EP3917688A1 - Actionneurs piézoélectriques à déformation amplifiée - Google Patents

Actionneurs piézoélectriques à déformation amplifiée

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Publication number
EP3917688A1
EP3917688A1 EP19848864.5A EP19848864A EP3917688A1 EP 3917688 A1 EP3917688 A1 EP 3917688A1 EP 19848864 A EP19848864 A EP 19848864A EP 3917688 A1 EP3917688 A1 EP 3917688A1
Authority
EP
European Patent Office
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plate
actuator
width
length
deformation
Prior art date
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Pending
Application number
EP19848864.5A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Matthieu RUPIN
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Hap2U SAS
Original Assignee
Hap2U SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hap2U SAS filed Critical Hap2U SAS
Publication of EP3917688A1 publication Critical patent/EP3917688A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0603—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a piezoelectric bender, e.g. bimorph
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/016—Input arrangements with force or tactile feedback as computer generated output to the user
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/041—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H10N30/204—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H10N30/204—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
    • H10N30/2041—Beam type
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/802—Circuitry or processes for operating piezoelectric or electrostrictive devices not otherwise provided for, e.g. drive circuits

Definitions

  • the present invention relates to the field of electromechanical actuators with amplified deformation, in particular piezoelectric actuators with amplified deformation.
  • amplified deformation piezoelectric actuators is already known in different contexts: sonars, ultrasonic cleaners, ultrasonic machining / welding techniques, so-called HIFU systems (acronym for "High Intensity Focused Ultrasounds" in English terminology). -saxonne), and many applications which require large amplitudes of displacement of the surface which one seeks to use.
  • piezoelectric actuators are that of devices exhibiting haptic feedback by ultrasonic lubrication. But when the medium is dissipative such as for example plastic supports or other viscoelastic media, large displacements of the surface are difficult to obtain with simple piezoelectric actuators in their conventional design.
  • known piezoelectric actuators make it possible to achieve a haptic feedback based on significant ultrasonic lubrication only on rigid surfaces (that is to say composed of a purely elastic material) and therefore non-dissipative surfaces, in particular metallic surfaces or made of glass which are not in contact with any viscoelastic element of the glue or equivalent type creating energy dissipation.
  • the known actuators are in thin layers and can only be used with touch screens having an air space between the surface glass and the display (OLED or LCD for example), and the actuators must be applied directly to the glass to create a standing wave which is not dissipated by the viscoelastic part of the screen.
  • the medium to be actuated is more dissipative, such as, for example, viscoelastic materials of the plastic, wood or other type, it is necessary for the haptic effect is easily noticeable by a user, using piezoelectric actuators whose deformation is amplified compared to that which would be obtained by a simple piezoelectric actuator in a thin layer.
  • piezoelectric actuators amplified distortion known have several drawbacks that limit their use in some applications, whose screens are excluded.
  • a mechanical reference is often necessary. In practice, it is often sought to maximize the deformation of one of the faces of the piezoelectric actuator, which involves embedding its opposite face in a support. Obtaining this installation is not so simple.
  • the support must be significantly more rigid and solid than the element to be actuated. For example, to activate a display fitted with a 2 mm thick protective glass, the actuator should be anchored in a metal support at least 1 cm thick. If a large number of actuators is necessary, this implies being able to add a large metallic structure only to perform this mechanical reference function.
  • the size of the known amplified deformation actuators is high and is not always compatible with the product in which it is sought to integrate them.
  • piezoelectric actuators sold under the brand Thorlabs TM are known, capable of creating deformations of around 10 to 30 ⁇ m and operating in a frequency range from 40 kHz to 120 kHz, but they have dimensions ranging from 10 mm to approximately 30 mm, greater by a factor of about 10 than the dimensions acceptable for use in certain applications, such as for example integration in screens or other thin structures.
  • amplified deformation actuators exist such as those based on electroactive polymers for example as described in document US 2013/328447 A1, but they are limited to low frequency vibrations. In no case do they generate ultrasonic vibrations capable of creating haptic feedback by ultrasonic lubrication.
  • the main object of the invention is to propose a new type of electromechanical actuator with amplified deformation, in particular of piezoelectric actuator, capable of overcoming the aforementioned drawbacks of known actuators.
  • the invention has the specific aim of proposing an actuator capable of operating without requiring embedding of one of its faces.
  • Another object of the invention is to propose an actuator of very small size, namely 2 to 5 mm thick, compatible with use in a large number of new applications which involve amplitudes of displacement of the support surface. More important than those known, namely displacements of one to three micrometers in a range of ultrasonic frequencies going from approximately 20 kHz to 200 kHz.
  • Another object of the invention is to propose an actuator which is easy to manufacture and to use and whose cost is greatly reduced compared to that of known actuators, here too making it possible to generalize its use in new applications.
  • the present invention consists in coupling a motor element, for example a low-cost monolithic “current” piezoelectric ceramic, to a vibrating plate in bending mode.
  • a motor element for example a low-cost monolithic “current” piezoelectric ceramic
  • piezoelectric actuators without limiting the scope of the invention, insofar as other types of motor elements (magnetic, electrostatic) could be used.
  • the actuator according to the invention then consists of 3 elements: A miniaturized motor element, for example a piezoelectric ceramic of square, circular, or rectangular shape;
  • a rigid plate for example made of bronze, steel, zinc etc., vibrated by the miniaturized motor element and inducing an effect of amplification of the movement of the motor element;
  • an actuating pad arranged on the rigid plate and in relief with respect to it, this actuating pad being intended to be applied against the surface of a support to be actuated.
  • the actuating pad is placed on the plate, either because it is an integral part of it, or because it is attached and fixed to the plate, in particular by gluing.
  • the actuating pad is small relative to the plate and is centered relative to the plate.
  • These three elements are interconnected securely, for example using a strong adhesive capable of maintaining cohesion between the elements even for movements of ultrasonic frequency which involve high mechanical stresses, for example an epoxy type adhesive bi -component.
  • the subject of the invention is therefore an electromechanical actuator with amplified deformation, comprising on the one hand at least one motor element connected to an alternating voltage source so as to produce a deformation of said motor element, and on the other hand a plate configured for amplify the amplitude of the vibration that the motor element must transmit to a support to be actuated, characterized in that a first face of the plate is rigidly fixed to the motor element and in that a second face of the plate opposite the first face is fixed by means of an actuating pad to the support to be actuated.
  • said motor element is preferably a piezoelectric actuator, but it could be another type of actuator, such as a magnetic actuator or an electrostatic actuator.
  • the plate is configured to generate a maximum flexural deformation at a main resonant frequency between 20 kHz and 200 kHz.
  • the plate is configured so that the amplitude of the vibration it generates at the resonant frequency is greater by an amplification factor between 4 and 50 than the amplitude of the vibration generated by the motor element alone.
  • the plate has the shape of a disc with a diameter between 9 mm and 12 mm, for example 11 mm, and a thickness between 0.2 mm and 1 mm, for example 0.5 mm , for a no-load working frequency of around 60 kHz.
  • the plate has the shape of a parallelepipedic plate of length L of between 9 mm and 11 mm, for example 10 mm, of width B of between 4 mm and 6 mm, for example 5 mm, and with a thickness h of between 1 mm and 2 mm, for example 1.5 mm, for a no-load working frequency of around 70 kHz.
  • the plate is rectangular of length L substantially greater than its width B, and it comprises on one of its faces several motor elements, and on its opposite face an actuating pad whose length corresponds to the width B of the plate and whose width b is less than the width B of the plate.
  • the plate of length L is closed on itself in the form of a flat ring or a 3D ring. That is to say, its width B is lengthened until it forms a closed ring.
  • This ring-shaped plate has spaced apart motor elements located on one of the faces of the ring, and an actuating pad extending on the other face of the ring over its entire circumference and having a width b less than the length L of the plate.
  • the amplification factor of the movement of the motor element is a function of the ratio between the width b of the actuating pad and the length L of the plate, which makes it possible to control the amplification factor desired by playing on this report.
  • the ratio b / L of the width of the actuating pad over the length of the plate is between 0.1 and 0.45.
  • the driving element of the actuator is a piezoelectric ceramic slab of square, rectangular or circular shape, the most large dimensions (length, width, diameter) are between 6 mm and 8 mm, in particular 7 mm, for a working frequency of 64 kHz.
  • the actuator is configured so that the amplitude of its deformation in the direction perpendicular to the support at the main resonant frequency is between 10 micrometers and 30 micrometers for the actuator not coupled to a support , and that the amplitude of the deformation transmitted by the actuator to a surface in coupled mode is between 1 and 2.5 micrometers.
  • the motor element and the actuator plate are joined together using a strong adhesive with low energy dissipation, in particular an epoxy adhesive.
  • the invention also relates to a device comprising a viscoelastic surface to be actuated by a haptic effect, in particular a haptic effect by ultrasonic lubrication, and comprising a plurality of actuators as described above.
  • said device comprises a fixing strip fixed perpendicular to said support to be actuated, and one or more actuators which are fixed by means of their actuating pad on said fixing strip.
  • said support to be actuated comprises a surface with low ultrasonic vibration conduction power such as plastics or multilayer plates including a viscoelastic core. It can therefore be devices such as OLED or LCD screens to be actuated by a haptic effect, in particular a haptic effect by ultrasonic lubrication.
  • FIG. 1 schematically represents three known examples of piezoelectric actuators with amplified deformation
  • FIG. 2 represents a block diagram of a first embodiment of an actuator according to the invention, in exploded perspective view, in assembled perspective and in sectional perspective;
  • FIG. 3 represents several views of a block diagram of a second embodiment of an actuator according to the invention;
  • Figure 4 shows in sectional view an example of mounting an actuator according to the invention on a medium to be actuated
  • FIG. 5 represents a diagram of distribution of multiple actuators according to the invention on a surface to be actuated
  • FIG. 6 represents a graph illustrating the amplification effect of the amplitude of the movement of an actuator according to the invention.
  • FIG. 7 represents a curve showing the maximum amplitude of deformation of an actuator support as a function of the ratio between the width of the actuation pad and the length of the amplification plate of the piezoelectric actuator.
  • FIGS. 8A to 8C show in perspective a variant of an actuator according to the invention, viewed alone from above and from below, and seen from above with its modal deformation;
  • FIGS. 9A and 9B represent 3D digital simulations by finite elements (COMSOL) showing the modal deformation 41 obtained by calculation of the eigenvalues of the assembly constituted by an actuator according to FIG. 8 and a vibrating surface for two different geometries of the surface to operate;
  • COMPOSOL finite elements
  • FIGS. 10A and 10B show two variants of an actuator using a ring-shaped amplification plate
  • FIGS. 11A and 11B respectively represent a perspective and sectional view of a device incorporating an actuator according to FIG. 8.
  • FIG. 1 relating to three types of known devices making it possible to amplify the deformation of a piezoelectric actuator.
  • non-amplified actuators in which the displacement obtained is directly equal to the deformation of the piezoelectric material under the application of an electric voltage.
  • amplified actuators in which a mechanical device amplifies the movement of the piezoelectric material, typically by a factor of 2 to 20.
  • piezoelectric actuators Today, multilayer ceramics are traditionally used as driving elements in amplified piezoelectric actuators. The integration of this type of material requires specific precautions, such as the need to ensure mechanical prestressing or to avoid torsional forces. Subject to proper design and use, piezoelectric actuators are extremely reliable and robust.
  • FIG. 1 a corresponds to a known example of an amplified piezoelectric actuator 1a, constituted by a set of layers of elementary piezoelectric ceramics 2 stacked.
  • the amplification effect is obtained by multiplying the deformation of an elementary ceramic 2 by the number of unitary ceramics present in the device.
  • this can be effective from the point of view of the amplitude of the vertical movement generated, shown diagrammatically by a bidirectional arrow, but the stacking implies that the dimensions of this actuator become too large and exclude this device from certain applications requiring small size actuators.
  • this device requires a very rigid fixed attachment point 3, which is also quite bulky.
  • Figure 1b corresponds to a piezoelectric actuator 1b called flex-tensionional, which takes up the principle of stacking unit ceramics 2 of Figure la, but by tilting and enclosing the stack in a mechanical structure 4 which transforms the deformation of ceramics 2 in a perpendicular deformation, shown schematically by the double vertical arrow.
  • this known variant does not solve the problems inherent in the variant of FIG.
  • FIG. 2 there is shown an amplified actuator 20 according to a first embodiment of the invention, in exploded perspective view (a), in assembled perspective (b) and in sectional perspective (c).
  • This first embodiment consists of a piezoelectric motor element 21 in the upper part, an amplification plate 22 here of circular shape, secured to the motor element 21 which will cause it to vibrate in bending mode, and d 'an actuating stud or stud 23 integral with the plate 22.
  • This actuating stud is intended to transmit the movements of the composite assembly constituted by the motor element 21 and the plate 22 to a surface to be actuated (not shown in this figure).
  • the actuating pad 23 is located on the face of the plate 22 opposite to that which carries the motor element 21.
  • the motor element 21 is preferably but not necessarily an elementary piezoelectric actuator in the form of a ceramic slab. It is represented in square form, but it could be circular or of another shape. In known manner, the ceramic slab 21 has two metal electrodes (not shown) for the application of a supply voltage making it possible to obtain the piezoelectric effect, namely a deformation of the thickness of the ceramic, depending applied electrical voltage.
  • the ceramic slab 21 is glued as rigidly as possible on the amplification plate 22, for example using a layer of epoxy adhesive (not shown), in order to avoid as much as possible the energy dissipations at the interface between the ceramic slab 21 and the plate 22.
  • the adhesive used is electrically insulating, it is necessary to apply the excitation voltage directly to the electrodes of the piezoelectric slab.
  • the plate 22 is metallic, for example brass, steel or zinc, it is possible to apply the excitation voltage between the upper electrode of the piezoelectric panel 21 and plate 22.
  • the plate 22 has the shape of a circular disc.
  • its thickness can for example be between 0.2 mm and 1 mm, for example 0.5 mm, and its diameter can be included between 9 mm and 12 mm, for example 11 mm, depending in particular on the resonance frequency sought, for example 60 kHz at no load, that is to say before coupling with a surface to be actuated, and also as a function of other parameters such as in particular the density of the material used for the plate.
  • the piezoelectric ceramic 21 has a surface having the shape of a square of approximately 7 mm side inscribed in the surface of the plate 22, and approximately 0.5 mm thick, in the case of a target working frequency of around 64 kHz.
  • the actuating pad 23 is constituted either by a rigid element, for example made of metal or of glass added and secured to the plate 22 (FIG. 2a), or by an extension of the material of the plate 22 (FIG. 2c). This second solution makes it possible to avoid dissipation of additional energy since there is no adhesive interface between the plate 22 and the actuating pad 23.
  • the actuator 20 When the actuator 20 is fixed to a surface to be actuated (not shown in FIG. 2), the deformations of the ceramic slab 21 are transmitted to the plate 22 which amplifies them and transmits them to said surface to be actuated via the stud actuation 23.
  • FIG 3a there is shown a second practical embodiment of an actuator 20 according to the invention.
  • the drive element 21 and for the plate 22 rectangular parallelepiped structures are used which behave in bending like a beam of rectangular section.
  • the actuating pad 23 is small relative to the plate and is centered relative to the plate.
  • the plate 22 has a width B, a length L, and a thickness h.
  • FIGS. 3b and 3c respectively represent a side view and a perspective view of a particular embodiment of a parallelepiped actuator 20 of width B and of length L, in the bent position corresponding to a particular instant of the actuator in operation.
  • the width and the length of the ceramic slab 21 are equal to those of the plate 22 but this is not compulsory.
  • the actuating pad 23 has a length B equal to the width of the plate, and a width b less than the length L of the plate.
  • FIG. 4 schematically represents the mounting of an amplified actuator 20 according to the invention on one face of a plate 40 to be actuated.
  • the actuator 20 is fixed (glued) to the underside 42 of the plate 40 to be actuated by the free face 24 of the actuating pad 23.
  • the plate 22 is located between the actuating pad 23 and the ceramic slab 21
  • the fixing used to fix the actuating stud 23 on the lower face 42 of the plate 40 to be actuated must be as rigid as possible, using for example an epoxy adhesive.
  • the terminals of the piezoelectric panel 21 are then supplied with a signal excitation at an ultrasonic frequency by means of electrodes (not shown).
  • the amplitude of the movement of the amplified 20 uncoupled actuator can then be of the order of 1 0 to 30 microns, higher by a factor of 4 to 50 to the amplitude of known piezoelectric actuators.
  • the amplitude of the movement induced by the actuator 20 on the surface of the plate 40 to be actuated via the actuating pad 23, is also amplified by a factor 4 to 50 relative to that which would be transmitted by a unamplified actuator conforming to the state of the art.
  • the amplified deformation of the plate 40 then has an amplitude of the order of 1 to 2.5 micrometers at the ultrasonic resonant frequency, and is then clearly felt by the finger 41 of a user positioned on the upper face of the plate 40 to be actuated, even if the latter is made of a viscoelastic material such as plastic, wood, or the like.
  • FIG. 6 shows the results of a simulation of the amplitude of displacement of an amplified piezoelectric actuator 20 according to the invention, coupled to a plate 40 to be actuated, and operating at an ultrasonic frequency of 71.3 kHz.
  • the actuator used is a simple non-amplified piezoelectric panel 21.
  • the amplitude of the bending deformation between its edges and the center which corresponds to the deformation belly is approximately equal to 2.10 8 meters, or 0.02 micrometers.
  • the actuator used is an amplified actuator 20 according to the invention.
  • the amplitude of the bending deformation between the edges and the center which corresponds to the deformation belly is approximately equal to 10 -6 meters, or 1 micrometer.
  • the invention therefore made it possible in this scenario to amplify by a factor of 50 an amplitude which is hardly or not perceptible by a human finger (0.02 micrometer) a much more noticeable amplitude of displacement of the surface of the plate of 1 micrometer.
  • this amplitude of deformation remains greater than one micrometer as long as the abovementioned b / L ratio remains within a range of values between approximately 0.1 and 0.45.
  • the maximum amplitude is even close to 2.5 micrometers when said dimensional ratio is of the order of 0.3.
  • FIGS. 8A, 8B in a particularly advantageous embodiment consisting in adding several actuators 21 in FIG. 3 on a single plate 22 whose small dimension B in FIG. 3 is extended in order to become the length L of this new actuator 50, the plate 22 of which is still rectangular in shape but of length L significantly greater than its width B.
  • a series of motor elements 21 is fixed, in particular made of ceramic.
  • the motor elements 21 are spaced apart by zones without a motor element, which makes it possible to save the surface area of the motor element necessary, a fairly expensive component, without detriment to the result obtained.
  • On the opposite face of the plate 22 there is or is arranged an actuating pad 23, as before.
  • the actuating pad is in the form of a longitudinal rail running along the length L of the rectangular plate 22.
  • the actuating pad or rail 23 is again attached and rigidly fixed on the plate 22, either directly formed by a protuberance from the plate 22.
  • FIG. 8c presents the profile of the modal deformation 41 which makes it possible to maximize the vertical displacement of the actuating pad, for the uncoupled actuator 50.
  • Figures 9a and 9b show the modal analysis carried out on two systems coupled with an actuator 50 with two different structures 40 to actuate (one in rectangular plate shape in Figure 9a, the other semicircular-shaped plate FIG. 9b), and it is found that the profile of the modal deformation 41 of FIG. 8c is found in each of the two configurations of FIGS. 9a and 9b.
  • the resonant mode of the free actuator 50 is preserved for the coupled system, regardless of the geometry of the plate to be actuated.
  • FIG. 10 Another embodiment of an actuator 60 according to the invention is shown diagrammatically in FIG. 10. It uses a plate 22 in the form of a flat ring (FIG. 10A), or a plate 22 in the form of a 3D ring (FIG. 10B) .
  • the motor elements 21 can be located on one of the faces of the plate 22, and the actuating stud 23 is then located on the opposite face of the plate 22 and extends along the plate.
  • An actuator 60 in the form of a 3D ring can in particular be used to actuate a sphere, a cylinder, a lever, etc.
  • FIG. 11 which represents an advantageous use of the actuator 50 of FIG. 8, for vibrating a rectangular surface ' which is for example a surface of a plate 40 forming part of a screen on which we want to generate a haptic feedback effect by ultrasonic lubrication.
  • the actuator 50 of Figure 8 can be rotated 90 ° and mounted on a mounting strip 43 ( Figure 11B) coupled by a rigid attachment 42 to the surface 40 to be vibrated. This makes it possible to gain compactness, the surface of the actuator 50 no longer being situated in the plane of the surface 40 to be actuated, but in a plane perpendicular to it.
  • the invention meets the set goals and makes it possible to obtain large amplitudes of haptic feedback, including on viscoelastic surfaces having a strong attenuation of ultrasound, such as plastics, wood, or touch screens with optical bonding between the glass. and the display.
  • the invention makes it possible to create greater ultrasonic displacements than with known piezoelectric actuators, sufficient to obtain the effect of ultrasonic lubrication, namely the modification of the friction of the finger on surfaces excited by a standing wave, even if these surfaces are of dissipative type of vibrational energy.
  • the invention also makes it possible to dispense with a massive mechanical reference, which allows greater miniaturization of the amplified actuator.
  • the invention therefore makes it possible to use actuators with amplified deformation directly on surfaces with programmed friction by ultrasonic lubrication.
  • the new structure is particularly simple and economical to produce, which makes it possible to equip large surfaces, or surfaces which until now could not benefit from a significant haptic feedback effect, for example the rear faces of screens. , with actuators according to the invention.

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Abstract

L'invention concerne un actionneur électromécanique à déformation amplifiée, comportant d'une part au moins un élément moteur (21) connecté à une source de tension alternative de façon à produire une déformation dudit élément moteur (21), et d'autre part une plaque (22) configurée pour amplifier l'amplitude de la vibration que l'élément moteur (21) doit transmettre à un support (40) à actionner, caractérisé en ce qu'une première face de la plaque (22) est fixée de façon rigide à l'élément moteur (21) et en ce qu'une seconde face de la plaque (22) opposée à la première face est fixée par l'intermédiaire d'un plot d'actionnement (23) au support (40) à actionner.

Description

DESCRIPTION
Titre : Actionneurs piézoélectriques à déformation amplifiée
La présente invention concerne le domaine des actionneurs électromécaniques à déformation amplifiée, en particulier les actionneurs piézoélectriques à déformation amplifiée.
État de la technique
Le recours à des actionneurs piézoélectriques à déformation amplifiée est déjà connu dans différents contextes : les sonars, les nettoyeurs à ultrasons, les techniques d'usinage/soudage par ultrasons, les systèmes dits HIFU (acronyme pour « High Intensity Focused Ultrasounds » en terminologie anglo-saxonne), et de nombreuses applications qui nécessitent de fortes amplitudes de déplacement de la surface que l'on cherche à utiliser.
Un autre exemple d'utilisation des actionneurs piézoélectriques est celui des dispositifs présentant des retours haptiques par lubrification ultrasonique. Mais lorsque le milieu est dissipatif comme par exemple les supports en matière plastique ou autres milieux viscoélastiques, les déplacements importants de la surface sont difficiles à obtenir avec de simples actionneurs piézoélectriques dans leur conception classique.
En effet, les actionneurs piézoélectriques connus permettent de réaliser un retour haptique à base de lubrification ultrasonique significatif uniquement sur des surfaces rigides (c'est-à-dire composées d'un matériau purement élastique) et donc non dissipatives, notamment des surfaces métalliques ou en verre qui ne sont en contact avec aucun élément viscoélastique du type colle ou équivalent créant de la dissipation d'énergie. En particulier, dans le domaine des écrans, les actionneurs connus sont en couches minces et ne peuvent être utilisés qu'avec les écrans tactiles présentant un espace d'air entre le verre de surface et l'afficheur (OLED ou LCD par exemple), et les actionneurs doivent directement être appliqués sur le verre pour y créer une onde stationnaire qui ne soit pas dissipée par la partie viscoélastique de l'écran.
Lorsque le milieu à actionner est plus dissipatif, comme par exemple les matériaux viscoélastiques de type plastique, bois ou autres, il est nécessaire, pour que l'effet haptique soit aisément perceptible par un utilisateur, d'utiliser des actionneurs piézoélectriques dont la déformation est amplifiée par rapport à celle qui serait obtenue par un simple actionneur piézoélectrique en couche mince.
Cependant,, les actionneurs piézoélectriques à déformation amplifiée connus présentent plusieurs inconvénients qui limitent leur usage à certaines applications, dont les écrans sont exclus.
Ainsi, dans un contexte industriel, le recours à des actionneurs piézoélectriques à déformation amplifiée pose un certain nombre de problèmes.
En premier lieu, une référence mécanique est souvent nécessaire. En pratique on cherche souvent à maximiser la déformation d'une des faces de l'actionneur piézoélectrique, ce qui implique d'encastrer sa face opposée dans un support. Or l’obtention de cet encastrement n'est pas si simple. Le support devra être significativement plus rigide et massif que l'élément à actionner. Par exemple, pour actionner un afficheur pourvu d'un verre de protection de 2 mm d'épaisseur, il faudrait ancrer l'actionneur dans un support métallique d'au moins 1 cm d'épaisseur. Si un grand nombre d'actionneurs est nécessaire, cela implique de pouvoir ajouter une importante structure métallique uniquement pour assurer cette fonction de référence mécanique.
En second lieu, l'encombrement des actionneurs à déformation amplifiée connus est élevé et n'est pas toujours compatible avec le produit dans lequel on cherche à les intégrer. A titre d'exemple, on connaît des actionneurs piézoélectriques commercialisés sous la marque Thorlabs™ aptes à créer des déformations de 10 à 30 pm environ et fonctionnant dans une gamme de fréquence de 40 kHz à 120 kHz, mais ils présentent des dimensions allant de 10 mm à 30 mm environ, supérieures d'un facteur d'environ 10 aux dimensions acceptables pour un usage dans certaines applications, comme par exemple une intégration dans des écrans ou d'autres structures de faible épaisseur.
Une variante de ces actionneurs piézoélectriques résonants existe avec des actionneurs magnétostrictifs tels que ceux décrits dans le document WO 91/01814 Al mais leur encombrement reste du même ordre car l'effet d'amplification est également basé sur une résonance de compression-dilatation dont les longueurs d'onde sont centimétriques dans la gamme 20 kHz-120 kHz. En troisième lieu, le coût des actionneurs piézoélectriques à déformation amplifiée connus limite fortement leur nombre et leurs usages.
D'autre types d'actionneurs à déformation amplifiée existent tels que ceux basés sur des polymères électro-actifs par exemple comme décrit dans le document US 2013/328447 Al, mais ils sont limités à des vibrations basses fréquences. En aucun cas ils ne permettent de générer des vibrations ultrasoniques aptes à créer un retour haptique par lubrification ultrasonique.
BUT DE L'INVENTION
L'invention a pour but principal de proposer un nouveau type d'actionneur électromécanique à déformation amplifiée, notamment d'actionneur piézoélectrique, apte à pallier les inconvénients précités des actionneurs connus.
En particulier, l'invention a pour but spécifique de proposer un actionneur apte à fonctionner sans nécessiter un encastrement de l'une de ses faces.
Un autre but de l'invention est de proposer un actionneur de très petite taille, à savoir de 2 à 5 mm d'épaisseur, compatible avec un usage dans un grand nombre de nouvelles applications qui impliquent des amplitudes de déplacement de la surface de support plus importantes que celles connues, à savoir des déplacements d'un à trois micromètres dans une gamme de fréquences ultrasoniques allant d'environ 20 kHz à 200 kHz.
Un autre but de l'invention est de proposer un actionneur facile à fabriquer et à utiliser et dont le coût est fortement réduit par rapport à celui des actionneurs connus, permettant là aussi de généraliser son usage dans de nouvelles applications.
RESUME DE L'INVENTION
Dans son principe, la présente invention consiste à coupler un élément moteur, par exemple une céramique piézoélectrique monolithique « courante » à bas coût, à une plaque vibrant en mode de flexion. On se limitera dans l'exposé aux actionneurs piézoélectriques, sans pour autant limiter la portée de l'invention, dans la mesure où d'autres types d'éléments moteur (magnétiques, électrostatiques) pourraient être utilisés.
L'actionneur selon l'invention est alors constitué de 3 éléments : Un élément moteur miniaturisé, par exemple une céramique piézoélectrique de forme carrée, circulaire, ou rectangulaire ;
une plaque rigide, par exemple en bronze, acier, zinc etc., mise en vibration par l'élément moteur miniaturisé et induisant un effet d'amplification du mouvement de l'élément moteur ;
- et un plot d'actionnement, disposé sur la plaque rigide et en relief par rapport à elle, ce plot d'actionnement étant destiné à être appliqué contre la surface d'un support à actionner. Le plot d'actionnement est placé sur la plaque, soit qu'il en fasse intégralement partie, soit qu'il soit rapporté et fixé sur la plaque, notamment par collage.
Le plot d'actionnement est de petites dimensions par rapport à la plaque et est centré par rapport à la plaque.
Ces trois éléments sont reliés entre eux solidement, par exemple à l'aide d'une colle puissante capable de maintenir la cohésion entre les éléments même pour des mouvements de fréquence ultrasonique qui impliquent de fortes sollicitations mécaniques, par exemple une colle de type Époxy bi-composante.
L'invention a donc pour objet un actionneur électromécanique à déformation amplifiée, comportant d'une part au moins un élément moteur connecté à une source de tension alternative de façon à produire une déformation dudit élément moteur, et d'autre part une plaque configurée pour amplifier l'amplitude de la vibration que l'élément moteur doit transmettre à un support à actionner, caractérisé en ce qu'une première face de la plaque est fixée de façon rigide à l'élément moteur et en ce qu'une seconde face de la plaque opposée à la première face est fixée par l'intermédiaire d'un plot d'actionnement au support à actionner.
Selon un mode de réalisation de l'invention, ledit élément moteur est de préférence un actionneur piézoélectrique, mais il pourrait s'agir d'un autre type d'actionneur, comme un actionneur magnétique ou un actionneur électrostatique.
Selon un mode de réalisation, la plaque est configurée pour générer une déformation en flexion maximale à une fréquence de résonance principale comprise entre 20 kHz et 200 kHz.
Afin que l'actionneur soit compatible avec les procédés haptiques à lubrification ultrasonique, la plaque est configurée de manière que l'amplitude de la vibration qu'elle génère à la fréquence de résonance soit supérieure d'un facteur d'amplification compris entre 4 et 50 à l'amplitude de la vibration générée par l'élément moteur seul.
Selon un mode de réalisation, la plaque a la forme d'un disque de diamètre compris entre 9 mm et 12 mm, par exemple 11 mm, et d'épaisseur comprise entre 0,2 mm et 1 mm, par exemple 0,5 mm, pour une fréquence de travail à vide d'environ 60 kHz.
Selon un mode de réalisation avantageux, la plaque a la forme d'une plaque parallélépipédique de longueur L comprise entre 9 mm et 11 mm, par exemple 10 mm, de largeur B comprise entre 4 mm et 6 mm, par exemple 5 mm, et d'épaisseur h comprise entre 1 mm et 2 mm, par exemple 1,5 mm, pour une fréquence de travail à vide d'environ 70 kHz.
Selon un autre mode de réalisation avantageux, la plaque est rectangulaire de longueur L sensiblement supérieure à sa largeur B, et elle comporte sur une de ses faces plusieurs éléments moteurs, et sur sa face opposée un plot d'actionnement dont la longueur correspond à la largeur B de la plaque et dont la largeur b est inférieure à la largeur B de la plaque.
Selon un autre mode de réalisation, la plaque de longueur L est refermée sur elle-même en forme d'anneau plat ou d'anneau 3D. C'est-à-dire que sa largeur B est allongée jusqu'à former un anneau fermé. Cette plaque en forme d'anneau comporte des éléments moteurs espacés situés sur l'une des faces de l'anneau, et un plot d'actionnement s'étendant sur l'autre face de l'anneau sur toute sa circonférence et présentant une largeur b inférieure à la longueur L de la plaque.
Selon un mode de réalisation, le facteur d'amplification du mouvement de l'élément moteur est une fonction du rapport entre la largeur b du plot d'actionnement et la longueur L de la plaque, ce qui permet de piloter le facteur d'amplification souhaité en jouant sur ce rapport. Selon un mode de réalisation préféré, le rapport b/L de la largeur du plot d'actionnement sur la longueur de la plaque est compris entre 0,1 et 0,45.
Selon un mode de réalisation, l'élément moteur de l'actionneur est une dalle en céramique piézoélectrique de forme carrée, rectangulaire ou circulaire dont les plus grandes dimensions (longueur, largeur, diamètre) sont comprises entre 6 mm et 8 mm, en particulier 7 mm, pour une fréquence de travail de 64 kHz.
Selon un mode de réalisation pratique, l'actionneur est configuré de manière que l'amplitude de sa déformation dans la direction perpendiculaire au support à la fréquence de résonance principale soit comprise entre 10 micromètres et 30 micromètres pour l'actionneur non couplé à un support, et que l'amplitude de la déformation transmise par l'actionneur à une surface en mode couplé soit comprise entre 1 et 2,5 micromètres.
De préférence, l'élément moteur et la plaque de l'actionneur sont solidarisés à l'aide d'une colle forte à faible dissipation d'énergie, notamment une colle époxy.
L'invention a également pour objet un dispositif comportant une surface viscoélastique à actionner par un effet haptique, notamment un effet haptique par lubrification ultrasonique, et comportant une pluralité d'actionneurs tels que décrits précédemment.
Selon une variante avantageuse, ledit dispositif comporte une lamelle de fixation fixée perpendiculairement audit support à actionner, et un ou plusieurs actionneurs qui sont fixés par l'intermédiaire de leur plot d'actionnement sur ladite lamelle de fixation.
Dans un mode de réalisation avantageux, ledit support à actionner comporte une surface à faible pouvoir de conduction de vibration ultrasonique telle que des plastiques ou des plaques multicouches incluant un cœur viscoélastique. Il peut donc s'agir de dispositifs tels que des écrans OLED ou LCD à actionner par un effet haptique, notamment un effet haptique par lubrification ultrasonique.
DESCRIPTION DETAILLEE
L'invention sera décrite plus en détail en référence aux figures ci-jointes dans lesquelles :
La figure 1 représente de façon schématique trois exemples connus d'actionneurs piézoélectriques à déformation amplifiée ;
La figure 2 représente un schéma de principe d'un premier mode de réalisation d'un actionneur selon l'invention, en vue en perspective éclatée, en perspective assemblée et en perspective en coupe ; La figure 3 représente plusieurs vues d'un schéma de principe d'un second mode de réalisation d'un actionneur selon l'invention ;
La figure 4 représente en vue en coupe un exemple de montage d'un actionneur selon l'invention sur un milieu à actionner ;
La figure 5 représente un schéma de répartition de multiples actionneurs selon l'invention sur une surface à actionner ;
La figure 6 représente un graphe illustrant l'effet d'amplification de l'amplitude du mouvement d'un actionneur selon l'invention.
La figure 7 représente une courbe montrant l'amplitude maximale de déformation d'un support de l'actionneur en fonction du rapport entre la largeur du plot d'actionnement et la longueur de la plaque d'amplification de l'actionneur piézoélectrique.
Les figures 8A à 8C représentent en perspective une variante d'actionneur selon l'invention, vue seule respectivement de dessus et de dessous, et vue de dessus avec sa déformée modale ;
Les figures 9A et 9B représentent des simulations numériques 3D par éléments finis (COMSOL) montrant la déformée modale 41 obtenue par calcul des valeurs propres de l'ensemble constitué par un actionneur selon la figure 8 et une surface vibrante pour deux géométries différentes de la surface à actionner ;
Les figures 10A et 10B représentent deux variantes d'un actionneur utilisant une plaque d'amplification en forme d'anneau ;
Les figures 11A et 11B représentent respectivement une vue en perspective et en coupe d'un dispositif intégrant un actionneur selon la figure 8.
On se réfère à la figure 1 relative à trois types de dispositifs connus permettant d'amplifier la déformation d'un actionneur piézoélectrique.
On rappelle qu'il existe principalement deux types d'actionneurs piézoélectriques :
les actionneurs non amplifiés, dans lesquels le déplacement obtenu est directement égal à la déformation du matériau piézoélectrique sous l'application d'une tension électrique. les actionneurs amplifiés, dans lesquels un dispositif mécanique vient amplifier le mouvement du matériau piézoélectrique, typiquement d'un facteur de 2 à 20.
Aujourd'hui, ce sont les céramiques multicouches qui sont traditionnellement utilisées comme éléments moteurs dans les actionneurs piézoélectriques amplifiés. L'intégration de ce type de matériau impose des précautions spécifiques, comme par exemple la nécessité d'assurer une précontrainte mécanique ou d'éviter les efforts en torsion. Sous réserve d'une bonne conception et utilisation, les actionneurs piézoélectriques sont extrêmement fiables et robustes.
La figure la correspond à un exemple connu d'actionneur piézoélectrique amplifié la, constitué par un ensemble de couches de céramiques piézoélectriques élémentaires 2 empilées. L'effet d'amplification est obtenu par la multiplication de la déformation d'une céramique élémentaire 2 par le nombre de céramiques unitaires présentes dans le dispositif. On voit donc que cela peut être efficace du point de vue de l'amplitude du mouvement vertical généré, schématisé par une flèche bidirectionnelle, mais l'empilement implique que les dimensions de cet actionneur deviennent trop importantes et excluent ce dispositif de certaines applications nécessitant des actionneurs de faibles dimensions. En outre, ce dispositif nécessite un point d'attache fixe 3 très rigide, qui est lui aussi assez encombrant.
La figure lb correspond à un actionneur piézoélectrique lb dit flex-tensionnel, qui reprend le principe de l'empilement de céramiques unitaires 2 de la figure la, mais en basculant et en enfermant l'empilement dans une structure mécanique 4 qui transforme la déformation des céramiques 2 en une déformation perpendiculaire, schématisée par la double flèche verticale. En définitive, cette variante connue ne résout pas les problèmes inhérents à la variante de la figure la.
La figure le correspond à un actionneur le dit bi-morphe, comportant deux céramiques piézoélectriques 2, 2' fonctionnant en opposition. Cette structure a l'avantage d'offrir un grand débattement, mais nécessite également un point de référence 3 fixe et rigide, et au final ne convient pas pour actionner une surface, telle que la surface d'un écran par exemple. En figure 2, on a représenté un actionneur amplifié 20 selon un premier mode de réalisation de l'invention, en vue en perspective éclatée (a), en perspective assemblée (b) et en perspective en coupe (c).
Ce premier mode de réalisation se compose d'un élément moteur piézoélectrique 21 en partie supérieure, d'une plaque d'amplification 22 ici de forme circulaire, solidarisée avec l'élément moteur 21 qui va la mettre en vibration en mode flexion, et d'un plot ou téton d'actionnement 23 solidaire de la plaque 22. Ce plot d'actionnement est destiné à transmettre les mouvements de l'ensemble composite constitué par l'élément moteur 21 et la plaque 22 à une surface à actionner (non représentée dans cette figure). Le plot d'actionnement 23 est situé sur la face de la plaque 22 opposée à celle qui porte l'élément moteur 21.
L'élément moteur 21 est de préférence mais pas nécessairement un actionneur piézoélectrique élémentaire sous la forme d'une dalle en céramique. Elle est représentée sous forme carrée, mais elle pourrait être circulaire ou d'une autre forme. De façon connue, la dalle céramique 21 possède deux électrodes métalliques (non représentées) pour l'application d'une tension d'alimentation permettant d'obtenir l'effet piézoélectrique, à savoir une déformation de l'épaisseur de la céramique, en fonction de la tension électrique appliquée.
Selon l'invention, la dalle céramique 21 est collée de façon aussi rigide que possible sur la plaque d'amplification 22, par exemple à l'aide d'une couche de colle époxy (non représentée), afin d'éviter autant que possible les dissipations d'énergie à l'interface entre la dalle céramique 21 et la plaque 22. Lorsque la colle utilisée est électriquement isolante, il est nécessaire d'appliquer la tension d'excitation directement sur les électrodes de la dalle piézoélectrique. Par contre, lorsque la colle utilisée est électriquement conductrice et que la plaque 22 est métallique, par exemple en laiton, en acier ou en zinc, il est possible d'appliquer la tension d'excitation entre l'électrode supérieure de la dalle piézoélectrique 21 et la plaque 22.
Selon le premier mode de réalisation représenté en figure 2, la plaque 22 a la forme d'un disque circulaire. Pour obtenir une fréquence de résonance dans la gamme ultrasonique visée, à savoir de 20 kHz à 200 kHz, son épaisseur peut par exemple être comprise entre 0,2 mm et 1 mm, par exemple 0,5 mm, et son diamètre peut être compris entre 9 mm et 12 mm, par exemple 11 mm, en fonction notamment de la fréquence de résonance recherchée, par exemple 60 kHz à vide, c'est-à-dire avant couplage avec une surface à actionner, et aussi en fonction d'autres paramètres comme notamment la densité du matériau utilisé pour la plaque.
Selon un mode de réalisation avantageux, la céramique piézoélectrique 21 présente une surface ayant la forme d'un carré d'environ 7 mm de côté inscrit dans la surface de la plaque 22, et d'environ 0,5 mm d'épaisseur, dans le cas d'une fréquence de travail visée d'environ 64 kHz.
Le plot d'actionnement 23 est constitué soit par un élément rigide, par exemple en métal ou en verre rapporté et solidarisé avec la plaque 22 (figure 2a), soit par une extension du matériau de la plaque 22 (figure 2c). Cette seconde solution permet d'éviter des dissipations d'énergie supplémentaires puisqu'il n'y a pas d'interface de colle entre la plaque 22 et le plot d'actionnement 23.
Lorsque l'actionneur 20 est fixé à une surface à actionner (non représentée en figure 2), les déformations de la dalle céramique 21 sont transmises à la plaque 22 qui les amplifie et les transmet à ladite surface à actionner par l'intermédiaire du plot d'actionnement 23.
En figure 3a on a représenté un second mode de réalisation pratique d'un actionneur 20 selon l'invention. Dans cette configuration, on utilise pour l'élément moteur 21 et pour la plaque 22 des structures en parallélépipède rectangle qui se comportent en flexion comme une poutre de section rectangulaire.
Le plot d'actionnement 23 est de petites dimensions par rapport à la plaque et est centré par rapport à la plaque.
Dans le mode de réalisation représenté, la plaque 22 possède une largeur B, une longueur L, et une épaisseur h.
Les déplacements transverses d'une poutre de section rectangulaire en flexion, notés y(x, t) s'expriment par l'équation d'onde suivante:
[Math 1]
E.I.04.y(x,t) / ôx4 +p.02.y(x,t) / 0t2 =0
où E désigne le module de Young,
[Math 2] I = B.h3/L2 désigne le moment quadratique selon l'axe y, et p désigne la masse volumique de la poutre. En solution harmonique (régime sinusoïdal), l'équation [Math 1] devient : [Math 3] (E.I.dndc4 - w2.r). U(c) = 0
où Y (c) désigne l'amplitude des vibrations transverses selon l'axe x. En condition libre-libre, la résolution de l'équation [Math 3] conduit à l'expression suivante [Math 4] dans laquelle, [Math 5] bh = 4 p.co2 n représente le nombre d'onde :
[Math 4]
Yn(x) = cos nx+ coshpnx - ((cospnL - coshpnL))/(sinpnx + sinhpnx))/(sinpnL - sinhPnL)
où l'indice n indique le numéro du mode de vibration. La fréquence de chaque mode de vibration propre de la poutre seule en mode de flexion est donnée par la formule [Math 6] suivante :
[Math 6]
On constate donc que pour obtenir une fréquence de vibration donnée, plusieurs géométries (longueur, largeur, épaisseur) de la plaque 22 en forme de poutre pourront convenir.
Les figures 3b et 3c représentent respectivement une vue de côté et une vue en perspective d'un mode de réalisation particulier d'un l'actionneur 20 parallélépipédique de largeur B et de longueur L, en position fléchie correspondant à un instant particulier de l'actionneur en fonctionnement. Dans l'exemple représenté, la largeur et la longueur de la dalle céramique 21 sont égales à celles de la plaque 22 mais cela n'est pas obligatoire. Le plot d'actionnement 23 possède une longueur B égale à la largeur de la plaque, et une largeur b inférieure à la longueur L de la plaque.
La figure 4 représente de façon schématique le montage d'un actionneur amplifié 20 selon l'invention sur une face d'une plaque 40 à actionner. L'actionneur 20 est fixé (collé) sur la face inférieure 42 de la plaque 40 à actionner par la face libre 24 du plot d'actionnement 23. Ainsi la plaque 22 se trouve entre le plot d'actionnement 23 et la dalle céramique 21. Afin de limiter les pertes par dissipation d'énergie, la fixation utilisée pour fixer le plot d'actionnement 23 sur la face inférieure 42 de la plaque 40 à actionner doit être aussi rigide que possible, en utilisant par exemple une colle époxy. On alimente alors les bornes de la dalle piézoélectrique 21 avec un signal d'excitation à une fréquence ultrasonique par l'intermédiaire d'électrodes (non représentées).
L'amplitude du mouvement de l'actionneur amplifié 20 non couplé peut alors être de l'ordre de 1,0 à 30 micromètres, supérieure d'un facteur 4 à 50 à l'amplitude des actionneurs piézoélectriques connus.
En outre, l'amplitude du mouvement induit par l'actionneur 20 à la surface de la plaque 40 à actionner via le plot d'actionnement 23, est également amplifiée d'un facteur 4 à 50 par rapport à celle qui serait transmise par un actionneur non amplifié conforme à l'état de la technique.
La déformation amplifiée de la plaque 40 possède alors une amplitude de l'ordre de 1 à 2,5 micromètres à la fréquence de résonance ultrasonique, et est alors clairement ressentie par le doigt 41 d'un utilisateur positionné sur la face supérieure de la plaque 40 à actionner, même si celle-ci est en un matériau viscoélastique tel qu'une matière plastique, du bois, ou équivalent.
Lorsqu'il est nécessaire de produire un effet haptique différencié en plusieurs points d'une plaque 40, ou lorsque la surface à actionner présente une trop grande déperdition des vibrations, il est alors possible d'équiper une face de cette plaque avec un réseau d'actionneurs amplifiés 20 ou 50 (figure 8), par exemple un réseau matriciel d'actionneurs 20 ou 50, comme représenté de façon schématique en figure 5.
En figure 6 on a représenté les résultats d'une simulation de l'amplitude de déplacement d'un actionneur piézoélectrique amplifié 20 selon l'invention, couplé à une plaque 40 à actionner, et fonctionnant à une fréquence ultrasonique de 71,3 kHz.
En partie gauche de la figure 6, l'actionneur utilisé est une simple dalle piézoélectrique 21 non amplifiée. L'amplitude de la déformation de flexion entre ses bords et le centre qui correspond au ventre de déformation est environ égale à 2.10 8 mètre, soit 0,02 micromètre.
En partie droite de la figure 6, l'actionneur utilisé est un actionneur amplifié 20 conforme à l'invention. L'amplitude de la déformation de flexion entre les bords et le centre qui correspond au ventre de déformation est environ égale à 10-6 mètre, soit 1 micromètre. L'invention a donc permis dans ce cas de figure d'amplifier d'un facteur 50 une amplitude peu ou pas perceptible par un doigt humain (0,02 micromètre) en une amplitude de déplacement de la surface de la plaque bien plus perceptible de 1 micromètre.
Des essais ont montré que l'amplitude de déplacement d'une plaque 40 obtenue par l'actionneur amplifié 20 selon l'invention dépend fortement, pour une fréquence de fonctionnement donnée et un type de surface donné, du rapport entre les dimensions de la plaque d'amplification 22 et celles de son plot d'actionnement 23. Les résultats des essais sont reproduits dans la courbe de la figure 7, qui donne en ordonnée l'amplitude de la déformation de l'actionneur selon l'invention, en fonction du rapport noté b/L entre la largeur b du plot d'actionnement et la longueur L de la plaque 22 de l'actionneur, en abscisse.
Comme on le voit, cette amplitude de déformation reste supérieure à un micromètre tant que le rapport b/L précité reste dans une fourchette de valeurs comprises entre environ 0,1 et 0,45. L'amplitude maximale est même proche de 2,5 micromètres lorsque ledit rapport dimensionnel est de l'ordre de 0,3. Pour une seule fréquence et un seul substrat donc en mode couplé.
Le principe de l'invention peut encore être mis en oeuvre dans d'autres modes de réalisation que ceux des figures 2 et 3.
Ainsi, comme représenté en figures 8A, 8B, dans un mode de réalisation particulièrement avantageux consistant à ajouter plusieurs actionneurs 21 de la figure 3 sur une seule plaque 22 dont la petite dimension B de la figure 3 est étendue afin de devenir la longueur L de ce nouvel actionneur 50 dont la plaque 22 est toujours de forme rectangulaire mais de longueur L nettement supérieure à sa largeur B. Sur une face de cette plaque on fixe une série d'éléments moteurs 21 notamment en céramique. Les éléments moteurs 21 sont espacés par des zones sans élément moteur, ce qui permet d'économiser la surface d'élément moteur nécessaire, un composant assez coûteux, sans nuire au résultat obtenu. Sur la face opposée de la plaque 22 on dispose ou on aménage un plot d'actionnement 23, comme précédemment. Mais dans ce mode de réalisation, le plot d'actionnement est en forme de rail longitudinal courant sur la longueur L de la plaque rectangulaire 22. Le plot ou rail d'actionnement 23 est ici encore soit rapporté et fixé rigidement sur la plaque 22, soit directement formé par une excroissance de la plaque 22. La figure 8c présente le profil de la déformée modale 41 qui permet de maximiser le déplacement vertical du plot d'actionnement, pour l'actionneur 50 non couplé.
Les figures 9a ,et 9b représentent l'analyse modale réalisée sur deux systèmes couplés d'un actionneur 50 avec deux structures différentes 40 à actionner (l'une en forme de plaque rectangulaire en figure 9a, l'autre en forme de plaque hémicirculaire en figure 9b), et on constate qu'on retrouve le profil de la déformée modale 41 de la figure 8c dans chacune des deux configurations des figures 9a et 9b. Autrement dit, le mode résonant de l'actionneur 50 libre est préservé pour le système couplé, indépendamment de la géométrie de la plaque à actionner.
Un autre mode de réalisation d'un actionneur 60 selon l'invention est schématisé en figure 10. Il utilise une plaque 22 en forme d'anneau plat (figure 10A), ou une plaque 22 en forme d'anneau 3D (figure 10B). Dans ces cas de figure, les éléments moteur 21 peuvent être situés sur l'une des faces de la plaque 22, et le plot d'actionnement 23 est alors situé sur la face opposée de la plaque 22 et s'étend le long de la plaque. Un actionneur 60 en forme d'anneau 3D peut notamment être utilisé pour actionner une sphère, un cylindre, un levier etc.
On se réfère maintenant à la figure 11 qui représente une utilisation avantageuse de l'actionneur 50 de la figure 8, pour mettre en vibration une surface rectangulaire' qui est par exemple une surface d'une plaque 40 faisant partie d'un écran sur lequel on veut générer un effet de retour haptique par lubrification ultrasonique.
Dans ce mode de réalisation, l'actionneur 50 de la figure 8 peut être tourné à 90° et monté sur une lamelle de fixation 43 (figure 11B) couplée par une fixation rigide 42 à la surface 40 à faire vibrer. Cela permet de gagner de la compacité, la surface de l'actionneur 50 n'étant plus située dans le plan de la surface 40 à actionner, mais dans un plan perpendiculaire à elle.
Il est à noter qu'il serait aussi possible de fixer sur la lamelle de fixation 43 plusieurs actionneurs élémentaires 20 conformes à la figure 2 ou à la figure 3, et/ou plusieurs actionneurs 50 de la figure 8, en lieu et place de l'unique actionneur 50 représenté sur la figure 11. Dans la configuration de la figure 11, les ondes de flexion dans la plaque 40 à faire vibrer sont générées par la création d'un moment fléchissant. Ce dernier est maximisé par la présence de l'actionneur 50, qui crée une vibration de forte amplitude indépendamment de la forme de la surface à faire vibrer, comme mentionné en rapport avec la figure 9. Une optimisation de cette vibration peut être obtenue en jouant sur les différentes dimensions de l'actionneur 50.
AVANTAGES DE L'INVENTION
L'invention répond aux buts fixés et permet d'obtenir des amplitudes de retour haptique importantes y compris sur des surfaces viscoélastiques présentant une forte atténuation des ultrasons, tels que les matières plastiques, le bois, ou des écrans tactiles avec collage optique entre le verre de surface et l'afficheur.
L'invention permet de créer des déplacements ultrasoniques plus importants qu'avec les actionneurs piézoélectriques connus, suffisants pour obtenir l'effet de lubrification ultrasonique, à savoir la modification du frottement du doigt sur des surfaces excitées par une onde stationnaire, même si ces surfaces sont de type dissipatif de l'énergie vibratoire.
L'invention permet aussi de se passer d'une référence mécanique massive, ce qui permet une plus grande miniaturisation de l'actionneur amplifié.
L'invention permet donc d'utiliser des actionneurs à déformation amplifiée directement sur des surfaces à frottement programmé par lubrification ultrasonique.
La nouvelle structure est particulièrement simple et économique à réaliser, ce qui permet d'équiper des surfaces importantes, ou des surfaces qui jusqu'à présent ne pouvaient pas bénéficier d'un effet de retour haptique significatif, par exemple des faces arrière d'écrans, avec des actionneurs selon l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Actionneur électromécanique à déformation amplifiée, comportant d'une part au moins un élément moteur (21) connecté à une source de tension alternative de façon à produire une déformation dudit élément moteur (21), et d'autre part une plaque (22) configurée pour amplifier l'amplitude de la vibration que l'élément moteur (21) doit transmettre à un support (40) à actionner, caractérisé en ce qu'une première face de la plaque (22) est fixée de façon rigide à l'élément moteur (21) et en ce qu'une seconde face de la plaque (22) opposée à la première face est fixée par l'intermédiaire d'un plot d'actionnement (23) au support (40) à actionner.
2. Actionneur électromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le plot d'actionnement (23) est de petites dimensions par rapport à la plaque et est centré par rapport à la plaque.
3. Actionneur selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que ledit élément moteur (21) est un actionneur piézoélectrique, un actionneur magnétique ou un actionneur électrostatique.
4. Actionneur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la plaque (22) est configurée pour générer une déformation en flexion maximale à une fréquence de résonance principale comprise entre 20 kHz et 200 kHz.
5. Actionneur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les formes, dimensions et matériau de la plaque (22) sont choisis de manière que l'amplitude de la vibration générée par la plaque (22) à la fréquence de résonance soit supérieure d'un facteur d'amplification compris entre 4 et 50 à l'amplitude de la vibration générée par l'élément moteur (21) seul.
6. Actionneur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la plaque (22) a la forme d'un disque de diamètre compris entre 9 mm et 12 mm et d'épaisseur comprise entre 0,2 mm et 1 mm pour une fréquence de travail à vide d'environ 60 kHz.
7. Actionneur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la plaque (22) a la forme d'un disque de 11 mm de diamètre et de 0,5 mm d'épaisseur.
8. Actionneur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la plaque (22) a une forme parallélépipédique de longueur L, de largeur B et d'épaisseur h.
9. Actionneur selon la revendication 8, caractérisé en ce que la longueur L de la plaque (22) est comprise entre 9 mm et 11 mm, la largeur B est comprise entre 4 mm et 6 mm, et l'épaisseur h est comprise entre 1 mm et 2 mm, pour une fréquence de travail à vide d'environ 70 kHz.
10. Actionneur selon la revendication 8, caractérisé en ce que la plaque (22) a une longueur L de 10 mm, une largeur B de 5 mm, et une épaisseur h de 1,5 mm.
11. Actionneur (50) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 et 8, caractérisé en ce que la longueur L de la plaque (22) est sensiblement supérieure à sa largeur B, et en ce que la plaque (22) comporte sur une de ses faces plusieurs éléments moteurs (21) et sur sa face opposée un plot d'actionnement (23) dont la longueur correspond à la largeur B de la plaque et dont la largeur b est inférieure à la largeur B de la plaque.
12. Actionneur (60) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 et 8, caractérisé en ce que la plaque (22) est refermée sur elle-même en forme d'un anneau plat ou 3D et en ce qu'elle comporte des éléments moteurs (21) espacés situés sur l'une des faces de la plaque (22) et un plot d'actionnement (23) situé sur la face opposée de la plaque et s'étendant sur la longueur L de la plaque et ayant une largeur b inférieure à la longueur L de la plaque (22).
13. Actionneur (20 ; 50 ; 60) selon l'une des revendications 8 à 12, caractérisé en ce que le facteur d'amplification du mouvement de chaque élément moteur (21) est une fonction du rapport b/L entre la largeur b du plot d'actionnement (23) et la longueur L de la plaque (22).
14. Actionneur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le rapport b/L de la largeur b du plot d'actionnement sur la longueur L de la plaque (22) est compris entre 0,1 et 0,45.
15. Actionneur (20 ; 50 ; 60) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément moteur (21) est une dalle en céramique piézoélectrique de forme carrée, rectangulaire ou circulaire dont les plus grandes dimensions (longueur, largeur, diamètre) sont comprises entre 6 mm et 8 mm, en particulier 7 mm, pour une fréquence de travail de 64 kHz.
16. Actionqeur (2Q ; 50 ; 60) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est configuré de manière que l'amplitude de sa déformation dans la direction perpendiculaire au support (40) à la fréquence de résonance principale soit comprise entre 10 micromètres et 30 micromètres pour l'actionneur non couplé à un support, et que l'amplitude de la déformation transmise par l'actionneur à une surface (40) en mode couplé soit comprise entre 1 et 2,5 micromètres.
17. Actionneur (20 ; 50 ; 60) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément moteur (21) et la plaque (22) sont solidarisés à l'aide d'une colle forte à faible dissipation d'énergie, notamment une colle époxy.
18. Dispositif comportant un support (40) à actionner par un effet haptique, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un actionneur (20 ; 50 ; 60) selon l'une quelconque des revendications précédentes.
19. Dispositif selon la revendication 18, caractérisé en ce qu'il comporte un support (40) à actionner, une lamelle de fixation (43) fixée perpendiculairement audit support (40), et un ou plusieurs actionneurs (20 ; 50) fixés par l'intermédiaire de leur plot d'actionnement (23) sur ladite lamelle de fixation (43).
20. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit support (40) est un écran d'affichage.
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