Brevet FR2682544A1 — publié le 19930416

MOTEUR PIEZOELECTRIQUE ANNULAIRE A TRANSDUCTEURS SEGMENTES DE FORME DISCO DALE. La présente invention concerne un moteur rotatif à ultrasons à transducteur piézoélectrique. On connait dans l'art antérieur différents modes de réalisation de tels moteurs, constitués par un stator annulaire ou cylindrique couplé à un transducteur piézoélectrique annulaire Le rotor s'appuyant sur la surface du stator est entraîné par les mouvements elliptiques générés à la surface du stator. Le transducteur piézoélectrique est constitué par un anneau de céramique présentant une pluralité de secteurs polarisés alternativement dans deux sens opposés Une électrode appliquée à la surface inférieure de l'anneau de céramique permet d'appliquer une tension alternative provoquant au niveau de chaque secteur une déformation dont l'amplitude est sensiblement proportionnelle à la tension appliquée La masse est constituée par le stator métallique Cette première série de secteurs polarisés permet de générer une onde stationnaire Une deuxième série de secteurs polarisés en déphasage crée une deuxième onde stationnaire La superposition de ces deux vibrations forcées stationnaires crée une onde progressive provoquant les mouvements de surface mis à profit pour l'entraînement du rotor par l'intermédiaire d'un matériau interface. Les anneaux en matériaux céramiques sont fragiles, et de ce fait la fabrication des transducteurs annulaires et l'assemblage du stator nécessite un savoir-faire se traduisant par un coût de fabrication significatif Leur manipulation au moment de la polarisation entraîne un taux non négligeable de déchets En outre, pour des moteurs de petite taille, la 2 2682544 polarisation des secteurs pose des difficultés Cette polarisation s'effectue en soumettant les différents secteurs à une tension élevée, à une température supérieure à la température ambiante Lorsque le diamètre de l'anneau de céramique est faible, il est nécessaire de recourir à une installation de polarisation spécifique de grande précision. On a proposé dans l'art antérieur de réaliser le transducteur piézoélectrique sous forme de résonateurs indépendants dont la forme correspond à un secteur angulaire d'un anneau Un tel mode de réalisation est décrit dans le brevet américain délivré sous le numéro 4 736 129. Ce mode de réalisation permet de s'affranchir des problèmes de polarisation d'un transducteur de petit diamètre Toutefois, la fabrication de tels résonateurs reste difficile, et l'assemblage relativement complexe. L'objet de la présente invention est de proposer un mode de réalisation permettant de réduire sensiblement le coût de fabrication et d'assemblage du transducteur et d'améliorer les performances du moteur à ultrasons mettant en oeuvre un tel transducteur. L'invention concerne plus particulièrement le fait que le transducteur piézoélectrique est constitué par des pastilles de forme cylindriques collées à la surface du stator, lesdites pastilles étant polarisées perpendiculairement à la surface dudit stator Par cylindrique, il faut entendre toute forme engendrée par le déplacement d'une génératrice le long d'un chemin fermé De préférence, les pastilles sont en forme de disques. De telles pastilles sont particulièrement faciles à fabriquer et à polariser, aussi bien pour de petites dimensions que pour de grandes dimensions. 3 2682544 L'assemblage est également rendu plus facile par le fait que toutes les pastilles sont identiques et symétriques axialement. La polarisation initiale des pastilles est réalisée dans la direction hors-plan Le couplage des pastilles avec la structure métallique s'effectue, par l'intermédiaire du joint de colle et fait intervenir le coefficient piézoélectrique d 31 On exploite ainsi successivement les contractions et dilatations radiales des pastilles collées consécutivement sur le stator. L'isotropie des pastilles se traduit au niveau du stator par l'excitation de modes de vibrations circonférentiels d'une part et, de modes radiaux parasites, d'autre part. Cependant, la géométrie du stator est telle que les fréquences de résonance radiales et circonférentielles sont nettement différenciées De ce fait, l'absence de couplage entre deux pastilles consécutives ne nuit pas à la qualité de l'excitation même si lesdites pastilles consécutives sont disjointes pour faciliter leur positionnement au moment de l'assemblage. Avantageusement, deux pastilles consécutives sont séparées par un intervalle compris entre 0,7 D et 0,9 D, o D désigne le diamètre des pastilles ( 4 à 19), le diamètre des pastilles ( 4 à 19) étant compris entre 0,7 et 0,9 fois le quart de la longueur d'onde de l'ensemble formé par le stator est les composants qui lui sont associés, notamment les pastilles piézoélectriques. Selon un premier mode de réalisation, les pastilles piézoélectriques sont collées consécutivement et avec des polarités inversées sur la surface inférieure du stator Les pastilles sont réparties en deux séries alimentées par deux signaux déphasées d'un quart de longueur d'onde La distance angulaire entre deux pastilles consécutives est d'une demi longueur d'onde. Selon un second mode de réalisation, préféré en particulier pour la réalisation de stator de petit diamètre (vibrant selon un mode de vibration de rang n peu élevé), les pastilles piézoélectriques sont collées à la surface inférieure du stator de façon à présenter deux pastilles consécutives d'une première polarité, puis deux pastilles consécutives d'une deuxième polarité, et ainsi de suite La distance angulaire entre deux pastilles consécutive est d'un quart de longueur d'onde. Ce mode de réalisation permet d'augmenter la surface active du transducteur et de conserver la symétrie axiale globale du stator. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un moteur à ultrasons Le procédé consiste plus particulièrement à déposer à la surface inférieure du stator un masque présentant des découpes dont les dimensions correspondent sensiblement aux dimensions des pastilles piézoélectriques Ce masque est revêtu d'une couche anti-adhésive Il permet le positionnement précis des pastilles et leur collage à la surface inférieure du stator Après le collage des pastilles, le masque est retiré. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, faisant référence aux dessins o: la figure 1 représente une vue éclatée du moteur; la figure 2 représente une vue en coupe du moteur; la figure 3 représente une vue de la face inférieure du stator; la figure 4 représente une vue de la face inférieure du stator selon un deuxième mode de réalisation; 2682544 la figure 5 représente un masque pour l'assemblage du stator. Le moteur à ultrasons décrit en figure 1 est constitué par un stator ( 1) et un rotor ( 2) coaxiaux. Le stator ( 1) est constitué par une pièce métallique de forme annulaire présentant une couronne dentée ( 3). Des pastilles piézoélectriques ( 4 à 15) sont collées à la surface inférieure du stator ( 1), selon une géométrie exposée dans la suite de la description Ces pastilles piézoélectriques ( 4 à 15) de formes cylindriques sont collées avec une colle de type cyanolythe et forment avec le stator ( 1) un ensemble résonnant L'excitation de cet ensemble résonnant s'effectue par l'exploitation de l'effet piézoélectrique inverse L'application d'une tension électrique sur les faces métallisées ( 16 à 27) des pastilles piézoélectriques ( 4 à 19) provoque une déformation mécanique L'association du phénomène piézoélectrique inverse et des propriétés de résonance mécanique de la structure globale formée par le stator ( 1) d'une part et les pastilles piézoélectriques ( 4 à 19) d'autre part permet de générer les vibrations mécaniques qui sont à l'origine de l'entraînement du rotor ( 2). Les pastilles piézoélectriques ( 4 à 19) sont constituées en un matériau piézoélectrique tel que du titanate de barium (Ba Ti O 3). Le rotor ( 2) est entraîné par l'intermédiaire d'un matériau anti-friction ( 28) tel que du caoutchouc naturel, un matériau thermoplastique tel qu'une résine de styrène, une résine acrylique, du polyéthylène, ou une résine époxy, un polyester insaturé, ou encore une résine copolymère telle qu'une résine acrylonitrile- styrene, chargé avec un additif tel que de la poudre de carbone, de la silice ou du talc. 6 2682544 Le rotor ( 2) est constitué par une pièce déformable élastiquement en forme de cône, présentant une fonction de ressort propre à assurer l'appui du rotor ( 2) sur le stator ( 1) avec la force requise. La figure 3 représente un premier mode de disposition des pastilles piezoélectriques Les pastilles sont collées de façon à présenter des polarités alternées. Selon ce mode de disposition, le nombre P de pastilles correspond à: P = 2 (n 1) o N désigne le rang du mode de vibration. Le tableau ci-dessous indique, en degrés, la position angulaire Pl des pastilles à partir d'un axe de référence, en fonction du rang N du mode de vibration choisi. n 3 4 5 6 7 8 9 10 Pl 75 56,25 45 37,5 32,2 28,15 25 22,5 P 2 135 101,25 81 67,5 57,9 50,65 45 40,5 P 3 146,25 117 97,5 83,6 73,15 65 58,5 P 4 153 127,5 109,3 95,65 85 76,5 Ps 157,5 135,0 118,15 105 94,5 P 6 160,7 140,65 125 112,5 P 7 63,15 145 130,5 P 8 165 148,5 Pg 166,5 L'écart angulaire entre deux pastilles consécutives et donc de polarité opposée, correspond à une demi longueur d'onde Par demi longueur d'onde, on entend la distance séparant deux noeuds consécutifs de vibration du stator. Les pastilles sont réparties en deux séries, respectivement ( 4 à 11) et ( 12 à 19) Entre ces deux séries de pastilles se trouve une première zone morte ( 20) d'une ouverture angulaire correspondant à trois quarts de longueur d'onde, et une deuxième zone morte ( 21) d'une ouverture angulaire d'un quart de longueur d'onde Par zone morte, on entend une zone de la surface du stator ( 1) sur laquelle ne peut être appliquée aucune force excitatrice d'origine piézoélectrique. La première série de pastilles ( 4 à 11) est excitée par une électrode conductrice ( 22) permettant d'appliquer sur chacune des pastilles ( 4 à 11) un champ électrique Le stator ( 1) constitue la masse, et donc l'autre électrode. Une tension sinusoïdale de type Usinoet est appliquée à cette électrode ( 22). La deuxième série de pastilles piézoélectriques ( 12 à 19) est excitée par une seconde électrode métallique ( 23) alimentée par une tension Ucos Cot, et déphasée d'un quart de longueur d'onde Les tensions sinusoïdales appliquées à chacune des électrodes ( 22, 23) provoquent les vibrations en épaisseur (c'est-à-dire selon un axe perpendiculaire à la surface active) de chacune des céramiques ( 4 à 19) dans des conditions de phases propres à exciter par résonance des vibrations en flexion du stator ( 1) et à générer deux ondes stationnaires, dont la résultante conduit à une onde progressive se traduisant par les mouvements de surface propres à entraîner le stator ( 1). La figure 4 illustre un deuxième mode de disposition des pastilles piézoélectriques. Dans ce deuxième mode de disposition, les pastilles sont disposées de façon à présenter 8 2682544 alternativement deux éléments polarisés dans un premier sens, puis deux éléments polarisés dans un sens opposé. Selon ce deuxième mode de disposition, le nombre P de pastilles correspond à: P = 4 n o N désigne le rang du mode de vibration. Contrairement au mode de positionnement décrit en figure 3, o chacune des séries d'électrodes est excitée par une électrode ( 22, 23) couvrant sensiblement un demi-cercle, les pastilles piézoélectriques, dans ce deuxième mode de réalisation sont excitées individuellement Chacune des pastilles supporte à sa surface opposée à celle du stator ( 1) une pastille conductrice alimentée par une tension sinusoïdale. La répartition des pastilles à la surface du stator ( 1) correspond à une succession de motifs o: la première pastille du motif est polarisée dans une première direction et est alimentée par une tension de type Usin C Ot la deuxième pastille du motif est polarisée dans la même première direction et est alimentée par une tension de type Ucoscot la troisième pastille du motif est polarisée dans une seconde direction opposée à la première direction et est alimentée par une tension de type Usinc Dt la deuxième pastille du motif est polarisée dans la seconde direction et est alimentée par une tension de type Ucos(ot. Ce motif se répète N fois, N désignant le rang du mode de vibration Deux pastilles consécutives 9 2682544 sont distantes angulairement d'un quart de longueur d'onde. Comme précédemment, on produit deux ondes de vibration stationnaire, dont la superposition génère une onde progressive provoquant les mouvements de surface entraînant le stator ( 1) Ce deuxième mode de positionnement des pastilles présente l'avantage d'une plus grande symétrie, ce qui permet de réduire les harmoniques parasites. L'assemblage est facilité par l'emploi d'un masque ( 69) tel que représenté en figure 5 Ce masque présente des découpes ( 50 à 66) permettant le positionnement précis des pastilles sur la surface du rotor Ce masque ( 69) est réalisé en une feuille de matériau rigide revêtu d'une pellicule anti-adhésive, tel que du TEFLON (marque déposée) Il est positionné sur la surface de rotor pendant l'étape de collage des pastilles Après séchage de la colle, le masque est retiré L'assemblage est avantageusement réalisé dans un support ( 67) présentant une cavité ( 68) dont le diamètre correspond au diamètre extérieur du stator ( 1) Une pièce annulaire complémentaire permet d'exercer une pression sur les pastilles piézoélectriques pendant le collage Cette pièce annulaire permet également la formation d'un joint de colle remplissant l'espace compris entre les pastilles adjacentes L'Homme du Métier, sera bien entendu à même de réaliser la présente invention sous de nombreuses variantes, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. 2682544 REVENDICTIONS 1 Moteur à ultrasons du type à ondes progressives comportant un stator métallique excité par un transducteur piézoélectrique et un rotor entraîné par frottement par l'intermédiaire d'un matériau interface, caractérisé en ce que le transducteur piézoélectrique est constitué par des pastilles ( 4 à 19) de forme cylindrique collées à la surface du stator, lesdites pastilles étant polarisées perpendiculairement à la surface dudit stator ( 1). 2 Moteur à ultrasons selon la revendication 1 caractérisé en ce que les pastilles ( 4 à 19) piézoélectriques sont polarisées en mode d'extension d'épaisseur. 3 Moteur à ultrasons selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que lesdites pastilles ( 4 à 19) collées sur le stator sont polarisées alternativement en sens opposés et sont écartées angulairement d'une demi longueur d'onde. 4 Moteur à ultrasons selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que lesdites pastilles ( 4 à 19) sont collées sur le stator par paires de même polarité, lesdites paires étant polarisées alternativement en sens opposés, deux pastilles consécutives étant écartées angulairement d'un quart de longueur d'onde. Moteur à ultrasons selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce les pastilles ( 4 à 19) sont disjointes, deux pastilles consécutives étant séparées par un intervalle compris entre 0,7 D et 0,9 D, o D désigne le diamètre des pastilles ( 4 à 19). 6 Moteur à ultrasons selon les revendications précédentes caractérisé en ce que le diamètre des pastilles ( 4 à 19) est compris entre 0,7 et 0,9 fois le quart de la longueur d'onde de résonance du stator ( 1) muni des pastilles ( 4 à 19). 7 Procédé de fabrication d'un moteur à ultrasons comportant un stator présentant à sa surface inférieure des résonateurs piézoélectriques collés, caractérisé en ce que le positionnement des pastilles est assuré par un masque ( 69) revêtu d'une couche anti- adhésive. il