Brevet FR2690018A1 — publié le 19931015

MOTEUR PIEZOELECTRIQUE MODULAIRE COMPORTANT UN STATOR A DEUX FACES ACTIVES. La présente invention concerne un moteur piezoélectrique. Le moteur piezoélectrique fonctionne selon le principe de la conversion piezoélectrique inverse, c'est-à-dire la transformation d'une tension électrique en une déformation mécanique. Les moteurs piezoélectriques connus dans l'art antérieur se composent habituellement - d'un stator formé d'une pièce flexible excitée par un transducteur piezoélectrique - d'un rotor revêtu d'un matériau antifriction qui permet de convertir avec un bon rendement les vibrations du stator en mouvement du rotor - un système qui permet d d'appliquer une pression axiale permanente et régulière entre le stator et le rotor. Lorsqu'on applique sur la céramique piezoélectrique des tensions sinusoïdales d'amplitude et de fréquence convenables ainsi qu'un déphasage relatif approprié, on produit des ondes progressives de vibration de flexion sur la pièce flexible. Un point matériel situé à la surface du stator décrira une trajectoire elliptique. La fréquence de la tension alternative appliquée au transducteur piezoélectrique est déterminée de façon à correspondre sensiblement à la fréquence de résonance mécanique de l'ensemble constitué par le stator et par les transducteurs piezoélectriques qui lui sont associés. De tels moteurs ont fait l'objet de plusieurs brevets antérieurs, et en particulier on trouvera une description du principe général dans la revue IBM Technical Disclosure Bulletin NO 16 de 1973, article de Monsieur BARTH, ou encore dans le brevet américain délivré sous le numéro 4.736.129, ou encore dans le brevet USR 60 4 100 de la Société KK SHINSEI KOGIO. Ces moteurs présentent un couple important à basse vitesse. En outre, ils présentent l'avantage d'être auto-bloquant, c'est-à-dire de présenter un couple de maintien très important. On a également proposé dans l'art antérieur d'utiliser les deux faces du stator. Le brevet WO91/11850 décrit un moteur ultrasonique qui comporte un stator excité par un ou plusieurs oscillateurs ultrasoniques et une première partie mobile en contact avec l'une des faces du stator. Une deuxième partie mobile est en contact sous pression avec une deuxième face superficielle du stator. Ce mode de réalisation ne permet toutefois pas d'optimiser le rendement du moteur car l'une des faces des oscillateurs piézoélectriques vibre dans le vide. Un premier but de l'invention est de remédier à cet inconvénient en proposant une structure "sandwich" permettant d'améliorer le couplage et d'optimiser le rendement des oscillateurs ultrasonores mis en oeuvre. Toutefois, pour certaines applications, le couple que l'on peut atteindre avec un moteur de dimensions fixées peut s'avérer insuffisant. Pour remédier à cet inconvénient, on a proposé d'augmenter l'amplitude de la tension appliquée au transducteur piezoélectrique. Cela nécessite toutefois l'emploi de source de tension élevée incompatible avec certaines applications. On a proposé dans l'art antérieur de multiplier le nombre de moteurs piezoélectriques en les accouplant en parallèle. En particulier, le brevet français nO 2.618.184 propose un moteur à ultrasons comprenant plusieurs stators et plusieurs rotors assemblés coaxialement, et un arbre de sortie entraîné par tous les rotors. Cette solution, relativement simpliste, ce traduit par une certaine complexité mécanique, dans la mesure où l'axe sert à la fois à l'entraînement d'un organe extérieur et au positionnement des stators. Il est donc nécessaire d'assurer son guidage et son positionnement avec des roulements de haute précision, capables d'absorber des couples élevés. Par ailleurs, de légères différences dans les caractéristiques des moteurs associés se traduisent par une perte de rendement significative. Enfin, l'encombrement et le poids de tels moteurs constituent les inconvénients pour des applications de micro-mécanique, notamment dans le domaine de l'instrumentation médicale. Le moteur selon la présente invention a pour objet de remédier à cet inconvénient. A cet effet, il concerne un moteur à transducteurs piezoélectriques comportant un stator symétrique par rapport à un plan médian et présentant deux faces actives entraînant deux parties rotoriques accouplées disposées de part et d'autre de la partie statorique, le transducteur piezoélectrique étant inclu dans le stator de façon à l'exciter exciter selon les deux faces vibratoires dudit transducteur. Un tel moteur sera décrit ci-après dans un mode de réalisation rotatif. I1 est bien évident que d'autres configurations peuvent être envisagées sans pour autant sortir du cadre de l'invention. En particulier, un tel moteur peut être réalisé dans une configuration linéaire, ou encore dans une configuration cylindrique dans laquelle les rotors et le stator sont de forme cylindrique. Ce moteur présente l'avantage d'une grande symétrie et de l'optimisation des effets piezoélectriques qui si produisent. En outre, il est possible de fabriquer un moteur modulaire constitué par assemblage d'un ensemble de d'éléments modulaires autocentrés. Selon un mode de réalisation avantageux, le stator est constitué de deux parties annulaires disposées de part et d'autre d'une pièce d'isolation électrique centrale coaxiale présentant des caractéristiques mécaniques sensiblement identiques aux caractéristiques mécaniques des parties annulaires, au moins un transducteur piezoélectrique étant intercalé entre ladite pièce d'isolation et chacune des pièces statoriques annulaires, le moteur étant en outre caractérisé en ce qu'il comporte deux rotors s'appuyant chacun sur l'une des surfaces extérieures du stator. Cet appui symétrique permet d'intégrer les fonctions d'appui dans l'ensemble rotorique, contrairement aux moteurs de type connu où la fonction d'appui est exercée par l'arbre de sortie coopérant avec le boîtier du moteur, alors que dans les moteurs de type connu, la fonction d'appui du rotor sur le stator est fonction de la précision de la fabrication du boîtier et de l'arbre de sortie et de leur assemblage, dans les moteurs selon l'invention, cette fonction conserve ses performances indépendamment de son assemblage dans un boîtier. Selon un mode de réalisation avantageux, le transducteur piezoélectrique est constitué par une pluralité de pastilles découpées dans un film de matériau piezoélectrique. Par "pastilles", il faut entendre des éléments séparés de forme cylindrique, c'est-à-dire dont la forme correspond à un volume engendré par le déplacement d'une génératrice le long d'un chemin fermé. De préférence, les pastilles sont en forme de disques afin de faciliter leur positionnement entre les deux parties annulaires du stator. Selon un autre mode de réalisation avantageux, le rotor comporte deux parties annulaires coaxiales s'appuyant chacune sur l'une des faces du stator, lesdites parties annulaires coaxiales étant réunies par des moyens élastiques exerçant une précontrainte permanente. Avantageusement, les parties rotoriques annulaires coopèrent avec un moyeux central par l'intermédiaire de flasques déformables élastiquement. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, faisant référence aux dessins où - la figure 1, représente une vue en coupe d'une moteur selon l'invention - la figure 2, représente une vue en coupe d'un moteur à plusieurs étages - la figure 3, représente une vue en coupe médiane de la disposition des transducteurs piezoélectriques selon une première variante - la figure 4, représente une vue en coupe médiane de la disposition des transducteurs piezoélectriques selon une deuxième variante. La figure 1 représente une vue en coupe d'un moteur piezoélectrique selon l'invention. Le moteur comporte une partie statorique (1) et une partie rotorique (2) symétriques par rapport à un plan médian (3) La partie statorique (1) est constituée par deux parties annulaires (4, 5) métalliques, réalisées par exemple en bronze. Ces deux parties statoriques (4, 5) sont disposées de part et d'autre d'une pièce d'isolation (6) centrale, de forme annulaire. Cette pièce d'isolation (6) est constituée par une rondelle isolante électriquement, présentant des caractéristiques mécaniques, et notamment une constante de Young correspondant sensiblement aux caractéristiques mécaniques, et notamment à la constante de Young, du matériau métallique constituant les parties statoriques (4, 5). Elle est avantageusement réalisée en un matériau composite. Deux transducteurs piezoélectriques respectivement (7, 8) sont disposés de part et d'autre de la pièce d'isolation (6), entre la surface de ladite pièce d'isolation (6) et la surface inférieure des parties statoriques (4, 5). La tension électrique est appliquée entre les pièces statoriques (4, 5) constituant la masse et des électrodes d'excitation (9, 10) Les transducteurs piezoélectriques (9, 10) sont réalisés, suivant la dimension du moteur, sous forme de film de céramique d'une épaisseur calibrée en fonction des dimensions du moteur ou encore sous forme d'anneaux ou de pastilles de céramiques. Un mode de réalisation sera décrit de façon plus détaillée ciaprès. Le rotor (2) est constitué par un moyeu central (12) de forme cylindrique et par deux parties rotorique formées respectivement par une partie discale (13) se prolongeant par une partie d'appui annulaire (14) pour la première pièce rotorique, et par une partie discale (15) se prolongeant par une partie d'appui annulaire (16) pour la deuxième pièce rotorique. Les pièces rotoriques sont réalisées en un métal déformable élastiquement. Le moyeu (12) présente deux gorges (17, 17') pour le positionnement et l'assemblage des pièces statoriques par l'intermédiaire de leur partie discale (13, 15). Les gorges (17, 17') présentent un méplat latéral pour le positionnement angulaire des deux parties discales (13, 15). L'écartement e des gorges (17, 17') du moyen (12) est déterminé de façon à ce que la distance entre les surfaces de frottement (19, 20) des parties de contacts annulaires (14, 16) munies de leur matériau anti-friction (21, 22) soient inférieures à l'épaisseur de la partie statorique. De ce fait, après assemblage des deux parties du rotor (2) et après sertissage de l'extrémité du moyeu (12), les deux faces en contact exercent sur la partie statorique (1) une pression permanente. Cette pression s'exerce indépendamment de tout assemblage des rotors et du stator dans un boîtier ou sur un axe. Le dispositif ainsi réalisé peut donc être facilement associé à un axe d'accouplement, et ce sans qu'il soit nécessaire de prévoir des moyens de guidage et de positionnement dudit axe. Pour améliorer le positionnement relatif des parties statoriques et des parties rotoriques, un moyeu intercalaire (25) pouvant être disposé coaxialement aux rotors et au stator est prévu. L'assemblage dans le boîtier s'effectue par l'intermédiaire de la partie d'isolation se prolongeant au delà des parties statoriques (1). Le prolongement radial (23) présente, de préférence, un méplat assurant le positionnement angulaire par rapport au boîtier (24). La liaison entre le boîtier (24) et la pièce d'isolation s'effectue par tous moyens connus, par exemple par vissage, par rivetage, ou encore par simple calage dans une cavité présentant les dimensions requises. Les caractéristiques de l'ensemble des éléments modulaires permettent de considérer ceux-ci comme des modules pouvant être associés pour former une gamme complète de moteurs modulaires. Une telle solution est représentée en figure 2. Les moteurs présentés en figure 2 sont constitués par quatres systèmes d'éléments modulaires (30, 31, 32, 33) dont chacun correspond au dispositif décrit en figure 1. Le boîtier extérieur est constitué par deux pièces d'extrémité (34, 35), et par quatres parties intermédiaires (36 à 39) présentant une cavité centrale (40) permettant le positionnement du prolongement radial (23) du matériau d'isolation de chacun des moteurs. Le blocage axial s'effectue par l'intermédiaire de l'extrémité inférieure de la bordure annulaire (41) de la partie intermédiaire suivante. On réalise ainsi un dispositif motorisé parfaitement modulaire permettant, à partir d'un nombre réduit d'élément standard, de modifier et d'adapter les performances du moteur au besoin de l'application particulière. L'assemblage du moteur à plusieurs étages s'effectue par des moyens connus, par exemple par une vis traversant l'ensemble des parties intermédiaires (36 à 39), ou encore par clipsage. Dans ce dernier cas, chacune des parties intermédiaires présente à son extrémité supérieure une rainure (42) coopérant avec une nervure complémentaire (43) propre à s' enclencher dans ladite rainure par déformation élastique du rebord annulaire (41) lorsqu'une pression axiale est exercée entre deux pièces intermédiaires consécutives. Ces pièces intermédiaires (36 à 39) présentent donc une forme annulaire à deux étapes superposés de sections différentes. L'épaulement (40) résultant du changement de section permet le maintien du prolongement radial (23) du matériau d'isolation (9). Avantageusement, la forme de l'étage de plus grande section n'est pas cylindrique, mais présente un méplat propre à empêcher la rotation du moteur qui est inséré dans la pièce intermédiaire considérée. Le blocage axial est réalisé par le rebord annulaire (41) de la pièce intermédiaire suivante. L'axe d'entraînement unique (44) est couplé aux moyeux centraux de chacun des rotors des éléments moteurs (30 à 33). Il présente un bossage (45) correspondant à un méplat (46) complémentaire prévu sur lesdits moyeux des rotors, et propre à assurer l'entrainement des rotors. Le positionnement axial est réalisé par tous moyens connus, par exemple par des bagues limitant la couse axiale, ou encore par des rainures latérales correspondant à des nervures complémentaires prévues sur la surface intérieure des moyeux et assurant le positionnement axial par clipsage. Le nombre d'éléments moteurs pouvant être ainsi accouplés n'est pas limité, et permet de réaliser une gamme complète de moteurs de puissance graduée, à parir d'éléments moteurs identiques fabriqués industriellement en grande série. La figure 3 représente un premier mode de disposition des transducteurs piezoélectriques réalisés sous forme de pastilles de forme cylindriques. 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) où n désigne le rang du mode de vibration. Le tableau ci-dessous indique, en degrés, la position angulaire Pi des pastilles à partir d'un axe de référence, en fonction du rang n du mode de vibration retenu. n 3 4 5 6 7 8 9 10 P1 75 56,25 45 37,5 32,2 28,15 25 22,5 P2 135 101,25 81 . 67,5 57,9 50,65 45 40,5 P3 146 25 117 97,5 83,6 73,15 65 58,5 P4 153 127,5 109,3 95 65 85 76,5 P 157 5 135 0 118,15 105 94,5 P6 160 7 140 65 125 112,5 P7 163 15 145 130,5 P8 ==== 165 148,5 P9 166,5 L'écart angulaire entre deux pastilles consécutives et donc de polarité opposée, correspond à une demi longueur d'onde. Par longueur d'onde, on entend la période des ondes de déformation mécanique stationnaires engendrées dans la structure constituée par le stator, les pastilles piezoélectriques (64 à 79) et le joint de colle. Les pastilles sont réparties en deux séries, respectivement (64 à 71) et (72 à 79). Entre ces deux séries de pastilles se trouve une première zone morte (80) d'une ouverture angulaire correspondant à trois quarts de longueur d'onde, et une deuxième zone morte (81) d'une ouverture angulaire d'un quart de longueur d'onde. Par zone morte, on entend une zone de la surface du rotor sur laquelle ne peut être appliquée aucune pastille piezoélectrique. La première série de pastilles (64 à 71) est excitée par une électrode conductrice (82) permettant d'appliquer sur chacune des pastilles (64 à 71) un champ électrique. Le rotor constitue la masse, et donc l'autre électrode. Une tension sinusoïdale de type UsinO)t est appliquée à cette électrode (82). La deuxième série de pastilles piezoélectriques (62 à 79) est excitée par une seconde électrode métallique (83) alimentée par une tension Ucosot, et déphasée d'un quart de longueur d'onde. Les tensions sinusoïdales appliquées à chacune des électrodes (82, 83) provoquent les vibrations de flexion de chacune des électrodes (64 à 79) dans des conditions de phases propres à exciter par résonance le rotor 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 rotor. La figure 4 illustre un deuxième mode de disposition des pastilles piezoélectriques. Dans ce deuxième mode de disposition, les pastilles sont disposées de façon à présenter 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 = 4n où n désigne le rang du mode de vibration. Contrairement au mode de positionnement décrit en figure 3, où chacune des séries d'électrodes est excitée par une électrode (82, 83) couvrant sensiblement un demi-cercle, les pastilles piezoélectriques, dans ce deuxième mode de réalisation sont excitées individuellement. Chacune des pastilles supporte à sa surface opposée à celle du rotor une pastille conductrice alimentée par une tension sinusoïdale. La répartition des pastilles à la surface du rotor correspond à une succession de motifs où: - la première pastille du motif est polarisée dans une première direction et est alimentée par une tension de type UsincOt - la deuxième pastille du motif est polarisée dans la même première direction et est alimentée par une tension de type Ucosa)t - la troisième pastille du motif est polarisée dans une seconde direction opposée à la première direction et est alimentée par une tension de type UsinO)t - la quatrième pastille du motif est polarisée dans la seconde direction et est alimentée par une tension de type UcosOt. Ce motif se répète n fois; n désignant le rang du mode de vibration. Deux pastilles consécutives 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 rotor. Ce deuxième mode de positionnement des pastilles présente l'avantage d'une plus grande symétrie, ce qui permet de réduire les harmoniques parasites. Ces pastilles sont avantageusement découpées dans un barreau de matériau céramique ou encore dans un film piezoélectrique, de tels films piezoélectriques sont en particulier des films polyvinylidene fluoride. Leur épaisseur est comprise entre une dizaine de microns et un millimètre. L'invention est décrite dans ce qui précède à titre d'exemple non limitatif, il est bien entendu que l'Homme du Métier sera à même de réaliser de nombreuses variantes, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Moteur à transducteurs piezoélectriques constitué par au moins un stator réalisé en un matériau déformable élastiquement excité par un transducteur piezoélectrique, et par au moins un rotor revêtu d'un matériau anti-friction permettant de convertir les mouvements de surface du stator en mouvement d'entraînement du rotor, le moteur comportant en outre un moyen pour exercer une pression permanente et constante entre le rotor et le stator, caractérisé en ce que le stator est symétrique par rapport à un plan médian (3) et présente deux faces actives entraînant deux parties rotoriques accouplées disposées de part et d'autre de la partie statorique (1), les transducteurs piezoélectriques étant inclus dans le stator de façon à l'exciter selon les deux faces vibratoires. 2 - Moteur à transducteurs piezoélectriques selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie statorique (1) est constituée de deux parties annulaires (4, 5) disposées de part et d'autre d'une pièce d'isolation centrale (9) coaxiale, des transducteurs piezoélectriques (7, 8) à deux faces actives étant intercalés entre ladite pièce d'isolation électrique (9) et chacune des parties annulaires (4, 5) du rotor et en ce que le moteur comporte une partie rotorique (2) s'appuyant sur chacune des surfaces extérieures de la partie statorique (1). 3 - Moteur à transducteurs piezoélectriques selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le transducteur piezoélectrique est constitué par une pluralité de pastilles cylindriques découpées dans un film de matériau piezoélectrique. 4 - Moteur à transducteurs piezoélectriques selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la partie rotorique (2) est constituée par deux parties annulaires (14, 16) coaxiales, s'appuyant chacune sur l'une des faces extérieures de la partie statorique (1), lesdites parties annulaires (14, 16) étant réunies par des moyens élastiques assurant une précontrainte. 5 - Moteur à transducteurs piezoélectriques selon la revendication 4, caractérisé en ce que les parties rotoriques annulaires (14, 16) coopèrent avec un moyeu central (12) par l'intermédiaire de flasques en forme de disque (13, 15) déformables élastiquement. 6 - Moteur à transducteurs piezoélectriques selon la revendication 5, caractérisé en ce que la partie rotorique (2) est constituée par une première partie constituée par un moyeu (11) présentant à l'une de ces extrémités une partie discale (13) se prolongeant par une partie annulaire (14), le moyeu (11) présentant à l'extrémité opposée une gorge (17) pour le positionnement d'une partie complémentaire formée par une partie discale (14) prolongée par une partie annulaire (16), la longueur axiale e du moyeu (12) étant fixée de façon à se que les surfaces d'appui des matériaux anti-friction (21, 22) soient écartées, au repos, d'une distance inférieure à l'épaisseur de la partie statorique (1). 7 - Moteur à transducteurs piezoélectriques selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau d'isolation (9) présente un prolongement radial (23). 8 - Assemblage de moteurs conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est constitué par une pluralité de pièces intermédiaires (36 à 39) présentant chacune un moyen de retenue de la partie statorique (1) des moteurs (30 à 33). 9 - Assemblage motorisé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que lesdites pièces intermédiaire (36 à 39) sont constituées par un anneau présentant une cavité (40) de forme complémentaire à la forme du prolongement radial (23) du matériau d'isolation (9). 10 - Assemblage motorisé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les pièces intermédiaires (36 à 39) présentent un rebord annulaire (41) dont le diamètre extérieur correspond à ltépaulement (40) de la pièce intermédiaire consécutive, l'épaisseur dudit rebord annulaire (41) étant déterminée de façon à ce que le prolongement radial (23) de chacun des stators des éléments moteurs (30 à 33) soit bloqué entre l'épaulement (40) d'une pièce intermédiaire et l'extrémité inférieure du rebord annulaire (41) de la pièce intermédiaire suivante. 11 - Assemblage motorisé selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que le rebord annulaire (41) présente une nervure (43) propre à coopérer avec une rainure (42) prévue sur la paroi de la pièce intermédiaire suivante. 12 - Assemblage motorisé selon l'une quelconque des revendications 8 à 10 caractérisé en ce que les rotors des éléments moteurs (30 à 33) sont entrainés par un axe unique (44).