Brevet FR2724787A1 — publié le 19960322

-t MACHINE A ONDES ACOUSTIQUES DE SURFACE La présente invention concerne une machine à ondes acoustiques de surface. Des moteurs à ondes acoustiques de surfaoe ont déjà été décrits, par exemple dans le brevet des Etats-Unis d'Amâ- rique 4 562 374 de T. Sashida. Le principe de fonctiornement d'un tel moteur est illustré en figure 1 du brevet Sashida reproduite dans la figure 1 ci-jointe. Une onde progressive de surface de type onde de Rayleigh produite à la surface d'un corps élastique fixe 1 provoque à la surface de ce corps des ondulations. Si une pièce mobile 2 est pressée contre le corps 1, elle sera entrairne par le déplacement des somes A-A' de ces ondulations. Les sommets A-A' parcourent une trajectoire elliptique Q et leur vitesse de déplacement transversal est liée à la fréquence d'oscillation et à l'amplitude de leur déplaoe- ment. En pratique, la fréquence d'excitation des ondes de sur- face doit être voisine d'une fréquence de réscnance du corps à la surface duquel on veut produire ces ondes et cette fréquence ne peut être modifiée que dans une petite plage si l'on veut garder une amplitude non-négligeable (par exemple de l'ordre de micromètres) des déplacements des sommets orthgonaleont & la surface dans laquelle sont formées les ondulations. légerUn 1 désaccord de fréquence par rapport à la fréquence de résonance se traduit par une variation importante d'amplitude. Ainsi, la relation entre la vitesse de déplacement des sommets A et A' dans la direction de la flèche N et la fréquence d'excitation est une relation non-linéaire caomplexe. Le moteur à ondes acoustiques de surfaoe du brevet des Etats-Unis d'Amérique 4 562 374 présente les avantages d'un relativement bon rendement, d'un faible encubrenent et d'un faible poids pour un couple donném, et de l'existence d'un couple de maintien à l'arrêt (c'est-à- dire qu'en l'absence de signal, la pièce mobile 2 est appliquée contre la pièce fixe i et qu'une force de frottement non-négligeable existe entre elles). Néanmoins, ce moteur présente l'inconvénient de ne pouvoir être condé en vitesse autrement qu'en prévoyant un système de capteur et de boucle de réaction. Il en est de mêe si l'on veut cammander ce moteur en position. L'utilisation de tels capteurs et boiucles d'asservissement entraine une op lexi- fication importante du moteur et un coût élevé qui détruit les avantages premiers de ce moteur. Pour résoudre ce problème, Satoshi Segawa (NEC Res. & Develop., Vol. 33, N 1, Janvier 1992) a proposé d'intégrer un capteur de déplacement au moteur lui-même. La figure 2 de la présente demande reproduit la figure 1 de cet article de Segawa qui concerne une réalisation d'un mo- teur dans lequel le stator et le rotor sont constitués de pièces annulaires 11 et 12 en regard sollicitées l'une contre l'autre par un ressort 13. Un système d'excitation constitué d'une cêra- mique piézoélectrique 14 est fixé à la fae arrière du stator 11 pour y créer des ondes acoustiques de surface. Entre l'anneau statorique 11 et l'anneau rotorique 12 sont disposées succes- sivement une garniture 15 et une bague détectrice en cramique piézoélectrique 16. Segawa expose que les compressions produites par les ondes acoustiques de surface du stator et transmuises par la garniture 15 à la bague détectrice 16 permettent de détecter un déphasage entre le rotor et le stator et donc de donner une indication de la position en rotation du rotor par rapport au stator. Ce système présente 1'inconvénient d'être relativemenit complexe puisqu'il rnécessite l'emploi d'un détecteur constitué d'une couronne piézoélectrique spécifique dont les différents secteurs doivent être convenablement câblés les uns aux autres. De plus, cornmme ce détecteur ne peut être appliqué directement contre le stator, il faut prévoir une garniture supplémentaire. Ces diverses adjonctions augmentent l'inertie du rotor et donc en particulier son temps de réponse. Par ailleurs, les système de détection de phase impliquent 1' utilisation de circuits élec- troniques complexes et précis et, de préférence, des systèmes numériques comne oela est proposé par Segawa. Un objet de la présente invention est de prévoir une machine tournante & rotor et stator annulaires, dans laquelle des ondes acoustiques progressives sont créées dans le stator, cauprenant des moyens simples de détection de la vitesse rela- tive des rotor et stator. Un autre objet de la présente invention est de prévoir l'utilisation d'une telle madchine comme capteur de vitesse de rotation d'un arbre lié au rotor, le rotor n'étant pas entrainé par le stator. Pouir atteindre ces objets, la présente invention prévoit de dimensionner le rotor pour que des vibrations dans la stator y excitent des vibrations de même fréquence et de moindre30 amplitude quand ces deux pièces sont fixes l'une par rapport à 1 'autre, et de détecter les vibrations induites au rotor par le stator. Selon un premier aspect de la présente invention, le rotor est dimensionné pour présenter une fréquence de résonae pour les ondes acoustiques de surface dans le même mode et sensiblement dans la même plage que le stator. Selon un deuxième aspect de la présente invention, le rotor est constitué pour présenter une forte souplesse (c0mpl- ance) dans une direction perpendiculaire à sa surface princi- pale. Ainsi des déformations appliquées à la surface inférieure du rotor se répercuteront du côté de la surfaoe supérieure. Plus particulièrement, la présente invention prévoit une machine tournante comprenant deux pièces annulaires Co- axiales mobiles en rotation 1 'une par rapport à 1 'autre dont les faces en vis-à-vis sont en contact, la première pièce étant excitée en vibration pour y créer des ondes progressives de surface à une fréquence située dans une plage de fr ences de résonance de rarng donné de cette première pièce. La deuxi me pièce est telle que des vibrations dans la première pièce y ex- citent des vibrations de nmême fréquence et de moindre amplitude quand ces deux pi s sont fixes l'une par rapport à l'autre; un détecteur de vibration est monté sur la deuxièm pièce; et un circuit est prévu pour fournir un signal caractéristique de la différence de fréquence entre la fréquence d'excitation de la première pièce et la fréquence de vibration détectée sur la deuxième pièce, cette différence étant cractéristique de la vitesse de rotation relative des deux pièces annulaires. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la première pièce est un stator et la deuxième pièce un rotor. Selon un premier aspect de la présente invention, le rotor est dimensionné pour présenter une fréquece de résonae pour les ondes acoustiques de surface dans le même mode et sensiblement dans la même plage que le stator. Selon un second aspect de la présente invention, le rotor est constitué pour qu'il présente une forte souplesse (cxmpliance) dans une direction axiale. Dans un mode de réali- sation, le rotor comnprend un voile mince de liaison etre 1 'arbre de rotation et une oouronne rotorique de faible section, le détecteur de vibration étant une céramique disposée sur le voile au voisinage de la oeurone. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le coefficient de frottement entre les pièces en regard est éle- vé et le signal de différence est envoyé à une première entrée d'un circuit d'asservissement dont la deuxième entrée reçoit un signal de consigne. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la machine tournante constitue un capteur tachymétrique et le coefficient de frottement entre les pièces en regard est faible, la première pièce étant fixe et la deuxième pièce étant soli- daire d'un arbre entrainé dont on veut détecter la vitesse. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposes en détail dans la description suivante d'un mode de réalisation particulier faite, à titre non-limitatif, en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: les figures 1 et 2, décrites précédemment, rappellent 1 'état de la technique et le problème posé; la figure 3 représente un mode de réalisation d'une machine tournante selon la présente invention; la figure 4 représente un mode de réalisation d'un rotor selon la présente invention; et la figure 5 représente un mode de réalisation d'un système électronique adapté à la machine tournante selon la présente invention. Camme le représente la figure 3, dans un mode de réa- lisation détaillé, la machine tournante selon la présente inven- tion omprend un stator 21 similaire au stator 11 de la figure 2 dont la face arrière est couplée à un excitateur piézoélectrique 22 similaire à 1'excitateur 14 de la figure 2. L'ezitateur piézoélectrique 22 est un élément annulaire polyphasé à polari- sation alternée comprenant, comme cela est illustré en figure 4, une électrode auxiliaire de mesure. Cet excitateur piézoélectri- que est couplé à un bornier 23 par des fils de connexion 24. Ce stator est lié à un bâti 25 muni d'un couvercle 26. En oontact avec le stator est disposé un rotor annulaire 28 en un point au moins de la périphérie duquel est disposé un capteur piézoélec- trique 30. Eventuellement, un produit de revêtement 32 est disposé sur au moins l'une des faces en regard du stator et du rotor. Le rotor est lié à un arbre 32 monté sur des roulements 33 et 34 solidaires du bâti et de son couvercle par exemple par un ensemble de pièces comprenant un disque d'entrainement 36, un ressort 37 pressant le rotor contre le stator, et un support de disque 38. Dans un mode de réalisation, le support de disque est lié à un disque d'alimentation 39 à la face interne duquel sont reliés des conducteurs recevant le signal du capteur piézoélec- trique 30 et dont la face extérieure comprend un collecteur & contacts glissants 40 fournissant un signal sur un bornier 41. Cet agencement mécanique est illustré uniqMent à titre d'exemple et est susceptible de naombreuses variantes, notamment en ce qui concerne les pièces de liaison du rotor & l'arbre et le mode de liaison électrique entre le capteur 30 et le bornier 41. Par exemple, du fait que le signal dudit capteur est un signal de faible énergie disponible sur seulement deux fils, on pourra aisément utiliser un système à transforateur tournant pour éviter l'utilisation d'un système à collecteur toujours susceptible de défaillance. Dans les machines tournantes à excitation piézoélec- trique classiques, telles par exemple que celle décrite par Sagawa, les caractéristiques vibratoires du rotor et rnotament les propriétés de propagation d'ondes progressives de surfae ne sont pas prises en oompte. COn considère ce rotor essentiellement camne un élément rigide susceptible d'être entrainé par le stator. En fait, dans un moteur de petite dimension, ce rotor ne peut être considéré corne parfaitement inerte et il s'y produira nécessairement des vibrations induites par les vibrations stato- riques. Ainsi, de façon générale, le rotor aura une fréquenc propre dans un mode de vibration donné nettement distinct de celui du stator. Par exemple, si le stator est excité à 40 kHz dans le mode 9, le rotor pourra avoir une fréquence de résonance d'une valeur quelconque, par exemple comprise entre 30 et 50 kHz, et pas rnécessairement dans le mode 9. Les vibrations naturelles dans le rotor sont donc en général sans relation de fréquence et de phase avec les vibrations statoriques. Indépen- damment du fait que cela ne permet pas d'utiliser le mode de détection de vitesse de rotor qui sera exposé ci-après, ceci entraine la présence de bruit à des fréquences audibles dues à des battements entre la fréquence appliquée au stator et les fréquences parasites générées au rotor. Ainsi, bien qu'un moteur du type décrit à entraînement piézoélectrique soit théoriquement un moteur à faible bruit puisque les fréquences d'excitation sont élevées (de l'ordre de 40 kHz, c'est-à-dire au-dessus des fréquences audibles) et que les fréquences de rotation sont faibles (quelques tours par minute, c'est-à-dire en dessous des fréquences audibles), ces moteurs se sont néanmoins avérés rela- tivement bruyants en raison, estime la demanderesse, des battements susmentionnés. La présente invention propose des structures de rotor propres à favoriser dans celui-ci le développement de vibrations axiales liées aux ondes de surface développées dans le stator. Selon un premier aspect de la présente invention, le rotor est dimensionné et le matériau le constituant est choisi pour que le rotor présente des fréquences de résonane, c'est-à- dire la possibilité de propagation d'ondes progressives, dans la même plage que le stator mais avec un coefficient de qualité ou facteur de résonance plus faible. Pour cela, une solution simple consiste à utiliser un rotor sensiblement similaire au stator avec toutefois de légères différences, par exemple une variation d'épaisseur, pour décentrer légèrement les fréquences de réso- nance. Ainsi, quand le stator est excité, une onde progressive de même fréquence et de plus faible amplitude que l'onde pro- gressive du stator est induite sur la face du rotor en regard du stator. Le capteur piézoélectrique 30 permet alors de détecter cette onde. Ce peut être un capteur de petite dimension qui est simple à câbler puisqu' il ne comprend que deux sorties et qu'il est situé sur la face arrière du rotor par rapport au stator. Il importe comme aon 1 'a exposé précéd-emnt que le rotor présente un coefficient de qualité ou facteur de réixnmnce pour la fréquence et le mode considéré non nul mais plus faible que celui du stator. En effet, sinon, des déformations sensible- ment de même amplitude seraient générées sur le stator et le rotor et l'effet décrit en figure 1 risquerait de ne plus se produire puisque chaque ondulation saillante du rotor corres- pondrait à une ondulation en creux du rotor et il y aurait un blocage de la rotation. Quand le rotor ne tourne pas, l'onde produite au rotor a la même fréquence que l'onde au stator. Quand le rotor tourne par rapport au stator, les andes produites au rotor et au stator ont une fréquence décalée de la vitesse de rotation relative du rotor par rapport au stator. On peut donc considérer que, si le stator est excité à une fréquence fs, le signal sur le rotor sera à une fréquence fr-fs+F, o F crrespond à la fréquene de rotation de ce rotor. Cette relation suppose que F est très inférieur à fs et que le rotor est entraîné par le statar. Selon un second aspect de la présente invention, le rotor est conformé pour présenter une souplesse ( omplantce) suffisante dans le sens axial pour que des vibrations axiales appliquées à sa face inférieure provoquent une déformation cor- respondante de sa faoe supérieure. Ce résultat peut être obtenu par exemple en utilisant un rotor déformable à disque souple de liaison entre l'arbre et la couronne ou jante rotorique destinée à être en contact avec une couromne statorique. Une telle structure est illustrée très schématiquement dans la vue en coupe de la figure 4. Sur l'arbre 32 est monrtée, par l'intermédiaire d'un disque ou voile très mince 44 (épais- seur inférieure au mm), une couronne statorique 45 dont les dimensions (quelques m) et le matériau (par exemple du dural) sont choisis pour lui coniférer une souplesse suffisante dans le sens axial. Cette souplesse ne doit pas être excessive pour permettre un entraînement du rotor par le stator. Le capteur piézoélectrique 30 est de préférence monté sur le voile 44 au voisinage de la couronne 45. La figure 5 illustre un mode d'exploitation du signal capté au rotor. Dans cette figure, on a représenté d'une part la céra- mique excitatrice 22 liée au stator, et son signal d'excitation biphasé fourni par un onduleur biphasé 50. La céramique 22 comprend en outre une zone 51 orrespondant à un détecteur et fournissant le signal à la fréquence fs à laquelle est excité le stator. Le rotor 28 porte un capteur piézoélectrique 30 qui fournit un signal à la fréquence fr qui, come on l'a indiqué préceint, en raison du choix des caractéristiques mamiques et vibratoires du rotor, est égale à fs+F. Un circuait mélangeur à réjection de sutne 53 fournit un signal à fréquence F. Ce signal est envoyé à une boucle de régulation pour cr lnder la fréquence fournie à 1'ondulateur biphasé 50 et fixer ainsi de façon asservie la fréquence de rotation du moteur. La boucle comprend par exemple de façon classique un comparateur 55 compa- rant la fréquence F à une fréquence de oonsigne F0 et le signal d'erreur est envoyé à un filtre 57 puis à un oscillateur à canmande en tension 59 dont les sorties sont divises par 1'on- duleur biphasé pour être appliquées à la céramique excitatrice 22. On notera que ce mode de détection et d'asservisseet est particulièreent simple. Par ailleurs, dans l'art antérieur, et dans la des- cription précédente, on a présenté la moachine tournante décrite camne un moteur dans lequel le rotor est entrairné par le stator. Selon un aspect de la présente invention, on prévoit que le revêtement statorique ou rotorique 32 est tel que les surfaces en regard sont extrêmement glissantes (par exemple un revêtement en téflon). Alors, les vibrations du stator sont transmises au rotor mais ce rotor n'est pas entrainé en rotation par le stator. On prévoit alors que l'arbre 32 est entraîné en rotation par une autre machine dont on veut détecter la vitesse de rotation. On compare alors simplement le signal fr de sortie du rotor au signal fs de sortie du stator pour avoir le signal à la fréquence F recherchée. Ceci constitue un capteur tachymu- trique simple auquel est particulièrement adapté le rotor décrit selon le premier aspect de la présente invention. On notera aussi que le sens de rotation est déterminé par le signe de la différence fr-fs. Bien que la présente invention ait été décrite dans le cadre d'un capteur de vitesse ou capteur tadhymétrique, on notera qu'il est également possible, au prix d'un montage 61ec- tronique plus complexe, de réaliser une mesure de différence de phase entre l'onde au stator et 1 'onde au rotor, ce qui permet de fournir des indications de position comme cela a été effectué par les systèmes de 1 'art antérieur qui eux par contre sont plus complexes pour fournir des informations de vitesse. REVENDICATIONS 1. Machine tournante omprenant deux pièces annulaires coaxiales mobiles en rotation 1 'une par rapport à l 'autre dont les faces en vis-à-vis sont en contact, la première pièce (21) étant excitée en vibration pour y créer des ondes progressives de surface à une fréquence située dans une plage de fréquences de résonance de rang donné de cette première pièce, caractérisée en ce que: la deuxième pièce (28) est telle que des vibrations dans la première pièce y excitent des vibrations de miêe fré- quence et de moindre amplitude quand ces deux pièces sont fixes l'une par rapport à l'autre, un détecteur de vibration (30) est monté sur la deuxième pièce, des moyens (53) sont prévus pour fournir un signal (F) caractéristique de la différence de fréquence entre la fréquee d'excitation de la première pièce et la fréquence de vibration détectée sur la deuxième pièce, cette différence étant caracté- ristique de la vitesse de rotation relative des deux pices annulaires. 2. Machine tournante selon la revendication 1, carac- térisée en ce que la première pièce est un stator et la deuxième pièce un rotor. 3. Madine tournante selon la revendication 2, carac- térisée en ce que le rotor est dimensionné pour présenter une fréquence de résonne pour les ondes aoeustiques de surface dans le mêe mode et sensiblement dans la mêe plage que le stator. 4. Machine tournante selon la revendication 2, cac- térisée en ce que le rotor est constitué pour qu'il présente une forte souplesse (compliance) dans une direction axiale. 5. Machine tournante selon la revendication 4, carac- térisée en ce que le rotor omprend un voile mince de liaison entre 1 'arbre de rotation et une couroe rotorique de faible section, le détecteur de vibration étant une céramique disposée sur le voile au voisinage de la courornne. 6. Machine tournante selon la revendication 1, consti- tuant un nmoteur, dans laquelle le coefficient de fzotteent entre les pièces en regard est élevé, caractérisée en ce que le signal de différence est envoyé à une première entrée d'un cir- cuit d'asservissement (55, 57, 59, 50) dont la deuxi me ntrée reçoit un signal de consigne (F0).10 7. Machine tournante selon la revendication 1, constituant un capteur tachymétrique, caractérisée en ce que le coef- ficient de frottement entre les pièces en regard est faible, la première pièce (21) étant fixe et la deuxième pièce (28) étant solidaire d'un arbre (32) entrainé dont on veut détecter la15 vitesse.