Brevet FR2685955A1 — publié le 19930709

La présente invention concerne le domaine des actionneurs. On entend par "actionneur" un dispositif apte à déplacer un organe utile, par exemple une aiguille indicatrice. Plus précisément, la présente invention concerne un actionneur comprenant un moteur générant une vibration ultrasonore de type elliptique. La présente invention trouve en particulier, mais non exclusivement, application dans la réalisation d'un actionneur apte à déplacer une aiguille indicatrice en regard d'un cadran, dans un tableau de bord de véhicule automobile pour mettre à disposition du conducteur différents paramètres relatifs au véhicule, par exemple la vitesse de celui-ci, la température du moteur, le niveau d'huile, etc... Dans le cadre de la présente invention, le moteur générant une vibration ultrasonore de type elliptique, est formé de préférence d'un moteur piézo-électrique ou d'un moteur magnéto-strictif. On a déjà proposé différents moteurs piézo-électriques. Ceux-ci peuvent être formés, comme représenté sur la figure l annexée, de deux céramiques piézo-électriques 10, 12 superposées sur un support 20 et adaptées pour travailler respectivement en vibration transversale, soit au cisaillement, pour la céramique 10 et en vibration longitudinale, soit en contraction/extension, pour la céramique 12. Lorsque ces deux céramiques 10, 12 sont excitées à la même fréquence, vers la résonnance, mais avec un déphasage de plus ou moins 't(/2, l'extrémité libre du moteur ainsi formée opposée au support 20 décrit un mouvement elliptique. Ce mouvement elliptique peut être exploité pour déplacer une pièce 30 reposant sur ce moteur piézo-électrique avec une force F contrôlée. En pratique, les moteurs piézo-électriques peuvent prendre diverses configurations, par exemple un simple barreau formé d'un empilement de deux céramiques piézo-électriques comme schématisé sur la figure 1, ou encore une rondelle formée par juxtaposition d'un grand nombre de céramiques piézo-électriques. Dans le cas d'une rondelle, celle-ci est excitée sous un mode de vibration à onde progressive et prend la forme d'une rondelle ondulée. La rotation se fait par roulement et frottement. Un moteur piézo-électrique fabriqué par SHINSEI Corporation et susceptible d'être utilisé dans le cadre de la présente invention est décrit par exemple dans le document JEE Janvier 1988, pages 42 à 44 : "A new concept in motors : Ultrasonic Wave Oscillation Drive Energy". Les moteurs magnéto-strictifs sont directement équivalents aux moteurs piézo-électriques. Les moteurs magnéto-strictifs comprennent des matériaux commandés par un champ magnétique tandis que les moteurs piézo-électriques comprennent des matériaux commandés par un champ électrique. On a déjà proposé d'utiliser ces moteurs piézo-électriques pour piloter des actionneurs. Toutefois, les moteurs piézo-électriques présentent un grave inconvénient: ils ne présentent aucun repère de position, et même s 'il n'existe pas de glissement entre la pièce entraînée 30 et le moteur piézo-électrique 10, 20, la vitesse étant proportionnelle à l'amplitude de la vibration, un recalage périodique de la position de la pièce entraînée 30 est indispensable. Pour tenter de résoudre cette difficulté, on a déjà envisagé d'associer le moteur à un capteur de position formé par exemple d'une sonde à effet Hall et d'une cible ou encore d'un capteur potentiométrique. Ces solutions ne donnent cependant pas satisfaction. Elles sont couteuses, encombrantes et peu fiables. La présente invention a pour but d'éliminer les inconvénients de la technique antérieure. Ce but est atteint selon la présente invention grâce à un actioneur du type comprenant un moteur à vibration ultrasonore de type elliptique et une pièce entraînée en contact avec le moteur caractérisé par le fait qu'il comprend une cellule détectrice piézo-sensible en contact avec la pièce entraînée, apte à délivrer un signal représentatif des vibrations reçues, et des moyens aptes à mesurer le décalage temporel entre le signal d'excitation appliqué au moteur et le signal délivré par la cellule détectrice résultant de la propagation dans la pièce entraînée, des vibrations engendrées par le moteur. Dans le cadre de la présente invention, la cellule détectrice est formée de préférence d'une cellule piézo-électrique réceptrice, bien que l'on puisse envisager d'utiliser une cellule en matériau magnéto-strictif associé à une bobine. D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemple non limitatif et sur lesquels - la figure I précédemment décrite représente schématiquement un moteur piézo-électrique connu, - la figure 2 représente schématiquement selon une vue en coupe axiale, un actionneur conforme à la présente invention, - la figure 3 représente une vue en plan d'un rotor utilisé dans un actionneur conforme à la présente invention, et - la figure 4 représente sous forme de blocs fonctionnels, des moyens de mesure et d'asservissement conformes à la présente invention. L'actionneur conforme à la présente invention représenté sur les figures annexées comprend essentiellement un bati 100, un moteur 200, une pièce entraînée 300, une cellule détectrice 400 et des moyens de mesure et d'asservissement 500. Le bati 100 peut faire l'objet de nombreuses variantes de réalisation. On l'a schématisé sur la figure 2 sous forme de deux plaques de circuit imprimé parallèles 110, 120 reliées par des piliers 130 qui leur sont perpendiculaires. Ceux-ci peuvent servir de contact électrique, de centrage et d'assemblage. Les deux plaques 110, 120 sont munies d'alésages coaxiaux 112, 122. Le moteur 200 est un moteur à vibrations ultrasonores de type elliptique comme indiqué précédemment. Il peut s'agir d'un moteur piézo-électrique ou d'un moteur magnéto-strictif. Sur la figure 2, le moteur piézo-électrique 200 est schématisé sous forme de la superposition d'une première céramique piézo-électrique 210 supportée par la face interne 124 de la plaque 120, et d'une deuxième céramique piézo-électrique 220. La première céramique piézo-électrique 210 travaille en contraction/extension soit perpendiculairement à la plaque 120. La seconde céramique piézo-électrique 220 travaille au cisaillement soit parallèlement à la plaque 120. Lorsque les deux céramiques sont excitées par des signaux électriques déphasés de + */2, une pièce d'entraînement 230 liée à la céramique 220 suit en mouvement elliptique. Bien entendu dans la pratique le moteur 200 pourra être formé de toute structure connue de l'homme de l'art. Selon les figures 2 et 3, la pièce entraînée 300 est formée d'un rotor 310 lié à un arbre 320. L'arbre 320 est centré sur un axe 322. I1 peut porter une aiguille indicatrice. Le rotor 310 est formé d'une plaque plane orthogonale à l'axe 322. I1 est formé de préférence de métal, bien que le rotor 310 puisse être formé de tout matériau apte à transmettre des vibrations. L'arbre 320 est engagé dans les alésages 112, 122 et guidé à rotation par ceux-ci autour de l'axe 322. Le rotor 310 est sollicité en appui contre la pièce d'entraînement 230 par un ressort 350 intercalé entre la seconde plaque 110 et le rotor 310. L'homme de l'art comprendra que le moteur 200 étant excentré par rapport à l'axe 322, l'actionnement du moteur 200 permet d'entraîner le rotor 310 et l'arbre 320 à rotation autour de l'axe 322. Selon la représentation donnée sur les figures 2 et 3 le rotor 310 comprend plus précisément un anneau plan ouvert 312 relié à un moyeu central 314 solidaire de l'arbre 320, et relié par un bras radial 316 à une extrémité de l'anneau ouvert 312. Le rayon de l'anneau 312 est tel que celui-ci repose sur la pièce d'entraînement 230. La cellule détectrice 400 est en contact avec le rotor 310. La cellule détectrice 400 est conçue pour générer un signal de sortie représentatif des vibrations qu'elle reçoit. La cellule détectrice 400 peut faire l'objet de nombreuses variantes. Elle peut être formée d'une cellule piézo-électrique ou d'une cellule de matériau magnéto-strictif associée à une bobine. Selon la représentation donnée sur la figure 2, la cellule détectrice 400 est portée par le moyeu 314. Elle peut cependant être placée en tout autre point du rotor 310, par exemple sur le bras de liaison 316 ou encore sur l'anneau ouvert 312, par exemple sur l'extrémité de celui-ci. La cellule détectrice 400 peut être de toute forme appropriée, par exemple sous forme de rondelle, disque, etc La cellule détectrice 400 génère un signal de sortie lié aux vibrations engendrées par le moteur 200 et transmis par le rotor 310 entre le moteur 200 et la cellule 400. Ainsi en comparant le décalage temporel entre le signal d'excitation appliqué au moteur 200 et le signal de sortie issu de la cellule 400, on peut connaître le temps de propagation des vibrations dans le rotor, donc la longueur du rotor 310 placée entre le moteur 200 et la cellule 400, et de là la position du rotor 310. Et on peut asservir cette position à une position de consigne en contrôlant le déphasage entre les deux signaux d'excitation appliqués respectivement aux deux céramiques motrices 210, 220, sachant que si un déphasage de + t/2 entre ces deux signaux d'excitation provoque la rotation du rotor 310 dans un sens, un déphasage de -Xt/2 entre les mêmes signaux d'excitation provoque la rotation du rotor 310 dans l'autre sens. Le circuit de mesure et d'asservissement 500 représenté sur la figure 4 comprend - un filtre 510 qui reçoit le signal issu de la cellule détectrice 400, - un module amplificateur 520 relié à la sortie du filtre 510, - un oscillateur 530 qui attaque l'une des céramiques motrices, par exemple la céramique 210 qui travaille en contraction/extension, - un module 540 qui mesure le déphasage entre le signal d'excitation issu de l'oscillateur 530 et le signal de mesure issu de l'amplificateur 520, - un module 550 de conversion phase/angle relié à la sortie du module 540, - un circuit de mise en forme 560 qui reçoit en entrée une grandeur à afficher, - un circuit de comparaison 570 qui compare le signal de consigne issu du module de mise en forme 560 et le signal réel issu du module 550 et génère un signal d'erreur en conséquence à sa sortie, - un module logique de traitement 580 relié à la sortie du circuit 570, - deux modules déphaseurs respectivement de + t/2 et - t/2, 582, 584, reliés à la sortie de l'oscillateur 530, et - un commutateur-inverseur 590 piloté par le module logique 580 et conçu pour appliquer sélectivement soit le signal issu du module déphaseur 582, soit le signal issu du module déphaseur 584, à la seconde céramique piézo-électrique 220, selon le sens du signal d'erreur issu du circuit de comparaison 570. Le circuit 500 représenté sur la figure 4 peut assurer un lissage et un amortissement. I1 peut être réalisé sous forme d'un circuit intégré. Bien entendu la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation particulier qui vient d'être décrit mais s'étend à toutes variantes conformes à son esprit. Le rotor 310 peut faire l'objet de nombreuses variantes de réalisation. Il est avantageusement pourvu d'un revêtement anti-friction. La pièce entraînée 300 peut être guidée à translation et non pas à rotation. Le moteur 200 peut être commandé par des impulsions et non des signaux d'excitation sinusoldaux. Il suffit alors de repérer le temps de parcours des vibrations entre le moteur 200 et la cellule détectrice 400. Selon encore une autre variante, la cellule détectrice 400 peut être formée par l'une des cellules piézo-électriques motrices 210, 220. Dans ce cas, la cellule détectrice 400 détecte les vibrations réfléchies sur une face du rotor 310 après propagation dans celui-ci. L'actionneur conforme à la présente invention est économique, précis, il peut s'intégrer aisément sur une plaque de circuit imprimé et offre un couple moteur élevé sous tension ainsi qu'un couple résistant élevé à l'état hors tension. On notera que la cellule détectrice 400 n'est active qu'à l'état excité du moteur 200, c'est-à-dire lorsque celui-ci génère des vibrations. Pour garantir une position précise à l'organe utile lié au rotor, on peut prévoir différentes dispositions dans le cadre du processus d'asservissement. On peut prévoir de commuter l'élément 590 à fréquence élevée pour alimenter l'une des céramiques du moteur alternativement en + tuf/2 et - /2, lorsque la position de consigne est atteinte afin de faire osciller l'organe utile à fréquence élevée autour de cette position. On peut aussi appliquer au moteur 200 des signaux de commande en phase et non plus déphasés, pour générer des vibrations, sans déplacement du rotor, une fois la position de consigne atteinte. On peut aussi interrompre l'alimentation du moteur 200 lorsque la position de consigne est atteinte et mémoriser cette position. Le ressort 350 représenté sur la figure 2 peut être remplacé par un galet associé à un ressort. La force élastique sollicitant le rotor 310 contre la pièce d'entraînement 230 peut aussi être une force d'attraction magnétique, par exemple en utilisant un rotor 310 en matériau magnétique et en plaçant un aimant à proximité de celui-ci. REVENDICATIONS 1. Actionneur du type comprenant un moteur (200) à vibration ultrasonore de type elliptique et une pièce (300) entraînée en contact avec le moteur (200) caractérisé par le fait qu'il comprend une cellule détectrice piézo-sensible (400) apte à délivrer un signal représentatif des vibrations reçues, en contact avec la pièce entraînée (300) et des moyens (500) aptes à mesurer le décalage temporel entre le signal d'excitation appliqué au moteur (200) et le signal mesuré aux bornes de la cellule détectrice (400) résultant de la propagation dans la pièce entraînée (300), des vibrations engendrées par le moteur (200). 2. Actionneur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le moteur (200) est un moteur piézo-électrique. 3. Actionneur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le moteur (200) est un moteur magnéto-strictif. 4. Actionneur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la cellule détectrice (400) est une cellule piézo-électrique. 5. Actionneur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la cellule détectrice (400) est une cellule magnéto-strictive. 6. Actionneur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que la pièce entraînée (300) est en métal. 7. Actionneur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que la pièce entraînée (300) est guidée à rotation. 8. Actionneur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que la pièce entraînée (300) est formée d'un rotor (310) qui comprend un anneau ouvert (312), un moyeu (314) solidaire d'un arbre (320) et un bras de liaison généralement radial (316) qui relie le moyeu (314) à l'anneau ouvert (312). 9. Actionneur selon la revendication 8, caractérisé par le fait que la cellule détectrice (400) est placée sur le moyeu (314). 10. Actionneur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que la pièce entraînée (300) est guidée à translation. 11. Actionneur selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que le moteur (200) comprend au moins une paire de céramiques piézo-électriques (210, 220) travaillant respectivement au cisaillement et en contraction/extension. 12. Actionneur selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé par le fait que les moyens de mesure (500) forment un asservissement et comprennent - un filtre (510) qui reçoit le signal issu de la cellule détectrice (400), - un module amplificateur (520) relié à la sortie du filtre (510), - un oscillateur (530) qui applique un premier signal au moteur (200), - un module (540) qui mesure le déphasage entre le signal d'excitation issu de l'oscillateur (530) et le signal de mesure issu de l'amplificateur (520), - un module (550) de conversion phase/angle relié à la sortie du module (540) mesurant le déphasage, - un circuit de mise en forme (560) qui reçoit en entrée une grandeur à afficher, - un circuit de comparaison (570) qui compare le signal de consigne issu du module de mise en forme (560) et le signal réel issu du module de conversion (550) et génère un signal d'erreur en conséquence à sa sortie, - un module logique de traitement (580) relié à la sortie du circuit de comparaison (570), - deux modules déphaseurs respectivement de +tu/2 et - F/2, (582, 584), reliés à la sortie de l'oscillateur (530), et - un commutateur-inverseur (590) piloté par le module logique (580) et conçu pour appliquer sélectivement au moteur, en tant que second signal, soit le signal issu du premier module déphaseur (582), soit le signal issu du second module déphaseur (584), selon le sens du signal d'erreur issu du circuit de comparaison (570). 13. Actionneur selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé par le fait qu'un ressort (350) sollicite la pièce entraînée (310) en appui sur le moteur (200). 14. Actionneur selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé par le fait qu'une force magnétique sollicite la pièce entraînée (310) en appui sur le moteur (200). 15. Actionneur selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé par le fait que les moyens de mesure (500) sont réalisés sous forme d'un circuit intégré. 16. Actionneur selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé par le fait que la cellule détectrice (400) est formée de l'une des cellules motrices (210, 220). 17. Actionneur selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé par le fait que le moteur (200) est commandé par impulsions. 18. Actionneur selon l'une des revendications 1 à 17, caractérisé par le fait qu'une aiguille indicatrice est liée à la pièce entraînée (310).