Brevet FR2775396A1 — publié le 19990827

MOTEUR PIEZOELECTRIQUE L'invention concerne un moteur piézoélectrique. Elle est applicable aussi bien aux moteurs rotatifs qu'aux moteurs linéaires. Les moteurs piézoélectriques à ondes progressives, stationnaires ou à combinaison de modes, sont basés sur l'excitation d'un stator (généralement métallique) par des céramiques piézoélectriques (généralement en PZT ou titano-zirconate de plomb). La figure 1 représente de façon schématique un moteur rotatif. Le stator est soumis, en au moins une zone, à une vibration dont la fréquence correspond à un mode propre de résonance mécanique, de sorte que chaque point de la surface du stator décrire une ellipse avec une vitesse V au cours du temps et dont le grand axe de l'ellipse est perpendiculaire au plan du stator. En appliquant sur ce stator vibrant un rotor muni d'un axe, on réalise l'entraînement de celui-ci par frottement à une vitesse v beaucoup plus faible que V. Au besoin, une couche de friction peut être ajoutée sur le rotor pour optimiser les propriétés du contact. Ce type de moteur permet d'obtenir des couples intéressants à faible vitesse (par exemple quelques mN.m à 500 tr/mn pour un moteur rotatif de l'ordre du cm en diamètre). II présente de plus un couple de blocage à l'arrêt dû au coefficient de frottement statique du rotor sur le stator. Le couple décroît lorsque la vitesse augmente on ajuste généralement le compromis couple-vitesse par la précontrainte appliquée entre le rotor et le stator : plus celle-ci est élevée (pour une couche de friction donnée) plus le couple est important et la vitesse faible. II y a cependant une vitesse minimum au-dessous de laquelle le moteur ne démarre pas (liée au couple nécessaire pour vaincre le frottement statique). Un inconvénient de ce type de moteur, lié au principe même de l'entraînement, est que l'on ne peut contrôler la vitesse v de façon précise en faisant varier la fréquence au voisinage de la fréquence de résonance électromécanique, on peut certes faire varier l'amplitude de la vibration donc la vitesse V qui caractérise le transfert de quantité de mouvement entre les points de la surface du stator et le rotor, mais ceci n'est pas stable dans le temps. Une solution est de réaliser un asservissement en boucle fermée de la commande du moteur (figure 2): un codeur de position ou un capteur de vitesse couplé au rotor peut être utilisé pour contrôler l'alimentation du stator, via par exemple un circuit VCO (Voltage Control Oscillator) qui transforme une tension en fréquence. Cependant, ce système est complexe et coûteux et ne peut être miniaturisé fortement. Un autre inconvénient est que la fréquence de fonctionnement élevée de ces moteurs nécessite une alimentation de puissance qui est coûteuse car les céramiques piézoélectriques ont une forte capacité, donc une faible impédance à haute fréquence. Ce type d'alimentation délivrant des forts courants à haute fréquence n'est pas commun. L'objet de l'invention est de résoudre ces problèmes. L'invention concerne donc un moteur piézoélectrique comprenant: - un stator en forme de plaque plane fixée en un point déterminé et muni sur une face arrière d'au moins un actionneur piézoélectrique capable d'induire des déformations au stator sous l'effet d'une commande électrique; - un rotor en forme de plaque, en contact par une de ses faces avec la face avant du stator opposée à la face arrière et pouvant se déplacer par rapport audit point déterminé; caractérisé en ce qu'il comporte également: - un capteur piézoélectrique placé sur la face arrière du stator, capable de détecter une déformation du stator et de générer en échange un courant électrique; - un circuit de transmission électrique recevant ledit courant électrique et le transmettant en l'amplifiant auxdits moyens de commande électrique du stator pour commander l'actionneur piézoélectrique. Un tel moteur une fois démarré peut fonctionner de façon continue. Pour le faire fonctionner en mode pas-à-pas, I'invention prévoit que: - la face arrière du stator comporte au moins une première électrode conductrice; - la face du rotor en contact avec la face avant du stator est également munie d'au moins une deuxième électrode conductrice; lesdites électrodes étant connectées en parallèle avec le circuit de transmission électrique. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre faite à titre d'exemple non limitatif de la portée de l'invention ainsi qu'aux figures annexées qui représentent: - les figures 1 et 2 des moteurs connus dans la technique; - les figures 3a à 3e, un exemple de réalisation d'un moteur piézoélectrique selon l'invention; - les figures 4a et 4b, un exemple de réalisation d'un moteur selon l'invention à fonctionnement pas-à-pas; - les figures 5a et 5b, un exemple d'électrodes pour le moteur des figures 4a et 4b; - la figure 6, un schéma électrique théorique du moteur de la figure 4a; - les figures 7a et 7b, une variante de réalisation du moteur de l'invention. En se reportant aux figures 3a à 3e, on va décrire un exemple de réalisation de base du système de l'invention. Ce système est réalisé en prenant comme exemple un moteur rotatif mais l'invention serait similaire dans le cas d'un moteur linéaire. La figure 3a représente une coupe simplifiée d'un moteur piézoélectrique rotatif selon l'invention. Ce moteur comporte une plaque fixe 1 appelée stator. Un arbre 15 est fixe ou est solidaire du stator. Il est situé selon un axe XX' perpendiculaire au plan du stator en un point 3 du stator. Une plaque 2 appelée rotor est placée en contact par sa face 21 avec la face 12 du stator. Le rotor 2 peut tourner autour de l'arbre 15. La face Il du stator opposée à la face 17 comporte au moins un actionneur piézoélectrique 4 capable d'induire des vibrations dans le stator. De plus comme cela est visible en figure 3b, le stator est muni sur sa face 11 d'au moins un capteur piézoélectrique 5 capable de détecter une déformation mécanique notamment les vibrations générées par l'actionneur piézoélectrique 4, et de fournir en échange un signal électrique. La figure 3c représente un mode de réalisation de l'actionneur 4. La plaque du stator 1 étant en matériau conducteur de l'électricité, un élément piézoélectrique 41, constituant la partie active de l'actionneur, est réalisé sur la face Il du stator. De préférence, cet élément piézoélectrique est réalisé directement sur la face 11 comme cela est décrit dans la demande de brevet français n" 95 01330 (P. GAUCHER et al). L'élément piézoélectrique est muni d'une électrode 40 opposée à la face 11. La commande électrique de l'actionneur 4 se fait par application d'un champ électrique entre le stator 1 et l'électrode 40. Selon l'exemple de réalisation de la figure 3d, la plaque du stator 1 peut être en matériau isolant ou mauvais conducteur de l'électricité. Dans ce cas, une couche conductrice 42 (électrode) est prévue entre la couche piézoélectrique 41 et la face Il du stator. Le capteur piézoélectrique 5 peut être réalisé sur la face 11 du stator de la même façon que l'actionneur 4. Nous allons maintenant donner des exemples de caractéristiques techniques d'un moteur selon l'invention. Le stator peut être réalisé dans un matériau conducteur métallique (bronze, inconel ...) ou isolant (alumine, silicium, ...) de diamètre entre 1 et 5 cm sur lequel on colle des céramiques piézoélectriques métallisées d'épaisseur entre 200 pm et 1 mm. Pour de plus petits moteurs on peut sérigraphier la céramique et les électrodes comme décrit dans la demande de brevet français 95 01330 citée plus haut. Le rapport des épaisseurs entre les actionneurs piézoélectriques 4 et le stator est fonction des modules élastiques des matériaux, par exemple avec PZT et Platinerhodié, le rapport optimum est environ de 1/2 (par exemple 50 pm de PZT sur 100 pm de Platine-rhodié). Le capteur piézoélectrique a les mêmes caractéristiques. Les actionneurs et le capteur piézoélectrique sont placés aux points de vibration maximales de ces modes. La figure 3e représente un exemple de circuits de commande du moteur selon l'invention. Le stator est par exemple en matériau conducteur. L'actionneur et le capteur piézoélectrique ont alors une structure du type représentée en figure 3c. La face 11 du stator est mise à la masse du système. L'électrode 40 de l'actionneur est connectée à une entrée électrique IN capable de recevoir des impulsions de tension de commande. Un circuit logique 8 de type OU transmet et connecte l'entrée IN à l'électrode 40. L'électrode 50 du capteur (qui est analogue à l'électrode 40 de l'actionneur) est connectée par un circuit électrique de transmission au circuit iogique 8 qui connecte donc également le capteur à l'électrode 40 de l'actionneur 4. Le circuit de transmission comporte principalement un filtre déphaseur 6 et amplificateur 7. Le signal fournit par le capteur 5 est donc déphasé et amplifié avant d'être appliqué à l'actuateur. Ce circuit de transmission constitue un circuit de contre-réaction entre le capteur et l'actuateur. Cette contre-réaction est conçue (ou réglée) de façon que l'ensemble (actionneur-stator-capteur piézoélectrique-circuit de contreréaction) constitue un oscillateur et fonctionne en régime d'auto-oscillation. Pour un certain réglage de gain et de phase (connu sous le nombre de règle de Nyquist de stabilité des oscillateurs), le système est auto-oscillant. Ainsi, lorsque l'actionneur reçoit un signal en phase avec la vibration mécanique du stator, I'oscillation est entretenue. Pour un réglage différent de phase, le système s'arrête d'osciller, en particulier si le système est en opposition de phase. Un tel moteur mis en fonctionnement par tout moyen, une impulsion électrique sur l'entrée IN par exemple, possède un fonctionnement auto-entretenu lorsque la phase et le gain du circuit de contre-réaction 7, 8 sont convenablement réglés. Pour arrêter le moteur, il peut suffire de modifier le déphasage introduit par la contre-réaction. La figure 4a représente un moteur capable de fonctionner pas-àpas. La face 12 du stator et la face 21 du rotor qui se font face, sont équipées chacune d'au moins une électrode 13, 14. En figures 5a et 5b, on a prévu que la face 21 du rotor est équipée d'une seule électrode 14 tandis que le stator comporte plusieurs électrodes 13, 13', 13", etc. Lorsque I'électrode 14 du rotor est en face d'une électrode du stator, ces électrodes et l'espace qui les sépare constituent un condensateur. II est à noter que la connexion électrique à l'électrode 14 du rotor se fera de manière connue dans la technique des moteurs, à l'aide d'un contact glissant sur un collecteur par exemple. Les électrodes du stator sont, par exemple, à la masse. L'électrode 14 du rotor est connecté au circuit de transmission (de contreréaction) par exemple à l'entrée de l'amplificateur 7 comme cela est représenté en figure 4a. La figure 4b représente le même système que celui de la figure 4a avec le condensateur variable 10 qui symbolise le condensateur réalisé avec les électrodes du rotor et du stator et qui vient d'être décrit. Dans ces conditions, la description qui suit va pouvoir se rapporter à la figure 4b. La valeur de la capacité du condensateur 10 varie fortement entre la position où l'électrode du rotor est en face d'une électrode du stator et celle ou l'électrode du rotor est éloigné de toute électrode du stator. Cette capacité est maximum lorsque l'électrode est en face d'une électrode du stator et elle est minimum lorsqu'elle est éloignée de toute électrode du stator. Le condensateur 10 constitue, avec l'élément 6 qui peut être tout simplement une résistance, un filtre déphaseur que l'on peut représenter par la fonction de transfert 1/(1+lu) où l=RC. Le gain et la phase de ce circuit décroissent linéairement lorsque C augmente. On choisit donc Cmax et R de façon à être dans des conditions d'auto-oscillation à la fréquence propre co0 du stator. Lorsque l'électrode mobile n'est plus en regard d'une électrode fixe, la capacité devient C min Pour la réalisation d'un moteur comme représenté en figures 5a, 5b, on prévoira avantageusement sur les électrodes du rotor et/ou du stator, une couche de diélectrique. Cette couche pourra être en un matériau permettant une adhérence au frottement entre le stator et le rotor. Les figures 7a et 7b représentent un mode de réalisation du moteur de l'invention dans lequel on dissocie les fonctions d'entraînement par frottement et de codage de la position du rotor. Pour cela, le rotor possède une couronne 22 qui entoure une partie évidée 21. La couronne 22 est en contact par sa face 20 avec la face 12 du stator. La face 20 et/ou la face 12 peuvent comporter une couche d'un matériau ayant un coefficient d'entraînement correct du rotor pour que celui-ci puisse être entraîné en rotation. L'électrode 14 du rotor est placée dans le fond de la cavité 21. Les électrodes du stator telles que 13 sont placées sur le stator à l'intérieur de la zone délimitée par la couronne 22 du rotor. Le rotor peut être en matériau isolant (polymère, verre ...) recouvert par des méthodes de dépôts de couches épaisses (sérigraphie) ou minces (évaporation, pulvérisation, électrodéposition ...) des couches de frottement et de métallisation. Au besoin, on peut utiliser plusieurs électrodes sur le stator et sur le rotor pour augmenter la différence (contraste) entre la capacité maximale et la capacité minimale. Les pas de répartition des électrodes sur le rotor et sur le stator peuvent être égaux ou présenter des variations de façon à réaliser des combinaisons de codage. Le matériau piézoélectrique peut être une céramique de PZT ou un matériau similaire connu dans le domaine des transducteurs acoustiques. Le schéma équivalent, en terme de fonctions de transfert, d'un tel système est représenté figure 6; Le stator est représenté par une fonction de transfert résonante du second ordre ayant une pulsation propre co0 et un facteur de qualité mécanique Qm Le capteur et l'actionneur piézoélectriques se comportent comme des gains statiques dont la valeur dépend de leurs coefficients piézoélectriques d31 et 931 et de leurs dimensions. Le gain de l'amplificateur de contre-réaction est typiquement entre 100 et 1 000. La valeur de la constante X dépend typiquement du retard de l'onde acoustique entre le capteur et l'actionneur et des pertes électriques et mécaniques dans le système. Le moteur peut également fonctionner avec une géométrie linéaire : dans ce cas, I'ellipse est générée par la combinaison de deux modes d'excitation ayant lieu à la même fréquence. Le stator a une forme linéaire. II est maintenu fixe à une extrémité, et à l'autre extrémité il est maintenu par l'intermédiaire d'un absorbant des ondes élastiques. Applications: - moteurs rotatifs miniatures pour affichages (montres, quadrants ) - moteurs linéaires pour positionnement de précision (lentilles optiques, sources laser ou hyperfréquences ...). REVENDICATIONS 1. Moteur piézoélectrique comprenant: - un stator (1) en forme de plaque plane fixé en un point déterminé (3) et muni, sur une face arrière (11) d'au moins un actionneur piézoélectrique (4) capable d'induire des déformations au stator (1) sous la commande de moyens de commande électrique; - un rotor (2) possédant une face (21) en contact avec une face avant (12) du stator opposée à la face arrière (11) et pouvant se déplacer par rapport audit point déterminé (3); caractérisé en ce qu'il comporte également: - un capteur piézoélectrique (5) placé sur la face arrière (11) du stator, capable de détecter une déformation du stator et de générer en échange un courant électrique; - un circuit de transmission électrique (6, 7) recevant ledit courant électrique et le transmettant en l'amplifiant auxdits moyens de commande électrique du stator pour commander l'actionneur piézoélectrique. 2. Moteur piézoélectrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de commande électrique comportent au moins une entrée permettant de recevoir au moins une impulsion de courant et la retransmettant à l'actionneur piézoélectrique (4). 3. Moteur piézoélectrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de commande électrique comportent un générateur d'impulsions électrique connecté à l'actionneur piézoélectrique ainsi qu'un circuit de type OU permettant de commander l'actionner piézoélectrique soit sous la commande desdites impulsions électriques soit sous la commande du courant électrique transmis par le circuit de transmission (6, 7). 4. Moteur piézoélectrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de transmission comporte en série un filtre (6) et un amplificateur électrique. 5. Moteur piézoélectrique selon la revendication 2, caractérisé en ce que: - la face avant (12) du stator comporte au moins une première électrode conductrice (13); - la face (21) du rotor en contact avec la face avant du stator est également munie d'au moins une deuxième électrode conductrice (14); lesdites électrodes étant connectées en parallèle avec le circuit de transmission électrique (6, 7). 6. Moteur piézoélectrique selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'une des électrodes (14) est connectée en dérivation sur le circuit de transmission électrique et l'autre électrode (13) est connectée à la masse du système. 7. Moteur piézoélectrique selon la revendication 5, caractérisé en ce que le stator et le rotor sont en matériau non conducteur de l'électricité et en ce que les électrodes ont chacune la forme d'une bande disposée perpendiculairement à la direction de déplacement du rotor. 8. Moteur piézoélectrique selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'une au moins des électrodes est recouverte d'une couche d'un matériau diélectrique. 9. Moteur piézoélectrique selon la revendication 5, caractérisé en ce que le stator et le rotor sont en matériau bon conducteur de l'électricité et qu'ils comportent chacun sur leurs faces en contact (12, 21) des couches de matériaux diélectriques ayant la forme de bandes disposées perpendiculairement à la direction de déplacement du rotor. 10. Moteur piézoélectrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le stator (1) se présente sous la forme d'une plaque dont un point central (3) est immobilisé et en ce que le rotor (2) se présente sous la forme d'une plaque pouvant tourner autour d'un axe (XX') passant par ce point central (3). 11. Moteur piézoélectrique selon la revendication 10, caractérisé en ce que les électrodes se présentent sous forme de bandes ou de secteurs orientées vers le point central (3) et l'axe (XX'). 12. Moteur piézoélectrique selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le stator (1) se présente sous la forme d'une plaque linéaire fixée au moins à une extrémité. 13. Moteur piézoélectrique selon la revendication 5, caractérisé en ce que le rotor possède une couronne (22) en contact avec la face avant (12) du stator et délimitant une cavité (21), la deuxième électrode (14) étant dans la cavité (21) et la première électrode (13) étant sur la face avant du stator dans une zone délimitée par la couronne (22).