Horloge à quartz

Montre à quartz Seiko Astron-35SQ.

Mouvement béta 21.

En 1880, les deux frères physiciens français Pierre Curie et Jacques Curie découvrent l'effet piézoélectrique du quartz : celui-ci possède la capacité de générer des charges électriques à sa surface lorsqu'il subit des forces mécaniques et inversement. Cette capacité en fait un matériel intéressant pour la constitution d'horloges.

La première horloge à quartz, baptisée Crystal clock, est présentée en 1927 par Warren Marrison et J.W. Horton du Bell Telephone Laboratories[1] - [2] - [3]. Elle est constituée de tubes électroniques et avait des dimensions comparables à celles d'un réfrigérateur tourné à l’horizontale.

En 1967, les deux premiers mouvements à quartz pour montre sont présentés, un par le Centre électronique horloger (mouvement béta 1) et l'autre par le centre de recherche et développement de Seiko.

La première montre-bracelet à quartz commercialisée, la Seiko Quartz Astron 35SQ, apparaît en 1969[4]. Commercialisée à 100 exemplaires avec un boîtier en or, elle coûtait le prix d'une voiture. Les premières montres suisses à quartz, utilisant le mouvement beta 21, sont commercialisées à partir de 1970.

Aujourd'hui, le quartz est présent partout où l'électronique est présente : montres, ordinateurs, téléphones portables, téléviseurs, modems, etc.

La Seconde Guerre mondiale et la conquête spatiale ont participé à l’essor des résonateurs à quartz et notamment à leur perfectionnement. Les oscillateurs à quartz[5] servent aujourd’hui encore de référence de temps. Leurs principaux atouts sont leur stabilité avec notamment un facteur de qualité (qui est défini comme le rapport entre la fréquence propre et la largeur de la bande passante de la résonance du système) pouvant monter jusqu’à 10⁹, leur petite taille (quelques millimètres pour les plus petits), ainsi que leur faible coût de production.

La production mondiale de quartz électronique est de deux milliards chaque année, la majorité pour des montres à quartz ou comme base de temps dans des composants électroniques.

Le fonctionnement de l’horloge à quartz est le suivant : une stimulation électrique engendre des vibrations mécaniques, d'amplitude maximale selon des directions particulières (axes mécaniques), lesquelles sont la cause de charges électriques variables. On obtient ainsi un oscillateur électrique dont la fréquence de vibration est propre au quartz lui-même, par exemple 32 768 hertz suivant les dimensions du quartz utilisé. Par un simple calcul, on obtient l'unité de temps souhaitée. Ce sont donc ces vibrations, mises en forme et associées à un moteur synchrone, qui sont à l'origine du mouvement des aiguilles d'une montre.

Lorsque le quartz est soumis à une tension[6], par exemple avec deux électrodes, il va se déformer et vibrer à une fréquence stable. Cette fréquence dépend principalement de la forme et de la taille du quartz. Par la suite, on récupère un signal électrique possédant la fréquence intrinsèque du quartz. Ce résonateur est ensuite monté sur un montage d’oscillateur classique.

Un mouvement à quartz à affichage analogique est composé généralement des éléments suivants :

1. Pile, fournissant l'énergie électrique au quartz, au circuit électronique (diviseur de fréquence) et au moteur[7] ;
2. Quartz, oscillant grâce à l'effet piézoélectrique ;
3. Diviseur de fréquence, circuit électronique divisant la fréquence du quartz pour commander le moteur pas à pas à la bonne fréquence[8] ;
4. Moteur pas à pas, fournissant la force mécanique aux rouages ;
5. Rouage, réducteur permettant d'adapter la vitesse de rotation en sortie du moteur aux aiguilles[9] ;
6. Affichage analogique (aiguilles des heures, minutes et secondes).

Mais le quartz a aussi des inconvénients. En effet, la fréquence des oscillations n'est stable uniquement tant que le cristal conserve ses dimensions. Il faut donc lutter contre les phénomènes de dilatation dus aux variations de température en isolant le cristal. Leur principal défaut est la forte sensibilité de leur fréquence d’oscillation par rapport à leur environnement. Ainsi, des perturbations thermiques, magnétiques, vibrationnelles ou encore radiatives peuvent considérablement modifier leur fréquence d’oscillation et donc la mesure du temps.

C’est pour cela qu’il n'est tout d'abord que conservé dans une horloge et plus tard dans une montre. Néanmoins la précision obtenue est dix fois plus grande que celle de la meilleure des montres mécaniques qui fut inventée précédemment (en 1675 par Isaac Thuret)

Pour dépasser cette précision, on maintient le cristal de quartz à température constante dans un four ou on se tourne vers une horloge atomique.

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  Horloge à quartz des années 1960.
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  Mécanisme pour montre à quartz commercialisé par Ronda AG.
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  Mécanisme d'une montre à quartz.

• Lucien F. Trueb, « Les toutes premières montres-bracelets quartz, La question de la priorité », Bulletin 78 de la SSC,‎ mai 2015, p. 25-27 (lire en ligne)