16.06.2023
 5 Minuten

Der Oszillator – Herz einer jeden Uhr

Von René Herold
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Alle Uhren – egal ob Kirchturmuhr, mechanische Taschenuhr oder Quarzuhr – haben eine Gemeinsamkeit: Sie alle besitzen einen Oszillator. Diese auch als Schwingeinheit bezeichnete Baugruppe kann je nach Uhrentyp völlig unterschiedlich aussehen und funktionieren. Ihr Zweck ist jedoch immer der gleiche, nämlich einen möglichst genauen und gleichbleibenden Takt vorzugeben. Wir schauen in diesem Artikel einmal auf die in der Uhrenwelt gebräuchlichen Oszillatortypen, deren Funktionsweise und wo die jeweiligen Vor- und Nachteile liegen.

Was ist ein Oszillator?

Ganz allgemein gesprochen ist ein Oszillator eine Vorrichtung, die Energie in eine periodische Schwingung umwandelt. Diese Bewegung findet in der Regel um einen zentralen Punkt statt, der fast immer der Ruhelage des Oszillators entspricht. Die in Uhren eingesetzten Oszillatoren erzeugen eine sogenannte harmonische gedämpfte Schwingung. Dies bedeutet, dass die Schwingung sehr regelmäßig ist und ohne ausreichende Energiezufuhr immer weiter abnimmt, bis sie schlussendlich ganz zum Erliegen kommt.

In mechanischen Armband- und Taschenuhren übernimmt die Unruh die Aufgabe des Oszillators. Kirchturm- und Standuhren mit mechanischem Uhrwerk nutzen hingegen meist ein Pendel als Taktgeber. Bei Quarzuhren und Smartwatches ist es ein Quarzkristall, der den Rhythmus vorgibt. In jedem Fall gilt jedoch: Je schneller der Oszillator schwingt, also je höher seine Frequenz ist, desto präziser ist der Gang der Uhr.

Funktionsweise der verschiedenen Oszillatoren

Schauen wir uns die gängigsten Oszillatortypen einmal genauer an. Der Einfachheit halber konzentrieren wir uns dabei auf Schwingsysteme, die in Armbanduhren Verwendung finden. Die Unruh sowie der Quarzoszillator sind bei dieser Uhrengattung die mit Abstand am häufigsten verwendeten Taktgeber.

Seit 350 Jahren bewährt: die Unruh

Die Unruh einer Taschenuhr mit Handaufzug
Die Unruh einer Taschenuhr mit Handaufzug

Die Unruh wurde bereits 1675 zum Patent angemeldet. Entwickelt wurde sie durch den niederländischen Wissenschaftler Christiaan Huygens, der sich zuvor schon durch die Konstruktion von Pendeluhren einen Namen gemacht hatte.

Eine Unruh besteht aus dem Unruhreif, der Spiralfeder sowie der zentralen Unruhwelle. Der Reif, meist als dünner Ring ausgeführt, wird durch die aus einem hauchdünnen Draht bestehende Spirale hin- und herbewegt. Diese Bewegung wird genutzt, um die Hemmung, welche den Energiefluss der Uhr regelt, in regelmäßigen Abständen freizugeben. Diese Energie wird dann auf das Räderwerk und schließlich auf die Zeiger der Uhr übertragen. Dieser Vorgang wiederholt sich je nach Bauart mit einer Frequenz von 2,5 Hz bis 5 Hz, was zwischen 18.000 und 36.000 Halbschwingungen pro Stunde (A/h) entspricht. Der Standardwert moderner mechanischer Uhrwerke liegt aktuell bei 21.600 bzw. 28.800 A/h, also 3,5 bzw. 4 Hz.

Als Taktgeber ist die Unruh hauptverantwortlich dafür, dass die Uhr präzise läuft. Deshalb ist es nötig, das Schwingverhalten der Unruh gut zu regulieren. Der Uhrmacher muss also dafür sorgen, dass die Schwingung möglichst gleichmäßig ist und auch die Amplitude, also die maximale Auslenkung der Unruh, nicht zu groß oder zu klein ausfällt. Die entsprechenden Anpassungen erfolgen in der Regel über sogenannte Rücker, mit denen die Spannung der Spiralfeder angepasst wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, kleine Gewichte auf dem Unruhreif anzubringen und so eventuelle Unwuchten auszugleichen.

Damit die Unruh nicht durch härtere Stöße und Erschütterungen aus dem Tritt gebracht wird, ist sie in der Regel mit einer Stoßsicherung versehen. Diese bieten jedoch keinen hundertprozentigen Schutz, weswegen sich Uhren mit mechanischem Kaliber für die meisten Sportarten nur bedingt eignen. Besteht die Unruhspirale zudem aus magnetischem Material, können auch Magnetfelder den Gleichgang der Uhr stören.

Vor- und Nachteile der Unruh

  • Seit gut 350 Jahren bewährt
  • Hält bei guter Wartung ewig
  • Benötigt keine Batterien
  • Verleiht Uhren ihr charakteristisches Ticken
  • Ausweis feinmechanischer Handwerkskunst
  • Meist weniger präzise als Quarzoszillatoren
  • Höherer Wartungsaufwand
  • Anfällig gegenüber Stößen
  • Gangreserve relativ gering
  • Je nach Material anfällig für Magnetfelder

Besonders präzise: der Quarzoszillator

Ein Quarzwerk der 1980er-Jahre
Ein Quarzwerk der 1980er-Jahre

Die Schwingeinheit einer Quarzuhr ist im Grunde nicht viel anders aufgebaut als die einer mechanischen Uhr. Ein Quarzoszillator kommt im Gegensatz zur Unruh jedoch komplett ohne mechanische Bauteile aus. Bei Quarzuhren besteht die Schwingeinheit aus einem Quarzkristall sowie einem kleinen Schaltkreis. Als Energiespeicher dient eine Batterie, die Aufgabe der Hemmung übernimmt bei Uhren mit analoger Anzeige ein Schrittmotor.

Legt man nun eine elektrische Spannung an den Quarzkristall an, beginnt dieser zu schwingen. Grundlage hierfür ist der piezoelektrische Effekt, der 1880 von Pierre und Jacques Curie entdeckt wurde. Wie schnell der Kristall schwingt, hängt von seiner Größe und Form ab. Der Quarz in Armbanduhren ist nur wenige Millimeter groß und besitzt meist die Form einer Stimmgabel. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass der Kristall mit dem Industriestandard von genau 32,768 kHz oder 32.768 Schwingungen pro Sekunde schwingt. Diese Schwingung wird vom Schaltkreis ausgelesen und in einen Impuls „übersetzt“: präzise ein Impuls pro Sekunde. Dieser ist wiederum das Signal an den Schrittmotor, den Sekundenzeiger einen Schritt weiterzubewegen.

Dank der deutlich höheren Frequenz des Quarzoszillators sind Quarzuhren ihren mechanischen Verwandten in Sachen Präzision meist um einiges überlegen. Die Gangabweichung einer Quarzuhr liegt im Schnitt bei 10 bis 30 Sekunden pro Monat. Mechanische Uhren erreichen diese Gangabweichung oftmals schon nach nur einem Tag, wobei gut regulierte Uhrwerke auch zu deutlich besseren Leistungen in der Lage sind.

Ein weiterer Vorteil von Quarzuhren ist, dass sie kaum mechanische Bauteile enthalten. Von Erschütterungen oder Magnetfeldern bleiben solche Zeitmesser daher unbeeindruckt. Ohne mechanische Teile gibt es auch keinen Verschleiß. Revisionen, wie sie bei Uhren mit mechanischen Kalibern alle 3 bis 5 Jahre sinnvoll sind, benötigen Quarzuhren nicht. Die Uhren müssen zudem nicht alle paar Tage mit frischer Energie versorgt werden. Es reicht, alle zwei bis drei Jahre die Batterie zu wechseln.

Trotz dieser unbestreitbaren Vorteile genießen Quarzuhren bei Uhrenfreunden nicht den besten Ruf. Die Gründe hierfür sind vielfältig. Das am häufigsten gebrauchte Argument ist die fehlende „Seele“. Für die meisten ist selbst das einfachste mechanische Uhrwerk ein faszinierenderer Anblick als ein Quarzwerk – ein mechanisches Werk steht für Handwerkskunst, ein Quarzwerk für maschinell gefertigte Massenware. Natürlich gibt es auch hier Ausnahmen von der Regel, beispielsweise die Oysterquartz-Werke von Rolex.

Vor- und Nachteile von Uhren mit Quarzoszillator

  • Besonders präzise
  • Unempfindlich gegenüber Stößen und Magnetfeldern
  • Geringer Wartungsaufwand
  • Lange Gangreserve
  • Schlechtes Image als Massenware
  • Betrieb mit umweltschädlicher Batterie
  • Geringer Werterhalt

Andere Oszillatoren

Grand Seiko Heritage SBGA465 mit Spring-Drive Technologie
Grand Seiko Heritage SBGA465 mit Spring Drive Technologie

Es gab in der Geschichte der Uhrmacherei immer wieder Versuche, andere Oszillatoren als Taktgeber einzusetzen. Zu den interessantesten Entwicklungen der letzten Jahrzehnte zählt sicher das Spring Drive von Seiko. Den Ingenieuren des japanischen Uhrenriesen – der einst die erste in Serie gefertigte Quarzarmbanduhr auf den Markt brachte – ist es gelungen, die Präzision des Quarzoszillators mit dem Sexappeal eines mechanischen Uhrwerks zu verbinden.

Auch Zenith geht mit dem vor wenigen Jahren vorgestellten „Zenith Oszillator“ neue Wege. Es handelt sich dabei um ein einziges Bauteil aus monokristallinem Silizium, das sowohl die Unruh als auch die Hemmung ersetzt. Die Schwingfrequenz beträgt 15 Hz, was Uhrwerke mit dieser Technik laut Zenith zu den präzisesten mechanischen Werken aller Zeiten macht.


Über den Autor

René Herold

Mein Name ist René Herold und ich bin durch eine Stellenausschreibung auf Chrono24 aufmerksam geworden. Ich muss ehrlich zugeben, dass Uhren vor meinem Engagement bei …

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