Brevet FR2495400A1 — publié le 19820604

La présente invention concerne un dispositif moteur de précision fonctionnant à vitesse élevée, cette expression "vitesse élevée" désignant par exemple une vi- tesse d'entrée de plusieurs millions de tours par minute et une vitesse de sortie de plusieurs dizaines de milliers de tours par minute. L'obtention d'un mouvement et d'un déplacement précis est un problème qui continue à se poser dans de nombreux domaines techniques. Ce problème se complique notablement lorsque les mouvements et déplacements doi- vent avoir lieu à grande vitesse (dans une certaine lar- geur de bande). Un exemple d'application est le positionne- ment, le déplacement, le mouvement et la déformation des miroirs d'un laser. Un tel miroir doit habituellement trans- mettre un faisceau extrêmement parallèle (fronts d'onde coplanaires). Des perturbations indésirables des fronts d'onde sont provoquées par exemple par la turbulence at- mosphérique ou par les variations de masse volumique dans la cavité du laser, ainsi que par des vibrations de struc- ture. Ces perturbations ont lieu fréquemment à fréquence élevée (largeur de bande comprise dans la gamme des kilo- hertz et au-delà). Un mouvement mécanique correctif agis- sant sur le miroir doit donc pouvoir suivre ces déplacements à fréquence élevée. Un mouvement de correction doit avoir la fréquence et la vitesse voulues et il doit être suffi- samment précis. L'invention concerne une nouvelle technique permettant l'obtention de mouvements et de déplacements à grande vitesse et avec une grande précision. Plus précisément, l'invention concerne un dis- positif moteur de précision ayant une grande vitesse. Elle concerne aussi le perfectionnement des dis- positifs d'entraînement harmonique d'une manière qui per- met un fonctionnement à grande vitesse et à grande préci- sion, notamment par mise en oeuvre d'une nouvelle techni- que d'alimentation du dispositif moteur. Plus précisément, l'invention met en oeuvre un t495400 arrangement annulaire d'éléments piézoélectriques de flexion placés sur un manchon cannelé déformable, coopérant avec un rotor cannelé ou pignon, selon une coopération harmoni- que, les dents du pignon étant choisiesen conséquence. Les éléments de flexion ont des électrodes qui sont excitées par les signaux d'un générateur convenable. Lors du fonc- tionnement, le générateur excite électriquement certains éléments de flexion dans un sens et les autres dans l'autre si bien que le manchon cannelé prend une forme elliptique. Ainsi, le manchon cannelé et le rotor coopèrent au niveau du petit axe de l'ellipse mais ne coopèrent pas au niveau du grand axe. Le dessin d'alimentation est modifié progres- sivement si bien que la déformation elliptique tourne. Lors- que l'ellipse a fait un tour, le rotor a tourné d'un angle dépendant du rapport d'engrenage. Ce dispositif moteur pré- sente l'avantage de permettre une rotation à très grande vitesse de la déformation elliptique du manchon (c'est-à- dire du dessin d'excitation), les limites étant fixées par les composants électroniques utilisés pour la création des signaux et par la résonance de la structure des dispo- sitifs piézoélectriques utilisés. Un avantage particulier de ce dispositif moteur est qu'il ne présente pas d'effets de force contre-électromotrice. Ces effets limitent beau- coup la sensibilité des dispositifs moteurs électromagnéti- ques. Le dispositif électromagnétique est essentiellement de type pas à pas, un pas étant donné par un changement du dessin d'excitation des éléments de flexion. Un change- ment périphérique régulier de ce dessin, par exemple sous la commande de tensions excitatrices sinusoïdales, provoque un mouvement de décalage continu si bien que toute position particulière peut être atteinte instantanément et peut être conservée. En ce qui concerne le mode pas à pas, le nombre de pas différents par tour est donné par le nombre d'élé- ments de flexion multiplié par- le rapport d'engrenages; le rapport est par exemple de l'ordre de quelques centaines. Un tel dispositif moteur peut évidemment fonctionner d'une manière très précise et à très grande vitesse, comme décrit 3 2495400 à titre illustratif dans la suite du présent mémoire. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel: - la figure 1 est une perspective d'un dispositif moteur selon un mode de réalisation avantageux de l'inven- tion; - la figure 2 est une élévation frontale agrandie d'une partie du dispositif moteur de la figure 1; et - les figures 3 et 4 sont des schémas illustrant la déformation elliptique d'une partie du dispositif des figures 1 et 2, montrant comment change l'orientation de la déformation. La figure 1 représente un tube ou manchon 10 dé- passant en porte-à-faux d'un support convenable 11. Ce tube ou manchon est formé d'une matière élastique convenable et est flexible, c'est-à- dire que le manchon peut subir une déformation flexible et peut passerpar exemple d'un profil circulaire à un profil elliptique. Mis à part cette défor- mation, le manchon 10 est fixe. L'extrémité avant du manchon a des dents 12 d'en- grenage coopérant avec des dents 22 d'un rotor 20 avec les- quelles elles sont en prise. Contrairement au manchon 10, le rotor 20 n'est pas flexible ou déformable. Selon une carac- téristique habituelle des dispositifs moteurs harmoniques, le rotor a une ou plusieurs dents de plus ou de moins que le pignon formé dans le manchon, deux par exemple. Le manchon 10 porte, à l'extérieur, plusieurs éléments piézoélectriques de flexion. Ceux-ci comportent un anneau céramique commun 15 qui porte lui-même plusieurs électrodes externes 16, par exemple vingt environ. Le man- chon 10 forme une électrode interne commune. Chaque élé- ment de flexion est ainsi délimité par un segment de l'an- neau piézoélectrique 15 et par les électrodes adjacentes, formant une paire d'électrodes disposées en regard, l'une de l'ensemble 16 et l'autre du manchon 10. L'anneau piézo- électrique est collé au manchon 10 et aux électrodes. Toutes les électrodes sont reliées à un générateur 18 de signaux, transmettant des signaux d'excitation aux faces des électrodes de l'ensemble des éléments de flexion; une paire d'électrodes comprend une électrode 16 et le man- chon 10. Le générateur 18 de signaux transmet par exemple des oscillations à une fréquence particulière qui est exac- tement la même pour toutes les électrodes mais dont les déphasages diffèrent, comme décrit dans la suite en référence au mode de balayage rapide. Le générateur 18 peut aussi transmettre des signaux de déplacement par pas tels que les signaux appliqués à des électrodes différentes ont des po- larités différentes. Le dispositif piézoélectrique 15 dans son ensemble assure la déformation elliptique du manchon 10 à proximité de la partie cannelée formée par les dents 12. Cette défor- mation elliptique provoque la mise en prise des dents 12 placées près du petit axe de l'ellipse avec les dents jux- taposées 22 du rotor alors que les dents 12 qui se trouvent par exemple suivant le grand axe de l'ellipse, sont séparées du rotor et du pignon qu'il porte. La déformation elliptique du manchon 10 est due aux potentiels électriques appliqués à un moment quelconque aux électrodes et à leur polarité particulière. La figure 3 représente par exemple sous forme exagérée la déformation du manchon 10. En outre, les polarités disposées près des électrodes externes indiquent les polarités des signaux appliqués (radialement) à l'anneau piézoélectrique. Une polarité positive, au niveau des électrodes externes, a tendance à repousser radialement le manchon vers l'intérieur alors qu'une polarité négative a tendance à repousser le manchon radialement vers l'extérieur. Les excitations in- dividuelles de partiesde l'anneau 15 provoquent une dé- formation elliptique globale de cet anneau et du manchon 10. Lorsque les polarités de certaines électrodes sont modifiées, l'ellipse change (tourne) par rapport à l'orien- tation de son axe, comme indiqué sur la figure 4. Ce chan- gement d'orientation de la déformation elliptique modifie le dessin de coopération des dents du manchon et du rotor et tend à provoquer un déplacement angulaire du rotor dans le même sens que la rotation de l'ellipse. Après un "tour" complet de l'ellipse (le manchon 10 ne tourne pas lui- même), le dessin de coopération du stator et du rotor s'est déplacé d'une dent et le rotor 20 a tourné de la distance angulaire élémentaire correspondante. En mode de balayage rapide, si l'on appelle f la fréquence de la tension alternative appliquée, l'ellipse fait un tour pour deux cycles, c'est-à-dire qu'elle tour- ne à une vitesse f/2. En outre, l'ellipse tourne de façon continue et le rotor 20 tourne à une fréquence donnée par la réduction de vitesse du dispositif moteur harmonique. Si l'on appelle n le nombre de dents du manchon et si le rotor a n+1 dents, le nombre de tours du rotor par unité de temps correspondant à la fréquence est égal à f/2n. La fréquence de résonance de cet anneau piézo- céramique 15, supporté par le manchon 10 et le rotor 20, peut être proche de la fréquence de résonance d'un seul élément de flexion sous forme d'un segment de l'anneau piézoélectrique et des électrodes adjacentes. Par exemple, l'anneau piézocéramique peut être formé de la matière "Gulton" G1512. Un anneau ayant un diamètre de 50,8 mm et portant 20 électrodes a une fréquence de résonance fa- cilement calculée de 188 kHz. Cette fréquence, lorsqu'on la choisit comme fréquence de travail de l'anneau piézo- électrique, correspond à une vitesse de rotation d'entrée légèrement inférieure à 6 millions de tours par minute de l'ellipse. Si n est égal à 200, le rotor peut ainsi effec- tuer 28 200 tr/min. L'avantage particulier de ce dispositif à grande vitesse est dû au fait que le mouvement a lieu en synchronisme précis avec le champ excitateur car il n'y a pas de force contre-électromotrice comme dans les dispo- sitifs électromagnétiques. Cela signifie que le rotor peut entraîner un dispositif de mise en action avec des positions très précises, réglées par le signal d'entrée à 6 2495400 une fréquence élevée équivalant à une vitesse éle61e d'en- trée et à une fréquence élevée d'échappement d'horloge. Les vitesses d'entrée sont si élevées que les vitesses de sortie peuvent encore être élevées, si bien qu'elles peuvent donner la précision voulue dans une grande largeur de bande. Ce comportement est obtenu en particulier lorsque le dispositif fonctionne en mode pas à pas, mais aussi en mode à balayage rapide lorsque l'excitation alternative est interprétée comme une excitation pour un nombre particulier de cycles bien mesuré. Le rotor s'arrête dans toute po- sition voulue. Dans le mode pas à pas, la fréquence de résonance des modes correspondants est égale au dixième de celle du mode à balayage rapide, soit 9400 pas par seconde. La pré- cision en mode pas à pas est due à la construction et ne dépend pas d'une réaction pour le réglage de la position et/ou de la vitesse. Le dispositif de mise en action placé du côté de sortie, raccordé au rotor- 20, suit le mouvement de celui-ci en boucle ouverte. Un seul pas peut être considéré comme étant un changement de l'excitation selon lequel les quatre "limites" entre les électrodes excitées positivement et négativement sont décalées (par rotation) d'une paire d'électrodes. Dans le cas de 20 éléments de flexion, un pas correspond à une rotation de 180. Si n représente la réduction prévue de vitesse du dispositif moteur, 20n représente le nombre de pas que peut présenter le dispositif par tour du rotor. Si n est égal à 200, le dispositif peut donc présenter - 4000 pas par tour du rotor. En outre, le dispositif peut changer de sens à chaque pas. En ce qui concerne la vitesse du dispositif de mise en action, on peut supposer que chaque pas de rotation du rotor 20 équivaut à un déplacement linéaire du disposi- tif de mise en action de 5,08.10-5 mm. En mode pas à pas, la vitesse du dispositif de mise en action est donc de 188 000 x 5,8.10 = 9,55 mm/s. En mode à balayage rapide, la vitesse est 10 fois plus élevée, soit 95,5 mm/s. Il faut se rappeler que deux cycles de la tension d'excitation sont nécessaires par "tour" du manchon. Les variations de tension appliquées aux électro- des respectives impliquées dans un changement du dessin d'un seul pas ne doivent pas être du type à gradins mais doivent avoir une variation progressive afin que l'accélération et la décélération soient bien déterminées lorsque les modes à balayage rapide et pas à pas sont combinés. La dernière onde d'un train de signaux alternatifs doit ainsi décroître progressivement.Si les conditions de résonance sont obser- vées, les modes à balayage rapide et pas à pas peuvent être combinés, une séquence déterminée d'un cycle alternatif en mode à balayage rapide formant un grand pas provoquant un déplacement du dispositif moteur d'un nombre déterminé de pas élémentaires,mais avec la fréquence du mode de balayage ra- pide. Il est bien entendu que l'invention n'a été dé- crite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. 8 - 2495400 REVENDICATIONS 1. Dispositif moteur à grande sensibilité et grande vitesse, caractérisé en ce qu'il comprend une couronne dentée interne annulaire et déforma- ble (10), plusieurs éléments piézoélectriques de flexion (15, 16) placés sur la couronne et disposés annulairement, un dispositif de commande (18) relié aux éléments piézoélectriques afin que ceux-ci se déforment et provoquent une déformation elliptique ou à peu près elliptique de la couronne, et un élément (20) formant rotor muni d'une denture externe, le nombre de dents (22) du rotor différant du nom- bre de dents (12) de la couronne de 1 ou 2, la denture du rotor coopérant avec la couronne le long d'un petit_ axe de l'ellipse mais en étant séparée le l9ng d'un grand axe de l'ellipse si bien que, lors de la rotation de l'ellipse due à un changement du dessin d'excitation provoqué par le dispositif de commande, le rotor tourne en synchronisme avec la rotation de l'ellipse. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments piézoélectriques ont un anneau piézoélectrique commun (15) et des électrodes séparées (16). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de commande comprend un générateur (18) de signaux relié aux électrodes (16) des éléments piézoélectriques et leur transmettant des signaux alterna- tifs à la même fréquence mais avec des déphasages différents. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de commande comporte un générateur (18) de signaux transmettant une séquence de signaux ayant des niveaux distincts aux électrodes des éléments piézo- électriques. 5. Dispositif moteur de très grande sensibilité et à grande vitesse, caractérisé en ce qu'il comprend un manchon élastique (19) ayant une couronne den- tée interne, et 9 2495400 des dispositifs piézoélectriques de flexion (15, 16) placés sur le manchon et destinés à être excités indi- viduellement afin qu'ils provoquent ainsi une déformation elliptique du manchon, un changement du dessin d'excitation des dispositifs piézoélectriques provoquant un changement d'orientation de l'ellipse, la couronne interne du manchon coopérant avec une denture externe d'un rotor le long du petit axe mais non le long du grand axe de l'ellipse. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif (18) de commande transmet à chaque instant un dessin de signaux aux éléments piézoélectriques avec successivement des dessins différents si bien que l'excitation des dispositifs piézoélectriques varie d'un dessin au suivant.