Principes mécaniques de base

L’ORGANE RÉGULATEUR (balancier-spiral)

Figure 1: Éclaté de l’organe régulateur

Figure 2: Plan de l’organe régulateur assemblé (balancier à vis, spiral plat)

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 tandem balancier et spiral qui forme un oscillateur harmonique dont la régularité de la période détermine la précision de la montre. Il traduit l’énergie accumulée dans le ressort-moteur en une succession d’oscillations régulières, conditionnant la régularité du décompte du temps.

Différents organes régulateurs

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 17^ème 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 fonctionnent. 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 2.5Hz et 5Hz. 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.).

Le système à balancier-spiral

Description et composants:

L’organe régulateur des montres mécaniques principalement d’un volant d’inertie appelé balancier et d’un ressort en forme de spirale d’Archimède appelé spiral. Le balancier est riveté sur son axe. Sur ce même axe est fixée l’extrêmité intérieure du spiral par l’intermédiaire de la virole (Figure 2 & Figure 3).

L’extrêmité extérieure du spiral est quant à elle fixée au coq par l’intermériaire du piton (Figure 2 & Figure 4).

Dans un angle α généralement compris entre 60° et 70° à partir du piton (Figure 5, point 1), la courbe terminale du spiral passe entre les deux goupilles de raquette (Figure 5, point 2). Les goupilles de raquette sont chassées sur la raquette (Figure 5, point 3) qui pivote avec un léger serrage, concentriquement à l’axe du balancier.

Important:

La présence ou la construction des différents composants de l’organe régulateur peut varier d’un mouvement à l’autre (p.ex.: présence optionnelle de la raquette ou d’un porte-piton mobile).

L’organe régulateur d’une montre mécanique comporte les composants suivants:

• Le balancier
• Le spiral
• L’axe de balancier
• La virole
• Le piton

Mouvements du balancier spiral:

Lors du fonctionnement de la montre, le balancier-spiral oscille concentriquement à son axe de part et d’autre de sa position d’équilibre également appelée « point mort » (Figure 7). Lorsque le balancier est poussé au delà de sa position d’équilibre (lors d’une impulsion ; voir organe de distribution) on arme alors le spiral. Lorsque l’impulsion se donne dans un sens, on arme le ressort en extension (Figure 6), et lorsque l’impulsion se donne dans l’autre sens on arme le ressort en contraction (Figure 8). Dans les deux cas, on crée un couple de rappel (moment élastique) qui ramène le balancier dans sa position d’équilibre (point mort) (Figures 6 à 8).

Relation mathématique:

La relation mathématique du balancier et du spiral est la suivante (voir: l’appairage du balancier et du spiral):