WO2006097491A1 - Procede et dispositif pour deplacer un element a entrainer utilisant un element actionneur forme par gravure dans un materiau semi-conducteur - Google Patents

Procede et dispositif pour deplacer un element a entrainer utilisant un element actionneur forme par gravure dans un materiau semi-conducteur Download PDF

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WO2006097491A1
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driven
alternation
during
drive
driving
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PCT/EP2006/060758
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Patrice Le Moal
Gilles Bourbon
Patrice Minotti
Eric Joseph
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Silmach
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/002—Electrostatic motors
    • H02N1/006—Electrostatic motors of the gap-closing type
    • H02N1/008—Laterally driven motors, e.g. of the comb-drive type
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04C—ELECTROMECHANICAL CLOCKS OR WATCHES
    • G04C3/00—Electromechanical clocks or watches independent of other time-pieces and in which the movement is maintained by electric means
    • G04C3/08—Electromechanical clocks or watches independent of other time-pieces and in which the movement is maintained by electric means wherein movement is regulated by a mechanical oscillator other than a pendulum or balance, e.g. by a tuning fork, e.g. electrostatically
    • G04C3/12—Electromechanical clocks or watches independent of other time-pieces and in which the movement is maintained by electric means wherein movement is regulated by a mechanical oscillator other than a pendulum or balance, e.g. by a tuning fork, e.g. electrostatically driven by piezoelectric means; driven by magneto-strictive means
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T74/00—Machine element or mechanism
    • Y10T74/15—Intermittent grip type mechanical movement
    • Y10T74/1526—Oscillation or reciprocation to intermittent unidirectional motion
    • Y10T74/1529—Slide actuator

Definitions

  • the invention relates to the field of electromechanical microsystems (MEMS).
  • MEMS electromechanical microsystems
  • electromechanical microsystems are formed by etching in blocks or wafers of semiconductor material, generally silicon.
  • the document FR 2 852 111 (published on September 10, 2004) describes a clock device comprising a toothed wheel, a driving element able to mesh sequentially with the toothed wheel and an actuator able to move the driving element according to a hysteresis movement so that the driving element meshes with successive teeth of the wheel.
  • the actuator comprises two electrostatic actuation modules. One of the modules is able to move the drive element in a radial direction relative to the wheel and the other module is able to move the drive element in a tangential direction relative to the wheel.
  • This device requires the use of an addressing system so that the electrostatic actuation modules are controlled by signals out of phase so as to produce the hysteresis movement of the driving element.
  • the hysteresis movement of the drive element generates the rotation of the gearwheel.
  • An object of the invention is to provide a simpler device for moving an element to be driven.
  • the invention proposes a device comprising an element to be driven, a driving element intended to come into engagement with the element to be driven and an actuating element able to generate an reciprocating movement to move the driving element.
  • the drive element and the actuator element being formed by etching in a block made of semiconductor material, characterized in that it is arranged so that: during a first alternation of the movement generated by the actuator element, the driving element engages with the element to be driven to pull the element to be driven, during a second alternation in the opposite direction generated by the actuator element, the driving element slides on the element to be driven, so that the element to be driven is moved in a stepwise motion by the drive element.
  • Such a device requires only one actuator element and can operate thanks to a single control signal.
  • the invention requires the power supply of a single addressing channel and thus reduces the energy consumed by the device relative to a device with two modules.
  • the drive element has a drive face intended to come into contact with the element to be driven to pull the element to be driven during the first alternation, and a guide face intended to slide on the element to be driven. train during the second alternation,
  • the driving element comprises a bearing face intended to limit the engagement of the driving element with the element to be driven
  • the element to be driven is a toothed element
  • the teeth of the element to be driven are asymmetrical
  • each tooth of the element to be driven has a driving face on which the driving element comes into contact to pull the element to be driven during a first alternation and a guide face on which the element drive slips during a second alternation
  • the device is arranged so that: during the first alternation, the driving element is engaged between two teeth of the element to be driven, during the second alternation, the driving element passes one of the two teeth and is engaged between two other adjacent teeth of the element to be driven,
  • the driving element comprises at least one flexible blade arranged so that during the first alternation the driving element is displaced in a first direction, which causes the deformation of the flexible blade, and during the second alternation, the driving element is moved in a second direction, opposite the first direction, by elastic return of the flexible blade,
  • the driving element passes one of the two teeth by restoring residual elastic energy stored in the flexible blade
  • the device comprises a non-return ratchet able to block the element to be driven during the second alternation
  • the non-return catch comprises an indexing element adapted to: during the first alternation of the movement generated by the actuator element, to slide on the element to be driven, during the second alternation, to engage with the element to train to block the element to be driven,
  • the pawl has a guide face intended to slide on the element to be driven during the first alternation and a locking face on which the element to be driven comes into contact to block the element to be driven during the second alternately
  • the element to be driven is a toothed element having a pitch
  • the driving element comprises a guide face intended to come into contact with the element to be driven at a point of contact during the sliding of the driving element on the element to be driven, and in which at rest:
  • the device comprises elastic prestressing means for holding the driving element against the element to be driven.
  • the invention furthermore proposes a method of operation of the device defined above, the device comprising an element to be driven, a driving element and an actuating element, the driving element and the actuating element being formed by etching in a block made of semiconductor material, characterized in that it comprises the steps according to which: the actuating element is controlled so that it generates an reciprocating movement for moving the driving element, during a first alternation of the movement generated by the actuator element, the driving element engages with the element to be driven to pull the element to be driven, during a second alternation in opposite directions generated by the actuator element, the driving element slides on the element to be driven, so that the element to be driven is moved in a stepwise motion by the driving element.
  • FIG. 1 schematically represents a device according to one embodiment of the invention
  • FIG. 2 schematically represents an actuator element
  • FIG. 3 schematically represents the relative positions of a driving element, a non-return pawl and an element to be driven during the various stages of operation of the device;
  • FIG. 4 schematically represents the shape of the teeth of the element to be driven and the shape of the driving element
  • FIG. 5 schematically shows the arrangement of the drive element and the non-return pawl.
  • the device comprises a driving element 10, a driving device 20 and an indexing device 50.
  • the drive device 20 and the indexing device 50 are simultaneously formed by microgravure in a single block of semiconductor material, for example silicon.
  • the element to be driven 10 can also be formed in the same block or be attached and arranged opposite the driving device 20.
  • the block thus forms a substrate on which the engraved elements are arranged.
  • the expression “fixed” qualifies any embedded element on the substrate and the expression “mobile” qualifies any element maintained at a few microns altitude of the substrate, by means of elastic suspensions also embedded on the substrate.
  • the element to be driven 10 comprises a rotating gear wheel.
  • radial qualifies any element extending in a radial direction relative to the wheel and the expression “tangential” qualifies any element extending in a direction tangential to the wheel, the radial and tangential directions being considered at the point of the wheel where the driving device engages with the wheel.
  • the drive device 20 comprises an actuator element 202 capable of generating reciprocating movement in a tangential general direction, a tangential flexible blade 212, and a driving element 250 intended to engage the toothed wheel 10.
  • the element 250 is connected to the actuator element 202 via the tangential flexible blade 212.
  • the driving element 250 has the shape of a tooth intended to be engaged between two successive teeth of the toothed wheel.
  • the indexing device 50 comprises a tangential flexible blade 511 and an indexing element 550 intended to engage the toothed wheel 10.
  • the indexing element 550 is connected to the substrate via a flexible blade tangential 511.
  • the indexing element 550 has the shape of a tooth intended to be engaged between two successive teeth of the toothed wheel.
  • the actuator element 202 is an electrostatic actuator element having a comb structure (known by the English name of "comb drive"). This type of structure includes pairs of interdigitated combs.
  • the actuator module 202 is formed of a fixed part 222 and a movable part 232 to which the tangential blade 212 is connected.
  • the fixed portion 222 comprises a tangential electrode 224 from which extends in a radial direction a set of parallel fixed combs 226.
  • Each comb is formed of a main blade and a series of parallel fingers or eyelashes connected to the main blade and extending perpendicular thereto.
  • the movable portion 232 comprises a movable frame 234 including two flexible blades 233 and 235 connected to the substrate by embedding blocks 238, 240.
  • the flexible blades 233 and 235 form elastic suspensions allowing a mobility of the frame 234 relative to the substrate.
  • the movable portion 232 includes a set of combs 236 extending from the movable frame 234 in a generally radial direction.
  • Each comb is formed of a main blade and a series of parallel fingers or eyelashes connected to the main blade and extending perpendicularly thereto.
  • each mobile comb 236 is arranged in a fixed comb 226 so that the fingers are interposed between each other, thus forming a pair of interdigitated combs.
  • interposed fingers of the interdigitated combs are similar to flat capacitors, one of which is connected to the electrode 224 and the other armature is connected to ground via the recess connections 238, 240.
  • the actuator module 202 also comprises a fixed mechanical stop 241.
  • the mechanical stop 241 limits the deformation of the moving part 232 of the actuator element 202 and consequently the stroke of the drive element 250.
  • the stop 241 is arranged so that the drive member 250 is moved to drive the wheel 10 one step in an alternation (arrow a).
  • Figure 3 schematically shows the relative positions of the driving member 250, the indexing member 550 and the wheel 10 during the displacement of the wheel when the actuator element generates reciprocating motion.
  • the movement generated by the actuator consists of a first alternation, during which the drive element 250 is moved in the direction a, and a second alternation, during which the drive element 250 is moved in the direction b, opposite to the direction a.
  • the wheel 10 has on its circumference successive teeth referenced respectively 1, 2, 3 and 4.
  • the teeth 1, 2, 3 and 4 the wheel 10 are asymmetrical.
  • the configuration shown in Figure 3 favors the drive of the wheel 10 in the clockwise direction.
  • the indexing element 550 is engaged between two teeth 2 and 3 of the wheel 10.
  • the drive element 250 is engaged between two teeth 3 and 4 of the wheel 10.
  • the device operates according to the following steps:
  • a first step (B) the drive element 250 is driven in translation by the actuator element in a direction tangential to the wheel 10 (arrow a). The drive element 250 comes into contact with the tooth 4.
  • a second step (C) the drive member 250 draws the wheel 10 so that the wheel 10 is rotated in a clockwise direction.
  • the rotation of the wheel 10 has the effect that the indexing element 550 comes into contact with the tooth 2 of the wheel 10.
  • the rotation of the wheel 10 has the effect that the indexing element 550 slides on the tooth 2 of the wheel 10. This is possible because the blade 511 is flexible and allows movement of the indexing element 550 in a radial direction with respect to the wheel 10.
  • a fourth step (E) the indexing element 550 passes the tooth 2. Because of its elasticity, the blade 511 brings the indexing element towards the wheel 10 so that the indexing element 550 is now engaged between the teeth 1 and 2.
  • the drive tooth 250 is at the end of the race.
  • the device operates according to the following steps:
  • a fifth step (F) the drive element 250 is driven in translation by the actuator element in a direction tangential to the wheel 10 (arrow b). The drive element 250 comes into contact with the tooth 3.
  • a sixth step (G) the drive member 250 draws the wheel 10 so that the wheel 10 is rotated counterclockwise.
  • the rotation of the wheel 10 has the effect that the indexing element 550 comes into contact with the tooth 2 of the wheel 10.
  • the indexing element 550 blocks the rotation of the wheel 10.
  • the locking of the wheel 10 has the effect that the drive element 250 slides on the tooth 3.
  • the drive element 250 passes the tooth 3. Due to its elasticity, the blade 212 returns the drive element 250 to the wheel 10 so that the drive element 250 is now engaged between teeth 2 and 3. According to a ninth step (J), the drive element 250 is returned to the initial rest position (at A).
  • the wheel 10 has been rotated clockwise and has been moved at an angle corresponding to a tooth of the wheel.
  • the indexing device 50 blocks the wheel in rotation when the drive element 250 returns to the rest position.
  • the indexing device is a pawl that allows the rotation of the wheel in a single direction.
  • Figure 4 schematically shows the shape of a tooth 1 of the wheel 10 and the shape of the drive tooth 250.
  • the tooth 1 of the wheel 10 comprises a driving face 11 on which the driving tooth 250 comes into contact to pull the wheel 10 during the first alternation (a) and a guide face 12 on which the drive tooth 250 slides during the second alternation (b) of the drive cycle.
  • the drive face 11 is oriented to form a draft angle D1 with respect to the radial direction of the wheel 10, the draft angle D1 being preferably between about 5 and 15 degrees.
  • the guide face 12 of the tooth 1 is oriented so as to form an angle ⁇ as small as possible relative to the tangential direction of the wheel.
  • the angle ⁇ is preferably between about 20 and 60 degrees.
  • the drive tooth 250 comprises a drive face 251 intended to come into contact with the wheel 10 to pull the wheel 10 during the first half cycle (a), a guide face 252 intended to slide on the wheel 10 at the during the second alternation (b) and a support surface 253 intended to bear on the wheel 10 to limit the engagement of the drive tooth 250 between the teeth of the wheel 10.
  • the driving face 251 is oriented so as to form a zero angle with respect to the radial direction of the wheel 10.
  • the guide face 252 is oriented to form an angle D2 with respect to the tangential direction of the wheel 10, the angle D2 being preferably between 0 and 30 degrees.
  • the bearing face 253 is oriented and oriented so as to form a zero angle with respect to the tangential direction of the wheel 10.
  • the bearing face 253 and the guiding face 251 thus form a shoulder which limits the engagement of the drive tooth 250 between the teeth of the wheel 10.
  • the drive faces 11 and 251 are not parallel to each other but form an angle D1. This characteristic has the effect of limiting the contact surface between the drive faces 11 and 251 which could lead to an irreversible adhesion between the drive tooth 250 and the tooth 1 of the wheel 10 when the drive tooth 250 tows the wheel 10.
  • the guide faces 12 and 252 are not parallel to each other but form an angle. This characteristic has the effect of limiting the contact surface between the guide faces 12 and 252 which could lead to an irreversible adhesion between the drive tooth 250 and the tooth 1 of the wheel 10 when the drive tooth 250 slides on the wheel 10.
  • the guide faces 12 and 252 are in contact at a point 254 of the guide face 252 of the drive element 250.
  • the shoulder formed by the bearing face 253 and the guide face 251 of the drive tooth 250 prevents the drive tooth 250 from being locked between the teeth of the wheel 10. In fact, the penetration of the drive tooth 250 at the bottom of the gear of the wheel 10 could eventually lead to irreversible blocking of the drive device.
  • FIG. 5 schematically shows the arrangement of the drive element 250 and the indexing element 550 in the rest position (that is to say when the actuator element 202 is not powered). .
  • the indexing element 550 comprises a locking face 551 intended to come into contact with the wheel 10 to lock the wheel 10 during the second alternation (b), a guide face 552 intended to slide on the wheel 10 to during the first alternation (a) and a bearing surface 553 intended to bear on the wheel 10 to limit the engagement of the indexing tooth 550 between the teeth of the wheel 10.
  • the actuator element 202 generates an alternating movement whose amplitude is ⁇ .
  • ⁇ is the stroke of the actuator element.
  • the residual elastic deformation is geometrically defined as follows:
  • ⁇ residual is the residual elastic deformation of the actuator element
  • p is the pitch of the wheel 10
  • e is the distance between the contact point 254 of the guide face 252 and the drive face 251 of the element d
  • the drive 250, d 2 is the distance between the contact point 254 and the locking face 551 of the indexing element 550
  • k is a positive integer.
  • the operation of the device imposes that the residual elastic deformation defined by the relation [1] is positive and that in the relative arrangement of the driving element 250 and the indexing element 550 illustrated in FIG. d 2 be positive.
  • the distance d 2 must generally be greater than a multiple k of the not of the wheel 10 if k + 1 teeth of the wheel 10 are interposed between the drive element 250 and the indexing element 550.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif comprenant un élément à entraîner (10), un élément d'entraînement (250) destiné à venir en prise avec l'élément à entraîner (10) et un élément actionneur (202) apte à générer un mouvement alternatif pour déplacer l'élément d'entraînement (250), l'élément d'entraînement (250) et l'élément actionneur (202) étant formés par gravure dans un bloc en matériau semi-conducteur, caractérisé en ce qu'il est agencé de sorte que : - au cours d'une première alternance (a) du mouvement généré par l'élément actionneur (202), l'élément d'entraînement (250) vient en prise avec l'élément à entraîner (10) pour tracter l'élément à entraîner (10), - au cours d'une deuxième alternance (b) en sens opposé générée par l'élément actionneur (202), l'élément d'entraînement (250) glisse sur l'élément à entraîner (10), de sorte que l'élément à entraîner (10) est déplacé selon un mouvement pas à pas par l'élément d'entraînement (250).

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR DEPLACER UN ELEMENT A ENTRAINER UTILISANT UN ELEMENT ACTIONNEUR FORME PAR GRAVURE DANS UN MATERIAU SEMI-CONDUCTEUR
L'invention concerne le domaine des microsystèmes électromécaniques (MEMS).
Ces microsystèmes électromécaniques sont formés par gravure dans des blocs ou plaquettes en matériau semi-conducteur, généralement en silicium.
Le document FR 2 852 111 (publié le 10 septembre 2004) décrit un dispositif d'horloge comprenant une roue dentée, un élément d'entraînement apte à engrener séquentiellement avec la roue dentée et un actionneur apte à déplacer l'élément d'entraînement selon un mouvement d'hystérésis de sorte que l'élément d'entraînement engrène avec des dents successives de la roue. Dans un tel dispositif, l'actionneur comprend deux modules électrostatiques d'actionnement. L'un des modules est apte à déplacer l'élément d'entraînement selon une direction radiale par rapport à la roue et l'autre module est apte à déplacer l'élément d'entraînement selon une direction tangentielle par rapport à la roue.
Ce dispositif requiert l'utilisation d'un système d'adressage pour que les modules électrostatiques d'actionnement soient commandés par des signaux déphasés de manière à produire le mouvement d'hystérésis de l'élément d'entraînement. Le mouvement d'hystérésis de l'élément d'entraînement génère la rotation de la roue dentée.
Un but de l'invention est de proposer un dispositif plus simple pour déplacer un élément à entraîner.
A cet effet, l'invention propose un dispositif comprenant un élément à entraîner, un élément d'entraînement destiné à venir en prise avec l'élément à entraîner et un élément actionneur apte à générer un mouvement alternatif pour déplacer l'élément d'entraînement, l'élément d'entraînement et l'élément actionneur étant formés par gravure dans un bloc en matériau semi-conducteur, caractérisé en ce qu'il est agencé de sorte que : au cours d'une première alternance du mouvement généré par l'élément actionneur, l'élément d'entraînement vient en prise avec l'élément à entraîner pour tracter l'élément à entraîner, au cours d'une deuxième alternance en sens opposé générée par l'élément actionneur, l'élément d'entraînement glisse sur l'élément à entraîner, de sorte que l'élément à entraîner est déplacé selon un mouvement pas à pas par l'élément d'entraînement.
Un tel dispositif ne nécessite qu'un seul élément actionneur et peut fonctionner grâce à un seul signal de commande.
Par conséquent, l'adressage du dispositif est simplifié.
En outre, l'invention ne requiert l'alimentation que d'une seule voie d'adressage et permet ainsi de réduire l'énergie consommée par le dispositif par rapport à un dispositif à deux modules.
Le dispositif de l'invention peut en outre présenter les caractéristiques suivantes :
- l'élément d'entraînement présente une face d'entraînement destinée à venir en contact avec l'élément à entraîner pour tracter l'élément à entraîner au cours de la première alternance et une face de guidage destinée à glisser sur l'élément à entraîner au cours de la deuxième alternance,
- l'élément d'entraînement comprend une face d'appui destinée à limiter la mise en prise de l'élément d'entraînement avec l'élément à entraîner,
- l'élément à entraîner est un élément denté,
- les dents de l'élément à entraîner sont asymétriques,
- chaque dent de l'élément à entraîner présente une face d'entraînement sur laquelle l'élément d'entraînement vient en contact pour tracter l'élément à entraîner au cours d'une première alternance et une face de guidage sur laquelle l'élément d'entraînement glisse au cours d'une deuxième alternance,
- le dispositif est agencé de sorte que : au cours de la première alternance, l'élément d'entraînement est engagé entre deux dents de l'élément à entraîner, au cours de la deuxième alternance, l'élément d'entraînement franchit l'une des deux dents et vient s'engager entre deux autres dents adjacentes de l'élément à entraîner,
- l'élément d'entraînement comprend au moins une lame flexible agencée de sorte qu'au cours de la première alternance l'élément d'entraînement est déplacé dans un premier sens, ce qui entraîne la déformation de la lame flexible, et au cours de la deuxième alternance, l'élément d'entraînement est déplacé dans un deuxième sens, opposé au premier sens, par retour élastique de la lame flexible,
- l'élément d'entraînement franchit l'une des deux dents par restitution d'énergie élastique résiduelle emmagasinée dans la lame flexible,
- le dispositif comprend un cliquet anti-retour apte à bloquer l'élément à entraîner au cours de la deuxième alternance,
- le cliquet anti-retour comprend un élément d'indexage apte à : au cours de la première alternance du mouvement généré par l'élément actionneur, glisser sur l'élément à entraîner, au cours de la deuxième alternance, venir en prise avec l'élément à entraîner pour bloquer l'élément à entraîner,
- le cliquet présente une face de guidage destinée à glisser sur l'élément à entraîner au cours de la première alternance et une face de blocage sur laquelle l'élément à entraîner vient en contact pour bloquer l'élément à entraîner au cours de la deuxième alternance,
- l'élément à entraîner est un élément denté présentant un pas, l'élément d'entraînement comprend une face de guidage destinée à entrer en contact avec l'élément à entraîner au niveau d'un point de contact lors du glissement de l'élément d'entraînement sur l'élément à entraîner, et dans lequel au repos :
|"<*2 < p -e + k p [d2 >- k- p où : p est le pas de l'élément à entraîner, e est la distance entre un point de contact de la face de guidage et la face d'entraînement de l'élément d'entraînement, d2 est la distance entre le point de contact de la face de guidage de l'élément d'entraînement et la face de blocage du cliquet, et k est un entier positif,
- le dispositif comprend des moyens de précontrainte élastique pour maintenir l'élément d'entraînement contre l'élément à entraîner.
L'invention propose en outre un procédé de fonctionnement du dispositif défini précédemment, le dispositif comprenant un élément à entraîner, un élément d'entraînement et un élément actionneur, l'élément d'entraînement et l'élément actionneur étant formés par gravure dans un bloc en matériau semi-conducteur, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes selon lesquelles : on commande l'élément actionneur pour qu'il génère un mouvement alternatif pour déplacer l'élément d'entraînement, au cours d'une première alternance du mouvement généré par l'élément actionneur, l'élément d'entraînement vient en prise avec l'élément à entraîner pour tracter l'élément à entraîner, au cours d'une deuxième alternance en sens opposé générée par l'élément actionneur, l'élément d'entraînement glisse sur l'élément à entraîner, de sorte que l'élément à entraîner est déplacé selon un mouvement pas à pas par l'élément d'entraînement.
D'autres caractéristiques et avantage ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement il lustrât ive et non limitative et doit être lue en regard des figures annexées, parmi lesquelles :
- la figure 1 représente de manière schématique un dispositif conforme à un mode de réalisation de l'invention,
- la figure 2 représente de manière schématique un élément actionneur, - la figure 3 représente de manière schématique les positions relatives d'un élément d'entraînement, d'un cliquet anti-retour et d'un élément à entraîner au cours des différentes étapes de fonctionnement du dispositif,
- la figure 4 représente de manière schématique la forme des dents de l'élément à entraîner et la forme de l'élément d'entraînement,
- la figure 5 représente de manière schématique la disposition de l'élément d'entraînement et du cliquet anti-retour.
Sur la figure 1 , le dispositif comprend un élément à entraîner 10, un dispositif d'entraînement 20 et un dispositif d'indexage 50.
Le dispositif d'entraînement 20 et le dispositif d'indexage 50 sont formés simultanément par microgravure dans un bloc unique en matériau semi-conducteur, par exemple en silicium. L'élément à entraîner 10 peut également être formé dans le même bloc ou être rapporté et disposé en regard du dispositif d'entraînement 20. Le bloc forme ainsi un substrat sur lequel sont agencés les élément gravés.
Dans la suite du texte, l'expression « fixe » qualifie tout élément encastré sur le substrat et l'expression « mobile » qualifie tout élément maintenu à quelques microns d'altitude du substrat, au moyen de suspensions élastiques également encastrées sur le substrat.
L'élément à entraîner 10 comprend une roue dentée mobile en rotation.
L'expression « radial » qualifie tout élément s'étendant suivant une direction radiale par rapport à la roue et l'expression « tangentiel » qualifie tout élément s'étendant suivant une direction tangentielle par rapport à la roue, les directions radiale et tangentielle étant considérées au point de la roue où le dispositif d'entraînement vient en prise avec la roue.
Le dispositif d'entraînement 20 comprend un élément actionneur 202 apte à générer un mouvement alternatif dans une direction générale tangentielle, une lame flexible tangentielle 212, et un élément d'entraînement 250 destiné à venir en prise avec la roue dentée 10. L'élément d'entraînement 250 est relié à l'élément actionneur 202 par l'intermédiaire de la lame flexible tangentielle 212. L'élément d'entraînement 250 présente la forme d'une dent destinée à être engagée entre deux dents successives de la roue dentée.
Le dispositif d'indexage 50 comprend une lame flexible tangentielle 511 et un élément d'indexage 550 destiné à venir en prise avec la roue dentée 10. L'élément d'indexage 550 est relié au substrat par l'intermédiaire d'une lame flexible tangentielle 511. L'élément d'indexage 550 présente la forme d'une dent destinée à être engagée entre deux dents successives de la roue dentée.
Comme on peut le voir sur la figure 2, l'élément actionneur 202 est un élément actionneur électrostatique présentant une structure à peignes (connus sous l'appellation anglo-saxonne de « comb drive »). Ce type de structure comprend des paires de peignes interdigités.
Le module actionneur 202 est formé d'une partie fixe 222 et d'une partie mobile 232 à laquelle est reliée la lame tangentielle 212.
La partie fixe 222 comprend une électrode tangentielle 224 à partir de laquelle s'étend suivant une direction radiale un ensemble de peignes fixes parallèles 226. Chaque peigne est formé d'une lame principale et d'une série de doigts ou cils parallèles connectés à la lame principale et s'étendant perpendiculairement à celle-ci.
La partie mobile 232 comprend un cadre mobile 234 incluant deux lames flexibles 233 et 235 connectées au substrat par des blocs encastrement 238, 240. Les lames flexibles 233 et 235 forment des suspensions élastiques autorisant une mobilité du cadre 234 par rapport au substrat.
La partie mobile 232 comprend un ensemble de peignes 236 s'étendant à partir du cadre mobile 234 dans une direction générale radiale. Chaque peigne est formé d'une lame principale et d'une série de doigts ou cils parallèles connectés à la lame principale et s'étendant perpendiculairement à celle-ci.
Les peignes 226 de la partie fixe 222 et les peignes 236 de la partie mobile 232 sont disposés parallèlement les uns aux autres et intercalés les uns avec les autres. En outre, chaque peigne mobile 236 est disposé en regard d'un peigne fixe 226 de sorte que les doigts s'intercalent les uns entre les autres, formant ainsi une paire de peignes interdigités.
Les doigts intercalés des peignes interdigités s'apparentent à des condensateurs plans dont l'une des armatures est reliée à l'électrode 224 et l'autre armature est reliée à la masse via les liaisons encastrement 238, 240.
Lorsqu'une tension est appliquée à l'électrode 224, cette tension crée une différence de potentiels entre la partie fixe 222 et la partie mobile 232 de l'élément actionneur 202. Un champ électrique s'établit entre les armatures des condensateurs formées par les doigts des peignes fixes 226 et les doigts des peignes mobiles 236. Ce champ électrique génère une force électrostatique qui tend à attirer les peignes mobiles 236 vers les peignes fixes 226 dans la direction des doigts. Cette force électrostatique entraîne le déplacement du cadre 234 dans la direction tangentielle et par conséquent la translation de la dent d'entraînement 250 par action de la lame 212 dans une direction tangentielle par rapport à la roue 10 dans un premier sens (flèche a).
Le module actionneur 202 comprend également une butée mécanique fixe 241. La butée mécanique 241 limite la déformation de la partie mobile 232 de l'élément actionneur 202 et par conséquent la course de l'élément d'entraînement 250.
Lorsque la tension appliquée à l'électrode 224 s'annule, le cadre 234 revient en position de repos par restitution de l'énergie élastique stockée dans les lames flexibles 233, 235. Cette phase de retour élastique a pour effet d'entraîner la translation de la dent 250 dans une direction tangentielle par rapport à la roue 10 dans un deuxième sens (flèche b), opposé au premier sens.
Autrement dit, dans un premier sens (flèche a), le mouvement de l'élément actionneur 202 est généré par les forces électrostatiques générées entre les peignes fixe 226 et mobile 236, tandis que dans un deuxième sens (flèche b), le mouvement de l'élément actionneur 202 est généré par les forces de rappel élastiques dues à l'énergie emmagasinée par les lames flexibles 233, 235 du cadre 234. Ainsi, lorsqu'on applique un signal Vt alternatif à l'électrode d'adressage 224 de l'élément actionneur 202, l'élément actionneur génère un mouvement alternatif dans une direction tangentielle par rapport à la roue 10.
La butée 241 est agencée de sorte que l'élément d'entraînement 250 est déplacée pour entraîner la roue 10 d'un pas lors d'une alternance (flèche a).
On va maintenant décrire le procédé de fonctionnement du dispositif.
La figure 3 représente de manière schématique les positions relatives de l'élément d'entraînement 250, de l'élément d'indexage 550 et de la roue 10 au cours du déplacement de la roue lorsque l'élément actionneur génère un mouvement alternatif. Le mouvement généré par l'actionneur se compose d'une première alternance, au cours de laquelle l'élément d'entraînement 250 est déplacé dans le sens a, et d'une deuxième alternance, au cours de laquelle l'élément d'entraînement 250 est déplacé dans le sens b, opposé au sens a.
Sur la figure 3, la roue 10 présente sur sa circonférence des dents successives référencées respectivement 1 , 2, 3 et 4. Les dents 1 , 2, 3 et 4 la roue 10 sont asymétriques. La configuration représentée sur la figure 3 privilégie l'entraînement de la roue 10 dans le sens horaire.
Initialement (en A), l'élément d'indexage 550 est engagé entre deux dents 2 et 3 de la roue 10. L'élément d'entraînement 250 est engagé entre deux dents 3 et 4 de la roue 10.
Au cours de la première alternance (alternance active durant laquelle le mouvement de l'élément d'entraînement 250 est généré par les forces électrostatiques), le dispositif fonctionne selon les étapes suivantes :
Selon une première étape (B), l'élément d'entraînement 250 est entraîné en translation par l'élément actionneur dans une direction tangentielle par rapport à la roue 10 (flèche a). L'élément d'entraînement 250 vient en contact avec la dent 4.
Selon une deuxième étape (C), l'élément d'entraînement 250 tracte la roue 10 de sorte que la roue 10 est déplacée en rotation en sens horaire. La rotation de la roue 10 a pour effet que l'élément d'indexage 550 vient en contact avec la dent 2 de la roue 10.
Selon une troisième étape (D), la rotation de la roue 10 a pour effet que l'élément d'indexage 550 glisse sur la dent 2 de la roue 10. Ceci est possible du fait que la lame 511 est flexible et autorise un mouvement de l'élément d'indexage 550 dans une direction radiale par rapport à la roue 10.
Selon une quatrième étape (E), l'élément d'indexage 550 franchit la dent 2. Du fait de son élasticité, la lame 511 ramène l'élément d'indexage vers la roue 10 de sorte que l'élément d'indexage 550 se trouve maintenant engagé entre les dents 1 et 2. La dent d'entraînement 250 se trouve en fin de course.
Au cours de la deuxième alternance (alternance passive au cours de laquelle le mouvement de l'élément d'entraînement 250 est généré par les forces de rappel élastiques due à l'énergie emmagasinée dans les lames élastiques 233, 235), le dispositif fonctionne selon les étapes suivantes :
Selon une cinquième étape (F), l'élément d'entraînement 250 est entraîné en translation par l'élément actionneur dans une direction tangentielle par rapport à la roue 10 (flèche b). L'élément d'entraînement 250 vient en contact avec la dent 3.
Selon une sixième étape (G), l'élément d'entraînement 250 tracte la roue 10 de sorte que la roue 10 est déplacée en rotation en sens antihoraire. La rotation de la roue 10 a pour effet que l'élément d'indexage 550 vient en contact avec la dent 2 de la roue 10.
Selon une septième étape (H), l'élément d'indexage 550 bloque la rotation de la roue 10. Le blocage de la roue 10 a pour effet que l'élément d'entraînement 250 glisse sur la dent 3.
Selon une huitième étape (I), l'élément d'entraînement 250 franchit la dent 3. Du fait de son élasticité, la lame 212 ramène l'élément d'entraînement 250 vers la roue 10 de sorte que l'élément d'entraînement 250 se trouve maintenant engagé entre les dents 2 et 3. Selon une neuvième étape (J), l'élément d'entraînement 250 est revenu dans la position initiale de repos (en A).
De la première à la neuvième étape, la roue 10 a été entraînée en rotation dans le sens horaire et a été déplacée d'un angle correspondant à une dent de la roue.
Ainsi, les étapes qui précèdent sont renouvelées et l'élément d'entraînement 250 déplace la roue 10 selon un mouvement pas à pas, chaque pas correspondant à une dent de la roue.
Le dispositif d'indexage 50 bloque la roue en rotation lorsque l'élément d'entraînement 250 revient en position de repos. Le dispositif d'indexage constitue un cliquet qui permet la rotation de la roue dans un sens unique.
La figure 4 représente de manière schématique la forme d'une dent 1 de la roue 10 et la forme de la dent d'entraînement 250.
Comme on peut le voir sur cette figure, la dent 1 de la roue 10 comprend une face d'entraînement 11 sur laquelle la dent d'entraînement 250 vient en contact pour tracter la roue 10 au cours de la première alternance (a) et une face de guidage 12 sur laquelle la dent d'entraînement 250 glisse au cours de la deuxième alternance (b) du cycle d'entraînement.
La face d'entraînement 11 est orientée de manière à former un angle de dépouille D1 par rapport à la direction radiale de la roue 10, l'angle de dépouille D1 étant de préférence compris entre 5 et 15 degrés environ.
La face de guidage 12 de la dent 1 est orientée de manière à former un angle α aussi faible que possible par rapport à la direction tangentielle de la roue. L'angle α est de préférence compris entre 20 et 60 degrés environ.
La dent d'entraînement 250 comprend une face d'entraînement 251 destinée à venir en contact avec la roue 10 pour tracter la roue 10 au cours de la première alternance (a), une face de guidage 252 destinée à glisser sur la roue 10 au cours de la deuxième alternance (b) et une face d'appui 253 destinée à venir en appui sur la roue 10 pour limiter l'engagement de la dent d'entraînement 250 entre les dents de la roue 10. La face d'entraînement 251 est orientée de manière à former un angle nul par rapport à la direction radiale de la roue 10.
La face de guidage 252 est orientée de manière à former un angle D2 par rapport à la direction tangentielle de la roue 10, l'angle D2 étant de préférence compris entre 0 et 30 degrés environ.
La face d'appui 253 est orientée est orientée de manière à former un angle nul par rapport à la direction tangentielle de la roue 10. La face d'appui 253 et la face de guidage 251 forment ainsi un épaulement qui limite l'engagement de la dent d'entraînement 250 entre les dents de la roue 10.
Les faces d'entraînement 11 et 251 ne sont pas parallèles entre elles mais forment un angle D1. Cette caractéristique a pour effet de limiter la surface de contact entre les faces d'entraînement 11 et 251 qui pourrait conduire à une adhésion irréversible entre la dent d'entraînement 250 et la dent 1 de la roue 10 lorsque la dent d'entraînement 250 tracte la roue 10.
De même, les faces de guidage 12 et 252 ne sont pas parallèles entre elles mais forment un angle. Cette caractéristique a pour effet de limiter la surface de contact entre les faces de guidage 12 et 252 qui pourrait conduire à une adhésion irréversible entre la dent d'entraînement 250 et la dent 1 de la roue 10 lorsque la dent d'entraînement 250 glisse sur la roue 10. Ainsi, les faces de guidage 12 et 252 sont en contact au niveau d'un point 254 de la face de guidage 252 de l'élément d'entraînement 250.
Par ailleurs, l'épaulement formé par la face d'appui 253 et la face de guidage 251 de la dent d'entraînement 250 évite que la dent d'entraînement 250 ne se trouve bloquée entre les dents de la roue 10. En effet, la pénétration de la dent d'entraînement 250 en fond de denture de la roue 10 pourrait conduire éventuellement à un blocage irréversible du dispositif d'entraînement.
La figure 5 représente de manière schématique la disposition de l'élément d'entraînement 250 et de l'élément d'indexage 550 en position de repos (c'est-à-dire lorsque l'élément actionneur 202 n'est pas alimenté).
L'élément d'entraînement 250 et l'élément d'indexage 550 présentent des formes similaires. L'élément d'indexage 550 comprend une face de blocage 551 destinée à venir en contact avec la roue 10 pour bloquer la roue 10 au cours de la deuxième alternance (b), une face de guidage 552 destinée à glisser sur la roue 10 au cours de la première alternance (a) et une face d'appui 553 destinée à venir en appui sur la roue 10 pour limiter l'engagement de la dent d'indexage 550 entre les dents de la roue 10.
On considère que l'élément actionneur 202 génère un mouvement alternatif dont l'amplitude est Δ . Autrement dit Δ est la course de l'élément actionneur.
Pour que l'élément d'entraînement 250 franchisse une dent de la roue 10 au cours de la deuxième alternance (alternance b), il faut que la déformation élastique résiduelle de l'élément actionneur 202 soit suffisante pour permettre le glissement de l'élément d'entraînement 250 sur la roue 10 lorsque l'élément d'entraînement 250 se trouve au sommet de la dent à franchir (comme illustré sur la figure 3, dans la configuration I).
Lorsque l'élément d'entraînement 250 se trouve au sommet de la dent à franchir, la déformation élastique résiduelle est définie géométriquement comme suit :
^résiduelle = p - e -d2 + k p [1] où :
^résiduelle est la déformation élastique résiduelle de l'élément actionneur, p est le pas de la roue 10, e est la distance entre le point de contact 254 de la face de guidage 252 et la face d'entraînement 251 de l'élément d'entraînement 250, d2 est la distance entre le point de contact 254 et la face de blocage 551 de l'élément d'indexage 550, et k est un entier positif.
Le fonctionnement du dispositif impose que la déformation élastique résiduelle définie par la relation [1] soit positive et que dans la disposition relative de l'élément d'entraînement 250 et de l'élément d'indexage 550 illustrée sur la figure 5, la distance d2 soit positive. Autrement dit, la distance d2 doit de manière générale être supérieure à un multiple k du pas de la roue 10 si k + l dents de la roue 10 sont intercalées entre l'élément d'entraînement 250 et l'élément d'indexage 550. Soit :
Figure imgf000015_0001
D'où: k p<d2<p-e + k p [3]
Si on choisit par exemple k = 0 (comme représenté sur la figure 5), on obtient :
0 -< d2 -< p - e [4]
Par exemple, si on considère les paramètres suivants : p = \5μm
Figure imgf000015_0002
On doit avoir :
0<d2< 10μm [5]
Si on choisit k = 1 , on doit avoir :
\5μm^d2 -<25μm [6]
Si on choisit k = 2 , on doit avoir :
30μm <d2< 40μm [7]

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif comprenant un élément à entraîner (10), un élément d'entraînement (250) destiné à venir en prise avec l'élément à entraîner (10) et un élément actionneur (202) apte à générer un mouvement alternatif pour déplacer l'élément d'entraînement (250), l'élément d'entraînement (250) et l'élément actionneur (202) étant formés par gravure dans un bloc en matériau semi-conducteur, caractérisé en ce qu'il est agencé de sorte que :
- au cours d'une première alternance (a) du mouvement généré par l'élément actionneur (202), l'élément d'entraînement (250) vient en prise avec l'élément à entraîner (10) pour tracter l'élément à entraîner (10),
- au cours d'une deuxième alternance (b) en sens opposé générée par l'élément actionneur (202), l'élément d'entraînement (250) glisse sur l'élément à entraîner (10), de sorte que l'élément à entraîner (10) est déplacé selon un mouvement pas à pas par l'élément d'entraînement (250).
2. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel l'élément d'entraînement (250) présente une face d'entraînement (251 ) destinée à venir en contact avec l'élément à entraîner (10) pour tracter l'élément à entraîner (10) au cours de la première alternance (a) et une face de guidage (252) destinée à glisser sur l'élément à entraîner (10) au cours de la deuxième alternance (b).
3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel l'élément d'entraînement (250) comprend une face d'appui (253) destinée à limiter la mise en prise de l'élément d'entraînement (250) avec l'élément à entraîner (10).
4. Dispositif selon l'une des revendications qui précèdent, dans lequel l'élément à entraîner (10) est un élément denté.
5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel les dents (1 , 2, 3, 4) de l'élément à entraîner (10) sont asymétriques.
6. Dispositif selon l'une des revendications 4 ou 5, dans lequel chaque dent (1 , 2, 3, 4) de l'élément à entraîner (10) présente une face d'entraînement (11) sur laquelle l'élément d'entraînement (250) vient en contact pour tracter l'élément à entraîner (10) au cours d'une première alternance (a) et une face de guidage (12) sur laquelle l'élément d'entraînement (250) glisse au cours d'une deuxième alternance (b).
7. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 6, le dispositif étant agencé de sorte que :
- au cours de la première alternance (a), l'élément d'entraînement (250) est engagé entre deux dents (3, 4) de l'élément à entraîner (10),
- au cours de la deuxième alternance (b), l'élément d'entraînement (250) franchit l'une des deux dents (3) et vient s'engager entre deux autres dents (2, 3) adjacentes de l'élément à entraîner (10).
8. Dispositif selon l'une des revendications qui précèdent, dans lequel l'élément d'entraînement (202) comprend au moins une lame flexible (233, 235) agencée de sorte qu'au cours de la première alternance (a) l'élément d'entraînement (250) est déplacé dans un premier sens, ce qui entraîne la déformation de la lame flexible (233, 235), et au cours de la deuxième alternance (b), l'élément d'entraînement est déplacé dans un deuxième sens, opposé au premier sens, par retour élastique de la lame flexible (233, 235).
9. Dispositif selon les revendications 7 et 8 en combinaison, dans lequel l'élément d'entraînement (250) franchit l'une des deux dents (3) par restitution d'énergie élastique résiduelle emmagasinée dans la lame flexible (233, 235).
10. Dispositif selon l'une des revendications qui précèdent, comprenant un cliquet anti-retour (50) apte à bloquer l'élément à entraîner (10) au cours de la deuxième alternance (b).
11. Dispositif selon la revendication 10, dans lequel le cliquet antiretour (50) comprend un élément d'indexage (550) apte à :
- au cours de la première alternance (a) du mouvement généré par l'élément actionneur (202), glisser sur l'élément à entraîner (10),
- au cours de la deuxième alternance (b), venir en prise avec l'élément à entraîner (10) pour bloquer l'élément à entraîner (10).
12. Dispositif selon l'une des revendications 10 ou 11 , dans lequel le cliquet (50) présente une face de guidage (552) destinée à glisser sur l'élément à entraîner (10) au cours de la première alternance (a) et une face de blocage (551 ) sur laquelle l'élément à entraîner (10) vient en contact pour bloquer l'élément à entraîner (10) au cours de la deuxième alternance (b).
13. Dispositif selon l'une des revendications qui précèdent, dans lequel l'élément à entraîner (10) est un élément denté présentant un pas, l'élément d'entraînement (250) comprend une face de guidage (252) destinée à entrer en contact avec l'élément à entraîner (10) au niveau d'un point de contact (254) lors du glissement de l'élément d'entraînement (250) sur l'élément à entraîner (10), et dans lequel au repos :
|"<*2 < p -e + k p [d2 >- k- p où : p est le pas de l'élément à entraîner (10), e est la distance entre un point de contact (254) de la face de guidage (252) et la face d'entraînement (251 ) de l'élément d'entraînement (250), di est la distance entre le point de contact (254) de la face de guidage
(252) de l'élément d'entraînement (250) et la face de blocage (551 ) du cliquet (50), et k est un entier positif.
14. Dispositif selon l'une des revendications qui précèdent, comprenant des moyens de précontrainte élastique (212) pour maintenir l'élément d'entraînement (250) contre l'élément à entraîner (10).
15. Procédé de fonctionnement d'un dispositif comprenant un élément à entraîner (10), un élément d'entraînement (250) et un élément actionneur (202), l'élément d'entraînement (250) et l'élément actionneur (202) étant formés par gravure dans un bloc en matériau semi-conducteur, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes selon lesquelles :
- on commande l'élément actionneur (202) pour qu'il génère un mouvement alternatif pour déplacer l'élément d'entraînement (250), - au cours d'une première alternance (a) du mouvement généré par l'élément actionneur (202), l'élément d'entraînement (250) vient en prise avec l'élément à entraîner (10) pour tracter l'élément à entraîner (10),
- au cours d'une deuxième alternance (b) en sens opposé générée par l'élément actionneur (202), l'élément d'entraînement (250) glisse sur l'élément à entraîner (10), de sorte que l'élément à entraîner (10) est déplacé selon un mouvement pas à pas par l'élément d'entraînement (202).
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