Brevet FR2903825A1 — publié le 20080118

MOTEUR PIEZOELECTRIQUE ROTATIF La présente invention concerne d'une façon générale le domaine des moteurs piézoélectriques rotatifs, et plus spécifiquement elle concerne des perfectionnements apportés aux moteurs piézoélectriques rotatifs, comportant : - un stator denté annulaire, - un support fixe pour supporter le stator, - un rotor annulaire en appui sur le stator sous un effort de précontrainte, - des moyens de poussée propres à appuyer axialement le rotor sur le stator avec précontrainte, et - des moyens piézoélectriques d'excitation du stator propres à exciter celui-ci et provoquer le déplacement rotatif du rotor. Dans un moteur piézoélectrique rotatif, dit aussi moteur rotatif à onde progressive, l'entraînement du rotor est dû à la friction des dents du stator sur la surface de contact du rotor. La qualité du contact entre stator et rotor est déterminante pour la régularité de déplacement du rotor et le couple maximum du moteur. A la figure 1 des dessins annexés, on a représenté très schématiquement une structure simplifiée d'un moteur piézoélectrique rotatif limitée aux principaux organes concernés par l'invention. Le rotor 1 se présente sous la forme générale d'une roue ayant un patin de contact 2 annulaire réuni par un voile 3 à un moyeu 4 central. Le stator 5 se présente sous la forme générale d'une structure annulaire fixe comportant une couronne 6 statorique annulaire qui possède une surface dentée 9 sur laquelle est en appui le patin de contact 2 et qui est supportée en porte-à-faux vers l'extérieur sur une embase 7 annulaire par l'intermédiaire d'une jante 8 statorique d'étendue sensiblement radiale ; les moyens piézoélectriques 10 sont fixés sous la couronne 6 statorique à l'opposé de la surface dentée 9. 2903825 2 La mise en précontrainte du moteur est obtenue en exerçant une force axiale sur le rotor 1. De façon pratique, la force d'appui est appliquée axialement sur l'axe 11 du rotor muni à cet effet d'une collerette 12 formant 5 butée axiale. Ainsi, l'entraînement du rotor se fait par friction des dents du stator 5 sur la surface de contact du rotor 1. Afin d'assurer ce contact, le rotor est pressé contre le stator de manière à avoir une force de contact appropriée, 10 de l'ordre de 200 N pour un moteur de 60 mm de diamètre. La figure 2 représente un modèle de répartition des éléments piézoélectriques sous la couronne 6 statorique selon l'art antérieur, les moyens piézoélectriques 10 se présentant alors sous la forme d'un anneau 15 piézoélectrique avec deux secteurs d'excitation, couramment appelés électrodes d'excitation , un secteur A correspondant à un mode d'excitation sinusoïdal et un secteur B correspondant à un mode d'excitation cosinusoïdal, c'est-à-dire que le secteur piézoélectrique A est excité sous une tension de commande du type ksinwt et que le secteur piézoélectrique B 20 est excité sous une tension du type kcoswt, k étant une constante, t le temps et w la période. Les deux tensions de commande sont donc décalées de n/2 l'une par rapport à l'autre. Chaque secteur d'excitation comprend une pluralité de segments 25 piézocéramiques a,-a6, bi-b6 polarisés de manière alternée. Ainsi, en considérant deux segments piézoélectriques alternés limitrophes et en les excitant avec une même tension, on obtient la contraction d'un segment et la dilatation de l'autre, ce qui entraîne la 30 déformation de la surface du stator 5 en formant une onde stationnaire, chaque segment piézoélectrique des secteurs piézoélectriques A, B étant d'une même longueur périphérique correspondant à une demi-longueur 2903825 3 d'onde À12 de l'onde stationnaire générée par l'excitation du secteur piézoélectrique A, B. Ainsi, les secteurs d'excitation A, B permettent chacun la génération 5 d'une onde stationnaire avec une même longueur d'onde À. Les deux secteurs piézoélectriques A, B sont séparés d'un secteur S, non excité par une tension de commande, d'une longueur périphérique correspondant à un quart de longueur d'onde À/4 et sont excités avec des 10 tensions de commande décalées de n/2 l'une par rapport à l'autre. Ainsi, les deux ondes stationnaires générées par les secteurs d'excitation A, B sur l'anneau piézoélectrique 10 sont décalées l'une de l'autre d'un quart de longueur d'onde (À/4). 15 La superposition des deux ondes stationnaires résulte en la formation d'une onde progressive d'une longueur d'onde À se déplaçant le long de l'anneau piézoélectrique 10, et par voie de conséquence, entraîne également la déformation de la couronne 6 statorique sur laquelle est fixé l'anneau 20 piézoélectrique 10 avec la formation d'une onde progressive se déplaçant sur la couronne 6 statorique. La formation d'une onde progressive permet la création de petits mouvements elliptiques au niveau de la surface dentée 9 de la couronne 6 25 statorique ce qui entraîne par friction la rotation du rotor 1 dans un sens de déplacement opposé au sens de déplacement de l'onde progressive. Le principe de fonctionnement d'un moteur piézoélectrique à l'aide d'un stator et d'un rotor tel que précédemment décrit est bien connu (voir par 30 exemple US 6 674 217). A titre d'exemple, en considérant un anneau piézoélectrique d'une longueur périphérique totale correspondant à neuf longueurs d'onde, alors 2903825 4 que chaque secteur ou électrode d'excitation A, B couvre 4/9ième du périmètre total du stator avec un décalage spatial sur le stator de À/4 de chaque secteur d'excitation A, B l'un par rapport à l'autre, la tension de commande de l'un des secteurs ou électrodes d'excitation étant décalé de 5 n/2 par rapport à la tension de commande de l'autre secteur ou électrode d'excitation A, B. La présente invention s'applique plus particulièrement au moteur piézoélectrique rotatif tel que décrit dans la demande de brevet FR 0600170 10 déposée le 6 janvier 2006 par la Demanderesse. Ainsi, pour chaque onde stationnaire générée sur la couronne statorique, l'excitation pour la génération de cette onde stationnaire ne se fait que partiellement sur une zone de la couronne statorique, usuellement 15 4/9ième de la circonférence de la couronne. Du fait de la précontrainte axiale nécessaire à l'entraînement du rotor et que le secteur d'excitation ne couvre que partiellement le stator, la réponse en hauteur d'onde du stator n'est pas constante sur toute la circonférence du 20 stator et est plus prononcée au niveau du secteur d'excitation par rapport au secteur non excité. Il en résulte un comportement non linéaire de la vitesse de rotation du moteur en fonction de la tension d'excitation des secteurs d'excitation. De plus, l'établissement de l'onde progressive à partir de l'excitation en quadrature de phase de deux secteurs d'excitation est relativement aléatoire pour des basses tensions de commande, et par voie de conséquence pour des basses vitesses de rotation du moteur. II est donc relativement difficile d'utiliser des moteurs piézoélectriques pour des basses vitesses de rotation. 25 30 2903825 5 Ce problème n'a pas été à ce jour résolu. La présente invention se propose de résoudre les problèmes liés à l'art antérieur par la réalisation d'un moteur piézoélectrique rotatif apte à être 5 commandé à de très faibles vitesses de rotation. Afin de permettre la formation d'un moteur piézoélectrique rotatif pouvant être commandé à de très faibles vitesses de rotation, la présente invention porte sur un moteur piézoélectrique rotatif, comportant un stator 10 avec une couronne statorique dentée, une embase fixe pour supporter la couronne statorique ; un rotor ayant un patin rotorique annulaire en appui sur la couronne statorique sous un effort de précontrainte ; des moyens de poussée propres à appuyer axialement le patin rotorique sur la couronne statorique avec précontrainte, et des moyens piézoélectriques d'excitation de 15 la couronne statorique propres à exciter celle-ci et à provoquer le déplacement rotatif du rotor, caractérisé en ce que les moyens piézoélectriques d'excitation de la couronne statorique se présentent sous la forme d'une paire d'anneaux piézoélectriques de même diamètre placés de part et d'autre de la couronne statorique, chaque anneau étant alimenté en 20 une tension de commande de manière à générer une onde stationnaire, de longueur d'onde À, dont l'une est en quadrature de phase par rapport à l'autre et résultant en la formation d'une onde progressive se déplaçant sur la couronne statorique. 25 Afin de permettre la formation d'une onde stationnaire sur chaque anneau piézoélectrique qui soit plus stable et homogène, même à de très faibles vitesses de rotation, chaque anneau piézoélectrique présente un secteur d'excitation correspondant à plus de la moitié de la circonférence totale de l'anneau piézoélectrique. 30 De manière avantageuse, chaque anneau d'excitation présente un secteur d'excitation correspondant à 8.5/91eme de la circonférence totale de l'anneau piézoélectrique. 2903825 6 Afin de permettre la formation d'une onde progressive avec une amplitude maximale par rapport aux ondes stationnaires générées par chaque secteur d'excitation des anneaux piézoélectriques, les secteurs 5 d'excitation de chacun des anneaux piézoélectriques sont, en vis-à-vis, décalés d'une distance correspondant à un quart de longueur d'onde a l'un par rapport à l'autre ou correspondant à un multiple impair d'un quart de longueur d'onde À. 10 Afin de permettre l'entraînement du rotor, le stator présente une surface dentée en contact avec le rotor en bordure interne de la surface supérieure de la couronne statorique, quand les anneaux piézoélectriques sont situés en bordure externe de la couronne statorique. 15 Alternativement, afin de permettre également l'entraînement du rotor, le stator présente une surface dentée en contact avec le rotor en bordure externe de la surface supérieure de la couronne statorique, quand les anneaux piézoélectriques sont situés en bordure interne de la couronne statorique. 20 Afin de permettre la mesure des caractéristiques de l'onde stationnaire générée par chaque secteur d'excitation, l'un au moins des anneaux piézoélectriques comprend une électrode de mesure. 25 Afin que l'électrode de mesure n'interfère pas avec la génération de l'onde stationnaire, l'électrode de mesure est située sur un secteur de l'anneau piézoélectrique non alimenté par une tension de commande. Afin d'empêcher les phénomènes de cisaillement de la colle entre les 30 anneaux piézoélectriques et la couronne statorique lors de leur contraction et dilatation intervenant en fonction de la température, le rebord externe de la couronne statorique présente une pluralité de dents axiales en contact avec le bord radial externe des anneaux piézoélectriques. 2903825 7 La présente invention est maintenant décrite à l'aide d'exemples uniquement illustratifs et nullement limitatifs de la portée de la présente invention, et à l'aide des figures ci-jointes où : 5 - la figure 1 est une représentation schématique des principaux éléments d'un moteur piézoélectrique selon l'art antérieur ; - la figure 2 est une représentation schématique de la disposition des secteurs d'excitation d'un anneau piézoélectrique utilisé selon l'art antérieur ; 10 - la figure 3 est une représentation schématique de la disposition des secteurs d'excitation d'un anneau piézoélectrique selon l'invention ; - la figure 4 est une vue en coupe diamétrale représentant partiellement un stator utilisable dans un moteur piézoélectrique 15 selon l'invention, et - la figure 5 est un mode de réalisation alternatif du stator illustré à la figure 4. Il est représenté à la figure 3 la disposition des secteurs d'excitation 20 d'un anneau piézoélectrique 20 selon l'invention comprenant un secteur d'excitation C recouvrant plus de la moitié de la circonférence de l'anneau 20, et, plus préférentiellement, plus des trois-quarts de la circonférence de l'anneau et de manière encore plus préférentielle 8.5/gième de la circonférence de l'anneau piézoélectrique. 25 Plus précisément, le secteur d'excitation C est constitué d'une pluralité de segments d'excitation avec une polarité alternée pour deux segments immédiatement voisins, chaque segment correspondant à une distance de X1/2 sur la circonférence de l'anneau et tel que cela a été précédemment 30 décrit pour l'anneau piézoélectrique de la figure 2. 2903825 8 L'anneau piézoélectrique 20 ainsi formé permet la génération d'une première onde stationnaire de longueur d'onde À selon le principe précédemment décrit. 5 Afin de mesurer la hauteur de l'onde stationnaire générée par l'anneau piézoélectrique 20, il est prévu un secteur de mesure Cl sur lequel est placé une électrode de mesure 21, de type connu en soi. Selon le mode de réalisation illustré sur la figure 3, le secteur de 10 mesure Cl correspond à une distance périphérique d'une demi-longueur d'onde (À/2). Ainsi, le secteur d'excitation pour une onde stationnaire selon l'anneau piézoélectrique 20 est, pour une circonférence totale de 9À, de 8.5 À. 15 Afin de former une deuxième onde stationnaire de longueur d'onde À et en quadrature de phase avec la première onde stationnaire de longueur d'onde À, qui résulterait, en combinaison avec la première onde stationnaire, en une onde progressive, il est réalisé un stator 22 tel qu'illustré aux figures 4 et 5, sur lequel est fixé deux anneaux piézoélectriques 20, de même 20 diamètre, et plus précisément un anneau piézoélectrique inférieur 20a, avantageusement collé sur la surface inférieure 6a de la couronne 6 statorique, et un anneau piézoélectrique supérieur 20b, avantageusement collé sur la surface supérieure 6b de la couronne 6 statorique, disposés de part et d'autre de la couronne 6 statorique, l'anneau piézoélectrique inférieur 25 20a étant dirigé vers l'embase annulaire 7 (non représentée sur les figures 4 et 5 par mesure de clarté) tandis que l'anneau piézoélectrique supérieur 20b est dirigé vers le rotor 1 (également non représenté sur les figures 4 et 5 par mesure de clarté). 30 Les anneaux 20a, 20b sont tous deux placés en aplomb l'un par rapport à l'autre sur chacune des faces de l'âme 23 du stator 22, et plus précisément en bordure radiale externe de l'âme statorique 23. 2903825 9 Afin que les deux ondes stationnaires formées par les deux secteurs d'excitation résultent en la formation d'une onde progressive se déplaçant sur la couronne statorique 6, les deux anneaux 20a, 20b sont collés sur les faces de l'âme statorique 23 avec un décalage qu'un quart de longueur 5 d'onde, soit un décalage de À/4 (ou d'un multiple impair de À/4) et sont chacun excités par des tensions de commande décalées l'une par rapport à l'autre de n/2. Il en résulte la génération de deux ondes stationnaires de même longueur d'onde À dont l'une est en quadrature de phase avec l'autre. 10 Afin de permettre l'entraînement du rotor 1, la surface dentée 9 en contact avec le rotor 1 est alors placée à côté de l'anneau supérieur 20b au niveau de la bordure interne de l'âme statorique 23 entre l'axe central X-X du stator 22 et l'anneau supérieur 20b. 15 De manière alternative, il est également possible de prévoir une surface dentée 9 du stator 22 à côté de l'anneau supérieur 20b avec la surface dentée 9 se trouvant en bordure externe de l'âme statorique 23 et les anneaux piézoélectriques 20a, 20b en bordure interne de l'âme statorique 23. 20 Afin d'éviter un décollage des anneaux piézoélectriques 20a, 20b et de permettre que les contraintes mécaniques subies par le stator 22, avantageusement en laiton, par exemple les phénomènes de contraction et de dilatation du stator en fonction de la température, soient reprises par les 25 anneaux 20a, 20b, avantageusement en céramique, pour éviter les phénomènes de cisaillement dans la colle, une pluralité de dents 24 est prévue sur le pourtour de l'âme statorique 23, les dents 24 étant sensiblement axiales, dans la même matière que le stator 22, et dirigées vers l'embase 7 pour l'anneau inférieur 20a et vers le rotor 1 pour l'anneau 30 supérieur 20b. Il est ainsi prévu une pluralité de dents axiales inférieures 24a en contact avec le bord radial externe de l'anneau piézoélectrique inférieur 20a et une pluralité de dents axiales supérieures 24b en contact avec le bord radial externe de l'anneau piézoélectrique supérieur 20b. 2903825 10 De manière avantageuse, les dents axiales 24, 24a, 24b forment un crénelage le long de la périphérie externe du stator 22 et sont relativement fines pour ainsi ne pas interférer avec la propagation des ondes stationnaires 5 et de l'onde progressive. Ainsi, en cas de contraction du stator 22, alors les anneaux 20a, 20b seront également contractés dans le même ordre de grandeur permettant ainsi d'éviter un cisaillement dans la colle et par voie de conséquence un 10 décollage des anneaux piézoélectriques 20a, 20b, du fait des différences de matériaux entre les anneaux 20a, 20b et le stator 22 résultant en des contractions et dilatations différentes en fonction de la température pour ces éléments. 15 Ainsi, selon l'invention, du fait que chaque secteur d'excitation recouvre une majeure partie de la circonférence totale de l'anneau piézoélectrique (8 5/9ième selon le mode de réalisation préférentiel), il est obtenu une onde stationnaire générée par l'anneau piézoélectrique qui est plus homogène par rapport à l'art antérieur où le secteur d'excitation n'est que de 4/9ième de la 20 circonférence totale. Ainsi, il est obtenu un moteur piézoélectrique avec une meilleure linéarité de commande aux basses vitesses et avec des tensions de commandes basses. 25 REVENDICATIONS 1. Moteur piézoélectrique rotatif, comportant : - un stator (5) comportant une couronne (6) statorique dentée, - une embase (7) fixe pour supporter la couronne (6) statorique, - un rotor (1) ayant un patin rotorique (2) annulaire en appui sur la couronne (6) statorique sous un effort de précontrainte, - des moyens de poussée propres à appuyer axialement le patin rotorique (2) sur la couronne (6) statorique avec précontrainte, et - des moyens piézoélectriques (10) d'excitation de la couronne (6) statorique propres à exciter celle-ci et à provoquer le déplacement rotatif du rotor (1), caractérisé en ce que lesdits moyens piézoélectriques (10) d'excitation de la couronne (6) se présentent sous la forme d'une paire d'anneaux piézoélectriques (20, 20a, 20b) de même diamètre placés de part et d'autre de la couronne (6) statorique, chaque anneau (20, 20a, 20b) étant alimenté en une tension de commande de manière à générer une onde stationnaire, de longueur d'onde À, dont l'une est en quadrature de phase par rapport à l'autre et résultant en la formation d'une onde progressive se déplaçant sur la couronne (6) statorique. 2. Moteur piézoélectrique rotatif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque anneau piézoélectrique (20, 20a, 20b) présente un secteur d'excitation (C) correspondant à plus de la moitié de la circonférence totale de l'anneau piézoélectrique (20, 20a, 20b). 3. Moteur piézoélectrique rotatif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque anneau d'excitation (20, 20a, 20b) 2903825 12 présente un secteur d'excitation (C) correspondant à 8.5/gième de la circonférence totale de l'anneau piézoélectrique (20, 20a, 20b). Moteur piézoélectrique rotatif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le stator (22) présente une surface dentée (9) en contact avec le rotor (1) en bordure interne de la surface supérieure (6b) de la couronne (6) statorique, quand les anneaux piézoélectriques (20, 20a, 20b) sont situés en bordure externe de la couronne (6) statorique. Moteur piézoélectrique rotatif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le stator (22) présente une surface dentée (9) en contact avec le rotor (1) en bordure externe de la surface supérieure (6b) de la couronne (6) statorique, quand les anneaux piézoélectriques (20, 20a, 20b) sont situés en bordure interne de la couronne (6) statorique. Moteur piézoélectrique rotatif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'un au moins des anneaux piézoélectriques (20, 20a, 20b) comprend une électrode de mesure (21). Moteur piézoélectrique rotatif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite électrode de mesure (21) est située 4. Moteur piézoélectrique rotatif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les secteurs d'excitation (C) de chacun des anneaux piézoélectriques (20, 20a, 20b) sont, en vis-à-vis, décalés d'une distance correspondant à un quart de longueur d'onde À l'un par rapport à l'autre ou correspondant à un multiple impair d'un quart de longueur d'onde À. 5 10 5. 15 6. 20 25 7. 30 8. 2903825 13 sur un secteur (CI) de l'anneau piézoélectrique (20, 20a, 20b) non alimenté par une tension de commande. 9. Moteur piézoélectrique rotatif selon l'une quelconque des 5 revendications précédentes, caractérisé en ce que le rebord externe de la couronne (6) statorique présente une pluralité de dents (24, 24a, 24b) axiales en contact avec le bord radial externe des anneaux piézoélectriques (20, 20a, 20b).