Brevet FR2775203A1 — publié le 19990827

ACTIONNEUR ULTRASONORE POUR LE DEPLACEMENT DE GOUTTELETTES LIQUIDES OU DE MATERIAUX PULVERULENTS. La présente invention concerne un actionneur ultrasonore pour le déplacement de gouttelettes liquides ou de matériaux pulvérulents. On connaît dans l'état de la technique le brevet FR2665849 qui décrit un dispositif ultrasonique pour la production en continu de micro-gouttelettes ayant une granulométrie contrôlée. Ce dispositif comprend une surface vibrante sur laquelle est amené un matériau à l'état liquide qu'elle atomise de par son régime vibratoire présentant au moins une composante ultrasonique orthogonale à la surface. Ce dispositif comprend de plus des moyens permettant d'amener le matériau liquide depuis l'intérieur sur la surface vibrante selon un débit régulier et en une nappe d'épaisseur constante. On connaît également le brevet européen EP243117 qui décrit un appareil pour produire une onde capillaire sur une surface libre d'un volume de liquide, l'onde capillaire ayant une structure d'onde périodique comportant des crêtes et des creux, comportant un moyen de transducteur acoustique pour irradier la surface libre du liquide avec une onde de pression ultrasonique, et un moyen pour adresser individuellement et sélectivement les crêtes sélectionnées de l'onde capillaire pour modifier localement les propriétés de surface du liquide à l'intérieur des crêtes sélectionnées, caractérisé en ce que le moyen de transducteur comporte une multitude d'éléments piézoélectriques mécaniquement indépendants qui sont polarises dans un sens perpendiculaire à la surface libre, et un moyen pour exciter les éléments piézoélectriques à l'unisson, amenant de ce fait l'onde de pression à présenter une amplitude. Ces solutions sont adaptées à des applications très spécifiques, dans lesquelles les gouttes de liquides sont guidées dans un tube capillaire, ou dont le but est la pulvérisation d'une goutte. Par contre, ces solutions ne sont pas adaptées au déplacement non contraint de gouttes ou de matériaux pulvérulents sur des surfaces planes verticales, horizontales ou inclinées, non délimitées latéralement. L'objet de la présente invention est de remédier à cet inconvénient en proposant un actionneur et un système permettant le déplacement de gouttelettes liquides ou de matériaux pulvérulents sur une surface plane et lisse, de façon discrète selon une direction ou selon plusieurs direction. A cet effet, l'invention concerne dans son acception la plus large un actionneur comportant une structure plane excitée par des transducteurs ultrasonores selon au moins deux modes stationnaires. De préférence, les modes stationnaires ont approximativement la même fréquence et sont excités avec un déphasage électrique réglable. De préférence également, la structure raisonnante peut en outre être excitée afin de produire une onde progressive. Selon un mode de mise en oeuvre préféré, la structure résonnante est formée par une lame dont les deux extrémités sont raccordées. Selon une variante, la structure résonnante présente une forme annulaire. De préférence, chacun des modes est excité par un ensemble de transducteurs placés au centre de chacun des modes. Les modes sont excités par des transducteurs écartés de nk+ P(2p), où n est un entier, k la période spatiale des modes et p le nombre de modes utilisés. L'invention concerne également un système comprenant un tel actionneur ultrasonore pour le déplacement de gouttelettes liquides ou de matériaux pulvérulents et un générateur pour l'alimentation des transducteurs caractérisé en ce que l'alimentation comporte en outre un mode de pulvérisation correspondant à une tension élevée. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, se référant aux dessins annexés où - la figure 1 représente une vue schématique de l'actionneur ; - la figure 2 représente une vue schématique des lignes de noeuds et ventres pour le cas où deux modes sont excités. La structure résonnante est constituée par une lame en laiton (1) repliée pour présenter une forme annulaire. La lame de laiton présente une épaisseur de 1,5 millimètres et une largeur de 10 millimètres. La longueur totale de la lame, avant repliement, est de 200 millimètres. Cette longueur est très supérieure à la largeur, pour éviter d'altérer les phénomènes vibratoires. La structure annulaire présente une longueur de 66 millimètres, les deux parties extrêmes étant recourbées pour former des arcs d'un rayon de 10,5 millimètres. Les deux extrémités de la lame sont reliées par soudure pour former une structure résonnante sans extrémité libre. La structure décrite à titre d'exemple est excitée selon le rang 11. La longueur d'onde est de 18,2 millimètres, et la fréquence d'excitation correspondante est de 29050 Hz. L'excitation est produite par 4 disques de PZT FERROPERM (nom commercial) de type Pz26. Dans l'exemple décrit, cette structure est excitée par une première paire de transducteurs ultrasonores (2, 3) écartés d'une demi longueur d'onde, soit de 9,1 millimètres. Cette première paire de transducteur excite la structure selon un premier mode. Ils sont disposés pour présenter des polarisations opposées. Le second mode est produit par une deuxième paire de transducteurs (4, 5) également écartés d'une demi longueur d'onde. Les deux séries de transducteurs sont écartés de 3/4 de longueur d'onde, soit de 6,8 millimètres. Les transducteurs piézo-électriques sont collées sur la surface de la lame de laiton. L'excitation de la lame peut être réalisée avec différents transducteurs - des matériaux piézo-électriques, se présentant sous forme de disques ou de plaques collées à la surface de l'actionneur à l'aide d'une colle conductrice, ou réalisés sous forme de couches déposées - des matériaux magnétostrictifs, magnétiques ou électrostrictifs - des actionneurs électrostatiques. Chacune des séries de transducteurs (2, 3) et (4, 5) produisent des ondes stationnaires, décalées d'une demi-longueur d'onde. La lame présente de ce fait à sa surface des noeuds et des ventres dont la position dépend du mode d'excitation. La figure 2 représente une vue schématique des lignes de noeuds et ventres des deux modes excités. Les ventres (7) du premier mode correspondent aux noeuds (8) du deuxième mode. Les noeuds (9) du premier mode correspondent aux ventres (10) du deuxième mode. Les gouttelettes viennent se positionner dans les ventres (7, 10) des modes vibratoires, et sont immobilisées dans les positions définies par ces ventres, même lorsque la surface est inclinée ou verticale. En l'absence d'excitation, la goutte vient se positionner de façon quelconque à la surface de la lame (1). Pour déplacer la goutte, il suffit de changer de mode pour provoquer la déplacement de la goutte d'un quart de longueur d'onde. En utilisant les deux modes stationnaires, on peut faire passer la goutte de manière réversible entre deux positions adjacentes. Si la section de la goutte est supérieure à une demi-longueur d'onde, elle se divise en deux, chacune des partition venant alors occupée une position correspondant à un noeud vibratoire du mode en fonction. Le contrôle du sens de déplacement peut être réalisé par l'introduction d'une dissymétrie de la structure vibratoire. Il peut également être exercé par l'introduction transitoire d'une onde progressive produisant une pré-orientation dans le sens de déplacement désiré. Par ailleurs, en augmentant la tension d'alimentation, il est possible de procéder à la pulvérisation d'une goutte. L'énergie nécessaire à la pulvérisation d'une goutte dépend de la tension surfacique du liquide. La structure peut être constituée comme dans l'exemple décrit par une surface plane assurant le déplacement d'une goutte liquide entre différentes zones de travail. Elle peut également être constituée par la surface d'un élément actif, par exemple une cellule de mesure présentant une pluralité de zones actives. Les modes vibratoires sont alors déterminés pour faire coïncider les noeuds vibratoires des différents modes avec les zones actives. REVENDICATIONS 1 - Actionneur ultrasonore pour le déplacement de gouttelettes liquides ou de matériaux pulvérulents, comportant une structure excitée par au moins 2 transducteurs ultrasonores (2, 3) et (4, 5), caractérisé en ce que la structure est une structure plane excitée par des transducteurs ultrasonores selon au moins deux modes stationnaires. 2 - Actionneur ultrasonore pour le déplacement de gouttelettes liquides ou de matériaux pulvérulents selon la revendication 1 caractérisé en ce que les modes stationnaires sont excités avec un déphasage électrique réglable. 3 - Actionneur ultrasonore pour le déplacement de gouttelettes liquides ou de matériaux pulvérulents selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la structure résonnante peut en outre être excitée afin de produire une onde progressive. 4 - Actionneur ultrasonore pour le déplacement de gouttelettes liquides ou de matériaux pulvérulents selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la structure résonnante est formée par une lame (1) dont les deux extrémités sont raccordées. 5 - Actionneur ultrasonore pour le déplacement de gouttelettes liquides ou de matériaux pulvérulents selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la structure résonnante présente une forme annulaire. 6 - Actionneur ultrasonore pour le déplacement de gouttelettes liquides ou de matériaux pulvérulents selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que chacun des modes est excité par un ensemble de transducteurs (2, 3) et (4, 5) placés au centre de ces modes. 7 - Actionneur ultrasonore pour le déplacement de gouttelettes liquides ou de matériaux pulvérulents selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les modes sont excités par des transducteurs (2, 3) et (4, 5) écartés de nk + k/2p, où n est un entier, x la période spatiale des modes et p le nombre de modes utilisés. 8 - Système comprenant un actionneur ultrasonore pour le déplacement de gouttelettes liquides ou de matériaux pulvérulents conforme à l'une quelconque des revendications précédentes et un générateur pour l'alimentation des transducteurs (2, 3) et (4, 5) caractérisé en ce que l'alimentation comporte en outre un mode de pulvérisation correspondant à une tension élevée.