Brevet FR2809549A1 — publié le 20011130

présente invention concerne le domaine des microactionneurs ou micromoteurs. nombreux dispositifs à cette fin ont déjà été proposés, et une abondante littérature a été publiée dans ce domaine. pourra se référer par exemple aux documents (1) A quantitative analysis of Scratch Drive Actuation for integrated X/Y motion system , P. Langlet et al, IEEE Transducers 1997 p 773- (2) Scratch Drive Actuator with Mechanical Links for Self-Assembly of Three-Dimensional MEMS T. Akiyama et al, Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 6, N 1, 1997. (3) Design and Characterization of High-Torque/Low-Speed Silicon Based Electrostatic Micromotors Using Stator/Rotor Contact Interactions P. Minotti et al, )pn. ). Appl. Phys. Vol. 37, 1998, p359-361. Cependant les moyens jusqu'ici proposés ne donnent pas totalement satisfaction. La présente invention a maintenant pour but de proposer de nouveaux moyens présentant des performances supérieures à celles des dispositifs connus. La présente invention a en particulier pour but de proposer des moyens permettant de réaliser aisément indifféremment des moteurs linéaires ou rotatifs, voire linéaires et rotatifs. autre but important de la présente invention est de proposer des moyens permettant de transmettre une puissance mécanique élevée. autre but important de la présente invention est de proposer des moyens permettant de réaliser des moteurs ou actionneurs à degrés liberté multiples. Selon la présente invention, les buts précités sont atteints grace à un dispositif comprenant en combinaison . un substrat fixe, . Un cylindre susceptible de déplacement par rapport au substrat fixe selon au moins un degré de liberté, . au moins un module d'entraînement possédant des moyens à commande électrique, et . un coupleur associé au module d'entraînement, comprenant un barreau susceptible de venir en contact avec le cylindre pour déplacer celui-ci par frottement, sous l'effet de la sollicitation du module d'entraînement et susceptible de déformation pour accompagner le déplacement du cylindre. D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples limitatifs et sur lesquels - la figure 1 représente une vue schématique, selon un plan de coupe orthogonal à l'axe du cylindre, d'un dispositif conforme à la présente invention, propre à assurer une rotation, - la figure 2 représente selon une vue similaire, autre dispositif conforme à la présente invention, propre à assurer mouvement combiné de rotation/translation, soit par exemple un mouvement hélicoïdal, - la figure 3 représente selon une vue similaire, autre dispositif conforme à la présente invention, propre à assurer un mouvement de translation, - la figure 4 représente selon une vue similaire, autre dispositif conforme à la présente invention, présentant une symétrie propre à assurer une rotation alternativement dans un sens ou dans l'autre, - la figure 5 représente selon une vue similaire, autre dispositif conforme à la présente invention, présentant une symétrie propre à assurer à la fois une rotation alternativement dans un sens ou dans l'autre, et une translation, - la figure 6 représente une vue schématique latérale du même dispositif, - la figure 7 représente une vue de détail du dispositif, illustrant la coopération entre le coupleur et le cylindre, - la figure 8 représente une vue schématique, coupe, selon un plan de coupe parallèle à l'axe du cylindre, d'un dispositif conforme à la présente invention, illustrant un principe d'entraînement translation, respectivement au repos sur la figure 8a et au travail sur la figure 8b, - la figure 9 illustre différents types d'extrémité coupleurs conformes à la présente invention, - les figures 10 et 1 1 représentent des vues latérales de deux dispositifs conformes à la présente invention, et - la figure 12 représente une vue latérale similaire dispositif conforme à la présente invention formant moteur. Le dispositif conforme à la présente invention illustré sur la figure 1 annexée comprend . un substrat fixe 10, . Un cylindre 100 susceptible de déplacement par rapport au substrat fixe 10, un module d'entraînement 200 possédant moyens 210/250 à commande électrique, et . un coupleur 300 associé au module d'entraînement 200, comprenant un barreau 10 susceptible de venir en contact avec le cylindre 100 pour déplacer celui-ci sous l'effet de la sollicitation du module d'entrainement 200 et susceptible de déformation pour accompagner le déplacement du cylindre 100. les figures annexées, on a représenté un repère orthonormé à 3 axes X, Y Z. Le cylindre 100 est un cylindre de révolution, selon la représentation particulière donnée sur la figure 1, centré sur un axe O-O qui coïncide avec l'axe Z. Ainsi le plan défini par les axes X et Y s'étend perpendiculairement à l'axe O- à l'axe Z. On notera cependant que dans le cas ou selon des variantes de l'invention, cylindre 100 n'est pas déplacé à rotation, mais seulement à translation selon son axe O-O, ce cylindre 100 peut prendre une section quelconque, adaptée à l'application. Le cylindre 100 peut être obtenu selon toute technique appropriée, par exemple gravure ionique réactive profonde. Le substrat 10 a sa surface externe qui s'étend globalement parallèlement au plan défini par les axes X et Y. II peut en même faire l'objet de nombreuses variantes de réalisation. Le substrat 10 peut être réalisé en silicium ou en tout autre matériau approprié. II peut exemple être réalisé par dépôt, oxydation, croissance, assemblage, etc ... barreau 310 du coupleur 300 s'étend au repos parallèlement à l'axe Y, en étant décalé par rapport à un plan diamétral D du cylindre 100, parallèle a cet axe Y. Ainsi l'axe longitudinal moyen 312, du barreau 310, est incliné sensiblement à 45 d'un plan P tangent à la surface externe du cylindre 100. Selon la représentation particulière donnée sur la figure , l'extrémité 314 du barreau 310 adjacente au cylindre 100, est biseautée, sensiblement parallèlement au plan P tangent au cylindre. La seconde extrémité 316 du barreau 310, opposée au cylindre 100, est reliée au module d'entraînement 200. Celui-ci est porté par substrat 10 par l'intermédiaire de plots adaptés 20. module d'entraînement 200 peut faire l'objet de nombreux modes de réalisation. II s'agit de moyens d'entraînement à commande électrique, par exemple type électrostatique, électromagnétique, ou piézoélectrique. Selon le mode de réalisation particulier et non limitatif illustré sur la figure 1, le module d'entraînement 200 est de type électrostatique. II comprend deux jeux d'électrodes interdigitées 210. Chacun des deux jeux d'électrodes 210 comprend une première série d'électrodes reliées aux plots fixes 20, par l'intermédiaire de premières poutrelles 212 globalement parallèles à l'axe X, et une deuxième série d'électrodes reliées à l'extrémité 3l6 du barreau 310, par l'intermédiaire de secondes poutrelles 214 également globalement parallèles à l'axe X. L'extrémité 316 du barreau 300 associée au module 200 est fixée sur la zone de jonction des poutrelles 214 entre elles. Ainsi selon le mode réalisation préférentiel du module 200 illustré sur les figures annexées, celui ci possède une symétrie par rapport à un plan passant par l'axe longitudinal 12 du barreau 300 et parallèle à l'axe Z. Lors de l'application d'une tension électrique adaptée sur les jeux d'électrodes interdigitées 21 les poutrelles 214 sont déplacées à translation selon l'axe Y, en direction du cylindre 100. Après contact sur la périphérie extérieure du cylindre 100, en raison de la géométrie biseautée de son extrémité 314 et de son décentrement par rapport à l'axe O-O, le coupleur 300 tend à se déformer, comme on l'a schématisé sur la figure 7, son extrémité biseautée 314 se déplaçant avec une composante parallèle à l'axe X, en éloignement d'un plan diamétral D du cylindre 100 parallèle à l'axe Y. Ce déplacement du coupleur 300 applique sur le cylindre 100 un couple moteur qui tend à entraîner le cylindre 100 à rotation. Ainsi lors de l'application d'une tension électrique sur les électrodes 210, l'une des extrémités 16 du coupleur 300 est mue par une force électrostatique tandis que l'autre 314 entraîne le cylindre 100 par frottement. Le cylindre 100 de figure 1 peut ainsi être mis en rotation par le module 200 avec une vitesse de rotation (o . La géométrie du contact définie entre le coupleur 300 et le cylindre 100 conditionne le sens de rotation de ce dernier. Le coupleur 300 peut aussi être conçu pour autoriser un déplacement de son extrémité 314 en contact avec le cylindre 100, parallèlement à l'axe Z, et être associé à un module d'entraînement 250 spécifique, propre à assurer ce déplacement. On a ainsi schématisé sur la figure 2, un dispositif conforme à une variante de la présente invention, comprenant en outre, associé au barreau 310 au moins un jeu d'électrodes 252, 254 respectivement solidaires du substrat 10 et du barreau 310. Plus précisément là encore de préférence il est prévu deux jeux d'électrodes 250 respectivement de part et d'autre de l'axe longitudinal 312 du barreau 310, symétriquement par rapport à celui-ci, de sorte que l'application d'une tension adaptée sur ces électrodes 250 sollicite le barreau 310 à translation selon l'axe Z, sans appliquer composantes selon les axes X ou Y, sur le barreau 310. L'utilisation de ce module d'entraînement additionnel 250 permet de déplacer le cylindre 100 à translation selon l'axe Z, soit selon l'axe O-O. La combinaison des deux trajectoires, rotation autour de l'axe O-O et translation selon l'axe O-O, commandées respectivement à l'aide des modules 210 et 250, permet de générer une trajectoire hélicoïdale contrôlée. Le coupleur 300 doit posséder une géométrie et des propriétés mécaniques telles que la rigidité de contact à l'interface entre le coupleur 300 et le cylindre 100 soit grande pour l'entraînement. Comme on l'a schématisé sur la figure 3, selon une variante, le coupleur 300 peut être associé uniquement à un module 250 propre à assurer un déplacement selon l'axe O-O (plus précisément deux séries d'électrodes 252, 254, disposées respectivement symétriquement de part et d'autre du barreau 310). Dans ce cas seule une translation du cylindre 100, selon son axe O-O, est possible. Comme on l'a schématisé sur la figure 8, en adaptant la géométrie de l'extrémité 314 du barreau 310 reposant sur le cylindre 100, et de préférence en disposant le barreau 310 selon un plan D diamétral du cylindre 100, sous réserve que le barreau 310 puisse fléchir selon l'axe Z, la seule commande du module 210 peut permettre d'entraîner le cylindre 100 à translation selon l'axe O-O. On a illustré sur la figure 4 une autre variante de réalisation conforme à la présente invention comprenant un deuxième coupleur 300' associé à un module d'entraînement 210' respectif. Le deuxième coupleur 300' est symétrique du premier par rapport à un plan diamétral D 1 du cylindre 100 parallèle à l'axe X ou plus généralement par rapport à un plan diamétral du cylindre 100 bissecteur de l'angle formé entre les axes longitudinaux des coupleurs 300, 300'. Bien évidemment l'homme de l'art comprendra que l'utilisation du deuxième coupleur 300' permet d'entraîner le cylindre 100 à rotation selon un sens opposé au premier coupleur 300. On a illustré sur la figure 5 une autre variante de réalisation conforme à la présente invention comprenant un deuxième coupleur 300' associé, comme le premier coupleur 300, à deux modules d'entraînement 210', 250', aptes à assurer respectivement, pour chacun des coupleurs 300 et 300', un mouvement de rotation et un mouvement de translation. La encore, le deuxième coupleur 300' est symétrique du premier 300 par rapport à un plan D 1 diamétral du cylindre 100 parallèle à l'axe X, ou plus généralement par rapport à un plan diamétral du cylindre 100 bissecteur de l'angle formé entre les axes longitudinaux des coupleurs 300, 300'. Bien évidemment l'homme de l'art comprendra que l'utilisation du deuxième coupleur 300' permet d'entraîner le cylindre 100 à rotation selon un sens opposé au premier coupleur 300. Sur la figure 5, le deuxieme coupleur 300' est associé à deux modules d'entraînement 210', 250' aptes respectivement à déplacer le cylindre 100 à rotation et à translation. En variante le deuxième coupleur 300' pourrait être associé uniquement à un module 21 d'entraînement à rotation. Dans ce cas la translation du cylindre 100 serait assurée seulement par commande du module 250 associé au premier coupleur 300. Selon encore une autre variante, on peut prévoir deux coupleurs 300 et 300' associés respectivement, l'un à un module 210 d'entraînement adapté pour assurer une rotation et l'autre à un module 250 d'entraînement adapté pour assurer une translation. Selon encore une autre variante, on peut prévoir deux coupleurs 300 et 300' associés chacun à un module 210 d'entraînement à rotation et à un module 250 d'entraînement translation, les sens de déplacement étant inversés tant pour la rotation que pour la translation, d'un coupleur à l'autre. Une telle variante conduit à une totale réversibilité de déplacement pour le cylindre 100. On a illustré sur la figure 9 quelques exemples alternatifs de réalisation d'extrémité 314 de coupleurs 300. De gauche à droite, sur la figure 9, on distingue ainsi des extrémités 314 respectivement . biseautée plan environ à 45 , orientée vers la gauche, . biseautée plan environ à 45 , orientée vers la droite, . plane transversale à son axe longitudinal, . concave symétrique, . convexe symétrique. Le pilotage d'un tel moteur peur se faire selon un mode pas à pas, à fréquence élevee, ce qui permet d'obtenir un mouvement quasiment continu. L'homme de l'art comprendra que le dispositif conforme à la présente invention permet de convertir une force d'entrée, par exemple une force électrostatique, voire une force piézoélectrique ou électromagnétique, une force de frottement, à l'aide du convertisseur mécanique 300 ou coupleur, et d'utiliser cette force de frottement pour faire tourner ou pour translater un cylindre 100 section circulaire ou de section quelconque si l'on se limite au seul degré de liberté de translation. Ce cylindre 100 peut remplir la fonction d'un arbre moteur ou etre formé lui même d'un élément à positionner, par exemple une fibre optique. Pour cas où le cylindre 100 remplit la fonction d'un arbre moteur, le dispositif conforme à la présente invention permet de réaliser un micromoteur, notamment a commande électrostatique, muni d'un arbre moteur autorisant une transmission de puissance mécanique élevée. Bien entendu la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation particuliers qui viennent d'être décrits, mais s'étend à toutes variantes conformes à son esprit. Le cas échéant la surface du cylindre 100 et/ou l'extrémité 314 du coupleur 300 coopérant avec ce cylindre 100 peuvent être munies revêtement adapté pour assurer les conditions de contact recherchées entre le cylindre 100 et le coupleur 300. Le couple mécanique peut évidemment être changé en associant cylindre 100 à plusieurs coupleurs 300 et modules d'entraînement associés 210/250, sans nécessairement changer la vitesse de déplacement, comme l'a schématisé sur la figure 10 par exemple sur laquelle on distingue un cylindre 100 associé à deux coupleurs 300 espacés selon l'axe O-O. Dans ce cas chacun des coupleurs 300 est porté par un substrat spécifique 10. Sur la figure 1 1 on a schématisé un dispositif comprenant un cylindre 100 scindé en deux tronçons 100a et 100b séparés, coaxiaux, qui peuvent être mis en position très précisément, en contrôlant la valeur de l'écartement e entre eux avec une précision inférieure ou égale à la valeur de l'incrément de déplacement du coupleur 300. On a illustré sur la figure 12 application dans laquelle un substrat additionnel 50 sert de butée axiale au cylindre 100. Typiquement dans ce genre d'application, le cylindre 100 peut remplir la fonction d'un arbre moteur au bout duquel on peut transmettre une puissance mécanique à un mécanisme. Par ailleurs on a schématisé sur la figure 12 deux substrats 10 associés chacun à un coupleur spécifique par l'intermédiaire d'un module d'entraînement 200 formé respectivement d'un moyen 210 pour déplacement à rotation et d'un moyen 250 pour déplacement à translation. Quel que soit l'agencement choisi pour les modules 200, il est possible par ailleurs dans le cadre de la présente invention, d'assurer un couple de maintien alors que les actionneurs 2l0/250 ne sont pas alimentés électriquement. Il suffit pour cela de garantir un contact permanent entre le ou les coupleur(s) 300 et le cylindre 100. L'homme de l'art observera, et cela est très appréciable dans de nombreuses applications, que le dispositif conforme à la présente invention, permet de déplacer un cylindre ou objet selon un axe de rotation ou une direction de translation qui ne sont pas coplanaires avec le substrat 10 supportant l'actionneur et assurant le guidage du cylindre 100. La présente invention permet aisément, en adaptant les modules d'entraînement, de rendre modulaire la puissance fournie, et ainsi de proposer une gamme de moteurs et de microdispositifs de positionnement délivrant des puissances mécaniques bien adaptées à chaque application recherchée. Par ailleurs la présente invention permet une réalisation en grande série avec des technologies issues de la microélectronique, sans intervention manuelle particulière. REVENDICATIONS 1. Dispositif formant micromoteur ou microactionneur, caractérisé par le fait qu'il comprend . un substrat fixe (10), . un cylindre (100) susceptible de déplacement par rapport au substrat fixe (10) selon au moins un degré de liberté, . au moins un module d'entraînement (210, 250) possédant des moyens à commande électrique, et . un coupleur (300, 300') associé au module d'entraînement (210, 250), comprenant un barreau (310) susceptible de venir en contact avec le cylindre (100) pour déplacer celui-ci par frottement, sous l'effet de la sollicitation du module d'entraînement (2l0, 250) et susceptible de déformation pour accompagner le déplacement du cylindre. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le module d'entraînement (210, 250) comprend des moyens d'entraînement à commande électrique, choisis dans le groupe comprenant des moyens de type électrostatique, électromagnétique, ou piézoélectrique. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que le cylindre (100) est un cylindre de révolution. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le module d'entraînement (200) possède une symétrie par rapport à un plan passant par l'axe longitudinal du coupleur (300). 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le module d'entraînement (200) comprend au moins deux jeux d'électrodes interdigitées 210. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le coupleur (300) comprend un barreau (310) décalé par rapport à un plan diamétral du cylindre (100) et dont l'extrémité adjacente au cylindre (100), est biseautée, sensiblement parallèlement au plan adjacent au cylindre. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que le coupleur (300) est conçu pour autoriser un déplacement de son extrémité en contact avec le cylindre (100), parallèlement à l'axe de ce dernier, et est associé à un module d'entraînement (250) spécifique, propre à assurer ce déplacement. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que le coupleur (300) est adapté pour assurer au moins une rotation du cylindre (100). 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que le coupleur (300) est adapté pour assurer au moins une translation du cylindre (100). 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à caractérisé par le fait comprend au moins deux coupleurs (300 et 300') associés à des modules (200) d'entraînement propres à inverser les sens déplacement tant pour rotation que pour la translation. 1. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 1 caractérisé par le fait l'extrémité (314) du coupleur (300) adjacente au cylindre (100) est choisie dans le groupe . biseautée, . plane transversale à son axe longitudinal, . concave symétrique, . convexe symétrique. 2. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 1 1 caractérisé par le fait le pilotage des moyens de commande électrique opéré selon un mode pas à pas, ou à fréquence élevée, pour obtenir un mouvement quasiment continu.