Brevet FR3095910A1 — publié le 20201113

Description Titre de l'invention : Moteur piézoélectrique à onde progressive à résolution micrométrique [0001] La présente invention concerne une structure de moteur piézoélectrique (ou ul- trasonore) à onde progressive permettant des résolutions micrométriques et/ou nanométriques en position. Plus particulièrement, l'invention concerne une structure de moteur piézoélectrique à onde progressive de flexion qui intègre dans le support mécanique du moteur un ou des actionneurs piézoélectriques sous forme d'empilement (« stack ») ou de bilame. La déformation des actionneurs piézoélectriques permet de mettre en mouvement l'ensemble du moteur lorsque celui-ci est à l'arrêt. Une propriété particulière de ces moteurs à onde progressive est que le rotor (ou le curseur) est solidaire du stator lorsque le moteur est à l'arrêt et non alimenté (couple de maintien). Utilisant cette propriété particulière, des actionneurs piézoélectriques mis en oeuvre suivant la présente invention, permettent le mouvement de l'ensemble du moteur, l'axe étant solidaire du rotor. Cette structure particulière apporte au moteur piézoélectrique à onde progressive une précision de contrôle qu'il ne possède pas intrinsèquement lui permettant d'accéder à des applications de positionnement dans les domaines de l'optique (en particulier la microscopie), des platines de positionnement de grande précision pour les applications industrielles comme dans l'industrie du semiconducteur, des applications dans le domaine de la distribution de fluide dans le médical ou la biotechnologie ou encore pour la robotique de précision. [0002] 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 cc principe, il existe des centaines d'architectures, brevetées ou non, permettant dc générer ces déplacements microniques. 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 (Ziconate Titanate de Plomb) 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 2 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. [0003] 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 (7r/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. Cc mouvement elliptique qui est de l'ordre de quelques microns, est transformé en mouvement rotatif ou I inairc 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 &vice utilizing ultrasonic oscillation » US 4 562 374A (1985) qui est à l'origine de l'invention des moteurs à onde 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 de l'autofocus d'appareils photo (Canon). 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), 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), temps de réponse mécanique très faible REVENDICATIONS[Revendication 1] Moteur piézoélectrique à onde progressive de flexion dans un stator vibrant (1) comportant un support mécanique (7), constitué d'un élément piézoélectrique (2), d'un rotor (3), d'un axe (4) et d'un voile de découplage (5) assurant la fixation du stator vibrant (1) sur le support mécanique (7) caractérisé en ce que ce support mécanique (7) comporte une ou des zones de déformation (10) qui coopèrent avec au moins un actionneur piézoélectrique (11) de telle manière que le support mécanique (7) puisse se déformer angulairemcnt par rapport au boitier (9) pour entrainer en rotation l'axe (4) lorsque le stator vibrant (1) n'est plus alimenté électriquement. [Revendication 2] Moteur piézoélectrique à onde progressive de flexion suivant la reven- dication 1 caractérisé en ce que Factionnement piézoélectrique est réalisé par deux actionneurs piézoélectriques dont l'un fonctionne en flexion et l'autre en compression. [Revendication 3] Moteur piézoélectrique à onde progressive de flexion suivant la reven- dication 1 caractérisé en ce que les actionneurs piézoélectriques (11) sont de type multicouches. [Revendication 4] Moteur piézoélectrique à onde progressive de flexion suivant la reven- dication 1 caractérisé en ce que les actionneurs piézoélectriques (11) soient amplifiés mécaniquement pour augmenter les déplacements angulaires du support mécanique (7) à l'aide d'éléments en flexion (12). [Revendication 5] Moteur piézoélectrique à onde progressive de flexion suivant la reven- dication 1 caractérisé en ce que des capteurs de déplacement sont positionnés directement sur les actionneurs piézoélectriques (11). [Revendication 6] Moteur piézoélectrique à onde progressive de flexion suivant la reven- dication 4 caractérisé en ce que des capteurs de déplacement sont positionnés sur les éléments de déformation en flexion (12). [Revendication 7] Moteur piézoélectrique à onde progressive de flexion suivant la reven- dication 1 caractérisé en ce que les capteurs de déplacement suivant les revendications 5 ou 6 sont utilisés comme capteurs de couple résistant lors du fonctionnement du moteur. [Revendication 8] Moteur piézoélectrique à onde progressive de flexion suivant la reven- dication 1 caractérisé en ce que l'axe (4) est un axe creux. [Revendication 9] Moteur piézoélectrique à onde progressive de flexion suivant la reven- dication 1 caractérisé en ce qu'il comprend une carte électronique d'alimentation et. de contrôle à deux étages : un premier étage dédié au 13 moteur à onde progressive et un deuxième étage dédié aux actionneurs piézoélectriques (11).