Clavier de sonnerie de montre ou de boîte à musique à rayonnement optimisé

Abstract

 Clavier (1) de sonnerie de montre ou de boîte à musique à rayonnement optimisé comportant une pluralité de lames (2) en porte-à-faux.
Lesdites lames (2) sont chacune dans un matériau de module d'Young E et de densité p satisfaisant l'inégalité


Lesdites lames (2) sont chacune dans un matériau de module d'Young compris entre 70 GPa et 120 GPa, et de densité supérieure à 14.
Mécanisme de sonnerie (50) de montre (100) ou de boîte à musique (200) comportant au moins un tel clavier (1).
Pièce d'horlogerie (500), constituée par une montre (100) ou une boîte à musique (200) comportant au moins un tel mécanisme de sonnerie (50) ou/et au moins un tel clavier (1).

Description

Domaine de l'invention

[0001] L'invention concerne un clavier de sonnerie de montre ou de boîte à musique à rayonnement optimisé comportant une pluralité de lames en porte-à-faux.

[0002] L'invention concerne encore un mécanisme de sonnerie de montre ou de boîte à musique comportant au moins un tel clavier.

[0003] L'invention concerne encore une pièce d'horlogerie constituée par une montre ou une boîte à musique comportant au moins un tel mécanisme ou/et au moins un tel clavier.

[0004] L'invention concerne le domaine des pièces d'horlogerie comportant un mécanisme de sonnerie, notamment les montres et les boîtes à musique.

Arrière-plan de l'invention

[0005] Le mécanisme de sonnerie des montres musicales ou des boîtes à musique est généralement constitué par un clavier et un système d'activation des lames de ce clavier. Le système d'activation peut être un cylindre tournant ou un disque tournant, ou similaire.

[0006] Jusqu'à présent, la matière du clavier a été choisie principalement sur la base de critères de fabricabilité et de résistance à l'usure et à la fatigue. La raison est que les lames du clavier sont soumises à des efforts élastiques répétés et le frottement entre la surface des lames et les goupilles d'activation peut induire soit l'abrasion soit le matage des surfaces. En même temps, jusqu'à présent, les fabricants de montres à sonnerie ou de boîtes à musique ont toujours essayé d'augmenter le plus possible l'énergie d'activation des lames, ce qui nécessite des efforts élastiques très importants, notamment pour les lames les plus courtes, correspondant aux sons les plus aigus.

Résumé de l'invention

[0007] La présente invention propose l'introduction d'un clavier de sonnerie optimisé, dans un matériau ayant des propriétés élastiques particulières, spécifiques pour assurer un rayonnement optimal du son émis par l'habillage, et avec une géométrie spécifique permettant de stocker le maximum d'énergie dans le plus petit encombrement.

[0008] L'étude énergétique d'un clavier de sonnerie, entreprise pour résoudre ce problème d'optimisation du rayonnement, met en évidence le fait que l'énergie d'activation doit dépasser un seuil défini (environ 20 microwatt), légèrement dépendant de l'habillage de la montre, pour permettre un rayonnement efficace et obtenir une forte amélioration du niveau sonore (amélioration de plus de 10 dB autour de ce seuil), mais qu'il n'y a pas un avantage conséquent à augmenter davantage l'énergie d'activation au-delà de ce seuil. En effet, au-delà de ce seuil, l'amélioration devient linéaire, ce qui signifie qu'il faut doubler l'énergie disponible pour augmenter de seulement 3 dB le niveau du son produit.

[0009] En même temps, les techniques de revêtement et durcissement des matériaux permettent aujourd'hui de réduire le risque d'usure et de fatigue des composants horlogers, et rendent possible l'utilisation de matériaux relativement souples pour la fonction de clavier de sonnerie.

[0010] Ceci permet de choisir le matériau du clavier sur la base d'un critère énergétique (toutes les lames doivent avoir une énergie d'activation supérieure à 20 microwatt) et d'un critère d'encombrement du composant.

[0011] L'invention en vient ainsi à proposer une solution inhabituelle, et passablement contraire aux usages de la profession, en définissant un clavier de sonnerie optimisé ayant à la fois un module d'élasticité plus faible que les claviers en acier traditionnellement utilisés et une densité plus élevée : l'exemple principal de cette famille de claviers optimisés selon l'invention est le clavier en or ou alliage d'or.

[0012] Grâce à l'utilisation de ce matériau, ou d'autres matériaux remplissant les mêmes conditions physiques, il est possible d'uniformiser le niveau acoustique des notes jouées, tout en restant dans un encombrement réduit : pour obtenir ce système optimal il faut utiliser une géométrie bien définie et adaptée, détaillée dans la description qui va suivre.

[0013] A cet effet, l'invention concerne un clavier de sonnerie de montre ou de boîte à musique à rayonnement optimisé comportant une pluralité de lames en porte-à-faux, caractérisé en ce que lesdites lames sont chacune dans un matériau de module d'Young E et de densité ρ satisfaisant l'inégalité

[0014] Selon une caractéristique de l'invention, lesdites lames sont chacune dans un matériau de module d'Young compris entre 70 GPa et 120 GPa.

[0015] Selon une caractéristique de l'invention, lesdites lames sont chacune de densité supérieure à 14.

[0016] L'invention concerne encore un mécanisme de sonnerie de montre ou de boîte à musique comportant au moins un tel clavier.

[0017] L'invention concerne encore une pièce d'horlogerie constituée par une montre ou une boîte à musique comportant au moins un tel mécanisme ou/et au moins un tel clavier.

Description sommaire des dessins

[0018] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés, où :

• la figure 1 représente, de façon schématisée, la répartition de l'énergie d'activation (en microwatt) d'une lame ayant un mode fondamental de flexion à 800 Hz, pour un clavier en or 750 selon l'invention (E = 110 GPa, ρ = 15100 kg/m³), en fonction de la longueur de la lame en abcisse, et de la levée de cette lame en ordonnée, pour une largeur de la lame de 0.4 mm ;
• la figure 2 représente, de façon schématisée, pour un clavier de l'art antérieur en acier, un diagramme, avec en abcisse la longueur de la lame, et en ordonnée l'encombrement vertical total de cette lame, c'est-à-dire le total de sa hauteur, et du double de son débattement appelé levée, cette levée étant évaluée de façon à obtenir une énergie d'activation de 20 microwatt, et ce diagramme représentant la réponse de ce clavier à certaines fréquences (en partie gauche pour une lame à 4000 Hz et en partie droite pour une lame à 800 Hz), chaque courbe en trait plein correspondant à la réponse avec l'encombrement vertical total, et chaque courbe en trait interrompu correspondant à la seule levée, et où l'encombrement maximal en longueur de lame et encombrement vertical total, caractéristique des limites de fonctionnement, est représenté par la région grisée ;
• la figure 3 représente, de façon analogue à la figure 2, le diagramme correspondant à un clavier selon l'invention en un premier alliage d'or 750 avec un module d'Young de 110 GPa et une densité de 15.1 ;
• la figure 4 représente, de façon analogue à la figure 2, le diagramme correspondant à un clavier selon l'invention en un deuxième alliage d'or avec un module d'Young de 120 GPa et une densité de 14.0 ;
• la figure 5 est une représentations schématisée et en perspective d'un clavier selon l'invention..

Description détaillée des modes de réalisation préférés

[0019] L'invention concerne le domaine des pièces d'horlogerie comportant un mécanisme de sonnerie, notamment les montres et les boîtes à musique.

[0020] Plus particulièrement, l'invention concerne un clavier 1 de sonnerie de montre 100 ou de boîte à musique 200, à rayonnement optimisé, comportant une pluralité de lames 2 en porte-à-faux.

[0021] Chacune de ces lames 2 est dimensionnée pour vibrer à une fréquence déterminée. L'ensemble du clavier 1 est conçu pour assurer la diffusion du son dans une plage de fréquences particulières du domaine audible. Plus particulièrement et non limitativement, cette plage concerne les fréquences de 800 Hz à 4000 Hz, le raisonnement conceptuel exposé ci-après s'appliquant à toutes autres valeurs limites de cette plage de fréquences.

[0022] Avantageusement, selon la présente invention, chaque lame 2 du clavier 1 est fabriquée dans un matériau pour lequel

.

[0023] Dans une variante de l'invention, ces lames 2 sont chacune dans un matériau M de module d'Young compris entre 70 GPa et 120 GPa.

[0024] Dans une variante de l'invention, ces lames 2 sont chacune de densité supérieure à 14, et notamment comprise entre 14 et 22.

[0025] Notons qu'on appelle ici « densité » la densité relative par rapport à l'eau ; ainsi, une densité de valeur « λ » correspond à une masse volumique de λ. 10³ kg/m³. Les différentes nuances d'or et d'alliages d'or usuels, notamment l'or dit « 750 » à 18 carats, satisfont ce critère.

[0026] Dans une variante de l'invention, au moins une lame 2 est fabriquée en alliage comportant de l'or.

[0027] Dans une variante de l'invention, au moins une lame 2 est en or « 750 » comportant au moins 75% d'or.

[0028] D'autres matériaux obéissent aux conditions requises, et peuvent être envisagés pour la fabrication d'un clavier selon l'invention, utilisés seuls, ou en combinaison avec de l'or, ou en combinaison avec au moins de l'or, ou en combinaison entre eux, ou en combinaison entre aux moins deux d'entre eux.

[0029] Ainsi, dans une variante, le clavier 1 comporte au moins un élément du groupe constitué par :

• Tungstène
• Iridium
• Platine
• Palladium
• Argent
• Cuivre
• Bronze
• Certaines fontes
• Verre
• Cristal
• Béryllium
• Chrome
• Manganèse
• Molybdène
• « Invar ®», « Inconels®», « Hastalloys ®» et similaires
• Différents carbures
• Oxyde de zirconium
• Saphir,

ledit au moins un élément étant utilisé seul, ou en combinaison avec de l'or, ou en combinaison avec au moins de l'or, ou en combinaison avec un autre élément dudit groupe, ou en combinaison entre aux moins deux éléments dudit groupe.

[0030] Dans une réalisation particulière, tel que visible sur la figure 5, toutes les lames 2 qui composent le clavier 1 forment un ensemble monobloc avec une table 3 par laquelle se fait la fixation du clavier 1. Dans d'autres variantes non illustrées, on peut constituer le clavier 1 avec des lames 2 obéissant chacune aux plages de valeurs de module d'Young et de densité selon l'invention, et chacune encastrée dans une table 3 laquelle obéit elle-même, de préférence, à ces mêmes plages de valeur.

[0031] Dans le présent exposé, dans un but de simplification, chaque lame 2 est un prisme parallépipédique plein. Dans la pratique, le même raisonnement est applicable à des lames 2 de formes et sections différentes, pleines ou creuses. Dans cet exemple particulier, pour chaque matériau M spécifique, de module d'Young E et de densité ρ, la géométrie des lames 2 (définie par la longueur minimale, la longueur maximale, la hauteur h et la largeur b des lames) appropriée est obtenue mathématiquement en utilisant les deux équations définissant respectivement la fréquence et l'énergie de flexion d'une lame de clavier (modélisée comme une poutre mince encastrée à une extrémité) :

[0032] Pour un matériau et une fréquence données, la hauteur h de la lame 2 est déterminée par sa longueur L:

[0033] En introduisant la relation (3) en (2), il est possible d'obtenir l'énergie d'activation de chaque lame 2 (ayant le mode fondamental de flexion f) en fonction de sa longueur L et sa levée δ (pour une largeur b fixe) :

[0034] La figure 1 illustre l'énergie d'activation (en microwatt) d'une lame ayant le mode fondamental de flexion à 800 Hz pour un clavier en or 750 (E = 110 GPa, ρ =15100 kg/m³) en fonction de la longueur L de la lame et de sa levée δ, pour une largeur de la lame b = 0.4 mm.

[0035] Pour un matériau, une fréquence, une largeur de lame et une énergie d'activation données, la flèche nécessaire pour obtenir l'énergie d'activation U = 20 microwatt, est déterminée par la longueur L de la lame :

[0036] Si l'encombrement maximal en z est déterminé par 2δ + h < H_max et l'encombrement maximal des lames dans la direction définie par leur axe principal est déterminé par L < L_max, l'équation (4) permet de déterminer la configuration optimale de façon univoque.

[0037] Pour l'application numérique, on utilise une largeur des lames b = 0.4 mm, et on considère les fréquences extrêmes typiques d'un clavier de sonnerie : f_min = 800 Hz et f_max = 4000 Hz.

[0038] Pour un clavier en acier traditionnel avec E = 185 GPa et densité 8000 kg m³, l'équation (4) produit les courbes représentées en figure 2, qui illustre la levée δ nécessaire pour obtenir une énergie d'activation U = 20 microwatt, et l'encombrement vertical total (défini par la somme de la hauteur de la lame plus deux fois la levée : h + 2 δ) pour une lame à 800 Hz et une lame à 4000 Hz, en fonction de la longueur de la lame. L'encombrement maximal en longueur de lame et encombrement vertical total est représenté par la région grisée. Les graphes C1 et C2 correspondent à la fréquence de 4000 Hz, respectivement selon l'encombrement vertical total h+ 2δ ou selon la seule levée δ, les graphes C3 et C4 sont les pendants pour la fréquence de 800 Hz.

[0039] La figure 2 est une représentation avec une levée évaluée de façon à obtenir une énergie d'activation de 20 microwatt, et montre la réponse du clavier à certaines fréquences (en partie gauche pour une lame à 4000 Hz et en partie droite pour une lame à 800 Hz), chaque courbe en trait plein correspondant à la réponse avec l'encombrement vertical total, et chaque courbe en trait interrompu correspondant à la seule levée. L'encombrement maximal en longueur de lame et l'encombrement vertical total, caractéristiques des limites de fonctionnement, sont représentés par la région grisée. En dehors de cette région, le clavier ne peut être intégré dans une montre à poignet traditionnelle.

[0040] Cette figure 2 montre ainsi que, dans l'encombrement maximal admis (ici L inférieur ou égal à 12 mm, et encombrement maximal total inférieur ou égal à 1.5 mm), il est possible d'activer la lame à 4000 Hz avec l'énergie requise (ou supérieure): plusieurs géométries de lames permettent ce résultat, par exemple une lame de longueur L = 7.5 mm et hauteur h = 0.25 mm activée avec une levée δ= 0.2 mm, correspondant au point A du graphe C1 en trait plein de la fréquence 4000 Hz. Par contre, il est impossible, pour ce matériau de clavier d'activer une lame à 800 Hz avec l'énergie minimale requise dans l'encombrement admis, puisque la courbe C3 correspondant à la fréquence 800 Hz avec l'encombrement maximal (courbe continue) ne traverse pas la région propre à l'encombrement maximal du clavier, on voit qu'ne lame vibrant à 800 Hz et de même encombrement vertical total, c'est-à-dire selon le point B du graphe C3, nécessiterait une longueur L de 17.4 mm.

[0041] En conclusion, dans un encombrement horloger traditionnel, un clavier en acier ne permet donc pas d'activer une lame avec suffisamment d'énergie pour obtenir un rayonnement acoustique optimal à toutes les fréquences.

[0042] Pour un clavier selon l'invention, et notamment en or 750, (avec E = 110 GPa, et ρ = 15100 kg/m³), l'équation (4) produit les courbes représentées en figure 3, laquelle concerne un clavier 1 selon l'invention en or 750, avec des graphes similaires à ceux de la figure 2. On voit que, dans ce cas, il est possible d'activer aussi la lame à 800 Hz avec l'énergie suffisante en restant dans les limites d'encombrement souhaitées. Il est donc possible d'activer toutes les lames avec la même énergie : dans une des configurations possibles, correspondant au point C du graphe C3, la lame à 800 Hz a une longueur L = 12 mm et une hauteur h = 0.3 mm étant activée avec une levée δ = 0.5 mm, soit un encombrement maximal total de 1.3mm, tandis que, au point D du graphe C1 correspondant à la fréquence de 4000 Hz, la lame 2 correspondante a une longueur L = 6 mm et une hauteur h = 0.35 mm activée avec une levée δ = 0.15 mm, soit un encombrement maximal total de 0.65 mm .

[0043] Un clavier 1 de 15 lames 2, séparées deux à deux par un jour d'environ 0.07 mm, ayant les caractéristiques physiques définies selon l'invention (E compris entre 70 GPa et 120 GPa, et densité comprise entre 14000 kg/m³ et 20000 kg/m³), permet toujours d'activer toutes les lames 2 avec une énergie supérieure à 20 microwatt dans un encombrement (longueur active du clavier x largeur du clavier x hauteur verticale) limité à (12 mm x 7 mm x 1.5 mm).

[0044] La figure 4 montre les courbes de définition de la levée et de l'encombrement vertical pour des valeurs extrêmes (et donc les plus critiques) des paramètres mécaniques (E = 120 GPa, ρ = 14000 kg/m³). Même dans ce cas, le dimensionnement optimal du clavier est possible : le graphe C3 traverse la région grisée, et, au point E du graphe C3, une lame de longueur L= 11.5mm, et d'encombrement en hauteur maximal de 1.45 mm, convient pour la fréquence de 800 Hz, tandis qu'il n'y a aucun problème pour assurer le rayonnement du son à la fréquence de 4000 Hz..

[0045] En somme, l'amélioration par rapport à un clavier en acier est rendue possible par le fait que la fréquence et l'énergie d'activation de la lame 2 selon l'invention ont une dépendance fonctionnelle différente en fonction des paramètres et, notamment par le fait que, à parité d'énergie d'activation :


pour une densité supérieure et/ou un module d'élasticité inférieur à celui de l'acier, il est donc possible de réduire, soit la levée δ requise, soit la longueur L des lames 2, soit les deux dimensions simultanément.

[0046] Dans une variante de l'invention, au moins une lame 2 comporte un revêtement de surface.

[0047] Dans une variante de l'invention, au moins une lame 2 comporte une surface durcie par rapport à son coeur.

[0048] Les avantages que procure la mise en oeuvre de l'invention sont conséquents :

• augmentation du niveau acoustique du son rayonné par une montre ou une boîte à musique dans la bande de fréquences comprises entre 1 kHz et 4 kHz ;
• amélioration de l'uniformité du niveau acoustique perçu au cours de la mélodie ;
• diminution de l'encombrement des composants de génération du son (clavier et disque).

[0049] L'invention concerne encore un mécanisme de sonnerie 50 de montre 100 ou de boîte à musique 200 comportant au moins un tel clavier 1.

[0050] L'invention concerne encore une pièce d'horlogerie 500, constituée par une montre 100 ou une boîte à musique 200 comportant au moins un tel mécanisme 50 ou/et au moins un tel clavier 1.

Revendications

1. Clavier (1) de sonnerie de montre ou de boîte à musique à rayonnement optimisé comportant une pluralité de lames (2) en porte-à-faux, caractérisé en ce que lesdites lames (2) sont chacune dans un matériau de module d'Young E et de densité ρ satisfaisant l'inégalité

2. Clavier (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites lames (2) sont chacune dans un matériau de module d'Young compris entre 70 GPa et 120 GPa.

3. Clavier (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdites lames (2) sont chacune de densité supérieure à 14.

4. Clavier (1) selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites lames (2) sont chacune de densité comprise entre 14 et 22.

5. Clavier (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins une desdites lames (2) est fabriquée en alliage comportant de l'or.

6. Clavier (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins une desdites lames (2) est fabriquée en alliage d'or « 750 » comportant au moins 75% d'or.

7. Clavier (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que toutes les lames (2) qui le composent forment un ensemble monobloc avec une table (3) dudit clavier (1).

8. Clavier (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins une dite lame (2) comporte un revêtement de surface.

9. Clavier (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins une dite lame (2) comporte une surface durcie par rapport à son coeur.

10. Clavier (1) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que toutes les lames (2) qui le composent forment un ensemble monobloc avec une table (3) dudit clavier (1).

11. Clavier (1) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte au moins un élément du groupe constitué par :

• Tungstène

• Iridium

• Platine

• Palladium

• Argent

• Cuivre

• Bronze

• Fonte

• Verre

• Cristal

• Béryllium

• Chrome

• Manganèse

• Molybdène

• « Invar ®"

• « Inconel®»

• « Hastalloy ®»

• Carbure

• Oxyde de zirconium

• Saphir,

ledit au moins un élément étant utilisé seul, ou en combinaison avec de l'or, ou en combinaison avec au moins de l'or, ou en combinaison avec un autre élément dudit groupe, ou en combinaison entre aux moins deux éléments dudit groupe.

12. Mécanisme de sonnerie (50) de montre (100) ou de boîte à musique (200) comportant au moins un clavier (1) selon l'une des revendications précédentes.

13. Pièce d'horlogerie (500), constituée par une montre (100) ou une boîte à musique (200) comportant au moins un mécanisme de sonnerie (50) selon la revendication précédente, ou/et au moins un clavier (1) selon l'une des revendications 1 à 11.

Dessins