Brevet FR2983353A1 — publié le 20130531

COMMUTATEUR PIEZOELECTRIQUE DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un commutateur piézoélectrique et un procédé de fabrication d'un tel commutateur. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION Les commutateurs piézoélectriques sont utilisés dans de nombreuses applications, par 10 exemple des interfaces homme-machine. Ces dispositifs sont basés sur l'application d'une pression dynamique sur un élément piézoélectrique, dont la déformation se traduit par la génération d'une tension électrique. A cet effet, l'élément piézoélectrique comporte des électrodes raccordées électriquement à un circuit imprimé qui comprend des composants adaptés pour exploiter 15 cette tension électrique en effectuant toute action appropriée telle que la fermeture ou l'ouverture d'un contact. De manière conventionnelle, de tels commutateurs sont fabriqués en soudant les électrodes de l'élément piézoélectrique au circuit imprimé. Or, la soudure présente l'inconvénient d'engendrer un taux de défauts élevé, 20 notamment en termes de fiabilité de la connexion électrique, qui nuit à la performance des commutateurs. De plus, la soudure peut difficilement être automatisée et l'assemblage des éléments piézoélectriques sur les circuits imprimés doit donc être réalisé manuellement, avec un rendement relativement faible. 25 Pour faciliter l'assemblage et améliorer les performances de ces commutateurs, on cherche à concevoir un commutateur dont l'assemblage ne nécessite aucune soudure. Ainsi, le document WO 2008/087630 divulgue un procédé de fabrication d'un commutateur piézoélectrique dans lequel on fixe un élément piézoélectrique à une feuille métallique pliable, on accole audit élément piézoélectrique un élément en élastomère 30 électriquement conducteur, on positionne contre ledit élément en élastomère les ports d'un circuit imprimé, puis l'on replie la feuille métallique autour du circuit imprimé pour maintenir ces différents éléments au contact les uns des autres. La liaison électrique entre les électrodes de l'élément piézoélectrique et le circuit imprimé est alors assurée par l'élément en élastomère électriquement conducteur. Cependant, ce procédé présente l'inconvénient de mettre très fortement en contrainte l'élément piézoélectrique contre l'élément en élastomère électriquement conducteur afin de garantir une bonne conduction électrique. Or, l'élément piézoélectrique comprenant une fine couche de céramique piézoélectrique particulièrement fragile, une telle contrainte est susceptible de l'endommager. Par ailleurs, un tel commutateur peut également être endommagé dans le cas où une pression excessive est exercée, par exemple dans le cas d'un acte de vandalisme. Un but de l'invention est donc de procurer un commutateur piézoélectrique qui puisse être assemblé sans nécessiter de soudure et qui soit plus robuste et plus fiable que les dispositifs existants. En particulier, ledit commutateur doit présenter une résistance accrue aux actes de vandalisme. BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION Conformément à l'invention, il est proposé un commutateur piézoélectrique comprenant : - un boîtier présentant une paroi déformable, - un élément piézoélectrique agencé dans le boîtier contre ladite paroi déformable et comprenant une première électrode et une seconde électrode, - un circuit imprimé connecté électriquement auxdites première et seconde électrodes, ledit commutateur étant caractérisé en ce que la connexion électrique entre ledit circuit imprimé et lesdites première et seconde électrodes est assurée respectivement par un premier et un second ressort de compression agencés entre l'élément piézoélectrique et le circuit imprimé. Selon une forme d'exécution préférée de l'invention, le premier ressort et le second ressort sont dimensionnés de telle sorte que le second ressort soit agencé à l'intérieur du premier ressort. Le premier ressort et le second ressort peuvent ainsi présenter des axes de symétrie 30 confondus. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, le premier ressort et le second ressort sont cylindriques de révolution. De manière particulièrement avantageuse, le commutateur comprend un élément de retenue du second ressort, pour maintenir ledit second ressort en contact avec la seconde 35 électrode. Par ailleurs, le boîtier est avantageusement agencé de sorte à guider le premier ressort, pour maintenir ledit premier ressort en contact avec la première électrode. Selon une forme d'exécution particulière de l'invention, la face externe de la paroi déformable du boîtier est adhésive, ce qui permet d'incorporer le commutateur à un système 5 à commander. A cet effet, ladite face externe est de préférence recouverte d'un adhésif à double face. Le commutateur comprend en outre de préférence des éléments de retenue du circuit imprimé sur le boîtier. Selon un mode de réalisation de l'invention, lesdits éléments de retenue sont des 10 moyens de retenue par clippage du circuit imprimé sur le boîtier. Un autre objet de l'invention concerne un dispositif de commutation, par exemple un clavier, incorporant au moins un commutateur tel que décrit ci-dessus. Selon une forme préférée d'exécution, ledit dispositif consiste en un clavier comprenant une face avant comprenant une pluralité de parois déformables définissant des touches et un 15 support présentant une pluralité d'ouvertures pour le passage des premier et second ressorts de chaque commutateur, les parois de chaque ouverture et la paroi déformable correspondante formant ensemble le boîtier de chaque commutateur. De préférence, l'élément piézoélectrique de chaque commutateur est solidaire de la paroi déformable par un insert en matériau élastomère. 20 Un autre objet de l'invention concerne un procédé de fabrication d'un commutateur tel que décrit plus haut. Ledit procédé comprend avantageusement les étapes suivantes : - la fourniture d'un boîtier comprenant une paroi déformable, d'un circuit imprimé et d'un élément piézoélectrique comprenant une première électrode et une seconde électrode 25 destinées à être connectées audit circuit imprimé ; - l'insertion de l'élément piézoélectrique dans ledit boîtier contre ladite paroi déformable, - la mise en place, respectivement contre la première électrode et la seconde électrode dudit élément piézoélectrique, d'un premier ressort et d'un second ressort de compression, 30 - la mise en place, contre lesdits ressorts, du circuit imprimé, lesdits ressorts assurant la connexion électrique entre les électrodes et le circuit imprimé. Selon un mode de réalisation dudit procédé, on applique un adhésif sur la face externe de la paroi déformable du boîtier. 35 BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue isométrique éclatée d'un mode de réalisation préféré du commutateur selon l'invention, - la figure 2 est une vue isométrique en coupe du commutateur assemblé de la figure 1, - la figure 3 est une vue isométrique en coupe partielle du commutateur de la figure 1 - la figure 4 est une vue isométrique en coupe partielle d'un exemple d'intégration du commutateur de la figure 1 dans une interface homme-machine, - la figure 5 est une vue isométrique éclatée d'un clavier de commande incorporant une pluralité de commutateurs selon l'invention, - la figure 6 est une vue isométrique en coupe partielle du clavier assemblé de la figure 5, - la figure 7 est une vue isométrique en coupe du clavier du clavier assemblé de la figure 5. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION DE L'INVENTION On décrira, dans cet exemple non limitatif, un commutateur piézoélectrique selon l'invention, qui est un dispositif modulaire pouvant être utilisé en tant que tel dans un système à commander ou bien associé à d'autres commutateurs pour former un dispositif de commutation (par exemple un clavier) pouvant être incorporé à une interface homme-machine. En référence à la figure 1, qui présente une vue éclatée du commutateur, le commutateur comprend un boîtier 1 dans lequel sont logés les différents composants. De manière préférée, le boîtier 1 présente une forme cylindrique de section circulaire mais il va de soi qu'il pourrait présenter toute autre forme appropriée. Le boîtier présente une paroi déformable 10 qui est la paroi sur laquelle un utilisateur sera amené à exercer une pression pour actionner le commutateur. A cet effet, la paroi déformable 10 est suffisamment flexible, au moins dans sa partie centrale, pour que la pression exercée par l'utilisateur puisse être transmise à un élément piézoélectrique situé contre ladite paroi 10, à l'intérieur du boîtier. Le boîtier est par exemple en un matériau thermoplastique, tel que ABS, Polyamide PBT, Polycarbonate. L'homme du métier est à même de définir une épaisseur appropriée pour la paroi déformable 10 en fonction du matériau du boîtier 1. A l'intérieur du boîtier 1, contre la paroi déformable 10, est agencé un élément piézoélectrique 2. Dans l'exemple illustré ici, l'élément piézoélectrique a la forme d'un disque mais il pourrait présenter toute autre forme sans pour autant sortir du cadre de l'invention. De préférence, l'élément piézoélectrique 2 présente le même diamètre que le boîtier 1, de sorte que l'élément 2 est centré par rapport à la paroi déformable 10 par les parois du boîtier. De manière connue en elle-même, l'élément piézoélectrique est adapté pour générer une tension électrique sous l'effet d'une pression dynamique exercée par l'intermédiaire de la paroi 10 du boîtier. L'élément piézoélectrique 2 peut ainsi comprendre des électrodes en laiton, en argent et/ou en un autre matériau électriquement conducteur, recouvertes d'une couche de céramique piézoélectrique. A titre purement indicatif, on pourra employer un élément piézoélectrique commercialisé par la société Murata sous la référence 7BB-12-9. Un tel élément comprend une plaque de laiton d'un diamètre extérieur de 12 mm et d'une épaisseur de 0,1 mm, formant la première électrode, recouverte d'une couche de céramique piézoélectrique de 9 mm de diamètre. Une deuxième électrode en argent de 8 mm de diamètre est disposée à la surface de la couche de céramique. L'épaisseur totale de cet élément est de 0,22 mm. Par ailleurs, le commutateur comprend un circuit imprimé 4, qui est équipé de composants adaptés pour convertir la tension générée par l'élément piézoélectrique 2 et établir en conséquence un contact fermé entre deux éléments de raccordement 8 (par exemple deux fils électriques) entre le commutateur et un dispositif à commander. Le temps de commutation dépend de la force et de la vitesse d'appui sur la paroi déformable. Le circuit imprimé 4 est logé dans le boîtier 1 et maintenu dans celui-ci par des éléments de retenue. A titre d'exemple non limitatif, sur la figure 1, les éléments de retenue sont constitués de trois clips 11 agencés à la périphérie de la face interne de la paroi déformable 10 (un clip 11 est également visible sur la figure 3). La connexion électrique entre l'élément piézoélectrique 2 et le circuit imprimé 4 est assurée par deux ressorts de compression 5 et 6 qui sont réalisés en matériau électriquement conducteur. Lesdits ressorts 5 et 6 sont en contact, d'une part, avec respectivement une première et une seconde électrodes (non illustrées) présentes sur la face de l'élément piézoélectrique 2 opposée à la paroi deformable 10 et, d'autre part, avec des pistes du circuit imprimé 4 reliant les deux éléments de raccordement 8. Selon une forme d'exécution préférée, les ressorts 5 et 6 sont coaxiaux, le premier ressort 5 présentant un diamètre supérieur à celui du second ressort 6. De manière particulièrement avantageuse, le premier ressort 5 présente un diamètre légèrement inférieur à celui du diamètre intérieur du boîtier 1, de sorte que le boîtier 1 assure également le guidage du ressort 5. Par ailleurs, le commutateur comprend de préférence également un élément de retenue du second ressort 6. Par exemple, comme illustré sur les figures 1 et 2, ledit élément de retenue peut consister en un pion 7 axial de diamètre légèrement inférieur à celui du ressort 6, autour duquel est agencé le second ressort 6. Ces moyens de guidage et de retenue garantissent que les ressorts 5 et 6 soient bien positionnés au contact des électrodes de l'élément piézoélectrique 2 lors de l'assemblage du commutateur et qu'ils le restent lors de l'actionnement du commutateur. Les figures 2 et 3 sont des vues isométriques en coupe partielle du commutateur de la figure 1 après assemblage. L'assemblage est particulièrement simple puisqu'il ne requiert aucune soudure et qu'il peut être automatisé. Le procédé d'assemblage comprend par exemple la mise en place successive dans le boîtier 1 de l'élément piézoélectrique 2, du premier ressort de compression 5 et du circuit imprimé 4 équipé des éléments de raccordement 8 et sur lequel le pion de centrage 7 et le second ressort 6 ont été montés au préalable. Ensuite, on solidarise le circuit imprimé 4 vis-à-vis du boîtier 1 ; par exemple, comme mentionné plus haut, par clippage du circuit imprimé 4 dans les éléments de retenue 11. Lorsque le commutateur est assemblé, les ressorts 5 et 6 sont à l'état libre ou légèrement contraint. Ainsi, lorsque le commutateur est au repos, ils n'appliquent pas de contrainte importante sur l'élément piézoélectrique 2, ce qui évite de l'endommager. Lorsqu'une pression dynamique est exercée sur la paroi déformable 10, les ressorts 5 et 6 peuvent se comprimer légèrement tout en assurant la liaison électrique entre les électrodes de l'élément piézoélectrique et le circuit imprimé. Dans le cas où une pression dynamique anormalement élevée est exercée sur la paroi déformable (par exemple en cas d'acte de vandalisme), les ressorts se compriment de manière plus importante, ce qui permet le recul de l'élément piézoélectrique et évite l'endommagement de celui-ci. Ainsi, le commutateur selon l'invention est particulièrement adapté à des utilisations dans des environnements qui nécessitent une protection accrue contre les dégradations intentionnelles. Eventuellement, en vue de son insertion dans une interface homme-machine ou dans tout autre dispositif à commander, on rend adhésive la face extérieure de la paroi déformable 10. A cet effet, on peut par exemple déposer un adhésif double face 3 sur la paroi 10. Ainsi, le commutateur peut être très rapidement et sans outillage être intégré à une interface homme-machine ou à un dispositif à commander, sans qu'il soit nécessaire d'aménager sur ledit dispositif des moyens de fixation particuliers pour le commutateur. La figure 4 est une vue en coupe partielle du commutateur inséré dans un support 9 d'une interface homme-machine. Dans cet exemple, le support 9 se présente sous la forme d'un élément tubulaire à l'intérieur duquel est logé le boîtier 1 du commutateur, la paroi déformable 10 du commutateur étant collé à une paroi d'actionnement 90 (également déformable, au moins en son centre) par la couche adhésive 3. Selon une autre forme d'exécution de l'invention, plusieurs commutateurs tels que décrits ci-dessus peuvent être incorporés à un dispositif de commutation plus complexe, tel qu'un clavier par exemple. La figure 5 est une vue isométrique éclatée d'un exemple de clavier selon l'invention. Ledit clavier comprend un boîtier destiné à recevoir les différents éléments piézoélectriques et le circuit imprimé. Ledit boîtier comprend ici un support 9 et une face avant 91 présentant une pluralité de parois déformables 10 qui constituent les touches du clavier. Le support 9 est de préférence en un matériau rigide, par exemple un matériau plastique à haute performance tel qu'un polyamide renforcé ; à titre purement indicatif, on pourra employer un polyamide 4-6 renforcé avec 30% de fibres de verre 30%, commercialisé par exemple sous la référence Zytel® HTN54 de DuPont. La face avant 91 peut être en tout matériau approprié selon l'esthétique souhaitée du clavier, pour autant que les parois déformables 10 soient suffisamment flexibles, au moins dans leur partie centrale, pour transmettre une pression dynamique exercée par un utilisateur à l'élément piézoélectrique correspondant. Ainsi, les parois déformables 10 peuvent être plus fines que la paroi du reste de la face avant 91. Par exemple, la face avant 91 peut être en aluminium ou en acier inoxydable. De manière avantageuse, les touches présentent un marquage (chiffre, symbole, etC.) qui précise leur fonction. Un tel marquage peut être formé par sérigraphie de la face avant elle-même, mais aussi par emboutissage de la touche ou encore par collage d'étiquettes, etc. La structure des différents commutateurs est similaire à la structure décrite plus haut. Contre chaque paroi déformable 10 de la face avant est agencé un élément piézoélectrique 2, par l'intermédiaire d'un insert souple 20. L'insert souple 20 est par exemple une pièce en un matériau élastomère tel qu'une gomme ou un élastomère de type nitrile, par exemple un NBR (copolymère de butadiène et acrylonitrile). La fonction de l'insert souple 20 est d'agir comme une interface d'amortissement entre la paroi déformable 10 (notamment lorsque celle-ci est métallique) et l'élément piézoélectrique 2, de manière à protéger l'élément 2 contre les chocs directs et les vibrations. L'insert souple 20 permet également une isolation diélectrique de l'élément 2 vis-à-vis de la paroi déformable métallique 10. A cet effet, l'insert souple présente par exemple une épaisseur de l'ordre de 1 mm et un diamètre plus élevé que celui de l'élément piézoélectrique 2, par exemple de l'ordre de 15 mm pour le modèle d'élément cité plus haut. Dans le cas du commutateur individuel illustré aux figures 1 à 4, le boitier 1, qui est de préférence en un matériau thermoplastique, remplit cette fonction d'interface d'amortissement, de sorte qu'il n'est pas nécessaire d'intercaler un tel insert souple entre l'élément piézoélectrique et la paroi déformable. L'insert souple 20 est de préférence muni sur chacune de ces faces d'un adhésif 3, par exemple un adhésif au silicone, qui permet de coller chaque élément piézoélectrique 2 à la touche correspondante. L'adhésif 3 permet de maintenir le centrage de l'élément piézoélectrique 2 par rapport à l'insert souple 20, qui est plus large. Dans le cas du commutateur individuel illustré aux figures 1 à 4, si le diamètre du boîtier est identique à celui de l'élément piézoélectrique, l'emploi d'un adhésif n'est pas nécessaire pour maintenir l'élément 2 dans une position centrée par rapport à la paroi déformable. Chaque élément piézoélectrique 2 est connecté électriquement au circuit imprimé 4 par l'intermédiaire d'un premier et d'un second ressort de compression 5 et 6. Le support 9 comprend à cet effet des ouvertures 92 dont le diamètre est légèrement supérieur à celui des premiers ressorts 5, lesdites ouvertures assurant une fonction de centrage et de guidage desdits ressorts 5. Ainsi, chaque ouverture 92, associée à la paroi déformable 10 correspondante de la face avant, forme avec celle-ci un boîtier 1 pour chaque commutateur. Par ailleurs, des éléments de centrage 7, qui présentent un diamètre légèrement inférieur à celui des seconds ressorts 6, permettent d'assurer le centrage et le guidage desdits ressorts 6. Par exemple, lesdits éléments de centrage 7 sont des pions soudés sur le circuit imprimé 4. Après l'assemblage des éléments piézoélectriques et des ressorts, le circuit imprimé 4 est mis en place sur le support et maintenu par quatre vis 11', 11" vissées dans la face avant 91. De préférence, lesdites vis 11', 11" ne traversent pas la face avant 91 pour ne pas altérer son aspect. Sur les figures 5 à 7, les éléments de raccordement 8 illustrés ne sont pas des fils mais un connecteur. Il va de soi que l'on pourra employer tout autre type d'élément de raccordement sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. Enfin, après l'assemblage et les éventuels tests électriques, le dispositif de commutation est hermétiquement scellé au moyen, par exemple, d'une résine bi-composant 12, qui permet de le protéger de toute contamination provenant de l'environnement extérieur au dispositif et qui évite en outre toute infiltration d'eau. Un avantage de la conception de ce dispositif de commutation est que son assemblage ne comporte pas de soudures, ce qui évite de potentielles défaillances électriques, et qu'il peut être automatisé. Ce dispositif peut donc être fabriqué selon un procédé industriel relativement simple et avec des coûts de production modérés. Le dispositif ainsi assemblé peut ensuite être monté sur une interface homme-machine ou un système à commander. A cet effet, le support 9 présente sur sa face opposée à la face avant 91 un logement 93 pour un joint 13 destiné à assurer l'étanchéité du clavier vis-à-vis du système sur lequel il doit être monté. Par exemple, le joint 13 est un joint torique. Par ailleurs, la face avant 91 et/ou le support 9 présentent des alésages 94 pour le passage de vis de fixation. Dans l'exemple illustré ici, les alésages 94 sont au nombre de quatre et sont disposés aux coins du clavier (qui présente une forme rectangulaire), mais l'homme du métier pourrait naturellement choisir un emplacement et un nombre différents d'alésages. Tout autre mode de fixation que des vis pourrait également être retenu sans pour autant sortir de la portée de la présente invention. Il va de soi que les exemples que l'on vient de donner ne sont que des illustrations particulières en aucun cas limitatives quant aux domaines d'application de l'invention.15 REVENDICATIONS1 Commutateur piézoélectrique, comprenant : - un boîtier (1) présentant une paroi déformable (10), - un élément piézoélectrique (2) agencé dans le boîtier (1) contre ladite paroi déformable (10) et comprenant une première électrode et une seconde électrode, - un circuit imprimé (4) connecté électriquement auxdites première et seconde électrodes, ledit commutateur étant caractérisé en ce que la connexion électrique entre ledit circuit imprimé (4) et lesdites première et seconde électrodes est assurée respectivement par un premier et un second ressort de compression (5, 6) agencés entre l'élément piézoélectrique (2) et le circuit imprimé (4). 2. Commutateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier ressort (5) et le second ressort (6) sont dimensionnés de telle sorte que le second ressort (6) soit agencé à l'intérieur du premier ressort (5). 3. Commutateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier ressort (5) et le second ressort (6) présentent des axes de symétrie confondus. 4. Commutateur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le premier ressort (5) et le second ressort (6) sont cylindriques de révolution. 5. Commutateur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend un élément de retenue (7) du second ressort (6). 6. Commutateur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le boîtier (1) est agencé de sorte à guider le premier ressort (5). 7. Commutateur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la face externe de la paroi déformable (10) du boîtier est adhésive. 8. Commutateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite face externe est recouverte d'un adhésif (3) à double face.35 9. Commutateur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend des éléments de retenue (11) du circuit imprimé (4) sur le boîtier (1). 10. Commutateur selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits éléments de retenue (11) sont des moyens de retenue par clippage du circuit imprimé (4) sur le boîtier (1). 11. Dispositif de commutation comprenant au moins un commutateur selon l'une des revendications 1 à 10. 12. Dispositif de commutation selon la revendication 11, consistant en un clavier comprenant une face avant (91) comprenant une pluralité de parois déformables (10) définissant des touches et un support (9) présentant une pluralité d'ouvertures (92) pour le passage des premier et second ressorts (5, 6) de chaque commutateur, chaque ouverture (92) et la paroi déformable (10) correspondante formant ensemble le boîtier de chaque commutateur. 13. Dispositif de commutation selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'élément piézoélectrique (2) de chaque commutateur est solidaire de la paroi déformable (10) par un insert (20) en matériau élastomère. 14. Procédé de fabrication d'un commutateur piézoélectrique, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - la fourniture d'un boîtier (1) comprenant une paroi déformable (10), d'un circuit imprimé (4) et d'un élément piézoélectrique (2) comprenant une première électrode et une seconde électrode destinées à être connectées audit circuit imprimé (4) ; - l'insertion de l'élément piézoélectrique dans ledit boîtier (1) contre ladite paroi déformable (10), - la mise en place, contre la première électrode et la seconde électrode dudit élément piézoélectrique (2), d'un premier ressort (5) et d'un second ressort (6) de compression, - la mise en place, contre lesdits ressorts (5, 6), du circuit imprimé (4), lesdits ressorts assurant la connexion électrique entre les électrodes et le circuit imprimé. 15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'on applique un adhésif sur la face externe de la paroi déformable du boîtier.35