FR3097661A1 - Dispositif mettant en œuvre une lubrification par vibration a robustesse augmentee - Google Patents

Abstract

Dispositif mettant en œuvre une lubrification par vibration comportant un support (2), un élément d’interaction avec l’extérieur apte à être déplacé en rotation par rapport audit support (2) autour d’un axe longitudinal (X), une première zone de contact solidaire en rotation de l’élément d’interaction , une deuxième zone de contact fixe en rotation autour de l’axe longitudinal (X) par rapport au support (2), un premier résonateur (10), une unité de commande telle qu’elle excite le résonateur (10) à au moins une fréquence de résonance générant un mode de vibration et l’apparition d’un phénomène de lubrification par vibration entre la première zone de contact et la deuxième zone de contact et des moyens (16) appliquant une contrainte à la deuxième zone de contact en direction de la première zone de contact de sorte à plaquer la deuxième zone de contact contre la première zone de contact. Figure pour l’abrégé : 4A.

Description

DISPOSITIF METTANT EN ŒUVRE UNE LUBRIFICATION PAR VIBRATION A ROBUSTESSE AUGMENTEE

DOMAINE TECHNIQUE ET ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE

La présente invention se rapporte à un dispositif mettant en œuvre une lubrification par vibration présentant une robustesse augmentée.

Les dispositifs mettant en œuvre une lubrification par vibration peuvent être utilisés pour réaliser des dispositifs haptiques.

Un dispositif haptique permet à un utilisateur d’avoir une interaction avec une machine par exemple. L’utilisateur ressent un retour haptique lors de la manipulation du dispositif haptique, par exemple sous forme de crans ou de butée mécanique. L’interaction entre l’utilisateur et la machine est alors enrichie et peut être plus intuitive. Le dispositif haptique peut prendre la forme d'un bouton rotatif dans ce cas l'interface oppose un couple résistant à l'utilisateur en fonction de la position angulaire du bouton d’actionnement et du déplacement appliqué par l’utilisateur, permettant ainsi de définir des motifs haptiques qui seront ressentis par l'utilisateur lorsqu’il tourne le bouton. L’interface haptique munie du dispositif haptique présente l’avantage d’être reconfigurable et ainsi de s’adapter à l’interaction en cours.

De plus on cherche à réaliser des dispositifs haptiques, par exemple ceux équipant les véhicules automobiles tels que les commandes centrales, compactes et robustes aux efforts venant de l’extérieur tels qu’un appui forcé, un objet lourd placé involontairement sur le dispositif, voire l’appui d’une personne. Ces efforts peuvent atteindre une centaine de Newtons. En même temps, on souhaite que l’interface soit capable de restituer des couples allant de quelques mNm à environ quelques Nm.

Une des technologies permettant de générer un retour haptique met en œuvre un matériau piézoélectrique et le phénomène de lubrification par vibration. Dans le cas de dispositifs mettant en œuvre la lubrification par vibration, il est souhaitable que le coefficient de frottement entre le rotor et le stator soit faible. Or pour obtenir un couple de blocage suffisant en l’absence de lubrification, un effort important doit être exercé entre le rotor et le stator afin de générer un frottement. Cela implique un très bon alignement des surfaces en contact même lors que le rotor est déplacé. Cependant le résonateur doit également pouvoir vibrer relativement librement pour réduire le couple de frottement.

Un tel dispositif haptique mettant en œuvre la lubrification par vibration est par exemple décrit dans le document EP3485349.Il comporte un bouton formant rotor, un stator, une première zone de contact solidaire en mouvement du bouton, une deuxième zone de contact solidaire en mouvement du stator, au moins un résonateur piézoélectrique et des moyens d’excitation du résonateur à au moins une fréquence de résonance telle qu’elle génère un mode de vibration dans le plan du résonateur et l’apparition d’un phénomène de lubrification entre le rotor et le stator. Le dispositif peut mettre en œuvre un ressort plaquant la première zone de contact contre la deuxième zone de contact afin d’immobiliser les deux zones l’une par rapport à l’autre en l’absence de lubrification par vibration.

Ce dispositif donne satisfaction et offre une bonne compacité, cependant le ressort couple mécaniquement le rotor et le stator. Il en résulte qu’il est peu robuste aux efforts extérieurs appliqués involontairement sur le bouton. En outre, le retour haptique peut alors être modifié suivant l’effort appliqué sur le bouton suivant la direction longitudinale. De plus l’effort exercé par le ressort pour générer un couple statique entre le bouton et le stator est relativement faible et le rendu haptique en l’absence de lubrification est améliorable.

C’est par conséquent un but de la présente invention d’offrir un dispositif mettant en œuvre la lubrification par vibration présentant une robustesse augmentée.

Le but de la présente invention est atteint par un dispositif comportant un stator, un rotor destiné à tourner autour d’un axe longitudinal et immobile en translation le long de l’axe longitudinal, une première zone de contact solidaire en mouvement du rotor, une deuxième zone de contact solidaire en mouvement du stator et immobile en rotation, au moins un résonateur, des moyens d’excitation du résonateur à au moins une fréquence de résonance telle qu’elle génère un mode de vibration dans le plan ou hors-plan du résonateur et l’apparition d’un phénomène de lubrification entre la première zone de contact et la deuxième zone de contact. Le dispositif comporte également des moyens élastiques appliquant un effort selon la direction longitudinale entre les première et deuxième zones de contact du stator vers le rotor.

Il en résulte un découplage en translation entre le rotor et le stator et une robustesse aux efforts extérieurs appliqués sur le rotor améliorée.

En effet en appliquant l’effort de plaquage entre les première et deuxième zone de contact à partir du stator, il est possible de fixer en translation le rotor ainsi un effort extérieur dans la direction longitudinale sur le rotor n’a pas ou peu d’effet sur la position du rotor. Cet effort extérieure ne peut donc pas détériorer le dispositif ni modifier le ressenti haptique. En outre, le stator étant fixe en rotation, on évite la sensation d’un jeu mécanique qui détériorerait la sensation haptique. Les moyens élastiques appliquent une force de précontrainte générant un couple statique entre le rotor et le stator et permettent au stator de conserver, quant à lui, une certaine liberté de déplacement dans la direction longitudinale, lui permet de vibrer relativement librement.

En d’autres termes, on réalise un dispositif comportant un empilement comprenant dans cet ordre un rotor, au moins un résonateur, un stator et de moyens élastiques exerçant une contrainte sur le stator de sorte à le plaquer contre le rotor.

En outre une telle disposition des moyens élastiques permet de compenser dans une certaine mesure une usure du rotor et/ou du stator.

De manière très avantageuse, les moyens élastiques assurent également l’immobilisation en rotation du stator.

Dans un exemple préféré, les moyens élastiques sont plans au moins à l’état non monté, et comportent des branches s’étendant approximativement de manière radiale et dont l’extrémité radialement extérieure est fixée au châssis et l’extrémité intérieure est fixée au stator. Les branches permettent d’assurer à la fois l’application d’une force dans la direction longitudinale et l’immobilisation en rotation du stator.

Ces moyens élastiques présentent l’avantage de compenser les désaxages qui peuvent apparaître entre les première et deuxième zones de contact.

La présente invention a alors pour objet un dispositif mettant en œuvre une lubrification par vibration comportant un support, un élément d’interaction avec l’extérieur apte à être déplacé en rotation par rapport audit support autour d’un axe longitudinal, une première zone de contact solidaire en rotation de l’élément d’interaction, une deuxième zone de contact fixe en rotation autour de l’axe longitudinal par rapport au support, au moins un premier résonateur, une unité de commande telle qu’elle excite le résonateur à au moins une fréquence de résonance générant un mode de vibration et l’apparition d’un phénomène de lubrification par vibration entre la première zone de contact et la deuxième zone de contact et des moyens appliquant une contrainte à la deuxième zone de contact en direction de la première zone de contact de sorte à plaquer la deuxième zone de contact contre la première zone de contact.

Le mode de vibration est un mode de vibration dans le plan ou hors-plan.

De préférence, les moyens appliquant une précontrainte sont des moyens élastiques fixés au support et en appui contre la deuxième zone de contact.

La valeur de la contrainte est fixée en interposant une ou plusieurs entretoises entre les moyens appliquant une contrainte et le stator.

Les moyens appliquant une contrainte sont avantageusement fixés au stator et présentent une rigidité dans le plan suffisante pour immobiliser le stator en rotation.

Dans un exemple de réalisation, la deuxième zone de contact forme la première face d’une plaque fixe en rotation par rapport au support et les moyens appliquant une contrainte comportent une partie centrale et des bras s’étendant de la partie centrale, la partie centrale étant en appui sur une deuxième face de la plaque et l’extrémité libre des bras est fixée au support.

Avantageusement, les bras comportent au moins une partie courbe. Par exemple, les bras sont répartis par paire et forment des pétales creux.

Selon une caractéristique additionnelle, les moyens appliquant une contrainte comportent un matériau synthétique, tel qu’un matériau plastique.

Le dispositif peut comporter une autre plaque solidaire en rotation de l’élément d’interaction et fixe en translation par rapport au support le long de la direction longitudinale, dont une face forme la première zone de contact. Le premier résonateur peut comporter l’une des plaques et un matériau piézoélectrique fixé sur ladite plaque.

De préférence la fréquence de résonance est comprise entre 20 kHz et 200 kHz de sorte à générer une lubrification ultrasonique.

Selon une caractéristique additionnelle, le dispositif comporte au moins un capteur de la position de l’élément d’interaction par rapport au support.

Au moins l’une parmi les première et deuxième zones de contact est par exemple en laiton, en aluminium ou en bronze.

Au moins l’une parmi les première et deuxième zones de contact peut être en matériau plastique, par exemple POM, PTFE, ABS,…

L’unité de commande est par exemple un contrôleur électronique de type microcontrôleur, avantageusement associé à un amplificateur et un contrôleur en fréquence.

La présente invention a également pour objet un dispositif haptique comportant un dispositif selon l’invention l’élément d’interaction avec l’extérieur formant un élément d’interaction avec l’utilisateur et dans lequel l’unité de commande stocke des motifs haptiques sur la base desquels est commandé le résonateur

La présente invention sera mieux comprise sur la base de la description qui va suivre et des dessins en annexe sur lesquels:

est une vue en coupe longitudinale d’un exemple de bouton haptique rotatif selon l’invention,

est une vue en perspective du bouton haptique rotatif de la figure 1,

est une vue en perspective de dessous du bouton haptique rotatif de la figure 1,

est une vue de détail du dispositif de la figure 1,

est une variante de réalisation du dispositif de la figure 4A,

est une vue de dessus d’un exemple de moyens élastiques mis en œuvre dans le bouton des figures 1 à 3 représentés seuls,

sont des vues de dessus de variantes de réalisation de moyens élastiques selon l’invention,

est une représentation schématique de la zone d’apparition des vibrations dans le plan,

est une représentation schématique des modes de résonance d’un résonateur comportant des modes de vibrations hors-plan et dans le plan.

est une représentation graphique de la variation du coefficient de frottement entre les surfaces en contact en fonction de l’amplitude de vibration,

est une représentation graphique de la variation du rapport couple maximal/couple minimal exercé sur l’élément d’interaction en fonction de l’amplitude de vibration,

est une représentation schématique d’une vue de dessus et d’une vue en coupe longitudinale d’un bouton haptique selon un autre exemple de réalisation,

est une représentation schématique d’une vue en coupe longitudinale d’un exemple de bouton haptique en forme de sphère selon l’invention,

est une représentation schématique d’une vue en coupe longitudinale d’un autre exemple de bouton haptique en forme d’anneau selon l’invention,

est une représentation schématique d’une vue en coupe longitudinale d’un exemple de bouton haptique mettant en œuvre un matériau piézoélectrique en forme de disque.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS

Sur les figures 1 à 3, on peut voir un exemple de dispositif haptique rotatif selon l’invention. Le dispositif haptique rotatif D1 comporte un boîtier 2 formant châssis et un élément d’interaction 4 avec l’utilisateur monté apte à pivoter par rapport au boîtier autour d’un axe longitudinal X. L’élément d’interaction 4 sera désigné dans la suite de la description par « bouton ». Le bouton 4 est destiné à être manipulé par un utilisateur par exemple par un ou plusieurs doigts de l’utilisateur pour au moins le mettre en rotation autour de l’axe X.

Le dispositif comporte un rotor 6 solidaire en rotation du bouton via un arbre 3. L’ensemble bouton et rotor est immobilisé en translation le long de l’axe longitudinal X par rapport au châssis 2. Dans l’exemple représenté, l’arbre 3 traverse une partie du châssis 2, un roulement à billes 9 étant avantageusement prévu entre l’arbre et le châssis. Cette immobilisation mécanique peut par exemple être obtenue par un épaulement 5 formée sur l’arbre 3 et un circlips 7, qui enserrent le roulement à billes 9 solidaire du châssis 2.

Le dispositif comporte également un stator 8 immobile en rotation par rapport au châssis 2.

Le dispositif comporte également au moins un premier résonateur 10 comprenant une plaque 11 et un actionneur 12 en matériau apte à générer des vibrations.

Le matériau apte à générer des vibrations est de préférence un matériau piézoélectrique. En variante il pourrait s’agir par exemple d’un matériau magnétostrictif, par exemple le galfenol.

A des fins de simplicité, le matériau apte à générer des vibrations sera désigné dans la suite de la description par « matériau piézoélectrique ».

Dans l’exemple représenté, le résonateur 10 forme le stator 8.

En variante, le résonateur est porté par le rotor ou forme le rotor. Selon une autre variante, le dispositif comporte deux résonateurs, l’un porté par le rotor ou formant le rotor et l’autre porté par le stator ou formant le stator.

Le résonateur 10 s’étend dans un plan perpendiculaire à l’axe longitudinal X.

Le rotor comporte une plaque 14 en forme de disque et la plaque 11 du résonateur a également la forme d’un disque. Les plaques 14 et 11 sont sensiblement coaxiales à l’axe longitudinal X et en appui plan par une première face 14.1, 11.1 (figure 4A).

En variante, le stator et/ou le rotor peuvent comporter une ou plusieurs encoches ou cavités 15 pour favoriser la transmission de la vibration (figure 4B).

L’actionneur 12 comporte par exemple un anneau en matériau piézoélectrique fixé sur une deuxième face 11.2 de la plaque 11. L’actionneur piézoélectrique est fixé à la plaque 11 de sorte que les vibrations générées par excitation du matériau piézoélectrique soient transmises à la plaque, l’ensemble formant un résonateur.

De préférence, les plaques 11, 14 sont réalisées dans un matériau résistant à l’usure et offrant un coefficient de frottement entre elles suffisant. Les plaques 11, 14 sont par exemple en laiton, en aluminium ou en bronze. De préférence, le coefficient de frottement en l’absence de vibration entre les deux plaques 11, 14 est supérieur ou égal à 0,25.

En outre, le matériau des plaques est choisi de sorte à présenter de bonnes propriétés acoustiques afin d’offrir un dispositif avec un fonctionnement silencieux ou au moins de niveau sonore réduit.

Le matériau piézoélectrique est par exemple en Titano-Zirconate de Plomb (PZT) ou Polyfluorure de vinylidène (PVDF) et par exemple d’épaisseur comprise entre 0,1 mm et 1 mm.

La ou les plaques 11, 14 sont par exemple en laiton, en bronze en aluminium ou polymère type époxy.

En variante, on peut envisager de recouvrir au moins les faces des plaques entrant en contact avec une couche d’un matériau polymère, par exemple de type époxy.

Le matériau piézoélectrique peut alors être un matériau polymère ayant des propriétés piézoélectriques.

Le dispositif comporte également des moyens 16 appliquant un effort F (figure 4A) selon la direction longitudinale sur le stator en direction du rotor, de sorte à plaquer la première face 11.1 de la plaque 11 du stator contre la première face 14.1 de la plaque 14 du rotor.

Sur la figure 4A, on peut voir une représentation schématique partielle de l’ensemble rotor 6, stator 8 et moyens 16. A des fins de simplicité les moyens 16 seront désignés par « ressort » dans la suite de la description.

Le ressort 16 est fixé au châssis et applique l’effort F sur le stator. La mise en œuvre d’un ressort offre au stator 8 une certaine liberté de déplacement en translation le long de la direction longitudinale X.

Sur la figure 5 on peut voir, représenté seul, le ressort visible sur les figures 2 et 3.

De manière très avantageuse le ressort 16 assure également une immobilisation en rotation du stator 8 par rapport au châssis 2.

Dans l’exemple représenté et de manière avantageuse, le ressort est plan à l'état non déformé et présente une configuration approximativement radiale. Il comporte des branches 18 s’étendant à partir d’une partie centrale 20. Dans l’exemple représenté, la partie centrale 20 est fixée sur le stator et l’extrémité extérieure des branches est fixée sur le châssis 2. En variante, la partie centrale 20 est uniquement en appui contre la deuxième face 11.2 de la plaque 11. La fixation de la partie centrale 20 sur le stator associée à un ressort suffisamment rigide dans le plan permet avantageusement d’immobiliser en rotation le stator par rapport au châssis.

Dans l’exemple représenté, les branches 18 sont courbes et forment deux à deux des pétales creux.

Par exemple, les pétales 18 sont fixés au châssis 2 au niveau de leur extrémité radialement extérieure par des vis 21 et la partie centrale 20 est fixée au stator par des vis 23. Le ressort 16 comporte des trous 25 pour le passage des vis. De préférence, la partie centrale 20 comporte au moins deux trous afin d’éviter une rotation du ressort par rapport au stator. En variante le ressort est collé, encliqueté, encastré…sur le châssis et/ou le stator.

De préférence, le ressort 16 comporte des branches longues et dont la dimension de la section transversale dans le plan est importante. Ainsi le ressort 16 présente une certaine souplesse dans la direction longitudinale X tout en étant robuste grâce aux branches de section importante. En outre les branches offrent une certaine rigidité dans le plan assurant le maintien en rotation du stator 8.

L’intensité de l’effort appliquée par le ressort 16 est fixée lors du montage du ressort en déformant axialement celui-ci. Dans l’exemple représenté, l’intensité est ajustée en ajoutant des entretoises axiales 22 entre le stator et la partie centrale 20 du ressort. Plus la dimension axiale de la ou des entretoises est importante, plus le ressort est déformé axialement et plus l’intensité de la force appliquée est importante.

Dans l’exemple représenté, la plaque 11 comporte sur sa deuxième 11.2 une saillie axiale 24 formant une entretoise fixe imposant une déformation axiale minimale au ressort 16 et donc un effort F minimal appliqué du stator sur le rotor.

Comme mentionné ci-dessus, l’intensité de l’effort entre le stator 8 et le rotor 6 dépend de la déformation axiale du ressort 16, qui se traduit par la flèche, i.e. la distance axiale entre le plan du ressort à l’état non déformé et la partie centrale 20 à l’état déformé. La flèche maximale est telle que la limite élastique du matériau n’est pas dépassée.

Par exemple la précontrainte des moyens élastiques est comprise entre 10 N et 150 N.

A titre d’exemple, le ressort de la figure 5 réalisé en ABS (Acrylonitrile butadiène styrène) avec une épaisseur de 1,5 mm, un diamètre extérieur de 70 mm est déformé de 1 mm pour 10 N, 5 mm pour 50 N et 10 mm pour 100 N.

Dans le dispositif de la figure 5, la précontrainte est par exemple fixée à 60 N.

Le ressort 16 et son emplacement permettent de fixer relativement précisément l’effort appliqué entre le stator et le rotor et donc de réaliser des dispositifs haptiques avec un ressenti haptique bien adapté à une application. Par exemple en choisissant une précontrainte de valeur élevée, par exemple au moins 100 N, des clics francs peuvent être simulés. En choisissant une précontrainte de valeur plus faible un rendue haptique plus lisse est généré. Dans ce dernier cas moins d’énergie est requise pour faire fonctionner le dispositif.

La précontrainte appliquée peut dépendre de les matériaux du rotor et du stator. Par exemple, lorsque les matériaux en contact du stator et du rotor ont un coefficient de frottement faible pour favoriser le glissement entre les des surfaces de contact, la force de précontrainte est choisie plus élevée pour générer un couple statique suffisant entre le stator et le rotor. La surface ne portant pas le résonateur, le rotor dans l’exemple des figures 1 à 3, peut dans ce cas être réalisée par exemple en plastique tels que le polyoxyméthylène, l’acrylonitrile butadiène styrène ou le tétra-fluoroéthylène. Ces matériaux peuvent être renforcés par des fibres de verre ou autre pour augmenter la résistance à l’abrasion.

Le matériau du ressort est choisi tel qu’il présente une certaine élasticité.

Le ressort peut être réalisé en matériau synthétique, par exemple en matériau plastique, tel que l’ABS (Acrylonitrile butadiène styrène), le POM (Polyoxyméthylène), en PTFE (polytétrafluoroéthylène) qui peuvent être facilement moulés, par exemple par extrusion et permettre de réaliser des formes complexes. En variante, le ressort est en un matériau métallique tel que l’acier, le laiton. Ils peuvent alors être réalisés par exemple par découpe, par exemple laser ou à l’eau ou par étampage.

Sur les figures 6A à 6D, on peut voir d’autres exemples de ressort.

Le ressort 116 de la figure 6A comporte trois pétales et trois et trois points de fixation au châssis. Chaque pétale est formé par deux branches 118 présentant chacune une portion droite 118.1 et une portion courbe 118.2.

Le ressort 216 de la figure 6B comporte également trois pétales présentant huit portions courbes et offre une souplesse hors-plan plus importante que le ressort 116 de la figure 6A.

Le ressort 316 de la figure 6C comporte six pétales, chacun fixé au châssis. Chaque pétale est formé par deux branches 318 comportant chacune une portion droite 318.1 et trois portions courbes 318.2, 318.3, 318.4. Le ressort 316 présente une grande souplesse hors-plan et une grande rigidité dans le plan. En outre il comporte avantageusement un nombre important de points de fixation au châssis, ce qui permet d’uniformiser l’effort appliqué au stator et donc d’assurer un très bon guidage dans la direction longitudinale.

Dans les exemples décrits, les ressorts comportent des branches formant deux à deux des pétales.

Sur la figure 6D, le ressort 716 comporte une partie centrale 720 et des branches individuelles 718, chaque branche 718 étant droite et fixée individuellement au châssis. La précontrainte est générée par déformation élastique du matériau des branches. En variante, les branches 718 présentent une courbure hors-plan offrant une certaine élasticité. Des trous 725 sont prévus pour le passage des vis dans la partie centrale 720 et à l’extrémité libre des branches 718.

Selon une autre variante représentée sur la figure 14, l’actionneur 612 a la forme d’un disque et est réalisé en un matériau piézoélectrique. Le disque est fixé sur une face du stator 608 dans sa partie centrale. Le bouton 604 est en contact avec la face opposé du stator 608 au droit du disque. Le ressort 616 est en contact avec le bord extérieur du stator 608. Dans cette variante, le ressort 616 a une forme annulaire et est encastré par son bord extérieur dans le châssis 602. Dans le cas où deux résonateurs sont mis en œuvre, les disques piézoélectriques peuvent être en contact.

En variante, le ressort pourrait être formé par un disque en tôle plein précontraint, en appui sur le stator et appliquant un effort sur le stator.

Dans un autre exemple de réalisation, le stator est immobilisé en rotation par une coopération mécanique directe avec le châssis, et les moyens élastiques assurent uniquement le plaquage du stator contre le ressort. Néanmoins un tel dispositif est plus complexe à réaliser.

Des dimensions du ressort de la figure 5 vont être données à titre d’exemples non limitatifs.

Le ressort 16 a un diamètre extérieur maximal de l’ordre de 100 mm et un diamètre intérieur de l’ordre de 20 mm, une épaisseur comprise entre50 µm et 1 mm dans le cas d’un ressort en métal et entre 200 µm et 4 mm dans le cas d’un ressort en matériau plastique, et une largeur des branches dans le plan comprise entre 1 mm et 10 mm dans le dans le cas d’un ressort en métal et entre 1 mm et 5 mm dans le cas d’un ressort en matériau plastique

L’ensemble stator et ressort présente une épaisseur inférieure à 10 mm, ce qui permet de réaliser un dispositif très compact dans la direction longitudinale.

Le ressort compense avantageusement une certaine usure axiale du rotor et/ou du stator. En outre le ressort permet également de combler un certain désalignement entre le rotor et le stator. Un désalignement angulaire des quelques degrés peut être comblé par le ressort grâce à sa flexibilité.

Les actionneurs piézoélectriques sont reliés à une source d’énergie de sorte à exciter les actionneurs à une fréquence de résonance telle que le résonateur est mis en vibration selon un mode de vibration dans le plan ou un mode de vibration hors-plan.

La fréquence de résonance ayant un mode de vibration dans le plan est au moins égale à 20 kHz. De préférence la fréquence de résonance ayant un mode de vibration dans le plan est comprise entre 50 kHz et 200 kHz afin de générer une lubrification ultrasonique. Le niveau sonore du dispositif en fonctionnement est alors réduit.

On entend par « mode de vibration dans le plan », un mode de vibration dans lequel les déplacements générés par excitation du matériau piézoélectrique ont des directions parallèles au plan du résonateur. La direction de la vibration est dans ce cas normale à la direction de précontrainte appliquée par le ressort.

La fréquence de résonance ayant un mode de vibration hors-plan est au moins égale à 1 kHz. De préférence la fréquence de résonance ayant un mode de vibration hors-plan est comprise entre 20 kHz et 150 kHz afin de générer une lubrification ultrasonique. Le niveau sonore du dispositif en fonctionnement est alors réduit.

On entend par « mode de vibration hors-plan », un mode de vibration dans lequel les déplacements générés par excitation du matériau piézoélectrique ont des directions normales au plan du résonateur. La direction de la vibration est dans ce cas parallèle à la direction de précontrainte appliquée par le ressort.

Le dispositif haptique comporte également au moins un capteur de position angulaire 26 du bouton 4 et une unité de commande 28 afin de commander les résonateurs 10 pour réaliser des motifs haptiques.

Le capteur de position 26 est tel qu’il permet de détecter la position angulaire du bouton par rapport au boîtier avec une dynamique suffisante pour pouvoir reproduire le motif haptique voulu.

De manière avantageuse le capteur de position est un capteur magnétique, résistif ou capacitif, celui-ci présentant les avantages d’être compact et facile à intégrer.

En variante, il pourrait s’agir d’un capteur optique tel qu’une roue optique, ou un capteur de tout autre type présentant une dynamique suffisante.

L’unité de commande 28 est par exemple un contrôleur électronique de type microcontrôleur. Il module le coefficient de frottement apparent en fonction de la position du bouton et d’un motif préétabli. Ce contrôleur est de préférence associé à un amplificateur 30 et un contrôleur en fréquence 32 afin de maintenir l’excitation à la résonance.

La mise en œuvre d’un capteur de position permet l’obtention de sensations réalistes.

Le dispositif haptique est destiné à exercer un effort résistant s'opposant aux déplacements du bouton. Cet effort résistant est déterminé à partir de motifs haptiques prédéfinis en fonction du rendu haptique que l'on souhaite reproduire, ces motifs sont enregistrés dans une base de données.

Un motif est défini par un effort résistant ou effort de freinage à appliquer en fonction par exemple des données suivantes:
- la position angulaire courante du bouton,
- le sens de rotation courant du bouton,
-la vitesse de déplacement du bouton.

Un motif haptique est donc un ensemble de valeurs d'effort de freinage à appliquer au bouton, i.e. un ensemble de valeurs définissant le motif, chaque valeur du motif haptique est associée à une position angulaire donnée du bouton et à un sens de rotation du bouton. Chaque valeur d'effort de freinage correspond à une valeur de coefficient de frottement entre les deux plaques 6 et 8 qui correspond à une valeur de l’amplitude de vibration du résonateur qui correspond à valeur de tension alimentant l’actionneur.

Il sera compris que la même valeur du motif peut être affectée pour des positions angulaires différentes. En outre, des valeurs différentes peuvent être affectées suivant le sens de déplacement.

Dans le dispositif selon l’invention, l’effort de freinage maximal est obtenu lorsqu’aucune excitation n’est appliquée au résonateur.

Sur la figure 1, on peut voir une représentation schématique d’un motif haptique qui correspond à une valeur de l’amplitude de vibration A en fonction de la position angulaire α du bouton. Ce motif est enregistré dans une base de données accessible par l’unité de commande 28. Les zones désignées B correspondent à la simulation de butées et la zone désignée T correspond à la simulation d’une surface texturée.

Une butée virtuelle est définie par un motif haptique pour lequel un effort de freinage très élevé est appliqué au bouton, i.e. en l’absence d’excitation, afin que le bouton ne puisse pas se déplacer dans un sens donné. La butée virtuelle est définie par une zone angulaire à l’intérieur de laquelle doit s’appliquer le motif haptique et par un sens de rotation donné du bouton.

De manière très avantageuse, le dispositif haptique comporte également un capteur de détection de l’intention de l’utilisateur afin de détecter les forces exercées par l’utilisateur avant la rotation du bouton. On détecte alors avantageusement l'information sur le sens de rotation de manière précoce ce qui permet d'améliorer le rendu haptique. Cette détermination de l'intention d'action de l'utilisateur peut être faite en mesurant la force exercée sur le bouton grâce à la déformation d'un élément de l'interface, il s'agit de la mesure d'un couple dans le cas d'un bouton rotatif. Cette information permet donc d’enrichir les simulations possibles, en particulier la simulation de butée à partir de motifs haptiques de type butée.

Le fonctionnement du dispositif haptique est le suivant.

L’utilisateur déplace le bouton 4 autour de l’axe X, le capteur de position 26 et avantageusement le capteur d’intention d’action de l’utilisateur détectent la position angulaire du bouton et avantageusement le sens dans lequel l’utilisateur a l’intention d’agir sur le bouton respectivement. Ces informations sont envoyées à l’unité de commande 28 qui génère un ordre en fonction du motif haptique à reproduire. Le ou les actionneurs sont alimentés en courant ou en tension dont la fréquence est telle que le ou les résonateurs soient excités à une fréquence proche de ou égale à une de leurs fréquences de résonance correspondant à un mode de vibration dans le plan. Pour un tel mode de vibration, les vibrations générées sont tangentielles à la surface. Les forces sont générées dans le plan entre la partie fixe et la partie mobile et les amplitudes des déplacements s’additionnent à l’extrémité radiale des résonateurs, provoquant un déplacement dans le plan de cisaillement, i.e. normal à la précharge, il en résulte un glissement tangentiel radial perpendiculaire à la direction de rotation et un effet de lubrification ultrasonique entre la partie fixe et la partie mobile. Les deux surfaces restent sensiblement en contact l’une avec l’autre, indépendamment de la force d’appui exercée sur le bouton 4 et le coefficient de frottement entre les deux pastilles est fortement diminué L’utilisateur peut tourner le bouton presque sans frottement. Dans une autre configuration, le ou les résonateurs soient excités à une fréquence proche et ou égale à une de leurs fréquences de résonance correspondant à un mode de vibration hors-plan. Pour un tel mode de vibration, les vibrations générées sont normale à la surface.

Les forces sont générées hors-plan entre la partie fixe et la partie mobile et les amplitudes des déplacements provoquant un déplacement hors-plan, i.e. parallèle à la précharge, il en résulte un écartement entre la partie fixe et la partie mobile générant un effet de lubrification ultrasonique entre la partie fixe et la partie mobile.

Sur la figure 7, on peut voir une représentation schématique de la zone de contact. Sont représentées les vibrations tangentielles au plan Vp du fait du mode dans le plan et les forces de cisaillement en résultant Fc. Fa est la force d’appui exercée sur l’élément d’interaction ou bouton. Dans cette représentation, un seul résonateur R est utilisé.

Le ou les matériaux du ou des actionneurs subissent des déformations avec des zones de compression et des zones de dilatation dans le plan.

Pour un matériau donné, de dimensions données et de conditions aux frontières (encastrement, contrainte) données, la vibration tangentielle i.e. dans le plan, s’obtient pour une ou des fréquences spécifiques. Pour un matériau mince, i.e. présentant une épaisseur faible par rapport à ses autres dimensions, cette fréquence est généralement supérieure à celle faisant apparaître le premier mode de résonnance vibratoire normale i.e. hors plan.

Sur la figure 8, on peut voir une représentation des modes de résonance d’un résonateur, à partir de la variation de l’impédance I en Ohm en fonction de la fréquence Fq en Hz. Dans cet exemple, l’apparition d’un mode de vibration dans le plan Vp, i.e. dans le plan a lieu vers 78 kHz, alors que la première fréquence Vn1 à laquelle apparaît un mode de vibration hors plan ou normal au plan est 5 kHz, les autres fréquences représentées correspondent également à des modes de vibration hors-plan Vn2, Vn3, Vn4, Vn5. Ces modes de vibration dans le plan sont axisymétriques. Le résonateur peut être piloté pour générer des modes hors-plan non-axisymétriques.

Sur la figure 9, on peut voir représentée l’évolution du coefficient de frottement en fonction de l’amplitude tangentielle de vibration en µm pour un bouton de diamètre de 35 mm en estimant la vitesse maximale angulaire atteinte à 1 tr/s (V₀max=0,1m/s). La fréquence de résonance est de l’ordre de 75 kHz.

En général, avec les actionneurs mis en œuvre on peut atteindre une amplitude tangentielle de l’ordre de 3 µm. Pour une telle amplitude, le coefficient de frottement est fortement abaissé.

Sur la figure 10, on peut voir l’évolution du rapport entre le couple maximal et le couple minimal Cmax/Cmin appliqués sur bouton en fonction de l’amplitude tangentielle de la vibration. Pour une amplitude de l’ordre de 3 µm, on obtient un rapport de couple de 5. Le couple qui peut donc être exercé sur le bouton est d’autant plus grand que le coefficient de frottement diminue, et donc que l’amplitude de vibration augmente.

Le type de sensation simulée peut être choisi en faisant varier l’amplitude de la vibration comme cela est illustré par la figure 1. En augmentant ou diminuant l’amplitude de la vibration, on diminue ou on augmente les frottements respectivement. L’unité de commande modifie donc l’amplitude de vibration en fonction de la position du bouton suivant le motif haptique à reproduire. L’amplitude de vibration dépend de la norme du courant ou de la tension d’excitation alimentant le ou les actionneurs.

En outre en modulant la fréquence spatiale de la vibration, i.e. en modifiant la variation de l’amplitude de la vibration en fonction du déplacement du bouton, il est possible de modifier la sensation ressentie par l’utilisateur. Par exemple, lorsque la vibration est modulée a une fréquence spatiale élevée,par exemple inférieure au mm, on peut reproduire une sensation de texture, et lorsque la vibration a une fréquence spatiale faible, par exemple supérieure au mm, on peut reproduire des crans individuels.

Contrairement aux dispositifs haptiques à fluide magnétorhéologique par exemple, en l’absence d’alimentation électrique le bouton est freiné, en d’autres termes il est normalement freiné, la lubrification n’apparaissant que lorsque l’actionneur est alimenté électriquement. Dans un dispositif haptique à fluide magnétorhéologique, la viscosité du fluide et donc la force de freinage augmentent avec le champ magnétique. En l’absence de champ, seul le frottement du fluide magnétorhéologique à l’état repos est responsable du freinage.

Dans un exemple de réalisation avantageux, le ou les résonateurs du dispositif comportent un disque en matériau piézoélectrique et un anneau. En effet, comme expliqué ci-dessus le déplacement dans le plan a lieu au niveau du bord radial extérieur du résonateur. Un contact annulaire peut donc être suffisant. Dans le cas d’un dispositif à deux résonateurs, l’autre résonateur peut avoir la même structure ou alors comporter une plaque vibrante fixée à une pastille piézoélectrique. Dans le cas d’un dispositif à un résonateur, la surface en regard pourrait être formée d’une plaque ou d’un anneau.

Sur la figure 11, on peut voir un dispositif D1’ qui diffère de D1 en ce que le bouton 4’ présente également une forme d’anneau.

De manière avantageuse et comme cela est représenté sur la figure 11, la zone à l’intérieur du résonateur annulaire et du bouton 4’ est utilisée pour placer un dispositif d’affichage de type cadran de montre ou écran tactile 35, ou bien inclure d’autres boutons de contrôle (musique, etc…). La plaque 14’ formant rotor est de forme annulaire.

Le résonateur 10’ est similaire au résonateur 10 de la figure 1.

Sur la figure 12, on peut voir un autre exemple de réalisation d’un dispositif haptique D2 dans lequel l’élément d’interaction 404 est formé par une sphère. Le résonateur 410 comporte une plaque 411 suspendue dans un boîtier 402 et comporte une cavité 434 de diamètre proche ou identique à celui de la sphère. Une pastille piézoélectrique 412 est fixée sur une face de la plaque 406 opposée à celle comportant la cavité 434. Le ressort 416 (représenté schématiquement) plaque le résonateur 410 contre la surface extérieure de la sphère.

Lorsque la pastille 412 est excitée, un effet de lubrification apparaît entre la surface de la cavité 434 et la surface extérieure de la sphère, et la sphère peut être déplacée plus ou moins facilement autour de son centre.

Sur la figure 13, on peut voir un autre exemple de réalisation d’un dispositif haptique D3. Le bouton haptique rotatif 504 a la forme d’un anneau ou de tore. Le bord intérieur de l’élément élastique 516 est encastré dans le châssis 502 et est en appui par son bord intérieur contre le contour extérieur du stator 508. L’actionneur 512 a la forme d’un anneau Le rotor est fixé au bâti par exemple via un roulement à billes 9 permettant une rotation autour de l’axe X. L’élément élastique 516 plaque le résonateur contre le rotor.

Le dispositif selon l’invention permet également de réaliser des moteurs à ultrasons. Le ressort sert à plaquer le stator contre le rotor en exerçant une force élevée au rotor afin de générer un couple statique élevé. De la même manière l’élément élastique bloque la rotation du stator mais permet un degré de liberté en translation. Le moteur à ultrason peut alors être très compact.

On peut réaliser un dispositif haptique de type «bouton» rotatif permettant de créer des crans et des butées reconfigurables. En effet, il est aisé de modifier l’effort de freinage appliqué à l’élément d’interaction en modifiant sur commande l’amplitude des vibrations dans le plan.

Un tel dispositif est de conception sensiblement plus simple que celle des interfaces tactiles, notamment en termes de capteur de force et de position et d’excitation ultrasonique. On évite en effet les problèmes de creux et nœuds de vibrations qui apparaissent lors d’une excitation résonante et qui sont gênant lors de l’utilisation de cet effet pour une surface tactile explorée avec le doigt. Certains effets locaux font que l’effet généré n’est pas présent partout sur la plaque.

L’invention permet de réaliser des dispositifs à lubrification par vibration, notamment des dispositifs haptiques robustes et compacts, particulièrement adaptés à des applications dans le domaine automobile.

Claims (16)

1. Dispositif mettant en œuvre une lubrification par vibration comportant un support (2), un élément d’interaction avec l’extérieur (4) apte à être déplacé en rotation par rapport audit support (2) autour d’un axe longitudinal (X), une première zone de contact solidaire en rotation de l’élément d’interaction (4), une deuxième zone de contact fixe en rotation autour de l’axe longitudinal (X) par rapport au support (2), au moins un premier résonateur (10), une unité de commande (28) telle qu’elle excite le résonateur (10) à au moins une fréquence de résonance générant un mode de vibration et l’apparition d’un phénomène de lubrification par vibration entre la première zone de contact et la deuxième zone de contact et des moyens (16) appliquant une contrainte à la deuxième zone de contact en direction de la première zone de contact de sorte à plaquer la deuxième zone de contact contre la première zone de contact.
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les moyens appliquant une précontrainte (16) sont des moyens élastiques fixés au support et en appui contre la deuxième zone de contact.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les moyens appliquant une contrainte (16) sont fixés à un stator portant la deuxième zone de contact et présentent une rigidité dans le plan suffisante pour immobiliser le stator en rotation.
4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel la valeur de la contrainte est fixée en interposant une ou plusieurs entretoises (22) entre les moyens appliquant une contrainte (16) et le stator.
5. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel la deuxième zone de contact forme la première face (11.1) d’une plaque (11) fixe en rotation par rapport au support (2), et dans lequel les moyens appliquant une contrainte (16) comportent une partie centrale (20) et des bras (18) s’étendant de la partie centrale (20), la partie centrale (20) étant en appui sur une deuxième face (11.2) de la plaque (11) et l’extrémité libre des bras (18) est fixée au support (2).
6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel les bras (18) comportent au moins une partie courbe.
7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel les bras (18) sont répartis par paire et forment des pétales creux.
8. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel les moyens appliquant une contrainte (16) comportent un matériau synthétique, tel qu’un matériau plastique.
9. Dispositif selon l’une des revendications précédentes en combinaison avec la revendication 5, comportant une autre plaque (14) solidaire en rotation de l’élément d’interaction (4) et fixe en translation par rapport au support (2) le long de la direction longitudinale (X), dont une face forme la première zone de contact.
10. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel le premier résonateur (10) comporte l’une des plaques (11, 14) et un matériau piézoélectrique (12) fixé sur ladite plaque (11, 14).
11. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la fréquence de résonance est comprise entre 20 kHz et 200 kHz de sorte à générer une lubrification ultrasonique.
12. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 11, comportant au moins un capteur (26) de la position de l’élément d’interaction par rapport au support (2).
13. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 12, dans lequel au moins l’une parmi les première et deuxième zones de contact est en laiton, en aluminium ou en bronze.
14. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 13, dans lequel au moins l’une parmi les première et deuxième zones de contact est en matériau plastique.
15. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 14, dans lequel l’unité de commande (28) est un contrôleur électronique de type microcontrôleur, avantageusement associé à un amplificateur (30) et un contrôleur en fréquence (32).
16. Dispositif haptique comportant un dispositif selon l’une des revendications 1 à 15, l’élément d’interaction avec l’extérieur (4) formant un élément d’interaction avec l’utilisateur et dans lequel l’unité de commande (28) stocke des motifs haptiques sur la base desquels est commandé le résonateur