FR2740632A1 - Moteur pas a pas piezo-electrique - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un moteur pas à pas piézo-électrique comprenant un stator et un rotor chacun muni de zones radiales de rigidité réduite alternées périodiquement avec des zones radiales de rigidité normale, les positions de pas étant celles où les zones de rigidité normale du stator sont en correspondance avec les zones de rigidité réduite du rotor. Un circuit de commande excite le stator à deux fréquences successives (f2, f1) pour commuter chaque pas, ces deux fréquences d'excitation correspondant respectivement à la fréquence de résonance (2) de l'ensemble du stator et du rotor en dehors d'une position de pas, et à la fréquence de résonance (1) de l'ensemble du stator et du rotor dans une position de pas, la première (f2) des deux fréquences d'excitation étant choisie de manière que le stator soit insuffisamment excité au voisinage des positions de pas.

Description

MULSK PAS A PAS PIEZO-ELCTRIQ(E
La présente invention concerne les moteurs piézoélectriques, tels que les moteurs à onde progressive de surface, et plus particulièrement un moteur pas à pas de ce type.

Les moteurs à onde progressive de surface ont déjà été décrits, par exemple dans le brevet des États-Unis NO 4 562 374 de T. Sashida. Le principe de fonctionnement d'un tel moteur est illustré en figure 1 du brevet Sashida reproduite dans la figure 1 ci-jointe. Une onde progressive de surface de type onde de
Rayleigh produite à la surface d'un corps élastique fixe 1 provoque à la surface de ce corps des ondulations. Si une pièce mobile 2 est pressée contre le corps 1, elle sera entraînée par le déplacement des sommets A, A' de ces ondulations. Les sommets A,
A' parcourent une trajectoire elliptique Q et leur vitesse de déplacement transversal est liée à la fréquence d'oscillation et à l'amplitude de leur déplacement.En pratique, la fréquence d'excitation des ondes de surface doit être voisine d'une fréquence de résonance du corps à la surface duquel on veut produire ces ondes, et cette fréquence ne peut être modifiée que dans une petite plage si l'on veut garder une amplitude nonnégligeable (par exemple de l'ordre de 10 micromètres) des déplacements des sommets orthogonalement à la surface dans laquelle sont formées les ondulations. Un léger désaccord de fréquence par rapport à la fréquence de résonance se traduit par une variation importante d'amplitude. Ainsi, la relation entre la vitesse de déplacement des sommets A, A' dans la direction de la flèche N et la fréquence d'excitation est une relation non-linéaire complexe.

Un moteur à piézo-électrique présente les avantages d'un relativement bon rendement, d'un faible encombrement et d'un faible poids pour un couple donné, et de l'existence d'un couple de maintien à l'arrêt (c'est-à-dire qu'en l'absence de signal, la pièce mobile 2 est appliquée contre la pièce fixe 1 et qu'une force de frottement non-négligeable existe entre elles).

Le couple important de maintien à l'arrêt des moteurs piézo-électriques est particulièrement avantageux pour réaliser un moteur pas à pas. Un moteur pas à pas piézo-électrique est décrit dans un article de Japan Journal of Applications of
Physics, volume 32, pages 4198-4201, partie 1, N" 9B, septembre 1993, intitulé "Rotor Displacement of the Ultrasonic Motor Having an Angular Displacement Self-Correction Function".

La figure 2 représente une vue partielle en perspective du stator S et du rotor R du moteur décrit dans cet article. Le stator S, en forme de couronne, est muni de dents radiales 10 en contact avec le rotor R. Ce rotor R, en forme de disque, est muni d'encoches radiales 11 correspondant aux dents 10. Le stator est excité selon le mode résonant B04 (aucun cercle nodal et 4 diamètres nodaux), et les dents 10 sont disposées au niveau des diamètres nodaux.

Le noteur est du type à deux phases d'excitation, c'est-à-dire qu'une première moitié du stator est excitée par un signal de fréquence donnée et l'autre moitié du stator est excitée par un signal de même fréquence mais déphasé de 900. (Une telle méthode d'excitation est couramment employée car elle permet d' inverser le sens de rotation du noteur en inversant la phase de chacun des deux signaux.)
Les pas correspondent aux positions où les encoches 11 du rotor sont en correspondance avec les dents 10 du stator.Pour effectuer un pas, le stator S est d'abord excité à une fréquence fixe par les deux signaux de commande. Quand les encoches 11 se sont suffisamment éloigné des dents 10, on n'excite le moiteur que par l'un des signaux de commande, toujours à la même fréquence.

Lorsque le rotor R atteint une nouvelle position où les encoches 11 sont en correspondance avec les dents 10, il s'arrête. Ceci est dû au fait que le couple du moteur diminue considérablement au voisinage des pas, c'est-à-dire des positions de correspondance entre les encoches et les dents. L'excitation par un seul des signaux de commande ne fournit pas un couple suffisant pour déplacer le rotor dans ces positions de pas. Ce n'est que lorsqu'on applique de nouveau les deux signaux de commande que le couple est suffisant pour déplacer le rotor.

Un inconvénient évident de ce moteur est donc que le couple du noteur est particulièrement faible au démarrage d'une commutation d'un pas vers le pas suivant. Ceci entraîne que des noteurs pas à pas de ce type doivent être choisis pour que le faible couple au démarrage corresponde au couple résistant à vaincre dans l'application envisagée, même si le couple du moteur est notablement plus élevé entre deux pas. En conséquence, on perd les avantages du faible encombrement et du rendement élevé des noteurs du type à onde progressive.

Un objet de la présente invention est de prévoir un noteur pas à pas à onde progressive ayant, au démarrage d'une commutation d'un pas vers le pas suivant, un couple voisin du couple du moteur entre les pas.

Cet objet est atteint par un moteur dont le rotor et le stator ont une structure équivalente à celle représentée en figure 2 mais qui est ccmnandé entre deux fréquences d'excitation limites qui sont optimisées, respectivement, en fonction de la fréquence de résonance de l'ensemble du stator et du rotor quand les encoches sont en face des dents et en fonction de la fréquence de résonance quand les encoches se trouvent à mi-chemin entre deux dents.

La présente invention vise plus particulièrement un noteur pas à pas piézo-électrique comprenant un stator et un rotor chacun muni de zones radiales de rigidité réduite alternées périodiquement avec des zones radiales de rigidité normale, les positions de pas étant celles où les zones de rigidité normale du stator sont en correspondance avec les zones de rigidité réduite du rotor.Un circuit de commande excite le stator à deux fréquences successives pour camnuter chaque pas, ces deux fréquences d'excitation correspondant respectivement à la fréquence de résonance de l'ensemble du stator et du rotor en dehors d'une position de pas, et à la fréquence de résonance de l'ensemble du stator et du rotor dans une position de pas, la première des deux fréquences d'excitation étant choisie de manière que le stator soit insuffisamment excité au voisinage des positions de pas.

Selon un mode de réalisation de l'invention, les zones de rigidité réduite et normale du stator et du rotor sont formées par des dentelures de rapport cyclique voisin de 50 %, les dentelures du stator ou du rotor étant formées au dos du stator ou du rotor de manière à présenter au contact avec les dentelures du rotor ou du stator une surface lisse continue.

Selon un mode de réalisation de l'invention, à partir de ladite position de pas, la fréquence d'excitation du stator varie progressivement de la deuxième fréquence vers la première fréquence.

Selon un mode de réalisation de l'invention, le circuit de commende ccmprend une horloge fournissant des impulsions d'horloge à la fréquence de carmutation des pas du moteur ; un circuit monostable fournissant, pour chaque impulsion d'horloge, une impulsion de durée prédéterminée inférieure au temps de commutation d'un pas du moteur , un intégrateur recevant les impulsions de durée prédéterminée et remis à zéro par les impulsions d'horloge ; et un oscillateur à fréquence commandée par la sortie de l'intégrateur, fournissant un signal correspondant au signal d'excitation du stator.

Selon un mode de réalisation de l'invention, l'oscillateur à fréquence commandée reçoit un signal de correction, pendant les impulsions de durée prédéterminée, correspondant à la différence entre une amplitude vibratoire détectée du stator et une amplitude de consigne.

La ccmnande du moteur consiste plus particulièrement à exciter le stator à la première fréquence jusqu'à ce que le rotor s'arrête automatiquement à une position de pas, puis à exciter le stator à la deuxième fréquence, au plus jusqu'à ce que le rotor arrive au voisinage de la position de pas suivante.

Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modems de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles
les figures 1 et 2, précédemment décrites, rappellent l'état de la technique et le problème posé
la figure 3 représente deux courbes de résonance mécanique obtenues dans un moteur du type de la figure 2
la figure 4 représente un exemple de variation de fréquence selon l'invention d'un signal de commande d'un noteur du type de la figure 2
la figure 5 représente un node de réalisation avantageux du stator et du rotor d'un noteur pas à pas selon l'invention
la figure 6A représente un exemple de circuit de commande permettant de fournir le signal de commande de la figure 4
la figure 6B représente des exemples d'allure de signaux présents dans le circuit de commande de la figure 6A ; et
la figure 7 représente un autre exemple de circuit de commande selon l'invention.

Un aspect de l'invention est de constater que la structure particulière du stator S et du rotor R de la figure 2 présente dans son ensemble une fréquence de résonance qui dépend de la position relative du stator et du rotor. En effet, lorsque les encoches 11 sont en face des dents 10, la structure d'ensemble est moins rigide, et présente donc une fréquence de résonance moines élevée, que lorsque les dents 10 se trouvent à mi-chemin entre deux encoches 11. La vitesse du moteur à onde progressive est très sensible aux variations de fréquence du signal de commande. Ainsi, il suffit que la fréquence de résonance de la structure diminue très légèrement, c'est-à-dire lorsque les dents 10 s'approchent des encoches 11, pour que le signal de commande ne produise plus une amplitude vibratoire suffisante pour entraîner le rotor.

La figure 3 illustre schématiquement et sans échelle deux courbes limites de résonance obtenues pour une structure du type de la figure 2. Les courbes représentent l'amplitude vibratoire A du stator en fonction de la fréquence d'excitation F. Une première courbe de résonance 1 est associée à la fréquence de résonance basse de la structure, obtenue lorsque les dents 10 sont en face des encoches 11. Une courbe 2 est associée à la fréquence de résonance haute de la structure, obtenue lorsque les dents 10 se trouvent entre les encoches 11. Lorsque le rotor tourne, la fréquence de résonance de la structure oscille entre les deux fréquences de résonance limites.

La figure 4 illustre un exemple de variation en fréquence selon l'invention d'un signal de commande d'un moteur du type de la figure 2. A un instant to, le moteur se trouve, par exemple, dans une position où chaque dent 10 est située entre deux encoches 11. Le stator est excité à une fréquence f2 choisie en fonction de la courbe de résonance 2 correspondant à cette position pour obtenir, par exemple, un bon rendement. Le point de fonctionnement du système, P1, se trouve sur la courbe 2 de la figure 3 à la fréquence f2. Le rotor se met à tourner et la courbe de résonance glisse progressivement vers la courbe de résonance 1 tandis que le point de fonctionnement s'abaisse en suivant ce glissement.

A un instant tl, les encoches 11 se trouvent en face des dents 10 et le point de fonctionnement, P2, du système se trouve sur la courbe de résonance 1 correspondant à cette nouvelle position. La fréquence d'excitation, toujours égale à f2, n'est plus adaptée à produire une amplitude vibratoire suffisante pour déplacer le rotor. Selon un aspect de l'invention, la fréquence f2 est choisie pour que l'amplitude vibratoire au point de fonctionnement P2 soit inférieure ou égale à une amplitude seuil
As qui est insuffisante pour entraîner en rotation le rotor.

Ainsi, à l'instant tl, lorsque le point de fonctionnement P2 est atteint, le rotor s'arrête dans une position où les encoches 11 sont au voisinage des dents 10. Cette position du rotor correspond à un pas du moteur.

En pratique, à la mise sous tension du système, on commencera toujours par exciter le noteur à la fréquence f2, ce qui force le noteur à rejoindre une position de pas, quelle que soit sa position initiale.

A un instant t2, auquel le rotor est toujours immobile dans la dernière position de pas, on souhaite commuter le pas suivant du noteur. Le moteur est alors excité à une fréquence fl choisie en fonction de la courbe de résonance 1, correspondant à la position de pas, pour obtenir un bon rendement. Le point de fonctionnement est représenté en P3 sur la courbe 1.

Ainsi, le couple de démarrage pour passer d'un pas au suivant peut être déterminé par la fréquence fl. Notamment, il peut être choisi aussi élevé que le couple au point P1 si les courbes de résonance 1 et 2 ont des valeurs maximum voisines. Les courbes 1 et 2 sont généralement très proches 1 'une de 1' autre et les valeurs maximales présentent donc peu d'écart entre elles.

Ainsi, le rotor R se remet à tourner tandis que la courbe de résonance de la structure glisse progressivement vers la courbe 2.

Le point de fonctionnement du système suit ce glissement. Pour éviter qu'il ne sorte d'une plage nominale de réglage, on fait varier progressivement la fréquence d'excitation vers f2. La plage de réglage de la fréquence d'excitation se situe généralement au-dessus de la fréquence de résonance jusqu'au point où la courbe de résonance atteint l'amplitude seuil As.

A un instant t3, la fréquence d'excitation atteint la valeur f2. Cet instant t3 correspond, par exemple, au point de fonctionnement P1 où le moteur a commuté d'un demi-pas. A partir de l'instant t3, la fréquence d'excitation est maintenue à la valeur f2 au moins jusqu'à ce que le rotor s'arrête automatiquement quand le point de fonctionnement P2 est de nouveau atteint à un instant t4. Le rotor a alors atteint le pas suivant par rapport aux instants tl et t2.

Dans la figure 4, on a représenté une variation progressive de la fréquence d'excitation entre les instants t2 et t3. Cette variation progressive, carme on l'a mentionné cidessus, sert non seulement à éviter que la fréquence d'excitation sorte d'une plage de réglage nominale, mais permet également d'obtenir une vitesse relativement constante (à la figure 3, le point de fonctionnement P1 est rejoint sensiblement par une droite horizontale à partir du point de fonctionnement P3).

D'autres types de variation sont possibles , par exemple, la fréquence d'excitation peut être maintenue à la valeur fl entre les instants t2 et t3 et passer brusquement à la valeur f2 à l'instant t3.

Le point de fonctionnement P1 n'est pas forcément atteint à l'instant t3, et cet instant t3 peut pratiquement coincider avec l'instant t4, pourvu que la fréquence d'excitation soit proche de la valeur f2 avant que le système n'atteigne le point de fonctionnement P2 (sans quoi le rotor ne s'arrêterait pas à la position de pas suivante).

La structure de la figure 2 présente un inconvénient mécanique qui est que les coins des dents 10 sont susceptibles de heurter les coins des encoches 11, ce qui peut entraîner des difficultés de rotation du rotor, et même des coincements.

La figure 5 représente un mode de réalisation selon l'invention du stator S et du rotor R permettant d'éviter cet inconvénient tout en autorisant un fonctionnement pas à pas selon l'invention. Le stator et le rotor comportent des dentelures radiales similaires, représentées ici avec un rapport cyclique d'environ 50 , c'est-à-dire que chaque dentelure comporte des dents radiales 10 pratiquement aussi larges que les creux entre les dents, qui jouent le rôle des encoches 11. La dentelure du rotor R est formée au dos de celui-ci, c'est-à-dire du côté opposé à la face du rotor qui est en contact avec le stator. Avec cette configuration, la dentelure du stator est en contact avec une surface lisse continue du rotor, ce qui permet un déplacement relatif du rotor et du stator sans accrochage.

Les dentelures peuvent être inversées, c'est-à-dire que la dentelure du stator peut être réalisée au dos de celui-ci et celle du rotor peut entrer en contact avec la surface lisse présentée par le stator, ou bien on peut encore prévoir les dentelures aux dos du stator et du rotor. Ceci réduirait toutefois le rendement du moteur.

La figure 6A représente schématiquement un exemple de circuit permettant de générer la fréquence d'excitation selon la figure 4. La figure 6B représente les allures de signaux présents dans le circuit de la figure 6A.

Un circuit nonostable 20 reçoit des impulsions d'horloge CK qui déterminent la fréquence de commutation des pas. La sortie du circuit monostable 20 est fournie à un intégrateur 22 qui est remis à zéro à chaque impulsion CK. La sortie Vi de 1'intégrateur 22 commande un oscillateur commandé en tension (VCO) 24 dont le signal de sortie F correspond au signal d'excitation du moiteur. Ce signal F est classiquement amplifié et, par exemple, converti en deux signaux déphasés de 900 appliqués sur un moteur biphasé à onde progressive dont, bien entendu, le rotor et le stator ont une structure du type de la figure 2 ou de la figure 5.

A chaque impulsion d'horloge CK, la sortie Vm, du circuit nonostable fournit une impulsion de durée T prédéterminée qui correspond, par exemple, à la durée que met le moteur pour effecteur un demi-pas (pour passer du point de fonctionnement P3 au point de fonctionnement P1). Pendant les impulsions Vtn, la sortie Vi de l'intégrateur 22 croît linéairement et se maintient à la valeur atteinte à la fin de l'impulsion Vm jusqu'à la prochaine impulsion CK. A la prochaine impulsion CK, l'intégrateur 22 est remis à 0.

Le signal Vi est converti en fréquence par l'oscillateur 24 dont la fréquence de repos (déterminée par une tension
Vi nulle) est égale à la fréquence d'excitation fl et dont la fréquence maximale (déterminée par la valeur maximale de la tension Vi) est égale à la fréquence d'excitation f2.

La figure 7 représente une variante du circuit de commande de la figure 6A, permettant d' obtenir une vitesse pratiquement constante tandis que le noteur est commuté de l'arrêt (point de fonctionnement P3) vers le point de fonctionnement P1.

Au circuit de la figure 6A, on a ajouté une boucle de contreréaction en amplitude. Cette boucle comporte un détecteur classique 26 de l'amplitude de la vibration du stator S. Cette amplitude est détectée, par exemple, grâce à un capteur piézoélectrique fixé sur le stator. Un amplificateur 28 fournit la différence entre l'amplitude détectée et une amplitude de référence Aref à une première entrée d'un multiplieur 30. La deuxième entrée de ce multiplieur 30 reçoit les impulsions Vm du circuit nonostable 20, de sorte que ce multiplieur fournit un signal non nul, correspondant à la sortie de l'amplificateur 28, seulement pendant les impulsions Vm. La sortie du multiplieur 30 est fournie à un circuit 32 de correction, par exemple proportionnelleintégrale-dérivée (PID), qui modifie le signal Vi fourni à l'oscillateur 24 par l'intermédiaire d'un additionneur 34.

Avec cette configuration, on assure une régulation de l'amplitude vibratoire, donc de la vitesse, pendant la transition du point de fonctionnement P3 au point de fonctionnement P1.

Ainsi, entre les instants t2 et t3 à la figure 4, la fréquence d'excitation ne varie plus linéairement mais selon une courbe qui assure l'obtention d'une amplitude vibratoire constante. En outre, on garantit une constance des conditions de fonctionnement du moiteur en fonction de variations de divers paramètres externes, tels que la température, qui affectent la fréquence de résonance du système.

Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. Par exemple, on peut créer une alternance de zones rigides et de zones moins rigides dans le stator et dans le rotor par des perçages radiaux périodiques au lieu de prévoir des dents et des encoches. L'essentiel est de prévoir dans le stator et dans le rotor des zones dont la rigidité varie périodiquement.

La présente invention a été décrite en relation avec un moteur à onde progressive, mais elle s'applique à tout autre type de moteur piézo-électrique, par exemple, à onde stationnaire ou à conversion de mode.

Claims (7)

REVENDICATIANS

1. Moteur pas à pas piézo-électrique comprenant un stator (S) et un rotor (R) annulaires coaxiaux et en contact l'un contre l'autre, le stator étant construit pour être excité en vibration pour créer des ondes à sa surface, le stator et le rotor étant chacun muni de zones radiales de rigidité réduite (11) alternées périodiquement avec des zones radiales de rigidité normale (10), les positions de pas étant celles où les zones de rigidité normale du stator sont en correspondance avec les zones de rigidité réduite du rotor, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de commande excitant le stator à deux fréquences successives (f2, fl) pour commuter chaque pas, ces deux fréquences d'excitation correspondant respectivement à la fréquence de résonance de l'ensemble du stator et du rotor en dehors d'une position de pas, et à la fréquence de résonance de l'ensemble du stator et du rotor dans une position de pas, la première des deux fréquences d'excitation étant choisie de manière que le stator soit insuffisamment excité au voisinage des positions de pas.

2. Moteur pas à pas selon la revendication 1, caractérisé en ce que les zones de rigidité réduite (11) et normale (10) du stator (S) et du rotor (R) sont formées par des dentelures de rapport cyclique voisin de 50 %, les dentelures du stator ou du rotor étant formées au dos du stator ou du rotor de manière à présenter au contact avec les dentelures du rotor ou du stator une surface lisse continue.

3. Moteur pas à pas selon la revendication 1, caractérisé en ce que, à partir de ladite position de pas, la fréquence d'excitation du stator varie progressivement de la deuxième fréquence (fl) vers la première fréquence (f2).

4. Moteur pas à pas selon la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit de commande comprend

- une horloge fournissant des impulsions d'horloge (CK) à la fréquence de commutation des pas du moteur

- un circuit nonostable (20) fournissant, pour chaque impulsion d'horloge, une impulsion (Vm) de durée prédéterminée inférieure au temps de commutation d'un pas du moteur

- un intégrateur (22) recevant les impulsions de durée prédéterminée et remis à zéro par les impulsions d'horloge ; et

- un oscillateur (24) à fréquence commandée par la sortie (Vi) de l'intégrateur, fournissant un signal (F) correspondant au signal d'excitation du stator.

5. Moteur pas à pas selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'oscillateur (24) à fréquence commandée reçoit un signal de correction, pendant les impulsions de durée prédéterminée, correspondant à la différence (28) entre une amplitude vibratoire détectée (26) du stator et une amplitude de consigne (Aref).

6. Procédé de commande d'un moteur pas à pas piézoélectrique comportant un stator (S) et un rotor (R) annulaires coaxiaux et en contact l'un contre l'autre, le stator étant excité en vibration pour créer des ondes à sa surface, le stator et le rotor étant chacun muni de zones radiales de rigidité réduite (11) alternées périodiquement avec des zones radiales de rigidité normale (10) , les positions de pas étant celles où les zones de rigidité normale du stator sont en correspondance avec les zones de rigidité réduite du rotor, le procédé étant caractérisé en ce qu' il comprend les étapes suivantes

- exciter le stator à une première fréquence (f2) correspondant à la fréquence de résonance de l'ensemble du stator et du rotor en dehors des positions de pas, cette première fréquence étant choisie de manière que le rotor ne parvienne pas à se déplacer au-delà d'une position de pas ; et

- à partir d'une position de pas, exciter le stator à une deuxième fréquence (fl) correspondant à la fréquence de résonance de I'ensemble du stator et du rotor dans la position de pas, au plus jusqu'à ce que le rotor arrive au voisinage de la position de pas suivante.

7. Procédé de commande de moteur pas à pas selon la revendication 6, caractérisé en ce que, à partir de la position de pas, la fréquence d'excitation du stator varie progressivement de la deuxième fréquence (fl) vers la première fréquence (f2).