Le résonateur horloger permet de fixer, de façon la plus stable possible, une fréquence d'oscillation. Associé au système de comptage et d'entretien, il forme l'oscillateur, appelé parfois « régulateur »Le mot « régulateur » est utilisé en horlogerie pour désigner un système régulant une sonnerie. Il est donc préférable de ne pas l'utiliser pour parler de l'oscillateur horloger., et fournit ainsi un moyen de mesure du temps.

On trouve en horlogerie, principalement deux types de résonateurs : les résonateurs mécaniques (par ex. balancier-spiral, pendule...) et les résonateurs électromécaniques (par ex. quartz).

Types de résonateurs Résonateurs mécaniques Dans les montres mécaniques

Dans les montres mécaniques, l'oscillateur actuellement le plus utilisé est constitué d'un résonateur mécanique de type balancier-spiral, couplé à un échappement à ancre suisse..

Le résonateur est caractérisé par la raideur angulaire du spiral et le moment d'inertie du balancier qui fixent, à eux deux, la fréquence de résonance. :

Le spiral est attaché à l'axe du balancier par la virole et à la cage (châssis du mouvement) par le piton. Le balancier comporte une serge, qui contribue en grande partie à son inertie et qui est soutenue par des bras. Il est monté sur un axe dont les pivots sont fabriqués de manière à minimiser les frottements. Le bout des pivots fait typiquement le diamètre d'un cheveu (environ 80 μm), il est donc extrêmement fragile ; on le protège par des systèmes antichocs. L'axe porte également le double plateau avec sa cheville (ou ellipse), qui interagit avec l'ancre de l'échappement.

Dans les horloges mécaniques ou les pendules

Dans les horloges mécaniques, le résonateur le plus utilisé est le pendule. Il est couplé à un échappement Graham, un échappement à chevilles ou un échappement Brocot.

Le résonateur est caractérisé par la gravité et la longueur du pendule (cas du pendule simple). Sa fréquence de résonance est :

Cette fréquence n'est valide que pour les petites amplitudes du résonateur. Si le pendule effectue de grandes oscillations (> 3°), la fréquence sera légèrement plus basse.

Différents types de suspensions existent, comme la suspension à couteau, utilisée pour les pendules de grande taille ou la suspension à lame de ressort, comme c'est le cas sur la figure ci-contre.

Mentionnons encore les pendules Atmos, qui ont la particularité de fonctionner grâce aux variations atmosphériques et qui utilisent comme résonateur un pendule de torsion.

Résonateurs électriques Le résonateur purement électrique de type circuit LC n'est pas utilisé en horlogerie. La stabilité de sa fréquence, en particulier en fonction de la température, n'est pas suffisante et son facteur de qualité est trop faible ; l'énergie nécessaire pour maintenir ses oscillations est trop élevée.

Résonateurs électromécaniques Le résonateur à quartz est souvent utilisé dans les systèmes électroniques, lorsqu'une fréquence précise est nécessaire. Le quartz monocristallin est un matériau piézoélectrique couplant oscillations mécaniques et électriques. Il peut être de formes diverses selon la fréquence de l'oscillateur.

Dans les montres électroniques, le résonateur est un quartz en forme de diapason oscillant à une fréquence de (=2). Il a une bonne stabilité en fréquence et le maintien de ses oscillations ne nécessite que peu d'énergie.

Notons également que de nouveaux types de résonateurs électromécaniques, à base de silicium, ont fait leur apparition vers 2005.. Les oscillations de la structure en silicium sont excitées de manière capacitive. La structure est réalisée par des technologies de microfabrication, connues sous le terme MEMS.

Résonateurs atomiques On peut encore mentionner les résonateurs atomiques., qui utilisent les niveaux d'énergie qu'ont les électrons dans les atomes. Les horloges atomiques peuvent être d'une très grande précision. En 2015, l'une d'elles a atteint une précision symbolique de une seconde sur l'âge de l'univers (environ d'années)..

Propriétés du résonateur La propriété la plus importante du résonateur horloger est la précision et la stabilité de sa fréquence de résonance . La précision de cette fréquence déterminera la précision de la montre ou de l'horloge.

Les autres propriétés qui caractérisent le résonateur sont: l'amplitude des oscillations ; les frottements, représentés par le facteur de qualité ; sa dépendance thermique ; sa réaction à l'environnement, comme au champ magnétique, à l'humidité ou encore aux chocs.

La marche La marche de la montre donne l'erreur de fréquence de son oscillateur :

,

où est la fréquence de résonance de l'oscillateur (résonateur + entretien) et est la fréquence que devrait avoir l'oscillateur pour indiquer l'heure de manière exacte.

Exprimée avec la période :

,

où est la période réelle de l'oscillateur et est sa période théorique.

La marche s'exprime généralement en s/d (seconde par jour). Elle peut également être exprimée en % ou en ppm (partie par million). 1 s/d correspond à .

Le réglage de la marche d'une montre mécanique peut se faire de deux manières différentes: en modifiant la rigidité du ressort spiral, par exemple en jouant sur sa longueur active à l'aide d'une raquette mobile ; en modifiant l'inertie du balancier, par exemple à l'aide de vis sur sa serge.

Dans les pendules, on ajuste la longueur du pendule. Dans les montres à quartz, on règle la marche en ajustant une capacité ou en modifiant l'inhibition.

Anisochronisme

L'anisochronisme, parfois appelé « défaut d'isochronisme », représente toute variation de la marche due à l'environnement. On distingue par exemple les anisochronismes thermique, magnétique, barométrique

En horlogerie, on utilise en général ce mot pour parler de l'anisochronisme d'amplitude (en fonction de l'amplitude des oscillations) et l'anisochronisme d'orientation (en fonction de l'orientation de la montre dans le champ gravitationnel). L'orientation de la montre dans le champ gravitationnel est aussi appelée position de la montre. On peut alors parler d'anisochronisme de position.

Dans une montre mécanique conventionnelle, l'amplitude des oscillations est susceptible de varier, en particulier parce que : le couple fourni par le ressort de barillet n'est pas constant ; en se déchargeant le ressort fourni un couple moindre ; l'orientation (position) de la montre varie lors du porté. Les frottements liés au pivotement du résonateur sont plus importants en position verticale qu'en position horizontale, l'amplitude est donc plus faible.

Ces variations d'amplitude et d'orientation sont susceptibles de modifier la fréquence d'oscillation et donc la marche de la montre, ce qui crée l'anisochronisme de son résonateur. La forme du spiral ainsi que la présence d'une courbe terminale, comme dans le cas des spiraux Breguet, permet de minimiser l'anisochronisme, c'est-à-dire de limiter les variations de marche. A titre de référence, le certificat de chronomètre, fourni par le COSC, atteste que la marche est comprise entre -4 et +6 s/d (pour une montre mécanique homme) selon des critères bien précis incluant l'orientation et la température, conformément à la norme ISO 3159.

Les montres électroniques sont moins sensibles à l'anisochronisme d'amplitude et d'orientation. L'amplitude est généralement constante et l'effet de l'orientation est modéré. La fréquence propre du diapason à quartz dépend de sa position dans le champ gravitationnel. Par exemple, pour un diapason de de long, la variation de marche est d'environ ±8 ms/d ()..

Dépendance thermique Bien que la température soit un des paramètres liés à l'environnement, la dépendance thermique est généralement traitée à part. Seuls quelques matériaux sont susceptibles d'être utilisés pour garantir la stabilité en température d'un résonateur. Il est même parfois nécessaire d'utiliser des systèmes de compensation pour atteindre une précision voulue.

Dans les montres mécaniques

La découverte par Charles Édouard Guillaume des alliages Invar et Élinvar lui a valu le prix Nobel de physique en 1920. Les spiraux des montres actuelles sont encore, pour la plupart, fabriqués dans des alliages proches de l'Élinvar.

La variation de la raideur angulaire du spiral doit compenser la variation d'inertie du balancier:

où : variation relative de fréquence : Coefficient Thermo-Élastique du spiral (variation relative du module de Young avec la température) : coefficient de dilatation du spiral : coefficient de dilatation du balancier : variation de température

C'est donc en particulier les matériaux avec un faible (d'où le choix du nom "Élinvar" pour "élastique invariable") qui sont susceptibles d'être utilisés pour fabriquer le résonateur. La plupart des matériaux ont un fortement négatif. Avant l'apparition de l'Élinvar, les horlogers utilisaient des balanciers bimétalliques, dont l'inertie diminuait avec la température et qui étaient difficiles à produire et à régler.

Les montres sont généralement testées entre et . La norme ISO 3159 tolère un Coefficient Thermique () de ±0.6 (s/d)/°C. Le . Sur la figure ci-dessus, la marche de la montre varie d'environ -10 s/d sur une plage de , elle présente un inférieur à 0.6 (s/d)/ °C et remplit donc ce critère du COSC.

Dans les années 2000.., le silicium a fait son apparition dans certaines montres mécaniques. Le silicium, lorsqu’il est oxydé en surface, possède un faible . De plus, il a l'avantage d’être insensible aux champs magnétiques.

Dans les pendules

Dans les pendules, divers systèmes de compensation thermique sont utilisés. Par exemple, en employant des matériaux de faible dilatation de type Invar ou des constructions telles que, malgré la dilatation, la longueur du pendule reste constante.

À la fin des années 1720, Harrisson a utilisé le laiton et l'acier pour fabriquer des pendules qui étaient vraisemblablement les plus précis de l'époque. La longueur de ces pendules ne varie plus avec la température car la dilatation de l'acier (en bleu ci-contre) est inférieure à celle du laiton (en jaune) ; en prenant des barres de longueurs adéquates, la longueur du pendule et donc la fréquence du résonateur restent constantes.

Les pendules Atmos possèdent un résonateur dont le fil de torsion est en Isoval, un alliage de type Élinvar.

Dans les montres électroniques Les montres à quartz sont moins sensibles aux variations de températures que les montres mécaniques. Leur dépendance thermique est liée aux propriétés du quartz et dépend de la coupe cristalline utilisée pour fabriquer le résonateur.

Bien que faible, la variation de marche en fonction de la température peut être compensée électroniquement. En plaçant un capteur de température suffisamment proche du résonateur, et en connaissant la variation de sa fréquence propre en fonction de la température, il est possible de corriger la marche de la montre, par exemple par inhibition. Dans ces montres, dites thermocompensées, l'anisochronisme thermique devient négligeable. Leur marche annuelle peut atteindre une valeur de l'ordre de ±1 s/an...

Résistance à l'environnement Les résonateurs horlogers peuvent être sensibles à nombre de paramètres environnementaux et ceci de manière différentiée.

Chocs thumb|right|Mouton pendule utilisé lors des "grands" chocs. Les montres sont soumises à de nombreux chocs lors du porter. Des chocs répétés, même de relativement faibles amplitudes (typiquement 100 g), sont susceptibles de provoquer un retard aux montres mécaniques.. Ce décalage est vraisemblablement lié à la magnétostriction des alliages de types Élinvar..

La résistance des montres est testée pour différents types de chocs, et en particulier pour des chocs dits "grands", qui correspondent à une chute depuis un mètre sur un sol relativement mou, comme du parquet. Ceci se fait sur un mouton pendule. Le résonateur, que ce soit le balancier-spiral ou le diapason en quartz, doit ressortir indemne de tels chocs.