische Bausteine zu verwenden. Spezielle Folienkondensatoren erfüllten diese Aufgabe. Die Speicherkapazität reichte auch bald länger als für die mindestens erforderliche Dauer der Nachtstunden. Tagsüber versorgte die Solarzelle, die inzwischen in der Lage war, weit mehr Strom als nötig zu erzeugen, die Uhr zuverlässig. Nachts kam die Energie aus dem über Tag aufgeladenen Kondensator. Die Kapazität wurde ständig verbessert, bis eine Gangautonomie der Uhr von ca.100 Stunden erreicht war. Kondensatoren haben aber auch einen Nachteil, denn sie arbeiten nicht wie ein normaler Tank, den man auffüllen und entleeren kann, wie es gerade nötig ist, ohne dass sich dessen Eigenschaften verändern. Durch die schnell erreichte Vollaufladung des Kondensators während des Tages erreichte er sehr schnell die maximale Speicherkapazität von über 100 Stunden. Nachdem die Stromabgabe während der Nachtstunden an das Werk selten länger als 8 Stunden dauert, entlädt sich der Speicher nur um 8%. Tagsüber wird er wieder voll aufgeladen. Der abgefragte Teil des Speichervolumens liegt also immer unter 10% der Kapazität. Mit der Zeit "merkt" sich der Kondensator diese geringe Beanspruchung der Ressourcen und verweigert eine vollständige Entladung. Der inzwischen auch aus anderen Anwendungen (Videokamera, Notebook, schnurlose Telefone) bekannte "Memory-Effekt" tritt ein. Sollte die Speicherkapazität weiter absinken, bleibt die Uhr trotz voll aufgeladenen Kondensators über Nacht stehen. Eine batterieunabhängige Stromversorgung für Uhren war wieder nicht erreicht. Der ökologische Gedanke, auf die Entsorgung der Batterien aus Uhren durch Einführung der Solartechnik hinfort verzichten zu können, war ad absurdum geführt, denn im Gegensatz zu den Batterien, auf deren Entsorgung sich die Herstellerfirmen und die zahlreichen Entsorgerfirmen auch aufgrund der lohnenden Gewinnung von Reinsilber aus dem Niederschlag an den Kathoden der Batterien eingestellt hatten, bleibt für die Kondensatoren nur der Sondermüll.

Erst die Entwicklung verbesserter Speichermedien und einer langsameren Lade- und Entladekurve half, dieses Problem zu verbessern. Ganz gelöst ist es immer noch nicht, denn selbst neueste Solaruhren sind nicht "immerwährend", und ein Austausch des Speichermediums ist früher oder später notwendig.

Eine andere, vielversprechende Technologie zur Stromversorgung einer Quarzuhr am Handgelenk war die Wiederentdeckung der Bewegungsenergie aus der bewährten Automatikuhr. Ähnlich wie bei einem Fahrraddynamo wird durch Bewegung in einem Generator Strom erzeugt, durch den die Uhr gespeist wird. Dieses Prinzip wurde "Automatic Generator System" oder "AGS" genannt und kam in den 80er Jahren von der Firma Seiko erstmals auf den Markt. Auch hier traten anfangs die selben Speicherprobleme wie bei den durch Solarenergie versorgten Uhren auf. Erst einige Uhrengenerationen später, bei den inzwischen in "Kinetic" umbenannten Uhren war dies Problem erheblich reduziert. Die neueste Generation dieser Uhren hat eine "stand by"-Funktion, die den Antrieb der Uhr nach einer gewissen Ruhezeit, in der man annimmt, der Träger der Uhr hat diese abgelegt, abschaltet und nur mehr ein Speicherchip zählt quasi unsichtbar die Sekunden mit. Sobald man diese Uhr wieder in die Hand nimmt, übernehmen Zeigermotoren die Einstellung der Uhr nach dem gespeicherten Stand. Selbst die Datumsscheibe hat einen separaten Antrieb, der sie in die richtige Position bringt. Die "schlafende" Phase dieser Uhren kann bis zu 4 Monaten dauern. So muss die Uhr selbst bei nur gelegentlichem Tragen nicht nachgestellt werden.

Sind Solaruhren eigentlich ökologisch sinnvoll?

Trotz der erreichten Fortschritte ist aus ökologischer Sicht immer noch die mechanische Uhr diejenige, die mit Abstand die beste Umweltbilanz aufzuweisen hat. Ihre Bauteile sind gänzlich aus Metall, die Energie für ihre Funktion wird als "Abfallprodukt" durch die normale Handbewegung oder Aufziehen erzeugt und der Energiespeicher ist eine Zugfeder aus Stahl. Die zu erwartende Lebensdauer bei regelmäßiger Wartung ist zeitlich nahezu unbegrenzt, aber auf jeden Fall deutlich länger als bei elektrischen Uhren. Die Möglichkeit der Reparatur besteht auch noch nach Jahrzehnten und die Recyclingquote eines nur aus Metallteilen bestehenden Uhrwerkes ist 100%. Auch Uhrengehäuse aus gänzlich wiederverwerteten Mate-rialien sind auf dem Markt. Vor kurzem hat eine mechanische Uhr der Firma Mondaine den bedeutenden Umweltpreis der saudischen Herrscherfamilie gewonnen, da alle verwendeten Gehäuseteile aus recycletem Material hergestellt wurden.

Jeder, der sich also über die Zukunft unseres Planeten Sorgen macht und nach Kräften versucht, so wenig als möglich Problemmüll zu verursachen, dem bleibt trotz aller Solartechnik eigentlich nur die mechanische Uhr, denn auch eine Solaruhr ist eine Quarzuhr und ihre Bauteile unterscheiden sich nur in der Energieversorgung von einem herkömmlichen Modell.

SWATCH, eine technische Revolution

oder "Die Rettung der Schweizer Uhrenindustrie"

Noch 1948 verfügte die Schweizer Uhrenindustrie nahezu über ein Monopol, was die Herstellung und den Verkauf von Uhren anbetraf. Zur Zeit der Schweizer Uhrenkrise Anfang der 1980er Jahre sank der Marktanteil auf weltweit nur noch 29%, denn die japanischen Mitbewerber waren hinsichtlich der verkauften Stückzahlen und wegen der günstigeren Preise weltweit sehr rasch gewachsen. Die Schweizer Uhrenhersteller hatten aufgrund der von fast jeder Firma separat entwickelten und damit teuren Uhrwerke enorm an Bedeutung eingebüßt, und nur wenige Hersteller hatten genügend Kapital, um die sehr kostspieligen Entwicklungen von verschiedensten Uhrwerken auf Dauer zu finanzieren. Den japanischen Konkurrenten war ihr Aufschwung vor allem durch die Massenfertigung von Quarzuhren gelungen, die eigentlich eine Schweizer Erfindung waren. Orientiert an der aus den 70er Jahren übernommenen Formen- und Designvielfalt versuchte man, die Größe der zu entwickelnden Quarzwerke am jeweiligen Gehäusetyp auszurichten. Eine enorme Vielfalt von Werken entstand, die allerdings nie in ertragreichen Stückzahlen produziert wurden und oft schon bei Fertigstellung technisch überholt waren. Eine Weltmarke wie Omega, die noch Ende der 60er Jahre mit Rolex zusammen die bedeutendste Uhrenfirma der Welt war, drohte Anfang der 80er Jahre an ihrer Modellvielfalt und der großen Zahl von parallel entwickelten Uhrwerken zu zerbrechen. Die Banken, die bereits einen großen Anteil an Aktien der Omega besaßen, sahen sich gezwungen, über einen Verkauf an eine japanische Investorengruppe nachzudenken.

In dieser Zeit kam der Unternehmensberater Nicolas G. Hajek zur angeschlagenen Schweizer Uhrenindustrie. Der damals hochverschuldete Industriezweig, der die in der Schweiz denselben Stellenwert besitzt wie in Deutschland die Automobilindustrie und an der in Relation zur Bevölkerung ähnlich viele Arbeitsplätze hängen, brauchte dringend ein Sanierungskonzept, mit dem sich innerhalb eines überschaubaren Zeitraumes wieder Erträge erwirtschaften ließen. Die in der Entwicklung befindlichen Projekte wurden geprüft und die Modellvielfalt (für viele Absatzmärkte wurden spezielle Kollektionen in kleinen Stückzahlen angefertigt) reduziert. Bei der Sichtung der Entwicklungen stieß Hajek auf ein Projekt, das die japanischen Mitbewerber in ihrer Marktführerschaft im Preissegment unter DM 100.- treffen konnte. Schweizer Quarzuhren waren damals nicht gerade für ihren technologischen Fortschritt bekannt und außerdem noch erheblich teurer. Mitarbeiter des ETA-Entwicklungsteams unter Leitung des ETA- Chefs Ernst Thomke forschten an einer Uhr, die vollkommen automatisch produziert werden konnte und gleichzeitig den neuesten Stand der Quarzuhrenentwicklung beinhaltete. Diese Konstruktion basierte auf der Idee von Jacques Müller und Elmar Mock, die man beim Bau derflachsten Quarzuhr bereits erprobt hatte, nämlich ein Gehäuse herzustellen, das gleichzeitig Uhrwerk und Schale ist. Bis dahin wurden Werke entwickelt, die wie üblich in Uhrgehäuse eingeschalt wurden. Bei dem neuen Modell dient das Gehäuse als Sockel für alle Werkteile, die von oben mittels Maschinen in ein fertig gespritztes Kunststoffgehäuse eingesetzt und verschweißt werden. Der Gehäusesockel hat bereits die endgültige Form und ebenfalls Anstöße, die später das Armband halten. Die Anzahl der Bauteile der gesamten Uhr wurden von der zuvor üblichen Anzahl von 90 bis 150 auf insgesamt 51 Teile reduziert, wodurch die Voraussetzungen für eine maschinell gesteuertes Zusammensetzen gegeben waren. Nach dem Einsetzen der Werkteile wird die Aufzugwelle aufgesteckt und das Zifferblatt aufgesetzt. Die Zeiger werden automatisch aufgesetzt und in der Funktion geprüft. Anschließend wird das Gehäuse mittels Ultraschall mit einem gewölbten Kunststoffglas wasserdicht verschweißt. Diese Konstruktion ist sehr leicht, extrem stabil und sehr einfach in großen Mengen zu produzieren. Die gewählte Größe und Form waren damals sehr modern und lieferten durch die Möglichkeit, sowohl das Gehäuse als auch sämtliche anderen Teile farbig und grafisch zu gestalten, eine enorme Modellvielfalt - bei immer gleichem Ausgangsuhrwerk. Nicolas Hajek, der im Auftrag der Schweizer Banken um eine Analyse dieses "SWATCH"-Projektes gebeten wurde, konnte das Konzept gegenüber den Banken erfolgreich vertreten, denn das innerhalb von zwei Jahren, mit 200 Mitarbeitern und einem Kapitaleinsatz von 10 Millionen Schweizer Franken entwickelte Produkt schien der entscheidende Schritt in Richtung Markterfolg zu werden. Hajek riet ferner den beiden Uhrengroßunternehmen ASUAG und SSIH, ihre Anstrengungen zu bündeln und der daniederliegenden Uhrenindustrie eine bessere Position zu verschaffen. Die beiden Firmen fusionierten zur SMH (Schweizerische Gesellschaft für Mikroelektronik und Uhrenindustrie). Der Erfolg des neuen Produktes stellte sich nicht gleich ein; als aber 1983 die ersten farbigen Kollektionen auf den Markt kamen, begann eine bislang noch nie dagewesene Erfolgsgeschichte, die bis heute anhält und dazu geführt hat, dass unter dem Markennamen SWATCH (S für Swiss und WATCH für Uhr) mehr als 800 Millionen Uhren produziert und weltweit vermarktet worden sind. Durch diesen - auch wirtschaftlichen - Erfolg konnte ein Verkauf der Schweizer Uhrenindustrie mit ihrem "Flaggschiff" Omega verhindert werden, und zudem wurde sowohl durch die Bündelung der Modelle in den einzelnen Marken des neugeschaffenen Konzerns als auch durch die Zusammenlegung und Rationalisierung der Produktion der Werke eine weltweit führende Marktposition zurückgewonnen. In der Folge wurden alle Firmen der ASUAG- und der SSIH-Gruppen, die bis dato selbstständig gearbeitet hatten und auch zum Teil eigene Werke konstruierten, in den neuen SMH-Konzern eingegliedert und bildeten einen Pool von Zulieferern und Produzenten von Einzelteilen; hier wurden also sämtliche Teile der Kaliber für alle Konzernmarken gefertigt. Firmen mit so traditionsreichen Namen wie Omega, Longines, Tissot, Rado, Mido, Certina und viele andere bekamen ein neues, gemeinsames Dach. Vorbild für diese Kooperation war der bereits 1927 erfolgte Zusammenschluss der Werkehersteller A.S., A.M. und FHF zur Ebauches S.A.; die Firmen verblieben allerdings in wirtschaftlicher Selbstständigkeit, doch die gegenseitige Konkurrenz bei der Rohwerkebelieferung wurde unterbunden, ihre Produktpalette gestrafft und die Spezialisierung gefördert.

Vor einiger Zeit konnten auch der Werkhersteller Fréderic Piquet sowie die Uhrenmarke Blancpain in den SMH-Konzern geholt werden, außerdem der beste Chronographenhersteller Lemania, der seit einiger Zeit mit einem sehr flachen Automatik-Werk zur Vielfalt des Konzerns beiträgt. Mit der Uhrenmarke Glashütte Original kam erstmals auch eine deutsche Firma unter das Schweizer Herstellerdach und bereichert die Produktpalette seither um eine Spitzenmarke. ETA, der weltweit größte Hersteller für Uhrwerke, bietet als einziger eine Produktvielfalt vom einfachsten Quarzuhrwerk mit Kunststoffbauteilen für Werbegeschenke im Wert von 5 DM bis hin zum Chronometer-Chronographen mit offiziellem Gangschein, einem Armbanduhrwerk mit Ewigem Kalender-Mechanismus oder einem Tourbillonwerk für Armbanduhren exklusiv für Omega im Wert von über 100.000 DM an. Auch im Bereich der Zulieferung von Einzelbauteilen ist die ETA-Gruppe in der SWATCH Group, wie der Konzern nach seiner erfolgreichsten Marke seit kurzem heißt, der Marktführer. Bestandteile wie Nivaflex-Federn, Nivarox-Spiralen, Lagersteine oder Schrauben werden ausschließlich von Firmen im Konzern produziert. Andere Uhrenhersteller mit eigener Werke-Produktion sind zu einem erheblichen Teil auf diese Zulieferer angewiesen und können ohne sie keine Uhren fertigen. Diese marktbeherrschende Stellung wird inzwischen natürlich auch kritisch verfolgt, führt sie doch in einigen Bereichen zu Monopolen. Davon ausgehend, dass die meisten dieser Hersteller ohne den Zusammenschluss mit dem ETA-Imperium heute nicht mehr existent wären, kann man dieser Firmenpolitik aber auch durchaus positive Seiten abgewinnen.

In folgenden Bildteil, der einen Querschnitt durch die Entwicklungsgeschichte der elektrischen Uhren darstellt, sehen Sie einige Exemplare von den im Text angesprochenen Uhren. Natürlich sind nicht alle Bereiche genannt und ausgestellt, aber die wichtigen Entwicklungsschritte wie elektrische Unruh, Stimmgabel- und Quarzschwinger sind zu sehen.

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