Depuis toujours, l'homme s'efforce de mesurer et d'afficher le temps le plus précisément possible. Le cadran solaire fut une première solution idéale, car son affichage s'oriente sur le véritable chef d'orchestre de l'écoulement du temps. Le hic : il ne fonctionne que par beau temps. D'où l'idée géniale d'offrir aux montres davantage d'indépendance grâce à l'oscillateur.
Idéal pour mesurer le temps : des mouvements pendulaires à fréquence stable
Au fil de ses expériences, Galilée constata en 1632 que le poids n'a aucune importance pour la période d'oscillation d'un pendule et que l'amplitude y joue un rôle secondaire. Ce dernier point vaut surtout pour les petites oscillations. La longueur du pendule, en revanche, est déterminante. Ainsi, un pendule d'à peine un mètre de long met une seconde pour aller d'un côté à l'autre.
À cela s'ajoute que les mouvements pendulaires présentent une fréquence relativement stable, ce qui est essentiel pour la mesure du temps. Chacun peut s'en convaincre, car la balançoire d'enfant est une interprétation ludique du pendule : l'ensemble formé par la suspension et le siège impose la fréquence à laquelle on se balance. Toute tentative de l'influencer de manière significative est vouée à l'échec. Galilée comprit l'importance de ses recherches pour les instruments de mesure du temps, sans toutefois approfondir l'idée.
Pièces maîtresses de l'histoire horlogère : pendule pesant et balancier
Inspiré par la loi du pendule de Galilée, Christiaan Huygens découvrit qu'un oscillateur horloger doit être conçu de manière à pouvoir déployer longtemps et de façon constante son oscillation propre. Il conçut dans cette optique le pendule pesant tel que nous le connaissons aujourd'hui et fit construire en 1657 la première horloge à pendule. L'astronome comprit que son concept ne convenait qu'aux horloges fixes. Il travailla donc sur une roue montée sur pivot, qui fut prête à être commercialisée en 1674. Ce balancier sert depuis d'oscillateur aux montres que l'on souhaite utiliser indépendamment de leur position. Grâce à de meilleurs matériaux, outils et techniques, on miniaturisa ce composant jusqu'à ce qu'il trouve sa place dans les montres-bracelets.
Les connaisseurs savent que l'invention de Huygens se compose, à proprement parler, du corps oscillant monté sur pivot et d'un ressort spiral qui règle la fréquence d'oscillation. Un tel système oscillant est appelé oscillateur. Le terme technique s'applique aussi aux pendules d'horloge classiques, car ils réunissent eux aussi plusieurs fonctions d'un système oscillant.
Des oscillateurs quasiment insensibles aux perturbations
L'objectif premier de l'horlogerie est de reproduire l'heure légale aussi fidèlement que possible. Au XVIIe siècle, il était révolutionnaire que l'horloge à pendule de Huygens ne dérive que de 10 secondes par jour. Les inventeurs ne s'en contentèrent pas. Ils expérimentèrent des corps oscillants comme les pendules de torsion, qui permirent aux horloges à pendule rotatif d'atteindre des réserves de marche considérables. Il y a plus de 80 ans, l'alliage spécial Nivarox apporta de grands progrès dans l'optimisation du matériau des oscillateurs. Température, résistance de l'air ou humidité : plus on neutralisait efficacement les influences extérieures, plus les montres devenaient précises.
Les horlogers ambitieux comprirent en outre rapidement qu'augmenter la cadence améliore la précision. C'est particulièrement vrai pour les montres-bracelets, exposées à des influences comme les chocs. L'objectif était dès lors clair : intégrer aux montres des oscillateurs à la fréquence la plus élevée possible, tout en restant petits et avec une faible amplitude.
Minuscules prodiges de fréquence : les oscillateurs à diapason
Dans les montres-bracelets mécaniques, on obtient aujourd'hui du balancier 18 000 à 36 000 alternances par heure. Cela correspond à des fréquences de 2,5 à 5 hertz (Hz). Les maisons traditionnelles continuent de faire progresser la chronométrie mécanique de précision. En témoignent notamment les montres Slimline de Frederique Constant, qui ont impressionné lors de leurs débuts en 2021 avec leur fréquence de 40 Hz.
Cette hausse de fréquence est remarquable dans le domaine de la régulation mécanique. Comparée aux légendes horlogères visionnaires, elle paraît toutefois modeste. En 1921, Max Hetzel eut l'idée lumineuse d'introduire des oscillateurs en forme de diapason. Il fallut quarante ans pour que le concept soit commercialisable et devienne la signature de l'Accutron de Bulova. Elle impressionnait par sa fréquence de 360 Hz, qui réduisait les écarts à 60 secondes par mois. La montre à diapason à entraînement électrique se vendit à des millions d'exemplaires, mais fut vite supplantée par l'innovation suivante.
Le quartz, un oscillateur ultrarapide
En 1880, Jacques et Pierre Curie découvrirent que, lors d'une déformation élastique du cristal de quartz, les pôles électriques se déplacent, ce qui génère une tension électrique. À l'inverse, le cristal se déforme lorsqu'une tension électrique lui est appliquée. Ce phénomène, appelé effet piézoélectrique, explique pourquoi le cristal de quartz sert d'oscillateur dans les montres : il oscille à haute fréquence au profit de la précision de marche, tout en occupant peu de place. En 1928, Warren Marrison présenta une horloge à quartz fonctionnelle. Dix ans plus tard, les laboratoires pouvaient acheter les premières horloges de précision à quartz.
La montre-bracelet à quartz
Les performances des quartz oscillants progressèrent lorsque, face à la rareté des cristaux naturels, on passa à leur fabrication synthétique à partir de sable de quartz. On put ainsi agir sur la structure du cristal pour le rendre, par exemple, insensible à la pression et stable en température. D'autres défis furent relevés, jusqu'à la présentation, au début des années 1970, des premières montres-bracelets à quartz produites en série. Les pionnières dotées d'un oscillateur issu du laboratoire furent accueillies sous les applaudissements, comme la Seiko Astron, l'Astro-Quartz de Junghans ou la montre Hamilton Pulsar.
Les passionnés de technique furent stupéfaits de voir les premières montres de luxe à quartz frôler les 10 000 hertz. Peu après, améliorations conceptuelles et considérations pratiques aboutirent à la définition comme standard du quartz oscillant en forme de diapason à 32 768 Hz. Associé à un grand savoir-faire de fabrication chez l'horloger, il limite les écarts à 60 secondes par an. En comparaison, une montre mécanique de luxe est déjà saluée lorsque son écart de marche se limite à 2 secondes par jour.
Au-delà des montres-bracelets, le quartz n'est surpassé comme oscillateur que par l'élément chimique césium, qui caractérise l'horloge atomique conventionnelle. Son développement s'accéléra lorsqu'en 1940 on obtint, pour l'imagerie par résonance magnétique, des connaissances essentielles sur la résonance magnétique. Son taux d'erreur était sensationnel : une seconde en 30 millions d'années. L'horloge au césium, qui renferme d'ailleurs elle aussi un quartz, est aujourd'hui surpassée par des horloges atomiques à impulsions laser. Leur écart de marche est d'une seconde en 100 billions d'années.
Pas de performance convaincante sans un ensemble parfait
Tout oscillateur est freiné par l'amortissement. Il a donc besoin d'énergie pour se mettre en mouvement et le rester. Poids, ressorts spiraux ou piles y pourvoient. Cet apport d'énergie se dissiperait purement et simplement sans une autre invention géniale du mouvement horloger : l'échappement. Ce n'est qu'en interaction avec de nombreux composants que les oscillateurs deviennent des donneurs de cadence dont les impulsions transmises correspondent à une seconde. Pendule, balancier et quartz oscillant : leur qualité ne se révèle que lorsque tous les composants sont excellents en eux-mêmes et parfaitement accordés entre eux. On trouve donc des oscillateurs aussi bien dans les montres mécaniques que dans les montres-bracelets à quartz, même s'ils sont de natures très différentes.
Quel est le rôle de l'oscillateur dans une montre ?
On répondrait de manière incomplète à cette question en s'en tenant aux oscillations. Par ses alternances régulières, l'oscillateur ne se contente pas de maintenir la montre en mouvement : il en contrôle aussi le fonctionnement. C'est pourquoi les horlogers l'appellent également organe réglant.