FR2981205A1

FR2981205A1 - Actionneur piezoelectrique

Info

Publication number: FR2981205A1
Application number: FR1159169A
Authority: FR
Inventors: Thierry Pera; Jean-Luc Roudot; Yves Bernard; Camilo Hernandez
Original assignee: Faurecia Sieges dAutomobile SAS
Current assignee: Faurecia Sieges dAutomobile SAS
Priority date: 2011-10-11
Filing date: 2011-10-11
Publication date: 2013-04-12
Anticipated expiration: 2031-10-11
Also published as: FR2981205B1

Abstract

L'invention concerne un actionneur (10) piézoélectrique comportant : une surface cylindrique (12, 13) au moins partiellement en matériau piézoélectrique (9) entourant un axe (X) ; et des électrodes (21, 22, 23) aptes à induire sur la surface cylindrique, par effet piézoélectrique, une protubérance tournant autour de l'axe.

Description

B11085 - 3113 1.FR 1 ACTIONNEUR PIÉZOÉLECTRIQUE Domaine de l'invention La présente invention concerne de façon générale les moteurs et plus particulièrement les moteurs rotatifs piézoélectriques.

Exposé de l'art antérieur Il est connu, de l'art antérieur, que l'effet piézoélectrique peut être utilisé pour faire fonctionner des moteurs rotatifs. Un type de moteur piézoélectrique rotatif est décrit en relation avec les figures lA et 1B de la demande WO 2004/107554. Le stator, partie fixe du moteur, est constitué d'un disque en matériau piézoélectrique recouvert d'électrodes sur ses faces perpendiculaires à son axe. La polarisation électrique des électrodes, associée à la résonance mécanique du disque, est ajustée de façon à créer une onde mécanique tournante sur les surfaces planes du disque. Le rotor est constitué d'un deuxième disque reposant sur le premier disque et est couplé à l'onde mécanique tournante par friction. Le rotor se trouve ainsi entraîné en rotation autour de l'axe du disque.

Le rendement du moteur rotatif décrit par le document WO 2004/107554 n'est pas optimal. En effet l'onde de surface n'a pas une amplitude constante sur tout le disque formant le B11085 - 3113 1.FR 2 stator. Il en résulte que la force de friction entre le stator et le rotor n'est pas constante sur la surface du disque. Le couple moteur résultant est variable selon un rayon du disque formant le stator. Le rendement est fortement affecté par ces inhomogénéités. Résumé Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de proposer un moteur rotatif piézoélectrique. Un autre objet d'un mode de réalisation de la présente 10 invention est de proposer un moteur rotatif piézoélectrique à rendement optimisé. Pour atteindre tout ou partie de ces objets ainsi que d'autres, il est prévu un actionneur piézoélectrique comportant : 15 une surface cylindrique au moins partiellement en matériau piézoélectrique entourant un axe ; et des électrodes aptes à induire sur la surface cylindrique, par effet piézoélectrique, une protubérance tournant autour de l'axe. 20 Selon un mode de réalisation de l'actionneur, le vecteur de polarisation du matériau piézoélectrique est radial. Selon un mode de réalisation de l'actionneur, la surface cylindrique est une surface d'un cylindre de révolution. Selon un mode de réalisation de l'actionneur, le 25 cylindre est un cylindre creux en matériau piézoélectrique. Selon un mode de réalisation de l'actionneur, au moins une première électrode est située en périphérie externe de l'actionneur. Selon un mode de réalisation de l'actionneur, au moins 30 une seconde électrode est située en périphérie interne de l'actionneur. Selon un mode de réalisation de l'actionneur, il comporte des moyens mécaniques, sans contrainte statique, empêchant sa rotation.

B11085 - 3113 1.FR 3 Selon un mode de réalisation de l'actionneur, lesdits moyens comportent des rainures parallèles à l'axe dans la surface du cylindre. Selon un mode de réalisation de l'actionneur, il 5 comporte, sur l'une au moins desdites surfaces cylindriques, un anneau apte à amplifier la protubérance induite sur cette surface cylindrique. On prévoit également un moteur rotatif piézoélectrique comprenant un stator et un rotor, le rotor comprenant un tel 10 actionneur. On prévoit également un moteur rotatif piézoélectrique comprenant un stator et un rotor, le stator comprenant un tel actionneur. Brève description des dessins 15 Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 est une vue en perspective schématique 20 d'un moteur linéaire selon l'art antérieur ; la figure 2 est une vue en perspective d'un mode de réalisation d'un actionneur pour moteur rotatif piézoélectrique ; la figure 3 est une vue en coupe d'un mode de 25 réalisation de moteur rotatif piézoélectrique ; et les figures 4A et 4B sont des vues de dessus schématiques de variantes du moteur de la figure 3. Description détaillée De même éléments ont été désignés par de mêmes 30 références aux différentes figures qui ont été tracées sans respect d'échelle. Par souci de clarté, seuls les éléments utiles à la compréhension de l'invention ont été représentés et seront décrits.

B11085 - 3113 1.FR 4 Par moteur rotatif, on entend tout type d'appareil apte à modifier la position en rotation d'un arbre autour d'un axe. La figure 1 est une vue en perspective d'un moteur 5 linéaire connu de la demande de brevet WO 2004/107554. Le stator 1 comporte un barreau en matériau piézoélectrique 2, polarisé longitudinalement (flèche P). Une électrode de référence 4 est plaquée sur une première face longitudinale du barreau. Des électrodes 3 sont disposées sur une deuxième face du barreau, 10 opposée à la première face. Un curseur 5 est maintenu en contact avec la deuxième face du barreau. Lorsqu'un champ électrique El, E2 alternatif est appliqué transversalement au barreau au moyen d'une tension électrique appliquée entre les électrodes 3 et 4, un mode vibratoire de cisaillement est initié. 15 Lorsque, par exemple, des tensions d'excitation V1, V2, V3, appliquées aux différentes électrodes 3, sont accordées, en fréquence et en phase, aux fréquences de vibrations mécaniques propres du barreau, l'onde de cisaillement se propage dans la direction longitudinale, c'est à dire dans la direction 20 de polarisation du matériau piézoélectrique, orthogonalement au champ électrique appliqué. L'homme du métier sait, par simulation, déterminer les conditions pour créer une onde de propagation à la surface du barreau. Un premier point de la surface du barreau est soulevé d'une position d'équilibre A à la 25 position haute B, tandis qu'un deuxième point de la surface du barreau est abaissé de la position d'équilibre C à la position basse D. Dans ce cas chaque point de la surface parcourt un mouvement elliptique qui, par contact mécanique entre les surfaces du barreau et du curseur, entraîne le curseur 5 dans le 30 sens inverse du déplacement de l'onde de surface selon une vitesse V. La figure 2 est une vue en perspective d'un actionneur 10 pour moteur rotatif piézoélectrique selon un mode de réalisation de la présente invention. L'actionneur 10 a la forme 35 d'un cylindre 11, par exemple creux et de révolution d'axe B11085 - 3113 1.FR central X. Une paroi latérale 8 du cylindre 11 est délimitée par deux surfaces cylindriques, de révolution, entourant l'axe central X: une première surface cylindrique externe 12 et une deuxième surface cylindrique interne 13. De préférence, 5 l'épaisseur de la paroi 8 du cylindre 11 est constante. L'actionneur 10 est formé dans un matériau piézoélectrique 9 par exemple en céramique PZT (Zirconate, Titanate de Plomb). Un vecteur de polarisation P du matériau piézoélectrique est de préférence orthogonal à l'axe central X.

Par exemple, le vecteur de polarisation P est radial (centripète ou centrifuge). Dans un mode de réalisation où le cylindre 11 est sectorisé, la direction du vecteur de polarisation P peut être avantageusement inversée selon des secteurs du cylindre 11, afin de simplifier l'obtention de l'onde. Des électrodes sont disposées de préférence de part et d'autre de la paroi 8 du cylindre 11. Par exemple, des premières et deuxièmes électrodes externes 21, 22 adjacentes et de forme allongée dans le sens d'une directrice du cylindre sont réparties uniformément sur le pourtour de la surface cylindrique externe 12. Dans l'exemple proposé, une seule électrode interne 23 recouvre la surface cylindrique interne 13 du cylindre 11 creux. Lorsque des tensions d'excitation V1, V2 sont appliquées respectivement sur les électrodes 21, 22, par exemple positive +V entre l'électrode 21 et l'électrode interne 23 et négative -V entre l'électrode 22 et l'électrode 23, des champs électriques respectivement centripètes et centrifuges apparaissent au droit des électrodes 21 et 22. Il en résulte une déformation du matériau piézoélectrique 9. Lorsque les tensions d'excitation alternatives V1, V2 sont accordées, en fréquence et en phase, aux fréquences de vibrations mécaniques propres du cylindre 11, l'onde de cisaillement se propage sur la surface cylindrique externe 12 du cylindre 11. Il en résulte, comme il a été expliqué précédemment en relation avec la figure 1, que chaque point de la surface cylindrique externe 12 du cylindre 11, est animé d'un mouvement B11085 - 3113 1.FR 6 elliptique en s'éloignant de l'axe central d'une position A à une position B (illustrée en pointillés) ou bien en se rapprochant de cet axe central d'une position C à une position D (illustrée en pointillés). Ce mouvement elliptique des points de 5 la surface cylindrique externe 12 génère une protubérance qui se déplace en tournant, en périphérie du cylindre 11, autour de l'axe central X. Cette protubérance, par le mouvement elliptique des points la constituant, est apte à entraîner, par friction, un objet en contact avec la surface cylindrique du cylindre 11. 10 En d'autres termes, l'actionneur 10 est apte à induire sur l'une au moins de ses surfaces cylindriques externe ou interne 12 ou 13 une protubérance tournante formée par le déplacement, selon un mouvement elliptique, des points de la surface cylindrique. Il est possible, par simulation, de calculer, en 15 fonction des caractéristiques physiques du cylindre 11 en matériau piézoélectrique 9, les amplitudes, les fréquences et les phases des différentes tensions à appliquer sur les électrodes externes 21 et 22 afin d'obtenir la propagation d'une onde de cisaillement de résonance tournant en périphérie du 20 cylindre 11. A titre d'exemple, pour un cylindre 11 creux de diamètre compris entre 1 cm et 10 cm, avec une paroi périphérique d'épaisseur comprise entre 0,1 cm et 1 cm, on peut utiliser une tension de l'ordre de 100 V, par exemple comprise entre 50 V et 200 V. Pour obtenir la résonance du cylindre, la 25 fréquence des tensions appliquées sera de plusieurs dizaines de kilohertz, par exemple comprise entre 10 kHz et 100 kHz, de préférence autour de 40 kHz. Il en résulte alors une onde de propagation tournant à une vitesse comprise entre 50 et 500 tours par minute, par exemple autour de 200 tours par minute. 30 La figure 3 est une vue en coupe d'un moteur rotatif piézoélectrique 30 selon un mode de réalisation de la présente invention. Le moteur 30 comporte un stator 50 et un rotor 40. Le stator 50 comprend un système de fixation 31 et l'actionneur 10 précédemment décrit en relation avec la figure 35 2. Le stator possède, par exemple, une symétrie circulaire B11085 - 3113 1.FR 7 autour de l'axe central X. Le plan de coupe de la figure 3 contient l'axe central X. Le stator 50 comporte les électrodes externes 21-22 et interne 23. Le stator 50 est susceptible de générer une onde de propagation associée à une protubérance, telle que décrite précédemment en relation avec la figure 2, sur sa surface cylindrique externe 12. Le système de fixation 31 comporte, par exemple, un bâti 32 monté sur une embase 33. Le bâti 32 comporte des branches 34 pénétrant dans des rainures 35 creusées à la surface cylindrique interne 13 du stator 50 parallèlement à l'axe central X. Pour faciliter le montage, ces rainures sont de préférence verticales ou, telles que représentées pour les besoins du dessin, horizontales. Un tel système a pour objet de fixer, sans contrainte, le stator. En effet durant la formation de l'onde de propagation à la surface cylindrique externe 12 de l'actionneur 10 du stator 50, il faut éviter que la résonance de l'actionneur soit perturbée par des liaisons mécaniques. Il ne s'agit que d'un exemple et on pourra utiliser tout système adapté à ne pas perturber l'actionneur par ses liaisons mécaniques. Le cas échéant, on pourra compléter l'assemblage par des silentblocs 36 entre les branches 34 du bâti et les rainures 35. On pourra aussi prévoir des moyens de blocage partiel. Le rotor 40 a, par exemple, la forme d'une cloche et est libre de tourner, à une vitesse de rotation co, autour d'un axe de rotation Y parallèle (et dans l'exemple représenté, confondu) à l'axe central X du stator 50. Le rotor 40 comporte un pourtour interne 45 formant une partie de la surface intérieure de la cloche et un pourtour externe 46 formant une partie de la surface extérieure de la cloche. Les pourtours internes 45 et externes 46 sont sensiblement des surfaces parallèles à l'axe de rotation Y. Le rotor 40 comporte un arbre 41, centré sur l'axe de rotation Y, apte à transmettre la puissance mécanique du moteur. Une surface de réception 42 du rotor 40 est en contact avec la surface cylindrique externe 12 du stator 50. Ainsi, la protubérance, générée sur la surface B11085 - 3113 1.FR 8 cylindrique externe 12 de l'actionneur 10 et en contact, directement ou indirectement, avec la surface de réception 42, est apte à entraîner la rotation du rotor 40 par l'intermédiaire du mouvement elliptique des points de la surface cylindrique externe 12 du stator 50. Le sens de rotation du rotor est inverse au sens de rotation de la protubérance sur le stator. De manière avantageuse une bague (non représentée), par exemple en bronze et crénelée, peut recouvrir la surface cylindrique externe 12 du stator 50 afin d'amplifier la 10 protubérance générée à la surface cylindrique externe 12. L'axe central X du stator 50 peut, ainsi qu'il est représenté sur la figure 3, être confondu avec l'axe de rotation Y du rotor 40. Dans ce cas, par exemple, le pourtour interne 45 du rotor 40 entoure au plus près le stator 50 et la surface de 15 réception 42, située sur le pourtour interne 45 du rotor 40, vient en contact avec la protubérance formée sur la surface cylindrique externe 12 du stator 50 par effet piézoélectrique. Les figures 4A et 4B sont des vues de dessus schématiques de deux autres exemples de configuration du moteur. 20 Dans l'exemple de la figure 4A, l'axe central X du stator 50 est décalé parallèlement à l'axe de rotation Y du rotor 40, le rotor 40 entourant le stator 50. La mise à rotation du rotor s'effectue alors par l'intermédiaire d'un contact entre la surface cylindrique externe 12 du stator 50 et la surface de 25 réception 42 du rotor 40, localisée sur le pourtour interne 45 du rotor 40. Dans l'exemple de la figure 4B, le rotor 40 est à l'extérieur et à côté du stator 50 à la manière d'un satellite. Dans ce cas, la mise à rotation du rotor 40 s'effectue par 30 l'intermédiaire d'un contact entre la surface cylindrique externe 12' du stator 50 et la surface de réception 42' du rotor 40, localisée sur le pourtour externe du rotor 40. Toute autre configuration est possible. Par exemple le stator 50 peut entourer le rotor 40, l'axe central X et l'axe de 35 rotation Y pouvant être confondus ou non. Dans ce cas la surface B11085 - 3113 1.FR 9 cylindrique interne 13 de l'actionneur 10 interagit avec le pourtour externe 46 du rotor 40. Enfin, pour toutes les configurations des positions respectives du stator 50 et du rotor 40 décrites ci-dessus, le 5 rotor 40 peut comprendre l'actionneur 10, le stator 50 devenant passif et dépourvu d'actionneur. La protubérance est alors formée sur le rotor sur le pourtour externe 46 ou interne 45. Ces pourtours externe 46 et interne 45 se substituent, pour leur fonction d'entraînement, aux surfaces cylindriques externe 12 ou 10 interne 13. Dans ce denier cas, on prévoit des moyens pour assurer l'alimentation en courant électrique des électrodes 21, 22, 23 solidaires du rotor en rotation, par exemple, par des balais frottant sur des bagues conductrices reliées aux électrodes 21, 22, 23. 15 Des modes de réalisation particuliers de la présente invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, le cylindre 11 peut ne pas être de révolution, le matériau piézoélectrique peut être localisé seulement à certains endroits du cylindre. Le 20 cylindre peut être constitué de plusieurs matériaux afin, par exemple, de favoriser un mode de résonance propre. Afin d'optimiser le mode de résonance d'un cylindre creux ou pour améliorer sa tenue mécanique, un cylindre initialement creux peut-être rempli d'un matériau spécifique. L'épaisseur de la 25 paroi du cylindre peut ne pas être constante. La forme, le nombre et le positionnement des électrodes ont été donnés à titre d'exemple. Par exemple, on peut placer une électrode unique en périphérie externe du cylindre et plusieurs électrodes en périphérie interne du cylindre. Selon un autre exemple, dans 30 le cas d'un cylindre hétérogène, les électrodes peuvent être placées dans le volume du cylindre, pourvu qu'elles puissent générer un champ électrique adapté dans le matériau piézoélectrique. Par ailleurs, le stator peut être constitué de plusieurs cylindres axialement superposés.

B11085 - 3113 1.FR 10 Enfin, la mise en oeuvre des modes de réalisations qui ont été décrits est à la portée de l'homme du métier à partir de la description fonctionnelle donnée ci-dessus. En particulier, le raccordement électrique des électrodes et leur alimentation sont à la portée de l'homme du métier en utilisant des techniques en elles-mêmes connues.

Claims

REVENDICATIONS1. Actionneur (10) piézoélectrique comportant : une surface cylindrique (12, 13, 46, 45) au moins partiellement en matériau piézoélectrique (9) entourant un axe (X, Y) ; et des électrodes (21, 22, 23) aptes à induire sur la surface cylindrique, par effet piézoélectrique, une protubérance tournant autour de l'axe.
2. Actionneur (10) selon la revendication 1, dans lequel le vecteur de polarisation (P) du matériau piézo- électrique (9) est radial.
3. Actionneur (10) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la surface cylindrique (12, 13, 46, 45) est une surface d'un cylindre (11) de révolution.
4. Actionneur (10) selon la revendication 3, dans 15 lequel le cylindre (11) est un cylindre creux en matériau piézoélectrique (9).
5. Actionneur (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel au moins une première électrode (21, 22) est située en périphérie externe (12, 46) de 20 l'actionneur (10).
6. Actionneur (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel au moins une seconde électrode (23) est située en périphérie interne (13, 45) de l'actionneur (10). 25
7. Actionneur (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comportant des moyens mécaniques (34, 36), sans contrainte statique, empêchant sa rotation.
8. Actionneur (10) selon la revendication 7, dans lequel lesdits moyens comportent des rainures parallèle à l'axe 30 dans la surface du cylindre.
9. Actionneur (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comportant, sur l'une au moins desdites surfaces cylindriques (12, 13, 46, 45), un anneau apte à amplifier la protubérance induite sur cette surface cylindrique.B11085 - 3113 1.FR 12
10. Moteur rotatif piézoélectrique (30) comprenant un stator (50) et un rotor (40), le rotor comprenant l'actionneur (10) selon l'une des revendications 1 à 6 et 8.
11. Moteur rotatif piézoélectrique (30) comprenant un stator (50) et un rotor (40), le stator comprenant l'actionneur (10) selon l'une des revendications 1 à 8.