Principes généraux

L’ORGANE RÉGULATEUR (balancier-spiral)

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Figure 1: Éclaté de l’organe régulateur

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

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1. 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 de 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, ce qui conditionne la régularité du décompte du temps.

2. 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^e siècle que Galilée observe que la période d’un pendule est constante, quelle que soit son amplitude (théorie de l’isochronisme). 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 0,5 Hz et 1 Hz. Les mouvements, les chocs et les variations de température influencent 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 a été 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-bracelets) alors qu’ils 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 2,5 Hz et 5 Hz. C’est le type d’organe régulateur que nous détaillerons dans ce chapitre.

Le diapason : c’est un organe régulateur destiné aux montres électroniques (alimentées par une batterie). Il s’agit d’une lame d’acier découpée en forme de diapason. Un électroaimant entretient les oscillations des lames du diapason par effet piezo-électrique. Un tel oscillateur fonctionne dans la plage de fréquences comprise entre 300 Hz et 720 Hz. 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 utilisé au début des années 70 avant d’être dépassé par la technologie du quartz. Grâce à leur technologie et à la plage de fréquences audibles du diapason, les montres équipées d’un tel résonnateur émettent un son aigu continu caractéristique.

Le quartz : Le principe du quartz est le même que celui du diapason. Un courant électrique continu fait vibrer un cristal de quartz taillé en forme de diapason. Par effet piezo-électrique, le quartz entre en vibrations en oscillant à une fréquence de 32 kHz (32 kHz). Le quartz transforme le courant continu qu’il reçoit en un courant alternatif de cette même fréquence de 32 kHz. Le circuit électronique du mouvement a pour rôle de réduire cette fréquence jusqu’à 1 Hz afin d’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 énergétique des atomes de césium 133 ou de rubidium. Ce changement d’état induit un rayonnement électromagnétique émis par les électrons de l’atome, dont la fréquence est élevée et constante. Ainsi, la fréquence d’oscillation des atomes de césium 133 est de 9 192 631 770 Hz 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 sur 13 milliards d’années (soit l’âge de l’univers). De telles horloges servent, outre la mesure du temps, à l’observation astronomique, aux sciences et à la physique (recherche nucléaire, guidage par satellites, systèmes de navigation, etc.).

3. Description et composants (système à balancier spiral):

L’organe régulateur des montres mécaniques est principalement constitué  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’extrémité intérieure du spiral par l’intermédiaire de la virole (Figure 2 & Figure 3).

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

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À un angle α généralement compris entre 60° et 70° par rapport au piton (Figure 5, point 1), la courbe terminale du spiral passe entre les deux goupilles de la 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).

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

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

note: La plupart des spiraux en silicium intègrent le spiral, la virole et souvent le piton en un seul composant monobloc.

4. Mouvements du balancier spiral:

Lors du fonctionnement de la montre, le balancier-spiral oscille concentriquement autour de 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 l’organe de distribution), on arme le spiral. Lorsque l’impulsion est donnée dans un sens, on arme le ressort en extension (Figure 6), et lorsque l’impulsion est donnée 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 à sa position d’équilibre (point mort) (Figures 6 à 8).

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5. Relation mathématique

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