Principes mécaniques de base

L’ORGANE RÉGULATEUR

Définition

L’organe régulateur est le dispositif oscillant qui fixe la cadence d’un mouvement horloger. L’organe régulateur des montres portées (de poche ou bracelet) est généralement le tendem balancier et spiral qui forme un oscillateur harmonique dont la période détermine la précision de la montre. Véritable cœur battant du mouvement, il traduit l’énergie accumulée dans le ressort-moteur en une succession d’oscillations régulières, conditionnant la régularité du décompte du temps.

 

Différents organes régulateur

Type d’instrument de mesure du temps Type d’organe régulateur Fréquence Précision
Horloges Pendule 0,5-1Hz
Montres mécaniques / pendulettes Balancier-spiral 5-10Hz env. 5s/jour
Montres électroniques Diapason 300-720Hz env. 3s/mois
Montres électroniques Quartz 32’000Hz env. 1s/mois
Horloges atomiques Atomes (différents types) 429 228 004 229 873.2 Hz env. 1s/13mia d’années

Le pendule : C’est le plus ancien des oscillateurs mécaniques. Il consiste en une tige à laquelle est suspendue une masse dont la hauteur est généralement réglable. Il est présent dans la majeure partie des horloges et des pendules. C’est au début du 17ème siècle que Galilée observe que la période d’un pendule est constante, quelle que soit son amplitude (théorie de l’isochronomisme). Cette théorie sera affinée plus tard par Christiaan Huygens qui inventera ensuite le balancier-spiral. Les pendules permettent d’obtenir d’excellents résultats chronométriques. Malheureusement ils ne peuvent pas être déplacés en fonctionnement et ne concernent donc pas l’horlogerie portée.  Les pendules oscillent généralement à des fréquences comprises entre 0,5Hz et 1Hz. Les mouvements, les chocs et les différences de températures ont une influence sur la précision des horloges régulées par un pendule.

Le balancier-spiral : C’est l’organe régulateur de la plupart des montres mécaniques portées. Le balancier-spiral est inventé en 1675 par Christiaan Huygens. Cette véritable révolution permet depuis son invention de transporter des instruments de mesure du temps (chronomètres de marine, montres de poche puis montres-bracelet) alors que ceux-ci fonctionnen. Il se compose d’un volant d’inertie (le balancier) et d’un ressort fin en forme de spirale (le spiral). La fréquence des oscillations d’un balancier-spiral est généralement comprise entre 5Hz et 10Hz. C’est le type d’organe régulateur que nous détaillerons dans ce chapitre.

Le diapason : C’est un type d’organe régulateur destiné au montres électroniques (alimentées par une batterie). Il s’agit d’une lame d’acier découpée en forme de diapason. Un électro-aimant entretient les oscillations des lames du diapason par effet piezzo-électrique. Un tel oscillateur fonctionne dans une plage comprise entre 300Hz et 720Hz. Les vibrations du diapason permettent d’actionner des cliquets chargés de faire tourner la roue des secondes. De ce fait, l’aiguille de secondes d’une montre régulée par un diapason effectue 300 à 720 sauts par seconde et semble avancer de manière continue. Ce type d’oscillateurs a brièvement été utilisés au début des années 70 avant d’être dépassé par la technologie du quartz. De part leur technologie et la plage de fréquences (audible) du diapason, les montres équipées d’un tel résonnateur émettent un son continu aigu caractéristique.

Le quartz : Le principe du quartz est le même que le diapason. Un courant électrique continu fait vibrer un cristal de quartz taillé en forme de diapason. Par effet piezzo-électrique, le quartz entre en vibrations en oscillant à une fréquence de 32’000Hz (32KHz). Le quartz transforme le courant continu qu’il reçoit en un courant alternatif de cette même fréquence de 32KHz. Le circuit électronique du mouvement a pour rôle de réduire cette fréquence jusqu’à 1Hz afin de pouvoir alimenter régulièrement le moteur pas-à-pas de la montre.

Atomes de césium, de rubidium, de strontium : Le principe de tels organes régulateurs consiste à faire changer d’état énergétiques des atomes de césium 133 ou de rubidium). Ce changement d’état induit un rayonnement électro-magnétique des électrons de l’atome, dont la fréquence est élevée et pérenne. Ainsi la fréquence d’oscillation des atomes de césium 133 est de 9 192 631 770 Hertz et les dernières horloges atomiques à fréquences optiques permettent d’agiter des électrons de strontium à la fréquence de 429 228 004 229 873.2 Hz. La dérive de précision pour de telles horloges est de 1 seconde pour 13 milliards d’années (soit l’âge de l’univers). De telles horloges servent, outre la mesure du temps, l’observation astronomique, les sciences et la physique (recherche nucléaire, guidage satellites, systèmes de navigation etc.).

Origines historiques

L’histoire de l’organe régulateur plonge ses racines dans la découverte de la régularité des oscillations du pendule. Vers 1602, Galilée observe que la période d’un pendule est pratiquement indépendante de l’amplitude de ses oscillations (isochronisme), du moins pour de petits angles. Cette observation fonde la possibilité d’utiliser un oscillateur mécanique pour rythmer la mesure du temps.

En 1657, Christiaan Huygens applique ce principe aux horloges en intégrant un pendule régulateur, offrant une précision inédite pour l’époque. Peu après, en 1675, Huygens transpose le concept du pendule aux montres portatives en inventant le balancier-spiral : un balancier circulaire oscillant, rappelé par un fin ressort spiral. Cette innovation révolutionne l’horlogerie portable, car elle permet de miniaturiser l’oscillateur tout en conservant les propriétés d’isochronisme nécessaires à une bonne précision.

Ainsi, le couple balancier–spiral demeure jusqu’à aujourd’hui la base de la régulation en horlogerie mécanique.

 

Le balancier

Le balancier est un volant d’inertie, dont la fréquence dépend directement de son moment d’inertie et du couple de son spiral. Elle obéit à la relation :

 

 

où:

T= La période (durée d’une oscillation en secondes

I= Le moment d’inertie du balancier (Kg X m2)

M= Le couple du spiral (N X m)

 

  • Inertie ajustable : grâce à des masselottes (Microstella, Gyromax), l’horloger peut modifier la répartition des masses pour régler la fréquence avec une précision extrême.
  • Qualité des pivots : la stabilité de l’axe de rotation, protégée par des systèmes antichocs (Incabloc, Kif), garantit la régularité de l’oscillation.
  • Forme et géométrie : les balanciers modernes optimisent leur aérodynamisme pour limiter la résistance de l’air, surtout à haute fréquence (4 Hz, 5 Hz ou davantage).

Le spiral

Le spiral fournit la force de rappel nécessaire au retour du balancier vers sa position d’équilibre.

  • Matériaux : des spiraux en acier bleui du XVIIᵉ siècle, l’horlogerie est passée aux alliages élastiques et amagnétiques (Nivarox), puis au silicium, insensible à l’oxydation, au magnétisme et aux variations thermiques.
  • Géométrie : un spiral plat souffre de défauts de concentricité, corrigés par des courbes terminales (courbe Breguet, Phillips). Certaines montres de haute précision emploient des spiraux cylindriques ou sphériques, améliorant encore l’isochronisme.
  • Isochronisme : idéalement, la période de l’oscillation est constante, quelle que soit l’amplitude. Dans la pratique, des imperfections dans le spiral et des perturbations externes viennent altérer cette régularité.