時計の仕組みと狂う理由

質問

デジタル時計はどうやって時を刻むのか仕組みを教えてください。
あとデジタル時計でも時間に狂いが生まれますよね？
それは何故おきてしまうのでしょうか？

あと大学にある程度の設備でそれらを確かめる実験方法を教えてください。

回答No.5

noname#215107

＞水晶発振子が発振しているのをみるためには
＞オシロスコープに直接繋げばいいんですか？

オシロスコープで見ることはできるでしょうが、ご質問の、精度を確かめる目的には使えないと思います。

原子時計によって較正されている時計は身近にあるのですから（例：NHKの時報や、JJYの長波放送など）、例えば１０日間に何秒狂うかを調べれば分かります。

クオーツ時計の精度は、水晶発振子の加工精度によります。
昔は、発振周波数を調整するのに、発振子を研磨して調整する職人もいたとか・・・（笑）

回答No.4

noname#215107

安く出回っているクオーツ（水晶発振子）式時計は、32,768Hzの水晶を使っています。この水晶発振回路は、1秒間に32,768回のパルスを出力します。
３２７６８という数字には意味があります。
２の１５乗＝３２７６８です。
３２７６８Hzのパルスを１／２に分周すると、１６３８４Hzになります。
これを１５回繰り返すと（32768/2/2/2/2/2/2/2/2/2/2/2/2/2/2/2＝１Hz）、1秒間に1回のパルスとなり、パルスが１回来たら時計を１秒進めるという仕組みになっています。

また１５ビットの二進数カウンターを使っても同じことが出来ます。
水晶発振回路のパルスが来るたびにカウンタを１増やします。
000000000000000（初期状態）
000000000000001（１回目）
000000000000010（２回目）
000000000000011（３回目）
000000000000100（４回目）
　　　　．
　　　　．
　　　　．
111111111111111（３２７６７回目）
ここでカウンターがオーバーフローします。ここで１秒経過したので秒針を１秒すすめます。
カウンターをリセットして最初にもどり以下繰り返し・・・・
000000000000000
　　　・
　　　・
　　　・

お礼

解答有難うございます。
水晶発振子が発振しているのをみるためには
オシロスコープに直接繋げばいいんですか？

回答No.3

a-saitoh

Ano.2の回答でほぼすべてが尽くされていますが、、、、

まず、デジタルというのはあくまでも表示方式の問題であって、
『デジタル「でも」狂う』という質問はそもそもナンセンスです。
いまどきのアナログ(針式)腕時計だって内部はデジタル回路だったりします。

デジタルアナログに関係なく、時計が時刻を刻む方式は主に二つしかありません。
・物理的な「物」の振動
　振り子や水晶振動子などの振動数を数える
・外界からもらう
　電源周波数に同期する(電力会社の周波数管理に依存)
　人工衛星の電波を受け取る（GPS)
・双方の組み合わせ
　いつもは水晶で動いていて1時間に1回くらい電波で校正する電波時計
・現代人の生活では使われない方式
　線香が燃える速度とか水が水槽にたまる速度に基づく時計
　日時計

振り子と比べて水晶の振動は安定していますが、それでも温度変化などの影響は受けます。高級なものでも1ヶ月で1秒がいいところでしょう。パソコンの内蔵クロックモジュールあたりだと1ヶ月に数分ほど狂ったりします。
水晶よりはさらに原子時計のほうが精度はいいのですが、とても枕元に置いたり腕につけて持ち歩いたりできるような大きさではないので、一般には使われていません。GPS衛星に搭載したり、天文台に設置したりはされています。
大学にある程度の設備で、水晶時計の誤差を計測するのは難しいと思いますよ。GPSレシーバをつかって、原子時計の時刻を得てこれを水晶時計と比べるのなら、比較的安価にできるでしょう。

お礼

解答有難うございます。
結構実験は難しそうですね。

回答No.2

A-Tanaka

デジタル時計の仕組みは、水晶発信子かセラミック製の発信子からなる発信機によります。原子時計の場合には、この振動子をCs（セシウム原子）の電子励起状態の遷移によって生じる周波数を基にしています。この最後の、振動子が刻む時間が、現在のUTC（Universal Time of Clock)と呼び、全ての時刻測定の基準になっています（2007年現在）。さらに、水素メーザ発振を用いた原子時計もあり、これは、長期間運用するとずれますが、短い時間ならば精密な周波数を発振できるので、基準原子時計と一緒に用いることで、秒単位以下の精密な時刻あわせをするときに用いられます。
更に、現在、QOM理論に基づいた試作原子時計があり、こちらになると、原子核内における、様々な励起状態の遷移まで測定できるという、凄く高精度の時計で、僅かな重力場（重力加速度）の変化によってさえ、時刻がずれてしまうほどの原子時計です（一般相対性原理による）。

なお、原子時計の場合には、時刻と記述していますが、正確には基準周波数のことだと思ってください。この基準周波数と、光の速度（これは、定数値）によって、波長を求めたり、距離を測定するなどの事に用いられているのです。

この振動子の基準周波数を下にして、２のべき乗で分周を行うことで、1秒としています。

さて、普通のデジタル時計の場合には、時刻が狂ってしまうのは、温度などの要素によります。なぜならば、水晶やセラロックなどの場合には、電圧を加えることで、僅かに振動子が振動することによって発振しています。しかしながら、これは物質ですから、温度膨張などの影響によって、振動子の長さが変化し、発振周波数が変わります。そのため、狂いを生じるわけです。

実験をするとなると、温度を変化させることが出来る場所と正確な測定器具が必要です。温度を変えることによって、水晶やセラミック振動子の長さを測定すればよいのです。

注）うるう秒を挿入するのは、UTCは物理的に安定した時刻なのですが、月が地球の周囲を回る公転運動による潮汐によって、地球の自転は僅かですが遅くなっています（なんと、計算によれば45億年前の地球の自転は、僅か8時間）。そのため、天体観測などで得られた補正値を加えることで、時間を調整しています。なお、JJYの精度は約3万年で一秒となっています。これは、現在のグレゴリウス暦から生じる誤差分を含んでいるからなのです。

・・・本当は、この質問は物理だと思いますけどね・・。

お礼

詳しい説明有難うございます。
勉強になりました。

回答No.1

Eureka_

だいたいの場合は、内蔵されているクロック生成装置(以前は水晶発振子だったようですが最近はそうでもないようです)に電荷を掛けて、出力される周波数から時間を逆算するんじゃなかったかと思います。

時間が狂うのはまあクロック出力の精度の問題でしょう。具体的な仕組みに詳しくないんでアレですが、そもそも世界一正確とされる原子時計でさえ狂うんですから。

お礼

有難うございます。
参考にさせて頂きます。