Brevet FR2712514A1 — publié le 19950524

La présente invention concerne un moteur à ultrasons qui fournit une force d'entraînement en engen- drant un mouvement elliptique d'un organe élastique en forme de barreau, et elle concerne plus précisément un moteur à ultrasons du type destiné à provoquer une dégénérescence d'un mode de vibration longitudinale et d'un mode de vibration transversale. La figure 4 représente un moteur linéaire classique à ultrasons. Dans un moteur linéaire classique à ultra- sons, un vibrateur 102 destiné à exciter une vibration est placé au niveau d'un premier côté d'extrémité d'un organe élastique 101 en forme de barreau, et un vibreur 103 destiné à commander une vibration est placé au niveau de l'autre côté d'extrémité de l'organe élastique 101. Des organes 102a et 103a de vibration sont raccordés respectivement aux vibreurs 102 et 103. Une tension alternative est appliquée par un oscillateur 102b à l'organe 102a de vibration pour l'excitation d'une vibration qui met l'organe élastique 101 en vibration. Cette vibration se propage dans l'organe élastique 101 en forme de barreau en constituant une onde progressive. Avec cette onde progressive, un organe mobile 104 qui çst en contact par pression avec l'organe élastique 101 est entraîné. D'autre part, la vibration de l'organe élastique 101 est transmise à l'organe 103a de vibration par le vibreur 103 pour la commande de cette vibration et l'organe 103a transforme l'énergie de la vibration en énergie électrique. La vibration est absorbée par consommation d'énergie électrique par une charge 103b qui est connectée à l'organe 103a. Le vibreur 103 qui commande la vibration supprime la réflexion d'une onde à la face d'extrémité de l'organe élastique 101 et empêche ainsi la création d'une onde stationnaire en mode fondamental par l'organe élastique 101. Le moteur linéaire à ultrasons représenté sur la figure 4 pose les problèmes suivants. D'abord, l'organe élastique 101 en forme de barreau doit avoir une longueur qui correspond à la plage de déplacements de l'organe mobile 104, et l'ensemble de l'organe élastique 101 en forme de barreau doit être mis en vibration, ce qui engendre une augmentation de la dimension de l'appa- reil. En outre, le vibreur 103 qui commande une vibration est nécessaire pour empêcher la création d'une onde stationnaire en mode fondamental. Divers moteurs à ultrasons de type astable ont déjà été proposés pour la solution des problèmes précités. Par exemple, un moteur à plusieurs modes de vibrations "L1-B4 multimode vibration motor" décrit dans uPiezoelectric Linear Motors for Application to Driving a Light Pick- Up Element" de "Lecture Papers of Fifth Dynamics Symposium Associated With Electromagnetic Force" est déjà connu. Les figures 5A à 5C représentent ce moteur à plusieurs modes de vibrations L1-B4 de la technique antérieure, la figure 5A étant une vue en élévation frontale, la figure 5B une vue en élévation latérale et la figure 5C une vue en plan. Un organe élastique 1 comporte une partie de base la ayant une configuration rectangulaire en plan et des saillies lb et lc formées sur une première surface de la partie de base la. Des éléments piézoélectriques 2 et 3 sont collés à l'autre face de la partie de base la de l'organe élastique 1 et créent un mode de vibration longitudinale Li et un mode de vibration transversale B4. Les saillies lb et lc de l'organe élastique 1 ont des positions de ventres du mode de vibration transversale B4 dans la partie de base la et sont repoussées contre des rails de guidage (non représentés). Cependant, dans le moteur précité représenté sur les figures SA à 5C, comme deux modes de vibrations, le mode de vibration longitudinale et le mode de vibra- tion transversale, sont créés dans l'organe élastique 1, si l'organe élastique 1 n'est pas convenablement suppor- té, les vibrations créées sont atténuées de manière indésirable. La présente invention a pour objet la réalisation d'un moteur à ultrasons qui permet la solution des problèmes précités et qui permet l'élimina- tion d'une perte du fait du support tout en empêchant l'atténuation des vibrations, un mode de vibration longitudinale et un mode de vibration transversale, dans la mesure du possible. A cet effet, l'invention concerne un moteur à ultrasons, du type qui comporte un organe élastique et un élément transducteur électromécanique couplé à l'organe élastique et qui provoque la création, par l'élément transducteur électromécanique, d'un mode de vibration longitudinale et d'un mode de vibration transversale dans l'organe élastique et engendre une force d'entraînement à partir d'une position prédé- terminée de l'organe élastique d'après le mouvement elliptique dû à une vibration composite formée par les deux modes de vibrations, dans lequel le moteur à ultra- sons comporte un dispositif de support de l'organe élastique à une position voisine d'une position à laquelle un noeud du mode de vibration longitudinale coïncide avec un noeud du mode de vibration transversale. Le dispositif de support peut être réalisé afin qu'il supporte une partie pratiquement centrale, dans une direction de vibration longitudinale, de l'organe élastique. Le dispositif de support peut avoir une construction telle qu'il met l'organe élastique en contact par pression avec une partie fixe en pressant l'organe élastique contre la partie fixe. En outre, l'organe de support peut avoir une construction telle qu'il place l'organe élastique en contact par pression avec une partie fixe, par traction de l'organe élastique vers la partie fixe. Selon la présente invention, comme l'organe élastique est supporté par utilisation d'une position dans laquelle le noeud du mode de vibration longitudinale coïncide avec celui du mode de vibration transversale et d'une position voisine de la position de coïncidence, un état de support dépourvu de perte de support peut être obtenu avec une atténuation pratiquement nulle des deux vibrations, le mode de vibration longitudinale et le mode de vibration transversale. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront mieux de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexes sur lesquels: les figures 1A à 1D sont des vues représen- tant un premier mode de réalisation de moteur à ultrasons selon l'invention, la figure 1A représentant la disposi- tion générale, la figure lB représentant des éléments piézoélectriques fixés à un organe élastique et leurs états de polarisation, la figure 1C étant une vue en plan de l'organe élastique et des éléments piézoélectriques, et la figure 1D étant une vue en perspective d'une structure destinée à exercer une pression sur l'organe élastique contre une partie fixe; les figures 2A à 2D sont des vues utiles pour la description du fonctionnement lors du pilotage du moteur à ultrasons du premier mode de réalisation; les figures 3A et 3B sont des vues représen- tant le second mode de réalisation d'un moteur à ultra- sons selon l'invention, la figure 3A étant une vue en élévation frontale et la figure 3B une vue en plan; la figure 4 est une vue représentant un moteur linéaire classique à ultrasons; et les figures 5A à 5C sont des vues représen- tant un exemple d'un moteur à plusieurs modes de vibra- tions L1l-B4, la figure 5A étant une vue en élévation frontale, la figure 5B une vue en élévation latérale et la figure 5C une vue en plan. On décrit maintenant plus en détail des modes de réalisation préférés de l'invention en référence aux dessins annexés. Les figures 1A à 1D sont des vues repré- sentant le premier mode de réalisation d'un moteur à ultrasons selon l'invention. Un organe élastique 11 possède une partie de base lla et deux saillies llb et lic. Des éléments piézoélectriques 12 et 13 destinés à créer un mode de vibration longitudinale L1 et un mode de vibration transversale B4 sont placés sur la partie de base lla. Les fonctions des éléments respectifs sont les mêmes que celles des éléments représentés sur les figures 5A à 5C. Dans ce mode de réalisation, les éléments piézoélectriques 12 et 13 sont polarisés comme l'indique la figure lB et subissent l'application de tensions biphasées d'entrée A et B indiquées sur la figure 2A, comme décrit dans la suite. Deux broches 14 sont placées dans la partie centrale de la partie de base lla de l'organe élastique 11. Comme l'indiquent les figures 2A à 2D qui sont décrites dans la suite, la position centrale est une position qui correspond aux noeuds des deux vibrations, le mode de vibration longitudinale L1 et le mode de vibration transversale B4. La position de chaque broche 14 est la position centrale, dans la direction de l'épaisseur et dans la direction longitudinale, de l'organe élastique 11. En conséquence, le support de l'organe élastique 11 dans cette position ou une position voisine de cette position est le plus avantageux pour le rendement de support. Un organe 15 de support repousse les broches 14 dans le sens qui les sépare d'une partie fixe 20 et repousse une partie fixe 19 par l'intermédiaire d'un dispositif 16 de compression (par exemple un ressort) et d'organes 17 et 18 de soutien (par exemple des galets). Les parties de l'extrémité externe des deux saillies 11b et lic de l'organe élastique 11 sous pression sont mises en contact sous pression avec la partie fixe 19, et un mouvement relatif se produit entre les deux saillies 11b et 11c et la partie fixe 19. Comme l'indiquent les figures 1A à 1D, ce moteur à ultrasons forme une vibration composite consti- tuée de vibrations transversale et longitudinale par application de tensions à hautes fréquences A et B aux deux éléments piézoélectriques 12 et 13, et cette vibration provoque un mouvement elliptique des extrémités externes des saillies 11b et 11c et ainsi la création d'une force d'entraînement. Il faut noter que la réfé- rence G désigne la masse. Les deux éléments piézoélectri- ques 12 et 13 sont polarisés afin qu'ils aient des polarités dans le même sens, et les tensions à hautes fréquences A et B présentent un déphasage égal à x/2 entre elles. Il faut noter que les deux éléments piézoé- lectriques 12 et 13 peuvent être polarisés en sens opposés. La figure 2A représente un changement dans le temps des tensions biphasées à hautes fréquences A et B transmises au moteur à ultrasons entre le temps tl et le temps t9. Les abscisses de la figure 2A représentent la valeur efficace de la tension à hautes fréquences. La figure 2B représente un état de déformation de la section du moteur à ultrasons, c'est-à-dire le changement dans le temps (tl à t9) de la vibration transversale créée dans le moteur à ultrasons. La figure 2C représente un état de déformation de la section du moteur à ultrasons, c'est-àdire un changement dans le temps (tl à t9) de la vibration longitudinale créée dans le moteur à ultrasons. La figure 2D représente un changement dans le temps (tl à t9) du mouvement elliptique créé par les saillies 11b et 11c du moteur à ultrasons. On décrit maintenant le fonctionnement du moteur à ultrasons de ce mode de réalisation sous forme des changements élémentaires au cours du temps (tl à t9). Au temps tl comme l'indique la figure 2A, une tension positive est créée comme tension à hautes fréquences A et, de même, une tension positive de même valeur absolue que la tension A est créée pour la tension B à hautes fréquences. Comme l'indique la figure 2B, les moments de flexion qui dépendent des tensions A et B se compensent et les points Y1 et Zl des masses ont des déplacements nuls. Comme l'indique la figure 2C, des vibrations longitudinales qui dépendent des tensions à hautes fréquences A et B sont créées dans le sens d'une dilatation. Les points Y2 et Z2 des masses présentent une dilatation maximale avec un noeud X au centre comme indiqué par la flèche de la figure 2C. En conséquence, comme l'indique la figure 2D, les deux vibrations sont mélangées, un mouvement composite dû au mouvement des points Y1 et Y2 apparaît comme mouvement du point de masse Y, et un mouvement composite formé des mouvements des points Zl et Z2 apparaît comme mouvement du point de masse Z. Au temps t2, comme l'indique la figure 2A, la tension à hautes fréquences B devient nulle, et une tension positive est créée comme tension A. Comme l'indique la figure 2B, un mouvement de flexion qui dépend de la tension A est créé, le point de masse Y1 se déplace dans le sens positif et le point de masse Zl se déplace dans le sens négatif. Comme l'indique la figure 2C, une vibration longitudinale est créée d'après la tension A, et les points Y2 et Z2 se contractent par rapport à eux au temps tl. En conséquence, comme l'indi- que la figure 2D, les deux vibrations sont mélangées et les points Y et Z se déplacent dans le sens des aiguilles d'une montre à partir des positions au temps tl. Au temps t3 indiqué sur la figure 2A, une tension positive est créée comme tension A à hautes fréquences et, de même, une tension négative de même valeur absolue que la tension A est créée comme tension B à hautes fréquences. Comme l'indique la figure 2B, les mouvements de flexion qui dépendent des tensions A et B sont mélangés et amplifiés, et le point Y1 est amplifié dans le sens positif par rapport au temps t2 afin qu'il donne un déplacement positif maximal. En outre, le point Zl est amplifié dans le sens négatif par rapport au temps t2 et donne un déplacement négatif maximal. Comme l'indique la figure 2C, les vibrations longitudinales dues aux tensions A et B se compensent et les points Y2 et Z2 reviennent à leur position d'origine. En conséquen- ce, comme l'indique la figure 2D, les deux vibrations sont mélangées et les points Y et Z se déplacent dans le sens des aiguilles d'une montre depuis leur position au temps t2. Au temps t4 indiqué sur la figure 2A, la tension A à hautes fréquences devient nulle et une tension négative est créée comme tension B à hautes fréquences. Comme l'indique la figure 2B, un mouvement de flexion qui dépend de la tension B est créé, le déplacement du point Y1 diminue par rapport à celui du temps t3 et le déplacement du point Zl devient aussi plus petit qu'au temps t3. Comme l'indique la figure 2c, une vibration longitudinale qui dépend de la tension B est créée et les points Y2 et Z2 se contractent. En consé- quence, comme l'indique la figure 2D, les deux vibrations sont mélangées et les points Y et Z se déplacent dans le sens des aiguilles d'une montre depuis les positions du temps t3. Au temps t5, comme l'indique la figure 2A, une tension négative est créée comme tension A à hautes fréquences et, de même, une tension négative de même valeur absolue que la tension A est créée comme tension B à hautes fréquences. Comme l'indique la figure 2B, les mouvements de flexion qui dépendent des tensions A et B se compensent et les déplacements des points Y1 et Zl deviennent nuls. Comme l'indique la figure 2C, les vibra- tions longitudinales qui dépendent des tensions A et B sont créées dans le sens de la contraction. Les points Y2 et Z2 présentent une contraction maximale avec le noeud X au centre, comme indiqué par la flèche de la figure 2C. En conséquence et comme l'indique la figure 2D, les deux vibrations se mélangent et les points Y et Z se déplacent dans le sens des aiguilles d'une montre depuis les positions du temps t4. Lorsque le temps s'écoule du temps t6 au temps t9, les vibrations transversales et les vibrations longitudinales sont créées de la même manière que d'après le principe précité si bien que, comme l'indique la figure 2D, les points Y et Z se déplacent dans le sens des aiguilles d'une montre en domnnant des mouvements elliptiques. Comme on peut le noter d'après les opéra- tions qui précèdent, le centre X de l'organe élastique 11 représente la position du noeud qui n'est déplacé ni par la vibration transversale représentée sur la figure 2B ni par la vibration longitudinale représentée sur la figure 2C. Avec le principe précité, le moteur à ultrasons peut créer des mouvements elliptiques aux extrémités externes des saillies llb et 11c avec création d'une force d'entraînement. En conséquence, lorsque les extrémités externes des saillies llb et 11c sont repous- sées contre la partie fixe 19, l'organe élastique 11 se déplace par rapport à la partie fixe 19. Les figures 3A et 3B représentent le second mode de réalisation de moteur à ultrasons selon l'inven- tion. Il faut noter que les mêmes références numériques désignent des parties ayant les mêmes fonc- tions que dans le premier mode de réalisation, et la répétition de leur description est évitée. Un organe 21 de support repousse une broche 14A afin qu'elle soit tirée vers une partie fixe 25 par l'intermédiaire d'un dispositif de compression 22 (ressort) et d'organes de soutien 23 et 24 (galets). L'organe 21 de support, le dispositif 22 de compression et les organes 23 et 24 de soutien ont de même une broche 14B placée du côté opposé à la broche 14A. Les parties d'extrémité externe des deux saillies 11B et 11C de l'organe élastique 11 sont mises en contact sous pression avec la partie fixe 25, et un mouvement relatif se produit entre les deux saillies llb et 11c et la partie fixe 25. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation précédents car des changements et modifica- tions peuvent être apportés. Par exemple, l'organe élastique peut être repoussé contre la partie fixe 19 sous l'action de son propre poids. Comme décrit précédemment, selon l'invention, comme l'organe élastique est supporté par utilisation d'une position à laquelle le noeud du mode de vibration longitudinale coïncide avec celui du mode de vibration transversale et d'une position voisine de la position de coïncidence, un état de support sans perte au support peut être obtenu avec une atténuation presque nulle des deux vibrations, celle du mode longitudinal et celle du mode transversal. REVENDICATIONS 1. Moteur à ultrasons, du type qui comporte un organe élastique (11) et un élément transducteur électromécanique (12, 13) couplé à l'organe élastique (11) et qui provoque la création, par l'élément transduc- teur électromécanique (12, 13), d'un mode de vibration longitudinale et d'un mode de vibration transversale dans l'organe élastique (11) et engendre une force d'entraîne- ment d'une position prédéterminée de l'organe élastique (11) d'après le mouvement elliptique dû à une vibration composite formée par les deux modes de vibrations, caractérisé en ce que le moteur à ultrasons comporte un dispositif (15) de support de l'organe élastique (11) à une position voisine d'une position à laquelle un noeud du mode de vibration longitudinale coïncide avec un noeud du mode de vibration transversale. 2. Moteur à ultrasons selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif (15) de support assure le support d'une partie pratiquement centrale de l'organe élastique (11), dans la direction de la vibra- tion longitudinale. 3. Moteur à ultrasons selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe élastique (11) est au contact d'un organe (19) de déplacement relatif en position prédéterminée de celui-ci, et l'organe élastique (11) se déplace par rapport à l'organe (19) de déplace- ment relatif. 4. Moteur à ultrasons selon la revendication 3, dans lequel le dispositif (15) de support met l'organe élastique (11) en contact par pression avec l'organe (19) de déplacement relatif en pressant l'organe élastique (11) vers l'organe (19) de déplacement relatif. 5. Moteur à ultrasons selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif (15) de support met l'organe élastique (11) en contact par pression avec l'organe (19) de déplacement relatif par application d'une force de traction à l'organe élastique (11) dans le sens de l'organe (19) de déplacement relatif. 6. Moteur à ultrasons, caractérisé en ce qu'il comprend: un organe élastique (11), un élément transducteur électromécanique (12, 13) couplé à l'organe élastique (11) et destiné à créer un mode de vibration longitudinale et un mode de vibra- tion transversale dans l'organe élastique (11), et un organe (15) de support couplé à l'organe élastique (11) afin qu'il supporte l'organe élastique (11) à une position voisine de la position à laquelle coïncident un noeud du mode de vibration longitudinale et un noeud du mode de vibration transversale. 7. Moteur à ultrasons selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'organe élastique (11) comporte des saillies (14) formées en position prédéterminée sur l'organe élastique (11), afin que le moteur électrique engendre une force d'entraînement des saillies (14) lors du mouvement elliptique provoqué par la vibration composite formée des deux modes de vibration.