Brevet FR2948244A1 — publié le 20110121

STRUCTURE D'ACTIONNEURS PAS A PAS DU TYPE CHENILLE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne le domaine des actionneurs électroactifs du type pas à pas, utilisant entre autre des éléments piézoélectriques Les utilisations principales de ce type de matériel sont les moteurs de systèmes de positionnement précis, à fort couple, à entraînement direct. ART ANTERIEUR ET PROBLEME POSE Les actionneurs électroactifs fonctionnant en mode pas à pas et appelés � inchworm �, c'est-à-dire du type � chenille � sont déjà utilisés pour effectuer des déplacements linéaires ou rotatif. Le fonctionnement d'un tel actionneur repose généralement sur l'exploitation de matériaux céramiques piézoélectriques de type multicouche. Le fonctionnement optimal d'une telle structure est souvent difficile à obtenir à cause des jeux mécaniques faibles qui apparaissent dans ce type d'actionneurs et qui engendrent des couples ou des efforts de freinage parasites. Il s'ensuit un rendement amoindri. En référence à la figure 1, un tel actionneur comprend principalement deux actionneurs de prise 1, 2 ou préhenseur et un actionneur de translation 3 à chaque extrémité duquel est fixé un des deux actionneurs de prise 1 ou 2. L'ensemble repose sur une surface d'évolution 4. 2 Le principe de fonctionnement d'une telle structure est le suivant. Une première phase dans laquelle l'actionneur repose sur une surface d'évolution, par son poids, et une force imposée via un déplacement vertical. On utilise en général des actionneurs munis de céramiques piézoélectriques pour créer ces déplacements verticaux. Lorsqu'on veut déplacer l'ensemble, par exemple le deuxième actionneur de prise 2, on supprime l'effet du déplacement créé par les éléments de céramique piézoélectriques et cet élément de prise 2 perd de l'adhérence par rapport à la surface d'évolution 4. L'actionneur de translation 3 est alors mis en mouvement pour s'allonger et pousse, du fait que le premier actionneur de prise 1 est toujours en adhérence sur la surface d'évolution 4. Le deuxième actionneur de prise 2 s'allonge d'une longueur correspondant au pas du fonctionnement de l'ensemble. L'opération suivante consiste à remettre en adhérence le deuxième actionneur de prise 2 par un déplacement commandé par des céramiques piézoélectriques et à supprimer les effets de ces éléments piézoélectriques du premier actionneur de prise 1 qui perd alors de l'adhérence à son tour par rapport à la surface d'évolution 4. L'actionneur de translation 3 est alors mis en mouvement pour se rétracter et ramener le premier actionneur de prise 1 vers le deuxième actionneur de prise 2 qui est toujours en adhérence sur la surface d'évolution 4. Enfin, le premier actionneur de prise 1 est remis en adhérence sur la surface 3 d'évolution 4 par les déplacements des éléments piézoélectriques. Or, par l'utilisation des céramiques piézoélectriques, notamment de type multicouches, les déplacements sous champ électrique d'environ 1 nv/m restent modestes (1 000 ppm). Le fonctionnement optimal d'une telle structure est souvent difficile à obtenir à cause des jeux mécaniques relativement faibles (quelques dizaines de microns) qui engendrent des couples et/ou des efforts de freinage parasites. Il s'ensuit des couples et/ou des forces utiles relativement faibles. Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients en conservant ce type de progression pas à pas mettant en oeuvre des éléments de type notamment piézoélectrique. RESUME DE L'INVENTION A cet effet, l'objet principal de l'invention est une structure d'actionneurs pas à pas de type chenille, apte à se déplacer par rapport à un support fixe ou une surface d'évolution, comprenant au moins un ensemble d'actionneurs comprenant lui-même : - des actionneurs de prise destinés à être mis en contact sur la surface d'évolution par une surface de translation, et - un actionneur de translation à chacune des deux extrémités duquel est fixé un des deux actionneurs de prise. Selon l'invention, les actionneurs de prise sont du type de ceux dont la surface de translation 4 peut être mise en vibration lorsqu'ils sont alimentés en énergie électrique. Dans la réalisation préférentielle de l'invention, ces actionneurs de prise bénéficient d'une pression normale à la surface sur laquelle ils sont placés, c'est-à-dire normale à leur surface de translation. De préférence, cette pression est appliquée au moyen d'un ressort. Il est prévu d'utiliser des actionneurs de prise du type à vibrations d'origine électroactive, notamment du type piézoélectrique ou du type magnétostrictifs, ou du type monophasé résonant, ou bien utilisant des matériaux à mémoire de forme. Dans une première réalisation uni-cellulaire pour déplacement longitudinal, la structure comprend un seul ensemble actionneur comprenant donc un seul actionneur de translation et deux actionneurs de prise, l'ensemble constituant une cellule motrice. Dans une réalisation multi-cellulaire longitudinale, la structure comprend en alternance un premier nombre déterminé N d'actionneurs de translation et un deuxième nombre déterminé N + 1 d'actionneurs de prise. Dans une deuxième version destinée à un déplacement rotatif autour d'un axe, la structure comprend au moins un ensemble de deux actionneurs de prise placés autour d'un axe et au moins un actionneur de rotation, permettant ainsi d'élever le couple de l'actionneur global. Les vibrations de la surface de translation peuvent être stationnaires ou progressives. LISTE DES FIGURES 5 L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description suivante, illustrée de plusieurs figures : - figure 1, déjà décrite, un type d'actionneur selon l'art antérieur ; - figures 2A à 2D ; le fonctionnement des types d'actionneurs utilisés dans l'invention ; - figures 3, 3A, 3B et 3C, en coupe, un actionneur du type Langevin ; - figure 4 ; une version multi-cellulaire longitudinale de la structure selon l'invention ; - figures 5A, 5B et 5C, une version rotative multi-cellulaire de la structure selon l'invention ; et - figure 6, une version uni-cellulaire rotative de la structure selon l'invention. DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE DEUX REALISATIONS DE L'INVENTION La phase de progression d'un pas de la structure d'actionneur selon l'invention est la même que celle décrite dans les paragraphes relatifs à l'art antérieur. Les figures 2A à 2D montrent ces différentes phases, mais appliquées à la structure d'actionneurs selon l'invention. Par contre, le fonctionnement des 6 actionneurs de prise de la structure d'actionneurs selon l'invention est l'inverse de celui utilisé avec les actionneurs de prise de type � inchworm � de la structure décrite dans le paragraphe relatif à l'art antérieur. En effet, en référence à la figure 2A, l'ensemble de la structure d'actionneurs a le même aspect que celui précédemment décrit. Toutefois, la technologie des actionneurs de prise 11 et 12 est différente. En effet, les flèches 15 montrent que un effort statique est appliqué sur ou par chaque actionneur de prise 11 et 12, en ce sens que chacun d'entre eux exerce une pression sur la surface d'évolution 4. Cette pression peut être effectuée par gravité, mais de préférence augmentée par la pression d'un ou plusieurs ressorts. Quoi qu'il en soit, en l'état, la structure d'actionneurs de la figure 2A adhère bien par la surface inférieure de chacun des actionneurs de prise 11 et 12 sur la surface d'évolution 4. Dans cet état, les actionneurs de prise ne sont pas sous tension et/ou excités. Ils sont à l'état passif. A la figure 2B, l'actionneur de prise 12 placé à droite est mis en action, c'est-à-dire que, s'il est constitué d'un actionneur piézoélectrique résonant, les matériaux piézoélectriques de celui-ci sont excités. Cet actionneur de prise 12 placé à droite rentre en vibration. Il s'ensuit une perte d'adhérence de cet actionneur de prise 12 placé à droite. Si de plus, comme le montre la flèche 16, l'actionneur de translation 13 s'allonge. L'actionneur de prise 12 7 placé à droite se déplace alors en s'éloignant de l'actionneur de prise 11 placé à gauche, grâce à sa perte d'adhérence par rapport à la surface d'évolution 4. La figure 2C montre la troisième phase au début de laquelle l'actionneur de prise 12 placé à droite a été remis en état passif, c'est-à-dire que la structure résonante de l'actionneur de prise n'est plus excitée et que celui-ci est redevenu passif et a repris son adhérence initiale par rapport à la surface d'évolution 4. Conjointement, l'actionneur de prise 11 placé à gauche a été mis sous excitation électrique, c'est-à-dire que ses matériaux électroactifs sont excités en vue d'une excitation de l'actionneur de prise à la résonance. A son tour, celui-ci a donc perdu une partie de son adhérence par rapport à la surface d'évolution 4. Or, comme conjointement, l'actionneur de translation 13 effectue une rétraction, on observe, comme le montre la flèche 17, l'actionneur de prise 11 placé à gauche se rapproche de l'actionneur de prise 12 placé à droite. L'actionneur de prise 11 placé à gauche peut alors cesser d'être excité et reprendre son adhérence initiale sur la surface d'évolution 4, comme le montre la figure 2D. On peut noter que, de manière générale, les actionneurs piézoélectriques ont une surface de base cylindrique. Il est prévu, pour constituer les actionneurs de prise 11 et 12 d'utiliser des actionneurs de prise de type Langevin. Il est également possible d'utiliser des matériaux excités acoustiquement. On choisit la fréquence de fonctionnement des actionneurs de prise 11 et 12 entre 10 et 100 KHz. La figure 3 montre un exemple, en coupe, d'une structure d'un actionneur résonant. Les principaux éléments d'un tel appareil sont deux contre-masses 21 et 22, prenant en sandwich plusieurs céramiques 20 empilées, le tout étant maintenu fixé par une vis de précontrainte 23. Un tel actionneur peut être excité à la résonance mécanique en mode longitudinal, c'est-à-dire le long de l'axe de la vis de précontrainte 23. La figure 3A montre un tel actionneur excité, c'est-à-dire que les extrémités supérieure 24 et inférieure 25 vibrent parallèlement, le long de la direction de la vis de précontrainte 23. L'une d'elle constitue la surface de translation qui est en contact avec la surface d'évolution 4 des figures 2A et 2D. La fonction de débrayage de l'adhérence de la structure d'actionneurs selon l'invention peut également être assurée par un actionneur ayant une structure identique à l'actionneur résonant tel que décrit aux figures 3 et 3A, mais utilisant alors un mode de flexion. Les figures 3B et 3C représentent les effets d'un tel actionneur qui présente une structure analogue à l'actionneur résonant. Un tel actionneur piézoélectrique est excité en rotation par une onde stationnaire de structure monophasée. Les traits interrompus montrent les déformations latérales sur ces deux figures 3B et 3C lorsque l'actionneur est excité. En d'autres termes, les surfaces supérieure 26 et inférieure 27 oscillent ou se balancent. On constatera 9 que cette structure de type flexionnelle pourrait être plus intéressante sur le plan du fonctionnement que le mode longitudinal décrit aux figures 3 et 3A puisque la fréquence de ce type de contact d'un tel appareil est doublée par rapport à la fréquence imposée par l'actionnement des figures 3 et 3A. La vitesse de translation de l'actionnement débrayé peut aussi être augmentée. Le mode de mise en vibration des actionneurs a été décrit de deux manières différentes, en référence aux figures 3, 3A, 3B et 3C. On peut également envisager que la surface de translation puisse être excitée par une onde, non pas stationnaire, mais progressive, telle qu'une vague. En d'autres termes, la surface de translation se déformerait par une déformation qui se déplacerait sur cette surface de translation. Toutefois, ceci nécessite une alimentation électrique diphasée. Les vibrations peuvent être amplifiées ou 20 non. En référence à la figure 4, on envisage une version multi-cellulaire longitudinale de la structure. Cette dernière est montée sur un bâti ou cadre 40, à l'intérieur duquel sont placés en alternance des 25 actionneurs de translation 43, placés horizontalement, et des actionneurs de prise 41 et 42. Les actionneurs de translation 43 sont d'un premier nombre déterminé N et sont placés horizontalement, chacun entre deux actionneurs de prise 41 et 43, placés chacun à une 30 extrémité de chaque actionneur de translation 43. Les actionneurs de prise 41, 42 sont donc d'un deuxième 10 nombre déterminé N + 1, puisqu'il y a, à chaque extrémité de la structure, un actionneur de prise 41 ou 42. Ces derniers fonctionnent en alternance les uns (actionneurs freins 41) par rapport aux autres (actionneurs moteurs 42). En d'autres termes, lorsque les actionneurs freins 41 sont en adhérence sur une paroi déterminée 47, les actionneurs moteurs 42 ne le sont pas. Une fois que les actionneurs de translation 43 ont déplacé les actionneurs moteurs 42, ceux-ci sont remis en adhérence sur la paroi plane 42 et les actionneurs freins 41 ont perdu leur adhérence pour être à leur tour déplacés par les actionneurs de translation 43 effectuant un mouvement contraire par rapport à leur premier mouvement. Ainsi, l'ensemble de la structure se déplace à la manière d'une chenille. On signale que les actionneurs de translation 43 peuvent fonctionner avec la technologie de céramique multi-couche. L'ensemble se complète de ressorts de précontrainte 46 placés au-dessus de chaque actionneur de prise 41, 42 et prenant appui sur le cadre 40. Les figures 5A à 5C montrent le fonctionnement de la structure d'actionneurs en configuration multi-cellulaire rotative. En effet, seuls six actionneurs 50A, 50B sont utilisés, mais toujours par paire. Trois premiers actionneurs 50A sont fixes les uns par rapport aux autres, en étant solidaires d'un premier axe 51A par l'intermédiaire de deux éléments supports 52 fixés eux-mêmes à un plateau à trois têtes 53. Trois seconds actionneurs 50B sont 11 associés chacun avec un premier actionneur 50A pour former trois paires et sont solidaires d'un second axe 51B par l'intermédiaire d'un plateau 54. Un carter 55 entoure l'ensemble. La rotation de quelques degrés d'un des deux axes 51A ou 51B par rapport à l'autre permet d'obtenir les mouvements relatifs des deux actionneurs de chaque paire, afin de permettre d'obtenir une rotation pas à pas de l'ensemble. En référence à la figure 6, une version uni-cellulaire rotative est envisagée. En effet, sur au moins un bâti 60, sont disposés deux actionneurs, un actionneur frein 61 et un actionneur moteur 62. L'actionneur frein 61 est monté sur un bras 69, fixé 15 sur un socle 65 et possédant une articulation 68 permettant au bras 69 d'osciller verticalement. Ainsi, l'actionneur frein 61 peut être légèrement décollé par rapport au bâti 60. L'actionneur moteur 62 est monté sur un 20 bras 64 fixé lui-même sur un socle 65. Une articulation 67 du bras 64 permet une oscillation horizontale de ce dernier et permet donc à l'actionneur moteur 62 d'être translaté horizontalement, le long de la périphérie du bâti 60 pour une amplitude de plusieurs degrés. Deux 25 actionneurs de rotation 63, fonctionnant, par exemple, avec des céramiques multicouches, permettent d'obtenir cette translation. Les articulations 67 et 68 peuvent être réalisées de différentes façon, par exemple par des parties rétrécies en plastique, des articulations 30 ou des charnières. 10 12 Ainsi, un tel système peut tourner pas-à-pas par débrayage alterné de l'actionneur frein 61 et de l'actionneur moteur 62, des ressorts de précontrainte 66 étant placés sur chacun des bras 64 et 69. Avantages de l'invention Le concept de la structure d'actionneur selon l'invention présente l'avantage, par l'utilisation de ce principe de débrayage, basé sur l'exploitation de vibrations, de ne pas être tributaire des jeux mécaniques souvent difficiles à gérer dans les structures classiques de type � à chenille � (inchworm). Cette structure d'actionneurs selon l'invention bénéficie d'un positionnement du stator vis-à-vis d'un rotor non plus absolu mais relatif, puisque la surface des actionneurs de prise assurant le débrayage, prend appui directement sur la surface à entraîner. Les jeux nécessaires au mouvement d'un tel actionneur, par exemple l'entrefer, sont alors assurés par des vibrations de surface exploitant le contact dans le domaine élastique et garantissant ainsi, dans certaines conditions, des coefficients de frottement très faibles. On peut évoquer 85% de réduction par rapport au frottement hors excitation. Un tel système n'est donc plus tributaire des échauffements occasionnant des dilatations différentielles préjudiciables au fonctionnement des structures classiques. 13 Il garantit en outre des efforts normaux très élevés et donc des couples moteurs élevés par le biais d'un système d'application des efforts très simples utilisant, par exemple, un ressort comprimé pour exercer la pression nécessaire. On note que cette structure d'actionneurs permet un positionnement très précis grâce au mécanisme de type chenille (inchworm). On note également qu'on obtient un couple de freinage, dans le cas de la version rotative, par manque d'alimentation plus important que le couple moteur. Enfin, on note que le mouvement de translation peut être obtenu en exploitant, en régime quasi-statique, la déformation d'éléments piézoélectriques ou magnétostrictifs ou en utilisant des matériaux ou alliages à mémoire de forme. REVENDICATIONS1. Structure d'actionneurs pas-à-pas du type � chenille � apte à se déplacer par rapport à un support fixe tel qu'une surface d'évolution (4) comprenant au moins . - deux actionneurs de prise (11, 12, 30) destinés à être placés sur la surface d'évolution (4), par une surface de translation, - un actionneur de translation (13, 34) à chacune des extrémités duquel est fixé un des deux actionneurs de prise (11, 12, 30), caractérisée en ce que les actionneurs de prise (11, 12, 30) sont du type de ceux dont la surface de translation peut être mise en vibration lorsqu'ils sont alimentés en énergie électrique. 2. Structure d'actionneurs selon la revendication 1, caractérisée en ce que les actionneurs de prise (11, 12, 30) sont actionnés à des fréquences comprises entre 10 et 100 KHz. 3. Structure d'actionneurs selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'on exerce une pression sur les actionneurs (11, 12, 30) normale à la surface de translation. 4. Structure d'actionneurs selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'on utilise un ressort pour exercer la pression sur les actionneurs (11, 12, 30). 15 5. Structure d'actionneurs selon la revendication 1, caractérisée les actionneurs de prise (11, 12, 30) sont du type fonctionnant avec des vibrations d'origine électro-actives. 6. Structure d'actionneurs selon la revendication 5, caractérisée en ce que les actionneurs de prise (11, 12, 30) sont du type piézoélectrique. 7. Structure d'actionneurs selon la revendication 5, caractérisée en ce que les actionneurs de prise (11, 12, 30) sont du type monophasé résonant. 8. Structure d'actionneurs selon la revendication 5, caractérisée en ce que les actionneurs sont du type utilisant des matériaux à mémoire de forme. 9. Structure d'actionneurs selon la revendication 5, caractérisée en ce que les actionneurs sont du type magnétostrictifs. 10. Structure d'actionneurs selon la 25 revendication 1, dans une version uni-cellulaire longitudinale, caractérisée en ce qu'il comprend un seul actionneur de translation (13) et deux actionneurs de prise (11, 12). 30 11. Structure d'actionneurs selon la revendication 1, dans une version multi-cellulaire 15 20 16 longitudinale, caractérisée en ce qu'elle comprend en alternance un premier nombre déterminé N d'actionneurs de translation (43) et un deuxième nombre déterminé N + 1 d'actionneurs de prise (41, 42). 12. Système d'actionneurs selon la revendication 1, dans une version rotative destinée à tourner autour d'un axe (36), comprenant au moins un ensemble placé autour de l'axe (51A) comprenant lui- même au moins un actionneur de rotation (63) et deux actionneurs de prise (61, 62, 50A, 50B). 13. Structure d'actionneurs selon la revendication 1, caractérisée en ce que les vibrations 15 sont du type stationnaires. 14. Structure d'actionneurs selon la revendication 1, caractérisée en ce que les vibrations sont de type progressives.