FR2495400A1 - MOTOR DEVICE NOT HAVING VERY HIGH SENSITIVITY - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne les dispositifs moteurs de grande sensibilité et à grande vitesse. Elle se rapporte à un dispositif comprenant un manchon déformable 10 portant un anneau piézoélectrique 15 sur lequel sont montées des électrodes 16. Le manchon 10 a des dents 12 formant une couronne interne et un rotor 20 ayant des dents 22 et placé dans le manchon. L'excitation différentielle des éléments piézoélectriques par les électrodes 16 provoque la mise du manchon 10 sous forme elliptique, l'ellipse tournant et provoquant la rotation du rotor 20. Application aux dispositifs moteurs de réglage des miroirs des lasers. (CF DESSIN DANS BOPI)The invention relates to high-sensitivity and high-speed motor devices. It relates to a device comprising a deformable sleeve 10 carrying a piezoelectric ring 15 on which are mounted electrodes 16. The sleeve 10 has teeth 12 forming an internal crown and a rotor 20 having teeth 22 and placed in the sleeve. The differential excitation of the piezoelectric elements by the electrodes 16 causes the sleeve 10 to be placed in an elliptical form, the ellipse rotating and causing the rotation of the rotor 20. Application to motor devices for adjusting the mirrors of the lasers. (CF DRAWING IN BOPI)
Description
La présente invention concerne un dispositif moteur de précisionThe present invention relates to a precision motor device
fonctionnant à vitesse élevée, cette operating at high speed, this
expression "vitesse élevée" désignant par exemple une vi- the term "high speed" means, for example, a vi-
tesse d'entrée de plusieurs millions de tours par minute et une vitesse de sortie de plusieurs dizaines de milliers input speed of several million revolutions per minute and an output speed of several tens of thousands
de tours par minute.of revolutions per minute.
L'obtention d'un mouvement et d'un déplacement précis est un problème qui continue à se poser dans de nombreux domaines techniques. Ce problème se complique Obtaining precise movement and movement is a problem that continues to arise in many technical areas. This problem is complicated
notablement lorsque les mouvements et déplacements doi- significantly when the movements and movements
vent avoir lieu à grande vitesse (dans une certaine lar- to take place at high speed (in a certain
geur de bande). Un exemple d'application est le positionne- gangster). An example of an application is the positioning
ment, le déplacement, le mouvement et la déformation des the movement, movement and deformation of
miroirs d'un laser. Un tel miroir doit habituellement trans- mirrors of a laser. Such a mirror usually has to trans-
mettre un faisceau extrêmement parallèle (fronts d'onde coplanaires). Des perturbations indésirables des fronts put an extremely parallel beam (coplanar wave fronts). Undesirable disturbances of the fronts
d'onde sont provoquées par exemple par la turbulence at- are caused for example by the turbulence
mosphérique ou par les variations de masse volumique dans mospheric or by the variations of density in
la cavité du laser, ainsi que par des vibrations de struc- the laser cavity, as well as structural vibrations
ture. Ces perturbations ont lieu fréquemment à fréquence ture. These disturbances occur frequently at a frequency
élevée (largeur de bande comprise dans la gamme des kilo- high (bandwidth included in the range of
hertz et au-delà). Un mouvement mécanique correctif agis- hertz and beyond). A corrective mechanical movement acts
sant sur le miroir doit donc pouvoir suivre ces déplacements à fréquence élevée. Un mouvement de correction doit avoir the mirror must be able to follow these high frequency movements. A correction movement must have
la fréquence et la vitesse voulues et il doit être suffi- frequency and speed and it must be sufficient
samment précis.accurately.
L'invention concerne une nouvelle technique permettant l'obtention de mouvements et de déplacements The invention relates to a new technique for obtaining movements and displacements
à grande vitesse et avec une grande précision. at high speed and with great precision.
Plus précisément, l'invention concerne un dis- More specifically, the invention relates to a
positif moteur de précision ayant une grande vitesse. positive precision motor having high speed.
Elle concerne aussi le perfectionnement des dis- It also concerns the improvement of
positifs d'entraînement harmonique d'une manière qui per- positive harmonic drive in a way that allows
met un fonctionnement à grande vitesse et à grande préci- operates at a high speed and with high accuracy
sion, notamment par mise en oeuvre d'une nouvelle techni- sion, in particular by implementing a new technique
que d'alimentation du dispositif moteur. than powering the motor device.
Plus précisément, l'invention met en oeuvre un t495400 arrangement annulaire d'éléments piézoélectriques de flexion placés sur un manchon cannelé déformable, coopérant avec More specifically, the invention uses a t495400 annular arrangement of piezoelectric bending elements placed on a deformable corrugated sleeve cooperating with
un rotor cannelé ou pignon, selon une coopération harmoni- a fluted rotor or pinion, according to a harmonious
que, les dents du pignon étant choisiesen conséquence. Les éléments de flexion ont des électrodes qui sont excitées that, the teeth of the pinion being chosen accordingly. Bending elements have electrodes that are excited
par les signaux d'un générateur convenable. Lors du fonc- by the signals of a suitable generator. When working
tionnement, le générateur excite électriquement certains éléments de flexion dans un sens et les autres dans l'autre the generator electrically excites some bending elements in one direction and the others in the other
si bien que le manchon cannelé prend une forme elliptique. so that the fluted sleeve takes an elliptical shape.
Ainsi, le manchon cannelé et le rotor coopèrent au niveau du petit axe de l'ellipse mais ne coopèrent pas au niveau Thus, the grooved sleeve and the rotor cooperate at the small axis of the ellipse but do not cooperate at the level
du grand axe. Le dessin d'alimentation est modifié progres- of the main axis. The feed pattern is changed progressively
sivement si bien que la déformation elliptique tourne. Lors- so that the elliptical deformation turns. Lors-
que l'ellipse a fait un tour, le rotor a tourné d'un angle that the ellipse made a turn, the rotor turned from an angle
dépendant du rapport d'engrenage. Ce dispositif moteur pré- dependent on the gear ratio. This motor device pre-
sente l'avantage de permettre une rotation à très grande the advantage of allowing a very large rotation
vitesse de la déformation elliptique du manchon (c'est-à- velocity of the elliptical deformation of the sleeve (i.e.
dire du dessin d'excitation), les limites étant fixées par les composants électroniques utilisés pour la création animation design), the limits being fixed by the electronic components used for the creation
des signaux et par la résonance de la structure des dispo- signals and the resonance of the structure of the
sitifs piézoélectriques utilisés. Un avantage particulier de ce dispositif moteur est qu'il ne présente pas d'effets piezoelectric devices used. A particular advantage of this motor device is that it has no effects
de force contre-électromotrice. Ces effets limitent beau- counter-electromotive force. These effects limit much
coup la sensibilité des dispositifs moteurs électromagnéti- the sensitivity of electromagnetic
ques. Le dispositif électromagnétique est essentiellement de type pas à pas, un pas étant donné par un changement c. The electromagnetic device is essentially of the step-by-step type, a step being given by a change
du dessin d'excitation des éléments de flexion. Un change- of the excitation pattern of the bending elements. A change
ment périphérique régulier de ce dessin, par exemple sous la commande de tensions excitatrices sinusoïdales, provoque un mouvement de décalage continu si bien que toute position particulière peut être atteinte instantanément et peut être conservée. En ce qui concerne le mode pas à pas, le nombre The regular peripheral device of this drawing, for example under the control of sinusoidal excitation voltages, causes a continuous shifting movement so that any particular position can be reached instantaneously and can be maintained. As far as the step-by-step mode is concerned, the number
de pas différents par tour est donné par le nombre d'élé- different steps per turn is given by the number of
ments de flexion multiplié par- le rapport d'engrenages; le bending forces multiplied by the gear ratio; the
rapport est par exemple de l'ordre de quelques centaines. report is for example of the order of a few hundred.
Un tel dispositif moteur peut évidemment fonctionner d'une manière très précise et à très grande vitesse, comme décrit Such a motor device can obviously operate in a very precise manner and at a very high speed, as described
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à titre illustratif dans la suite du présent mémoire. for illustrative purposes in the remainder of this memoir.
D'autres caractéristiques et avantages de l'in- Other features and advantages of the
vention ressortiront mieux de la description qui va suivre, will become apparent from the following description,
faite en référence au dessin annexé sur lequel: - la figure 1 est une perspective d'un dispositif with reference to the appended drawing in which: - Figure 1 is a perspective of a device
moteur selon un mode de réalisation avantageux de l'inven- motor according to an advantageous embodiment of the invention.
tion; - la figure 2 est une élévation frontale agrandie d'une partie du dispositif moteur de la figure 1; et - les figures 3 et 4 sont des schémas illustrant la déformation elliptique d'une partie du dispositif des figures 1 et 2, montrant comment change l'orientation de la déformation. tion; FIG. 2 is an enlarged frontal elevation of a portion of the driving device of FIG. 1; and FIGS. 3 and 4 are diagrams illustrating the elliptical deformation of a portion of the device of FIGS. 1 and 2, showing how the orientation of the deformation changes.
La figure 1 représente un tube ou manchon 10 dé- FIG. 1 represents a tube or sleeve 10 de-
passant en porte-à-faux d'un support convenable 11. Ce tube ou manchon est formé d'une matière élastique convenable et est flexible, c'est-à- dire que le manchon peut subir une déformation flexible et peut passerpar exemple d'un profil This tube or sleeve is formed of a suitable elastic material and is flexible, that is to say that the sleeve can undergo a flexible deformation and can pass for example 'a profile
circulaire à un profil elliptique. Mis à part cette défor- circular to an elliptical profile. Apart from this distortion
mation, le manchon 10 est fixe.mation, the sleeve 10 is fixed.
L'extrémité avant du manchon a des dents 12 d'en- The front end of the sleeve has teeth 12 of
grenage coopérant avec des dents 22 d'un rotor 20 avec les- grinding cooperating with teeth 22 of a rotor 20 with the-
quelles elles sont en prise. Contrairement au manchon 10, le what they are in. Unlike sleeve 10, the
rotor 20 n'est pas flexible ou déformable. Selon une carac- rotor 20 is not flexible or deformable. According to one
téristique habituelle des dispositifs moteurs harmoniques, le rotor a une ou plusieurs dents de plus ou de moins que usual characteristic of harmonic motor devices, the rotor has one or more teeth more or less than
le pignon formé dans le manchon, deux par exemple. the pinion formed in the sleeve, two for example.
Le manchon 10 porte, à l'extérieur, plusieurs éléments piézoélectriques de flexion. Ceux-ci comportent un anneau céramique commun 15 qui porte lui-même plusieurs The sleeve 10 carries, outside, several piezoelectric bending elements. These comprise a common ceramic ring 15 which itself carries several
électrodes externes 16, par exemple vingt environ. Le man- external electrodes 16, for example about twenty. The man
chon 10 forme une électrode interne commune. Chaque élé- chon 10 forms a common internal electrode. Each element
ment de flexion est ainsi délimité par un segment de l'an- bending is thus defined by a segment of the year
neau piézoélectrique 15 et par les électrodes adjacentes, formant une paire d'électrodes disposées en regard, l'une piezoelectric water 15 and the adjacent electrodes, forming a pair of electrodes arranged opposite one another.
de l'ensemble 16 et l'autre du manchon 10. L'anneau piézo- of the assembly 16 and the other of the sleeve 10. The piezo ring
électrique est collé au manchon 10 et aux électrodes. electrical is bonded to the sleeve 10 and the electrodes.
Toutes les électrodes sont reliées à un générateur 18 de signaux, transmettant des signaux d'excitation aux faces des électrodes de l'ensemble des éléments de flexion; All the electrodes are connected to a signal generator 18, transmitting excitation signals to the electrode faces of the set of flexural elements;
une paire d'électrodes comprend une électrode 16 et le man- a pair of electrodes comprises an electrode 16 and the man-
chon 10. Le générateur 18 de signaux transmet par exemple chon 10. The signal generator 18 transmits for example
des oscillations à une fréquence particulière qui est exac- oscillations at a particular frequency which is exactly
tement la même pour toutes les électrodes mais dont les déphasages diffèrent, comme décrit dans la suite en référence au mode de balayage rapide. Le générateur 18 peut aussi transmettre des signaux de déplacement par pas tels que les the same for all the electrodes but whose phase differences differ, as described below with reference to the fast scan mode. The generator 18 can also transmit displacement signals in steps such as the
signaux appliqués à des électrodes différentes ont des po- signals applied to different electrodes have
larités différentes.different causes.
Le dispositif piézoélectrique 15 dans son ensemble assure la déformation elliptique du manchon 10 à proximité The piezoelectric device 15 as a whole ensures the elliptical deformation of the sleeve 10 in the vicinity
de la partie cannelée formée par les dents 12. Cette défor- of the fluted portion formed by the teeth 12. This deform-
mation elliptique provoque la mise en prise des dents 12 elliptical mating causes the teeth to engage 12
placées près du petit axe de l'ellipse avec les dents jux- placed near the minor axis of the ellipse with the juxtail teeth
taposées 22 du rotor alors que les dents 12 qui se trouvent par exemple suivant le grand axe de l'ellipse, sont séparées taposées 22 of the rotor while the teeth 12 which are for example along the major axis of the ellipse, are separated
du rotor et du pignon qu'il porte.rotor and the pinion he is carrying.
La déformation elliptique du manchon 10 est due aux potentiels électriques appliqués à un moment quelconque aux électrodes et à leur polarité particulière. La figure 3 représente par exemple sous forme exagérée la déformation du manchon 10. En outre, les polarités disposées près des électrodes externes indiquent les polarités des signaux appliqués (radialement) à l'anneau piézoélectrique. Une polarité positive, au niveau des électrodes externes, a tendance à repousser radialement le manchon vers l'intérieur alors qu'une polarité négative a tendance à repousser le The elliptical deformation of the sleeve 10 is due to the electrical potentials applied at any time to the electrodes and their particular polarity. FIG. 3 represents, for example, in exaggerated form the deformation of the sleeve 10. In addition, the polarities disposed near the external electrodes indicate the polarities of the signals applied (radially) to the piezoelectric ring. A positive polarity at the outer electrodes tends to radially push the sleeve inward while a negative polarity tends to repel the sleeve.
manchon radialement vers l'extérieur. Les excitations in- sleeve radially outward. Excitations
dividuelles de partiesde l'anneau 15 provoquent une dé- parts of the ring 15 provoke a
formation elliptique globale de cet anneau et du manchon 10. Lorsque les polarités de certaines électrodes sont overall elliptical formation of this ring and the sleeve 10. When the polarities of certain electrodes are
modifiées, l'ellipse change (tourne) par rapport à l'orien- modified, the ellipse changes (turns) with respect to
tation de son axe, comme indiqué sur la figure 4. Ce chan- its axis, as shown in Figure 4. This change
gement d'orientation de la déformation elliptique modifie le dessin de coopération des dents du manchon et du rotor et tend à provoquer un déplacement angulaire du rotor dans le même sens que la rotation de l'ellipse. Après un "tour" complet de l'ellipse (le manchon 10 ne tourne pas lui- même), le dessin de coopération du stator et du rotor s'est déplacé d'une dent et le rotor 20 a tourné de la The orientation arrangement of the elliptical deformation changes the co-operating pattern of the sleeve and rotor teeth and tends to cause angular displacement of the rotor in the same direction as rotation of the ellipse. After a complete "turn" of the ellipse (the sleeve 10 does not rotate itself), the stator and rotor co-operating pattern has moved one tooth and the rotor has rotated from the
distance angulaire élémentaire correspondante. corresponding elementary angular distance.
En mode de balayage rapide, si l'on appelle f la fréquence de la tension alternative appliquée, l'ellipse In fast scan mode, if the frequency of the applied AC voltage is called f, the ellipse
fait un tour pour deux cycles, c'est-à-dire qu'elle tour- takes a turn for two cycles, that is to say that it turns
ne à une vitesse f/2. En outre, l'ellipse tourne de façon continue et le rotor 20 tourne à une fréquence donnée par do not at a speed f / 2. In addition, the ellipse rotates continuously and the rotor 20 rotates at a frequency given by
la réduction de vitesse du dispositif moteur harmonique. the speed reduction of the harmonic motor device.
Si l'on appelle n le nombre de dents du manchon et si le rotor a n+1 dents, le nombre de tours du rotor par unité de temps correspondant à la fréquence est égal à f/2n. If n is the number of teeth of the sleeve and the rotor has n + 1 teeth, the number of rotations of the rotor per unit of time corresponding to the frequency is equal to f / 2n.
La fréquence de résonance de cet anneau piézo- The resonant frequency of this piezo ring
céramique 15, supporté par le manchon 10 et le rotor 20, peut être proche de la fréquence de résonance d'un seul élément de flexion sous forme d'un segment de l'anneau piézoélectrique et des électrodes adjacentes. Par exemple, l'anneau piézocéramique peut être formé de la matière "Gulton" G1512. Un anneau ayant un diamètre de 50,8 mm ceramic 15, supported by the sleeve 10 and the rotor 20, may be close to the resonance frequency of a single bending element in the form of a segment of the piezoelectric ring and adjacent electrodes. For example, the piezoceramic ring may be formed of the "Gulton" material G1512. A ring with a diameter of 50.8 mm
et portant 20 électrodes a une fréquence de résonance fa- and carrying 20 electrodes at a resonant frequency
cilement calculée de 188 kHz. Cette fréquence, lorsqu'on calculated crawl of 188 kHz. This frequency, when
la choisit comme fréquence de travail de l'anneau piézo- chooses it as the working frequency of the piezo ring
électrique, correspond à une vitesse de rotation d'entrée légèrement inférieure à 6 millions de tours par minute de electric, corresponds to an input rotation speed slightly less than 6 million rpm
l'ellipse. Si n est égal à 200, le rotor peut ainsi effec- the ellipse. If n is equal to 200, the rotor can thus perform
tuer 28 200 tr/min. L'avantage particulier de ce dispositif à grande vitesse est dû au fait que le mouvement a lieu en synchronisme précis avec le champ excitateur car il n'y a kill 28,200 rpm. The particular advantage of this high speed device is due to the fact that the movement takes place in precise synchronism with the exciter field because there is
pas de force contre-électromotrice comme dans les dispo- no counter-electromotive force as in the provisions
sitifs électromagnétiques. Cela signifie que le rotor peut entraîner un dispositif de mise en action avec des positions très précises, réglées par le signal d'entrée à electromagnetic drugs. This means that the rotor can drive an actuating device with very precise positions, set by the input signal to
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une fréquence élevée équivalant à une vitesse éle61e d'en- a high frequency equivalent to a high speed of
trée et à une fréquence élevée d'échappement d'horloge. and at a high frequency of clock exhaust.
Les vitesses d'entrée sont si élevées que les vitesses de sortie peuvent encore être élevées, si bien qu'elles peuvent donner la précision voulue dans une grande largeur de bande. Ce comportement est obtenu en particulier lorsque le dispositif fonctionne en mode pas à pas, mais aussi en mode à balayage rapide lorsque l'excitation alternative est interprétée comme une excitation pour un nombre particulier The input speeds are so high that the output speeds can still be high, so that they can give the desired precision in a wide bandwidth. This behavior is obtained in particular when the device operates in step mode, but also in fast scan mode when the alternative excitation is interpreted as an excitation for a particular number
de cycles bien mesuré. Le rotor s'arrête dans toute po- of cycles well measured. The rotor stops in any po-
sition voulue.desired.
Dans le mode pas à pas, la fréquence de résonance des modes correspondants est égale au dixième de celle du In the step-by-step mode, the resonance frequency of the corresponding modes is equal to one tenth of that of the
mode à balayage rapide, soit 9400 pas par seconde. La pré- fast scanning mode, ie 9400 steps per second. The pre-
cision en mode pas à pas est due à la construction et ne dépend pas d'une réaction pour le réglage de la position et/ou de la vitesse. Le dispositif de mise en action placé du côté de sortie, raccordé au rotor- 20, suit le mouvement Step-by-step accuracy is due to the construction and does not depend on a reaction for setting the position and / or speed. The activation device placed on the output side, connected to the rotor-20, follows the movement
de celui-ci en boucle ouverte.of it in open loop.
Un seul pas peut être considéré comme étant un changement de l'excitation selon lequel les quatre "limites" entre les électrodes excitées positivement et négativement sont décalées (par rotation) d'une paire d'électrodes. Dans le cas de 20 éléments de flexion, un pas correspond à une rotation de 180. Si n représente la réduction prévue de vitesse du dispositif moteur, 20n représente le nombre A single step may be considered as a change in the excitation in which the four "boundaries" between the positively and negatively excited electrodes are shifted (rotated) by a pair of electrodes. In the case of 20 bending elements, one step corresponds to a rotation of 180. If n represents the expected reduction in the speed of the motor device, 20n represents the number
de pas que peut présenter le dispositif par tour du rotor. of step that can present the device by rotation of the rotor.
Si n est égal à 200, le dispositif peut donc présenter - If n is equal to 200, the device can therefore have -
4000 pas par tour du rotor. En outre, le dispositif peut 4000 steps per revolution of the rotor. In addition, the device can
changer de sens à chaque pas.change direction with each step.
En ce qui concerne la vitesse du dispositif de mise en action, on peut supposer que chaque pas de rotation With regard to the speed of the actuating device, it can be assumed that each rotation step
du rotor 20 équivaut à un déplacement linéaire du disposi- rotor 20 equates to a linear displacement of the
tif de mise en action de 5,08.10-5 mm. En mode pas à pas, la vitesse du dispositif de mise en action est donc de 188 000 x 5,8.10 = 9,55 mm/s. En mode à balayage rapide, la vitesse est 10 fois plus élevée, soit 95,5 mm/s. Il faut se rappeler que deux cycles de la tension d'excitation sont tif of activation of 5.08.10-5 mm. In step mode, the speed of the actuator is therefore 188,000 x 5.8 × 10 = 9.55 mm / s. In fast scanning mode, the speed is 10 times higher, ie 95.5 mm / s. It must be remembered that two cycles of the excitation voltage are
nécessaires par "tour" du manchon.necessary by "turning" the sleeve.
Les variations de tension appliquées aux électro- The voltage variations applied to electro-
des respectives impliquées dans un changement du dessin d'un seul pas ne doivent pas être du type à gradins mais doivent avoir une variation progressive afin que l'accélération et la décélération soient bien déterminées lorsque les modes à balayage rapide et pas à pas sont combinés. La dernière onde d'un train de signaux alternatifs doit ainsi décroître respective ones involved in a single step pattern change shall not be step type but shall have a gradual variation so that acceleration and deceleration are determined when the fast scan and step modes are combined . The last wave of a train of alternative signals must thus decrease
progressivement.Si les conditions de résonance sont obser- If the resonance conditions are observed
vées, les modes à balayage rapide et pas à pas peuvent être combinés, une séquence déterminée d'un cycle alternatif en mode à balayage rapide formant un grand pas provoquant un déplacement du dispositif moteur d'un nombre déterminé de pas the fast scan and step modes can be combined, a determined sequence of an alternating cycle in fast scan mode forming a large step causing displacement of the motor device by a determined number of steps
élémentaires,mais avec la fréquence du mode de balayage ra- but with the frequency of the sweeping mode
pide.pide.
Il est bien entendu que l'invention n'a été dé- It is understood that the invention has not been
crite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses as a preferred example and that any technical equivalence may be
éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. constituent elements without departing from its scope.
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