Brevet FR2743457A1 — publié le 19970711

Moteur piézoélectrique à onde progressive. L'invention a pour objet un moteur piézoélectrique à onde progressive comprenant au moins un stator, deux groupes d'éléments piézoélectriques constitués de bâtonnets de céramique polarisés indépendants les uns des autres, disposés perpendiculairement au stator, c'est-à-dire parallèlement à l'axe du moteur, répartis sur le stator, en contact permanent avec le stator et excités par un courant alternatif avec un déphasage de n/2 entre les groupes de manière à engendrer à la surface du stator une déformation en forme d'onde progressive, et au moins un rotor en forme de disque maintenu élastiquement en contact avec le stator pour son entraînement en rotation par l'onde progressive engendrée sur le stator. Un tel moteur piézoélectrique est connu du document WO /05 682. Ce moteur comprend deux rotors en forme de disques calés sur un arbre et un système d'entraînement à double stator monté entre les rotors et comprenant un premier stator annulaire pour l'entraînement d'un des rotors et un deuxième stator annulaire pour l'entraînement du deuxième rotor. Les stators sont reliés entre eux par des bâtonnets piézoélectriques à double polarisation, constitués par deux bâtonnets piézoélectriques collés en opposition de polarité par une de leurs extrémités ou par un bâtonnet unique polarisé dans les deux directions à partir d'une électrode unique, de forme annulaire disposée en son milieu. Ces bâtonnets sont excités par un courant alternatif et organisés en deux groupes, l'un vibrant en quadrature de phase avec l'autre afin de produire 2 2743457 les deux ondes stationnaires nécessaires à la constitution d'une onde progressive qui, transmise aux stators, entraîne les rotors en rotation. Une dispersion de fréquence de résonance des bâtonnets de quelques hertz, due à une différence de longueur des bâtonnets, entraîne une dispersion de phase importante entre les ondes engendrées. Or, tous les bâtonnets d'un groupe doivent vibrer en phase pour participer de concert à l'établissement de l'onde progressive. Les solutions connues à ce problème sont d'appairer les bâtonnets, ce qui est coûteux et inadapté à la grande série ou de les tronçonner ou ajuster avec une grande précision, ce qui entraîne également un surcoût. Ces deux moyens ont, de plus, leur limite dans la précision d'usinage. Une autre solution serait de comprimer les bâtonnets. On a, en effet, constaté que leur compression permet de limiter considérablement la dispersion des fréquences de résonance. Dans le moteur selon le document WO 95/05 682, la force appliquée sur les bâtonnets est cependant liée directement à celle appliquée au rotor. Or, la force qui doit être appliquée entre rotor et stator est environ dix fois moins importante que celle nécessaire pour comprimer efficacement les bâtonnets. Il faut donc compromettre sur ces deux forces qui ont des exigences sensiblement différentes. Des moyens de précontrainte des éléments piézoélectriques sont utilisés dans les moteurs piézoélectriques décrits dans les documents FR 2 715 3 2743457 780 et EP 552 754 Ai dans un but différent, ce but étant que les éléments piézoélectriques soient uniquement utilisés en compression, ces éléments étant plus résistants à la compression qu'à la traction. Ces moyens de précontrainte ne sont cependant pas applicables de manière simple au moteur du document WO /05 682. Aussi, le but de l'invention est de modifier le moteur selon le document WO 95/05 682 de manière à ce que les bâtonnets piézoélectriques puissent être comprimés sous une force suffisamment importante pour limiter la dispersion des fréquences de résonance sans pour autant que le rotor soit appuyé trop fortement contre le stator. Ce but est atteint par le moteur piézoélectrique selon l'invention, caractérisé en ce que le stator est en forme de roue constituée d'un anneau périphérique sur lequel sont répartis les éléments piézoélectriques, d'un moyeu central et de bras de liaison répartis régulièrement entre l'anneau périphérique et le moyeu et destinés à transmettre une pression axiale exercée au moyeu à l'anneau et ainsi aux éléments piézoélectriques de manière à limiter la dispersion des fréquences de résonance des éléments piézoélectriques, ces bras permettant par ailleurs la circulation sur l'anneau périphérique d'une onde progressive, la pression axiale appliquée au moyen de moyens de pression au moyeu pour comprimer les éléments piézoélectiques étant indépendante des moyens maintenant le rotor élastiquement en contact contre le stator. Le stator ainsi réalisé permet de comprimer les bâtonnets sous une force indépendante de celle appliquée au rotor. Il permet donc de les comprimer avec une force suffisamment importante pour limiter la dispersion des fréquences de résonance. Un moteur réalisé avec le stator selon l'invention possède un facteur de qualité, aussi appelé facteur de surtension, cinq fois supérieur à celui d'un moteur réalisé selon l'art antérieur. De plus, les pièces du moteur, en particulier le sta- tor, sont simples à réaliser industriellement. Le stator peut être simplifié à l'extrême, pour une plus grande facilité de fabrication lors de l'industrialisation, en réalisant les trous par perçage et découpage, les rayons d'articulation étant alors formés par la matière entre les trous. Le dessin annexé représente une forme d'exécution de l'invention. La figure 1 représente le stator selon l'invention selon trois vues différentes: une vue de dessus et deux coupes transversales. La figure 2 représente une vue en coupe axiale d'une forme d'exécution du moteur piézoélectrique selon l'invention. La figure 3 représente une variante d'exécution du stator de la figure 1. Le stator 1 représenté en figure 1 est constitué d'un 2743457 anneau périphérique la et d'un moyeu lb reliés l'un à l'autre par des bras radiaux lc répartis uniformément sur toute la périphérie. Ces bras lc ont une largeur qui n'est qu'une fraction de leur épaisseur. Dans l'exemple représenté, le rapport largeur/épaisseur est d'environ 1/5. Le stator est en une seule pièce. Sollicités dans l'axe de leur plus grande épaisseur, les rayons lc du stator 1 peuvent transmettre une contrainte appliquée au moyeu lb à l'anneau périphérique la. Les rayons ayant toute liberté d'être torsadés dans leur plus petite épaisseur, ils permettent la propagation d'une onde progressive de flexion dans l'anneau périphérique et ne nuisent donc pas aux oscillations de la surface de contact formée par l'anneau la. Les bras lc pourraient être formés par simple perçage. Dans ce cas, les trous séparant les bras sont ronds et ce n'est que dans leur zone médiane que les bras présentent une largeur qui n'est qu'une fraction de leur épaisseur. Le moteur représenté en partie en figure 2 comprend deux rotors 2, 3 calés sur un arbre 4 et un système d'entraînement à double stator monté entre les rotors 2, 3 et comprenant deux stators 1 tel que celui représenté en figure 1, l'un étant destiné à l'entraînement du rotor 2 et l'autre à l'entraînement du rotor 3. Les anneaux périphériques des stators 1 sont reliés entre eux par deux groupes de six bâtonnets piézoélectriques 5 à double polarisation, comme dans le moteur selon le document WO 95/05682. Ces bâtonnets sont polarisés dans les deux directions à partir d'une électrode unique 6 de forme annulaire disposée en leur 6 2743457 milieu et disposés parallèlement à l'arbre 4 du moteur. Les bâtonnets 5 sont comprimés entre les stators 1 au moyen d'écrous 7 montés sur un tube fileté 8 traversant les moyeux des stators, ces écrous 7 pressant les stators 1 en direction l'un de l'autre et donc comprimant les bâtonnets piézoélectriques 5. Le tube fileté 8 est traversé coaxialement par l'arbre 4 des rotors 2, 3. Le tube 8 et l'arbre 4 sont libres en rotation l'un par rapport à l'autre. Les rotors 2, 3 sont respectivement appuyés élastiquement contre leur stator 1 au moyen d'un écrou 9, 10 vissé sur l'arbre 4 et appuyant une rondelle élastique 11, 12 contre les rotors 2, 3. Par des moyens relativement simples, la force destinée à comprimer les éléments piézoélectriques et celle destinée à appuyer le rotor contre le stator peuvent ainsi être appliquées indépendamment l'une de l'autre. Selon une variante d'exécution du stator, telle que représentée à la figure 3, les bras radiaux 30c reliant le moyeu 30b à l'anneau 30a sont formés par la matière subsistant entre des trous circulaires 31 formés par perçage. Les bras 30c sont sensiblement plus courts que les bras lc de la figure 1, ce qui a pour effet avantageux d'élever leur fréquence de résonance bien au delà des fréquences de travail. La forme d'exécution décrite dans les figures 1, 2 et 3 n'est pas limitative de l'étendue de l'invention. Les moyens d'application de force sur le rotor et les bâtonnets peuvent être différents de ceux représentés, ceux-ci ayant été simplifiés au maximum pour raison de commodité d'explication. 7 2743457 REVENDICATIONS 1. Moteur piézoélectrique à onde progressive comprenant au moins un stator (1), deux groupes d'éléments piézoélectriques constitués de bâtonnets de céramique (5) polarisés indépendants les uns des autres, disposés perpendiculairement au stator (1), c'est-à-dire parallèlement à l'axe du moteur, répartis sur le stator (1), en contact permanent avec le stator (1) et excités par un courant alternatif avec un déphasage de n/2 entre les groupes de manière à engendrer à la surface du stator (1) une déformation en forme d'onde progressive, et au moins un rotor (2, 3) en forme de disque maintenu élastiquement en contact avec le stator (1) pour son entraînement en rotation par l'onde progressive engendrée sur le stator, caractérisé en ce que le stator (1) est en forme de roue constituée d'un anneau périphérique (la) sur lequel sont répartis les éléments piézoélectriques, d'un moyeu central et de bras de liaison (lc) répartis régulièrement entre l'anneau périphérique et le moyeu (lb) et destinés à transmettre à l'anneau (la) une pression axiale exercée au moyeu (lb) et ainsi aux éléments piézoélectriques (5), de manière à limiter la dispersion de fréquence de résonance des éléments piézoélectriques (5), ces bras (lc) permettant par ailleurs la circulation sur l'anneau périphérique (la) d'une onde progressive, la pression axiale appliquée au moyen de moyens de pression (7) au moyeu (lb) pour comprimer les éléments piézoélectiques étant indépendante des moyens (9, 10, 11, 12) maintenant le rotor (2, 3) élastiquement en contact contre le stator (1). 2. Moteur piézoélectrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les bras de liaison (lc) ont, au 8 2743457 moins dans leur zone médiane, une largeur inférieure à leur épaisseur de manière à pouvoir transmettre une contrainte appliquée au moyeu (lb) à l'anneau périphérique (la) et à permettre la propagation d'une onde progressive dans l'anneau périphérique (la). 3. Moteur piézoélectrique selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits bras (30c) sont formés par la matière subsistant entre des trous circulaires (31) répartis circulairement sur un disque. 4. Moteur piézoélectrique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'un tube creux (8) traverse le moyeu (lb) axialement, que les moyens de pression (7) permettant l'application d'une pression axiale au moyeu (lb) en direction des bâtonnets (5) sont constitués par un élément (7) amovible solidaire de ce tube (8) et appuyant sur le moyeu (lb) et en ce que le rotor (2, 3) est calé sur un arbre (4) traversant le tube (8) axialement et libre en rotation par rapport à ce tube (8), les moyens (9, 10, 11, 12) maintenant le rotor élastiquement contre le stator (1) étant constitués par un élément (9, 10) amovible solidaire de l'arbre (4) et appuyant sur un élément élastique (11, 12) transmettant la pression au rotor (2, 3). 5. Moteur piézoélectrique selon la revendication (4), caractérisé en ce que les éléments amovibles (7, 9, 10) sont des écrous respectivement vissés sur le tube (8) et sur l'arbre du rotor (4).