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WO 2004/021555 PCT/FR2003/002556
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" Moteur électroactif monophasé "
La présente invention concerne un moteur rotatif électroactif et un
procédé de fonctionnement de ce moteur.
s Les moteurs électroactifs utilisent les capacités de certains
matériaux, notamment les matériaux piézoélectriques, à se déformer sous
l'action d'un champ électrique qui les traverse.
Les moteurs électroactifs permettent des déplacements précis, par
exemple pour des commandes pas à pas, et même à l'arrêt conservent un
1o couple massique important. Ils sont donc des solutions infiéressantes pour
des applications de positionnement, particulièrement dans des domaines
tels les objectifs pour appareils optiques, l'automobile (essuie-glace,
sièges réglables) ou les commandes dans l'aéronautique.
Les moteurs piézoélectriques utilisent des matériaux piézoélectriques
15 en tant que matériaux électroactifs. Les moteurs piézoélectriques rotatifs
les plus récents et les plus performants, sont des moteurs à onde
progressive de type annulaire ou cylindrique. On peut se reporter par
exemple au brevet EP 0 538 791 (Canon) qui décrit un moteur
cylindrique de ce type. Pour créer l'onde progressive à une surface du
2o matériau piézoélectrique, on utilise une alimentation électrique diphasée
pour générer dans le matériau un champ électrique tournant. Le matériau
se déforme sous l'action de ce champ de sorte qu'il forme à la surface
une ondulation qui fait se mouvoir, directement ou indirectement un
rotor.
25 Cependant, ces moteurs nécessitent une alimentation diphasée qui
comprend de nombreux composants électriques, actifs ou passifs.
Le but de l'invention est de proposer un moteur électroactif dont
l'alimentation est simplifiée, de façon à pourvoir proposer un ensemble
moteur-alimentation performant robuste et bon marché.
3o Selon un premier aspect de l'invention, un tel moteur comprend un
stator fixé au bâti du moteur et apte à fléchir perpendiculairement à une
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direction principale, ledit stator comprenant, empilées selon ladite
direction principale, des éléments électroactifs, par exemple des
céramiques piézo-électriques, encadrées par deux contre-masses,
caractérisé en ce que ledit stator présente une dissymétrie géométrique
s de façon à créer une dissymétrie de résonance. Cette dissymétrie est dite
géométrique par opposition à une dissymétrie électrique dans une
alimentation utilisant deux tensions en quadrature de phase. Elle permet
d'obtenir pour le stator deux modes de flexion selon deux directions
distinctes, de préférence orthogonales entre elles, perpendiculaires à la
Zo direction principale, et dont les fréquences de résonance sont différentes.
Cette dissymétrie géométrique peut être obtenue grâce à un mode
de fixation dissymétrique du stator sur le bâti ou encore par une forme
dissymétrique du stator, particulièrement une forme dissymétrique pour
les contre-masses.
15 Selon un deuxième aspect de l'invention, un procédé pour alimenter
un moteur piézo-électrique à rotation de mode comprenant un stator fixé
à un bâti du moteur et apte à fléchir perpendiculairement à une direction
principale, ledit stator comprenant, empilées selon ladite direction
principale, des céramiques piézo-électriques encadrées par deux contre-
ao masses, ledit stator présentant une dissymétrie géométrique de façon à
créer une dissymétrie de résonance, est caractérisé en ce qu'on utilise
une alimentation électrique monophasée. On choisira, pour l'alimentation,
des fréquences de résonance suffisamment proches pour qu'à la
fréquence intermédiaire l'amplitude de la flexion selon chacun des modes
25 de flexion soit adaptée au fonctionnement du moteur. La fréquence
intermédiaire sera plus particulièrement choisie afin que le déphasage
entre les deux modes de flexion soit de 90°.
Pour un stator comprenant deux céramiques on reliera l'une des
deux bornes de l'alimentation monophasée à une interface entre les deux
3o céramiques et l'autre borne sur des faces des céramiques respectivement
opposées à l'interface.
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D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront
encore de la description ci-après, relative à des exemples non limitatifs.
Aux dessins annexés
- la figure 1 est une représentation d'un premier mode de réalisation
pour un moteur selon l'invention;
- la figure 2 est un schéma d'un premier type d'alimentation
monophasée possible pour un moteur selon l'invention, notament pour le
moteur de la figure 1;
- la figure 3 est une représentation en perspective éclatée des
lo plaquettes et des contre-masses constituant un stator pour le moteur de
la figure 1;
- la figure 4 est une représentation en plan des plaquettes et contre-
masses du moteur de la figure 1;
- la figure 5 est une illustration de courbes caractéristiques du
Z5 moteur de la figure 1 en fonction de la fréquence d'alimentation
électrique de ce moteur;
- la figure 6 est une représentation en perspective éclatée des
plaquettes et des contre-masses constituant un stator pour un deuxième
mode de réalisation d'un moteur selon l'invention;
20 - la figure 7 est une représentation en plan des plaquettes et contre-
masses du moteur de la figure 6; et,
- la figure 8 est un schéma pour un deuxième type d'alimentation
monophasée possible pour un moteur selon l'invention, ce deuxième type
permettant d'obtenir deux sens de rotation pour le moteur.
25 La figure 1 représente un moteur 1 rotatif piézoélectrique à rotation
de mode monophasé, alimenté par une alimentation électrique
monophasée 40. On décrit aussi ce moteur en référence aux figures 3 et
4. Ce moteur comprend un stator 10 et un rotor 20 montés sur un arbre
2. L'arbre 2 est fixé rigidement à un bâti 3 du moteur 1. Le stator 10 est
so monté sur l'arbre 2 de sorte qu'il ne peut tourner autour de l'arbre 2. le
rotor 20 est monté libre en rotation autour de l'arbre 2. Le rotor peut
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être prévu pour entraîner un mécanisme non représenté. Le stator 10 et
le rotor 20 sont de forme généralement cylindrique.
Au repos, l'arbre 2 est de forme généralement cylindrique et
s'étend, autour d'une fibre centrale supportée par un axe X, selon une
~ direction principale D depuis une fixation 6 de cet arbre sur le bâti. L'axe
X qui est un axe de rotation pour le rotor 20. A la figure 1, le moteur 1
est représenté en fonctionnement, c'est à dire que dans sa portion
supportant le stator l'arbre 2 est fléchi de sorte que sa fibre centrale est
supportée dans cette portion par une ligne courbe L. Par la suite on
Zo nommera axial ce qui comprend ou est parallèle à l'axe X, plus
généralement à la fibre centrale, et radial ce qui est perpendiculaire à
l'axe X, respectivement à la fibre centrale.
Le moteur 1 comprend successivement, montés sur et coaxialement
avec l'arbre 2, une butée fixe 31, un ressort hélicoïdal de compression
32, monté entre la butée fixe 31 et une butée à billes 33, la butée à bille
33, le rotor 20, le stator 10 et un écrou 34 vissé sur une extrémité libre
36 de l'arbre 2.
L'écrou 34 permet de régler la longueur du ressort 32, donc de
régler un effort axial de compression, dit effort presseur, entre le ressort
2o et l'écrou, particulièrement pour comprimer le rotor 20 sur le stator 10.
Comme pour des moteurs piézoélectriques déjà connus, cet effort est
nécessaire pour l'entraînement du rotor 20 par le stator 10. Cet effort est
avantageux puisque lorsque le moteur est au repos, c'est à dire lorsqu'il
n'est pas alimenté, le rotor est ainsi maintenu immobile relativement au
stator. Par exemple si le moteur est utilisé pour effectuer un réglage d'un
mécanisme, ce réglage est maintenu sans qu'il soit utile d'alimenter le
moteur.
Le stator 10 lui-même comprend suçcessivement, montés sur et
coaxialement avec l'arbre 2, une première contre-masse 1 1, une première
3o plaquette de céramique piézoélectrique 12, une deuxième plaquette de
céramique piézoélectrique 13 et une deuxième contre-masse 14. Les
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contre-masses 1 1,14 et les plaquettes 12,13 sont des cylindres
comprenant chacun deux faces opposées, perpendiculaires à la direction
D lorsque le moteur est au repos. On appelle face postérieure la première
face rencontrée lorsque l'on parcourt l'arbre selon la direction D, et
antérieure la deuxième face rencontrée selon le même parcours.
Un ensemble 1 1-14 constitué par les contre-masses et les
plaquettes est apte à se déformer sous l'action de l'alimentation 40, de
sorte qu'une onde progressive se forme à la surface postérieure 11 1 de la
première contre-masse 11. Le fonctionnement de l'ensemble 11-14 sera
1o expliqué dans la suite de la présente description. C'est l'onde progressive
se formant sur la face postérieure 1 1 1 de la première contre-masse 11,
qui entraîne le rotor en rotation.
A la figure 1, le rotor est représenté sous une forme cylindrique. II
comprend une face antérieure 22 prévue pour être en contact avec la
face postérieure 111 de la première contre-masse 11. Cette face
antérieure 22 du rotor 20 est revêtue d'une couche de friction 23 pour
assurer l'entraînement sans glissement du rotor 20 par le stator 10. Une
face postérieure 21 du rotor 20 sert d'appui à la butée à bille 33. Un
palier non représenté, éventuellement équipé d'un roulement à bille,
2o permet le découplage en rotation de l'arbre 2 d'avec le rotor 20.
L'alimentation 40 permet la fourniture d'énergie motrice au moteur.
Cette alimentation est monophasée, constituée d'une phase 41 et d'une
masse 42. Une première interface 1112 entre la face antérieure 1 12 de la
première contre-masse 11 et la face postérieure 121 de la première
plaquette 12 est reliée à la masse 42. Une deuxième interface 1213 entre
la face antérieure 122 de la première plaquette 12 et la face postérieure
131 de la deuxième plaquette 13 est reliée à la phase 41. Une troisième
interface 1314 entre la face antérieure 132 de la deuxième plaquette 13
et la face postérieure 141 de la deuxième contre-masse 14 est aussi
so reliée à la masse 42. Une tension variable 43 est appliquée à la phase 41.
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La première et la deuxième plaquette piézo-électrique se déforment
sous l'action des champs électriques axiaux entre les interfaces, créés
par la tension 43 pour générer l'onde progressive.
Une alimentation 40 possible pour le moteur 1 est schématisée à la
s figure 2. Elle est proche d'une alimentation à découpage de type
"Forward" à laquelle on aurait retiré ses diodes au secondaire. Elle est
commandée par un interrupteur 46 pour le démarrage et l'arrêt du
moteur. Cette alimentation comprend un transformateur 44. Ce
transformateur permet d'adapter le niveau de tension à celui du moteur et
so d'en assurer l'isolement galvanique. Le secondaire 47 du transformateur
44, comprend une inductance 48 permettant d'obtenir la résonance en
réglant la fréquence de la tension 43 aux bornes 41,42 du moteur 1 en
fonction de la capacitance des plaquettes 12,13.
On va maintenant expliquer le fonctionnement du stator 10 en
15 référence aux figures 3, 4 et 5. On va tout d'abord examiner les formes
respectives et les dispositions relatives des plaquettes 12,13 et des
contre-masses 1 1,14.
Les contre-masses et les plaquettes ont sensiblement le même
diamètre extérieur et comprennent toutes quatre en leur centre un
2o percement axial 51 pour le passage de l'arbre 2.
Les contre-masses 1 1,14 sont identiques entre elles. Elles
comprennent en outre des singularités constituées de deux évidements,
des alésages 52, parallèles au percement axial 51 et diamétralement
symétriques entre eux par rapport à l'axe X. Ces alésages forment une
25 dissymétrie géométrique autour de l'axe X. Ces alésages définissent un
plan axial P1,P2 pour chacune des plaquettes. Ainsi, pour un premier plan
axial P1 coupant diamétralement les deux alésages 52 de la première
contre-masse 11, on privilégie la flexion de la première contre-masse
selon un mode M1 perpendiculairement au premier plan axial P1. De
3o même, pour un deuxième plan axial P2 orthogonal à un plan coupant
diamétralement les deux alésages 52 de la deuxième contre-masse 14, on
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privilégie la flexion du stator selon un mode M2 perpendiculairement au
deuxième plan axial P2. Les modes de flexion M1,M2 sont
caractéristiques de la dissymétrie de résonance.
Les plaquettes piézo-électriques 12,13 sont identiques. Elles sont
constituées d'un premier secteur 123,133 et d'un second secteur
124,134 de polarités axiales opposées représentées aux figures 1 et 3
par des flèches notées P+ selon la direction principale D et P- selon la
direction opposée. A la figure 4, les éléments sont représentés en vue en
plan selon la direction D. Les polarités P+ y sont illustrées par des
lo cercles contenant une croix et les polarités P- par des cercles contenant
un point. Pour la première plaquette 12 le premier secteur 123 est séparé
du deuxième secteur 124 par un premier plan axial médian PM 1. Pour la
première plaquette 13 le premier secteur 133 est séparé du deuxième
secteur 134 par un deuxième plan axial médian PM2. II est a noter que
l'on entend par polarités axiales opposées des polarités telles que sous
l'effet d'une même tension si la dimension axiale d'un secteur diminue, la
dimension axiale d'un secteur de polarité opposée augmente.
Dans l'exemple des figures 1,3 et 4 les plaquettes sont disposées de
sortes que les deux plans médians sont perpendiculaires entre eux. C'est
2o à dire qu'un secteur d'une des plaquettes est en vis à vis à la foi d'un
secteur ayant même polarité que lui et d'un secteur de polarité opposée
sur l'autre plaquette. Les contre-masses 1 1,14 sont disposées de part et
d'autre des plaquettes de sorte que le premier plan axial P1 est confondu
avec le premier plan médian PM1 et le deuxième plan axial est confondu
avec le deuxième plan médian PM2.
La figure 5 illustre, en fonction de la fréquence F de la tension
d'alimentation:
- les amplitudes A des déformations des plaquettes selon les deux
modes de flexion;
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- les amplitudes B des déformations, c'est à dire de l'onde
progressive sur la face postérieure 1 1 1 de la première contre-masse 1 1,
selon les deux modes de flexion; et,
- le déphasage D entre les deux modes de flexion des déformations
sur la face postérieure de la première contre-masse 11.
On constate que pour le premier mode de flexion M 1 la résonance
est atteinte pour une fréquence F1 et que pour le deuxième mode de
flexion M2 la résonance est atteinte pour une fréquence F2. Pour une
fréquence médiane Fu telle que Fu = (F1 + F2)/2, le déphasage entre les
Zo deux modes de flexion est de 90°C. La fréquence médiane Fu est
la
fréquence d'utilisation pour un fonctionnement optimal du moteur 1.
Lorsque la tension d'alimentation varie les matériaux piézo-
électriques constitutifs des plaquettes se déforment plus ou mois selon
que le champ électrique créé par cette tension est plus ou moins intense,
de sorte que le stator fléchi selon la ligne L.
La tension étant variable, le champ électrique varie en fonction de la
tension. Ainsi, les déformations axiales des céramiques piézo-électriques
constitutives de chaque secteur 123,124,133,134 suivent, selon leur
polarité, les variations d'intensité du champ électrique axial auquel elles
2o sont soumises. C'est ainsi que lorsque l'intensité du champ électrique
augmente, l'épaisseur d'un secteur d'une plaquette tandis que l'épaisseur
de l'autre secteur de la même plaquette diminue, et réciproquement
lorsque l'intensité du champ électrique diminue. Lorsque l'intensité de la
tension varie, donc des champs, varie les épaisseurs varient aussi
progressivement excitant progressivement chacun des modes M 1,M2 de
flexion de sorte que chaque point de la ligne L décrit autour de l'axe X un
parcours représenté sensiblement circulaire à la figure 1 par la flèche R.
Les figures 6 et 7 sont des représentations, respectivement
similaires à celles des figures 3 et 4, d'un deuxième mode de réalisation
so possible pour un moteur selon ~ l'invention, en particulier pour la
disposition des éléments 1 1-14 du stator 10. Les éléments sont
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identiques à ceux décrits en référence aux figures 3 et 4, seule leur
disposition change.
Dans l'exemple de la figure 6, les plans médians PM1 et PM2 sont
confondus, mais forment un angle de 180° entre eux, c'est à dire que
les
plaquettes 12,13 sont disposées de sorte qu'un secteur d'une polarité sur
une plaquette soit en vis à vis avec un secteur de polarité opposée sur
l'autre plaquette. Les contre-masses 1 1,14 sont disposées de sorte que
les plans axiaux P1,P2 sont confondus et forment un angle de 45 ° avec
les plans médians PM 1,PM2.
Zo Pour un bon fonctionnement du moteur il faut s'assurer que la
rotation du rotor 20 s'effectue sensiblement dans un plan perpendiculaire
à l'axe X, c'est à dire que le rotor 20, bien que plaqué contre le stator 10
par un effort presseur du ressort 32, n'est pas entraîné en flexion par les
mouvements du stator. Pour cela il faut que le rotor 20 ait une inertie
i5 suffisante, et que l'effort presseur exercé est suffisant pour
l'entraînement en rotation du rotor par la stator sans que cet effort soit
trop important.
La figure 8 représente un deuxième type d'alimentation monophasée
possible pour un moteur selon l'invention, adapté au moteur de la figure
ao 3. Ce deuxième type permet de faire tourner le moteur à volonté selon un
premier sens de rotation ou selon un second sens de rotation, opposé au
premier. A la figure 8, la deuxième interface est reliée à la masse 42 et
l'alimentation comprend un transformateur dont le primaire, alimenté par
une phase unique 41, n'est pas représenté. Ce transformateur comprend
25 deux secondaires identiques dont un premier S1 est relié par une de ses
deux bornes à la masse 42 et par l'autre à la première interface 1112 à
laquelle elle permet d'appliquer une phase 411. Le deuxième secondaire
S2 comprend deux bornes B1,B2 et il est commandé par un inverseur K.
L'inverseur K comprend deux contacts de masse K11, K12 reliés à la
3o masse 42 et deux contacts de phase K21,K22 , reliés à la troisième
interface 1314.
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L'inverseur comprend deux positions. Dans sa première position, le
premier contact de masse K11 est en contact avec la première borne B1
et le premier contact de phase K21 est en contact avec la deuxième
borne B2 de sorte que le deuxième secondaire est alimenté de façon
s identique au premier secondaire. Ainsi, une tension 41 1,412 identique
est appliquée aux premières et troisièmes interfaces, permettant
l'entraînement du moteur dans un premier sens de rotation.
Dans la seconde position de l'inverseur K, le deuxième contact de
masse K12 est en contact avec la deuxième borne de B2 et le deuxième
1o contact de phase K22 est en contact avec la première borne B2 de sorte
que le deuxième secondaire est alimenté de façon opposée au premier
secondaire. Ainsi, une tension 412 de même amplitude mais de signe
opposé à celle 411 appliquée à la première interface est appliquée à la
troisième interface, permettant l'entraînement du moteur dans le second
s5 sens de rotation.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent
d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces
exemples sans sortir du cadre de l'invention.
Ainsi, l'alimentation peut être inversée et la masse reliée à la
2o deuxième interface alors que la phase est reliée à la première et à la
troisième interface.
La forme des éléments constitutifs du moteur n'est pas
nécessairement cylindrique. Plutôt que de réaliser des alésages dans les
contre-masses il est possible de donner différentes formes a ces contre-
25 masses, Ainsi, une contre-masse ayant la forme d'une poutre aura une
fréquence de résonance différente selon que la flexion se fait selon une
petite ou une grande arrête de la poutre. La dissymétrie peut également
être réalisée par l'introduction d'une ou plusieurs singularités uniquement
sur une des contre-masses ou sur' une partie du stator. La dissymétrie
so peut également être obtenue par l'utilisation de matériaux anisotropes,
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l'anisotropie introduisant localement des singularités. Le nombre des
plaquettes n'est pas non plus limité à deux.
Le stator peut en outre comprendre un amplificateur mécanique,
formant entretoise entre l'ensemble et le rotor. II sert alors à amplifier
l'onde progressive et à entraîner le rotor en rotation. L'amplificateur peut
aussi de forme généralement cylindrique, comprendre une face antérieure
appliquée sur la face postérieure de la première contre-masse et une face
postérieure en contact avec le stator. C'est l'onde progressive, amplifiée
sur la surface postérieure de l'amplificateur, qui entraîne le rotor en
Zo rotation.
Au lieu d'introduire une dissymétrie de résonance à l'aide d'une
dissymétrie géométrique dans le stator, par exemple les alésages dans les
contre-masses, on peut aussi l'introduite à l'aide d'une dissymétrie
géométrique dans la fixation du stator sur le bâti, c'est à dire par exemple
de la fixation du stator sur l'arbre. Ainsi, en fixant le stator de manière
dissymétrique, par exemple dans une direction radiale et pas dans une
direction radiale perpendiculaire, on obtient des fréquences de résonance
différentes selon la direction. Cette solution présente un intérêt
particulièrement pour des moteurs selon l'invention de très petite
2o dimension.
Bien entendu, le même principe de fonctionnement peut être obtenu
avec d'autres types de matériaux électroactifs.
Des moteurs selon l'invention présentent des avantages
économiques et de fiabilité, essentiellement pour des moteurs qui ne
nécessitent qu'un seul sens de rotation . Ils sont particulièrement adaptés
pour les moteurs de petite taille tels les moteurs d'horlogerie, de
microchirurgie ou de microélectronique.
