動力裝置的結構與應用

動力裝置的結構與應用__認識石英錶

*曾昭銘、**王勝輝 *國立新竹女中生活科技專任教師、高師大工業科技教育學系教學碩士班研究生 **高雄縣立大樹國小教師、高師大工業科技教育學系教學碩士班研究生 壹、前言 鐘錶一直是科技與工藝的產物，也是時尚流行與品味的代表。自古以來，人 類就不斷嘗試著研發精準的計時工具。西元 1088 年中國宋朝時發明了水鐘(水運 儀象台)，西元 1564 年德國製造了世界第一只的懷錶，西元 1868 年ＰＰ錶廠製造 了世界第一只機械錶，西元 1969 年日本著名的鐘錶公司精工「SEIKO」製造了 世界第一只石英錶。而今日的手錶不再只是計時工具，隨著電子技術的延展，有 的手錶可聽ＭＰ３、具有手機的通訊功能…等，多樣式的手錶已充斥在我們的四 周。 本單元以「認識石英錶」為主題，說明其相關動力裝置的結構與應用，為高 中生活科技「能源與運輸領域」的「動力裝置的結構與應用」課程延伸，使學生 能實際了解日常生活中石英錶的構造、動作原理及相關知識。而在學習活動上， 以引導學生小組分組的方式，拆裝部份的石英錶構件，體悟微小的機械構造及電 子元件的功能，培養學生對動力裝置的興趣。 貳、教學目標 1.瞭解生活中常見的動力裝置 2.瞭解電能與動能的轉換方式 3.瞭解馬達的種類及在動力裝置上的應用 4.認識機械錶、石英錶、電子錶的特性 5.了解石英錶的基本構造及各部位功能 6.熟悉石英錶的基本動作原理 7.認識石英錶而正確使用 8.培養小組合作學習的態度與團隊精神

參、教學對象 高中二年級 肆、授課節數 4 節課 伍、材料與機具 本活動使用的機具與材料如表 1、表 2 所示。 表 1 材料表 名稱 規格 數量 備註 石英錶機蕊 2035 25 教具（必備） 表 2 機具表 名稱 規格 數量 備註 三用電錶 數位式 1 台/組 量測水銀電池之電量 電子夾(鑷子) 2 支/組 用於夾取石英錶之細小零組件（必備） 螺絲起子 一字 2 支/組 裝卸石英錶之細小零組件（必備） 放大鏡 2 支/組 用於夾取石英錶之細小零組件（必備） 收納盒 2 個/組 用於收取石英錶之細小零組件（必備） 數位攝影機 1 台/班 配合單槍投影機，將機械構件及細微的 拆裝方式顯示在投影幕上 單槍投影機 1 台/班 配合攝影機，將機械構件及細微的拆裝 方式顯示在投影幕上 電腦 1 台/班 配合單槍投影機，將教學資料顯示在投 影幕上 註：1. 表 1、表 2 所列清單均為必備，其餘可視學生需求做為教學參考之用 2. 每組 4 人 3. 材料表及機具表項目內之注意事項，請參閱「捌、教學注意事項」。

陸、教學步驟 節數 教師活動 教學 目標 學生活動 教具器材 備註 一、準備活動 1.蒐集教學資料與圖 片，研讀相關資料。 2.準備教材及投影片。 1 二、發展活動 1. 說 明 生 活 中 常 見 的 動力裝置。 2.說明電能與動能的 轉換方式。 3. 說 明 馬 達 的 種 類 及 在動力裝置上的應 用。 4.提示手錶種類、特性 及與發展。 5. 說 明 石 英 錶 的 動 作 原理。 z可適時提問要求學 生回答或分享 1 2 3 4 z學生能了解 z能回應老師所給 的觀念與問題或提出 自己的意見 z能說出電能與動能 轉換的方法 z舉例說明馬達在在 動力裝置上應用的 類型 z能瞭解石英錶的動 作原理 數 位 攝 影 機 單 槍 投 影 機 電腦

6.進行分組，每組 4 人 7. 發 給 由 每 人 一 份 實 作學習單 8. 發 給 由 每 組 二 顆 石 英錶機蕊 9. 講 解 拆 裝 時 需 注 意 的重要因素： z如何拆裝電池 z測量水銀電池電 量是否充足 z如何拆裝ＩＣ板 10.提示學習歷程檔案 之內容並要求學生 開始組裝工作 2 3 5 6 z進行分組 z在老師說明時能閱 讀作學習單 z了解石英錶機蕊構 造 z利用課餘時間查詢 相關知識及生活中 可應用之方式 石 英 錶 機 蕊 數 位 攝 影 機 單 槍 投 影 機 電腦 分組約 5 分鐘 教師於下 課前檢查 進度 2 11. 提 示 拆 裝 時 之 注 意事項，包括各電 子 元 件 、 歩 進 馬 達 、 機 構 齒 輪 辨 識，並要求學生相 互合作路，減少拆 裝錯誤及零件掉落 及損毀的發生。 2 3 5 6 z決定小組小作分工 z討論拆裝的方式 z選出所要拆裝的機 構部份。 z依照學習單歩驟拆 裝相關材料與工具 石 英 錶 機 蕊 數 位 攝 影 機 單 槍 投 影 機 電腦 教師於下 課前檢查 進度 12.指導各組拆裝之 細部改進： 13.巡視各組工作進行 ：z石英錶之拆裝 z機具之使用 z進度之掌控 5 6 z進行工作，並視進 度完成學習歷程檔 案相關內容要項。 生 活 科 技 教 室 提 供 部 分 材 料 與 工 具 如 表 1、表 2 所示 指導學生 進行相關 進度 注意學生 製作之安 全

1 三、綜合活動 1.學生報告心得及各 組作品展示 2.老師講評 3.單元總結 4.完成本活動總評 6 7 z能對石英錶做初級 的維修工作 z能分享組裝心得與 知識 z繳交文件 z能對他人表達自己 的意見 柒、教學評量 一、本單元兼重形成性與總結性評量 二、總評參酌要點如表： 參酌要點 佔分比率（%） 認知 實作學習單： z內容充實程度 z內容的正確性 30 技能 作業呈現： z操作歩驟 z正確拆裝 z觀察石英錶之構件 z妥善維護石英錶的構件 z平時上課的工作進度 50 情意 z學習態度與精神 z參與討論的程度 z互助合作的程度 20 捌、教學建議事項 一、鐘錶的維修技術是一門專業的技術，很多老師也許不敢嘗試這樣的課程， 但本單元的設計，只是要學生拆裝石英錶中的電池、ＩＣ板、面板、龍芯等易於

拆卸的部份，至於齒輪組部份，則因牽涉極高的技術，在此不建議學生拆卸，但 可用放大鏡觀察其構造與作用。因此，以高中層度的學生應可接受此課程，並深 感興趣。(相關之拆卸歩聚與方式，請參閲「拾壹、錶的各部位零件及修錶工具」) 二、本課程所使用的石英錶機芯 2035，教師可以向各地的鐘錶店索取或向 學校申請後購買。因教學使用，故只需申請或購買一顆功能正常的石英錶機芯， 其餘用於學生拆裝部份之材料，只要購買店家所剩下的功能不正常的報廢品(店 家很多，購買數量不多時，有時會半買半送喔！但要記得連報廢的電池也要索 取)。以報廢品的價格，一顆應可低於 100 元，另外，目前市面上的石英錶機芯 以編號 2035 為主，部份地攤上所販賣的石英錶機型其機芯殼為全部塑膠製，不 利於維修及拆裝，一有故障形同報廢，所以本單元之教學材料選用 2035。 三、實作時，教師可使用攝影機配合單槍投影，將細微的拆裝方式顯示在投 影幕上，教學效果會更好。 四、實作前，請教師務必每組準備二個小的收納盒，收取學生拆裝後的石英 錶零組件，如電池、ＩＣ板、面板、螺絲等，以免微小的零組件損毀或遺失。另 外電子夾(鑷子)及一字螺絲起(小口徑)、放大鏡(可請學生自備)皆是不可少的工具 。 五、本課程的課堂秩序管理非常重要，務必要求學生先明白操做歩驟後再進 行實做。 六、教師除了在課堂中介紹機械錶、石英錶、電子錶三種類的辨別之外，也 可授予學生如何保養石英錶的簡易知識，如進水時之處置、更換電池等等，非常 生活化的課程。 七、教師也可要求學生至附近的鐘錶店參觀，或與鐘錶店老闆進行訪談，大 部份的老闆都會很樂於傳授學生鐘錶的相闗知識喔！ 玖、教學相關資料 一、手錶的種類和差異 （一）手錶的種類 目前市面上的手錶，樣式雖然繁多，但歸納起來可以分為三種：機械錶、 石英錶及電子錶。此三種手錶因為內部構造不同，所以在功能、準確度、傳動 方式、計時方式上，都有所不同。一般規格的機械錶及石英錶，其錶之正面都

很相似，如圖 1 所示為機械錶正面，可看見龍芯、日期、時分秒針及面板。 圖 1 錶的正面板 （二）機械錶 、石英錶及電子錶三者的差別 １.機械錶 其內部構造均是由機械零件所構成。利用龍芯上緊發條，再利用發條 馳張的力量，轉動齒輪，經過一連串的轉換之後，帶動秒針、分針、時針 以達到計時的功能。其普通的上鍊機械錶如圖 2 所示。 圖 2、普通的上鍊機械錶 資料來源：邱岳輝(1980)。電子錶原理設計與修護。台北：全華科技圖書股份有 限公司。

如圖 3 所示，為上鏈型機械錶，需每天轉緊發條以提供錶的動力來源。由機 械錶的背面觀察，其利用不同直徑大小的齒輪傳送動力。大貫車輪之下處，即為 發條輪，其內裝有發條，旋轉龍芯使發條緊縮，再利用其弛張之力量產生動能， 使發條輪帶動其他齒輪轉動。擺輪(車芯輪)則可以穩定的來回轉動速率，控制時 刻的進度。 圖 3 機械錶的背面 2.石英錶 其內部有電子電路及機械裝制二者相互配合而達到計時的功能。由 電池供給電源，石英晶體產生振盪提供 CMOS 積體電路一時脈信號， CMOS 積體電路再供給一驅動脈衝，使步進馬達轉動帶動秒針輪、分針 輪、時針輪。 石英錶的動作原理流程如下：由電池供給電源，石英晶體產生振盪提供 CMOS 積體電路一時脈信號。CMOS 積體電路再供給一驅動脈衝"使步進馬達 轉動帶動秒針輪、分針輪與時針輪。以圖 4 說明之。 圖 4、石英錶的動作原理 石英晶體 振盪 水銀電池 ＣＭＯＳ 積體電路 歩進馬達 顯示時間 齒輪組

3.電子錶 就是一般所謂的數字錶。錶身由電池供給電源，石英晶體產生振盪供 給 CMOS 積體電路時脈信號，CMOS 積體電路為一連串除頻電路、計數 器、編碼電路等，產生計時的功能，再輸出至液晶顯示板 LCD 上顯示出 時間。 （三）如何分辨石英錶和機械錶 通 常 在 手 錶 的 面 板 或 後 底 蓋 會 註 明 錶 的 類 型 ， 若 是 QUARTZ 則 表 示 為 石 英 錶 ， 若 是 AUTOMATIC 則 為 機 械 錶 。 另 外 的 一 種 辨 識 的 方 法 是 觀 看 手 錶 秒 針 的 行 走 方 式 ， 如 果 秒 針 是 一 秒 一 秒 跳 躍 式 行 走 的 話 ， 就 是 石 英 錶 ， 反 之 ， 若 是 連 續 式 (非 跳 躍 式 )行 走 則 是 機 械 錶 。 一 般 而 言 石英錶準確度比機械錶高。 二、石英錶的基本結構及各部位功能 依照石英錶的結構（如圖 5 所示），可以簡分六大部份。1.外殼及龍芯； 2.電池；3.石英晶體；4.CMOS 積體電路；5.步進馬達；6.齒輪組。每一部份都 有其特定的功能，分別敘述如下: 圖 5、石英錶的基本結構 （一）外殼及龍芯 一般的外殼還包括鏡面、錶蓋。鏡面可以顯示目前的時間，錶蓋則可以

拆開，以便於維修。龍芯則是用來調整時間，有些為二段式，可分別調整日 期和星期，視機芯構造不同而有所區別。其機芯與龍芯部份構造如圖 6 所示。 圖 6 石英錶 2035 機芯與龍芯 （二）電池 石英錶的能量來自細小的電池，因為 CMOS 元件的消耗電能非常低，使 得以 COMS 技術製成的電子產品─石英錶，使用 1.5 伏特的電池，可以輕易 達到半年以上更換電池的優點。由於氧化銀的放電曲線非常平坦，所以供電 穩定。一旦電壓降低到維持電壓以下時，即停止動作。 （三）石英晶體 石英晶體為二氧化矽的純正結晶，其為一種壓電材料，當它受壓時表面 會產生電壓。若在它的表面接上電壓，晶體的形狀則會有輕微的改變，這種 振動是十分穩定的，幾乎不為溫度所影響。石英錶則在石英晶體上加電，使 之以 32768 赫茲的周波數振動，再利用 CMOS 積體電路將此分頻成 1Ｈｚ的 信號電流周波數。再增加些信號的幅度（由於因振動而產生的電流甚弱），跟 著些信號電流再發動轉子齒輪運轉。石英錶中的石英振子呈音叉形狀如圖 7 所示。

圖 7、石英錶之石英振子 資料來源：陳冠倫(2001)。解體新書，頁 133。台北：良辰出版事業有限公司。 石英錶所以能達到月差 15 秒的準確度，有一部份就是因為石英晶體所控製 的振盪器。以此振盪頻率為基礎的時脈信號，其提供 CMOS 積體電路正常工作。 （四）CMOS 積體電路 因為石英錶中，有一個步進馬達作為傳動機構。為了控制步進馬達準確 的轉動，以達成正確的計時功能，所以有一組 CMOS 積體電路，產生一個脈 衝信號，推動步進馬達轉動。CMOS 因具有低耗電的功能，非常適合使用於 石英錶內，不過，須注意靜電干擾的問題。 （五）步進馬達 步進馬達是石英錶和電子錶最大差別，使石英錶界於數位和類比之間(如 圖 8 所示)。CMOS 積體電路為數位部份 。而步進馬達和其後級的齒輪組， 則可說是類比部份。石英錶所使的步進馬達，係由線圈捲筒、定子及轉子所 構成，如圖 9、圖 10 所示。

圖 8、石英錶與電子錶之差異

資料來源：李勉民(1986)。奇妙的發明，頁 77。香港：讀者文摘遠東有限公司。

圖 9、石英錶之步進馬達解剖

圖 10、石英錶之步進馬達 資料來源：辰白(1993)。歩進馬達技術活用手冊，頁 129。台北：建興出版社。 石英錶所使用的步進馬達以平面式雙極單相步進馬達為主。其可分為三部份 介紹。 １.線圈捲筒，係於高導磁係數之材料所構成的磁心上將直徑極細的氨基甲酸 乙酯膜線，纏繞 5000~10000 次左右。 ２.定子是採用和磁心不同的較高導磁係數材料，在中央轉子插入孔附近，則 連接有寬度甚窄的磁性電路結構。定子上的缺孔部份，改變其角度，則可 執行轉子靜止位置的穩定控制，轉子位置如圖 11 所示。 ３.轉子旋轉軸徑向上，安裝有雙極性已磁化的環狀磁鐵。旋轉軸尚可執行轉 子旋轉運動傳動齒輪結構。其外徑為 1.0~1.5mm 左右、厚度 0.3~0.5mm 左 右，材料為燒結式的衫相鍛鈷磁鐵。轉子經由驅動電路控制後，以一秒鐘 轉動半圈，也就是 180 度，來傳動後級（如圖 12 所示）。 圖 11 轉子位置

圖 12、轉子旋轉軸 資料來源：辰白(1993)。歩進馬達技術活用手冊，頁 132。台北：建興出版社。 （六）齒輪組 經由步進馬達轉動後傳動齒輪組中的齒輪。齒輪組中有三個最重要的齒 輪：秒針輪、分針輪、時針輪。另外有些不同的機型中，還會有專門控制星 期、日期的齒輪，視其機型而定。本次所採用的石英錶機型為編號 2035， 為最簡單的一種。秒針輪共有 60 齒，每一次轉動一齒，也就相當於 6 度。 經過倍率轉換，推動分針輪、時針輪。 三、石英錶的拆卸歩驟 石英錶各部位名稱及結構，請參閱圖 5，拆卸後的各部位元件如圖 13 所 示。其拆卸歩驟如下： 1.用鑷子壓正鴨嘴(箭頭所指之處)，拔開龍芯。 2.拆除電池及Ａ、Ｂ、Ｃ三處螺絲(有紅色圓圈處)，即可看見完整的齒輪組 及 CMOS IC 板。 3.拆除Ｄ螺絲(有紅色圓圈處)，即可取下馬達線圈。 圖 13 石英錶拆卸後的各部位元件

四、修錶常用的工具 本小節的工具在教學活動時並非全部都要使用，必備之工具已於「伍、材 料與機具」之「機具表」中加以註明，在此僅加以介紹並補充說明可替代之工 具。 （一）修錶用之放大鏡 如圖 14 所示，為修錶用之放大鏡，其附有掛環，可掛於頭部方便觀看。 此工具在教學時可免，請同學自行準備任何型式放大鏡代替即可。 圖 14 修錶用之放大鏡 （二）鑷子或電子夾 鑷子（電子夾）如圖 15 所示，可用於夾取細小的機件，如縲絲、齒 輪、電路板、秒分針等。因石英錶錶之機件十分微小，故在取用時最好使 用鑷子。 圖 15 鑷子 （三）一字型螺絲起子 螺絲起子(如圖 16 所示)，其主要用來拆裝外殼、電路板及齒輪組間的縲 絲，石英錶機芯中的螺絲多為一字型，故本教學活動要準備一字型螺絲起 子，此為必備工具。

圖 16 一字型螺絲起子 （四）開錶器 開錶器(如圖 17 所示)主要是用來打開「後蓋鎖牙式」的錶蓋，若是「壓 後蓋式」的錶蓋則可用一字型螺絲起子或小刀直接挖開即可，因本教學活動 不開錶蓋，故此工具可無。 圖 17 開錶器 （五）清潔器 清潔器(如圖 18 所示)，其主要是用來清除機芯內的雜垢，使用開錶器開 錶時，有可能使錶蓋上的雜垢掉入機芯內，只要有一點雜垢就有可能影響齒 輪組的運轉，若是金屬類的雜垢，更有可能引起電路板短路，而使石英錶損 毀，因此可善用清潔器來清除雜垢。在教學活動時，此清潔器也可省略或是 以相機的清潔器代替，兩者的效用皆相同。 圖 18 清潔器 五、石英錶保養與簡易維修須知 鐘錶都是由許多精密零組件所構成，使用時應避免使其碰摔、受潮，正確

的使用方法與適時的保養將是維持鐘錶繼續運轉的不二法則。筆者家中經營鐘 錶行業已數十年，在此提供保養與簡易維修須知如下： （一）石英錶若是停走或是計時變慢，則有可能是電池電量不足，應盡快更 新電池。若長時間不使用，則應將電池取出後，以免電解液流出，腐蝕手錶 機芯。（通常一顆電量充足的水銀電池使用年限約是一年） （二）手錶每隔一、二年最好送給店家保養及檢俢，才能增加使用年限。 （三）「換日自動系統」於夜間９點至凌晨３點之間啟動，勿於此時校正時間 及日期以免損害其功能。 （四）校正時差時，應選擇單一對時目標，以免影響對時的正確性，一般對 時可以電話１１７報時為準。若是校正數次仍然有時差，請送店家檢查。 （五）簡易防水功能判別 １.壓後蓋方式 其具有抗水氣入侵之功能，但不宜去浸水及游泳，洗手時的防水性則 可。 ２.後蓋鎖牙方式 防水性較「壓後蓋方式」佳，可浸水但不得游泳潛水。 （六）進水時之處理方式 1.錶之鏡面上有霧氣 龍芯外抽至校時位置，將錶置於抬燈下 5 至 10 分鐘，再檢查霧氣是否 散去即可。也可使用吹風機加熱，但切記加熱不可太久。若無法消除 此現象，則請送至店家處理。 2.錶之鏡面上有水珠 此現象出現時，則表是進水情況嚴重，請立即送至店家處理。否則錶 內齒輪組件生鏽，那可真要大修了。 （七）鐘錶是由多數齒輪組成，容易因外力或撞摔，導致損壞。因此如果有 激烈運動時請暫時拔下或戴運動專用錶。 （八）手錶機件大多由金屬製成，應避免靠近磁性物體，以免影響準確性能。 參考文獻 邱岳輝(1980)。電子錶原理設計與修護。台北：全華科技圖書股份有限公司。

辰白(1993)。歩進馬達技術活用手冊。台北：建興出版社。 張志純(1980)。電子數字鐘錶之製造。臺北：徐氏基金會。 雄豪鐘錶：http://www.timeup.com.tw。

李勉民(1986)。奇妙的發明。香港：讀者文摘遠東有限公司。 陳冠倫(2001)。解體新書。台北：良辰出版事業有限公司。