Brevet FR2933152A1 — publié le 20100101

ACTIONNEUR APTE A COMPORTER UN FLUIDE SOUS PRESSION ET DISPOSITIF D'ACTIONNEUR ASSOCIE La présente invention se rapporte au domaine des actionneurs et concerne plus particulièrement un actionneur apte à comporter un fluide sous pression. Certaines applications, telles que des sièges avec des fonctions de soutien dynamique et de massage intégrés, nécessitent des actionneurs souples capables de produire des déplacements et des efforts sur de larges surfaces, de formes souples et changeantes. Dans un système de siège électropneumatique développé par la société Robert Bosch appelé � Drive Dynamic Seat �, des coussins d'air ont été intégrés à gauche et à droite dans l'appui dorsal et la zone d'assise du siège. Un mécanisme pneumatique également intégré au siège permet de gonfler séparément chaque coussin. A partir de diverses informations, une unité de commande calcule la situation de conduite et adapte le siège automatiquement de manière à offrir un meilleur soutien latéral. Parallèlement, le système pneumatique renforce ou diminue la pression de l'air dans les rembourrages latéraux Cette solution utilise ainsi des poches de gaz gonflées et dégonflées par une ou plusieurs pompes à air et un système d'électrovannes situées à proximité. Toutefois un tel système de siège 30 électropneumatique comporte de nombreux désavantages tels que le bruit généré par la pompe à air et la propagation de l'air, le temps de réaction limité par l'utilisation d'électrovannes, et par l'utilisation de la pompe et le temps de propagation dans les tuyaux. Un autre désavantage provient de la difficulté de rajouter de nouvelles poches d'air pour augmenter la surface des coussins d'air. Cela est dû à la complexité du système, notamment la masse et le volume de la ou les pompe(s) à air, ainsi que du fait de devoir rajouter des électrovannes et une ou plusieurs pompes en plus des poches d'air. Le but de la présente invention est de fournir une alternative à ces systèmes complexes, simple à réaliser. Dans ce but, la présente invention propose un actionneur formé par une membrane en élément électroactif apte à comporter un fluide sous pression, ladite membrane comportant une surface intérieure et une surface extérieure, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux électrodes en contact avec ladite membrane de sorte que le volume de l'actionneur augmente lorsque les deux électrodes sont soumises à des potentiels différents et en ce qu'il diminue lorsque la membrane est désexcitée. Selon d'autres caractéristiques : - la membrane peut comporter une surface intérieure et une surface extérieure, les surfaces intérieure et extérieure étant aptes à être respectivement en contact avec au moins une électrode intérieure et une électrode extérieure, - l'électrode extérieure peut comporter au moins une première et une deuxième électrode, de préférence disposées parallèlement opposées avec un entrefer, directement en contact avec la membrane au niveau de sa face extérieure, - l'électrode extérieure et l'électrode intérieure peuvent être soumises à des potentiels différents de manière à exciter la membrane, - la première électrode de l'électrode extérieure et la deuxième électrode de l'électrode extérieure peuvent être soumises à des potentiels différents de manière à exciter la membrane. La présente invention concerne également un dispositif d'actionneurs caractérisé en ce qu'il comporte un tel actionneur servant de pompe, et en ce qu'il comporte un deuxième actionneur formé par une membrane électroactive apte à comporter un fluide sous pression, le deuxième actionneur étant relié à l'actionneur servant de pompe par l'intermédiaire d'un moyen de liaison de sorte que lorsque la membrane de l'actionneur servant de pompe est excitée, le fluide sous pression est évacué du deuxième actionneur vers l'actionneur servant de pompe. Selon une autre caractéristique, l'actionneur servant de pompe peut être déporté. La présente invention concerne également une 30 utilisation d'un tel actionneur dans un siège. Selon d'autres caractéristiques, - le deuxième actionneur peut être disposé dans un siège d'un véhicule à actionner, et l'actionneur servant de pompe peut être déporté du siège à 5 actionner, - le dispositif d'actionneurs peut être utilisé comme générateur d'un circuit électrique. 10 La présente invention concerne également un véhicule comportant un tel actionneur ou un tel dispositif d'actionneurs. Ces objets, caractéristiques et avantages de la 15 présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes d'exécution particuliers faits à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : 20 - la figure 1 représente un sous ensemble d'un véhicule tel qu'un siège comportant des fonctionnalités de soutien dynamique et de massage intégrés, - la figure 2 représente un schéma d'un premier 25 mode de réalisation d'un actionneur, - la figure 3 représente une vue en coupe d'un actionneur à l'état excité et à l'état désexcité, - la figure 4 représente un schéma d'un deuxième mode de réalisation d'un actionneur, 30 - la figure 5 représente un schéma d'un troisième mode de réalisation d'un actionneur. A la figure 1, on a représenté un sous ensemble d'un véhicule tel qu'un siège comportant des fonctionnalités de soutien dynamique et de massage intégrés. Le siège 3 comporte des actionneurs souples aptes à produire des déplacements et des efforts sur de larges surfaces. Le siège 3 comporte un appui tête 31, un dossier 32 et une assise 33. Ces trois éléments 31,32 ,33 comportent par exemple des actionneurs de massage et de réglage d'effort 320 illustrés en trait plein, et des actionneurs de soutien dynamique 321 illustrés en pointillés. Selon un premier mode de réalisation tel que représenté à la figure 2, le siège comporte au moins un actionneur 1 constitué par un élément électroactif tel qu'une membrane 11 en polymère électroactif comportant un fluide sous pression 5 qui peut par exemple être un gaz ou un mélange de gaz, un liquide contenant un ou plusieurs gaz dissous tel que de l'eau gazeuse, une pâte contenant un gaz dissout, une mousse dont l'élasticité a le même effet que celle d'un gaz, ce qui avantageusement réduit le risque de fuite du fluide, une mousse et un gaz, une mousse et un liquide contenant un gaz dissout ou autre fluide Telle que représentée, la membrane 11 est sensiblement sphérique, et présente une face extérieure 13 et une face intérieure 12 opposées. Deux électrodes 14, 15 sont disposées de part et d'autre de la membrane 11, sur toute la surface de la membrane 11, et sont destinées à être connectées à une alimentation électrique (non représentée). Une électrode dite électrode intérieure 14 est disposée sous la face intérieure 12 et est directement en contact avec le fluide sous pression 5. Une électrode dite électrode extérieure 15 est disposée sur la face extérieure 13 de la membrane 11. Les deux électrodes 14, 15 sont réalisées en un matériau conducteur électrique tel qu'un métal ou un polymère conducteur. Chaque électrode 14, 15 comporte respectivement un moyen 18,19 apte à la connecter par exemple à une borne d'un générateur de tension électrique (non représenté) par exemple par l'intermédiaire de connections électriques 21. A cet effet, la membrane 11 est perforée de manière à permettre à un conducteur électrique 18 de connecter l'électrode intérieure 14 à l'alimentation électrique. Un joint 20 referme la membrane 11 au niveau du passage créé pour pouvoir établir la connexion électrique et permet ainsi de contenir le liquide sous pression à l'intérieur de la membrane 11. Au repos, tel que représenté à la figure 2, les pressions dues au fluide et à la membrane 11 sont équilibrées : la pression du fluide contenu dans la membrane 11 est équilibrée par la tension de la membrane. On a représenté à la figure 3, la membrane 11 dans un état excité 111 en pointillés et dans un état désexcité 112 en trait plein. Lorsque la membrane 11 est excitée, c'est-à-dire lorsque les électrodes intérieure 14 et extérieure 15 sont portées à des potentiels électriques différents en les reliant aux bornes d'une même source de tension électrique, il se crée entre les électrodes, dans la membrane 11, un champ électrique. Tel que représenté à la figure 3, la membrane 11 s'amincit, ce qui a pour effet d'augmenter sa surface. Le volume que le fluide sous pression peut occuper augmente. A la figure 4, on a représenté un deuxième mode de réalisation de l'actionneur 1. Tel qu'illustré un actionneur 10 comporte une membrane en polymère électroactif 110, sensiblement sphérique, et présentant une face extérieure 130 et une face intérieure 120 opposées. L'actionneur 10 comporte une électrode extérieure 150 qui comporte elle-même une première électrode 151 et une deuxième électrode 152 toutes deux disposées sur la face extérieure 130 de la membrane 110, de préférence disposées parallèlement opposées si on souhaite modifier le volume de la membrane, et sans disposition particulière si on souhaite changer localement la forme de la membrane. Les électrodes 151, 152 sont directement en contact avec la membrane 110 au niveau de sa face extérieure 130 et sont également réalisées en un matériau conducteur électrique. Chaque électrode 151, 152 comprend un moyen 180, 190 permettant de la connecter à une borne d'un générateur de tension électrique (non représenté). Un moyen 160 de réflexion du champ électrique appelé � électrode à potentiel flottant � s'étend en regard des électrodes 151 et 152 sur la face intérieure 130. Telle que représentée, l'électrode à potentiel flottant 160 est également de forme sphérique. Toutefois, il sera compris que cette électrode 160 est donnée à titre d'exemple et peut aussi ne pas être uniforme et/ou être composée de grains conducteurs isolés les uns des autres. On peut ainsi déposer par pulvérisation, déposition, ou autre, sur la face intérieure 120 de la membrane 110, une pellicule constituant une électrode à potentiel flottant composée de grains métalliques, par exemple une poudre métallique, pris dans une matrice polymère. De même, lorsque la membrane 110 est excitée, c'est-à-dire lorsque les électrodes 151 et 152 sont portées à des potentiels électriques différents en les reliant aux bornes d'une même source de tension électrique (non représentée), il se crée entre les électrodes, dans la membrane 110, un champ électrique. La membrane 110 s'amincit, la pression du fluide diminue, et le volume que le fluide sous pression peut occuper, augmente. Les lignes de champ sont sensiblement perpendiculaires aux faces intérieure 120 et extérieure 130 de la membrane. Cette orientation des lignes de champ est due à la forte conductivité électrique de l'électrode à potentiel flottant (qui n'est pas à proprement parler une � électrode � car elle n'est pas destinée à être reliée à la source de tension). L'électrode à potentiel flottant 160 crée un effet de � miroir électrique �. En effet, toutes les lignes de champs ont tendance à passer par cette électrode à potentiel flottant 160. Ce mode de réalisation permet avantageusement de disposer d'un actionneur dont les deux électrodes sur une même face de membrane, et des connections électriques d'un seul côté de la membrane. Ainsi, il n'est pas nécessaire de perforer la membrane 110 pour permettre le passage d'un conducteur électrique, ce qui permet de réduire les risques de fuite du fluide sous pression. Les première et deuxième électrodes 151 et 152 sont entourées d'un isolant 170, afin d'éviter tout arc électrique entre les deux électrodes 151 et 152 en toutes circonstances. Cet isolant 170 est souple pour se déformer avec la membrane et recouvre la face extérieure 130 de la membrane 110 qui n'est pas en contact avec les électrodes. Il sera compris que l'isolant 170 peut également recouvrir la surface des électrodes qui ne sont pas en en contact avec la face extérieure 130 de la membrane 110. L'isolant présente une permittivité diélectrique bien inférieure à celle du matériau électroactif constituant la membrane 110 de manière à éviter que des lignes de champ électrique ne se concentrent dans l'isolant 170 entre les deux électrodes 151,152 et peut par exemple être appliqué par collage: une feuille d'isolant est collée sur la membrane une fois les électrodes mises en place ;les qualités diélectriques (champ d'avalanche) et mécaniques (élasticité, fatigue en présence de sollicitations cycliques, tenue en température) importent autant que celles d'isolement proprement dit. Ce mode de réalisation de l'isoalant est donné à titre d'exemple non limitatif. L'isolant peut par exemple être appliqué : ù par déposition: l'isolant est fondu et appliqué en minces couches sur la membrane, où il se solidifie et se fixe ; cette méthode est plus particulièrement indiquée pour les isolants polymères visqueux et/ou épais, ù par pulvérisation: convient aux isolants très minces et très peu visqueux en phase liquide, ù par polymérisation sur la membrane les réactifs pour la fabrication de l'isolant sont mélangés sur la membrane et s'y attachent au cours de la formation du polymère, 15 ù par peinture: la peinture constitue alors l'isolant. L'isolant est de préférence au moins aussi souple que le polymère électroactif constituant la membrane sur laquelle il est posé. Il doit de plus posséder une 20 permittivité relative beaucoup plus faible que celle du polymère électroactif constituant la membrane sous peine de se déformer autant sinon plus qu'elle. L'isolant peut par exemple être en caoutchouc, en néoprène, en polytétrafluoroéthylène (PTFE ou teflon 25 �), en PVC, en polyéthylène, en éthylène tétrafluoréthylène (ETFE), en polyamide (Kapton �, Nomex �, Mylar �). L'électrode à potentiel flottant 160 peut aussi 30 être isolée. Par exemple, elle peut être isolée de la même manière que les électrodes 151 et 152 en utilisant 10 un même matériau afin de réaliser une pellicule isolante. Cette isolation est recommandée lorsque l'électrode à potentiel flottant 160 est une pellicule métallique ou un polymère conducteur. Par contre, lorsque l'électrode 160 est constituée de grains métalliques noyés dans un polymère isolant, l'isolation électrique est déjà réalisée. Ainsi, l'isolant 170 et l'électrode à potentiel flottant 160 peuvent constituer un seul ensemble, ce qui rend le dispositif comprenant la membrane et les électrodes plus fin et élimine les risques de fuite de courant électrique vers le milieu en contact avec la membrane. Il sera compris que ces modes de réalisation sont donnés à titre d'exemple non limitatifs. Les actionneurs 1,10 peuvent par exemple avoir des formes autres que sphériques. La membrane comportant le fluide sous pression peut ainsi prendre des formes variées de manière à s'adapter à l'utilisation qui en est faite. De même, de tels actionneurs peuvent également comporter plusieurs électrodes qui peuvent être soumises à des tensions différentes. De tels actionneurs 1,10 peuvent ainsi comporter une succession d'électrodes selon le premier ou le deuxième mode de réalisation. A la figure 5, selon un autre mode de réalisation, il est possible d'associer l'actionneur 1,10 à un deuxième actionneur 2. Ce deuxième actionneur 2 est constitué par un élément électroactif tel qu'une membrane en polymère électroactif comportant un fluide sous pression. Le deuxième actionneur 2 ne comporte pas d'électrodes et est relié à l'actionneur 1 ou à l'actionneur 10 par des moyens de liaison 4, transporter le fluide actionneur vers l'autre. modes décrits ci-dessus, est relié par un conduit tel qu'un conduit apte à sous pression depuis un L'actionneur selon l'un des désigné par actionneur 1,10, 4 au deuxième actionneur 2. Dans la suite de la description, l'actionneur 1,10 est appelé actionneur pompe. Lorsque la membrane de l'actionneur pompe 1,10 est excitée, la pression du fluide diminue dans l'actionneur pompe 1,10, et le volume que le fluide sous pression peut occuper dans l'actionneur pompe 1,10, augmente. Le fluide est alors évacué depuis le deuxième actionneur 2 vers l'actionneur pompe 1,10. Une désexcitation de la membrane de l'actionneur pompe 1,10 permet ensuite au fluide de s'évacuer depuis l'actionneur pompe 1,10 vers le deuxième actionneur 2. Ainsi les fonctionnements du deuxième actionneur 2 et de l'actionneur pompe 1,10 sont les mêmes mais inversés. L'utilisation d'un deuxième actionneur 2 est notamment avantageuse lorsque l'élément à actionner ne doit pas être disposé à côté d'une source de haute tension, qui peut par exemple être sensiblement comprise entre 600 V et 2500V lorsqu'on utilise des actionneurs à polymères électroactifs diélectriques. Bien que les risques d'électrisation soient faibles, l'isolation de l'actionneur peut diminuer, voire craqueler avec le vieillissement de celui-ci. Pour un siège par exemple, il se peut que des passagers l'abiment avec des objets coupants, potentiellement métalliques. Le risque d'électrisation est alors bien réel. Il est vrai que ce risque est plus désagréable que dangereux. Une variante de ce mode de réalisation consiste à ajouter une vanne dans les moyens de liaison. Dans un actionneur à vésicule classique, la vanne permet de contrôler le gonflage/dégonflage de la partie actionneur proprement dite. La vanne placée dans les moyens de liaison permet avantageusement de maintenir l'actionneur 2 gonflé/dégonflé sans avoir à maintenir l'actionneur pompe 1,10 sous tension. Le fait de maintenir cet actionneur pompe 1,10 sous tension ne consomme pas beaucoup d'énergie mais l'absence de tension sur cet actionneur 1,10 peut avoir des avantages, notamment pour la maintenance. Grâce à l'invention, il est possible de réaliser des actionneurs ayant des structures simplifiées. Plus exactement, la membrane peut être réalisée de manière plus libre sans aucune perforation risquant de nuire à son étanchéité et/ou à sa résistance mécanique. Les actionneurs et les dispositifs d'actionneurs selon l'invention présentent un nombre réduit de connexions électriques et simplifient la commande du champ électrique dans la membrane. En outre, ces actionneurs permettent de n'utiliser qu'une seule source de tension. Il sera compris que ces modes de réalisation sont donnés à titre d'exemples non limitatifs. De tels actionneurs peuvent être utilisés en tant que coussins actifs dans un siège. Des actionneurs de type deuxième actionneur peuvent par exemple être disposés dans les sièges d'un véhicule, et les actionneurs de type actionneurs pompe déportés dans le coffre du véhicule. De tels actionneurs peuvent également être appliqués à des pompes, notamment à membrane ou durites pompes et à des coussins, ballons ou surfaces à formes géométriques variables (appuie-tête, siège...). Ils peuvent également être utilisés comme générateur d'un circuit électrique. En effet, lorsque la tension aux bornes des électrodes est établie, le condensateur ainsi formé est chargé d'une certaine énergie (fonction de la tension établie). Lorsqu'un effort mécanique apte à modifier le volume de l'actionneur est appliqué de l'extérieur, la membrane s'amincit ou s'épaissit, modifiant ainsi la quantité de matière contenue dans le condensateur équivalent à la membrane. Cette modification de quantité de matière correspond alors à une puissance électrique fournit au circuit électrique. Ces actionneurs 1, 10 peuvent être utilisés seuls, en combinaison avec d'autres actionneurs 10,1 ou en association avec d'autres actionneurs du type deuxième actionneur 2.25 REVENDICATIONS1) Actionneur formé par une membrane en élément électroactif apte à comporter un fluide sous pression, ladite membrane comportant une surface intérieure et une surface extérieure, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux électrodes en contact avec ladite membrane (11,110) de sorte que le volume de l'actionneur (1,10) augmente lorsque les deux électrodes sont soumises à des potentiels différents et en ce qu'il diminue lorsque la membrane est désexcitée. 2) Actionneur selon la revendication 1 caractérisé en ce que la membrane comporte une surface intérieure et une surface extérieure, les surfaces intérieure et extérieure étant aptes à être respectivement en contact avec au moins une électrode intérieure et une électrode extérieure. 3) Actionneur selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'électrode extérieure comporte au moins une première et une deuxième électrode, de préférence disposées parallèlement opposées avec un entrefer, directement en contact avec la membrane 110 au niveau de sa face extérieure 4) Actionneur selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'électrode extérieure et l'électrodeintérieure sont soumises à des potentiels différents de manière à exciter la membrane. 5) Actionneur selon la revendication 3 caractérisé en ce que la première électrode de l'électrode extérieure et la deuxième électrode de l'électrode extérieure sont soumises à des potentiels différents de manière à exciter la membrane. 6) Dispositif d'actionneurs caractérisé en ce qu'il comporte un actionneur selon l'une des revendications précédentes servant de pompe, et en ce qu'il comporte un deuxième actionneur formé par une membrane électroactive apte à comporter un fluide sous pression, le deuxième actionneur étant relié à l'actionneur servant de pompe par l'intermédiaire d'un moyen de liaison (4) de sorte que lorsque la membrane de l'actionneur servant de pompe est excitée, le fluide sous pression est évacué du deuxième actionneur (2) vers l'actionneur servant de pompe (1,10). 7) Dispositif d'actionneurs selon la revendication précédente caractérisé en ce que l'actionneur (1,10) servant de pompe est déporté. 8) Utilisation d'un actionneur selon l'une des revendications 1 à 5 dans un siège. 9) Utilisation d'un dispositif d'actionneurs selon l'une des revendications 6 et 7 dans un véhicule,le deuxième actionneur étant disposé dans un siège du véhicule à actionner, et l'actionneur servant de pompe étant déporté du siège à actionner. 10) Utilisation du dispositif d'actionneurs selon des revendications 6 et 7 comme générateur d'un circuit électrique. 11) Véhicule comportant un actionneur selon l'une des selon l'une des revendications 1 à 5 ou un dispositif d'actionneurs selon l'une des revendications 6 et 7. 20