Brevet FR2456420A1 — publié le 19801205

La présente invention concerne les moteurs électriques, et a notamment pour objet un vibromoteur destiné à être utilisé en particulier dans les dispositifs d'enregistrement et de reproduction du son, par exemple dans les électrophones. On connaît un vibromoteur comprenant un concentrateur d'oscillations longitudinales, composé de deux étages disposés l'un après l'autre. -Le premier étage est en contact avec un élément piézo-électrique, appelé dans la suite de la présente description "piézo-élément", alors que le deuxième étage (étage entraîneur) est réalisé sous forme de barres inclinées disposées suivant une circonférence et raccordées par leurs extrémités à un rotor. Le vibromoteur ainsi réalisé se caractérise par un faible couple de rotation du rotor, étant donné la petite surface de contact entre le concentrateur et le rotor. Une augmentation du nombre de barres conduirait à des pertes supplémentaires d'énergie, dues aux oscillations de flexion parasitaires de ces barres. Pour augmenter la surface de contact dans les vibromm- teurs, on peut utiliser un concentrateur connu d'oscillations de torsion, constitué par deux étages de forme cylindrique disposés coaxialement l'un après l'autre. Le premier étage, qui a une plus grande section transversale, est en contact avec un piézo-élément et possède un élément servant à transformer les oscillations longitudinales, qui lui sont communiquées par le piézo-élément, en oscillations de torsion. Le rôle d'éléments pour la transformation des oscillations est rempli par des fentes ou rainures obliques pratiquées dans le premier étage suivant la ligne de propagation des oscillations de torsion. Le deuxième étage, ou étage entraîneur est en contact avec le rotor sur toute sa surface d'extrémité. La longueur 1 du concentrateur est choisie à partir de la formule nl 1 = A2 (I) 4 2 ou A 1 est la longueur d'onde des oscillations longitudinales dans la barre est la longueur d'onde des oscillations de torsion dans 2 la barre ou bien à partir de la formule ss 3 4 2 ou A 3 est la longueur d'onde des oscillations radiales 3 2 2est la longueur d'onde des oscillations de torsion en milieu radial en fonction de la forme de réalisation du concentrateur.Le concentrateur est excité par les oscillations longitudinales, mais le choix de ses dimensions suivant la formule (I) ou (II) et la présence des fentes obliques conduisent à l'appari- tion d'oscillations de torsion. Il en résulte que la surface de l'étage entraîneur est soumis à des oscillations de torsion longitudinales ou des oscillations de torsion radiales, dont l'énergie met en rotation le rotor qui est en contact avec le concentrateur. Le couple sur l'arbre du vibromoteur doté d'un concentrateur ainsi réalisé est plus grand que celui du vibromoteur dont l'étage entraîneur est réalisé sous forme de barres obliques, et cela grâce à la plus grande surface de contact entre l'étage entraîneur du concentrateur et le rotor. Cependant, la puissance d'un tel vibromoteur est insuffisante à cause de la faible valeur du coefficient de concentration des déplacements oscillatoires et, par conséquent, de la faible amplitude des oscillations de torsion à la sortie du concentrateur. Dans le cadre de l'invention on s'est donc proposé de crée un vibrbmoteur à base d'un concentrateur d'oscillations de torsion, réalisé de manière à obtenir un coefficient élevé de concentration des déplacements oscillatoires, ce qui permettrait en fin de compte d'augmenter la puissance du vibromoteur. L'invention consiste essentiellement en ce que le vibromoteur du type comprenant un concentrateur d'oscillations de torsion composé d'au moins deux étages de forme cylindrique disposés coaxialement l'un après l'autre et dont le premier a une plus grande section transversale et reçoit les oscillations d'un piézoélément, alors que le deuxième étage (étage entraîneur) est en contact avec un rotor, et comportant des moyens servant à transformer les oscillations du piézo-élément en oscillations de torsion, est caractérisé, suivant l'invention, en ce que les moyens de transformation des oscillations sont réalisés sous forme de barres disposées sur la surface latérale du premier étage, dans un plan perpendiculaire à l'axe du concentrateur, chacune de ces barres étant inclinée sous un angle aigu par rapport à la tangente au point de fixation de cette barre, à la ligne d'intersection de ladite surface latérale et dudit plan, ces barres servant de résonateurs pour les oscillations longitudinales se propageant dans lesdites barres. Pour augmenter le coefficient de concentration des oscil lations, il est avantageux de doter le vibromoteur d'une bride annulaire disposée sur la surface latérale du premier étage, conce triquement à celui-ci, cette bride servant de résonateur pour les oscillations de torsion. Il est avantageux de disposer la bride annulaire entre la surface latérale du premier étage et les barres. Il est avantageux que la bride annulaire présente une épaisseur variable allant en diminuant de la périphérie de l'annec vers son centre. Il est possible de choisir la position du plan contenant les barres de manière que la distance entre ce plan et la zone nodale des oscillations du concentrateur ne dépasse pas le tiers de la longueur du premier étage. Si les barres sont disposées sur la surface latérale de la bride annulaire, il est avantageux de choisir la valeur de angle d'inclinaison des barres de manière que le deuxième côté de chaque angle aigu soit formé par la tangente à la ligne d'intersection de la surface latérale du deuxième étage et le plan de disposition des barres, ledit plan passant par le point de fixation de la barre correspondante à la surface de la bride. Si le piézo-élément est serré contre le premier étage au moyen d'un assemblage fileté, il est avantageux que le sens du filetage colncide avec le sens d'inclinaison des barres. Pour réduire à un minimum l'encombrement du vibromoteur il est avantageux que les étages du concentrateur et le piézoélément soient réalisés sous forme de bagues concentriques, et de sorte que l'une des surfaces latérales de I1 élément en forme de bague soit en contact avec le rotor, et que sur l'autre soient disposées les barres. Le vibromoteur réalisé selon l'invention se caractérise par une puissance élevée, son coefficient de concentration des déplacements oscillatoires est d'environ 2,5 fois plus grand que dans les vibromoteurs connus, ce qui permet d'utiliser ce vibro moteur notamment dans des électrophones de haute qualité se caractérisant par un couple de démarrage élevé. Les modes de réalisation du vibromoteur conforme à l'invention dans lesquels sont utilisées les oscillations de torsion radiales, tout en assurant une puissance suffisamment élevée, sont peu encombrantes en hauteur et simples à fabriquer. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs, avec références aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels - la figure 1 représente une vue schématique en coupe illustrant la construction d'un vibromoteur comportant des barres dans le premier étage, conformément à l'invention - la figure 2 est une vue en coupe suivant II-II de la figure 1 - la figure 3 représente l'épure de répartition des amplitudes des oscillations de torsion se propageant suivant la longueur du concentrateur - la figure 4 représente le mode de réalisation dans lequel le. vibromoteur est doté d'une bride annulaire (vue en coupe) - la figure 5 est une vue en coupe illustrant le mode de réalisa tion du vibromoteur dans lequel les barres sont disposées sui vant la périphérie de la bride annulaire - la figure 6 est une vue en coupe illustrant le mode de réalisa tion du vibromoteur dans lequel le piézo-élément est serré par un assemblage fileté - la figure 7 est une vue en coupe suivant Vil-Vil de la figure 6 - la figure 8 est une vue en coupe suivant Vili-Vili de la figure 6 - la figure 9 représente le mode de réalisation dans lequel le rotor du vibromoteur est disposé au centre de la structure annulaire - la figure 10 est une vue de dessus du vibromoteur de la figure 9;; - la figure ll représente le mode de réalisation dans lequel le rotor du vibromoteur est disposé à la périphérie de la structure annulaire (vue en coupe) - la figure 12 est une vue en coupe suivant XII-XII de la figure ll - la figure 13 est une vue en coupe d'un vibromoteur destiné à entraîner une bande magnétique - la figure 14 est une vue en coupe suivant XIV-XIV de la figure 13. Tel qu'il est représenté sur les figure 1 et 2, le vibrc moteur comprend un concentrateur 1 d'oscillations de torsion longitudinales, composé de deux étages 2 et 3 disposés l'un après l'autre. L'étage 2 est réalisé sous forme d'un cylindre et a une plus grande section transversale. L'étage 3, ou étage entraîneur, est réalisé sous forme d'un cylindre creux et a une plus faible section transversale. Contre l'étage 2 est serré ou accolé un élément piézoélectrique ou piézo-élément 4. La surface en bout de l'étage 3 est en contact avec le rotor 5 du vibromoteur, ce rotor étant serx contre cette surface avec une force P. Le concentrateur 1 est un concentrateur à demi-onde, la longueur 1 de l'étage 2 est égale au quart de la longueur d'onde des oscillations de torsion dans la barre, la longueur de l'étage 3 est elle. aussi égale au quart de la longueur d'onde des oscillations de torsion dans la barre (I = ] V2) Sur la surface latérale de l'étage 2 sont fixées des barres 64 disposées dans un plan perpendiculaire à l'axe du concer trateur 1 et inclinées sous un angle aigu CZ par rapport à la tangente, au point "K" de fixation de la barre 6, à la ligne d'intersection de la surface latérale de l'étage 2 et du plan de disposition des barres 6. Les barres 6 servent de résonateurs pour les oscillations longitudinales se produisant dans les barres 6, et leur longueur "a" est égale au quart de la longueur d'onde deE oscillations longitudinales (a = ;t1 ).Le plan de disposition ---r des barres 6 se trouve à une distance "b" de la zone nodale des oscillations de torsion du concentrateur 1, cette zone se trouvant prets de la ligne de contact de l'étage 2 et de l'étage 3 (voir figure 3), ladite distance "b" ne dépassant pas le tiers de la longueur de l'étage 2, soit b 4 1 1 1 La variante de réalisatio; du2vibromoteur représentée sur la figure 4 diffère du vibromoteur montré sur la figure 1 en ce qu'il comprend une bride annulaire 7 fixée sur l'étage 2 concentriquement à celui-ci et à une faible distance du plan de disposition des barres 6.La bride 7 sert de résonateur pour les oscillations de torsion et sa largeur "c" est égale au quart de la longueur d'onde des oscillations de torsion dans le milieu radial (c = i 2 ). 4 Dans la variante de réalisation du vibromoteur repré- sentée sur la figure 5, une bride annulaire 7' est disposée entre la surface latérale de l'étage 2 et les barres 6, de sorte que ces dernières se trouvent disposées sur la surface latérale extérieure de cette bride. La bride annulaire 7' a, en outre, une épaisseur allant en diminuant de la périphérie de la bride vers son centre. Les figures 6 et 7 représentent un vibromoteur dans lequel les piézo-éléments 4 sont serrés#contre l'étage 2 par assemblage fileté, à l'aide d'une vis 8. Le sens du filetage indiqué par la flèche A coïncide avec le sens d'inclinaison des barres 6. Le chiffre de référence 9 désigne une applique servant à abaisser la fréquence, réalisée en le meme matériau que les étages 2 et 3 du concentrateur 1. La figure 8 montre l'angle préféré cx d'inclinaison des barres 6. Les côtés de l'angle iR sont formés par la tangente, au point K', à la ligne d'intersection de la surface latérale de la bride 7' et du plan de disposition des barres 6, et par la tangente, passant par le point K', à la ligne d'intersection de la surface latérale de l'étage 3 et du plan de disposition des barres 6. Les vibromoteurs représentés sur les figures 9, 10, 11, 12, 13 et 14 sont réalisés à base d'un concentrateur 10 d'oscillations de torsion radiales. Comme dans les variantes de réalisation précédentes, le concentrateur 10 est un concentrateur à demi-onde. Sa longueur 1 est égale à i 2 (largeur de la structure annulaire, 2 ainsi obtenue du concentrateur d'oscillations de torsion). Les étages ll et 12 du concentrateur 10 sont réalisés sous forme de bagues concentriques, et dans l'étage 11 est incorporé un piézoélément 13 réalisé lui aussi sous forme d'une bague. Dans la variante de réalisation du vibromoteur montrée sur les figures 9 et 10, la surface latérale intérieure du concentrateur 10 est en contact avec un rotor 14 qui a une forme tronconique pour améliorer le contact. Sur la surface latérale extérieure du concentrateur 10 sont fixées des barres 6 (résonateurs pour les oscillations longitudinales). Le vibromoteur est fixé sur un corps 15 par l'intermédiaire d'appuis 16 disposés dans la zone nodale des oscillations de torsion dans le milieu radial (montrée en traits interrompus). Dans la variante de réalisation du vibromoteur représentée sur les figures 11 et 12, c'est la surface latérale extérieure du concentrateur annulaire 10 qui est en contact avec le rotor 17, les surfaces de contact étant ici en biseau. L'étage entraîneur 12' a une épaisseur plus faible que l'étage 11. Dans cette variante de réalisation du vibromoteur, les barres 6 sont disposées sur la surface latérale intérieure du concentrateur 10. Le vibromoteur montré sur les figures 13 et 14 est destiné à etre utilisé comme moteur d'entraînement d'une bande magnétique 18, qui sert dans ce cas de rotor et est en contact avec la surface latérale extérieure du concentrateur 10. Pour maintenir en place la bande 18, la surface latérale extérieure du concentrateur 10 est dotée de rebords de guidage 19. Comme dans la variante de réalisation précédente, les barres 6 sont fixées à la surface latérale intérieure du concentrateur 10. Le vibromoteur selon l'invention fonctionne de la façon suivante Lorsque le piézo-élément 4 (figures 1, 2, 3) est excité par une source d'oscillations électriques haute fréquence (non représentée sur les dessins), il s'y produit des oscillations mécaniques ultra-sonores. En se propageant dans le concentrateur 1, ces oscillations y provoquent des déplacements oscillatoires de différents types, y compris des déplacements de torsion. Les oscillations de torsion de l'étage 2 engendrent des oscillations longitudinales dans les barres obliques 6. Comme les barres 6 sont résonantes à la fréquence engendrée (a = Âî ), des forces oscillatoires alternées importantes, orientées sous un angle par rapport à la surface latérale de l'étage 2, sont engendrées dans la zone de jonction de ces barres 6 avec l'étage 2.Les compc santes tangentielles de ces forces favorisent l'amplification des oscillations de torsion dans l'étage 2. Une amplification supplémentaire des oscillations de torsion se produit pendant leur propagation vers la surface d'extrémité de l'étage 3, grâce au fait que le concentrateur 1 est un concentrateur à demi-onde et que la section transversale du concentrateur 1 diminue quand on passe de l'étage 2 à l'étage 3. Conformément à l'effet de Poisson, des oscillations de torsion longitudinales non résonnantes se produisent dans le concentrateur 1 en même temps que les oscillations de torsion résonnantes. L'énergie des oscillations de torsion longitudinales de l'étage entraîneur 3 met en rotation le rotor 5. Pour inverser le sens de rotation du rotor 5,il suffit de désaccorder la source d'oscillations électriques dans un sens ou dans l'autre par rap- port à la résonnance des oscillations de torsion. Le vibromoteur représenté sur la figure 4 fonctionne de la même manière que celui représenté sur la figure 1, avec cette seule différence que la bride 7 assure une amplification supplémentaire de l'amplitude des oscillations de torsion grâce aux propriétés résonnantes de la bride 7 (c-= ). La bride 7 est relativement massive et sert-en outre d-'acoujulateur de l'énergie oscillatoire, en contribuant ainsi à la stabilisation des ampli-' tudes des oscillations de torsion sur la surface d'extrémité de l'étage 3 en présence de perturbations provoquées par la charge. Le vibromoteur représenté sur la figure 5 se caractérise par un coefficient encore plus élevé de concentration des oscillations. Une amplification supplémentaire des amplitudes des oscillations de torsion dans ce mode de réalisation est assurée, premièrement, grâce au fait que les barres 6 sont plus éloignées de l'axe du concentrateur 1,de sorte que les forces oscillatoires agissant près de la base des barres 6 se forment sur une plus grande surface,et deuxièmement,gra#ce au fait que, l'épaisseur de la bride 7' diminuant vers la surface latérale de l'étage 2, cela provoque une concentration supplémentaire des amplitudes des oscillations de torsion sur la surface latérale de l'étage-2 du concentrateur.Le fait que les barres 6 et la bride 7 (7') sont séparees de la zone nodale des oscillations de torsion par une distance ne dépassant pas le tiers de la longueur de l'étage 2 permet de créer des oscillations de torsion avec une dépense moindre de l'énergie des oscillations électriques. Le serrage des piézo-éléments 4 (figures 6, 7) par assemblage fileté permet d'augmenter légèrement l'amplitude des oscillations de torsion du concentrateur 1, quand le sens de filetage coïncide, conformément à l'invention, avec la direction des barres 6. Cela s'explique par le fait que le filetage, de même que les barres 6, favorise l'apparition et l'orientation des oscillations de torsion dans le concentrateur. L'angleo Tableau v(' 100 % 5 10 20 -50 oC V' -100 % 2 4 12 40 V Le fonctipnnement des vibromoteurs représentés sur les figures 9 z 14. est le sUivant Lorsque le piézo-élément 13 est excité par un générateur d'oscillations électriques haute fréquence, il s'y produit des oscillations ultra-sonores de types différents, y compris des oscillations radiales et de torsion. Ces oscillations provoquent des oscillations longitudinales dans les barres obliques 6.Comme les barres obliques 6 sont réalisées sous forme de résonateurs à quart d'onde d'oscillatios longitudinales se propageant suivant leur longueur, à la jonction entre les barres 6 et la structure annulaire du concentrateur 10 apparaissent des forces oscillatoires importantes dont les composantes tangentielles jouent le rôle de "générateurs" (sources) d'oscillations de torsion dans le concentrateur 10. Comme la largeur de l'étage annulaire Il est elle aussi résonnante (à demi-onde) à la fréquence considérée, l'étage 11 entre en résonance et des oscillations de torsion de grande amplitude se produisent dans la partie entraînante du concentrateur 10 (étage 12, 12'). Comparés aux variantes de réalisation précédemment décrits, ces vibromoteurs présentent l'avantage d'être plus simples à fabriquer (toutes les pièces métalliques sont fabriquées par estampage) et moins encombrants en hauteur (de 1,5 à 3 fois). Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Vibromoteur du type comprenant un concentrateur d'oscillations de torsion composé d'au moins deux étages de forme cylindrique disposés coaxialement l'un après l'autre et dont le premier a une plus grande section transversale et reçoit les oscillations d'un élément piézo-électrique ou piézo-élément, alors que le deuxième étage, ou étage dtentrikemet est en contact avec un rotor et comporte des moyens de transformation des oscillations du piézo-élément en oscillations de torsion, caractérisé en ce que les moyens de transformation des oscillations du piézo-élément en oscillations de torsion se présentent sous forme de barres disposées sur la surface latérale du premier étage, dans un plan perpendiculaire à l'axe du concentrateur, et sont inclinées sous un angle aigu par rapport à la tangente, au point de fixation de la barre, à la ligne dintersection de ladite surface latérale et dudit plan, ces barres servant de résonateurs pour les escillations longitudinales se propageant dans lesdites barres. 2. Vibromoteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une bride annulaire disposée sur B surface latérale du premier étage du concentrateur, concentriquement à celui-ci, et servant de résonateur pour les oscillations de torsion 3. Vibromoteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la bride annulaire est disposée entre la surface latérale du premier étage et les barres. 4. Vibromoteur selon l'une des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que la bride annulaire a une épaisseur variable allant en diminuant de la périphérie de la bride vers son centre. 5. Vibromoteur selon l'une des revendications 1, 2, 3 et 4, caractérisé en ce que la distance entre le plan de disposition des barres et la zone nodale des oscillations de torsion du concentrateur ne dépasse pas le tiers de la longueur du premier étage. 6. Vibromoteur selon lesrevendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que le deuxième côté de chaque angle aigu précité est formé par la tangente à la ligne d'intersection de la surface latérale du deuxième étage et du plan de disposition des barres, ce plan passant par le point de fixation de la barre correspondante sur la surface latérale de la bride. 7. Vibromoteur selon l'une des revendications 1 à 6, du type dans lequel le piézo-élément est serré contre le premier étage en étant assemblé à celui-ci par filetage, caractérisé en ce que le sens dudit filetage coïncide avec celui de l'inclinai- son des barres. 8. Vibromoteur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les étages du concentrateur et le piézoélément sont réalisés sous forme de bagues concentriques, l'une des surfaces latérales de la structure annulaire ainsi obtenue étant en contact avec le rotor, tandis que sur l'autre sont disposées lesdites barres.