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HORLOGERIE

Depuis des millénaires, l’homme s’est préoccupé de la mesure du temps qui règle ses activités. À l’origine, c’est l’observation directe du Soleil qui permit de connaître l’heure, soit par la longueur de l’ombre portée par un style vertical, le gnomon, soit par la direction de cette ombre, au moyen du cadran solaire, dont le style est parallèle à l’axe du monde. Ces appareils servaient à la détermination de l’heure locale.

Environ 3 000 ans avant J.-C., sont apparues en Égypte les clepsydres, ou horloges à eau; plus tard, au quatorzième siècle de notre ère, les sabliers sont couramment utilisés. Ces appareils mesurent le temps par l’écoulement d’un fluide, eau ou sable. Ils ne permettent pas de déterminer l’heure mais servent à sa conservation durant un temps plus ou moins long. Il s’agit donc en fait des premiers garde-temps. La précision de tels instruments est toujours très faible, mais suffisante si le temps mesuré est court. Les sabliers ne sont plus guère utilisés de nos jours qu’à titre décoratif ou pour certains emplois ménagers.

On appelle communément horloge, un dispositif entièrement mécanique où l’écoulement continu du fluide est remplacé par le mouvement discontinu d’un rouage à roues et pignons dentés; l’énergie est fournie par un poids et restituée par petites impulsions discrètes à un organe, l’échappement, agissant lui-même sur un régulateur, le pendule. Dans les montres et les horloges transportables, le poids moteur est remplacé par un ressort enroulé en spirale et le pendule par le système balancier-spiral.

Quand Galilée eut établi les lois du mouvement du pendule, il entrevit la possibilité d’en faire un régulateur mais c’est à Christiaan Huygens que revient l’honneur d’avoir créé en 1657 la première horloge à pendule pesant et, en 1675, la première montre à résonateur balancier-spiral.

Dès le XVII^e siècle, on a cherché à utiliser les horloges pour la détermination de la longitude en mer. En 1762, John Harrison gagna le prix du Parlement britannique, décerné au savant qui donnerait une solution à ce problème, avec sa «montre marine n^o 4» dont le retard, lors de son premier voyage en Jamaïque, ne dépassa pas cinq secondes en deux mois, soit environ 1 15 en longitude.

Dès l’apparition des horloges, des mécaniciens, qui n’étaient pas encore horlogers, puis les savants les plus éminents se sont attachés à les perfectionner en augmentant leur précision et surtout en rendant leur marche indépendante des influences extérieures.

Tout au long des siècles il a fallu, pour mettre en pratique les découvertes des physiciens, pour tirer parti des calculs des mathématiciens et utiliser les alliages des métallurgistes, toute l’habileté des mécaniciens, puis des horlogers. On peut mentionner parmi les plus célèbres John Harrison, John Arnold, Ferdinand Berthoud, Pierre Le Roy, Abraham-Louis Breguet et Antide Janvier.

Dans l’échelle des durées, l’horlogerie se borne à un domaine extrêmement étroit, en relation avec ce que l’homme perçoit directement. Les instruments horaires fabriqués par l’industrie de l’horlogerie courante (montres, horloges, pendules, dispositifs pour chronométrages et pour applications industrielles) étaient essentiellement mécaniques ou électromécaniques jusque vers 1920-1960, selon leur catégorie. Ce sont maintenant des systèmes électroniques.

1. Horlogerie mécanique

Différents organes des horloges et des montres

Les quatre éléments essentiels qui constituent dès son invention l’horloge mécanique sont l’organe moteur, le rouage, l’échappement et le régulateur. L’organe moteur était à l’origine uniquement un poids mais, dès le XV^e siècle, pour les horloges portatives, il fut remplacé par un ressort, lame d’acier enroulée en spirale, enfermé dans un tambour denté, le barillet; le rouage , à roues et pignons dentés, a deux fonctions: distribution de l’énergie à l’échappement et affichage de l’heure par transmission du mouvement aux aiguilles; l’échappement fournit l’énergie par impulsions discrètes au régulateur chargé d’assurer la constance de la marche.

Ces quatre éléments, représentés pour la montre dans la figure 1, sont toujours présents dans chaque pièce d’horlogerie mécanique, qui comporte en outre un cadran et des aiguilles.

Le régulateur était le point faible des premières horloges qui présentaient pourtant un grand perfectionnement par rapport aux dispositifs comptant le temps par l’écoulement d’un fluide. C’était au début le foliot (fig. 2), simple traverse portant deux régules pour ajuster la durée des oscillations. Il ne possédait pas de période propre, celle-ci dépendant de la force fournie par l’échappement; il s’agissait donc d’oscillations de relaxation. Bien vite, on tenta de pallier partiellement ce défaut en limitant l’amplitude du mouvement du foliot par deux butées élastiques, fabriquées à l’origine avec des soies de porc.

Les savants les plus illustres, surtout au XVII^e siècle, se sont penchés sur ce problème et ont cherché à réaliser un régulateur ayant sa période propre, c’est-à-dire un résonateur. L’application par Huygens du pendule et du balancier-spiral aux instruments horaires en fit d’emblée des instruments de précision et ouvrit l’ère de la chronométrie (fig. 3).

Stabilisation de la période du résonateur

Les exigences de la précision augmentant sans cesse, on se rendit compte assez rapidement que la période des résonateurs dépendait d’un grand nombre de facteurs extérieurs qu’il fallut peu à peu maîtriser; ces facteurs sont de deux sortes: ceux qui sont inhérents à la construction et spécialement ceux qui découlent du mode d’entretien du mouvement, c’est-à-dire de l’échappement, et les facteurs extérieurs (cf. infra ).

Facteurs inhérents à la construction

On ne parlera ici que de l’échappement, organe chargé de fournir l’énergie nécessaire à entretenir le mouvement du résonateur, faute de quoi les oscillations de celui-ci iraient en s’amortissant jusqu’à l’arrêt. La théorie montre que la perturbation apportée par l’échappement à la période du résonateur est minimale lorsque l’impulsion est de courte durée et qu’elle a lieu au voisinage de la position d’équilibre, le résonateur oscillant librement le reste du temps.

L’échappement à verge et roue de rencontre, inventé il y a près de six siècles, est loin de remplir ces conditions; son fonctionnement est indiqué sur la figure 2. Il se compose de deux palettes montées sur une verge, qui viennent alternativement en contact avec les dents de la roue d’échappement (roue de rencontre). Le foliot monté à l’extrémité de la verge est donc en contact constant avec l’échappement. Le fait de remplacer le foliot par un résonateur à période propre ne supprime aucun défaut de l’échappement; les oscillations ne sont pas isochrones, c’est-à-dire qu’elles dépendent de l’amplitude. Cependant, vu sa simplicité, cet échappement a été utilisé jusque vers le milieu du XIX^e siècle dans les horloges d’appartement; certaines d’entre elles, malgré plus de deux cents ans d’âge, assurent encore un service régulier (horloges comtoises, pendules neuchâteloises).

Plusieurs centaines de types d’échappement ont été imaginés depuis l’invention de l’échappement à verge et roue de rencontre; ils tendaient tous à remédier au défaut d’isochronisme. Les deux systèmes les plus utilisés sont encore aujourd’hui: l’échappement à repos de George Graham pour les horloges à pendule et l’échappement libre à ancre pour les montres.

Dans l’échappement à repos (fig. 4) l’impulsion est de courte durée et a lieu au voisinage de la position d’équilibre du pendule. Le frottement pendant l’arc supplémentaire est réduit au minimum par l’emploi de palettes en rubis. Dans l’échappement libre à ancre (fig. 5), la roue d’échappement agit sur le balancier par l’intermédiaire d’une pièce, l’ancre: sur l’ancre proprement dite, deux palettes en rubis s’engagent alternativement dans les dents de la roue d’échappement; l’autre extrémité porte la fourchette dans laquelle pénètre la cheville, doigt en rubis porté par le balancier. Cet échappement remplit les conditions théoriques: impulsion de courte durée au voisinage de la position d’équilibre du balancier, celui-ci oscillant librement et sans contact avec l’échappement pendant l’arc d’oscillation supplémentaire.

Facteurs extérieurs

Les solutions trouvées pour réduire l’influence des facteurs extérieurs diffèrent selon qu’il s’agit du pendule ou du système balancier-spiral.

Le pendule

La période d’oscillation du pendule est donnée par la formule:

dans laquelle T est la période; I le moment d’inertie du pendule par rapport à l’axe de rotation; m sa masse; g l’accélération de la pesanteur; a la distance du centre de gravité à l’axe de rotation et l’amplitude.

Cette formule montre d’abord que la période augmente avec l’amplitude, ce qui est un grave défaut de ce type de résonateur; l’horloge retarde lorsque l’amplitude augmente et, à la limite, la période tend vers l’infini lorsque l’amplitude tend vers 180 degrés.

Comme en général l’amplitude est faible, on se contente des deux premiers termes de la parenthèse et l’on écrit, en confondant le sinus et l’arc exprimé en radians:

Le calcul montre qu’une horloge ayant une marche nulle pour 4 degrés d’amplitude retarde de 15 secondes par jour si l’amplitude augmente de 1 degré. On peut réduire cet important défaut d’isochronisme en maintenant l’amplitude aussi faible et constante que possible. L’emploi d’un poids comme force motrice résout le problème de la constance de l’amplitude.

En outre, la formule générale montre que la période dépend de la latitude par l’intermédiaire de g : une horloge réglée à l’équateur avance de 226 secondes par jour au pôle; la période dépend aussi de la pression barométrique , d’où la nécessité de faire une correction de poussée de l’air, et enfin de la température , à cause des dilatations. Ce dernier facteur est le plus important. La longueur du pendule augmente quand la température s’élève; avec une tige en acier, une horloge retarde de 0,5 seconde par jour quand la température augmente de 1 ⁰C. En 1715, G. Graham a réalisé la compensation avec un pendule dont la lentille creuse était remplie de mercure. Lorsque la température s’élève, la tige du pendule s’allonge, ce qui abaisse le centre de gravité, mais le mercure se dilate vers le haut et le fait remonter. L’acier se dilatant environ cinq fois moins que le mercure, en dosant judicieusement ce dernier on peut maintenir constante la longueur active a du pendule dans les limites des températures usuelles. C’est l’un des premiers exemples connus de mécanisme d’autorégulation.

Le pendule à gril bimétallique proposé par J. Harrison en 1753 est fondé sur la différence de dilatation entre deux métaux. La tige du pendule est formée de plusieurs tringles alternativement en acier et en laiton assemblées de telle façon que les unes se dilatent vers le bas, les autres vers le haut. Cette technique est analogue à la précédente mais le pendule est plus robuste et plus facilement transportable.

Il a fallu cependant attendre plus de deux siècles après l’invention du pendule pour que soit trouvée la solution définitive au problème de la compensation thermique grâce aux travaux de Charles-Édouard Guillaume, qui créa en 1897 l’invar , alliage de fer et de nickel à 36 p. 100 de nickel, dont le coefficient de dilatation linéaire est, à la température ambiante, près de dix fois plus petit que celui de l’acier. Le faible résidu de dilatation est compensé en faisant reposer la masse du pendule sur un court cylindre en laiton fixé au bas de la tige et se dilatant vers le haut. Cette solution fut adoptée pour toutes les horloges astronomiques à pendule jusqu’à leur remplacement par les horloges à quartz.

Pour les amplitudes très petites et en supposant la masse du pendule réduite à un point, la période est celle du pendule simple: T = 2 神 (l /g )^1/2, où l est la longueur du pendule. La période est alors indépendante de la masse, ce qui est approximativement le cas pour le pendule composé ordinaire. On remarque également que la longueur du pendule battant la seconde (période de deux secondes) est d’environ un mètre.

Résonateur à balancier-spiral

La période du balancier est de la forme:

I est le moment d’inertie du balancier par rapport à son axe; C est le couple de rappel du spiral pour un angle d’un radian, couple proportionnel au module d’élasticité (module de Young) de l’alliage et au moment d’inertie de la section droite de la lame. Cette période ne dépend pas de l’amplitude; les oscillations sont donc théoriquement isochrones.

Cette condition n’est cependant que partiellement réalisée, d’une part parce que le module d’élasticité varie avec l’amplitude, c’est-à-dire que le couple n’est pas rigoureusement proportionnel à la déformation, d’autre part parce que l’échappement, pour les raisons indiquées à propos du pendule, perturbe la période du résonateur. Or, dans la montre où l’énergie est fournie par un ressort, dont la puissance décroît lorsqu’il se détend, ce défaut est particulièrement accusé.

Différents dispositifs ont été utilisés pour maintenir la force motrice, donc l’amplitude, constante. Le plus efficace est la fusée , déjà utilisée par Léonard de Vinci, et qui s’est maintenue jusqu’au XX^e siècle dans les chronomètres de marine mécaniques.

La fusée (fig. 6) est un corps de révolution de rayon variable entraîné par une chaînette enroulée sur le tambour du barillet qui contient le ressort. Ce dernier agit sur le petit rayon de la fusée lorsqu’il est complètement armé, puis sur des rayons croissant au fur et à mesure qu’il se détend. Le couple transmis est constant si le profil de la fusée est bien calculé.

Les principaux facteurs extérieurs agissant sur la période du résonateur balancier-spiral sont: la pesanteur , la température , la pression barométrique , le champ magnétique .

Lorsque l’axe du balancier est vertical (montre en position horizontale), l’accélération de la pesanteur est sans influence sur la marche. Par contre, lorsque l’axe est horizontal (montre verticale) et si le balancier n’est pas parfaitement équilibré, un couple provenant de la pesanteur s’ajoute au couple de rappel du spiral et crée un défaut d’isochronisme. Le balancier doit donc être très bien équilibré. Simultanément, la pesanteur agit sur le spiral dont il n’est pas possible de maintenir pendant tout le mouvement, sans artifice particulier (courbes terminales), le centre de gravité sur l’axe du balancier.

La température agit non seulement sur les dimensions du balancier et du spiral, mais surtout sur le module de Young E de ce dernier, entraînant un retard d’environ onze secondes par jour lorsque la température augmente de 1 ⁰C.

Pour soustraire la marche des montres à cette influence, différents moyens ont été utilisés. On a cherché par exemple à compenser les variations de E par des variations, dans le même sens, de la longueur du spiral (Harrison, 1750; Berthoud, 1763) ou du moment d’inertie du balancier (Le Roy, 1751). Le balancier bimétallique dû à cet éminent chronométrier est encore utilisé dans les horloges décoratives.

Dans ce système (fig. 7) la jante du balancier (serge) est une lame bimétallique coupée en deux endroits, proches des bras. À l’extérieur se trouve le métal le plus dilatable, le laiton; à l’intérieur, le métal le moins dilatable, l’acier. Quand la température s’élève, les deux lames s’incurvent vers l’intérieur et le moment d’inertie du balancier diminue, compensant la variation dans le même sens du module d’élasticité. La compensation est ajustée par des vis fixées sur la jante et que l’on rapproche plus ou moins de l’extrémité libre des deux lames bimétalliques.

Malgré les perfectionnements apportés à la fabrication des balanciers bimétalliques, on ne peut éviter une erreur de compensation, pressentie peut-être par Ferdinand Berthoud (1770) et retrouvée par Dent vers 1830: une montre munie d’un balancier compensateur bimétallique, réglée à deux températures extrêmes, 0 ⁰C et 36 ⁰C par exemple, avance à la température moyenne.

La différence entre la marche à la température moyenne et la moyenne des marches aux températures extrêmes a reçu le nom d’erreur secondaire. Elle vaut environ 2 secondes par jour. Cette erreur résulte du fait que la correction thermique de la marche apportée par le balancier est linéaire, alors que la correction due au spiral est quadratique. C. E. Guillaume, vers 1900, résolut le problème en associant au laiton du bilame du balancier un acier ferronickel à 44 p. 100 de nickel (fig. 8).

Mais la méthode la plus directe pour soustraire la marche des montres à l’influence de la température est de fabriquer le spiral dans un alliage à coefficient thermoélastique nul. Ce problème de métallurgie fine fut résolu par C. E. Guillaume en 1920, après de nombreux essais. L’alliage dénommé élinvar (élasticité invariable) est un ferronickel au chrome. Son pouvoir compensateur n’est pas rigoureusement nul, mais est ajusté de façon à corriger les seules variations des dimensions du balancier et du spiral. Cette solution très élégante fut utilisée dans presque toutes les montres mécaniques.

Montres spéciales

Parmi les perfectionnements intéressants dus au génie des constructeurs, il faut citer le remontage automatique des montres, qui date de la fin du XVIII^e siècle, mais qui n’eut son plein succès qu’au moment de la mise au point des montres-bracelets vers 1920. Dans ces montres, une masse oscillante est mise en mouvement par les déplacements du bras et remonte continuellement le ressort moteur, par l’intermédiaire d’un rouage supplémentaire.

Pour les sportifs, il existe les montres-chronographes qui, contrairement à leur appellation, n’inscrivent pas le temps, mais le représentent par la position d’une aiguille que l’utilisateur peut mettre en marche et arrêter sur commande. Souvent, les montres-chronographes sont à «rattrapante». Dans ce cas, le chronographe porte deux aiguilles qui sont mises en marche simultanément; une seule peut être arrêtée pour la lecture d’un temps intermédiaire, l’autre continuant à enregistrer le temps total. Lecture faite sur la première aiguille, une pression sur un poussoir la fait rattraper la deuxième aiguille qui «court» toujours. Ce dispositif est utilisé par exemple lorsqu’il y a plusieurs coureurs en ligne, lors d’un départ simultané.

En plus du rouage destiné à entraîner les aiguilles, les horloges de tous temps et les montres, surtout anciennes, se doublent d’un rouage de sonnerie. Comme l’a écrit Pierre Mesnage dans Histoire générale des techniques (1965) «ce mécanisme doit être considéré avec respect, non à cause de son antiquité mais parce que c’est le premier exemple de mécanismes à programme, exécutant une suite de mouvements, tels que chacun d’eux est commandé par le précédent et assure le suivant; l’automatisme séquentiel est le développement de cette idée».

Certaines montres à répétition sonnent les heures, les quarts et les minutes. Les horlogers ont laissé libre cours à leur imagination en leur adjoignant parfois un calendrier, souvent perpétuel, qui marque les mois, les jours en tenant compte des années bissextiles, les quantièmes, les phases de la Lune, etc. A.- L. Breguet, vers 1800, a porté au plus haut niveau la qualité et la beauté de ces pièces prestigieuses.

2. Horloges et montres électroniques

Historique

L’électricité d’abord, l’électronique ensuite ont joué, dès leur apparition, un rôle déterminant dans la mesure du temps: en chronométrie de haute précision comme en horlogerie courante. L’électronique, en particulier, a permis d’accéder aux fréquences très élevées et très stables liées aux transitions des niveaux d’énergie d’atomes et de molécules. On a construit ainsi des garde-temps et des générateurs de fréquence extraordinairement précis.

Entre 1920-1930, époque des premiers travaux consacrés aux horloges à quartz, et 1970-1975, époque où la précision des étalons atomiques a culminé, il s’est écoulé un demi-siècle. Auparavant, les meilleures horloges à gravité (pendules de précision des observatoires) atteignaient très difficilement une précision de la milliseconde par jour (précision relative de 10^-8). Actuellement, les étalons de fréquence à jet de césium assurent 10^-13 soit 100 000 fois mieux.

Le Bureau international de l’heure à Paris (B.I.H.) a confirmé dès 1933 l’existence de variations saisonnières et séculaires dans la rotation de la Terre. En 1941, par exemple, l’amplitude de la variation saisonnière a dépassé 4 millisecondes (amplitude de la moyenne mensuelle des écarts). C’est une précision tout à fait insuffisante pour les besoins de la science moderne.

Dans notre quête d’un étalon de temps invariable, universel, reproductible, pouvant conduire à une échelle de temps uniforme, nous avons changé deux fois la définition de la seconde en moins de trente ans. Jusqu’en 1956, la seconde était la fraction 1/86 400 du jour solaire moyen, de 1956 à 1967, la fraction 1/31 556 925,974 7 de l’année tropique 1900; depuis 1967, la seconde est la durée de 9 162 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de l’état fondamental de l’atome de césium 133.

À ces différentes secondes étalons correspondent des échelles de temps distinctes, à savoir:

– pour la seconde de temps solaire moyen, l’échelle Temps universel (T.U.);

– pour la seconde de l’année tropique, l’échelle Temps des éphémérides (T.É.);

– pour la seconde atomique, l’échelle Temps atomique international (T.A.I.).

Le Bureau international de l’heure à Paris était responsable de la coordination de toutes ces échelles, ses activités dépendent depuis 1988 de deux organismes.

– le Temps universel coordonné (T.U.C.) résulte d’un compromis entre le T.A.I. et le T.U., c’est la base du temps en usage dans tous les pays (cf. tabl. 1).

Le temps légal, celui qui nous sert de référence pour remettre à l’heure nos montres et pendules, est toujours le temps universel. Ainsi le Soleil passe au méridien d’un lieu à peu près à midi, maintenant et pour longtemps.

Montres électroniques

Le développement de la montre électronique s’inscrit pour l’essentiel entre 1950 et 1980. Le marché se concentre sur deux types de produits, tous deux à quartz, qui se distinguent par le système d’affichage de l’heure. Ce sont, d’une part, les montres à quartz à aiguilles et, d’autre part, les montres à quartz où l’affichage est optoélectronique (fig. 9).

Les montres à quartz à affichage conventionnel à aiguilles ont encore une partie mécanique importante. L’affichage optoélectronique a éliminé pratiquement toute «mécanique» au sens cinématique du terme. En outre, ce type de montre a une structure qui permet bien d’autres informations que celles relatives à l’heure qu’il est. La montre solid state est en fait un minisystème de traitement de l’information qui peut tout aussi bien donner des informations de température, de pression, de vitesse de pouls que des informations horaires. Il faut pour cela compléter le système par les senseurs appropriés, et l’électronique par des processeurs et mémoires idoines. Alors que la montre mécanique, de par sa structure, est un système indéformable peu enrichissable, la montre électronique, par sa souplesse, ouvre le chemin à une multitude d’objets portables à fonctions diverses. Le tableau 2 résume la chronologie des principales réalisations des montres à quartz de chaque type.

Les progrès globaux sont bien sûr en relation avec les progrès liés à chaque composant de la montre électronique. Nous relatons ci-dessous l’essentiel de l’évolution de chaque composant de base.

Piles électriques pour montres

Génératrice de courant par transformation de l’énergie chimique, la pile électrique est connue depuis les travaux de Galvani (1790) et de Volta (1800).

La consommation d’énergie d’une montre électronique est très faible:

– une montre simple à deux aiguilles (heures et minutes) peut fonctionner à une puissance moyenne inférieure à 0,4 猪W;

– une montre multifonction exigera à peu près 5 猪W.

La source d’énergie doit être capable de fournir ces niveaux de puissance durant plusieurs années. En outre, on attend de la pile bouton qui alimente une montre électronique un ensemble de qualités qui se résument sommairement ainsi:

– grande densité d’énergie;

– tension de décharge aussi constante que possible;

– aptitude à fournir des puissances de pointe (moteur pas à pas: environ 1 mW; éclairage nocturne: 10 mW);

– bon comportement entre 漣 20 ⁰C et + 60 ⁰C;

– excellente étanchéité;

– autodécharge réduite, longue durée de vie;

– faible coût de fabrication.

Le volume des piles horlogères est compris entre 0,04 cm³ pour les petites piles (diamètre 6,8 mm, et hauteur 1,0 mm) et 0,75 cm³ pour les plus grandes (diamètre 24,5 mm, et hauteur 1,6 mm).

Les couples électrochimiques qui satisfont un tel ensemble de conditions ne sont pas nombreux. Les plus utilisés ont une anode de zinc. La cathode peut être soit l’oxyde de mercure HgO, l’oxyde d’argent Ag²O ou encore le dioxyde d’argent Ag-O. L’électrolyte est toujours aqueux alcalin, à base de soude NaOH ou de potasse KOH. Les piles qui doivent débiter des courants de pointes importants sont à la potasse. Celles destinées aux courants moyens et faibles (low drain ) peuvent être à la soude. Le tableau 3 résume les caractéristiques essentielles de ces trois couples.

Une montre de femme, équipée d’une pile de 0,1 cm³ (diamètre: 7,9 mm, hauteur: 2,1 mm) à l’oxyde d’argent (fig. 10) dispose, sous 1,5 volts, d’une capacité de 20 mAh. Elle aura une autonomie de deux à trois ans avec cette pile, pour un courant moyen de fonctionnement de 0,7 à 0,8 猪A. Pour fixer les idées, l’énergie qu’on consacre à chauffer de 25 ⁰C un bain de 200 l d’eau permettrait de faire fonctionner 200 000 montres électroniques pendant deux ans.

Les montres électroniques ont une autonomie supérieure à cinq ans lorsqu’elles sont équipées de piles au lithium. Avec ce type de pile, les courants d’autodécharge sont considérablement réduits (fig. 11).

Une faible proportion de montres électroniques sont équipées de cellules solaires, qui rechargent un accumulateur à travers des circuits électroniques appropriés. Cette disposition ne s’impose guère du fait que l’accumulateur a une fiabilité et une durée de vie (nombre de cycles de recharge) limitées.

On a aussi proposé des dispositifs thermoélectriques pour alimenter les montres (Centre électronique horloger de Neuchâtel et Bulova, 1982).

Le résonateur à quartz

L’élément capital d’un garde-temps est son résonateur. Il joue un rôle déterminant pour la précision et la stabilité du chronomètre.

Le quartz (bioxyde de silicium, silice pure) cristallise dans le système rhomboédrique. C’est un matériau avec lequel on fait des résonateurs exceptionnellement satisfaisants, pour deux raisons:

– parce qu’il jouit de propriétés élastiques et thermoélastiques intéressantes, permettant de faire vibrer des barreaux, disques, diapasons, lentilles, à des fréquences très stables, avec de grands facteurs de qualité;

– parce que le matériel est piézo-électrique, ce qui permet d’utiliser cette propriété comme transducteur d’entretien intégré avec le résonateur.

La piézo-électricité de certains cristaux a été mise en évidence par les frères Curie en 1880 (quartz, sel de Seignette, tourmaline).

Un résonateur à quartz peut être un barreau, un disque, une lame, un diapason, une lentille de dimensions précises et traitée, selon des orientations très particulières dans le cristal pour obtenir les fréquences recherchées et les propriétés thermoélastiques optimales. Ces éléments taillés et polis sont ensuite métallisés sur certaines de leurs faces afin de permettre la mise en œuvre des propriétés piézo-électriques. Suspendu ou encastré, soumis à une tension électrique alternative, un tel système peut vibrer et entrer en résonance. Ces résonateurs sont généralement encapsulés dans des enceintes sous vide d’air ou atmosphère neutre.

Les premiers travaux sur les quartz résonants pour applications chronométriques sont dus à W. G. Cady, en 1921. Scheibe et Essen, en 1929-1930, construisirent des horloges à quartz en partant de résonateurs en forme de barreau (Scheibe) ou d’anneau (Essen). Dans les horloges de haute précision, le résonateur est presque toujours placé dans un thermostat.

Le premier résonateur à quartz pour montre a été réalisé au Centre électronique horloger de Neuchâtel en 1966-1967. C’était un barreau XY à 8 192 Hz encapsulé sous vide. Les dimensions du boîtier étaient: 27,2 憐 5,7 憐 2,8 mm, soit un volume de 0,4 cm³.

On a réalisé des résonateurs pour montre électronique encapsulés dans des cylindres de 1,0 mm de diamètre et 4,2 mm de longueur, soit un volume de 0,003 cm³. Ces résonateurs sont plus de 100 fois plus petits! Les technologies mises en œuvre pour leur fabrication sont très différentes de celles qui ont permis de réaliser les résonateurs des années 1967-1970 (tabl. 4, et fig. 12).

La production annuelle des quartz destinés à l’horlogerie, montres, montres de voitures, jouets, pendulettes, etc., était estimée à plus de 900 millions d’unités en 1983; depuis lors, l’utilisation de ces quartz s’est étendue à une multitude d’appareillages domestiques et industriels.

Les quartz décrits ci-dessus ont une fréquence qui dépend de la température. La relation est quadratique. Les coefficients sont d’environ 漣 (3,5 梁 0,5) 練 10^-8/(⁰C)². Pour les quartz en mode de flexion à 32,768 Hz, on ajuste le point d’inversion vers 25 ⁰C: cela signifie qu’une variation de 梁 10 ⁰C de part et d’autre de 25 ⁰C fait retarder la montre de 0,3 s/j. On a proposé d’éliminer cette erreur par différents procédés:

– réalisation de quartz de coupe AT à quelques mégahertz de fréquence (4 à 10); ils ont une caractéristique thermique cubique, et les coefficients peuvent être réduits d’un facteur 100 environ sur une plage de 40 ⁰C;

– emploi de deux quartz couplés dont les points d’inversion sont éloignés d’une valeur identique de la température médiane;

– utilisation d’un quartz comme senseur de température (quartz thermomètre) afin d’intervenir sur la fréquence du quartz résonateur pour la corriger.

Ces applications sont destinées aux montres bracelets de très haute précision, chronomètres dont la variation annuelle d’état est inférieure à une dizaine de secondes.

Les résonateurs à quartz ont une dérive de fréquence qu’on appelle vieillissemement:

– pour le quartz flexion à 32 kHz, le vieillissement de fréquence cumulé sur 1 an est de l’ordre de 梁 3 p.p.m. au maximum;

– pour les quartz AT à 4 MHz, on a mesuré des valeurs pouvant atteindre parfois: 梁 0,3 p.p.m.

Pour les montres courantes, de tels vieillissements n’ont pas de portée pratique désagréable. Pour les chronomètres, cela peut jouer un rôle.

Moteurs

Les puissances mises en jeu pour faire tourner les trois aiguilles d’une montre à seconde centrale et les mécanismes d’indication de la date et du jour sont inférieures à quelques dixièmes de microwatt. Près de vingt configurations de moteurs ont été proposées et essayées par différents constructeurs. Finalement, depuis 1975 environ, la plupart des montres à quartz à aiguilles sont équipées de moteurs pas à pas électromagnétiques de type Lavet. Ce moteur s’est imposé par un ensemble de qualités supérieures à celles de tous les autres moteurs:

– grande simplicité (stator fixe, une seule bobine, longue et de faible diamètre, un seul aimant en samarium-cobalt de petit diamètre, donc de faible inertie, et un très faible encombrement, surtout en hauteur, ce qui convient bien aux montres plates);

– bon rendement, compris entre 20 et 50 p. 100;

– possibilité de réaliser, avec la même structure, des moteurs pas à pas bidirectionnels;

– grande souplesse pour les vitesses de rotation du moteur (en structure normale, on peut monter jusqu’à 1 500 tr/min en monodirectionnel);

– possibilité de réaliser des structures polyphasées (avec des moteurs biphasés on peut augmenter les vitesses de rotation jusque vers 6 000 tr/min dans les deux sens de rotation);

– possibilité d’asservir le moteur: on l’alimente avec une puissance proportionnelle à la charge mécanique demandée; ainsi, on peut limiter la consommation moyenne demandée à la pile; l’économie peut atteindre jusqu’à 40 p. 100, augmentant ainsi l’autonomie de la montre.

On apprécie de pouvoir faire tourner le moteur soit lentement soit rapidement, et dans les deux sens de rotation, dans les montres, qui sont équipées de fonctions complémentaires telles que les fuseaux horaires, un réveil, une fonction de chronométrage.

Circuits électroniques

Il n’était guère concevable d’imaginer des objets électroniques de petites dimensions, portables sur soi ou au poignet avant l’apparition du transistor. Celui-ci, proposé en 1948 par J. Bardeen, W. H. Brattain et W. B. Shockley aux États-Unis, a, par les possibilités de miniaturisation, par sa faible consommation et ses possibilités de fonctionnement à basse tension, été l’un des composants clefs du développement de l’horlogerie électronique. Les premiers brevets (Hetzel; Lavet) proposant des circuits électroniques à transistor pour participer à l’entretien de résonateurs pour montres datent de 1953.

Avec les montres électroniques à balancier moteur et à diapason, il était possible de travailler avec des circuits à un seul transistor. La fonction du circuit était de capter un signal sur le résonateur, de l’amplifier afin que le transducteur d’entretien reçoive l’énergie suffisant à assurer la vibration du résonateur. Dans ces premiers types de garde-temps à oscillateur de basse fréquence (face=F0019 麗 1 000 Hz), aucune division électronique de fréquence n’était nécessaire, le rouage de la montre était directement entraîné par un encliquetage mécanique.

La possibilité d’implanter dans la même plaquette de silicium des configurations à plusieurs transistors, interconnectés par des résistances et des capacités, date de 1959 (Kilby). Cela a ouvert la porte à des circuits monolithiques dits circuits intégrés. Le tableau 5 illustre le gain en surface (F) de silicium que la réduction des géométries d’intégration a permis dans les années 1980. Enfin, il est intéressant de rappeler l’évolution du prix des fonctions électroniques de l’ordre d’un facteur deux annuellement pour la plupart des composants depuis le milieu des années soixante-dix. Cela est dû à l’augmentation conjuguée du degré d’intégration, du rendement des procédés d’intégration et de la surface des gaufres (wafers ) traitées dans les fours de diffusion.

Affichages optoélectroniques

À côté de l’affichage classique de l’heure, mécanique, par aiguilles se déplaçant devant un cadran, on a vu dès 1970 environ des afficheurs d’information, numériques, alphanumériques ou analogiques établis à partir de phénomènes optoélectroniques.

On distingue généralement deux grandes classes d’afficheurs. Ceux qu’on appelle actifs, parce qu’ils émettent de la lumière, et ceux qu’on désigne par passifs, parce qu’ils manifestent leurs propriétés en modulant la lumière ambiante.

L’application à l’horlogerie implique d’un afficheur:

– une excellente lisibilité à toute ambiance lumineuse;

– une excellente esthétique;

– une tension de fonctionnement inférieure à 5 V;

– une faible consommation (face=F0019 麗 5 猪W);

– une longue durée de vie (face=F0019 礪 5 ans);

– un domaine thermique de fonctionnement compris entre 漣 10 ⁰C et + 60 ⁰C;

– une bonne vitesse d’affichage (temps de réponse 麗 500 ms pour l’affichage de la seconde).

Parmi les différents systèmes optoélectroniques proposés pour la montre, mentionnons pour mémoire les dispositifs actifs à diodes électroluminescentes (L.E.D.), qui ont été abandonnés car leur consommation excessive impliquait un affichage intermittent, sur commande, et certains afficheurs passifs, comme l’électrochromisme, les céramiques ferroélectriques, les systèmes à dépôts électrolytiques, l’électrophorèse. Aucun, sauf l’électrochromisme, n’a eu d’application horlogère de série.

Assez vite, dès 1970-1972, les cristaux liquides ont permis la réalisation d’afficheurs horlogers de bonne qualité, satisfaisant progressivement à l’ensemble des critères exigés. On estime que plus de 250 millions d’afficheurs à cristaux liquides ont été fabriqués en 1990 pour des montres électroniques. L’application d’afficheurs à cristaux liquides est également bien connue dans les calculateurs, les jouets, les appareils de mesures, l’automobile, etc. On peut réaliser des surfaces d’affichage dépassant 500 cm² et des matrices de points atteignant près de 50 000 points.

Un afficheur pour montre ne dépasse pas 4 cm², et le nombre de segments est généralement inférieur à une centaine.

Le principe de fonctionnement est le suivant: les cristaux liquides sont des molécules allongées et polaires. Le moment dipolaire, dans l’axe de la molécule, est différent du moment mesuré dans la direction perpendiculaire: la permittivité diélectrique est anisotrope. Dans un champ électrique つ, les molécules de cristaux liquides s’orientent de façon à ce que la composante dipolaire la plus grande soit parallèle au champ électrique.

Ces différentes possibilités d’orientation permettent d’obtenir des effets de visualisation par diffusion de la lumière, rotation du plan de polarisation de la lumière, ou absorption de la lumière par des colorants dichroïques.

Les afficheurs les plus fréquents sont du type cristal liquide nématique en hélice (T.N.L.C.: twist nematic liquid cristal ).

Une cellule d’affichage n’utilisant pas de polariseur peut être obtenue en utilisant un changement de phase cholestérique-nématique induit par un champ électrique つ dans un mélange de cristal liquide nématique, d’un agent chiral et de colorant dichroïque (White et Taylor, 1974).

En l’absence de champ électrique, le colorant dichroïque aligné dans la structure hélicoïdale du mélange absorbe tous les plans de polarisation de la lumière incidente. En présence d’un champ électrique, une structure nématique d’orientation parallèle au champ électrique et perpendiculaire au plan de la cellule est induite. Le colorant dichroïque aligné dans cette nouvelle structure n’absorbe plus la lumière. La région du cristal liquide ainsi commuté est transparente. Les caractéristiques des afficheurs horlogers sont définies dans le tableau 6.

Aspects économiques

L’évolution de la production mondiale de montres bracelets au cours de la décennie quatre-vingt permet de constater l’importance croissante de la montre électronique. On observe aussi que, dans le domaine électronique, les dispositifs à affichage optoélectronique sont plus nombreux que les montres à quartz à affichage traditionnel, par aiguilles. Enfin, il faut noter que l’équipartition entre montres mécaniques et montres électroniques avait été atteinte en 1981.

Le déclin de la montre mécanique est une réalité économique incontestable. Cela a modifié d’une manière fondamentale les répartitions de la production mondiale des montres qu’on connaissait bien. Les pays d’Extrême-Orient sont devenus les plus gros producteurs de montres à quartz à affichage optoélectronique. Les pays qui produisent toujours des montres mécaniques en grandes séries sont la Chine et l’ex-U.R.S.S. En France et en Suisse, la montre mécanique a cédé la place à la montre à quartz à affichage analogique par aiguilles.

Les entreprises horlogères doivent avoir une maîtrise complète des nouvelles technologies horlogères, soit: la micromécanique, la microélectronique, l’optoélectronique. Les entreprises japonaises et le groupe suisse le plus important ont fait les efforts de mutation technologique qui leur permettent de produire les composants dont ils ont besoin (en optoélectronique cependant, le groupe suisse a une capacité de production limitée à la taille pilote; son niveau en recherche et développement est toutefois remarquable).

Applications techniques

On convient généralement de classer dans ce secteur un très vaste domaine d’activités qui s’étend des minuteries, programmateurs, horloges de commutation, parcmètres, réseaux de distribution de l’heure, localisés ou généraux, etc.

L’horlogerie technique inclut tous les appareils qui font appel directement à une mesure continue ou discontinue du temps contrôlé par un dispositif horaire et dont la fonction primaire n’est pas d’afficher l’heure.

Pour mieux illustrer cette définition, on peut se reporter aux positions douanières en vigueur; en France, la position 91.05 concerne les enregistreurs de présence, les horodateurs et les horocompteurs, les compteurs de minutes et de secondes, les autres appareils de contrôle et compteurs de temps à mouvement d’horlogerie ou à moteur synchrone; la position 91.06 concerne les horloges électriques et électroniques change-tarifs, les horloges de commutation, les appareils permettant de déclencher un dispositif, à temps donné.

Dans ce vaste domaine, l’électronique a joué un rôle de plus en plus grand. Elle permet en effet de programmer avec une très grande souplesse toute séquence nécessaire dans des fonctions isolées ou dans des systèmes complexes. La fiabilité des systèmes électroniques est supérieure à celle des systèmes électromécaniques antérieurs, et la précision est supérieure aussi bien pour les temps courts que pour les longues durées. L’introduction de l’électronique dans l’horlogerie technique peut toutefois provoquer des modifications d’infrastructure qui influencent beaucoup la rapidité de sa diffusion.

En France, on a évalué l’importance de l’activité «horlogerie industrielle» à environ 15 p. 100 de l’activité horlogère totale. Elle a tendance à s’accroître.

Chronométrage sportif

Aux jeux Olympiques, dans les grandes compétitions internationales, on voit généralement apparaître le nom de plusieurs grandes marques horlogères, assumant la responsabilité du chronométrage. Le chronométrage impersonnel, où l’athlète lui-même enclenche et déclenche le chronomètre, date de 1879 (travaux de E. J. Muybridge, photographe, sur le galop du cheval).

Actuellement, on dispose de moyens très sophistiqués qui doivent satisfaire bien sûr aux exigences des différentes fédérations sportives internationales, mais aussi aux besoins des comités d’organisation, responsables des résultats officiels, et aux impératifs des chaînes et réseaux de télévision (cf. photo).

Pour la première fois en 1984 à Sarajevo pour les jeux Olympiques d’hiver et à Los Angeles aux Jeux d’été, des dispositifs ont permis d’accepter et de gérer plusieurs programmes de chronométrage différents. Les programmes de chronométrage correspondant aux différents sports à chronométrer sont enregistrés en cassettes. Ces cassettes sont connectées à l’unité centrale de chronométrage de manière que le chronométreur ne puisse pas manœuvrer d’autres touches que celle requise par l’épreuve en cours. Le logiciel de base identifie et organise toutes les informations reçues du programme. Il commande l’impression des temps, le classement au 1/1 000 de seconde. Il traduit ces informations pour les différents périphériques: générateurs vidéo, tableaux d’affichage, ordinateurs, auxquels elles sont destinées.

• v. 1640; de horloge

1 ♦ Fabrication, industrie et commerce des instruments destinés à la mesure du temps. Grosse horlogerie; horlogerie de précision.

2 ♦ (1762) Ouvrages de cette industrie (chronomètres, horloges, pendules, montres). Pièces d'horlogerie : aiguille, cadran; affichage; ancre, balancier, barillet, boîtier, cliquet, compensateur, échappement, fourchette, fusée, pendule (n. m.), pignon, platine, poids, régulateur, remontoir, ressort, rochet, roue, sonnerie, spiral, tambour, tympan, volant; oscillateur, quartz.

3 ♦ (1803 « atelier d'horlogerie ») Magasin d'horloger. Une horlogerie bijouterie.

n. f.

d1./d Fabrication, industrie des horloges, des montres.

d2./d Commerce, magasin d'un horloger.

⇒HORLOGERIE, subst. fém.

A. — Fabrication, industrie, commerce, réparation des horloges et autres instruments ou appareils de mesure du temps. Une caisse assortie de tous les outils d'horlogerie, et autres, pour réparer les instrumens, à l'usage de l'horloger embarqué pour l'expédition (Voy. La Pérouse, t. 1, 1797, p. 248). V. horloger ex. 1 :

• 1. Il y avait, en face d'eux, de l'autre côté de la rue, un horloger en chambre que l'enfant voyait toute la journée, dans la clarté crue de la fenêtre, penché sur sa petite table, maniant des choses délicates, les regardant à la loupe, patiemment. Il fut séduit, il prétendit qu'il avait du goût pour l'horlogerie.

ZOLA, Ventre Paris, 1873, p. 642.

SYNT. Apprendre, connaître l'horlogerie; grosse, petite horlogerie; horlogerie de gros volume; horlogerie mécanique, horlogerie de précision; atelier, entreprise, usine d'horlogerie; art, industrie, métier(s), ouvrier(s) de l'horlogerie; École nationale d'Horlogerie de Besançon.

1. Les objets ainsi fabriqués, vendus ou réparés. Je remontai la pendule; il se leva et vint regarder, étant grand amateur d'horlogerie (ERCKM.-CHATR., Conscrit 1813, 1864, p. 33) :

• 2. Les antiques tournebroches à mouvement d'horlogerie, que l'on ne voit presque plus, étaient les précurseurs de tous les mécanismes ingénieux proposés de nos jours...

Lar. mén. 1926, p. 466.

SYNT. Mécanisme, pièce, rouage d'horlogerie; boutique d'horlogerie; commerce, fabrication de l'horlogerie; vendeur, -euse en horlogerie.

— P. anal. et au fig. Mécanisme délicat, complexe. Les rouages subtils d'un cerveau de femme, toute cette horlogerie intellectuelle et sentimentale si compliquée et si ténue (BOURGET, Disciple, 1889, p. 131). Ces gigantesques horlogeries [les opérations militaires mises sur pied par les états-majors français et allemand], amoureusement mises au point pendant cinquante ans par les plus diligents ouvriers, poursuivirent jusqu'au désastre les conséquences d'un automatisme merveilleux et stupide (J.-R. BLOCH, Dest. du S., 1931, p. 185).

2. Lieu où l'on fabrique ces objets; magasin de l'horloger. Ouvrir, tenir une horlogerie. Vendeur dans une horlogerie (ROB.).

Prononc. et Orth. : []. Att. ds Ac. dep. 1694. Étymol. et Hist. 1639-42 (Comptes et dépenses de Fontainebleau, éd. J.J. Guiffrey, 24 ds IGLF : Du payment faict pour les ouvrages d'horlogerie); 1800 (BOISTE : Horlogerie, s. f. commerce de montres, etc. lieu où on les fabrique); 1780 « ouvrages d'horlogerie » (RAYNAL, Hist. phil., XIX, 8 ds LITTRÉ). Dér. de horloger; suff. -erie. Fréq. abs. littér. : 62.

horlogerie [ɔʀlɔʒʀi] n. f.

ÉTYM. V. 1640; de horloger.

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1 Fabrication, industrie et commerce des instruments destinés à la mesure du temps. || Théorie, technique de l'horlogerie. || Atelier, fabrique d'horlogerie. || École d'horlogerie. || Grosse horlogerie; horlogerie de précision. || L'invar, le palladium, métaux utilisés en horlogerie. || Nouveaux matériaux utilisés en horlogerie : alliages spéciaux, matières plastiques, acier au titane. || Opérations d'horlogerie : dégrossissage, montage, achevage, finissage; éclaircissage, polissage (des verres).