Brevet FR3091414A1 — publié le 20200703

Description Titre de l'invention : Actionneurs piézoélectriques à déformation amplifiée [0001] La présente invention concerne le domaine des actionneurs électromécaniques à dé- formation amplifiée, en particulier les actionneurs piézoélectriques à déformation amplifiée. État de la technique [0002] Le recours à des actionneurs piézoélectriques à déformation amplifiée est déjà connu dans différents contextes : les sonars, les nettoyeurs à ultrasons, les techniques d'usinage/soudage par ultrasons, les systèmes dits HIFU (acronyme pour « High Intensity Focused Ultrasounds » en terminologie anglo-saxonne), et de nombreuses applications qui nécessitent de fortes amplitudes de déplacement de la surface que l'on cherche à utiliser. [0003] Un autre exemple d'utilisation des actionneurs piézoélectriques est celui des dis- positifs présentant des retours haptiques par lubrification ultrasonique. Mais lorsque le milieu est dissipatif comme par exemple les supports en matière plastique ou autres milieux viscoélastiques, les déplacements importants de la surface sont difficiles à obtenir avec de simples actionneurs piézoélectriques dans leur conception classique. [0004] En effet, les actionneurs piézoélectriques connus permettent de réaliser un retour haptique significatif uniquement sur des surfaces élastiques et donc non dissipatives, notamment des surfaces métalliques ou en verre qui ne sont en contact avec aucun élément viscoélastique du type colle ou équivalent créant de la dissipation d'énergie. En particulier, dans le domaine des écrans, les actionneurs connus sont en couches minces et ne peuvent être utilisés qu'avec les écrans tactiles présentant un espace d'air entre le verre de surface et l'afficheur (OLED ou LCD par exemple), et les actionneurs doivent directement être appliqués sur le verre pour y créer une onde stationnaire qui ne soit pas dissipée par la partie viscoélastique de l'écran. 100051 Lorsque le milieu à actionner est plus dissipatif, comme par exemple les matériaux viscoélastiques de type plastique, bois ou autres, il est nécessaire, pour que l'effet haptique soit aisément perceptible par un utilisateur, d'utiliser des actionneurs piézoélectriques dont la déformation est amplifiée par rapport à celle qui serait obtenue par un simple actionneur piézoélectrique en couche mince. 100061 Cependant, les actionneurs piézoélectriques à déformation amplifiée connus présentent plusieurs inconvénients qui limitent leur usage à certaines applications, dont les écrans sont exclus. 100071 Ainsi, dans un contexte industriel, le recours à des actionneurs piézoélectriques à dé- 2 formation amplifiée pose un certain nombre de problèmes. [0008] En premier lieu, une référence mécanique est souvent nécessaire. En pratique on cherche souvent à maximiser la déformation d'une des faces de l'actionneur piézoélectrique, ce qui implique d'encastrer sa face opposée dans un support. Or l'obtention de cet encastrement n'est pas si simple. Le support devra être significativement plus rigide et massif que le substrat à actionner. Par exemple, pour actionner un afficheur pourvu d'un verre de protection de 2 mm d'épaisseur, il faudrait ancrer l'actionneur dans un support métallique d'au moins 1 cm d'épaisseur. Si un grand nombre d'actionneurs est nécessaire cela implique de pouvoir ajouter une importante structure métallique uniquement pour assurer cette fonction de référence mécanique. [0009] En second lieu, l'encombrement des actionneurs à déformation amplifiée connus est élevé et n'est pas toujours compatible avec le produit dans lequel on cherche à les intégrer. A titre d'exemple, on connait des actionneurs piézoélectriques commercialisés sous la marque Thorlabslm aptes à créer des déformations de 10 à 30 pin environ et fonctionnant dans une gamme de fréquence de 40 kHz-120 kHz, mais ils présentent des dimensions allant de 10 mm à 30 mm environ, supérieures d'un facteur d'environ 10 aux dimensions acceptables pour un usage dans certaines applications, comme par exemple une intégration dans des écrans ou d'autres structures de faible épaisseur. [0010] En troisième lieu, le coût des actionneurs piézoélectriques à déformation amplifiée connus limite fortement leur nombre et leurs usages. BUT DE L'INVENTION [0011] L'invention a pour but principal dc proposer un nouveau type d'actionneur électro- mécanique à déformation amplifiée, notamment d'actionneur piézoélectrique, apte à pallier les inconvénients précités des actionneurs connus. [0012] En particulier, l'invention a pour but spécifique de proposer un actionneur apte à fonctionner sans nécessiter un encastrement de l'une de ses faces. [0013] Un autre but de l'invention est de proposer un actionneur de très petite taille, à savoir de 2 à 5 mm d'épaisseur, compatible avec un usage dans un grand nombre de nouvelles applications qui impliquent des amplitudes de déplacement de la surface de support plus importantes que celles connues, à savoir des déplacements d'un à trois micromètres dans une gamme de fréquences ultrasoniques allant d'environ 20 kHz à 200 kHz. [0014] Un autre but de l'invention est de proposer un actionneur facile à fabriquer et à utiliser et dont le coût est fortement réduit par rapport à celui des actionneurs connus, permettant là aussi de généraliser son usage dans de nouvelles applications. Résumé de l'invention 3 [0015] Dans son principe, la présente invention consiste à coupler un élément moteur, par exemple une céramique piézoélectrique monolithique « courante » à bas coût, à une niasse vibrant en mode de flexion. On se limitera dans l'exposé aux actionneurs piézoélectriques, sans pour autant limiter la portée de l'invention, dans la mesure où d'autres types d'éléments moteur (magnétiques, électrostatiques) pourraient être utilisés. [0016] Le système selon l'invention est alors constitué de 2 éléments : [0017] - Un actionneur miniaturisé, par exemple une céramique piézoélectrique de forme carrée, circulaire, ou rectangulaire, et [0018] - un élément relativement plus lourd que la céramique piézoélectrique (en bronze, acier, zinc etc.) jouant le rôle de masse induisant un effet d'amplification du mouvement. [0019] Ces deux éléments sont reliés entre eux par une colle puissante capable de maintenir la cohésion des deux éléments même pour des mouvements de fréquence ultrasonique qui impliquent de fortes sollicitations mécaniques, par exemple une colle type Époxy hi-composante. [0020] L'invention a donc pour objet un actionneur électromécanique à déformation amplifiée, comportant un élément moteur connecté à une source de tension sinusoïdale de façon à produire une déformation dudit élément moteur, caractérisé en ce qu'il comporte une masselotte dont une première face est fixée de façon rigide à l'élément moteur et dont la face opposée est fixée à un support à actionner, et en cc que ladite masselotte est configurée de manière que l'amplitude de la vibration transmise par la masselotte au support soit supérieure à l'amplitude de la vibration transmise par l'élément moteur en l'absence de la masselotte. [0021] Selon un mode de réalisation de l'invention, ledit élément moteur est de préférence un actionneur piézoélectrique, mais il pourrait s'agir d'un autre type d'actionneur, comme un actionneur magnétique ou un actionneur électrostatique. [0022] Selon un mode de réalisation avantageux, l'actionneur comporte un plot d'actionnement disposé entre la masselotte et le support à actionner. [0023] Afin que l'actionneur soit compatible avec les procédés haptiques à lubrification ul- trasonique, la masselotte est configurée de manière que l'amplitude de la vibration qu'elle génère à la fréquence de résonance soit supérieure d'un facteur d'amplification compris entre 4 et 50 à l'amplitude de la vibration générée par l'élément moteur seul. [0024] Selon un mode de réalisation, la masselotte a la forme d'un disque de diamètre compris entre 9 min et 12 mm, par exemple 11 mm, et d'épaisseur comprise entre 0,2 mm et 1 mm, par exemple 0,5 mm, pour une fréquence de travail à vide d'environ 60 kHz. [0025] Selon un mode de réalisation avantageux, la masselotte à la forme d'une plaque pa- rallélépipédique de longueur 1 comprise entre 9 mm et 11 mm, par exemple 10 mm, de largeur b comprise entre 4 mm et 6 mm, par exemple 5 mm, et d'épaisseur h comprise entre 1 mm et 2 mm, par exemple 1,5 mm, pour une fréquence de travail à vide d'environ 70 kHz. [0026] Selon un mode de réalisation, le facteur d'amplification du mouvement de l'élément moteur est une fonction du rapport entre la largeur h de la masselotte et la largeur du plot d'actionnement, cc qui permet de piloter le facteur d'amplification souhaité en jouant sur ce rapport. [0027] Selon un mode de réalisation, l'élément moteur est une dalle en céramique piézo- électrique de forme carrée, rectangulaire ou circulaire dont les plus grandes dimensions (longueur, largeur, diamètre) sont comprises entre 6 mm et 8 mm, en particulier 7 mm, pour une fréquence de travail de 64 kHz. [0028] Selon un mode de réalisation pratique, l'actionneur est configure de manière que l'amplitude de sa déformation dans la direction perpendiculaire au support à la fréquence de résonance principale soit comprise entre 10 micromètres et 30 micromètres pour l'actionneur non couplé à un support, et que l'amplitude de la déformation transmise par l'actionneur à une surface en mode couplé soit comprise entre 1 et 2,5 micromètres. [0029] De préférence, l'élément moteur et la masselotte sont solidarisés à l'aide d'une colle forte à faible dissipation d'énergie, notamment une colle époxy. [0030] L'invention a également pour objet un dispositif comportant une surface visco- élastique à actionner par un effet haptique, notamment un effet haptique par lubrification ultrasonique, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité d'actionneurs tels que décrits précédemment. La surface viscoélastique utilisant l'invention est par exemple un écran d'affichage. [0031] Selon un mode de réalisation de l'invention, chaque actionneur est fixé à une surface à actionner, par une extrémité de son plot d'actionnement. Description des modes de réalisation [00321 L'invention sera décrite plus en détail en référence aux figures ci-jointes dans lesquelles : [0033] La figure 1 représente de façon schématique trois exemples connus d'actionneurs piézoélectriques à déformation amplifiée ; [0034] La figure 2 représente un schéma de principe d'un premier mode de réalisation d'un actionneur selon l'invention, en vue en perspective éclatée, en perspective assemblée et en perspective en coupe ; [0035] La figure 3 représente plusieurs vues d'un schéma de principe d'un second mode de réalisation d'un actionneur selon l'invention ; [0036] La figure 4 représente en vue en coupe un exemple de montage d'un actionneur selon l'invention sur un milieu à actionner ; [0037] La figure 5 représente un schéma de répartition de multiples actionneurs selon l'invention sur une surface à actionner ; [0038] La figure 6 représente un graphe illustrant l'effet d'amplification de l'amplitude du mouvement d'un actionneur selon l'invention. [0039] La figure 7 représente une courbe montrant l'amplitude maximale de déformation d'un support de l'actionneur en fonction du rapport entre la largeur du plot d'actionnemcnt et la largeur de l'actionneur piézoélectrique. [0040] On se réfère à la figure 1 relative à trois types de dispositifs connus permettant d'amplifier la déformation d'un actionneur piézoélectrique. [0041] On rappelle qu'il existe principalement deux types d'actionneurs piézoélectriques : [0042] - les actionneurs non amplifiés, dans lesquels le déplacement obtenu est directement égal à la déformation du matériau piézoélectrique sous l'application d'une tension électrique. [0043] - les actionneurs amplifiés, dans lesquels un dispositif mécanique vient amplifier le mouvement du matériau piézoélectrique, typiquement d'un facteur de 2 à 20. [0044] Aujourd'hui, ce sont les céramiques multicouches qui sont traditionnellement utilisées dans les actionneurs piézoélectriques amplifiés. L'intégration de ce type de matériau impose des précautions spécifiques, comme par exemple la nécessité d'assurer une précontrainte mécanique ou d'éviter les efforts en torsion. Sous réserve d'une bonne conception et utilisation, les actionneurs piézoélectriques sont extrêmement fiables et robustes. [0045] La figure la correspond à un exemple connu d'actionneur piézoélectrique amplifié la, constitué par un ensemble de couches de céramiques piézoélectriques élémentaires 2 empilées. L'effet d'amplification est obtenu par la multiplication de la déformation d'une céramique élémentaire 2 par le nombre de céramiques unitaires présentes dans le dispositif. On voit donc que cela peut être efficace du point de vue de l'amplitude du mouvement vertical généré, schématisé par une flèche bidirectionnelle, mais l'empilement implique que les dimensions de cet actionneur deviennent trop importantes et excluent ce dispositif de certaines applications. En outre, ce dispositif nécessite un point d'attache fixe 3 très rigide, qui est lui aussi assez encombrant. [0046] La figure lb correspond à un actionneur piézoélectrique lb dit flex-tensionnel, qui reprend le principe de l'empilement de céramiques unitaires 2 de la figure la, mais en basculant et en enfermant l'empilement dans une structure mécanique 4 qui transforme la déformation des céramiques 2 en une déformation perpendiculaire, schématisé par la double flèche verticale. En définitive, cette variante connue ne résout pas les problèmes inhérents à la variante de la figure la. [0047] La figure lc correspond à un actionneur lc dit bi-morphe, comportant deux cé- 6 ramiques piézoélectriques 2, 2' fonctionnant en opposition. Cette structure a l'avantage d'offrir un grand débattement, mais nécessite également un point de référence 3 fixe et rigide, et au final ne convient pas pour actionner une surface. [0048] En figure 2, on a représenté un actionneur 20 selon un premier mode de réalisation de l'invention, en vue en perspective éclatée (a), en perspective assemblée (b) et en perspective en coupe (c). [0049] Ce premier mode de réalisation se compose d'un actionneur élémentaire 21 en partie supérieure, d'une masselotte 22 solidarisée avec l'actionneur, et d'un plot ou téton d'actionnemcnt 23 solidaire de la masselotte et destiné à transmettre les mouvements de l'ensemble 20 constitué par l'actionneur et la masselotte à une surface à actionner (non représentée dans cette figure). [0050] L'actionneur élémentaire 21 est de préférence mais pas nécessairement un actionneur piézoélectrique sous la forme d'une dalle céramique. Elle est représentée sous forme carrée, mais elle pourrait être circulaire ou d'une autre forme. De façon connue, la dalle céramique 21 possède deux électrodes métalliques (non représentées) pour l'application d'une tension d'alimentation permettant d'obtenir l'effet piézoélectrique, à savoir une déformation de l'épaisseur de la céramique, en fonction de la tension électrique appliquée. [0051] Selon l'invention, la dalle céramique 21 est collée de façon aussi rigide que possible sur la masselotte 22, par exemple à l'aide d'une couche de colle époxy (non représentée), afin d'éviter autant que possible les dissipations d'énergie à l'interface entre la dalle céramique 21 et la masselotte 22. Lorsque la colle utilisée est électriquement isolante, il est nécessaire de d'appliquer la tension d'excitation directement sur les électrodes de la dalle piézoélectrique. Par contre, lorsque la colle utilisée est électriquement conductrice et que la masselotte est métallique, par exemple en laiton, en acier ou en zinc, il est possible d'appliquer la tension d'excitation entre l'électrode supérieure de la dalle piézoélectrique 21 et la masselotte 22. [0052] Selon le premier mode de réalisation représenté, la masselotte 22 a la forme d'un disque circulaire. Pour obtenir une fréquence de résonance dans la gamme ultrasonique visée, à savoir de 20 kHz à 200 kHz, son épaisseur peut par exemple être comprise entre 0,2 min et 1 mm, par exemple 0,5 mm, et son diamètre peut être compris entre 9 min et 12 mm, par exemple 11 mm, en fonction notamment de la fréquence de résonance recherchée, par exemple 60 kHz à vide, c'est-à-dire avant couplage avec une surface à actionner, et aussi en fonction d'autres paramètres comme notamment la densité du métal utilisé. [0053] Selon un mode de réalisation avantageux, la céramique piézoélectrique 21 présente une surface ayant la forme d'un carré d'environ 7 mm de côté inscrit dans la surface de la masselotte, et d'environ 0,5 mm d'épaisseur, dans le cas d'une fréquence de travail 7 visée d'environ 64 kHz. [0054] Le plot d'actionnement 23 est constitué soit par un élément métallique rapporté so- lidarisé avec la masselotte 22 (figure 2a), soit par une extension du matériau de la masselotte 22 (figure 2c). Cette seconde solution permet d'éviter des dissipations d'énergie supplémentaires puisqu'il n'y a pas d'interface de colle entre la masselotte 22 et le plot d'actionnement 23. [0055] Lorsque l'actionneur est fixé à une surface à actionner (non représentée en figure 2), les déformations de la dalle céramique 21 sont transmises à la masselotte 22 qui les amplifie et les transmet à ladite surface à actionner par l'intermédiaire du plot d'actionnement 23. [0056] En figure 3a on a représenté un second mode de réalisation pratique d'un actionneur 20 selon l'invention. Dans cette configuration, on utilise pour l'actionneur 21 et pour la masselotte 22 des structures en parallélépipède rectangle qui se comportent en flexion comme une poutre de section rectangulaire. [0057] La masselotte 22 possède une longueur I. une largeur b, et une épaisseur h. [0058] Les déplacements transverses d'une poutre de section rectangulaire en flexion, notés y(x, t) s'expriment par l'équation d'onde suivante: [0059] [Math.1] E.I.e.y0c,» e -{-pm2.Kx,t) ap -0 [0060] où E désigne le module de Young, [Math 2] ] désigne le moment qua- dratique selon l'axe y, et p désigne la masse volumique de la poutre. En solution harmonique (régime sinusoïdal), l'équation [Math 1] devient : [0061] [Math.3] (E.I a4jac -(02.p). Y(x)=0 [0062] où Y (x) désigne l'amplitude des vibrations transverses selon l'axe x. En condition libre-libre, la résolution de l'équation [Math 3] conduit à l'expression suivante [Math 4] dans laquelle [Math 51 Ozn, = 4-,fp,o)2, représente le nombre d'onde : [0063] ]Math.4] Y(x) = cos 5.'x + cash x - (("c pni - çosh fini) (sin Prx 3x))/ (sin 57,1- sinh 5,1) [0064] où l'indice n indique le numéro du mode de vibration. La fréquence de chaque mode de vibration propre de la poutre seule en mode de flexion est donnée par la formule [Math 6] suivante : [0065] [Math.6] (2n)-1(0,1)4i (FI.! p.t) [0066] On constate donc que pour obtenir une fréquence de vibration donnée, plusieurs 8 géométries (I, h, h) de la masselotte en forme de poutre pourront convenir. [0067] Les figures 3b et 3e représentent respectivement une vue de côté et une vue en perspective de l'actionneur 20 parallélépipédique, en position fléchie. Dans l'exemple représenté, la largeur et la longueur de la dalle céramique 21 sont égales à celles de la masselotte 22, alors que la largeur du plot d'actionnement 23 est inférieure à la longueur de la masselotte 22. [0068] La figure 4 représente de façon schématique le montage d'un actionneur amplifié 20 selon l'invention sur une surface 40 à actionner. L'actionneur est fixé (collé) sur la face inférieure 42 d'une couche de matériau viscoélastique par la face libre 24 du plot d'actionnement 23. Afin de limiter les pertes par dissipation d'énergie, la fixation utilisée doit être aussi rigide que possible, en utilisant par exemple une colle époxy. On alimente alors les bornes de la dalle piézoélectrique 21 avec un signal d'excitation à une fréquence ultrasonique par l'intermédiaire d'électrodes (non représentées). [0069] L'amplitude du mouvement de l'actionneur amplifiée 20 non couplé peut alors être de l'ordre de 10 à 30 micromètres, supérieure d'un facteur 4 à 50 à l'amplitude des actionneurs piézoélectriques connus. [0070] En outre, l'amplitude du mouvement induit par l'actionneur 20 à la surface à actionner 40, via le plot d'actionnement 23, est également amplifiée d'un facteur 4 à 50 par rapport à celle qui serait transmise par un actionneur non amplifié conforme à l'état de la technique. [0071] La déformation amplifiée de la surface 40 possède alors une amplitude de l'ordre de 1 à 2,5 micromètres, et est alors clairement ressentie par le doigt 41 d'un utilisateur positionné sur la face supérieure du matériau à actionner, bien que celui-ci soit un matériau viscoélastique tel qu'une matière plastique, du bois, ou équivalent. [0072] Lorsqu'il est nécessaire de produire un effet haptique en plusieurs points d'une surface 40, il est alors possible d'équiper la face inférieure de cette surface avec un réseau d'actionneurs amplifiés 20, par exemple un réseau matriciel comme représenté de façon schématique en figure 5. [0073] En figure 6 on a représenté les résultats d'une simulation de l'amplitude de dé- placement d'un actionneur piézoélectrique 20 selon l'invention, couplé à une surface 40 à actionner, et fonctionnant à une fréquence ultrasonique de 71,3 kHz. [0074] En partie gauche de la figure 6, l'actionneur utilisé est une simple dalle piézo- électrique 21 non amplifiée. L'amplitude de la déformation de flexion entre ses bords et le centre qui correspond au ventre de déformation est environ égale à 2.10-8 mètre, soit 0,02 micromètre. [0075] En partie droite de la figure 6, l'actionneur utilisé est un actionneur amplifié 20 conforme à l'invention. L'amplitude de la déformation de flexion entre les bords et le centre qui correspond au ventre de déformation, est environ égale à 10-6 mètre, soit 1 9 micromètre. L'invention a donc peinas dans ce cas de figure d'amplifier d'un facteur 50 une amplitude peu ou pas perceptible par un doigt humain (0,02 micromètre) en une amplitude de déplacement de la surface bien plus perceptible de 1 micromètre. [0076] Des essais ont montré que l'amplitude de déplacement d'une surface obtenue par l'actionneur selon l'invention dépend fortement, pour une fréquence de fonctionnement donnée et un type de surface donné, du rapport entre les dimensions de l'actionneur et celles de son plot d'actionnement. Les résultats des essais sont reproduits dans la courbe de la figure 7, qui donne en ordonnée l'amplitude de la déformation de l'actionneur selon l'invention, en fonction du rapport notéLSLIl]ILI.entre la largeur Lui, du plot d'actionner-Ir-lent et la longueur L', de l'actionneur, en abscisse. [0077] Comme on le voit, cette amplitude de déformation reste supérieure à un micromètre tant que le rapport précité reste dans une fourchette de valeurs comprises entre environ 0,1 et 0,45. L'amplitude maximale est même proche de 2,5 micromètres lorsque ledit rapport dimensionnel est de l'ordre de 0,3. Pour une seule fréquence et un seul substrat donc en mode couplé. AVANTAGES DE L'INVENTION [0078] L'invention répond aux buts fixés et permet d'obtenir des amplitudes de retour haptique importantes y compris sur des surfaces viscoélastiques présentant une forte atténuation des ultrasons, tels que les matières plastiques, le bois, ou des écrans tactiles avec collage optique entre le verre de surface et l'afficheur. [0079] L'invention permet de créer des déplacements ultrasoniques plus importants qu'avec les actionneurs piézoélectriques connus, suffisants pour obtenir l'effet de lubrification ultrasonique, à savoir la modification du frottement du doigt sur des surfaces excitées par une onde stationnaire, même si ces surfaces sont de type dissipatif de l'énergie vibratoire. [0080] L'invention permet aussi de se passer d'une référence mécanique massive, ce qui permet une plus grande miniaturisation de l'actionneur amplifié. [0081] L'invention permet donc d'utiliser des actionneurs à déformation amplifiée di- rectement sur des surfaces à frottement programmé par lubrification ultrasonique. [0082] La nouvelle structure est particulièrement simple et économique à réaliser, ce qui permet d'équiper des surfaces importantes, ou des surfaces qui jusqu'à présent ne pouvaient pas bénéficier d'un effet de retour haptique significatif, par exemple des faces arrière d'écrans, avec des actionneurs selon l'invention. 10