Brevet FR2773421A1 — publié le 19990709

La présente invention concerne un stator de moteur piézoélectrique et un moteur piézoélectrique muni dun tel stator. Dans FR-A-2 734 105, la demanderesse a déjà décrit un moteur piézoélectrique qui est représenté en coupe axiale sur la figure 1. Un tel moteur piézoélectrique comporte un stator 1 et un rotor 2 en appui l'un contre l'autre par une zone de friction 3 du stator qui subit des déformations contrôlées entraînant la rotation du rotor. Les déformations contrôlées de la zone de friction 3 résultent des déformations combinées de plusieurs éléments piézoélectriques 4 montés sur le stator et excités de manière appropriée. Chaque élément piézoélectrique 4 est maintenu entre une partie rigide 5 et une partie déformable 6 du stator, réunies par un moyeu 7, la partie déformable 6 se déformant lorsque l'élément piézoélectrique 4 s'allonge en s'appuyant sur la partie rigide 5. Chaque élément piézoélectrique 4 est axialement précontraint grâce à une vis sans tête 8 vissée dans un trou traversant de la partie rigide 5. Le rotor 2 est muni d'un axe 9 solidaire de son disque 10. La partie de l'axe 9 située en dehors du moteur constitue l'arbre d'entraînement du moteur proprement dit et l'autre partie de l'axe 9 assure, avec un système à ressort 11, le maintien élastique du disque 10 contre le stator. Globalement, ces moteurs connus donnent satisfaction mais concernant leur fabrication et leur fonctionnement, ils présentent les inconvénients suivants. Tout d'abord, le maintien des éléments piézoélectriques entre les parties rigide et déformable du stator doit être très précis afin d'obtenir la meilleure efficacité des éléments piézoélectriques. A cet effet, le stator doit être ajusté par un usinage très fin, ce qui interdit de le réaliser par un simple procédé de moulage. Il en résulte un cout élevé de fabrication des stators connus. En outre, compte-tenu de la dispersion qui existe entre les différents éléments piézoélectriques, un stator convenablement ajusté doit comporter un réglage individuel, tel que celui assuré par les vis 8 sur la figure 1, faute de quoi les écarts de dimensions entre deux éléments piézoélectriques rendraient certains éléments piézoélectriques inopérants dans le stator. Par ailleurs, un stator, même convenablement ajusté et réglé, connait des limites en rendement, en puissance et en vitesse de rotation du fait que la fréquence d'excitation des éléments piézoélectriques ne peut pas utilement dépasser 30 KHz sans que l'amplitude vibratoire du stator ne s'atténue. La présente invention propose un nouveau stator de moteur piézoélectrique qui résout notamment ces inconvénients. La présente invention a pour objet un stator de moteur piézoélectrique comportant des éléments piézoélectriques dont les déformations axiales combinées provoquent des déformations tridimensionnelles du stator, caractérisé par le fait que chaque élément piézoélectrique a une première extrémité au contact du stator et une seconde extrémité au contact d'une masse individuelle, toutes les masses individuelles étant mécaniquement isolées les unes des autres de manière à pouvoir se déplacer de façon autonome. Dans le stator selon l'invention, chaque impulsion d'un élément piézoélectrique exerce une action d'une part sur le stator, par la première extrémité de l'élément, et d'autre part sur la masse individuelle, par la seconde extrémité de l'élément. Le stator et la masse exercent alors une réaction sur l'élément piézoélectrique, ce qui a pour effet, d'une part de repousser la masse et d'autre part, de déformer le stator. Selon l'invention, l'inertie non négligeable de chaque masse suffit à entraîner les déformations du stator. En d'autres termes, l'ensemble des masses individuelles remplace la partie rigide du stator connu sans en présenter les inconvénients. On comprend qu'après une première impulsion de l'élément piézoélectrique, la masse commence par s'éloigner du stator puis revient en direction de ce dernier après que l'élément piézoélectrique a retrouvé sa dimension initiale. Avantageusement, on détermine chaque masse pour qu'elle entre en résonnance avec le stator, c'est-à-dire pour qu'au moment où l'élément piézoélectrique exerce une impulsion en s'appuyant sur la masse, cette dernière termine son déplacement en direction du stator suite à une impulsion précédente. On accroit ainsi la réaction de la masse et donc l'efficacité de l'élément piézoélectrique. Grâce aux masses individuelles, le stator selon l'invention engendre des oscillations mécaniques de sa zone de friction supérieures en amplitude et en fréquence à celles du stator à partie rigide connu. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, les axes de déformation des éléments piézoélectriques sont parallèles entre eux et parallèles à l'axe du stator. Dans ce cas, les masses individuelles peuvent être issues du découpage d'un anneau concentrique au stator, par exemple suivant des plans sécants sur l'axe du stator. Dans un deuxième mode de réalisation de l'invention, les axes de déformation des éléments piézoélectriques sont sécants sensiblement en un point situé sur l'axe du stator au-dessus de la zone de friction, de sorte que les masses disposent individuellement de plus de place pour se déplacer sans contact. Dans ce cas, les masses ont de préférence une forme cylindrique, plus facile à réaliser par usinage. Avantageusement, le stator comporte un moyeu relié à une zone de friction par une zone de raccordement, les premières extrémités des éléments piézoélectriques étant assujetties à la zone de raccordement. L'invention concerne plus particulièrement un stator dont la zone de friction subit une onde progressive engendrée par les déformations tridimensionnelles du stator. La présente invention a également pour objet un moteur piézoélectrique comportant un stator tel que décrit ci-dessus. Dans le but de mieux faire comprendre l'invention, on va en décrire maintenant trois modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence au dessin annexé dans lequel - la figure 1 représente, en coupe axiale, un moteur de l'état de la technique, - la figure 2 est une vue en perspective d'un stator selon un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 est une vue rapprochée d'une portion du stator de la figure 1, - la figure 4 est une vue en perspective d'un moteur comprenant le stator des figures 2 et 3 et un rotor, - la figure 5 est une vue en perspective d'une portion d'un stator selon une variante du premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 6 est une vue de gauche de la figure 5, - la figure 7 est une vue en perspective d'une portion d'un stator selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, - la figure 8 est une vue de gauche de la figure 7, - la figure 9 représente, en coupe axiale, une moitié d'un stator selon un troisième mode de réalisation de l'invention, - la figure 10 représente, en coupe axiale, une moitié d'un stator selon une variante du troisième mode de réalisation de l'invention, - la figure 11 représente, en perspective, le boîtier-masse de la figure 10. Le stator 12 représenté à la figure 2 comprend une zone de friction circulaire 13 reliée, par une zone de raccordement 14, à un moyeu cylindrique creux 15 d'axe 16. La zone de raccordement 14 est sensiblement perpendiculaire à l'axe 16. Des éléments piézoélectriques 17 sont collés par une première extrémité 17a revêtue d'un feuillard d'alimentation électrique 18 à la zone de raccordement 14 et par une seconde extrémité 17b revetue d'un autre feuillard d'alimentation électrique 19 à des masses individuelles 20. Les feuillards d'alimentation électrique 18 et 19 permettent de soumettre chaque élément piézoélectrique 17 à une différence de potentiel appropriée. Dans les exemples décrits ici, on a représenté indifféremment des éléments piézoélectriques et des empilements d'éléments piézoélectriques car le choix entre ces deux possibilités relève d'une optimisation du moteur indépendante de la mise en oeuvre de l'invention. Chaque masse individuelle 20 est séparée physiquement du moyeu 15 et des masses qui l'entourent de manière à pouvoir librement se déplacer en étant seulement suspendue à l'élément piézoélectrique 17 correspondant. Comme on le voit sur la figure 2, les masses 20 sont issues du découpage d'un anneau concentrique au moyeu 15 suivant des plans sécants sur l'axe 16 et espacés de 360/4/n degrés, où n est le mode de vibration du stator sélectionné. Dans l'exemple représenté, n=4. Comme on le voit sur la figure 4, un rotor 21 semblable à celui de la figure 1 complète le stator 12, en s'appuyant sur sa zone de friction 13, pour former un moteur piézoélectrique. Ce moteur permet datteindre une amplitude élevée de déformation de la zone de friction dans la direction axiale, c'est-à-dire de l'ordre de 15 um pour un stator dont la zone de friction présente un diamètre d'environ 6 cm et pour une fréquence d'excitation des éléments piézoélectriques de 40 KHz, ce qui se traduit par une vitesse de rotation du moteur comprise entre 200 et 300 tours par minute. La variante des figures 5 et 6 est similaire au mode de réalisation précédent, à ceci près que les masses individuelles 22 ne sont plus des portions d'anneaux mais des plots cylindriques qui présentent l'avantage, par rapport aux masses précédentes, d'être plus faciles à usiner. Dans le deuxième mode de réalisation des figures 7 et 8, la zone de friction est constituée par la face supérieure 23 d'un rebord circulaire 24 qui s'étend parallèlement à l'axe 16, à l'extrémité d'une zone de raccordement 25 tronconique, donc de section inclinée, reliant ledit rebord circulaire 24 au moyeu central 26. Dans ce mode de réalisation, les éléments piézoélectriques 27 sont montés avec leur première extrémité 27a collée à la face inférieure de la zone de raccordement 25 en étant perpendiculaires à cette dernière, avec interposition d'un feuillard d'alimentation 28. Etant donné que la zone de raccordement 25 est tronconique, les éléments piézoélectriques 27 sont inclinés par rapport à l'axe 5 du stator. Les axes de déformation des éléments piézoélectriques 27 sont donc divergents à l'opposé de la zone de friction. Ils sont en revanche sécants sur l'axe 16 en un point 29 situé au-dessus du plan de la zone de friction 23. La seconde extrémité 27b de chaque élément piézoélectrique 27 est collée à une masse cylindrique 30 propre à chaque élément piézoélectrique, également avec interposition d'un feuillard d'alimentation 28. Les masses 30 peuvent être plus volumineuses que les masses 22 du mode de réalisation précédent car elles disposent de plus de place entre elles. Ce stator s'est révélé particulièrement performant, notamment du fait que sa zone de friction se déforme avec une amplitude axiale, (c'est-à-dire selon l'axe 16) très importante. En découpant des créneaux dans le rebord circulaire 23, on s'attend à améliorer encore les performances du stator selon l'invention car l'aptitude de la zone de friction à se déformer tangentiellement serait alors accrue. Le rapport t/z qui exprime le rapport des déplacements tangentiels sur les déplacements axiaux de la zone de friction serait alors supérieur à 0,7, valeur déjà atteinte avec le stator des figures 5 et 6. On rappelle qu'avec un stator de l'état de la technique, ce rapport t/z était de l'ordre de 0,25. Dans le mode de réalisation des figures 9 à 11, chaque masse est maintenue contre l'élément piézoélectrique correspondant par vissage. Dans la première variante de la figure 9, une vis 31 fraisée pénètre par le côté du stator dirigé vers le rotor dans un trou traversant 32 à embouchure évasée de la zone de raccordement 33 et traverse un empilement d'éléments piézoélectriques 34 de forme annulaire, c'est-à-dire percés en leur centre, et une masse 35, qui peut être annulaire ou pas. Un écrou 36 est vissé sur la partie filetée de la vis 31 et assure le serrage de l'ensemble en appliquant une précontrainte appropriée aux éléments piézoélectrique 34. Des feuillards d'alimentation électrique 37 sont prévus aux extrémités de chaque élément piézoélectrique 34. Un isolant tubulaire 38 occupe le jeu radial existant entre la vis 31 et les éléments piézoélectriques empilés, feuillards compris. Cette variante est avantageuse du fait qu'elle est particulièrement aisée à mettre en oeuvre tout en assurant la mise en précontrainte précise de chaque élément piézoélectrique. Dans la variante des figures 10 et 11, un boîtier-masse 39 d'un seul tenant est vissé dans un orifice taraudé 40 de la zone de raccordement 41 débouchant sur la face inférieure de cette dernière. Le boitier-masse comprend une partie tubulaire 39a formant boîtier et une partie massique 39b formant masse. La partie tubulaire 39a est elle-meme composée d'une portion tubulaire filetée d'extrémité 42 et d'une portion ajourée 43. Elle est destinée à recevoir un empilement d'éléments piézoélectriques 44 et de feuillards 45 convenablement alimentés électriquement. La hauteur de la partie tubulaire 39a étant inférieure à celle de l'empilement des éléments piézoélectriques 44 et des feuillards 45, on comprend que le serrage du boîtier-masse 39 dans le trou 40 permet d'assurer la mise en précontrainte des éléments piézoélectriques qui sont serrés entre le fond de l'orifice 40 et le fond de la partie tubulaire 39a. On comprend que cette fonction de serrage du boîtier-masse requiert que ce dernier soit relativement rigide. Toutefois, une certaine aptitude à la déformation du boitier-masse est requise pour que les dilatations des éléments piézo-électriques génèrent une onde progressive sur la zone de friction. Cette aptitude à la déformation est procurée par les ajours de la portion 43 du boîtier-masse. Cette variante est avantageuse car elle utilise des éléments piézoélectriques non percés, qui sont meilleur marché que les éléments annulaires. Il est bien entendu que les modes de réalisation qui viennent d'être décrits ne présentent aucun caractère limitatif et qu'ils pourront recevoir toutes modifications désirables sans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Stator de moteur piézoélectrique comportant des éléments piézoélectriques (17;27;34,44) dont les déformations axiales combinées provoquent des déformations tridimensionnelles du stator, caractérisé par le fait que chaque élément piézoélectrique (17;27;34;44) a une première extrémité (17a; 27a) au contact du stator et une seconde extrémité (17b; 27~) au contact d'une masse individuelle (20;22;30;35;396), toutes les masses individuelles étant mécaniquement isolées les unes des autres, de manière à pouvoir se déplacer de façon autonome. 2 - Stator selon la revendication 1, dans lequel chaque masse (20;22;30;35;396) est déterminée pour entrer en résonnance avec le stator. 3 - Stator selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel les axes de déformation des éléments piézoélectriques (17;34;44) sont parallèles entre eux et parallèles à l'axe (5) du stator. 4 - Stator selon la revendication 3, dans lequel les masses individuelles (20) sont issues du découpage d'un anneau concentrique au stator. 5 - Stator selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel les axes de déformation des éléments piézoélectriques (27) sont sécants sensiblement en un même point (29) situé sur l'axe (16) du stator au-dessus de la zone de friction (23). 6 - Stator selon la revendication 5, dans lequel les masses (30) ont une forme cylindrique. 7 - Stator selon lune quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que chaque masse (20,22,30) est assujettie par collage à un élément piézoélectrique, ou à un empilement d'éléments piézoélectriques, lui-même collé au stator. 8 - Stator selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que chaque masse (35,39) est assujettie par vissage au stator, avec interposition d'un élément piézoélectrique ou d'un empilement d'éléments piézoélectriques, ce dernier étant précontraint axialement par le vissage. 9 - Stator selon la revendication 8, caractérisé par le fait qu'il comporte une vis (31) qui traverse la masse (35) et le ou les éléments piézoélectriques (34). 10 - Stator selon la revendication 8, caractérisé par le fait qu'il comporte un boîtier-masse d'un seul tenant (39) comportant une partie tubulaire (39a) destinée à recevoir un élément piézoélectrique ou un empilement d'éléments piézoélectriques et une partie massique (39b) formant masse, la partie tubulaire étant munie d'un filetage d'extrémité qui permet de visser le boîtier-masse sur le stator en comprimant axialement le ou les éléments piézoélectriques.