WO2004021555A2 - Moteur electroactif monophase - Google Patents

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WO2004021555A2
WO2004021555A2 PCT/FR2003/002556 FR0302556W WO2004021555A2 WO 2004021555 A2 WO2004021555 A2 WO 2004021555A2 FR 0302556 W FR0302556 W FR 0302556W WO 2004021555 A2 WO2004021555 A2 WO 2004021555A2
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phase
motor
motor according
plates
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WO2004021555A3 (fr
Inventor
Marc René Christian BUDINGER
Jean-François Roland ROUCHON
Bertrand Nogarede
Original Assignee
Centre National De La Recherche Scientifique
Institut National Polytechnique De Toulouse
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Priority to CA002497177A priority patent/CA2497177A1/fr
Priority to US10/525,760 priority patent/US20050269903A1/en
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/0005—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing non-specific motion; Details common to machines covered by H02N2/02 - H02N2/16
    • H02N2/001—Driving devices, e.g. vibrators
    • H02N2/0015—Driving devices, e.g. vibrators using only bending modes
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/106—Langevin motors
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    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/14—Drive circuits; Control arrangements or methods
    • H02N2/145—Large signal circuits, e.g. final stages

Definitions

  • the present invention relates to an electroactive rotary motor and a method of operating this motor.
  • Electroactive motors use the capacities of certain materials, notably piezoelectric materials, to deform under the action of an electric field which passes through them.
  • the electroactive motors allow precise movements, for example for step-by-step commands, and even when stationary keep a high mass torque. They are therefore interesting solutions for positioning applications, particularly in fields such as lenses for optical devices, the automobile industry (windshield wipers, adjustable seats) or controls in aeronautics.
  • Piezoelectric motors use piezoelectric materials as electroactive materials.
  • the latest and most efficient rotary piezoelectric motors are traveling wave motors of the annular or cylindrical type.
  • a two-phase power supply is used to generate a rotating electric field in the material.
  • the material deforms under the action of this field so that it forms a ripple on the surface which makes a rotor move, directly or indirectly.
  • these motors require a two-phase power supply which includes many electrical components, active or passive.
  • the object of the invention is to propose an electroactive motor, the supply of which is simplified, so as to provide a powerful and inexpensive high-performance motor-supply unit.
  • a motor comprises a stator fixed to the frame of the motor and capable of bending perpendicular to a main direction, said stator comprising, stacked in said main direction, electroactive elements, for example piezoelectric ceramics, framed by two counter-masses, characterized in that said stator has a geometric asymmetry so as to create an asymmetry of resonance .
  • This asymmetry is said to be geometric as opposed to an electrical asymmetry in a power supply using two voltages in phase quadrature.
  • This geometric asymmetry can be obtained by an asymmetrical method of fixing the stator to the frame or also by an asymmetrical shape of the stator, particularly an asymmetrical shape for the counter-masses.
  • a method for powering a piezoelectric motor with mode rotation comprising a stator fixed to a frame of the motor and capable of bending perpendicular to a main direction, said stator comprising, stacked in said main direction , piezoelectric ceramics framed by two counter-masses, said stator having a geometric asymmetry so as to create an asymmetry of resonance, is characterized in that a single-phase power supply is used.
  • resonance frequencies will be chosen which are sufficiently close so that at the intermediate frequency the amplitude of the bending according to each of the bending modes is adapted to the operation of the motor.
  • the intermediate frequency will be more particularly chosen so that the phase shift between the two bending modes is 90 °.
  • FIG. 1 is a representation of a first embodiment for an engine according to the invention
  • FIG. 2 is a diagram of a first type of single-phase supply possible for a motor according to the invention, in particular for the motor of Figure 1;
  • FIG. 3 is an exploded perspective representation of the plates and counter-masses constituting a stator for the motor of Figure 1;
  • FIG. 4 is a plan view of the plates and counter-weights of the engine of Figure 1;
  • FIG. 5 is an illustration of characteristic curves of the motor of Figure 1 as a function of the frequency of electrical supply of this motor;
  • FIG. 6 is an exploded perspective representation of the plates and counter-masses constituting a stator for a second embodiment of an engine according to the invention
  • - Figure 7 is a plan view of the pads and counter weights of the engine of Figure 6;
  • FIG. 1 represents a rotary piezoelectric motor 1 with single-phase rotation, supplied by a single-phase electrical supply 40.
  • This motor is also described with reference to FIGS. 3 and 4.
  • This motor comprises a stator 10 and a rotor 20 mounted on a shaft 2.
  • the shaft 2 is rigidly fixed to a frame 3 of the motor 1.
  • the stator 10 is mounted on the shaft 2 so that it cannot rotate around the shaft 2.
  • the rotor 20 is mounted to rotate freely around the shaft 2.
  • the rotor can be provided to drive a mechanism not shown.
  • the stator 10 and the rotor 20 are generally cylindrical in shape.
  • the shaft 2 is generally cylindrical in shape and extends around a central fiber supported by an axis X, in a 'main direction D from a fastening 6 of this shaft on the frame.
  • the axis X which is an axis of rotation for the rotor 20.
  • the motor 1 is represented in operation, that is to say that in its portion supporting the stator the shaft 2 is bent so that its central fiber is supported in this portion by a curved line L.
  • axial which includes or is parallel to the X axis, more generally to the central fiber, and radial which is perpendicular to the X axis, respectively to the central fiber.
  • the motor 1 successively comprises, mounted on and coaxially with the shaft 2, a fixed stop 31, a helical compression spring 32, mounted between the fixed stop 31 and a ball stop 33, the ball stop
  • the nut 34 makes it possible to adjust the length of the spring 32, therefore to adjust an axial compression force, called the pressing force, between the spring and the nut, particularly for compressing the rotor 20 on the stator 10.
  • this effort is necessary for driving the rotor 20 by the stator 10. This effort is advantageous since when the motor is at rest, that is to say when it is not supplied, the rotor is thus maintained motionless relative to the stator. For example, if the engine is used to adjust a mechanism, this adjustment is maintained without it being useful to power the engine.
  • the stator 10 itself successively comprises, mounted on and coaxially with the shaft 2, a first counter-mass 11, a first piezoelectric ceramic plate 12, a second piezoelectric ceramic plate 13 and a second counter-mass 14.
  • the counter weights 1 1, 14 and the plates 12, 13 are cylinders each comprising two opposite faces, perpendicular to the direction D when the engine is at rest.
  • the first face encountered when traversing the tree in the direction D is called the posterior face, and the second face encountered along the same route before the anterior.
  • a set 1 1 1 -14 constituted by the counter-masses and the plates is able to deform under the action of the feed 40, so that a progressive wave is formed on the posterior surface 1 1 1 of the first counter - mass 1 1.
  • the operation of the assembly 1 1 -14 will be explained in the following of this description. It is the progressive wave forming on the posterior face 1 1 1 of the first counterweight 1 1, which drives the rotor in rotation.
  • the rotor is shown in a cylindrical shape. It comprises an anterior face 22 intended to be in contact with the posterior face 1 1 1 of the first counterweight 1 1. This anterior face 22 of the rotor 20 is coated with a friction layer 23 to ensure the drive without sliding of the rotor 20 by the stator 10.
  • a rear face 21 of the rotor 20 serves as a support for the ball bearing 33.
  • a bearing not shown, possibly fitted with a ball bearing, allows the decoupling in rotation of the shaft 2 from rotor 20.
  • the power supply 40 allows the supply of motive energy to the motor.
  • This power supply is single-phase, consisting of a phase 41 and a ground 42.
  • a first interface 1 1 12 between the front face 1 12 of the first counterweight 1 1 and the rear face 121 of the first plate 12 is connected to ground 42.
  • a second interface 1213 between the front face 122 of the first plate 12 and the rear face 131 of the second plate 13 is connected to phase 41.
  • a third interface 1314 between the front face 132 of the second plate 13 and the rear face 141 of the second counter-mass 14 is also connected to the mass 42.
  • a variable voltage 43 is applied to phase 41.
  • the first and second piezoelectric plates are deformed under the action of axial electric fields between the interfaces, created by voltage 43 to generate the traveling wave.
  • a possible power supply 40 for the motor 1 is shown diagrammatically in FIG. 2. It is close to a switching power supply of the "Forward" type from which its diodes would have been removed at the secondary. It is controlled by a switch 46 for starting and stopping the engine.
  • This power supply includes a transformer 44. This transformer makes it possible to adapt the voltage level to that of the motor and to ensure its galvanic isolation.
  • the secondary 47 of the transformer 44 includes an inductor 48 enabling resonance to be obtained by adjusting the frequency of the voltage 43 at the terminals 41, 42 of the motor 1 as a function of the capacitance of the plates 12, 13.
  • the counterweights and the plates have substantially the same outside diameter and all four include in their center an axial hole 51 for the passage of the shaft 2.
  • the counter weights 1 1, 14 are identical to each other. They further include singularities consisting of two recesses, bores 52, parallel to the axial bore 51 and diametrically symmetrical with respect to the X axis. These bores form a geometric asymmetry around the X axis. These bores define a axial plane P1, P2 for each of the plates. Thus, for a first axial plane P1 diametrically cutting the two bores 52 of the first counterweight 1 1, preference is given to bending the first counterweight in a mode M1 perpendicular to the first axial plane P1.
  • the piezoelectric plates 12,13 are identical. They consist of a first sector 123,133 and a second sector
  • the elements are represented in plan view in the direction D.
  • the polarities P + are illustrated therein by circles containing a cross and the polarities P- by circles containing a point.
  • the first plate 12 the first sector 123 is separated from the second sector 124 by a first median axial plane PM1.
  • the first sector 133 is separated from the second sector 134 by a second median axial plane PM2.
  • opposite polarities means polarities such that under the effect of the same voltage if the axial dimension of a sector decreases, the axial dimension of a sector of opposite polarity increases.
  • the plates are arranged so that the two median planes are perpendicular to each other. That is to say that a sector of one of the wafers is opposite a sector having the same polarity as it and a sector of opposite polarity on the other wafer.
  • the counter weights 11, 14 are arranged on either side of the plates so that the first axial plane P1 is coincident with the first median plane PM1 and the second axial plane is coincident with the second median plane PM2.
  • FIG. 5 illustrates, as a function of the frequency F of the supply voltage:
  • the piezoelectric materials making up the wafers deform more or less depending on whether the electric field created by this voltage is more or less intense, so that the stator bends along line L.
  • the electric field varies according to the voltage.
  • the axial deformations of the piezoelectric ceramics constituting each sector 123, 124, 133, 134 follow, depending on their polarity, the variations in intensity of the axial electric field to which they are subjected.
  • the thickness of a sector of a plate while the thickness of the other sector of the same plate decreases, and vice versa when the intensity of the electric field decreases.
  • the intensity of the voltage varies, and therefore of the fields, the thicknesses vary also gradually gradually exciting each of the flexion modes M1, M2 so that each point of the line L describes around the axis X a path represented substantially circular in Figure 1 by the arrow R.
  • Figures 6 and 7 are representations, respectively similar to those of Figures 3 and 4, of a second possible embodiment for a motor according to the invention, in particular for the arrangement of the elements 1 1 -14 of the stator 10.
  • the elements are identical to those described with reference to Figures 3 and 4, only their arrangement changes.
  • the median planes PM1 and PM2 are merged, but form an angle of 180 ° between them, that is to say that the plates 1 2, 1 3 are arranged so that a sector of polarity on one plate is opposite with a sector of opposite polarity on the other plate.
  • Counter weights 1 1, 1 4 are arranged so that the axial planes P1, P2 are merged and form an angle of 45 ° with the median planes PM 1, PM2.
  • FIG. 8 represents a second possible single-phase supply type for a motor according to the invention, adapted to the motor of FIG. 3.
  • This second type makes it possible to rotate the motor at will according to a first direction of rotation or according to a second direction of rotation, opposite to the first.
  • the second interface is connected to ground 42 and the power supply includes a transformer whose primary, powered by a single phase 41, is not shown.
  • This transformer includes two identical secondaries, a first S1 of which is connected by one of its two terminals to ground 42 and by the other to the first interface 1 1 1 2 to which it makes it possible to apply a phase 41 1.
  • S2 has two terminals B1, B2 and is controlled by an inverter K.
  • the inverter K comprises two ground contacts K1 1, K1 2 connected to ground 42 and two phase contacts K21, K22, connected to the third interface 1314.
  • the reverser has two positions. In its first position, the first ground contact K1 1 is in contact with the first terminal B1 and the first phase contact K21 is in contact with the second terminal B2 so that the second secondary is supplied in the same way as the first secondary.
  • an identical voltage 41 1, 412 is applied to the first and third interfaces, allowing the motor to be driven in a first direction of rotation.
  • the second ground contact K12 is in contact with the second terminal of B2 and the second phase contact K22 is in contact with the first terminal B2 so that the second secondary is supplied so opposite the first secondary.
  • a voltage 412 of the same amplitude but of opposite sign to that 41 1 applied to the first interface is applied to the third interface, allowing the motor to be driven in the second direction of rotation.
  • the power supply can be reversed and the ground connected to the second interface while the phase is connected to the first and the third interface.
  • the shape of the engine components is not necessarily cylindrical. Rather than making bores in the counter-masses, it is possible to give different forms to these counter-masses. Thus, a counter-mass having the shape of a beam will have a different resonance frequency depending on whether the bending is done according to a small or a large stop of the beam.
  • the asymmetry can also be achieved by the introduction of one or more singularities only on one of the counter masses or on a part of the stator.
  • the asymmetry can also be obtained by the use of anisotropic materials, anisotropy locally introducing singularities.
  • the number of platelets is also not limited to two.
  • the stator may further include a mechanical amplifier, forming a spacer between the assembly and the rotor. It then serves to amplify the traveling wave and to drive the rotor in rotation.
  • the amplifier may also have a generally cylindrical shape, comprising an anterior face applied to the posterior face of the first counter-mass and a posterior face in contact with the stator. It is the progressive wave, amplified on the posterior surface of the amplifier, which drives the rotor in rotation.
  • Motors according to the invention have economic and reliability advantages, essentially for motors which require only one direction of rotation. They are particularly suitable for small motors such as clock, microsurgery or microelectronics.

Abstract

Moteur rotatif piézo-électrique (1) où l'introduction d'une dissymétrie géométrique, par exemple dans les contre-masses (11, 14) ou dans la fixation du stator (10), permet d'obtenir un déphasage autrefois obtenu à l'aide d'une alimentation électrique en quadrature de phase. Un tel moteur permet d'utiliser une alimentation simplifiée monophasée (40). De tels moteurs présentent des avantages économiques et de fiabilité, essentiellement pour des moteurs qui ne nécessitent qu'un seul sens de rotation. Ils sont particulièrement adaptés pour les moteurs de petite taille tels les moteurs d'horlogerie, de microchirurgie ou de microélectronique.

Description

" Moteur électroactif monophasé "
La présente invention concerne un moteur rotatif électroactif et un procédé de fonctionnement de ce moteur. Les moteurs électroactifs utilisent les capacités de certains matériaux, notamment les matériaux piézoélectriques, à se déformer sous l'action d'un champ électrique qui les traverse.
Les moteurs électroactifs permettent des déplacements précis, par exemple pour des commandes pas à pas, et même à l'arrêt conservent un couple massique important. Ils sont donc des solutions intéressantes pour des applications de positionnement, particulièrement dans des domaines tels les objectifs pour appareils optiques, l'automobile (essuie-glace, sièges réglables) ou les commandes dans l'aéronautique.
Les moteurs piézoélectriques utilisent des matériaux piézoélectriques en tant que matériaux électroactifs. Les moteurs piézoélectriques rotatifs les plus récents et les plus performants, sont des moteurs à onde progressive de type annulaire ou cylindrique. On peut se reporter par exemple au brevet EP 0 538 791 (Canon) qui décrit un moteur cylindrique de ce type. Pour créer l'onde progressive à une surface du matériau piézoélectrique, on utilise une alimentation électrique diphasée pour générer dans le matériau un champ électrique tournant. Le matériau se déforme sous l'action de ce champ de sorte qu'il forme à la surface une ondulation qui fait se mouvoir, directement ou indirectement un rotor. Cependant, ces moteurs nécessitent une alimentation diphasée qui comprend de nombreux composants électriques, actifs ou passifs.
Le but de l'invention est de proposer un moteur électroactif dont l'alimentation est simplifiée, de façon à pourvoir proposer un ensemble moteur-alimentation performant robuste et bon marché. Selon un premier aspect de l'invention, un tel moteur comprend un stator fixé au bâti du moteur et apte à fléchir perpendiculairement à une direction principale, ledit stator comprenant, empilées selon ladite direction principale, des éléments électroactifs, par exemple des céramiques piézo-électriques, encadrées par deux contre-masses, caractérisé en ce que ledit stator présente une dissymétrie géométrique de façon à créer une dissymétrie de résonance. Cette dissymétrie est dite géométrique par opposition à une dissymétrie électrique dans une alimentation utilisant deux tensions en quadrature de phase. Elle permet d'obtenir pour le stator deux modes de flexion selon deux directions distinctes, de préférence orthogonales entre elles, perpendiculaires à la direction principale, et dont les fréquences de résonance sont différentes. Cette dissymétrie géométrique peut être obtenue grâce à un mode de fixation dissymétrique du stator sur le bâti ou encore par une forme dissymétrique du stator, particulièrement une forme dissymétrique pour les contre-masses. Selon un deuxième aspect de l'invention, un procédé pour alimenter un moteur piézo-électrique à rotation de mode comprenant un stator fixé à un bâti du moteur et apte à fléchir perpendiculairement à une direction principale, ledit stator comprenant, empilées selon ladite direction principale, des céramiques piézo-électriques encadrées par deux contre- masses, ledit stator présentant une dissymétrie géométrique de façon à créer une dissymétrie de résonance, est caractérisé en ce qu'on utilise une alimentation électrique monophasée. On choisira, pour l'alimentation, des fréquences de résonance suffisamment proches pour qu'à la fréquence intermédiaire l'amplitude de la flexion selon chacun des modes de flexion soit adaptée au fonctionnement du moteur. La fréquence intermédiaire sera plus particulièrement choisie afin que le déphasage entre les deux modes de flexion soit de 90°.
Pour un stator comprenant deux céramiques on reliera l'une des deux bornes de l'alimentation monophasée à une interface entre les deux céramiques et l'autre borne sur des faces des céramiques respectivement opposées à l'interface. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront encore de la description ci-après, relative à des exemples non limitatifs. Aux dessins annexés :
- la figure 1 est une représentation d'un premier mode de réalisation pour un moteur selon l'invention;
- la figure 2 est un schéma d'un premier type d'alimentation monophasée possible pour un moteur selon l'invention, notament pour le moteur de la figure 1 ;
- la figure 3 est une représentation en perspective éclatée des plaquettes et des contre-masses constituant un stator pour le moteur de la figure 1 ;
- la figure 4 est une représentation en plan des plaquettes et contre- masses du moteur de la figure 1 ;
- la figure 5 est une illustration de courbes caractéristiques du moteur de la figure 1 en fonction de la fréquence d'alimentation électrique de ce moteur;
- la figure 6 est une représentation en perspective éclatée des plaquettes et des contre-masses constituant un stator pour un deuxième mode de réalisation d'un moteur selon l'invention; - la figure 7 est une représentation en plan des plaquettes et contre- masses du moteur de la figure 6; et,
- la figure 8 est un schéma pour un deuxième type d'alimentation monophasée possible pour un moteur selon l'invention, ce deuxième type permettant d'obtenir deux sens de rotation pour le moteur. La figure 1 représente un moteur 1 rotatif piézoélectrique à rotation de mode monophasé, alimenté par une alimentation électrique monophasée 40, On décrit aussi ce moteur en référence aux figures 3 et 4. Ce moteur comprend un stator 10 et un rotor 20 montés sur un arbre 2. L'arbre 2 est fixé rigidement à un bâti 3 du moteur 1 . Le stator 10 est monté sur l'arbre 2 de sorte qu'il ne peut tourner autour de l'arbre 2. le rotor 20 est monté libre en rotation autour de l'arbre 2. Le rotor peut être prévu pour entraîner un mécanisme non représenté. Le stator 10 et le rotor 20 sont de forme généralement cylindrique.
Au repos, l'arbre 2 est de forme généralement cylindrique et s'étend, autour d'une fibre centrale supportée par un axe X, selon une ' direction principale D depuis une fixation 6 de cet arbre sur le bâti. L'axe X qui est un axe de rotation pour le rotor 20. A la figure 1 , le moteur 1 est représenté en fonctionnement, c'est à dire que dans sa portion supportant le stator l'arbre 2 est fléchi de sorte que sa fibre centrale est supportée dans cette portion par une ligne courbe L. Par la suite on nommera axial ce qui comprend ou est parallèle à l'axe X, plus généralement à la fibre centrale, et radial ce qui est perpendiculaire à l'axe X, respectivement à la fibre centrale.
Le moteur 1 comprend successivement, montés sur et coaxialement avec l'arbre 2, une butée fixe 31 , un ressort hélicoïdal de compression 32, monté entre la butée fixe 31 et une butée à billes 33, la butée à bille
33, le rotor 20, le stator 10 et un écrou 34 vissé sur une extrémité libre
36 de l'arbre 2.
L'écrou 34 permet de régler la longueur du ressort 32, donc de régler un effort axial de compression, dit effort presseur, entre le ressort et l'écrou, particulièrement pour comprimer le rotor 20 sur le stator 10. Comme pour des moteurs piézoélectriques déjà connus, cet effort est nécessaire pour l'entraînement du rotor 20 par le stator 10. Cet effort est avantageux puisque lorsque le moteur est au repos, c'est à dire lorsqu'il n'est pas alimenté, le rotor est ainsi maintenu immobile relativement au stator. Par exemple si le moteur est utilisé pour effectuer un réglage d'un mécanisme, ce réglage est maintenu sans qu'il soit utile d'alimenter le moteur.
Le stator 10 lui-même comprend successivement, montés sur et coaxialement avec l'arbre 2, une première contre-masse 1 1 , une première plaquette de céramique piézoélectrique 12, une deuxième plaquette de céramique piézoélectrique 13 et une deuxième contre-masse 14. Les contre-masses 1 1 ,14 et les plaquettes 12,13 sont des cylindres comprenant chacun deux faces opposées, perpendiculaires à la direction D lorsque le moteur est au repos. On appelle face postérieure la première face rencontrée lorsque l'on parcourt l'arbre selon la direction D, et antérieure la deuxième face rencontrée selon le même parcours.
Un ensemble 1 1 -14 constitué par les contre-masses et les plaquettes est apte à se déformer sous l'action de l'alimentation 40, de sorte qu'une onde progressive se forme à la surface postérieure 1 1 1 de la première contre-masse 1 1 . Le fonctionnement de l'ensemble 1 1 -14 sera expliqué dans la suite de la présente description. C'est l'onde progressive se formant sur la face postérieure 1 1 1 de la première contre-masse 1 1 , qui entraîne le rotor en rotation.
A la figure 1 , le rotor est représenté sous une forme cylindrique. Il comprend une face antérieure 22 prévue pour être en contact avec la face postérieure 1 1 1 de la première contre-masse 1 1. Cette face antérieure 22 du rotor 20 est revêtue d'une couche de friction 23 pour assurer l'entraînement sans glissement du rotor 20 par le stator 10. Une face postérieure 21 du rotor 20 sert d'appui à la butée à bille 33. Un palier non représenté, éventuellement équipé d'un roulement à bille, permet le découplage en rotation de l'arbre 2 d'avec le rotor 20.
L'alimentation 40 permet la fourniture d'énergie motrice au moteur. Cette alimentation est monophasée, constituée d'une phase 41 et d'une masse 42. Une première interface 1 1 12 entre la face antérieure 1 12 de la première contre-masse 1 1 et la face postérieure 121 de la première plaquette 12 est reliée à la masse 42. Une deuxième interface 1213 entre la face antérieure 122 de la première plaquette 12 et la face postérieure 131 de la deuxième plaquette 13 est reliée à la phase 41 . Une troisième interface 1314 entre la face antérieure 132 de la deuxième plaquette 13 et la face postérieure 141 de la deuxième contre-masse 14 est aussi reliée à la masse 42. Une tension variable 43 est appliquée à la phase 41. La première et la deuxième plaquette piézo-électrique se déforment sous l'action des champs électriques axiaux entre les interfaces, créés par la tension 43 pour générer l'onde progressive.
Une alimentation 40 possible pour le moteur 1 est schématisée à la figure 2. Elle est proche d'une alimentation à découpage de type "Forward" à laquelle on aurait retiré ses diodes au secondaire. Elle est commandée par un interrupteur 46 pour le démarrage et l'arrêt du moteur. Cette alimentation comprend un transformateur 44. Ce transformateur permet d'adapter le niveau de tension à celui du moteur et d'en assurer l'isolement galvanique. Le secondaire 47 du transformateur 44, comprend une inductance 48 permettant d'obtenir la résonance en réglant la fréquence de la tension 43 aux bornes 41 ,42 du moteur 1 en fonction de la capacitance des plaquettes 12,13.
On va maintenant expliquer le fonctionnement du stator 10 en référence aux figures 3, 4 et 5. On va tout d'abord examiner les formes respectives et les dispositions relatives des plaquettes 12,13 et des contre-masses 1 1 ,14.
Les contre-masses et les plaquettes ont sensiblement le même diamètre extérieur et comprennent toutes quatre en leur centre un percement axial 51 pour le passage de l'arbre 2.
Les contre-masses 1 1 ,14 sont identiques entre elles. Elles comprennent en outre des singularités constituées de deux évidements, des alésages 52, parallèles au percement axial 51 et diamétralement symétriques entre eux par rapport à l'axe X. Ces alésages forment une dissymétrie géométrique autour de l'axe X. Ces alésages définissent un plan axial P1 ,P2 pour chacune des plaquettes. Ainsi, pour un premier plan axial P1 coupant diamétralement les deux alésages 52 de la première contre-masse 1 1 , on privilégie la flexion de la première contre-masse selon un mode M1 perpendiculairement au premier plan axial P1 . De même, pour un deuxième plan axial P2 orthogonal à un plan coupant diamétralement les deux alésages 52 de la deuxième contre-masse 14, on privilégie la flexion du stator selon un mode M2 perpendiculairement au deuxième plan axial P2. Les modes de flexion M1 ,M2 sont caractéristiques de la dissymétrie de résonance.
Les plaquettes piézo-électriques 12,13 sont identiques. Elles sont constituées d'un premier secteur 123,133 et d'un second secteur
124,134 de polarités axiales opposées représentées aux figures 1 et 3 par des flèches notées P+ selon la direction principale D et P- selon la direction opposée. A la figure 4, les éléments sont représentés en vue en plan selon la direction D. Les polarités P+ y sont illustrées par des cercles contenant une croix et les polarités P- par des cercles contenant un point. Pour la première plaquette 12 le premier secteur 123 est séparé du deuxième secteur 124 par un premier plan axial médian PM1 . Pour la première plaquette 13 le premier secteur 133 est séparé du deuxième secteur 134 par un deuxième plan axial médian PM2. Il est a noter que l'on entend par polarités axiales opposées des polarités telles que sous l'effet d'une même tension si la dimension axiale d'un secteur diminue, la dimension axiale d'un secteur de polarité opposée augmente.
Dans l'exemple des figures 1 ,3 et 4 les plaquettes sont disposées de sortes que les deux plans médians sont perpendiculaires entre eux. C'est à dire qu'un secteur d'une des plaquettes est en vis à vis à la foi d'un secteur ayant même polarité que lui et d'un secteur de polarité opposée sur l'autre plaquette. Les contre-masses 1 1 ,14 sont disposées de part et d'autre des plaquettes de sorte que le premier plan axial P1 est confondu avec le premier plan médian PM1 et le deuxième plan axial est confondu avec le deuxième plan médian PM2.
La figure 5 illustre, en fonction de la fréquence F de la tension d'alimentation:
- les amplitudes A des déformations des plaquettes selon les deux modes de flexion; - les amplitudes B des déformations, c'est à dire de l'onde progressive sur la face postérieure 1 1 1 de la première contre-masse 1 1 , selon les deux modes de flexion; et,
- le déphasage D entre les deux modes de flexion des déformations sur la face postérieure de la première contre-masse 1 1 .
On constate que pour le premier mode de flexion M1 la résonance est atteinte pour une fréquence F1 et que pour le deuxième mode de flexion M2 la résonance est atteinte pour une fréquence F2. Pour une fréquence médiane Fu telle que Fu = (F1 + F2)/2, le déphasage entre les deux modes de flexion est de 90°C. La fréquence médiane Fu est la fréquence d'utilisation pour un fonctionnement optimal du moteur 1 .
Lorsque la tension d'alimentation varie les matériaux piézoélectriques constitutifs des plaquettes se déforment plus ou mois selon que le champ électrique créé par cette tension est plus ou moins intense, de sorte que le stator fléchi selon la ligne L.
La tension étant variable, le champ électrique varie en fonction de la tension. Ainsi, les déformations axiales des céramiques piézo-électriques constitutives de chaque secteur 123,124, 133,134 suivent, selon leur polarité, les variations d'intensité du champ électrique axial auquel elles sont soumises. C'est ainsi que lorsque l'intensité du champ électrique augmente, l'épaisseur d'un secteur d'une plaquette tandis que l'épaisseur de l'autre secteur de la même plaquette diminue, et réciproquement lorsque l'intensité du champ électrique diminue. Lorsque l'intensité de la tension varie, donc des champs, varie les épaisseurs varient aussi progressivement excitant progressivement chacun des modes M1 ,M2 de flexion de sorte que chaque point de la ligne L décrit autour de l'axe X un parcours représenté sensiblement circulaire à la figure 1 par la flèche R.
Les figures 6 et 7 sont des représentations, respectivement similaires à celles des figures 3 et 4, d'un deuxième mode de réalisation possible pour un moteur selon l'invention, en particulier pour la disposition des éléments 1 1 -14 du stator 10. Les éléments sont identiques à ceux décrits en référence aux figures 3 et 4, seule leur disposition change.
Dans l'exemple de la figure 6, les plans médians PM1 et PM2 sont confondus, mais forment un angle de 1 80° entre eux, c'est à dire que les plaquettes 1 2, 1 3 sont disposées de sorte qu'un secteur d'une polarité sur une plaquette soit en vis à vis avec un secteur de polarité opposée sur l'autre plaquette. Les contre-masses 1 1 ,1 4 sont disposées de sorte que les plans axiaux P1 ,P2 sont confondus et forment un angle de 45 ° avec les plans médians PM 1 ,PM2. Pour un bon fonctionnement du moteur il faut s'assurer que la rotation du rotor 20 s'effectue sensiblement dans un plan perpendiculaire à l'axe X, c'est à dire que le rotor 20, bien que plaqué contre le stator 1 0 par un effort presseur du ressort 32, n'est pas entraîné en flexion par les mouvements du stator. Pour cela il faut que le rotor 20 ait une inertie suffisante, et que l'effort presseur exercé est suffisant pour l'entraînement en rotation du rotor par la stator sans que cet effort soit trop important.
La figure 8 représente un deuxième type d'alimentation monophasée possible pour un moteur selon l'invention, adapté au moteur de la figure 3. Ce deuxième type permet de faire tourner le moteur à volonté selon un premier sens de rotation ou selon un second sens de rotation, opposé au premier. A la figure 8, la deuxième interface est reliée à la masse 42 et l'alimentation comprend un transformateur dont le primaire, alimenté par une phase unique 41 , n'est pas représenté. Ce transformateur comprend deux secondaires identiques dont un premier S1 est relié par une de ses deux bornes à la masse 42 et par l'autre à la première interface 1 1 1 2 à laquelle elle permet d'appliquer une phase 41 1 . Le deuxième secondaire
S2 comprend deux bornes B1 ,B2 et il est commandé par un inverseur K.
L'inverseur K comprend deux contacts de masse K1 1 , K1 2 reliés à la masse 42 et deux contacts de phase K21 ,K22 , reliés à la troisième interface 1 314. L'inverseur comprend deux positions. Dans sa première position, le premier contact de masse K1 1 est en contact avec la première borne B1 et le premier contact de phase K21 est en contact avec la deuxième borne B2 de sorte que le deuxième secondaire est alimenté de façon identique au premier secondaire. Ainsi, une tension 41 1 ,412 identique est appliquée aux premières et troisièmes interfaces, permettant l'entraînement du moteur dans un premier sens de rotation.
Dans la seconde position de l'inverseur K, le deuxième contact de masse K12 est en contact avec la deuxième borne de B2 et le deuxième contact de phase K22 est en contact avec la première borne B2 de sorte que le deuxième secondaire est alimenté de façon opposée au premier secondaire. Ainsi, une tension 412 de même amplitude mais de signe opposé à celle 41 1 appliquée à la première interface est appliquée à la troisième interface, permettant l'entraînement du moteur dans le second sens de rotation.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.
Ainsi, l'alimentation peut être inversée et la masse reliée à la deuxième interface alors que la phase est reliée à la première et à la troisième interface.
La forme des éléments constitutifs du moteur n'est pas nécessairement cylindrique. Plutôt que de réaliser des alésages dans les contre-masses il est possible de donner différentes formes a ces contre- masses. Ainsi, une contre-masse ayant la forme d'une poutre aura une fréquence de résonance différente selon que la flexion se fait selon une petite ou une grande arrête de la poutre. La dissymétrie peut également être réalisée par l'introduction d'une ou plusieurs singularités uniquement sur une des contre-masses ou sur une partie du stator. La dissymétrie peut également être obtenue par l'utilisation de matériaux anisotropes, l'anisotropie introduisant localement des singularités. Le nombre des plaquettes n'est pas non plus limité à deux.
Le stator peut en outre comprendre un amplificateur mécanique, formant entretoise entre l'ensemble et le rotor. Il sert alors à amplifier l'onde progressive et à entraîner le rotor en rotation. L'amplificateur peut aussi de forme généralement cylindrique, comprendre une face antérieure appliquée sur la face postérieure de la première contre-masse et une face postérieure en contact avec le stator. C'est l'onde progressive, amplifiée sur la surface postérieure de l'amplificateur, qui entraîne le rotor en rotation.
Au lieu d'introduire une dissymétrie de résonance à l'aide d'une dissymétrie géométrique dans le stator, par exemple les alésages dans les contre-masses, on peut aussi l'introduite à l'aide d'une dissymétrie géométrique dans la fixation du stator sur le bâti, c'est à dire par exemple de la fixation du stator sur l'arbre. Ainsi, en fixant le stator de manière dissymétrique, par exemple dans une direction radiale et pas dans une direction radiale perpendiculaire, on obtient des fréquences de résonance différentes selon la direction. Cette solution présente un intérêt particulièrement pour des moteurs selon l'invention de très petite dimension.
Bien entendu, le même principe de fonctionnement peut être obtenu avec d'autres types de matériaux électroactifs.
Des moteurs selon l'invention présentent des avantages économiques et de fiabilité, essentiellement pour des moteurs qui ne nécessitent qu'un seul sens de rotation . Ils sont particulièrement adaptés pour les moteurs de petite taille tels les moteurs d'horlogerie, de microchirurgie ou de microélectronique.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Moteur (1 ) piézo-électrique à rotation de mode comprenant un stator (10) fixé à un bâti (3) du moteur et apte à fléchir perpendiculairement à une direction principale (D), ledit stator comprenant, empilées selon ladite direction principale, des éléments électroactifs (12,13) encadrées par deux contre-masses (1 1 ,14), caractérisé en ce que ledit stator (10) présente une dissymétrie géométrique (52) de façon à créer une dissymétrie de résonance.
2. Moteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les éléments électroactifs sont des céramiques piézo-électriques.
3. Moteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la dissymétrie géométrique est obtenue grâce à un mode de fixation dissymétrique du stator sur le bâti.
4. Moteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la dissymétrie géométrique est obtenue grâce à l'utilisation de matériaux anisotropes pour le stator.
5. Moteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la dissymétrie géométrique est obtenue grâce à une forme dissymétrique (52) du stator, particulièrement une forme dissymétrique pour les contre-masses.
6. Moteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le stator comprend des céramiques piézo-électriques sous forme de plaquette, les plaquettes et les contre-masses étant de formes sensiblement cylindriques et coaxiales avec un arbre (2) reliant le stator au bâti (3), lesdites contre-masses comprenant de part et d'autre de l'arbre des évidements (52).
7. Moteur selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le stator comprend des contre-masses de forme sensiblement identiques entre elles, de sorte que pour deux plans axiaux respectifs (P1 ,P2) définis de sorte qu'un premier plan axial P1 pour une première contre-masse (1 1 ) représente sur la seconde contre-masse (12) un plan orthogonal au deuxième plan axial P2 pour ladite seconde contre-masse (12), les deux plans axiaux (P1 ,P2) forment sur le stator un angle non nul entre eux.
8. Moteur selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que chaque plaquette (12,13) comprend autour d'un axe de rotation pour le rotor 20, des secteurs de matériau piézoélectrique (123,124,133,134) de polarité axiale alternée (P + ,P-), disposés de sorte que chacun des secteurs d'une première plaquette soit en vis à vis, au moins partiellement, d'un secteur de polarité opposée d'une autre plaquette.
9. Moteur selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que les deux plan axiaux (P1 ,P2) forment un angle sensiblement égal à 90° .
10. Moteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que le stator comprend des plaquettes de forme sensiblement identiques entre elles, de sorte que pour deux plans médians respectifs (PM1 ,PM2) définis de façon identique pour chacune des plaquettes indépendamment, les deux plans médians forment un angle de 90° entre eux, et un premier (P1 ) parmi les plan axiaux (P1 ,P2) des contre-masses est coplanaire avec un premier (PM1 ) parmi les plans médians, et respectivement, un deuxième (P2) parmi les plan axiaux est coplanaire avec un deuxième (PM2) parmi les plans médians.
1 1 . Moteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que le stator comprend des plaquettes de forme sensiblement identiques entre elles, de sorte que pour deux plans médians respectifs (PM1 ,PM2) définis de façon identique pour chacune des plaquettes indépendamment, les deux plans forment un angle de 180° entre eux et les plans axiaux (P1 ,P2) forment un angle de 45 ° avec les plans médians.
12. Moteur selon l'une des revendications 6 à 1 1 , caractérisé en ce qu'il comprend une alimentation électrique monophasée (40) qui comprend une masse (42) et une phase (41 ), de sorte que la phase est reliée à une interface (1213) entre deux plaquettes et la masse est reliée à des faces (1 12,141 ) desdites plaquettes respectivement opposées à ladite interface (1213), ou de sorte que la masse est reliée à une interface (1213) entre deux plaquettes et la phase est reliée à des faces (121 ,132) desdites plaquettes respectivement opposées à ladite interface (1 213).
13. Moteur selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend une alimentation électrique monophasée (40) qui comprend une masse (42) relié à une interface (1213) de deux plaquettes (12, 13) et une phase (41 ) alimentant un primaire d'un transformateur, ledit transformateur comprenant deux secondaires identiques (S1 ,S2) dont un premier (S1 ) est banché entre la terre et une face (121 ) d'une des plaquettes (12), opposée à l'interface (1213), pour y fournir une première phase 41 1 et l'autre secondaire (S2) est banché par l'intermédiaire d'un inverseur (K) entre la terre et une face (132) de l'autre des plaquettes (13), opposée à l'interface (1213), pour y fournir une deuxième phase (412), égale ou opposée à la première phase (41 1 ) selon la position de l'inverseur.
14. Procédé pour alimenter un moteur (1 ) piézo-électrique à rotation de mode comprenant un stator (10) fixé à un bâti (3) du moteur et apte à fléchir perpendiculairement à une direction principale (D), ledit stator comprenant, empilées selon ladite direction principale, des céramiques piézo-électriques (12,13) encadrées par deux contre-masses (1 1 ,14), ledit stator (10) présentant une dissymétrie géométrique (52) de façon à créer une dissymétrie de résonance, caractérisé en ce qu'on utilise une alimentation monophasée (40).
15. Procédé la revendication 14, caractérisé en ce qu'on utilise pour l'alimentation (40), une fréquence d'utilisation (Fu) intermédiaire à deux fréquences de résonances (F1 ,F2) respectives de deux modes de flexion (M1 ,M2) caractéristiques de la dissymétrie de résonance.
16. Procédé la revendication 15, caractérisé en ce qu'on utilise une fréquence d'alimentation sera plus particulièrement choisie afin que le déphasage entre les deux modes de flexion soit de 90°.
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