INPI-France/Brevets-Francais-2024-Chunked huggingface dataset:
Chaque élément d’isolation étanche 161 est de préférence traversé par un deuxième élément 145 associé du dispositif de transmission 14’. L’élément d’isolation étanche 161 s’étend par exemple depuis le deuxième élément 145 associé jusqu’aux portions inférieures 153b-154b des contre-électrodes 153-154 (cf. ) et aux premières portions 101 du bâti 10 (cf. ), auxquelles il est ancré grâce aux joints annulaires 103, 105 en matériau électriquement isolant.
En outre, chaque articulation pivot 16 comprend avantageusement les deux lames de torsion 162 décrites précédemment, en référence à la . Les lames de torsion 162 sont dimensionnées de sorte à pouvoir se déformer en torsion et permettre la rotation du dispositif de transmission 14’ et de l’électrode mobile 152, tout en limitant leurs mouvements de translation, notamment selon la troisième direction Z (translation dite « hors plan »). Les deux lames de torsion 162 relient la structure de rigidification 152b de l’électrode mobile 152 (fusionnée au deuxième élément 145 du dispositif de transmission 14’) aux premières portions 101 du bâti 10 (cf. également ). Elles sont de préférence alignées et disposées de façon diamétralement opposée par rapport à la première poutre 1521 associée à l’articulation pivot 16.
Le système électromécanique 2 comprend des moyens élastiques reliés à l’électrode mobile 152 et configurés pour générer une force élastique qui s’oppose au mouvement de l’électrode mobile 152. Le rôle de ces moyens élastiques est de lutter contre le phénomène d’effondrement (appelé « pull-in » en anglais) de l’électrode mobile 152. Leur raideur influe sur la tension d’effondrement (ou « pull-in voltage » du système), donc sur la faculté à polariser l’électrode mobile 152, mais également sur les pertes d’énergie.
Les moyens élastiques « anti-pull-in » relient (mécaniquement) la structure de rigidification 152b de l’électrode mobile 152 au bâti 10 et/ou à des éléments solidaires du bâti, tels que les contre-électrodes 153-154, éventuellement par l’intermédiaire des deuxièmes éléments 145 du dispositif de transmission 14’. Ainsi, ne sont pas considérés comme des moyens élastiques « anti-pull-in » la raideur du dispositif de transmission 14’ ou la raideur de la structure de rigidification 152b elle-même.
Les moyens élastiques « anti-pull-in » sont reliées à la structure de rigidification 152b là où elle est la plus rigide, à savoir au niveau des articulations pivot 16. Ainsi, la raideur des moyens élastiques « anti-pull-in » n’est pas dégradée par des éléments en série de raideur trop faible. Cette raideur peut en outre être contrôlée facilement, en jouant sur les dimensions des éléments d’isolation étanches 161 et des lames de torsion 162. Les éléments d’isolation étanches 161 peuvent être délimités par gravure anisotrope d’une couche sacrificielle (par exemple en SiO 2 ) et sont réalisés dans une couche structurelle dont l’épaisseur est maitrisée. Ce type de gravure permet un bon contrôle des dimensions des éléments d’isolation étanches 161. La raideur des éléments d’isolation étanches 161 présente en conséquence une faible dispersion (principalement entre les différents systèmes électromécaniques fabriqués sur une même plaquette ou sur différentes plaquettes).
Les figures 5 et 6 représentent un deuxième mode de réalisation du système électromécanique 2. La est une vue en perspective d’une partie du système électromécanique 2, similaire à celle de la . La est une vue de dessus, similaire à celle de la , montrant les moyens de détection capacitive 15’ (à l’exception des portions inférieures des contre-électrodes).
La montre le rendement (axe des ordonnées) en fonction de la position des pixels par rapport à l’axe optique (axe des abscisses), et cela pour trois valeurs angulaires de divergence.
La montre la taille de l’Eye-box formée par le dispositif (axe des ordonnées) en fonction de l’angle de divergence.
La montre une variante d’un dispositif, permettant d’augmente la taille de la Eye-Box
La montre une variante d’un écran directif, comportant une partie centrale à haute résolution.
EXPOSE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS La schématise les principaux éléments d’un dispositif 1 selon l’invention. Le dispositif comporte un écran 10, comportant des pixels 10 i . Chaque pixel 10i émet une onde lumineuse divergente, dans une bande spectrale d’émission, se propageant selon un axe d’émission Δ i . L’axe d’émission Δ i est incliné d’un angle d’émission γ i par rapport à une direction perpendiculaire à l’écran. Avantageusement, l’écran 10 est un écran directif, tel que décrit par la suite. Les bandes spectrales d’émission respectives de chaque pixel peuvent être identiques ou différentes les unes des autres. Par simplification, la décrit le principe de fonctionnement dans un plan mais le concept s’applique à un dispositif en 3 dimensions avec des pixels distribués selon une matrice et des directions à considérer suivant deux angles tels que la longitude et la latitude.
Le dispositif comporte un combineur 30. Le terme combineur désigne un composant qui combine à la fois une fonction optique de transparence, dans une bande spectrale de transparence, et une fonction optique de renvoi, dans une bande spectrale d’intérêt, de préférence étroite, et éventuellement de mise en forme d’un faisceau optique, généré hors de l’axe de la vision par l’écran. L’axe de vision correspond à un axe centré et perpendiculaire à la pupille de sortie. Le combineur peut associer dans une ou chaque bande spectrale d’intérêt, la fonction optique de type miroir et la fonction de mise en forme de type lentille convergente. En dehors de ces bandes spectrales le composant est transparent, les faisceaux optiques le traversent sans perturbation notable.
La schématise un schéma optique « déplié », dans lequel le combineur 30 est représenté fonctionnant en transmission. A partir d’une onde lumineuse incidente divergente, le combineur 30 prend la forme d’une lentille formant une onde lumineuse collimatée, ou pouvant être considérée comme telle, c’est-à-dire faiblement convergente. Par faiblement divergente, on entend une onde dont l’angle de divergence est inférieur à 1°.. Cela permet de former, au niveau de l’œil, une image « à grande distance », c’est-à-dire une distance supérieure à 2 m. Des schémas optiques selon lesquels le combineur fonctionne en réflexion sont décrits par la suite, en lien avec les figures 8B et 8D.
Le combineur est configuré pour former, à partir de chaque onde lumineuse émise un pixel, une onde lumineuse collimatée se propageant vers la pupille de l’œil de l’utilisateur. De préférence, le combineur est un combineur holographique, la fonction de lentille et la fonction miroir étant codées dans un hologramme formé le long du combineur.
Le recours à un combineur holographique est connu de l’homme du métier. Un combineur holographique a l’avantage d’être compact, car formé par une couche mince holographique déposée sur un support, de type verre de lunette. Un combineur holographique est très sélectif en longueur d’onde. L’hologramme est transparent à la majorité du spectre visible, hormis une longueur d’onde spécifique à laquelle il est sensible. La fonction de convergence du combineur, de même que la fonction de déviation angulaire, sont codées dans l’hologramme, comme décrit par la suite.
Le dispositif comporte une lentille convergente 20, définissant un plan focal objet et un plan focal image. La lentille convergente 20 est interposée entre l’écran 10 et le combineur 30. L’écran 10 est disposé au niveau d’un plan objet de la lentille convergente 20. La lentille convergente forme une image de l’écran dans un plan image, ce dernier correspondant au plan focal objet du combineur. La lentille 20 et le combineur 30 sont centrés par rapport à un axe optique Δ 0 du dispositif. Le recours à la lentille 20 permet d’éloigner l’écran du combineur. Cela facilite l’intégration du dispositif dans un équipement de type lunette ou casque de réalité virtuelle.
Sur la figure 2, les notations , , , , désignent respectivement les tailles du faisceau de l’onde lumineuse émise par le pixel 10 i , aux points B1, C1, B2, B3, C3 et B4 le long de l’axe de propagation de l’onde. L’écran s’étend selon un plan objet passant par le point A1, avec un vecteur normal confondu ou voisin avec l’axe optique Δ 0 ; Par voisin, on entend selon une tolérance angulaire de ± 5°. la lentille 20 forme une image de l’écran en un plan image, de vecteur normal voisin à l’axe optique Δ 0 ; le point C1 correspond au centre de la lentille 20 ; le point C2 correspond au centre du combineur 30 ; le point C3 correspond à une position, dite position centrale, correspondant au centre de la pupille P d’un œil O de l’utilisateur. Lorsque l’utilisateur utilise le dispositif, il est supposé centrer sa pupille sur la position centrale. Le point C3 correspond également au centre de la boîte à image (Eye Box) formée par le dispositif. La boîte à image correspond au débattement de la pupille de l’utilisateur, autour du point C3, permettant d’observer l’image affichée sur l’écran. Le combineur est disposé de façon à conjuguer le point C1 (centre de la lentille, pupille d’entrée) avec le point C3 (centre de la pupille de sortie). le point B1 correspond à la position du pixel 10 i de l’écran 10 ; le point B2 correspond à l’image du point B1 par la lentille 20 ; le point B3 correspond à une intersection entre l’axe d’émission Δ i et le combineur. le point B4 correspond à un point de la rétine R conjugué du point B1 par le système formé par la lentille 20 et le combineur 30. correspond à la taille du faisceau au niveau d’un pixel de l’image formée, sur la rétine, par le dispositif. Les points C1, C2 et C3 sont alignés le long de l’axe optique défini par la lentille 20 et du combineur 30. L’écran est dans un plan de vecteur normal voisin à l’axe optique Δ 0 . De préférence, le point A1, qui correspond au centre de l’écran, est également sur l’axe optique Δ 0 , comme représenté sur la . La distance entre les points C2 et C3 correspond à un dégagement oculaire, usuellement désigné par le terme « EyeRelief ». Dans une configuration en réflexion, les points C1, C2 et C3 ne sont pas alignés du fait du repliement du faisceau effectué par le combineur. Cf. figures 8B et 8D.
L’écran 10 s’étend dans un plan de vecteur normal voisin à l’axe optique Δ 0 , passant par A1. Comme précédemment indiqué, une image de l’écran 10 est formée, par la lentille 20, dans un plan image de vecteur normal voisin à l’axe optique Δ 0 et passant par le point A2. Le plan image est disposé, ou est suffisamment proche pour être considéré comme être disposé, sur le plan focal objet du combineur holographique 30.
Le combineur holographique 30 est disposé de telle sorte que l’image du point C1, par le combineur holographique, correspond au point C3, c’est-à-dire une position à laquelle l’utilisateur place la pupille P de son œil O. L’onde lumineuse collimatée, résultant du combineur 30, se propage vers la pupille en formant un angle α i , dit angle apparent. L’angle apparent α i dépend de la position du point B1, c’est-à-dire du pixel 10 i .
Ainsi, à chaque pixel 10 i de l’écran 10, le système optique formé par la lentille 20 et le combineur 30, définit un angle α i selon lequel l’onde lumineuse émise par le pixel, et collimatée par le combineur 30, atteint la pupille de l’utilisateur. Les angles apparents α i , déterminés pour deux pixels différents sont différents.
L’onde lumineuse collimatée résultant du combineur est focalisée par l’œil de façon à former un pixel d’une image de l’écran, formée sur la rétine R de l’œil. Le pixel de l’image formée sur la rétine correspond au point B4. La position de B4 est définie par l’angle apparent α i , ce dernier étant différent pour chaque pixel 10 i . On comprend que le dispositif permet une formation de l’image formée par l’écran 10, sur la rétine R.
Le combineur permet la génération d’une onde collimatée au niveau de l’œil de sorte que lorsque l’utilisateur regarde au loin un objet (distance œil/objet grande par rapport à la taille de l’œil), par exemple le sommet d’une montagne, il peut également percevoir l’image de l’écran, ce dernier générant des informations de type réalité augmentée, par exemple le nom du sommet et son altitude. La notion de collimation est donc relative. Bien que théoriquement associée à une image placée à l’infini, elle peut également s’appliquer à une image placée à grande distance (typiquement au-delà de 100 fois la taille de l’œil, environ à 2 mètres de l’observateur). Le dispositif décrit en peut être fixe, figé par les distances entre l’écran et les optiques (lentille 20 et combineur 30). L’image projetée dans l’œil représente l’écran comme si ce dernier était à l’infini. Avantageusement il est possible de rendre le dispositif dynamique en déplaçant l’écran dans le plan objet de la lentille ou en utilisant une lentille 20 à focale variable. Cela permet d’ajuster la distance d’accommodation.
En référence à la , l’électrode mobile 152 comprend une membrane 152a et une structure de rigidification 152b de la membrane 152a. La structure de rigidification 152b de l’électrode mobile 152 comprend de préférence une pluralité de premières poutres 1521 s’étendant parallèlement les unes aux autres. Elle peut en outre comprendre des deuxièmes poutres 1522 reliant les premières poutres 1521 à leurs extrémités. Les premières poutres 1521 s’étendent dans une première direction X, de préférence d’un premier bord à un deuxième bord opposé de l’électrode mobile 152. Elles sont avantageusement espacées régulièrement les unes des autres, pour rigidifier la membrane 152a de manière uniforme. Les deuxièmes poutres 1522 s’étendent de préférence dans une deuxième direction Y perpendiculaire à la première direction X (donc perpendiculairement aux premières poutres 1521). Un repère orthogonal est ainsi défini, avec une troisième direction Z perpendiculaire aux première et deuxième directions X-Y.
L’électrode mobile 152 présente avantageusement un ou plusieurs plans de symétrie, par exemple un plan parallèle au plan YZ (donc perpendiculaire aux premières poutres 1521) et un autre plan parallèle au plan XZ.
Le dispositif de transmission 14’ est monté mobile en rotation par rapport au bâti 10, au moyen de plusieurs articulations pivot 16. Il comprend des premiers éléments s’étendant dans la première zone 11, par exemple deux bras de transmission 141 et une poutre transversale 144 reliant les deux bras de transmission 141. De préférence, les bras de transmission 141 s’étendent dans la première direction X et la poutre transversale 144 s’étend dans la deuxième direction Y. Chacun des bras de transmission 141 comprend une première extrémité couplée au piston 13 (cf. ) et une deuxième extrémité solidaire de la poutre transversale 144 (cf. ).
Les articulations pivot 16, par exemple au nombre de 5 sur la , sont de préférence alignées, ici dans la deuxième direction Y. Plus particulièrement, elles sont situées à la verticale de la poutre transversale 144. Elles sont avantageusement espacées régulièrement les unes des autres.
Une particularité du système électromécanique 2 est que la structure de rigidification 152b de l’électrode mobile 152 est solidaire du dispositif de transmission 14’. L’électrode mobile 152 se déplace donc par rapport au bâti 10 selon le même mouvement de rotation que le dispositif de transmission 14’. Elle tourne ici autour d’un axe de rotation parallèle à la deuxième direction Y. Le système électromécanique 2 est donc dépourvu d’organes de transformation du mouvement entre le dispositif de transmission 14’ et l’électrode mobile 152, tels que des lames de torsion pour passer d’une rotation à une translation. Il en résulte qu’aucune énergie n’est perdue dans ces organes de transformation (par exemple, par déformation des lames de torsion).
Une autre particularité du système électromécanique 2 est que la structure de rigidification 152b de l’électrode mobile 152 est ancrée, ou fusionnée, au dispositif de transmission 14’ au niveau des articulations pivot 16. Par rapport au microphone 1 de la , le système électrostatique 2 est donc dépourvu des deuxièmes bras de transmission 142 s’entendant dans la deuxième zone 12.
Plus particulièrement, la structure de rigidification 152b de l’électrode mobile 152 est reliée aux premiers éléments du dispositif de transmission 14’, et plus particulièrement à la poutre transversale 144, par des deuxièmes éléments 145 visibles sur les figures 4A et 4C. Ces deuxièmes éléments 145 du dispositif de transmission 14’, appelés piliers, sont semblables aux arbres de transmission 143 de la car ils s’étendent en partie dans la première zone 11 et en partie dans la deuxième zone 12. En effet, l’étanchéité entre la première zone 11 et la deuxième zone 12 s’effectue également au niveau des articulations pivot 16.
Le dispositif de transmission 14’ est ainsi réduit aux premiers éléments s’étendant exclusivement dans la première zone 11 (ici les bras de transmission 141 et la poutre transversale 144) et aux deuxièmes éléments 145 qui s’étendent en partie dans la première zone 11 et en partie dans la deuxième zone 12. Cette réduction du dispositif de transmission 14’ permet de limiter les pertes d’énergie. Il n’y a notamment plus de pertes par déformation des deuxièmes bras de transmission 142.
En outre, les premiers éléments du dispositif de transmission 14’ sont relativement rigides (bien plus que les deuxièmes bras de transmission 142 du microphone 1), car ils présentent une épaisseur importante, de préférence comprise entre 5 µm et 800 µm, et plus préférentiellement entre 50 µm et 200 µm. Ils sont avantageusement formés par gravure anisotrope d’un substrat en silicium. Ce substrat peut être aminci, jusqu’à une épaisseur comprise entre 50 µm et 200 µm. Alternativement, les premiers éléments du dispositif de transmission 14’ sont formés par une couche épitaxiée d’épaisseur comprise entre 5 µm et 40 µm.
Le système électromécanique 2 est particulièrement compact, car plusieurs fonctions, à savoir la mise en rotation du dispositif de transmission 14’, l’étanchéité entre les deux zones 11-12 et la connexion à l’électrode mobile 152, sont réalisées au même endroit.
L’ancrage entre la structure de rigidification 152b et le dispositif de transmission 14’ est de préférence réalisé au moyen des premières poutres 1521. Une partie au moins d’entre elles sont fusionnées au dispositif de transmission 14’, chacune au niveau d’une articulation pivot 16 correspondante. Le point d’ancrage de chaque première poutre 1521 se situe avantageusement à la moitié de sa longueur. Ainsi, l’axe de rotation se situe dans un des plans de symétrie de l’électrode mobile 152 (celui perpendiculaire aux première poutres 1521). La longueur des premières poutres 1521 est mesurée dans la première direction X, tandis que leur largeur est mesurée dans la deuxième direction Y.
Chaque première poutre 1521 fusionnée avec le dispositif de transmission 14’ présente avantageusement une largeur qui décroit en s’éloignant de l’articulation pivot 16 correspondante. Autrement dit, la largeur des premières poutres 1521 est maximale au niveau des articulations pivot 16. Ainsi, la structure de rigidification 152b est la plus rigide aux endroits où elle est la plus sollicitée mécaniquement, c’est-à-dire près de l’axe de rotation. Cela contribue à réduire les pertes d’énergie par déformation, sans impacter négativement l’inertie de l’électrode mobile 152 et donc la fréquence de résonnance du système électromécanique 2.
Dans ce premier mode de réalisation du système électromécanique 2, chacune des premières poutres 1521 de la structure de rigidification 152b est fusionnée au dispositif de transmission 14’. En d’autres termes, à chaque première poutre 1521 est associée une articulation pivot 16. Le nombre d’articulations pivot 16 est donc au moins égal au nombre de première poutres 1521. Cette disposition permet d’aménager un espace 17 entre deux articulations pivot 16 successives.
Le bâti 10 peut comprendre, pour chaque articulation pivot 16, deux premières portions 101 distinctes disposées de part et d’autre de la première poutre 1521 associée à l’articulation pivot. La première poutre 1521 est de préférence reliée à chacune des premières portions 101 du bâti 10 par une lame de torsion 162.
Comme cela est représenté par les figures 3, 4A à 4C, les moyens de détection capacitive 15’ comprennent de préférence deux contre-électrodes 153-154 : une première contre-électrode 153 dite positive et une deuxième contre-électrode 154 dite négative. Préférentiellement, une partie au moins de la membrane 152 de l’électrode mobile est située entre les deux contre-électrodes 153-154 (cf. Figs.4A-4C). L’électrode mobile 152 et les contre-électrodes 153-154 forment ainsi les armatures de deux condensateurs dont les capacités varient dans des sens opposés. Une mesure différentielle du déplacement du piston 13 peut être ainsi obtenue. Les surfaces des contre-électrodes 153-154 en regard de l’électrode mobile 152 sont avantageusement identiques, grâce à une symétrie des moyens de détection capacitive 15’ par rapport aux articulations pivot 16 (le plan de symétrie est confondu avec le plan de coupe C-C).
Avantageusement, chacune des contre-électrodes 153, 154 comprend une première portion 153a, 154a et une deuxième portion 153b, 154b situées de part et d’autre de la membrane 152a de l’électrode mobile 152 et de part et d’autre des articulations pivot 16. La première portion 153a, 154a, dite supérieure, et la deuxième portion 153b, 154b, dite inférieure, d’une même contre-électrode sont reliées électriquement. Cette disposition permet d’obtenir une mesure totalement différentielle, même si la distance entre la membrane 152a et les portions supérieures 153a-154a des contre-électrodes (appelée entrefer supérieur) est différente de la distance entre la membrane 152a et les portions inférieures 153a-154a des contre-électrodes (entrefer inférieur).
Le système électromécanique est remarquable en ce que la structure de rigidification de l’électrode mobile est solidaire du dispositif de transmission et ancrée au dispositif de transmission au niveau d’une partie au moins des articulations pivot.
Le terme « solidaire » signifie qu’il n’y a pas de mouvement relatif entre la structure de rigidification de l’électrode mobile et le dispositif de transmission. Plus particulièrement, il n’y a pas de transformation du mouvement entre le dispositif de transmission et l’électrode mobile (par exemple, passage d’une rotation du dispositif de transmission à une translation de l’électrode mobile) et donc pas de perte d’énergie associée à cette transformation.
La chaîne de transmission des efforts mécaniques entre l’élément mobile et l’électrode mobile (cette chaîne comprenant les différents éléments du dispositif de transmission) est réduite au maximum, grâce l’ancrage de l’électrode mobile au niveau des articulations pivot. Les pertes d’énergie par déformation (élastique) du dispositif de transmission sont par conséquent réduites, ce qui se traduit, dans le cas d’un microphone ou d’un capteur de pression différentielle, par un signal utile plus élevé en sortie des moyens de détection capacitive (plus grand déplacement de l’électrode mobile).
Les pertes d’énergie sont ainsi restreintes à la déformation (utile) des moyens élastiques destinés à lutter contre l’effondrement de l’électrode mobile (moyens dits « anti-pull-in »), en diminuant la déformation (inutile) du dispositif de transmission.