FR2954865A3

FR2954865A3 - Moteur lineaire piezoelectrique offrant un deplacement ameliore

Info

Publication number: FR2954865A3
Application number: FR0959656A
Authority: FR
Inventors: Man Sun Yun
Original assignee: Santoma Ltd; Inova Inc
Current assignee: Santoma Ltd; Inova Inc
Priority date: 2009-12-29
Filing date: 2009-12-29
Publication date: 2011-07-01
Anticipated expiration: 2015-12-29
Also published as: FR2954865B3

Abstract

L'invention porte sur un moteur linéaire piézoélectrique pour procurer un déplacement amélioré par utilisation d'une céramique piézoélectrique en forme de dôme. Le moteur linéaire piézoélectrique comprend une céramique piézoélectrique en forme de dôme (10), une tige vibrante (30) fixée à une première surface de la céramique piézoélectrique (10) de telle sorte que la tige vibrante (30) se déplace conjointement avec le déplacement de la céramique piézoélectrique (10), et un élément mobile (40) commandé linéairement par frottement avec la tige vibrante (30) tandis qu'il vient en contact avec la tige vibrante (30). L'élément mobile (40) se déplace dans une direction de mouvement de la tige vibrante (30) si la force d'inertie de l'élément mobile (40) est inférieure à la force de frottement entre l'élément mobile (40) et la tige vibrante (30) lorsque quand la tige vibrante (30) se déplace.

Description

MOTEUR LINEAIRE PIEZOELECTRIQUE OFFRANT UN DEPLACEMENT AMELIORE La présente invention porte sur un moteur linéaire piézoélectrique, qui utilise une céramique piézoélectrique en forme de dôme, procurant ainsi un déplacement amélioré par comparaison au déplacement obtenu à la suite de la simple extension/contraction d'une céramique piézoélectrique classique en forme de disque. Un moteur piézoélectrique est un moteur de la prochaine génération utilisant l'effet piézoélectrique d'une céramique piézoélectrique qui vibre selon la variation d'un champ électrique appliqué à celle-ci. Le moteur piézoélectrique annonce un moteur silencieux ayant une fréquence pilote ultrasonore supérieure à 20 KHz, ce qui est au-delà de la gamme de l'audition humaine, et est également appelé moteur ultrasonore. Comparé à un moteur électromagnétique typique, un moteur piézoélectrique a une force de génération de 29,43 N.cm (3 kg.cm) ou moins, une vitesse de réponse de 0,1 ms ou moins, une taille qui est un dixième de la taille d'un moteur électromagnétique typique ou inférieure, et une précision de 0,1 m ou inférieure. En conséquence, le moteur piézoélectrique a été largement utilisé dans des domaines d'application nécessitant des couples de niveau élevé et des vitesses faibles, tel que la mise en oeuvre de la fonction de zoom, la fonction autofocus et la fonction de réduction des vibrations des appareils photos numériques, ou la commande d'une lentille de lecture dans un lecteur de disque compact (CD)/disque versatile numérique (DVD)-mémoire morte (ROM). Généralement, un moteur piézoélectrique peut être mis en oeuvre par utilisation d'un procédé de propagation de vibration, tel qu'un type onde de flexion ou un type onde stationnaire, mais ce procédé de propagation de vibration présente l'inconvénient qu'il est difficile d'obtenir une amplitude désirée donnée en raison de l'abrasion d'une partie de contact lorsque le moteur piézoélectrique est entraîné en continu. Le brevet coréen n° 10-0443638 (art antérieur) a été proposé comme une mesure alternative pour surmonter cet inconvénient, et porte sur un moteur linéaire piézoélectrique qui déplace linéairement un élément mobile monté sur une tige mobile par utilisation d'un mouvement de flexion réalisé à travers un corps élastique et une plaque piézoélectrique comme source de commande. Le moteur linéaire piézoélectrique divulgué dans l'art antérieur présente l'avantage d'avoir une petite taille et un procédé de fabrication relativement simple, et assure une vitesse de fonctionnement rapide, comparée aux moteurs classiques, mais est problématique en ce que, puisque la céramique piézoélectrique a une forme de disque, une plaque élastique séparée doit y être reliée pour obtenir un déplacement, de telle sorte que le coût de fabrication de celui-ci augmente, et le procédé de fabrication de celui-ci est compliqué. En outre, selon une l'art antérieur, les déplacements de mouvement de la tige mobile et de l'élément mobile sont limités à certaines amplitudes, limitant ainsi la gamme de produits auxquels le moteur peut être appliqué par rapport aux amplitudes limitées. En conséquence, la présente invention a été faite en gardant à l'esprit les problèmes ci-dessus apparaissent dans l'art antérieur, et un objectif de la présente invention consiste à proposer un moteur linéaire piézoélectrique qui peut obtenir un déplacement vibratoire sans nécessiter une plaque élastique séparée devant être reliée à la céramique piézoélectrique, et peut assurer un déplacement vibratoire linéaire amélioré par rapport à celui d'une céramique piézoélectrique en forme de disque, étendant ainsi encore la gamme d'application du moteur linéaire piézoélectrique tout en augmentant l'efficacité de déplacement du moteur linéaire piézoélectrique. En conséquence, la présente invention, ayant la construction ci-dessus, présente l'avantage de ne pas nécessiter de plaque élastique séparée pour obtenir un déplacement vibratoire, et, plutôt, une céramique piézoélectrique seule est formée sous la forme d'un dôme, simplifiant ainsi le procédé de fabrication, qui est sinon compliqué par la fixation d'un corps élastique, et diminuant le coût de fabrication, et l'avantage suivant lequel le déplacement vibratoire ou l'échelle de fonctionnement du moteur linéaire piézoélectrique peut être amélioré par comparaison au cas où une céramique piézoélectrique classique en forme de disque est employée, étendant ainsi encore la gamme de produits auxquels le moteur peut être appliqué. Dans le but d'atteindre l'objectif ci-dessus, la présente invention porte sur un moteur linéaire piézoélectrique pour procurer un déplacement amélioré, caractérisé par le fait qu'il comprend une céramique piézoélectrique en forme de dôme élaborée de telle sorte que différentes électrodes sont formées sur des surfaces opposées de la céramique piézoélectrique, une tige vibrante fixée à une première surface de la céramique piézoélectrique de telle sorte que la tige vibrante se déplace conjointement avec le déplacement de la céramique piézoélectrique, et un élément mobile linéairement commandé par frottement avec la tige vibrante tandis qu'il vient en contact avec cette dernière. Le moteur linéaire piézoélectrique peut de plus comprendre un support pour limiter le déplacement de la céramique piézoélectrique, formé dans une direction circonférentielle de celle-ci, à une amplitude prédéterminée tout en supportant la céramique piézoélectrique. De préférence, l'élément mobile peut se déplacer dans une direction de mouvement de la tige vibrante si une force d'inertie de l'élément mobile est inférieure à la force de frottement entre l'élément mobile et la tige vibrante lorsque la tige vibrante se déplace. De préférence, l'élément mobile et la tige vibrante peuvent être construits de telle sorte qu'une certaine force de frottement est maintenue à une partie de contact entre l'élément mobile et la tige vibrante par un élément de pression prédéterminé. Des modes de réalisation de la présente invention vont ci-après être décrits en détail avec référence aux dessins annexés. Référence devrait maintenant être faite aux dessins, dans lesquels les mêmes chiffres de référence sont utilisés sur tous les différents dessins pour désigner des composants identiques ou similaires. les Figures 1(a) à 1(c) sont des vues conceptuelles montrant les principes de formation du déplacement d'un moteur piézoélectrique typique ; - la Figure 2 est une vue en coupe d'un moteur linaire piézoélectrique selon la présente invention ; la Figure 3 est une vue en coupe latérale d'une céramique piézoélectrique pour décrire les principes de génération du déplacement d'un moteur linéaire piézoélectrique selon la présente invention ;

les Figures 4(a) et 4(b) sont des vues montrant les résultats de la simulation du déplacement d'un moteur linéaire piézoélectrique dans une direction axiale selon la présente invention ;

les Figures 5(a) et 5(b) sont des vues montrant les résultats de la simulation du déplacement d'un moteur linéaire piézoélectrique dans une direction opposée à la direction axiale selon la présente invention ;

la Figure 6 est un graphe montrant le mouvement d'onde d'une tension appliquée pour commander un moteur linéaire piézoélectrique selon la présente invention ; et 20 la Figure 7 est un graphe montrant des valeurs expérimentales obtenues par mesure des déplacements de mouvement des parties centrales d'une céramique piézoélectrique classiques en forme de disque et d'une 25 céramique piézoélectrique en forme de dôme selon la présente invention.

Les Figures 1(a) à 1(c) sont des vues conceptuelles montrant les principes de formation du 30 déplacement vibratoire d'un moteur linéaire piézoélectrique typique. Si l'on se réfère à la Figure 1 (a) , on peut voir qu'il y est représenté une céramique piézoélectrique 10, 10 15 polarisée dans la direction axiale (la direction de la flèche). Lorsqu'un champ électrique U est appliqué pour former des électrodes sur la surface supérieure et sur la surface inférieure de la céramique piézoélectrique 10, une force de compression ou une force de traction est appliquée à la céramique piézoélectrique 10 en raison de l'effet piézoélectrique inverse. Autrement dit, lorsque la direction de polarisation de la céramique piézoélectrique 10 est identique à la direction du champ électrique dû à l'application du champ électrique U, la céramique piézoélectrique 10 s'étend dans sa direction circonférentielle tandis qu'elle se contracte dans la direction axiale. A ce moment, puisque la céramique piézoélectrique 10 est déformée par une plaque élastique 20, la surface de la céramique piézoélectrique 10, à laquelle la plaque élastique 20 est fixée, a, dans la direction circonférentielle, un déplacement en contraction inférieur à celui de la surface à laquelle aucune plaque élastique n'est fixée. Par conséquent, comme représenté sur la Figure 1(b), une structure combinée de la plaque élastique 20 et de la céramique piézoélectrique 10 génère un déplacement de telle sorte que la structure combinée est amenée à fléchir dans la direction de la céramique piézoélectrique 10, et génère le déplacement maximal au centre de l'unimorphe. Au contraire, lorsque la direction de polarisation de la céramique piézoélectrique 10 est opposée à la direction du champ électrique dû à l'application du champ électrique U, la céramique piézoélectrique 10 se contracte dans sa direction circonférentielle tandis qu'elle s'étend dans sa direction axiale. A ce moment, contrairement au cas ci-dessus, la surface de la céramique piézoélectrique 10 à laquelle la plaque élastique 20 est fixée a, dans la direction circonférentielle, un déplacement en extension inférieur à celui de la surface sur laquelle aucune plaque élastique n'est fixée. Par conséquent, comme représenté sur la Figure 1(c), une structure combinée de la plaque élastique 20 et de la céramique piézoélectrique 10 génère un déplacement de telle sorte que la structure combinée est amenée à fléchir dans la direction de la plaque élastique 20, et génère le déplacement maximal au centre de l'unimorphe. Comme décrit ci-dessus, on peut voir que, dans le but d'obtenir un déplacement vibratoire dans la céramique piézoélectrique en forme de disque 10, la plaque élastique 20 est nécessairement requise en plus de la céramique piézoélectrique 10. Au contraire, la présente invention est caractérisée par le fait que la céramique piézoélectrique est sous la forme d'un dôme, et ainsi le déplacement vibratoire peut être assuré en utilisant seulement la pièce céramique elle-même, sans nécessiter de plaque élastique séparée. Dans la description suivante, les principes de commande du moteur linéaire piézoélectrique selon la présente invention sont décrits en détail, à savoir, les composants principaux du moteur linéaire piézoélectrique selon la présente invention sont tout d'abord décrits, puis les principes de commande du moteur sont décrits sur la base des trajets de déplacement de la tige vibrante et d'un élément mobile obtenus par l'application d'une tension en forme d'onde. La Figure 2 illustre la section d'un moteur linéaire piézoélectrique selon la présente invention. La céramique piézoélectrique 10 est formée sous la forme d'un dôme, sur des surfaces opposées de laquelle sont formées différentes électrodes, et vibre d'une manière telle que la céramique piézoélectrique 10 est amenée à faire saillie ou à se rétracter dans la direction axiale selon la variation de la polarité des tensions appliquées aux surfaces opposées de la céramique 10.

Dans ce cas, les principes de génération de vibration dans la céramique piézoélectrique en forme de dôme (ou les principes de génération de déplacement vibratoire) sont décrits en détail ci-dessous avec référence aux dessins. Pour référence, la Figure 3 illustre schématiquement la direction d'une force appliquée à la céramique piézoélectrique en forme de dôme qui forme le moteur piézoélectrique. Ceci étant, lorsque la céramique piézoélectrique 10 formant le moteur piézoélectrique se contracte dans la direction axiale, et s'étend dans la direction circonférentielle, et que l'épaisseur du dôme est ainsi amenée à diminuer, des forces de compression sont appliquées sur de minuscules éléments formés autour de la tige dues à des éléments minuscules adjacents, et une résultante des forces de compression agit dans la direction de la saillie de l'axe, amenant par conséquent le centre de la céramique piézoélectrique à faire saillie. La Figure 3 illustre la section latérale de la céramique piézoélectrique 10, mais la forme de la céramique 10 vue du dessus est une forme de disque concentrique, de telle sorte qu'il peut être vu que les éléments minuscules formés autour de l'axe sont disposés en une forme d'anneau vers le centre de l'axe. Dans ce cas, les résultats d'une simulation, effectuée sur l'hypothèse qu'aucune condition de contrainte séparee n'existe sur la céramique piézoélectrique 10, peuvent être confirmés sur la Figure 4 (a) , et les résultats d'une simulation vue dans un espace tridimensionnel peuvent être confirmés sur la Figure 4(b).

Par la suite, lorsque la céramique piézoélectrique 10 formant le moteur piézoélectrique est amenée à s'étendre dans la direction axiale et à se contracter dans la direction circonférentielle, et que l'épaisseur du dôme est ainsi amenée à augmenter, des forces opposées à celles de la Figure 3 sont appliquées aux éléments minuscules formés autour de l'axe, et une résultante des forces agit par conséquent dans une direction opposée à la direction de saillie de l'axe, amenant ainsi le centre de la céramique piézoélectrique à se rétracter. Les résultats d'une simulation effectuée dans ce cas peuvent être confirmés sur les Figures 5(a) et 5(b). La tige vibrante 30 est fixée à la première surface de la céramique piézoélectrique 10 de telle sorte qu'elle se déplace conjointement avec le déplacement de la céramique piézoélectrique 10. Typiquement, puisque la première surface de la céramique piézoélectrique 10 est, de préférence, opposée au cadre 60 ou au boîtier (non représenté sur le dessin) du moteur, la tige vibrante 30 doit être fixée à la surface opposée à la surface sur laquelle le cadre 60 ou le boîtier est disposé. L'élément mobile 40 est commandé linéairement, par frottement entre la tige vibrante tandis qu'il vient en contact avec la tige vibrante 30. Sur la partie de contact entre l'élément mobile 40 et la tige vibrante 30, une certaine force de frottement est, de préférence, maintenue par utilisation d'un élément de pression prédéterminé, tel qu'un ressort ou un boulon. Lorsque la tige vibrante 30 reliée à la céramique piézoélectrique 10 est amenée à se déplacer en raison de la vibration de la céramique piézoélectrique 10, l'élément mobile 40 se déplace dans la direction de mouvement de la tige vibrante si la force d'inertie de l'élément mobile 40 est inférieure à la force de frottement entre celui-ci et la tige vibrante 30 ; sinon, l'élément mobile 40 ne se déplace pas, mais seule la tige vibrante 30 se déplace. Les principes de commande du moteur linéaire piézoélectrique, effectuée par la coopération entre la tige vibrante 30 et l'élément mobile 40, sont ci-après décrits en détail. Dans ce cas, il est supposé qu'une tension de commande en dents de scie, comme représentée sur la Figure 6, est appliquée au moteur linéaire piézoélectrique de la présente invention. Lorsque la tension en dents de scie est appliquée à la céramique piézoélectrique 10, la tige vibrante sur la céramique piézoélectrique 10 se déplace dans la direction de saillie, mais à une vitesse relativement faible dans des intervalles durant lesquels la tension varie à une vitesse faible (a->b, c->d et e->f) (ces intervalles sont appelés intervalle A). Par conséquent, la force de frottement entre la tige vibrante 30 et l'élément mobile 40 devient plus grande que la force d'inertie de l'élément mobile 40, amenant ainsi la tige vibrante 30 et l'élément mobile 40 à se déplacer ensemble. Au contraire, dans des intervalles durant lesquels la tension varie à une vitesse élevée (b->c et d->e) (ces intervalles sont appelés intervalle B), la tige vibrante sur la céramique piézoélectrique 10 se déplace dans une direction opposée à la direction de saillie de la tige vibrante, mais à une vitesse relativement élevée. Par conséquent, la force d'inertie de l'élément mobile 40 devient plus grande que la force de frottement entre la tige vibrante 30 et l'élément mobile 40, amenant ainsi seulement la tige vibrante 30 à se déplacer tandis que cette dernière glisse à travers l'élément mobile 40.

Par conséquent, comme l'intervalle A et l'intervalle B sont répétés, le déplacement de mouvement de l'élément mobile 40 s'accumule, et l'élément mobile 40 se déplace dans la direction de la saillie. Si une tension ayant une différence de phase de 180° par rapport à l'onde en dents de scie de la Figure 6 est appliquée, le déplacement de mouvement de l'élément mobile 40 s'accumule dans la direction opposée à la direction de saillie, et l'élément mobile 40 se déplace ainsi dans la direction opposée à la direction de saillie. Entre temps, le moteur linéaire piézoélectrique de la présente invention peut comprendre un support 50 pour supporter la céramique piézoélectrique, le support 50 étant fixé au cadre 60 ou au boîtier par l'intermédiaire d'un élément de fixation, tel qu'un boulon 70 et un écrou 71. Le support 50 sert également à limiter le déplacement de la céramique piézoélectrique 10, formé dans la direction circonférentielle de celle-ci, à une amplitude prédéterminée, et le déplacement axial au centre de la céramique piézoélectrique 10 peut ainsi être davantage amplifié. Finalement, le rendement du moteur linéaire piézoélectrique de la présente invention, qui emploie la céramique piézoélectrique en forme de dôme, et du moteur linéaire piézoélectrique classique, qui emploie une céramique piézoélectrique en forme de disque, sont comparés l'un à l'autre avec référence à la Figure 7. La Figure 7 est un graphe montrant des valeurs expérimentales obtenues par mesure de déplacements de mouvement aux centres de la céramique piézoélectrique en forme de disque et de la céramique piézoélectrique en forme de dôme, ayant chacune une dimension de 28 pi et de 2 t, par utilisation d'un interféromètre à laser. On peut voir sur la Figure 7 que, à mesure que l'intensité d'un champ électrique augmente, une différence remarquable apparaît entre le déplacement de pointe maximal de la céramique piézoélectrique en forme de dôme, et le déplacement de pointe maximal de la céramique piézoélectrique en forme de disque. Bien que les modes de réalisation préférés de la présente invention aient été divulgués à des fins d'illustration, l'homme du métier appréciera que diverses modifications sont possibles, sans s'écarter du domaine de l'invention et de l'esprit de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS1 - Moteur linéaire piézoélectrique pour procurer un déplacement amélioré, caractérisé par le fait qu'il comprend : une céramique piézoélectrique en forme de dôme (10) élaborée de telle sorte que différentes électrodes sont formées sur des surfaces opposées de la céramique piézoélectrique (10) ; - une tige vibrante (30) fixée à une première surface de la céramique piézoélectrique (10) de telle sorte que la tige vibrante (30) se déplace conjointement avec le déplacement de la céramique piézoélectrique (10) ; et un élément mobile (40) linéairement commandé par frottement avec la tige vibrante (30) tandis qu'il vient en contact avec la tige vibrante (30).
2 - Moteur linéaire piézoélectrique selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend de plus un support (50) pour limiter le déplacement de la céramique piézoélectrique (10), formé dans une direction circonférentielle de celle-ci, à une amplitude prédéterminée tout en supportant la céramique piézoélectrique (10).
3 - Moteur linéaire piézoélectrique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'élément mobile (40) et la tige vibrante (30) sont construits de telle sorte qu'une certaine force de frottement est maintenue à une partie de contact entre l'élément mobile (40) et la tige vibrante (30) par un élément de pression prédéterminé.
4 - Moteur linéaire piézoélectrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que l'élément mobile (40) se déplace dans unedirection de mouvement de la tige vibrante (30) si une force d'inertie de l'élément mobile (40) est inférieure à la force de frottement entre l'élément mobile (40) et la tige vibrante (30) lorsque la tige vibrante (30) se déplace.