Brevet FR3077443A1 — publié le 20190802

La présente invention concerne un capteur de couple intégré dans la structure d'un moteur piézoélectrique (ou ultrasonore) à onde progressive de flexion permettant une mesure du couple résistant (ou couple de freinage) exercé sur l'arbre du moteur. Plus particulièrement, l'invention concerne un capteur de couple placé dans la structure d'un moteur piézoélectrique à onde progressive de flexion afm de faciliter le pilotage du moteur pour des applications de robotique et d'interfaces haptiques utilisant l'information par retour d'effort. Les moteurs piézoélectriques ou ultrasonores (« ultrasoniques » est aussi employé) sont des moteurs soit rotatifs soit linéaires qui utilisent la vibration d'une structure pour générer des déplacements de l'ordre du micron pour déplacer un rotor ou un curseur. Sur ce principe, il existe des centaines d'architectures, brevetées ou non, permettant de générer ces déplacements rhicroniques. Le corps vibrant (par analogie, il est nommé le stator vibrant) est mis en vibration par des éléments piézoélectriques ou électrostrictifs qui sont, en général, des céramiques piézoélectriques polarisées. Plus particulièrement, l'usage de céramiques piézoélectriques de type PZT est privilégié pour des raisons de coût ou d'efficacité. D'autres matériaux piézoélectriques comme les plastiques piézoélectriques (PVDF), les quartz ou les monocristaux pourraient être utilisés. Malgré la grande diversité d'architecture des moteurs piézoélectriques ou ultrasonores, ceux-ci se caractérisent par deux conversions d'énergie : une première conversion d'énergie électrique en énergie mécanique (conversion piézoélectrique) et une conversion tribologique (entrainement par friction). De manière schématique, les moteurs piézoélectriques peuvent se diviser en trois catégories : les moteurs fonctionnant à la résonance, les moteurs hors résonance (quasi-statique) et les moteurs à inertie (hors résonance). La présente invention concerne plus particulièrement les moteurs fonctionnant à la résonance d'un mode propre de la structure et plus spécifiquement les moteurs piézoélectrique à onde progressive de flexion. Les moteurs piézoélectriques ou ultrasonores à onde progressive de flexion consistent à générer deux ondes de flexion dans un stator vibrant annulaire déphasées en quadrature dans le temps et l'espace. Ces ondes stationnaires déphasées dans le temps (n/2) et dans l'espace (un quart de longueur, d'onde) se recombinent pour générer dans le stator vibrant annulaire une onde progressive de flexion dotée d'une célérité de propagation. Lorsque la propagation de flexion passe dans une section du stator vibrant annulaire, un mouvement elliptique est créé en surface du stator vibrant. Ce mouvement elliptique qui est de l'ordre de quelques microns, est transformé en mouvement rotatif ou linaire respectivement par un rotor ou un curseur pressé mécaniquement sur la surface du stator vibrant. Ce mécanisme est particulièrement bien décrit dans le brevet « Motor device utilizing ultrasonic oscillation » US 4 562 374A (1985) qui est à l'origine de l'invention des moteurs à onde 2 progressive. Suite à cette invention, ces moteurs ont généré une quantité importante de brevets et une grande activité inventive permettant de combiner ce type de moteurs avec différentes applications. Plusieurs dizaines d'années après leur invention, force est de constater que ces moteurs ont donné lieu à peu d'applications industrielles. Les applications les plus pertinentes étant celles relatives au contrôle 5 de l'autofocus d'appareils photo. Ce type de moteur étant basé sur un principe physique très différent du moteur électromagnétique, il en résulte des propriétés très particulières. Les caractéristiques principales sont les suivantes : - Légèreté et faible encombrement (puissance massique élevée) - Fort couple à faible vitesse et sans réducteur (grande précision) 10 - Couple de maintien sans alimentation (frein intégré) - Pas de perturbations électromagnétiques - Silencieux et sans vibration - Conception flexible qui peut s'intégrer au coeur même des mécanismes - Grande précision due à l'absence de « pas » (haute résolution) 15 - Temps de réponse mécanique très faible REVENDICATIONS1. Moteur piézoélectrique à onde progressive de flexion dans un stator vibrant (1) constitué d'un élément piézoélectrique (2), d'un rotor (3) caractérisé en ce qu'un support mécanique (11) comporte un corps d'épreuve (12) dans lequel est intégré un capteur d'effort mécanique (7) permettant de mesurer le couple résistant du dit moteur piézoélectrique. 2. Moteur piézoélectrique à onde progressive de flexion comportant un corps d'épreuve (12) suivant la revendication 1 caractérisé en ce que ce corps d'épreuve (12) est constitué d'une ou de plusieurs zones de déformation du support mécanique (11). 3. Moteur piézoélectrique à onde progressive de flexion comportant un corps d'épreuve (12) suivant la revendication 1 caractérisé en ce que ce corps d'épreuve (12) est constitué d'un ou de plusieurs éléments déformables fixés mécaniquement dans le support mécanique (11). 4. Moteur piézoélectrique à onde progressive de flexion comportant un corps d'épreuve (12) suivant la revendication 1 caractérisé en ce que des jauges d'extensométrie soient fixées sur certaines surfaces de ce corps d'épreuve (12). 5. Moteur piézoélectrique à onde progressive de flexion comportant un corps d'épreuve (12) suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'un capteur d'effort (7) soit placé entre le corps d'épreuve (12) et le support mécanique (11). 6. Moteur piézoélectrique à onde progressive de flexion comportant un capteur d'effort (7) suivant la revendication 5 caractérisé en ce que ce capteur d'effort (7) soit du type piezorésistif à déformation de diaphragme. 7. Moteur piézoélectrique à onde progressive de flexion comportant un corps d'épreuve (12) suivant la revendication 5 caractérisé en ce que le capteur d'effort (7) soit précontraint par une vis (14). 8. Moteur piézoélectrique à onde progressive de flexion comportant un corps d'épreuve (12) suivant la revendication 2 caractérisé en ce que ce corps d'épreuve (12) soit réalisé par usinage directement dans la masse du support mécanique (11). 11 9. Moteur piézoélectrique à onde progressive de flexion dans lequel est intégré un capteur d'effort mécanique (7) permettant de mesurer le couple résistant du dit moteur piézoélectrique suivant la revendication 1 caractérisé en ce que ce moteur piézoélectrique est pilotable en couple via une électronique de contrôle/commande. 5 10. Moteur piézoélectrique à onde progressive de flexion dans un stator vibrant (1) constitué d'un élément piézoélectrique annulaire (2), d'un rotor (3) ainsi que d'un support mécanique (11) ,omportant un corps d'épreuve (12) dans lequel est intégré un capteur d'effort mécanique (7) permettant de mesurer le couple résistant du dit moteur piézoélectrique suivant la 10 revendication 1 caractérisé en ce que ce moteur piézoélectrique comporte un capteur de vitesse et de position. 11. Moteur piézoélectrique à onde progressive de flexion suivant la revendication 10 dans lequel le capteur de vitesse et de position est un codeur optique placé entre le rotor (3) et le stator (1). 15 12. Moteur piézoélectrique à onde progressive de flexion suivant la revendication 11 caractérisé par l'utilisation concomitante d'un codeur optique (4, 5, 6) et d'un capteur d'effort (7) pour les applications de robotique avec retour d'effort. 20 25 30 35