Brevet FR2769149A1 — publié le 19990402

L'invention concerne un moteur à ondes progres- sives comprenant un stator présentant une céramique pié- zoélectrique excitable électriquement et un rotor pouvant être amené en contact de frottement avec le stator, dans lequel la céramique piézoélectrique est constituée de deux groupes de zones piézoélectriques alternantes et po- larisées différemment, les deux groupes sont excités par des tensions alternatives mutuellement déphasées de 90 , et deux électrodes sont formées avec un espacement d'au moins k/4 dans une première région partielle non utili- sable pour la génération d'ondes progressives en vue de la détection de l'état du moteur. Dans les moteurs à ondes progressives dont la construction, le mode de fonctionnement et les possibili- tés préférées d'application sont connus, des vibrations mécaniques sont utilisées pour produire un mouvement ro- tatif. A cet effet, le stator comporte un élément piézo- électrique permettant de transformer des oscillations électriques en ondes progressives mécaniques. Les moteurs à ondes progressives, appelés éga- lement moteurs à ultrasons, sont décrits par exemple dans le brevet des E.U.A. 4 562 374, dans "Travelling Wave Ul- trasonic Motors Offer High Conversion Efficiency" de Yu- kihiko Ise (JEE, juin 1986, pages 66 - 70) et dans "The Piezo Travelling Wave Motor - A New Element in Actuation" de Schadebrodt et Salomon (Control Engineering, mai 1990, pages 10 - 18). Afin d'exciter les ondes progressives, on uti- lise, pour des motifs de symétrie, une structure céra- mique piézoélectrique de forme annulaire. Cette structure est partagée en deux groupes de zones piézoélectriques alternativement pré-polarisées positivement et négative- ment et ayant des espacements de X/4 et 3k/4, qui forment deux électrodes. Les deux groupes sont excités par des tensions alternatives mutuellement déphasées de 90 . Pour commander le moteur à ondes progressives connu, on prévoit un circuit d'attaque dans lequel un oscillateur génère une fréquence électrique fe accordée à la fréquence de résonance mécanique fm du stator en vue de la commande efficace du stator. La rotation du rotor est produite par une onde progressive qui se propage en sens contraire au sens de rotation du rotor. Dans une première région partielle non utili- sable pour la génération d'ondes progressives de la céra- mique piézoélectrique, sont formées deux électrodes, avec un espacement d'au moins k/4, qui sont utilisées, avec exploitation de l'effet piézoélectrique inverse, pour dé- tecter le rapport entre la fraction d'ondes stationnaires et la fraction d'ondes progressives, ou pour détecter l' amplitude d'oscillation. Les moteurs à ondes progressives offrent de multiples applications possibles: par exemple comme ac- tionneurs de déplacement ou comme modules d'articulation pour systèmes robotiques. Surtout s'il s'agit d'applica- tions demandant de la puissance, il faut compter avec un développement accru de chaleur. Les moteurs à ondes progressives atteignent ac- tuellement des puissances mécaniques d'environ 50 W avec un rendement d'environ 25 %. La plage de températures d'utilisation que l'on s'efforce d'obtenir va de - 40 C à + 80 C. Des conditions annexes supplémentaires que l'on s'efforce de satisfaire, telles que différentes exigences de charge par rapport à la vitesse de rotation ou au couple, produisent d'importantes et relativement rapides variations de température dans le moteur. A mesure que la température du moteur augmente, on peut constater une di- minution de la fréquence de résonance du stator fm- La capacité de la céramique piezoélectrique présente égale- ment une réponse en température très prononcée et repro- ductible. On peut voir sur la figure 3 que, dans la plage de températures d'utilisation que l'on s'efforce d'obtenir et qui va de - 40 C à + 80 C, la capacité de la céramique piézoélectrique augmente d'environ 50 % par rapport à la valeur à - 40 C. La détection des variations de température a donc une importance décisive pour une commande optimale du moteur, pour une éventuelle protection contre les sur- charges et pour éviter des défauts par écaillage de la céramique. Le brevet des E.U.A. 5 585 686 décrit un moteur à ondes progressives dans lequel, en vue du contrôle de la température - prédéterminée - du stator, à établir à l'aide d'un élément chauffant, un capteur de température est disposé sur la périphérie du stator. Le brevet des E.U.A. 5 477 100 décrit un autre moteur à ondes progres- sives équipé d'un capteur de température. Le moteur à ondes progressives représenté dans le document JP 2-7879, dispose d'un dispositif de mesure de température dans le- quel un capteur de température, une résistance de compa- raison et un condensateur forment un diviseur de tension ohmique. Le but de la présente invention est de fournir un moteur à ondes progressives et un procédé permettant une mesure simple et exacte de la température du stator. Pour ce qui concerne le moteur, partant d'un moteur à ondes progressives du type générique défini au début, on obtient ce résultat, conformément à l'inven- tion, par le fait qu'une électrode de mesure est disposée dans une seconde région partielle non utilisable pour la génération d'ondes progresssives de la céramique piézo- électrique, et un condensateur dont la valeur de capacité est stable en température, est connecté de manière que l'électrode de mesure et le condensateur stable en tempé- rature forment un diviseur capacitif. Pour ce qui concerne le procédé, partant d'un procédé de mesure de la température du stator d'un moteur à ondes progressives comprenant un stator présentant une céramique piézoélectrique excitable électriquement et un rotor pouvant être amené en contact de frottement avec le stator, dans lequel la céramique piézoélectrique est constituée de deux groupes de zones piézoélectriques al- ternantes et polarisées différemment, les deux groupes sont excités par des tensions alternatives mutuellement déphasées de 90 , et deux électrodes sont formées avec un espacement d'au moins k/4 dans une première région par- tielle non utilisable pour la génération d'ondes progres- sives en vue de la détection de l'état du moteur, corres- pondant notamment au moteur selon l'invention, on obtient le résultat recherché, conformément à l'invention, par le fait qu'on utilise les deux électrodes pour détecter l'amplitude d'oscillation, on dispose une électrode de mesure dans une seconde région non utilisable pour la gé- nération d'ondes progressives de la céramique piézoélec- trique, et on connecte un condensateur dont la valeur de capacité est stable en température, de manière que l'électrode de mesure et le condensateur stable en tempé- rature forment un diviseur capacitif, et que le procédé comprend les étapes consistant à - appliquer une tension alternative au diviseur capaci- tif, - prélever un signal C(T) fonction de la température sur l'électrode de mesure et prélever un signal de référence Créf stable en température sur le con- densateur stable en température, - comparer le signal C(T) fonction de la température et le signal de référence Crf stable en température au moyen d'un circuit de soustraction et - représenter le signal C(T) fonction de la tempéra- ture, ainsi obtenu, comme une valeur de tension Umes en fonction de la température. La disposition d'une électrode de mesure dans une région partielle de la céramique piézoélectrique qui, de toutes manières, n'est pas utilisable pour la généra- tion d'ondes progressives, fait d'une part gagner de la place et permet d'autre part une mesure très exacte de la température directement sur l'objet à mesurer. On peut se dispenser d'un capteur de température particulier, qu'il faudrait en outre mettre en place en supplément, de sorte que les problèmes corrélatifs d'établissement des contacts d'un palpeur de température sur un objet de mesure vibrant sont évités en même temps. Le signal fonction de la températe, obtenu dans le procédé selon l'invention, est représenté comme une valeur de tension en fonction de la temperature. Cette représentation permet d'utiliser le système de détermina- tion de la température pour commander et réguler le mo- teur à ondes progressives et permet en particulier la réalisation d'une protection contre des températures ex- cessives. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de plusieurs modes de réalisation préférés, mais nullement limitatifs, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une représentation schéma- tique de la configuration d'une céramique piézoélectrique pour un moteur à ondes progressives; - la figure 2 est un schéma simplifié d'un mon- tage comprenant les éléments essentiels pour la mise en oeuvre du procédé de mesure de température; - la figure 3 montre la caractéristique de ca- pacité de la céramique piézoélectrique en fonction de la température; et la figure 4 représente le signal fonction de la température comme un valeur de tension en fonction de la température. La figure 1 montre une réalisation possible d'un céramique piézoélectrique 1, pouvant être excitée électriquement et qui est disposée sur le stator d'un mo- teur à ondes progressives. La céramique est partagée en deux groupes de zones alternantes qui sont différemment polarisées. Une zone piézoélectrique polarisée positive- ment et une zone piézoélectrique polarisée négativement sont disposées chaque fois dans une étendue angulaire de respectivement 2/13 n et 1/13 A. D'autres étendues angu- laires avantageuses pour la disposition des zones se- raient, par exemple, 2/9 n ou 2/11 n et 1/9 k ou 1/11 k respectivement. Dans une première région partielle 4 de la cé- ramique piézoélectrique 1, région qui n'est pas utilisée pour la génération d'ondes progressives, on a disposé deux électrodes 5, 6 pour la détection de l'état du mo- teur. Elles permettent par exemple de déterminer l'ampli- tude d'oscillation. Les électrodes 5, 6 sont formées avec un espacement d'au moins k/4, ou correspondant à des mul- tiples impairs de k/4, et elles sont utilisées par exemple pour détecter l'amplitude d'oscillation. Chaque fois six, cinq ou quatre paires de zones pré-polarisées positivement et négativement, forment une électrode de travail ou un système d'excitation des deux côtés des électrodes de détection 5, 6. Les électrodes de travail, désignées par 2, 3, sont excitées au moyen de tensions alternatives mutuellement déphasées de 90 . Une électrode de mesure 8 est disposée dans une seconde région partielle 7 de la céramique piézoélec- trique 1, qui n'est pas non plus utilisée pour la généra- tion d'ondes progressives. L'électrode de mesure 8 peut n'occuper qu'une surface partielle de la seconde région partielle 7, non utilisable pour la génération d'ondes progressives, mais elle peut aussi occuper toute la sur- face de cette région partielle 7. De plus, l'électrode de mesure peut être disposée symétriquement dans une surface partielle de la région 7 non utilisable pour la généra- tion d'ondes progressives, mais elle peut aussi y être disposée de façon asymétrique. En tant que partie d'une zone piézoélectrique, la seconde région partielle 7 non utilisable pour la génération d'ondes progressives de la céramique piézoélectrique 1, peut également être polari- sée, mais elle peut aussi ne pas être polarisée. Dans tous les cas, une distance minimale d'isolement doit être respectée entre l'électrode de mesure 8 et les zones pié- zoélectriques voisines polarisées, notamment les zones polarisées différemment. Il ressort du schéma de la figure 2 qu'un condensateur 9 a été connecté au montage de manière que l'électrode de mesure 8 et ce condensateur forment un di- viseur capacitif. Le condensateur 9 peut être logé dans l'électronique de mesure et d'exploitation. Les électrodes de travail 2, 3 et l'électrode de mesure 8 sont couplées thermiquement par la céramique piézoélectrique. La capacité de cette dernière présente, comme on peut le voir sur la figure 3, une réponse en température très prononcée dans la plage de températures d'utilisation que l'on s'efforce habituellement d'obtenir et allant de - 40 C à + 80 C. Dans cette plage, la ca- pacité de la céramique piézoélectrique augmente d'environ % par rapport à la valeur à - 40 C. Ce résultat de mesures permet, par la réalisation d'un diviseur capaci- tif, d'effectuer une détermination de la capacité et de déterminer par le biais de celle-ci la température du stator. Comme condensateur 9 connecté en plus au montage, on ajoute donc un condensateur dont la valeur de capacité est stable lors de variations de la température. Il est avantageux, pour la détermination de la capacité, que la valeur de la capacité du condensateur 9, stable en température, soit égale, à une température définie, la température ambiante par exemple, à la valeur de capacité de l'électrode de mesure 8. Le condensateur stable en température 9 et l'électrode de mesure 8 peuvent être montés en série ou en parallèle. Dans le montage selon la figure 2, le condensateur 9 et l'électrode de mesure 8 sont montés en série par exemple. Pour mesurer la température du stator, on ap- plique au diviseur capacitif une tension alternative d'amplitude et de fréquence fmes, générée par un oscilla- teur numérique, constantes. Si la seconde région par- tielle 7 non utilisable pour la génération d'ondes pro- gressives de la céramique piézoélectrique 1 n'est pas po- larisée, on peut choisir une tension alternative d'une fréquence fmes quelconque pour alimenter le diviseur ca- pacitif. Il est avantageux de choisir une fréquence entre les bandes de fréquences utiles. Si ladite seconde région partielle 7 de la céramique 1 est polarisée, il faut choisir une tension alternative d'une fréquence détermi- née pour alimenter le diviseur capacitif. La fréquence fmes doit se trouver dans une plage entre deux bandes de fréquences obtenues comme multiples des fréquences de travail utilisées pour l'entraînement du moteur à ondes progressives. Aux bornes de l'électrode de mesure 8 est prélevé un signal fonction de la température C(T) et aux bornes du condensateur stable en température 9 est prélevé un signal de référence Créf stable en température. Les deux signaux sont comparés entre eux dans un circuit de soustraction 10 et le signal fonction de la température C(T), ainsi déterminé, est représenté, après avoir parcouru des composants électroniques conventionnels tels qu'un amplificateur 12 et éventuellement aussi un convertisseur analogique/numérique 13 et un microprocesseur 14, sous la forme d'une valeur de tension Umes en fonction de le temperature, ainsi que le montre la figure 4. Si la seconde région partielle 7 de la céra- mique piézoélectrique, non utilisable pour la génération d'ondes progressives, est polarisée, il est recommandé de faire appel à un filtre passe-bande 11 laissant seulement passer le signal de mesure Umes. Ceci permet d'éliminer, par filtrage, les tensions perturbatrices créées dans l'électrode de mesure lors du fonctionnement du moteur et présentant la fréquence de la commande du moteur. Si la- dite seconde région partielle 7 n'est pas polarisée, la complexité du filtre peut être réduite ou on peut même se dispenser complètement d'un tel filtre puisque les per- turbations produites dans ce cas sont seulement faibles. La représentation du signal fonction de la tem- pérature comme une valeur de tension Umes en fonction de la température, permet la mise en oeuvre simple du pro- cédé de mesure à des fins de commande. Il devient pos- sible aussi de réaliser une protection efficace contre les températures excessives par un simple mécanisme de coupure, par exemple au moyen du microprocesseur 14. REVENDICATIONS 1. Moteur à ondes progressives comprenant un stator présentant une céramique piézoélectrique (1) exci- table électriquement et un rotor pouvant être amené en contact de frottement avec le stator, dans lequel la cé- ramique piézoélectrique (1) est constituée de deux groupes de zones piézoélectriques alternantes et polari- sées différemment, les deux groupes étant excités par des tensions alternatives (2, 3) mutuellement déphasées de 90 , et deux électrodes (5, 6) sont formées avec un espa- cement d'au moins k/4 dans une première région partielle (4) non utilisable pour la génération d'ondes progres- sives en vue de la détection de l'état du moteur, carac- térisé en ce qu'une électrode de mesure (8) est disposée dans une seconde région partielle (7) non utilisable pour la génération d'ondes progresssives de la céramique pié- zoélectrique (1), et un condensateur (9) dont la valeur de capacité est stable en température, est connecté de manière que l'électrode de mesure (8) et le condensateur (9) stable en température forment un diviseur capacitif. 2. Moteur à ondes progressives selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que le condensateur (9) stable en température et l'électrode de mesure (8) sont montés en série. 3. Moteur à ondes progressives selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que le condensateur (9) stable en température et l'électrode de mesure (8) sont montés en parallèle. 4. Moteur à ondes progressives selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la capacité du condensateur (9) stable en température est égale à la capacité de l'électrode de mesure (8) à une température définie. 5. Moteur à ondes progressives selon une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'électrode de mesure (8) occupe une surface partielle de la seconde région partielle (7) non utilisable pour la génération d'ondes progressives. 6. Moteur à ondes progressives selon une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'électrode de mesure (8) occupe toute la surface de la seconde ré- gion partielle (7) non utilisable pour la génération d'ondes progressives, avec une distance minimale d'isole- ment par rapport aux zones piézoélectriques voisines po- larisées. 7. Moteur à ondes progressives selon une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la seconde région partielle (7) non utilisable pour la génération d'ondes progressives de la céramique piézoélectrique (1) n'est pas polarisée. 8. Procédé de mesure de la température du sta- tor d'un moteur à ondes progressives comprenant un stator présentant une céramique piézoélectrique (1) excitable électriquement et un rotor pouvant être amené en contact de frottement avec le stator, dans lequel la céramique piézoélectrique (1) est constituée de deux groupes de zones piézoélectriques alternantes et polarisées diffé- remment, les deux groupes étant excités par des tensions alternatives (2, 3) mutuellement déphasées de 90 , et deux électrodes (5, 6) sont formées avec un espacement d'au moins k/4 dans une première région partielle (4) non utilisable pour la génération d'ondes progressives caractérisé en ce qu'on utilise les deux électrodes (5, 6) pour détecter l'amplitude d'oscillation, on dispose une électrode de mesure (8) dans une seconde région (7) non utilisable pour la géneration d'ondes progressives de la céramique piézoélectrique, et on connecte un condensateur (9) dont la valeur de capa- cité est stable en température, de manière que l'électrode de mesure (8) et le condensateur (9) stable en température forment un diviseur capacitif, et en ce que le procédé comprend les étapes consistant à - appliquer une tension alternative au diviseur capaci- tif, - prélever un signal C(T) fonction de la température sur l'électrode de mesure (8) et prélever un signal de référence Créf stable en température sur le con- densateur (9) stable en température, - comparer le signal C(T) fonction de la température et le signal de référence Créf stable en température au moyen d'un circuit de soustraction (10) et - représenter le signal C(T) fonction de la tempéra- ture, ainsi obtenu, comme une valeur de tension Umes en fonction de la température. 9. Procédé de mesure de la température du sta- tor d'un moteur à ondes progressives selon la revendica- tion 8, caractérisé en ce que la seconde région partielle (7) non utilisable pour la génération d'ondes progres- sives de la céramique piézoélectrique (1) n'est pas pola- risée et, pour appliquer une tension alternative au divi- seur capacitif, on choisit une tension alternative de n'importe quelle fréquence. 10. Procédé de mesure de la température du sta- tor d'un moteur à ondes progressives selon la revendica- tion 8, caractérisé en ce que la seconde région partielle (7) non utilisable pour la génération d'ondes progres- sives de la céramique piézoélectrique (1) est polarisée et, pour appliquer une tension alternative au diviseur capacitif, on choisit une tension alternative dont la fréquence est comprise entre les multiples des fréquences utilisées pour l'entraînement du moteur à ondes progres- sives. 11. Procédé de mesure de la température du sta- tor d'un moteur à ondes progressives selon la revendica- tion 10, caractérisé en ce que, après l'étape consistant à prélever le signal fonction de la température et le signal stable en température, on fait passer les signaux C(T) et Créf prélevés à travers un filtre passe- bande (11).