FR2740276A1 - Actionneur piezoactif amplifie a raideur elevee - Google Patents
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Abstract
L'invention a pour objet un actionneur piézoactif 10 amplifié à raideur élevée comprenant un premier sous-ensemble constitué par un amplificateur mécanique 14 de déplacement conformé selon une coquille à plusieurs branches elliptiques. Un deuxième sous-ensemble 18 est équipé d'éléments piézoactifs 20, 20a linéaires situés le long du grand axe de l'amplificateur, et d'un système de rattrapage de jeu 22 permettant un montage sous précontrainte des éléments piézoactifs dans l'amplificateur. L'excitation électrique des éléments piézoactifs engendre une déformation du grand axe de l'amplificateur qui transforme celle-ci en un déplacement dans une direction fixe ou variable, dont la composante dans la direction du petit axe est amplifiée. Le dispositif de rattrapage de jeu 22 est disposé au centre, et comporte deux pièces d'ajustage 22a, 22b ayant des rampes conjuguées susceptibles de glisser l'une par rapport à l'autre, pour constituer une liaison rigide démontable assurant le montage sous précontrainte des éléments piézoactifs. Applications: dispositifs de micropositionnement de divers objets, mécanismes de commande.
Description
ACTIONNEUR PIÉZOACTIF AMPLIFIÉ A RAIDEUR ÉLEVÉE.
L'invention est relative à un actionneur piézoactif à déplacement amplifié, et à un ou plusieurs degrés de liberté, comprenant: - un premier sous-ensemble constitué par un amplificateur mécanique de
déplacement agencé selon une coquille à deux ou plusieurs branches semi-
elliptiques en matériau métallique déformable, ayant un grand axe et un petit axe s'étendant perpendiculairement l'un par rapport à l'autre, - un deuxième sous-ensemble équipé d'éléments piézoactifs linéaires montés à l'intérieur de la coquille dans la direction du grand axe, et excités électriquement par un circuit d'alimentation pour produire une déformation longitudinale du grand axe et induire une déformation du petit axe destinée à générer un déplacement dont la composante le long du petit axe est amplifiée. Des actionneurs piézoactifs amplifiés ont déjà été proposés dans le
domaine de l'optique et la mécanique de précision. Selon le document EP-
A-510698, un mécanisme d'amplification de déplacement fait usage d'un système d'articulations et de bras de leviers pour amplifier un déplacement mécanique obtenu par application d'une tension à un élément piézoélectrique. Les articulations constituent des pivots élastiques, réalisés par des amincissements locaux de la structure procurant des effets d'élasticité en flexion. L'inconvénient de ce dispositif est la faible rigidité mécanique de la structure suite à l'effet d'élasticité des articulations. Les forces produites par un tel système sont très faibles, et limitent l'efficacité de l'actionneur. Dans le domaine de l'acoustique, le document US-A-3 274 537 se rapporte à un transducteur électromécanique comprenant un amplificateur de forme annulaire approximativement elliptique et utilisé comme source acoustique pour un sonar. Un tel dispositif est prévu pour l'émission et la détection d'ondes sonores dans un milieu liquide, et n'est pas adapté pour réaliser un actionneur électromécanique compact et à faible coût à cause de l'absence
de dispositif de rattrapage de jeu.
L'objet de l'invention consiste à réaliser un actionneur piézoactif à amplification mécanique, ayant une rigidité structurelle élevée permettant d'augmenter l'efficacité de la transformation mécanique, de réduire le temps
de réponse, et présentant éventuellement plusieurs degrés de liberté.
L'actionneur selon l'invention est caractérisé en ce que le deuxième sous-
o ensemble comporte de plus un dispositif de rattrapage de jeu coopérant avec les éléments piézoactifs pour assurer un montage sous précontrainte contrôlable, et pôur compenser la différence de longueur le long du grand axe entre les faces d'appui desdits éléments, le dispositif de rattrapage comprenant des pièces d'ajustage en matériau métallique pour constituer i5 après réglage une liaison mécanique rigide avec les éléments piézoactifs, ladite liaison étant démontable par une action de compression exercée le
long du petit axe.
La pièce d'ajustage du dispositif de rattrapage du jeu longitudinal comporte une rampe susceptible d'être déplacée par glissement le long d'un plan
incliné par rapport au grand axe de l'amplificateur mécanique.
L'absence d'articulations ou d'amincissements dans le premier sous-
ensemble confère à l'actionneur une grande rigidité mécanique. La stabilité du dispositif de rattrapage de jeu permet une bonne transmission des efforts entre les éléments piézoactifs et l'anneau de l'amplificateur, tout en
assurant une précontrainte contrôlable desdits éléments piézoactifs.
Selon un mode de réalisation préférentiel, le dispositif de rattrapage du jeu longitudinal est disposé dans la zone centrale de la coquille, et entre une paire d'éléments piézoactifs en forme de bâtonnets alignés prenant appui sur des faces internes opposées de l'amplificateur mécanique. Il comporte deux pièces d'ajustage à sections trapézoïdales, équipées de rampes conjuguées en contact l'une avec l'autre pour assurer le réglage
longitudinal.
Pour uniformiser les contraintes mécaniques en régime dynamique, le pied de chaque élément piézoactif est avantageusement positionné dans des moyens de calage, constitués à titre d'exemple par un embout associé à la
face d'appui correspondante.
Le choix de la position et du nombre d'éléments piézoactifs, ainsi que le contrôle des tensions d'alimentation permettent d'obtenir un actionneur à un
ou plusieurs degrés de liberté.
Un tel actionneur selon l'invention peut être utilisé dans divers mécanismes de commande, notamment: 1o - pour le micro positionnement de miroirs, de lentilles et de fibres dans le domaine de l'optique, - pour l'actionnemient d'outils ou de pièces en usinage de précision, - pour le déplacement des têtes de lecteurs de disque dur dans le domaine de l'informatique, - pour le pilotage des tiroirs en hydraulique, - pour les moteurs à reptation, - pour l'isolation active ou le contrôle actif de vibrations dans les structures, etc.......... D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la
description qui va suivre de plusieurs modes de réalisation de l'invention,
donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels: La figure 1 est une vue schématique de l'actionneur piézoactif amplifié selon l'invention. La figure 2 présente le principe de fonctionnement de l'actionneur amplifié
de la figure 1 lors d'une excitation différenciée.
La figure 3 est une vue en perspective d'une première réalisation de
l'actionneur amplifié.
La figure 4 est une vue partielle de la figure 3, montrant la distribution de densité de force normale à différentes sections droites dans la zone d'un
embout interne à l'amplificateur.
La figure 5 est une vue en coupe selon la ligne 5-5 de la figure 6 d'une
seconde réalisation de l'actionneur amplifié.
La figure 6 est une vue en coupe selon la ligne 6-6 de la figure 5.
La figure 7 est une vue en coupe selon la ligne 7-7 de la figure 8 d'une troisième réalisation de l'actionneur amplifié.
La figure 8 est une vue en coupe selon la ligne 8-8 de la figure 7.
En référence à la figure 1, I'actionneur piézoactif 10 comporte un premier 1o sous-ensemble 12 formé par un amplificateur mécanique 14 de déplacement agencé selon une coquille à deux branches nl et n2, chaque branche étant approximativement semi-elliptique, par exemple en anse de panier symétrique. L'amplificateur mécanique 14 est constitué d'un ou plusieurs matériaux métalliques élastiquement déformables, par exemple de l'alliage d'acier, d'aluminium ou de titane, et est dépourvue de zones d'amincissement. La coquille elliptique de l'amplificateur mécanique 14 possède un grand axe 16 s'étendant dans la direction x, et un petit axe 17 perpendiculaire au grand axe 16, et s'étendant dans la direction z. Le second sous-ensemble 18 inclut des éléments piézoactifs 20, 20a et un dispositif de rattrapage de jeu 22, agencés conjointement à l'intérieur de
l'amplificateur mécanique 14.
Les éléments piézoactifs 20, 20a sont formés par des bâtonnets rectilignes alignés selon le grand axe 16 à l'intérieur de la coquille, et susceptibles d'être soumis à un changement de longueur par application d'une excitation électrique. Ils sont à base de matériaux piézoélectriques, magnétostrictifs ou
électrostrictifs.
Les deus sous -ensembles 12, 18 sont connectés à des points de jonction A et A' opposés, la longueur du second sous-ensemble 18 étant ajustée à l'encombrement disponible grâce au dispositif de rattrapage de jeu 22
intervenant lors du montage de l'actionneur 10.
Dans l'exemple de la figure 1, le dispositif de rattrapage de jeu 22 est situé
dans la zone centrale entre les deux éléments piézoactifs 20, 20a.
La figure 2 représente le mode de fonctionnement de l'actionneur de la figure 1, avec un mouvement à deux degrés de liberté. Le système est fixé
au centre en B, à partir d'un organe du dispositif de rattrapage de jeu 22.
L'excitation électrique des deux éléments piézoactifs 20, 20a s'effectue au moyen d'un circuit d'alimentation 25 à deux voies indépendantes, chaque voie étant apte à appliquer un signal de tension V1, V2 pour commander les éléments piézoactifs 20, 20a. La direction de déplacement du point C de la coquille de l'amplificateur 14 dépend de la nature des signaux de tension appliquées aux bâtonnets, par exemple suite au réglage de la phase, ou de
Io l'amplitude.
Les déformations longitudinales des éléments piézoactifs 20, 20a peuvent provoquer des déplacements opposés UA et UA' des points de jonction A et A'. Ces déplacements longitudinaux induisent une déformation de i5 l'amplificateur mécanique se traduisant par un allongement du grand axe 16, et une contraction du petit axe 17 induisant un déplacement du point C. La course de déplacement du point C, représentée sur la figure 2 par le vecteur UC, est fonction des allongements UA et UA'. Lorsque le point C est libre, et que UA est égal à UA', UC s'étend suivant z, et est égal à ac UA, o a est le rapport d'amplification en déplacement. Ce rapport d'amplification peut prendre une valeur de l'ordre de grandeur du rapport de la longueur du grand axe 16 sur la longueur du petit axe 17 de l'amplificateur. Des valeurs de a comprises typiquement entre 1 et 10 peuvent être obtenues en fonction
de l'excentricité de l'amplificateur 14.
Une excitation particulière des éléments piézoactifs 20, 20a peut engendrer des déformations identiques en valeurs absolues, mais de signes contraires, (par exemple le premier élément 20 s'allonge et le deuxième élément 20a se contracte). Il en résulte alors des déplacements identiques UA et UA' des points A et A' sollicitant un déplacement UC du point C selon la direction x
du grand axe 16.
La direction du déplacement du point C et la valeur absolue du déplacement peuvent être choisies dans le plan xz par l'action de contrôle du circuit
d'alimentation 25.
Un mode de fonctionnement avec un mouvement à un degré de liberté, est utilisable dans le cas d'une fixation en C' (non représenté) et d'une excitation identique des actionneurs linéaires piézoactifs 20, 20a. Les déplacements opposés UA, UA' des points A et A' induisent une déformation amplifiée du petit axe 17 de l'amplificateur 14 se traduisant par un déplacement suivant z du point C, de valeur absolue UC. Lorsque le point C est libre, UC= a ( UA+ UA'), o a est le rapport d'amplification en déplacement. L'efficacité de l'amplificateur mécanique est quantifiable dans les différents modes de fonctionnement. Si une charge est appliquée au point C suivant z, des forces sont produites. A l'extrême, lorsque le point C est bloqué, c'est la o force bloquée suivant z de l'actionneur amplifié qui est obtenue. Grâce à la raideur élevée de l'amplificateur 14, le rapport de la force bloquée du système sur la--force bloquée des éléments piézoactifs n'est pas très
inférieur à 1/a, et l'efficacité du système peut dépasser les 35%.
S Des forces sont produites si une charge est appliquée au point C suivant x, et dans le cas d'une fixation au point B et d'une excitation différenciée des deux éléments piézoactifs 20, 20a. A l'extrême, lorsque le point C est bloqué, c'est la force bloquée suivant x de l'actionneur amplifié qui est obtenue. Grâce à la raideur élevée de l'amplificateur 14, la force bloquée suivant x est pratiquement égale à la force bloquée des éléments piézoactifs
, 20a.
Le dispositif de rattrapage de jeu 22 comprend des pièces d'ajustage 22a, 22b à section trapézoïdale. Les rampes 24 obliques des deux pièces d'ajustage 22a, 22b se trouvent en engagement l'une contre l'autre, et le réglage de leurs positions relatives permet de combler la différence de longueur entre les éléments piézoactifs 20, 20a et les faces d'appui de l'amplificateur mécanique 14. Le montage de l'ensemble est réalisé en contractant, à l'aide d'une presse, le petit axe 18 de l'amplificateur mécanique 14 par une action de compression suivant z. Les éléments piézoactifs 20, 20a et les pièces d'ajustage 22a, 22b du dispositif de rattrapage de jeu 22 sont ensuite insérés à l'intérieur de la coquille comprimée. Le rattrapage du jeu longitudinal s'opère par une action de glissement des rampes 24 des deux pièces d'ajustage 22a, 22b, suivi du relâchement de la pression sur la coquille de l'amplificateur 14. Le système est alors monté avec les éléments piézoactifs 20, 20a sous précontrainte. La valeur de cette précontrainte est contrôlée par la valeur de la force de compression appliquée à l'amplificateur mécanique. Ce dispositif permet de faire intervenir des tolérances de fabrication peu sévères pour l'amplificateur mécanique 14 et les actionneurs linéaires des éléments 20, 20a, réduisant ainsi les coûts de fabrication. Le démontage s'effectue en contractant le petit axe de l'amplificateur mécanique par une compression suivant z à l'aide
d'une presse.
Les pièces d'ajustage 22a, 22b du dispositif de rattrapage du jeu 22 sont
avantageusement réalisées en un matériau métallique, notamment en acier.
En position montée entre les deux éléments piézoactifs 20, 20a, le dispositif de rattrapage du jeu 22 constitue une liaison mécanique rigide et stable io indépendamment de la température. La présence du dispositif de rattrapage de jeu 22 permet de réaliser avec facilité différentes formes de réalisation d'actionneurs lméaires. Par exemple, il est possible d'insérer dans l'amplificateur mécanique 14, une pluralité d'éléments piézoactifs agencés
selon un empilement de longueur totale prédéterminée.
Un de ces éléments actifs peut être utilisé comme capteur d'effort, auquel
cas il n'est pas excité électriquement.
Un montage en parallèle des éléments piézoactifs est également possible.
Il suffit d'insérer dans un même amplificateur mécanique 14, plusieurs sous-
ensembles 18 orientés suivant x, et disposés parallèlement dans un même plan xy, sans nécessairement que les longueurs des actionneurs linéaires ne soient strictement égales. Le dispositif de rattrapage de jeu 22 de chaque sous-ensemble 18 permet d'ajuster la longueur de chaque sousensemble à la longueur disponible à l'intérieur de l'amplificateur mécanique 14. Cette possibilité est intéressante dans le cas o les actionneurs linéaires sont constitués de barreaux magnétostrictifs, pour lesquels, dans le cas d'une production en série, il est particulièrement difficile de garantir une longueur
constante d'un barreau à l'autre.
En référence à la figure 3, des embouts internes 26, 26a sont prévus dans l'amplificateur mécanique 14 pour assurer le calage des éléments piézoactifs 20, 20a. L'amplificateur mécanique 14 présente deux branches nl, n2 en forme d'anse de panier symétrique, et les deux éléments piézoactifs 20, 20a sont des céramiques piézoélectriques multicouches de formes parallélépipédiques. Le dispositif de rattrapage de jeu 22 est placé au centre, et la direction du glissement au montage de la pièce d'ajustage
22b, s'effectue suivant l'axe y.
La figure 4 montre que grâce à la présence des embouts de longueur L prédéterminée, les zones de surcontrainte mécanique ne se situent plus
dans les matériaux actifs, mais dans l'embout.
Sur l'actionneur 100 des figures 5 et 6, un seul élément piézoactif 20 est utilisé, se réduisant par exemple à une seule céramique piézoélectrique multicouche de forme parallélépipédique. Le dispositif de rattrapage de jeu 22 se réduit à la pièce d'ajustage 22b à section trapézoïdale. La face d'appui de l'amplificateur 14 située sur l'embout 26a, comporte un plan o incliné 124 comparable à la rampe 24 de la pièce d'ajustage 22a de la
figure 3.
Sur les figures 7 et 8, l'actionneur 200 à trois degrés de liberté, comporte quatre actionneurs linéaires 20, 20a, 20b, 20c, et un amplificateur mécanique 214 à quatre branches à 90 nl, n2, n3, n4, connectées aux éléments piézoactifs, respectivement par des embouts internes 26, 26a, 26b, 26c. Le dispositif de rattrapage de jeu 222 est formé des pièces d'ajustage 222a, 222b à sections trapézoïdales, et une troisième pièce 222c placée au centre. Une variante d'actionneur à trois degrés de liberté (non représentée), pourrait être constituée à partir d'une coquille à trois branches à 120 . Plus généralement, un actionneur à n branches à 360 /n peut être réalisé en
faisant intervenir un dispositif à rattrapage de jeu central à (n-1) rampes.
Un déplacement du point C suivant z est obtenu lorsque tous les éléments piézoactifs sont excités de telle sorte que leur déformation soit identique en valeur absolue et en signe. Dans le cas o l'actionneur est tenu au centre, par exemple au niveau de la pièce 222c, un déplacement du point C suivant x est obtenu lorsque les actionneurs 20, 20a sont excités de telle sorte que leur déformation soit identique en valeur absolue mais de signe contraire (par exemple l'élément 20 s'allonge alors que l'élément 20a se contracte), et que les autres actionneurs 20b, 20c ne sont pas excités. Un déplacement du point C suivant y est obtenu lorsque les actionneurs 20b, 20c sont excités de telle sorte que leur déformation soit identique en valeur absolue mais de signe contraire et que les deux autres actionneurs 20, 20a ne soient pas excités.
Claims (9)
1. Actionneur piézoactif à déplacement amplifié comprenant: - un premier sous-ensemble (12) constitué par un amplificateur mécanique i0 (14, 214) de déplacement agencé selon une coquille à au moins deux branches sensiblement semi- elliptiques en matériau métallique déformable, ayant un grand axe (16) et un petit axe (17) s'étendant perpendiculairement l'un par rapport à l'autre, - un deuxième sous-ensemble (18) équipé d'éléments piézoactifs (20, 20a, b, 20c) linéaires montés à l'intérieur de la coquille dans la direction du grand axe, et excités électriquement par un circuit d'alimentation (25) pour produire une déformation longitudinale du grand axe (16) et induire une déformation du petit axe (17) destinée à générer un déplacement dont la composante le long du petit axe est amplifiée, caractérisé en ce que le deuxième sous-ensemble (18) comporte de plus, un dispositif de rattrapage de jeu (22, 222) coopérant avec les éléments piézoactifs (20, 20a, 20b, 20c) pour assurer un montage sous précontrainte contrôlable, et pour compenser la différence de longueur le long du grand axe entre les faces d'appui desdits éléments, le dispositif de rattrapage comprenant des pièces d'ajustage (22a, 22b; 222a, 222b, 222c) en matériau métallique pour constituer après réglage une liaison mécanique rigide avec les éléments piézoactifs, ladite liaison étant démontable par une action de
compression exercée le long du petit axe (17).
2. Actionneur piézoactif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce d'ajustage du dispositif de rattrapage (22, 222) du jeu longitudinal comporte une rampe (24, 124) susceptible d'être positionnée par une action de glissement exercée selon une direction perpendiculaire au grand axe
(16) de l'amplificateur mécanique (14, 214).
3. Actionneur piézoactif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif de rattrapage (22) du jeu longitudinal est disposé dans la zone centrale de l'amplificateur, et entre une paire d'éléments piézoactifs (20, a) en forme de bâtonnets alignés, prenant appui sur des faces internes opposées de l'anneau.
4. Actionneur piézoactif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif de rattrapage (22) de jeu comporte deux pièces d'ajustage (22a, 22b) à sections trapézoïdales, équipées de rampes conjuguées se trouvant
1o en contact l'une avec l'autre pour assurer le réglage longitudinal.
5. Actionneur pfézoactif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque branche de l'amplificateur mécanique (14, 214) est équipée de moyens de calage du pied des éléments piézoactifs pour uniformiser les s contraintes mécaniques en régime dynamique, lesdits moyens de calage étant formés par un embout (26, 26a, 26b, 26c) interne associé à chaque
face d'appui de l'élément piézoactif correspondant.
6. Actionneur piézoactif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lI'excitation électrique des deux éléments piézoactifs (20, 20a) s'effectue au moyen de deux signaux de tension V1, V2 pour constituer un actionneur à
un ou deux degrés de liberté.
7. Actionneur piézoactif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la pièce d'ajustage (22b) du dispositif de rattrapage (22) de jeu est située au niveau de l'une des faces internes d'appui de l'amplificateur mécanique, et coopère avec un élément piézoactif (20) s'étendant entre ladite pièce
d'ajustage (22b) et l'autre face d'appui interne de l'actionneur (100).
8. Actionneur piézoactif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'amplificateur mécanique (214) comporte plus de deux branches équiréparties (nl, n2, n3, n4) associées chacune à au moins un élément piézoactif (20, 20a, 20b, 20c) linéaire coopérant avec un dispositif de rattrapage de jeu (222) commun, l'excitation indépendante des éléments
piézoactifs conduisant à un actionneur (200) à trois degrés de liberté.
9. Actionneur piézoactif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en
ce que les éléments piézoactifs (20, 20a, 20b, 20c) du second sous-
il ensemble (18) sont à base de matériaux piézoélectrique, magnétostrictifs ou électrostrictifs.
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