Brevet FR2898740A1 — publié le 20070921

La présente invention est relative à un dispositif à armatures interdigitées, et en particulier un dispositif du type actionneur ou capteur 5 électrostatique, ou du type capteur ou actionneur magnétique. Dans de nombreuses applications, en particulier des applications de pilotage du comportement aérodynamique d'automobile ou d'aéronef par exemple, on utilise des actionneurs mécaniques de façon à adapter ou modifier les écoulements aérodynamiques autour des corps solides en 10 mouvement de translation dans de l'air. Ces actionneurs mécaniques qui sont répartis sur les surfaces des objets, doivent pouvoir être de petite dimension et être pilotés de façon commode. Afin d'assurer le pilotage de ces équipements électromécaniques, on utilise des dispositifs à armatures interdigitées constituées de deux 15 armatures de concensateur comportant une pluralité de dents qui s'interpénètrent. Ces deux armatures sont montées mobiles l'une par rapport à l'autre et soumises à une tension électrique. Du fait de la tension électrique, les armatures sont soumises à une force qui tend à augmenter l'interpénétration des armatures. L'une des armatures peut être montée sur 20 un ressort si bien que, lorsque la tension est relâchée, les armatures sont écartées sous l'effet du ressort. Ces dispositifs qui peuvent être de très petite dimension, puisqu'ils peuvent être de dimension millimétrique, voire micrométrique, voire même nanométrique, ou être de dimension beaucoup plus importante, par exemple 25 de dimension centimétrique, voire métrique, présentent cependant l'inconvénient d'avoir un comportement qui est figé car la force de rapprochement des deux armatures est indépendante du degré d'interpénétration des armatures et ne dépend que de la tension électrique à laquelle les armatures sont soumises. 30 Cette caractéristique a pour conséquence que le pilotage de ce dispositif est difficile puisqu' il n'est pas possible de mesurer directement le taux d'interpénétration des deux armatures et, en tout état de cause, il n'est pas possible de faire varier la force d'attraction des deux armatures qu'en pilotant la tension électrique à laquelle sont soumises les deux armatures. Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un dispositif actionneur à armatures interdigitées, dont le comportement peut être modulé d'une façon plus souple que les dispositifs connus de l'art antérieur. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif à armatures interdigitées constitué d'une première armature et d'une deuxième armature, la première armature ayant au moins une surface en regard d'une surface complémentaire de la deuxième armature, la première et la deuxième armature pouvant se déplacer l'une par rapport à l'autre parallèlement à leurs surfaces complémentaires l'une de l'autre, caractérisé en ce que au moins une armature comporte sur une surface en regard d'une surface de l'autre armature, au moins une encoche ayant des faces latérales inclinées par rapport à la perpendiculaire surface de l'armature. Un tel dispositif peut éventuellement être utilisé comme capteur. De préférence, les faces latérales de l'encoche sont inclinées par rapport à la perpendiculaire à la surface de l'armature d'un angle compris entre 30 et 60 . De préférence, au moins une encoche est délimitée par des nervures dont les arêtes sont arrondies. Le dispositif peut comporter une pluralité d'encoches parallèles entre elles, les distances d'une encoche à une encoche adjacente et/ou les largueurs des encoches pouvant être variables d'une encoche à l'autre. Les encoches peuvent également être réparties à intervalle régulier. Une armature peut comporter au moins deux encoches dont les faces latérales sont inclinées, les faces latérales d'une encoche étant inclinées en sens opposé par rapport aux faces latérales de l'autre encoche. Au moins une armature peut comporter au moins un doigt ayant une surface comportant eu moins une encoche. La surface de l'extrémité d'un doigt d'armature peut être soit une surface concave constituée par exemple d'un dièdre rentrant ayant un angle au sommet compris entre 60 et 120 , soit une surface convexe constituée d'un dièdre sortant ayant un angle au sommet compris entre 60 et 120 ou ayant une section arrondie de façon à ne pas présenter d'arête algue. Dans un mode de réalisation, les armatures interdigitées constituent les armatures d'un condensateur. Les armatures sont, alors, de préférence constituées d'un matériaux conducteur de l'électricité, tel que du silicium, soit d'un matériau isolant électriquement, recouvert d'une couche superficielle conductrice d'électricité. Les arcatures interdigitées peuvent alors être reliées à un moyen pour générer une tension électrique de façon à réaliser un actionneur. Le dispositif peut comprendre, en outre, un moyen pour mesurer la position de l'armature mobile par rapport à l'armature fixe, et un moyen pour piloter la tension générée par le générateur de tension électrique en fonction de la position relative des deux armatures interdigitées. Le dispositif peut comporter un moyen pour mesurer la capacité instantanée dru condensateur constitué par les armatures interdigitées, de façon à constituer un capteur de position de l'armature mobile par rapport à l'armature fixe. Dans un autre mode de réalisation, les armatures interdigitées constituent des armatures magnétiques et il comprend un moyen pour générer un champs magnétique dans au moins une armature pouvant être piloté, de façon à constituer un actionneur. L'invention va maintenant être décrite de façon plus précise mais non limitative en regard des figures annexées dans lesquelles : - la figure 1 est un schéma de principe d'un actionneur électrostatique à armatures interdigitées, - la figure 2 est une vue agrandie d'un doigt d'une armature fixe et d'un doigt d'une arcature mobile d'un dispositif à armatures interdigitées, correspondant à la zone II de la figure 1, - la figure 3 est une vue agrandie d'un deuxième mode de réalisation d'un doigt de peigne mobile et d'un doigt de peigne fixe d'un dispositif à armatures interdigitées, - la figure 4 est un schéma qui représente de façon comparative l'évolution de l'effort de traction entre les deux armatures d'un dispositif à armatures interdigitées en fonction du taux d'interpénétration des deux armatures interdigitées pour d'une part un dispositif dont les doigts sont lisses et d'autre part un dispositif dont les doigt comportent des encoches. - les figures 5A, 5B, 5C, 5D, 5E, 5F sont des représentations schématiques de modes de réalisation particuliers d'un doigt comportant des encoches d'une armature mobile d'un dispositif à armatures interdigitées. Le dispositif à armatures interdigitées, représenté à la figure 1, comporte une première armature fixe 1 fixée rigidement sur un support 2, et une deuxième armature mobile 3 fixée par l'intermédiaire d'un ressort 4 à un support fixe 5. La première & mature fixe comporte une pluralité de doigts 6, séparés par des espaces 7, dans lesquels viennent s'insérer des doigts 8 de l'armature mobile 3. Les doigts 6 de l'armature fixe viennent s'insérer dans les espaces 9 situés entre deux doigts successifs 8 de l'armature mobile 3, sauf au moins à l'une des extrémités, pour des raisons évidentes de nombre d'intervalles et de nombre de doigts. L'armature fixe 6 et l'armature mobile 8 constituent des peignes dont les doigts ou dents peuvent être constitués de plaques s'étendant dans une direction perpendiculaire au plan de la figure. Les doigts 6 de l'armature fixe et les doigts 8 de l'armature mobile ont des surface latérales 62 et 82, respectivement, en regard et complémentaires les unes des autres, et le mouvement relatif des armatures se fait parallèlement à ces surfaces latérales. L'armature fixe 1 et l'armature mobile 3 sont constituées de matériaux électriquement conducteurs ou de matériaux électriquement isolants recouverts d'une couche superficielle conductrice de l'électricité de façon à constituer les armatures d'un condensateur. Ce matériau est, par exemple, du silicium. Les surfaces conductrices de l'armature fixe 1 et de l'armature mobile 3 sont reliées à un générateur de tension 10. Lorsque le générateur de tension 10 délivre une tension transmise aux armatures, les armatures interdigitées se chargent électriquement. Les charges électriques engendrent une force tendant à augmenter l'interpénétration des deux armatures interdigitées. Cet effort de rapprochement des armatures interdigitées, compensé par la tension du ressort 4, provoque un mouvement de rapprochement des deux armatures interdigitées. La force de rapprochement est d'autant plus importante que la tension électrique est élevée et la force de rappel du ressort est d'autant plus importante que le déplacement de l'armature mobile est importante. Il en résulte un équilibre tel que, plus la tension électrique augmente, plus le déplacement de l'armature mobile augmente. Inversement, lorsque la tension électrique diminue, la tension du ressort ramène l'armature mobile vers sa position de repos. Ainsi, en soumettant le dispositif à un signal de tension en forme de créneaux, on peut générer des mouvements alternatifs. Comme représenté à la figure 2, et conformément à l'invention, les doigts 6 de l'armature fixe 1 comportent à leurs extrémités une pointe 61 dont les faces forment, avec la verticale perpendiculaire à la surface latérale 62 du doigt 6, un angle af 1 ou af 2, compris entre 0 et 90 . Dans une variante, l'angle peut être orienté de l'autre côté par rapport à la verticale perpendiculaire à la surface des doigts interdigités et de façon à former une extrémité qui n'est pas convexe comme représentée sur la figure, mais qui est concave. L'extrémité n'étant alors pas une pointe mais formant un dièdre rentrant. Les doigts interdigités 8 de l'armature mobile 3 comportent à leurs extrémités également une pointe 81 dont les faces forment, par rapport à la perpendiculaire aux faces latérales 82 du doigt 8, un angle al m ou a2m qui peut être compris entre 0 et 90 . Dans une variante, ces angles peuvent être opposés par rapport à la perpendiculaire à la surface latérale des doigts et ainsi former non pas une pointe mais un dièdre rentrant. En outre, les faces latérales 82 du doigt 8 de l'armature mobile 3 comportent une pluralité d'encoches 83, chaque encoche a une largeur L et une hauteur h, et deux encoches adjacentes sont séparées par une nervure 84 ayant une largeur dd. Chaque nervure a des faces latérales 85 inclinées d'un angle a par rapport à une perpendiculaire à la surface latérale 82 du doigt de l'armature mobile 3. Du fait des pointes prévues aux extrémités des doigts de l'armature fixe et de l'armature mobile, et des encoches prévues sur les doigts de l'armature mobile, les caractéristiques électrostatiques des condensateurs constitués par les deux armatures sont fonction non seulement de la distance entre les surfaces 62 et 82 d'un doigt de l'armature fixe et d'un doigt de l'armature mobile côte à côte, mais également du taux d'interpénétration de l'armature mobile dans l'armature fixe. Du fait de cette incidence de la pénétration de l'une des armatures par rapport à l'autre sur les caractéristiques électrostatiques du dispositif, la force de rapprochement des deux armatures qui résulte d'une tension électrique n'est plus seulement fonction de la tension à laquelle sont soumises les deux armatures, mais également de l'interpénétration d'une armature par rapport à l'autre. Il résulte de cette relation qu'il est possible de mesurer la position de l'une des armatures par rapport à l'autre en utilisant un moyen 11 de mesure de la capacité électrique instantanée du dispositif (visible à la figure 1). Cette mesure de capacité électrique peut être effectuée par exemple en utilisant un courant alternatif à fréquence élevée et en mesurant l'impédance aux bornes des armatures. Il est alors possible de piloter le dispositif en mesurant à tout instant la position d'une armature par rapport à l'autre et en régulant l'effort de rapprochement des deux armatures en commandant la tension à laquelle sont soumises les deux armatures, en fonction de la mesure instantanée de la position d'une armature par rapport à l'autre de façon à respecter une loi d'évolution de la distance en fonction du temps pré-établie. Pour cela, on connecte aux bornes des armatures 6 et 8, en parallèle avec la source de tension 10, un dispositif de mesure de capacité instantanée 11 par mesure d'impédance, connu de l'homme du métier, et on envoie la mesure d'impédance à un moyen de commande 12 du générateur de tension 10. Ce moyen de commande étant par exemple un ordinateur. Lorsque les encoches, qui sont des rainures parallèles à elles-mêmes s'étendant sur la largueur sur chacun des doigts de l'armature mobile, sont disposées de façon régulière, c'est-à-dire ayant des largueurs identiques et des écartements identiques, l'évolution de la force de rapprochement des deux armatures en fonction de l'interpénétration de l'armature mobile et de l'armature fixe est non plus constante comme représentée par la courbe 100 à la figure 4, relatives à des armatures sans encoches, mais varie continûment avec le taux d'interpénétration des armatures. La variation de l'effort de rapprochement des deux armatures en fonction du taux d'interpénétration dépend de la répartition des encoches. Comme représenté par la courbe 101 à la figure 4, relative à des armatures comportant des encoches réparties régulièrement à la surface du doigt du peigne de l'armature mobile, lorsque les encoches sont toutes identiques et équidistantes, la force d'attraction varie de façon linéaire avec l'interpénétration des deux armatures. Mais, il est possible d'obtenir des lois de variations différentes en utilisant d'autres répartitions d'encoches, telles que les répartitions qui sont représentées aux figures 5A à 5F. A la figure 5A, les encoches 91A d'une face sont réparties régulièrement et sont relativement serrées et étroites, et les encoches 91B de l'autre face sont réparties régulièrement mais plus larges et moins serrées que sur la première face. Ces encoches sont inclinées généralement en direction de l'arrière du doigt. Elles conduisent à un effort de traction qui s'accroît lorsque le doigt pénètre à l'intérieur de l'armature fixe. Du fait de la différence de largueur des encoches, les irrégularités de force qui résultent de la succession d'encoches sont fortement atténuées. A la figure 5B. on a représenté un doigt dans lequel les encoches 91B d'une des faces et 92B de la deuxième face, varient le long du doigt interdigité. Les encoches 91B de la face supérieure sont plus serrées à proximité de la pointe et moins serrées du côté support du doigt, alors que les encoches 92B de la face inférieure sont écartées et larges au voisinage de la pointe et peu resserrée au voisinage du pied de l'encoche. A la figure 5C, on a représenté un troisième mode de réalisation possible des encoches dans lequel les encoches de la face supérieure 91C et de la face inférieure 92C ont des profondeurs qui sont variables au fur et à mesure que l'on s'éloigne de la pointe du doigt. A la figure 5D, les encoches 91D et 92D sont inclinées de façon différente selon la face sur laquelle elles sont disposées. Les encoches disposées sur la face inférieure du doigt 92D sont inclinées vers l'arrière, c'est-à-dire vers l'arrière par rapport à la tête du doigt, alors que les encoches de la face supérieure 91D sont inclinées en sens inverse, c'est-à-dire vers l'avant. II en résulte que les efforts générés par une tension sur la face inférieure sont des efforts qui tendent à augmenter l'interpénétration des doigts ou des armatures interdigitées alors que les encoches de la face supérieure tendent à exercer un effort en sens inverse. Sur la figure 5E, on a représenté des encoches, 91E et 92E qui sont inclinées toutes en direction de la pointe de la dent. Avec cette disposition des encoches, les efforts exercés de rapprochement des deux armatures ont tendances à diminuer au fur et à mesure que l'interpénétration des armatures augmente. A la figure 5i', on a représenté un doigt comportant sur la face 30 supérieure une encoche 91F dont une première partie est inclinée dans un sens et la deuxième partie inclinée dans l'autre, et à la face inférieure des encoches 92F qui sont beaucoup plus larges que à la partie supérieure. Avec une telle disposition, on peut obtenir un effort par le rapprochement des armatures interdigitées qui évoluent d'abord dans le sens croissant puis dans le sens décroissant au fur et à mesure que l'interpénétration des deux armatures augmente. On comprend donc que avec de telles armatures, il est possible de prévoir des dispositifs dont le comportement peut être piloté de façon plus souple que les dispositifs dont le mode de fonctionnement ne dépend que de la tension à laquelle sont soumises les deux armatures. Les armatures étant relativement proches les unes des autres, il peut apparaître des effets de pointe. Aussi, afin de limiter les effets de pointe, les extrémités des doigts des armatures, ou les nervures de séparation de deux encoches successives, peuvent être arrondies comme cela est représenté à la figure 3 dans laquelle le doigt 6' de l'armature fixe comporte une extrémité 61' ayant une section en forme d'ogive ne comportant pas d'arête aigue. Il en est de même de l'extrémité 81' du doigt 8' d'une armature mobile, qui est en forme d'ogive. En outre, les nervures 84' de séparation des encoches 83' comportent des extrémités' arrondies. Avec ces dispositions, il est possible de soumettre les armatures à des tensions électriques très élevées sans qu'il y ait de claquage. Les dispositifs qui viennent d'être décrits sont des dispositifs électrostatiques peuvent être des actionneurs quand ils sont soumis uniquement à des tensions. Ils peuvent être des capteurs lorsqu'ils sont équipés uniquement de moyens de mesure instantanée de la capacité électrique. Et iils peuvent également être des actionneurs pilotés en utilisant une mesure de la position précise des deux armatures l'une par rapport à l'autre pour commander la tension d'alimentation des armatures de façon à piloter le mouvement de l'armature mobile. Dans un autre mode de réalisation, les deux armatures sont des armatures de circuit magnétique réalisées en matériau magnétique et comportent en outre des moyens pour générer des champs magnétiques. Ces moyens sont pa, exemple des électro-aimants ou éventuellement des éléments permanents. Lorsque ces dispositifs sont des électro-aimants, l'alimentation électrique des électro-aimants peut être pilotée de façon à faire varier selon une loi prédéterminée l'intensité de l'alimentation, et ainsi, réaliser des actionneurs magnétiques. L'homme du métier comprendra que les dispositifs qui viennent d'être décrits peuvent être réalisés avec une grande variété de modes de réalisation des encodes afin de conduire à des comportements particuliers adaptés à des utilisations très diverses. Cependant, un certain nombre de règles doivent de préférence être respecté. En particulier des angles d'inclinaison des nervures de séparation de deux encoches adjacentes, ou les angles des pointes des extrémités des doigts des armatures fixes ou mobiles doivent de préférence être compris entre 60 et 30 , et de préférence être aux environs de 45 . Ainsi, les angles formés par les pointes aux extrémités des doigts des armatures sont de préférence compris entre 30 et 60 et, lorsque les extrémités sont constituées de dièdres rentrants, c'est-à-dire constituées de surfaces concaves, les angles de ces dièdres doivent être compris entre 60 et 120 . Le dispositif qui vient d'être décrit est constitué d'une armature fixe en forme de peigne et d'une armature mobile en forme de peigne également, les doigts des deux peignes s'interpénétrant. Mais, d'autres formes sont possibles. Par exemple, une armature peut comporter des doigts, et l'autre armature des trous, les doigts de la première armature pouvant pénétrer à l'intérieur des trous de la deuxième armature. Les doigts peuvent avoir une section rectangulaire, ou plus généralement polygonale, ou une section ronde ou elliptique. D'une façon générale, l'invention est applicable à des dispositifs comprenant deux armatures mobiles l'une par rapport à l'autre, ayant des surfaces complémentaires pouvant se déplacer parallèlement les unes par rapport aux autres sous l'effet d'un champ électrique ou magnétique. Dans le texte, ces armatures sont dites interdigitées . Une arcature peut être fixe par rapport au boîtier du dispositif et l'autre armature montée mobile par rapport au boîtier. En général, c'est l'armature montée mobile qui comprend des doigts comportant des encoches. Les dispositifs qui viennent d'être décrits peuvent avoir des dimensions très variables et l'homme du métier comprendra qu'ils peuvent être aussi bien du type nanométrique que du type métrique ou de tout type intermédiaire. La dimension des dispositifs est adaptée en fonction des utilisations envisagées qui peuvent être très variables. En particulier, les applications peuvent se situer dans le domaine du pilotage du comportement aérodynamique de la carrosserie d'un véhicule automobile. REVENDICATIONS 1. Dispositif à armatures interdigitées constitué d'une première armature (1) et d'une deuxième armature, (3), la première armature (1) ayant au moins une surface (62, 62'), en regard d'une surface complémentaire (82, 82') de la deuxième armature (3), la première et la deuxième armature pouvant se déplacer rune par rapport à l'autre parallèlement à leurs surfaces complémentaires l'une de l'autre, caractérisé en ce que au moins une armature (3) comporte sur une surface (82, 82') en regard d'une surface (62, 62') de l'autre armature (1), au moins une encoche (83, 83', 91A, 92A, 91B, 92B, 91C, 92C, 91D, 92D, 91E, 92E, 91F, 92F) ayant des faces latérales (85) inclinées par rapport à la perpendiculaire à la surface (82, 82') de l'armature complémentaire d'une surface de l'autre armature (8). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les faces latérales (85) de l'encoche (83) sont inclinées par rapport à la perpendiculaire à la surface de l'armature d'un angle compris entre 30 et 60 . 3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que au moins une encoche (83') est délimitée par des nervures (84') dont les arêtes sont arrondies. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité d'encoches (91A, 92A, 91B, 92B, 91C, 92C, 91D, 92D, 91E, 92E, 91F, 92F) parallèles entre elles, les distances d'une encoche à une encoche adjacente, et/ou les largueurs des encoches étant variables d'une encoche à l'autre. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité d'encoches à intervalles réguliers. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'une d'armature comporte au moins deux encoches dont les faces latérales sont inclinées, les faces latérales d'une encoche (91A, 91B, 91C, 91E, 91 F) étant inclinées en sens opposé par rapport aux faces latérales de l'autre encoche (92A, 92B, 92C, 92E, 92F). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que au moins une armature (1, 3) comporte au moins un doigt (6, 6', 8, 8'), au moins un doigt (8, 8') d'une armature (3) ayant une surface (82, 82') comportant au moins une encoche. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la surface de l'extrémité (61, 61', 81, 81') d'un doigt d'une armature est soit une surface concave constituée par exemple d'un dièdre rentrant ayant un angle au sommet compris entre 60 et 120 , soit une surface convexe constituée d'un dièdre sortant ayant un angle au sommet compris entre 60 et 120 ou ayant une section arrondie de façon à ne pas présenter d'arête aigue. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les armatures interdigitées (1, 3) constituent les armatures d'un condensateur, et en ce que les armatures sont constituées soit d'un matériau électriquement conducteur tel que de silicium, soit d'un matériau électriquement isolant recouvert d'une couche superficielle conductrice d'électricité. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les armatures interdigitées (1, 3) sont reliées au moins à un moyen (10) pour générer une tension électrique de façon à réaliser un actionneur ou à un moyen pour mesurer la capacité instantanée du condensateur constitué par les armatures interdigitées de façon à constituer un capteur de position de l'armature mobile par rapport à l'armature fixe. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen (10) pour générer une tension électrique, un moyen (11) pour mesurer la position de l'armature mobile par rapport à l'armature fixe, et un moyen (12) pour piloter la tension générée par le générateur de tension électrique (10) en fonction de la position relative des deux armatures interdigitées (1, 3). 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce les armatures interdigitées constituent des armatures magnétiques, et en ce qu'il comprend un moyen pour générer un champ magnétique dans au moins une armature pouvant être piloté de façon à constituer un actionneur.