FR2769768A1 - Piezoelectric drive unit - Google Patents
Piezoelectric drive unit Download PDFInfo
- Publication number
- FR2769768A1 FR2769768A1 FR9712774A FR9712774A FR2769768A1 FR 2769768 A1 FR2769768 A1 FR 2769768A1 FR 9712774 A FR9712774 A FR 9712774A FR 9712774 A FR9712774 A FR 9712774A FR 2769768 A1 FR2769768 A1 FR 2769768A1
- Authority
- FR
- France
- Prior art keywords
- blocks
- actuator according
- height
- elementary
- rings
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 34
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 11
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 8
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 claims description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 3
- 229910001285 shape-memory alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000003292 glue Substances 0.000 claims 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 abstract description 17
- 239000000463 material Substances 0.000 description 9
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 2
- LPLLVINFLBSFRP-UHFFFAOYSA-N 2-methylamino-1-phenylpropan-1-one Chemical compound CNC(C)C(=O)C1=CC=CC=C1 LPLLVINFLBSFRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RZVHIXYEVGDQDX-UHFFFAOYSA-N 9,10-anthraquinone Chemical compound C1=CC=C2C(=O)C3=CC=CC=C3C(=O)C2=C1 RZVHIXYEVGDQDX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000132539 Cosmos Species 0.000 description 1
- 235000005956 Cosmos caudatus Nutrition 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 1
- 230000001627 detrimental effect Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000028161 membrane depolarization Effects 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000036316 preload Effects 0.000 description 1
- 102220047090 rs6152 Human genes 0.000 description 1
- 238000002791 soaking Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- 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
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
- H10N30/208—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using shear or torsion displacement, e.g. d15 type devices
Abstract
Description
La présente invention est relative à des actionneurs amplifiés à matériaux piezoélectriques ou électrostrictifs. The present invention relates to amplified actuators with piezoelectric or electrostrictive materials.
II existe à bord des aéronefs deux types de commande de vol - les commandes primaires qui servent à commander les mouvements immédiats de l'avion; ce sont en général des volets situés dans les bords de fuite des ailes - les commandes de vol secondaires qui servent à régler la configuration aérodynamique de l'aéronef en conformité avec les phases de vol. On trouve dans cette catégorie les becs et volets hypersustentateurs et le plan fixe arrière. There are two types of flight control on board aircraft - primary controls which are used to control the immediate movements of the aircraft; these are generally flaps located in the trailing edges of the wings - the secondary flight controls which are used to adjust the aerodynamic configuration of the aircraft in accordance with the flight phases. This category includes the high-lift spouts and flaps and the rear fixed plane.
Les caractéristiques demandées aux actionneurs de ces surfaces sont extrêmement différentes:
Les commandes primaires doivent en effet supporter une bande passante supérieure à la largeur du spectre des mouvements de l'avion, assurer un fonctionnement permanent, permettre un retour à la position neutre en cas de coupure de l'énergie.The characteristics required of the actuators of these surfaces are extremely different:
The primary controls must in fact support a bandwidth greater than the width of the spectrum of aircraft movements, ensure permanent operation, allow a return to the neutral position in the event of power failure.
Les commandes secondaires doivent quant à elles présenter une bande passante faible, pour un fonctionnement intermittent, et permettre de maintenir la dernière position en cas de coupure de l'énergie. The secondary controls must have a low bandwidth for intermittent operation, and allow the last position to be maintained in the event of a power cut.
Ces commandes sont en général réalisées par des dispositifs hydrauliques qui, pour les commandes primaires, sont à commande directe et pour les commandes secondaires réalisent la commande à travers des moyens formant réducteur mécanique. Ce sont ces moyens formant réducteur mécanique, qui dans le deuxième cas assurent l'irréversibilité demandée. These controls are generally carried out by hydraulic devices which, for the primary controls, are directly controlled and for the secondary controls carry out the control through means forming a mechanical reducer. It is these means forming a mechanical reducer, which in the second case provide the requested irreversibility.
Pour diverses raisons (maintenance, pollution, risque d'incendie, etc...), les constructeurs d'avion cherchent à réduire la part de l'hydraulique dans la commande au profit de commandes électriques. Cependant, la technologie des moteurs électromagnétiques associés aux moyens formant réducteur conduit à des équipements dont la masse est trop élevée. For various reasons (maintenance, pollution, risk of fire, etc.), aircraft manufacturers seek to reduce the share of hydraulics in control in favor of electric controls. However, the technology of electromagnetic motors associated with the means forming a reducer leads to equipment whose mass is too high.
Un but de l'invention est de proposer des moteurs à base de matériaux piezoélectriques ou électrostrictifs aptes à présenter des densités d'énergie élevée et capables de supporter des contraintes élevées, et constituant par conséquent des candidats intéressants pour la commande primaire. An object of the invention is to provide motors based on piezoelectric or electrostrictive materials capable of having high energy densities and capable of withstanding high stresses, and therefore constituting interesting candidates for primary control.
II a déjà été proposé de réaliser des actionneurs au moyen de moteurs à vibrations, dans lesquels des vibrations tangentielles et normales générées sur un stator sont transformées en mouvement continu grâce au frottement du contact mécanique entre ledit stator et le rotor. It has already been proposed to produce actuators by means of vibration motors, in which tangential and normal vibrations generated on a stator are transformed into continuous movement thanks to the friction of the mechanical contact between said stator and the rotor.
Pour une présentation générale d'applications de ce type de moteur aux commandes de vol secondaires, on pourra par exemple se référer à:
Actionneurs - Des matériaux piézoélectriques pour les commandes du futur - Usine nouvelle - 31 octobre 1996 - n"2568
Des commandes de vol piézoélectriques - Air et Cosmos/Aviation International - ne1602 - 28 février 1997
Toutefois, ce type de moteur ne peut être utilisé pour réaliser des commandes primaires, étant donné que le fonctionnement permanent conduit à une usure trop rapide de l'interface et au maintien de la dernière position en cas de coupure de l'énergie.For a general presentation of applications of this type of engine to secondary flight controls, one can for example refer to:
Actuators - Piezoelectric materials for the controls of the future - New factory - October 31, 1996 - No. 2568
Piezoelectric flight controls - Air and Cosmos / Aviation International - ne1602 - February 28, 1997
However, this type of motor cannot be used to carry out primary controls, since permanent operation leads to too rapid wear of the interface and to the maintenance of the last position in the event of a power cut.
Une autre solution, également déjà proposée, consiste à utiliser directement le déplacement piezoélectrique pour réaliser le débattement limité de la gouverne. Comme les matériaux piezoélectriques sont capables de très fortes contraintes mais ne permettent que de très faibles déplacements, il convient de les inclure dans des structures qui augmentent le déplacement afin qu'ils soient compatibles avec le mouvement demandé pour les gouvernes. Ces dispositifs sont communément appelés amplificateurs bien que l'énergie d'entrée reste toujours plus grande que l'énergie de sortie. Another solution, also already proposed, consists in directly using the piezoelectric displacement to achieve the limited clearance of the control surface. As piezoelectric materials are capable of very high stresses but allow only very small displacements, it is advisable to include them in structures which increase displacement so that they are compatible with the movement required for the control surfaces. These devices are commonly called amplifiers although the input energy is always greater than the output energy.
Des structures d'actionneurs amplifiés ont par exemple été décrites dans: A new amplifier piezoelectric actuator for precise positioning and semi-passive damping - R. Le Letty, F. Claeyssen, G. Thomin - 2nd space microdynamics and accurate control symposium - 13-16 Mai 1997
Toulouse.Amplified actuator structures have for example been described in: A new amplifier piezoelectric actuator for precise positioning and semi-passive damping - R. Le Letty, F. Claeyssen, G. Thomin - 2nd space microdynamics and accurate control symposium - 13- May 16, 1997
Toulouse.
Dans cet article, il était proposé d'utiliser comme amplificateur en sortie de l'actionneur piézoélectrique un amplificateur mécanique élastique. In this article, it was proposed to use as an amplifier at the output of the piezoelectric actuator an elastic mechanical amplifier.
D'autres encore ont proposé d'utiliser comme amplificateur des moyens de conversion hydraulique (c. f. article déjà cité paru dans Usine Nouvelle).Still others have proposed using hydraulic conversion means as an amplifier (cf. article already cited in Usine Nouvelle).
Toutefois, ces solutions ne sont pas satisfaisantes. La structure qui réalise la conversion doit en effet être plus rigide que l'actionneur de base faute de quoi l'énergie de l'actionneur de départ sert à déformer la structure de conversion au détriment de l'énergie de sortie. Et cette rigidité est souvent obtenue par l'emploi de pièces massives, ce qui réduit considérablement l'avantage initial de légèreté et de densité d'énergie élevée. However, these solutions are not satisfactory. The structure which performs the conversion must indeed be more rigid than the basic actuator, otherwise the energy of the starting actuator is used to deform the conversion structure to the detriment of the output energy. And this rigidity is often obtained by the use of solid parts, which considerably reduces the initial advantage of lightness and high energy density.
C'est donc l'objet de l'invention de proposer une structure rigide et légère convertissant les petits déplacements piezoélectriques élémentaires en grands déplacements. It is therefore the object of the invention to provide a rigid and light structure converting small elementary piezoelectric displacements into large displacements.
A cet effet, l'invention propose quant à elle un actionneur piezoélectrique ou électrostrictif, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité d'empilements de blocs élémentaires piezoélectriques ou électrostrictifs, qui sont répartis de façon à former une structure tubulaire, ainsi que des moyens formant électrodes permettant d'appliquer sur lesdits blocs élémentaires des tensions déformant lesdits blocs élémentaires de telle sorte que la structure tubulaire se vrille. To this end, the invention provides a piezoelectric or electrostrictive actuator, characterized in that it comprises a plurality of stacks of piezoelectric or electrostrictive elementary blocks, which are distributed so as to form a tubular structure, as well as electrode means for applying to said elementary blocks voltages deforming said elementary blocks so that the tubular structure twists.
La description qui suit est purement illustrative et non limitative. Elle doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels: - La figure 1 est une représentation schématique en perspective d'un actionneur conforme à un mode de réalisation possible de l'invention. The description which follows is purely illustrative and not limiting. It should be read with reference to the accompanying drawings in which: - Figure 1 is a schematic perspective representation of an actuator according to a possible embodiment of the invention.
- La figure 2 est une représentation développée de la structure active de
l'actionneur de la figure 1. - Figure 2 is a developed representation of the active structure of
the actuator of figure 1.
- La figure 3 est une représentation semblable à celle de la figure 2 illustrant le fonctionnement de la structure active.- Figure 3 is a representation similar to that of Figure 2 illustrating the operation of the active structure.
- La figure 4 est une représentation développée d'une autre variante de réalisation possible dans la structure active.- Figure 4 is a developed representation of another possible embodiment in the active structure.
- La figure 5 illustre le glissement entre deux pavés des moyens de séparation de la structure de la figure 4.- Figure 5 illustrates the sliding between two blocks of the separation means of the structure of Figure 4.
- La figure 6 est une représentation en coupe transversale de l'actionneur de la figure 1.- Figure 6 is a cross-sectional representation of the actuator of Figure 1.
- La figure 7 est une représentation schématique en perspective illustrant un mode de réalisation possible pour l'enveloppe de précontrainte.- Figure 7 is a schematic perspective representation illustrating a possible embodiment for the prestressing envelope.
- La figure 8 est une représentation en perspective illustrant un mode de réalisation possible pour des moyens de séparation.- Figure 8 is a perspective representation illustrating a possible embodiment for separation means.
- Les figures 9a à 9d sont des représentations schématiques illustrant différents étapes de réalisation de l'actionneur de la figure 1.- Figures 9a to 9d are schematic representations illustrating different stages in the production of the actuator of Figure 1.
- Les figures 10 et 1 1 sont des représentations semblables à celles des figures 2 et 3 illustrant un autre mode de réalisation possible de l'invention.- Figures 10 and 1 1 are representations similar to those of Figures 2 and 3 illustrating another possible embodiment of the invention.
- La figure 12 est une représentation semblable à celle de la figure 10 illustrant une autre variant de réalisation encore possible.- Figure 12 is a representation similar to that of Figure 10 illustrating another alternative embodiment still possible.
L'actionneur conforme à un mode de réalisation possible qui est illustré sur la figure 1 a une forme cylindrique et comporte une structure active 1 tubulaire, ainsi qu'une enveloppe de précontrainte 2 dans laquelle la structure active 1 est montée. II comporte en outre éventuellement un noyau central 3, qui sert principalement à la construction de l'actionneur et qui, comme cela sera explicité plus loin de façon détaillée, peut le cas échéant être retiré à la fin de la fabrication. The actuator according to a possible embodiment which is illustrated in FIG. 1 has a cylindrical shape and comprises an active tubular structure 1, as well as a prestressing envelope 2 in which the active structure 1 is mounted. It also optionally includes a central core 3, which is used mainly for the construction of the actuator and which, as will be explained below in detail, can if necessary be removed at the end of manufacture.
Cet actionneur cylindrique prend un mouvement de torsion important autour de son axe de révolution lorsque l'on applique une tension de commande sur son enveloppe de précontrainte. Cette torsion peut, avec les structures actives 1 qui vont être décrites, atteindre 0,25 rd soit 15". This cylindrical actuator takes a significant torsional movement around its axis of revolution when a control voltage is applied to its preload envelope. This twist can, with the active structures 1 which will be described, reach 0.25 rd, ie 15 ".
La figure 2 représente sous forme développée une petite hauteur d'une structure active 1 conforme à un mode de réalisation possible. Figure 2 shows in developed form a small height of an active structure 1 according to a possible embodiment.
L'axe A représente la direction de l'axe du cylindre. The axis A represents the direction of the cylinder axis.
Les rectangles comportant une flèche dessinée en leur centre représentent des blocs de matériau piezoélectrique ou électrostrictifs, qui ont été référencés par 4. The rectangles with an arrow drawn in their center represent blocks of piezoelectric or electrostrictive material, which have been referenced by 4.
Ces blocs 4 sont soit des blocs massifs de céramique, soit des blocs multicouche. Dans le premier cas, le sens de la flèche correspond à l'orientation de la polarisation. Dans le second cas, le sens de la flèche correspond à l'orientation de la polarisation des couches extrêmes. These blocks 4 are either solid ceramic blocks or multilayer blocks. In the first case, the direction of the arrow corresponds to the orientation of the polarization. In the second case, the direction of the arrow corresponds to the orientation of the polarization of the extreme layers.
Les blocs 4 sont empilés dans la hauteur de la structure et chaque couche d'empilement est constituée d'une pluralité de blocs 4 qui sont juxtaposés de façon à se refermer annulairement et à constituer une rondelle R. The blocks 4 are stacked in the height of the structure and each stacking layer consists of a plurality of blocks 4 which are juxtaposed so as to close annularly and to constitute a washer R.
Sur une même couche d'empilement, les blocs 4 successifs sont séparés deux à deux par des éléments de séparation 5 inertes (pavés), qui s'étendent chacun sur deux couches d'empilement. Ces éléments de séparation sont en des matériaux de raideurs plus élevées que celles de la céramique des blocs 4. Ils sont par exemple en acier. On the same stacking layer, the successive blocks 4 are separated in pairs by inert separation elements 5 (blocks), which each extend over two stacking layers. These separation elements are made of materials of higher stiffness than those of the ceramic of the blocks 4. They are, for example, of steel.
Les éléments de séparation 5 successifs d'une même couche d'empilement s'étendent alternativement à travers l'un et l'autre des deux couches d'empilement de part et d'autre de la couche d'empilement considérée et constituent des éléments de séparation pour les blocs 4 de respectivement l'une et l'autre de ces deux couches. The successive separating elements 5 of the same stacking layer extend alternately through one and the other of the two stacking layers on either side of the considered stacking layer and constitute elements separation for blocks 4 of respectively one and the other of these two layers.
Deux éléments de séparation 5 successifs dans la hauteur de l'axe A de la structure sont en contact l'un avec l'autre, mais sont aptes à se décaler l'un par rapport à l'autre. Two successive separation elements 5 in the height of the axis A of the structure are in contact with each other, but are able to offset one relative to the other.
Les sens de polarisation des blocs 4 (ou de leurs couches externes dans le cas de matériau multicouches) sont alternés d'une couche d'empilement à une autre. The directions of polarization of the blocks 4 (or of their external layers in the case of multilayer material) are alternated from one stacking layer to another.
Si l'on applique une tension alternée (+V, -V) sur les alignements selon l'axe A des éléments de séparation 5, on produit un mouvement de décalage de chaque couche par rapport à sa voisine. Du fait de l'alternance des champs dans chaque rondelle R et de l'alternance de polarisation d'une rondelle R à l'autre le décalage est toujours dans le même sens. If an alternating voltage (+ V, -V) is applied to the alignments along the axis A of the separation elements 5, an offset movement of each layer is produced with respect to its neighbor. Due to the alternation of the fields in each washer R and the alternation of polarization from one washer R to the other the offset is always in the same direction.
C'est ce qu'illustre la figure 3. This is illustrated in Figure 3.
En supposant que la déformation du matériau des éléments de séparation 5 (métal) est négligeable par rapport à celle de la céramique des blocs 4 (grande différence de module d'Young) et que les éléments 5 se déplacent en restant parallèle à eux-mêmes, on a en première approximation: e = 2xAE. m/n
K = (E/2Z4)(n21m2)R.AR.I avec O = torsion maximale de l'arbre sous tension m = nombre de couches dans le cylindre
E = déformation relative maximale sous champ de la céramique = = rapport volume de céramique p tar rapport au volume totla métal + céramique,
R = rayon externe de la structure active,
K = raideur en torsion de l'arbre n = nombre de pavés de céramique dans une rondelle
E = module d'Young de la céramique, AR = différence entre le rayon externe et le rayon interne de la couche active,
I = longueur de l'actionneur.Assuming that the deformation of the material of the separation elements 5 (metal) is negligible compared to that of the ceramic of the blocks 4 (large difference in Young's modulus) and that the elements 5 move while remaining parallel to themselves , we have as a first approximation: e = 2xAE. m / n
K = (E / 2Z4) (n21m2) R.AR.I with O = maximum torsion of the tree under tension m = number of layers in the cylinder
E = maximum relative deformation under ceramic field = = volume ratio of ceramic p tar ratio of total volume of metal + ceramic,
R = external radius of the active structure,
K = torsional stiffness of the shaft n = number of ceramic blocks in a washer
E = Young's modulus of the ceramic, AR = difference between the external radius and the internal radius of the active layer,
I = length of the actuator.
A l'aide de ces deux formules, on peut choisir les caractéristiques que l'on désire pour l'arbre que constitue l'actionneur cylindrique. On voit que le rapport limon représente le coefficient d'amplification mécanique. On cherche pour un grand rapport à avoir un grand nombre de couches avec un minimum de blocs par couche. Using these two formulas, you can choose the characteristics you want for the shaft that constitutes the cylindrical actuator. We see that the silt ratio represents the mechanical amplification coefficient. We are looking for a large ratio to have a large number of layers with a minimum of blocks per layer.
Le rapport 11 doit également être élevé mais il convient de le laisser plus faible que 0,5. En effet, lorsque ce rapport augmente, les éléments de séparation 5 métalliques subissent un mouvement de torsion préjudiciable au fonctionnement du dispositif. The ratio 11 must also be high, but it should be left lower than 0.5. Indeed, when this ratio increases, the metal separating elements 5 undergo a torsional movement detrimental to the operation of the device.
Pour pouvoir augmenter pt tout en évitant au mieux ce phénomène, on peut avantageusement remplacer les éléments de séparation 5 individuels par des éléments de séparation constituées de bandes 6, par exemple métalliques, qui sont parallèles à l'axe A du cylindre et dans lesquelles sont intégrées des fentes 7. In order to be able to increase pt while best avoiding this phenomenon, it is advantageous to replace the individual separation elements 5 by separation elements made up of strips 6, for example metallic, which are parallel to the axis A of the cylinder and in which integrated slots 7.
Une variante en ce sens est illustrée sur la figure 4. A variant in this sense is illustrated in FIG. 4.
Les fentes 7 d'une bande 6 sont séparées d'une distance qui correspond à la hauteur de deux couches de blocs 4 successives. The slots 7 of a strip 6 are separated by a distance which corresponds to the height of two successive layers of blocks 4.
D'une bande à l'autre, ces fentes 7 sont décalées de la hauteur d'une couche de blocs 4. From one strip to another, these slots 7 are offset by the height of a layer of blocks 4.
Avec une telle structure, la masse métallique (pavé) entre deux fentes 7 successives d'une bande représente l'équivalent d'un élément de séparation 5 dans la structure décrite en référence aux figures 2 et 3 et lesdites fentes 7 simulent des liaisons entre les éléments de séparation 5 qui autorisent le glissement d'un élément 5 par rapport à l'autre et limitent le basculement. With such a structure, the metal mass (block) between two successive slots 7 of a strip represents the equivalent of a separating element 5 in the structure described with reference to FIGS. 2 and 3 and said slots 7 simulate connections between the separation elements 5 which allow the sliding of an element 5 relative to the other and limit tilting.
Une déformation de la zone d'une bande 6 autour d'une fente 7 est illustrée sur la figure 5. A deformation of the zone of a strip 6 around a slot 7 is illustrated in FIG. 5.
On notera que les fentes 7 éliminent une grande partie des contraintes de cisaillement qui sont uniformément réparties dans la surface lors de la translation et maximise les contraintes de tractiontcompression qui sont importantes sur les bords du éléments de séparation 5 lors d'un basculement. It will be noted that the slots 7 eliminate a large part of the shear stresses which are uniformly distributed in the surface during translation and maximize the tensile-compression stresses which are significant on the edges of the separation elements 5 during a tilting.
L'enveloppe de précontrainte 2 est réalisée pour chaque couche du cylindre à l'aide d'une bague de précontrainte 8 qui serre l'ensemble métal/céramique de la façon qui est illustrée sur la figure 5. The prestressing envelope 2 is produced for each layer of the cylinder using a prestressing ring 8 which clamps the metal / ceramic assembly in the manner which is illustrated in FIG. 5.
On utilise avantageusement pour réaliser les bagues de pécontrainte 8 un alliage à mémoire de forme avec un grand hystéresis en température du type Ni-Ti-Nb. Dans sa phase basse température obtenue par trempage dans l'azote liquide cette bague 8 présente à température ordinaire un diamètre intérieur suffisant pour construire l'alternance céramique-métal. En chauffant à plus de 1500C la bague 8 prend sa structure haute température en se resserrant et assure ainsi la précontrainte. Elle garde cette structure même en revenant aux températures usuelles d'utilisation ( - 60"C à + 100 C). Advantageously, to make the prestressing rings 8, a shape memory alloy is used with a large temperature hysteresis of the Ni-Ti-Nb type. In its low temperature phase obtained by soaking in liquid nitrogen, this ring 8 has, at ordinary temperature, an internal diameter sufficient to construct the ceramic-metal alternation. By heating to more than 1500C the ring 8 takes its high temperature structure by tightening and thus ensures the prestressing. It retains this structure even when returning to the usual temperatures of use (- 60 "C to + 100 C).
Pour éviter les courts-circuits entre les circuits d'alimentation + V et
V, seule une bande 6 (ou un élément de séparation 5) sur deux est en contact avec la bague 8.To avoid short circuits between the + V supply circuits and
V, only one strip 6 (or a separating element 5) out of two is in contact with the ring 8.
Le contact est préférentiellement assuré par des plots de contact 10. Contact is preferably provided by contact pads 10.
Et pour homogénéiser la précontrainte, on alterne d'une couche à l'autre la répartition des plots de contact. Ceci a pour résultat que chaque bague de précontrainte 8 est à un potentiel opposé à celui de sa voisine immédiate. II convient donc, ainsi que l'illustre la figure 7, d'intercaler entre les bagues de précontrainte 8 des rondelles d'isolement électrique 9. And to homogenize the prestress, the distribution of the contact pads is alternated from one layer to another. This has the result that each prestressing ring 8 is at a potential opposite to that of its immediate neighbor. It is therefore appropriate, as illustrated in FIG. 7, to interpose between the prestressing rings 8 of the electrical isolation washers 9.
Un exemple de structure possible pour une bande 6 de séparation a été illustré sur la figure 8. An example of a possible structure for a separation strip 6 has been illustrated in FIG. 8.
La bande 6 illustrée sur cette figure comporte une succession de protubérances formant plots de contact 10 alternant avec des renfoncements 11, chaque plot 10 et renfoncement 1 1 correspondant à une couche de la structure active 1. The strip 6 illustrated in this figure comprises a succession of protrusions forming contact pads 10 alternating with recesses 11, each stud 10 and recess 1 1 corresponding to a layer of the active structure 1.
Cette solution est préférée car elle assure une bonne continuité électrique et permet de transmettre la précontrainte d'une couche à l'autre par les bordures ou lames latérales 12 qui s'étendent le long des bandes 6, de part et d'autre des fentes. Ainsi, même les zones des bandes 6 qui correspondent à des renfoncements 1 1 et qui ne sont pas en contact avec la bague de précontrainte 8 de la couche qui leur correspond, sont maintenues par les bagues 8 des couches immédiatement voisines. This solution is preferred because it ensures good electrical continuity and makes it possible to transmit the prestress from one layer to the other by the edges or lateral blades 12 which extend along the strips 6, on either side of the slots. . Thus, even the zones of the bands 6 which correspond to recesses 1 1 and which are not in contact with the prestressing ring 8 of the layer which corresponds to them, are maintained by the rings 8 of the immediately adjacent layers.
Un autre avantage de cette solution est la parfaite continuité électrique. Another advantage of this solution is perfect electrical continuity.
Avantageusement, la structure qui vient d'être décrite se réalise de la façon suivante (figures 9a à 9d)
a. On prend un tube externe 13 dans lequel on empile une alternance de bagues 8 de précontrainte en phase basse température et de rondelles isolantes 9 (figure 9a),
b. Sur un noyau 3 interne cylindrique de surface isolante, on colle temporairement ou non le long des génératrices des bandes 6 métalliques fendues. Ces bandes sont décalées le long de la génératrice de l'épaisseur d'une couche (figure 9b).
c. On introduit le noyau et ses bandes dans le tube formé par les rondelles de précontrainte (figure 9c).
d. Dans les logements restant entre les bagues 8, les bandes 6 et le noyau 3, on introduit des blocs de céramique de façon que l'orientation orthoradiale de la polarisation soit la même dans chaque couche de l'empilement ainsi réalisé et soit alternée d'une couche à l'autre.
e. On chauffe l'ensemble ou l'extérieur de façon à provoquer le changement de phase des bagues de précontrainte 8. La température à laquelle lesdites bagues sont portées doit être inférieure à la température de
Curie des céramiques pour ne pas provoquer la dépolarisation.
f. Selon l'utilisation ultérieure, on retire ou non le tube externe 13 et/ou le noyau intérieur 3. Si le noyau intérieur est laissé en place, il doit présenter, grâce à sa souplesse propre ou celle de son enveloppe isolante, une raideur bien plus faible que celle de la structure active. Ledit noyau 3 peut comprendre en son centre une tige permettant d'appliquer une précontrainte axiale.Advantageously, the structure which has just been described is produced in the following manner (FIGS. 9a to 9d)
at. An external tube 13 is taken in which an alternation of rings 8 of prestressing in low temperature phase and of insulating washers 9 are stacked (FIG. 9a),
b. On a cylindrical inner core 3 of insulating surface, temporarily or not bonded along the generatrices of the split metal strips 6. These bands are offset along the generatrix by the thickness of a layer (Figure 9b).
vs. The core and its bands are introduced into the tube formed by the prestress washers (Figure 9c).
d. In the housings remaining between the rings 8, the bands 6 and the core 3, ceramic blocks are introduced so that the orthoradial orientation of the polarization is the same in each layer of the stack thus produced and is alternated with one layer to another.
e. The whole or the outside is heated so as to cause the phase change of the prestressing rings 8. The temperature to which the said rings are worn must be lower than the temperature of
Curia of ceramics so as not to cause depolarization.
f. Depending on the subsequent use, the outer tube 13 and / or the inner core 3 may or may not be removed. If the inner core is left in place, it must have, thanks to its own flexibility or that of its insulating envelope, weaker than that of the active structure. Said core 3 may comprise in its center a rod making it possible to apply an axial prestress.
D'autres variantes de réalisation sont bien entendu encore possibles. Other alternative embodiments are of course still possible.
En particulier, dans la description qui précède on a implicitement supposé que les blocs 9 étaient en des céramiques qui travaillaient en s allongeant ou se rétractant (coefficients de déformation piezoélectrique
D33 ou D31.In particular, in the foregoing description, it has been implicitly assumed that the blocks 9 were made of ceramics which worked by elongating or shrinking (piezoelectric strain coefficients
D33 or D31.
Toutefois, des céramiques travaillant en cisaillement (coefficient D15) peuvent également être envisagées. However, ceramics working in shear (coefficient D15) can also be envisaged.
Des céramiques piezoélectrique de ce type existent aujourd'hui sous forme de céramiques massives. Piezoelectric ceramics of this type exist today in the form of solid ceramics.
Et, étant donné que des tensions de plusieurs centaines de volts peuvent être utilisées sur les actionneurs de vol, I'emploi de telles céramiques est envisageable. And, since voltages of several hundred volts can be used on flight actuators, the use of such ceramics is conceivable.
On a illustré sur les figures 10 et Il une structure d'actionneur conforme à l'invention dans laquelle les blocs, référencés par 104, sont en des matériaux piezoélectiques travaillant an cisaillement. FIGS. 10 and 11 illustrate an actuator structure according to the invention in which the blocks, referenced by 104, are made of piezoelectric materials working under shear.
Ces blocs 104 sont empilés dans la hauteur de la structure (axe A) avec une alternance de leur polarisation. These blocks 104 are stacked in the height of the structure (axis A) with alternating polarization.
Deux blocs successifs 104 d'un même empilement sont séparés par une métallisation formant électrode 120, lesdites métallisations 120 étant alternativement reliées dans la hauteur de la structure active aux bandes de séparation 106 conductrices, disposées d'un côté ou de l'autre dudit empilement. Two successive blocks 104 of the same stack are separated by a metallization forming an electrode 120, said metallizations 120 being alternately connected in the height of the active structure to the conductive separation strips 106, arranged on one side or the other of said stack .
Ainsi, en appliquant alternativement un potentiel +V ou -V aux éléments de séparation 106, on déforme la structure de la façon qui est illustrée sur la figure 11. Thus, by alternately applying a potential + V or -V to the separation elements 106, the structure is deformed in the manner which is illustrated in FIG. 11.
Dans l'exemple illustré sur les figures 10 et 11, les blocs 104 d'une même couche dans la hauteur de la structure présentent des polarisations dans le même sens et - en représentation développée - la répartition des lames 120 est symétrique de part et d'autre des éléments de séparation 106. In the example illustrated in FIGS. 10 and 11, the blocks 104 of the same layer in the height of the structure have polarizations in the same direction and - in developed representation - the distribution of the blades 120 is symmetrical on both sides other separating elements 106.
Toutefois, il n'est aucunement nécessaire que la polarisation des blocs 104 soit la même pour tous les blocs 104 d'une même couche d'empilement. However, it is not at all necessary that the polarization of the blocks 104 be the same for all the blocks 104 of the same stacking layer.
La polarisation peut dans une même couche être alternée d'un bloc 104 à un autre les métallisations 120 de deux blocs 104 successifs dans une même couche sont alors reliées à deux éléments de séparation 106 différents. The polarization can be alternated from one block 104 to another in the same layer the metallizations 120 of two successive blocks 104 in the same layer are then connected to two different separation elements 106.
Ainsi, I'invention concerne un actionneur piezoélectrique ou électrostrictif, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité d'empilements de blocs élémentaires piezoélectriques ou électrostrictifs, qui sont répartis de façon à former une structure tubulaire, ainsi que des moyens formant électrodes permettant d'appliquer sur lesdits blocs élémentaires des tensions déformant lesdits blocs élémentaires de telle sorte que la structure tubulaire se vrille.Thus, the invention relates to a piezoelectric or electrostrictive actuator, characterized in that it comprises a plurality of stacks of piezoelectric or electrostrictive elementary blocks, which are distributed so as to form a tubular structure, as well as means forming electrodes allowing 'applying to said elementary blocks tensions deforming said elementary blocks so that the tubular structure twists.
Cet actionneur peut être complété par les différentes caractéristiques suivantes:
- les blocs élémentaires travaillent en allongement/rétractation et sont empilés avec une polarisation alternée dans la hauteur de la structure tubulaire,
- les empilements peuvent alors être séparés deux à deux par des moyens de séparation qui s'étendent selon la hauteur de la structure et les éléments de séparation sont constitués d'une succession de pavés qui présentent chacun une hauteur correspondant au moins à la hauteur de deux blocs élémentaires, ces pavés étant aptes à glisser les uns sur les autres et étant d'un raideur supérieure à celle des blocs élémentaires, les zones de séparation entre les pavés superposés selon une même hauteur étant, d'un moyen de séparation à un autre, décalés dans la hauteur de la structure,
- les moyens de séparation peuvent également être constitués par des bandes qui présentent une pluralité de fentes qui délimitent deux à deux les pavés,
- ou encoure, les moyens de séparation peuvent être constitués par une pluralité d'éléments de séparation qui sont superposés et qui constituent chacun un pavé élémentaire,
- également encore, les moyens formant électrodes peuvent être constitués par les moyens de séparation. This actuator can be completed with the following different characteristics:
the elementary blocks work in elongation / retraction and are stacked with an alternating polarization in the height of the tubular structure,
- the stacks can then be separated two by two by separation means which extend according to the height of the structure and the separation elements consist of a succession of paving stones which each have a height corresponding at least to the height of two elementary blocks, these blocks being able to slide over each other and being of a stiffness greater than that of the elementary blocks, the separation zones between the blocks superimposed at the same height being, from a separation means to a other, offset in the height of the structure,
the separation means can also consist of strips which have a plurality of slots which delimit the blocks in pairs,
- or incurs, the separation means can be constituted by a plurality of separation elements which are superimposed and which each constitute an elementary block,
- Also again, the means forming electrodes can be constituted by the separation means.
Claims (17)
Priority Applications (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9712774A FR2769768B1 (en) | 1997-10-13 | 1997-10-13 | AMPLIFIED ACTUATOR WITH PIEZOELECTRIC OR ELECTROSTRICTIVE MATERIALS |
| EP98402519A EP0908961B1 (en) | 1997-10-13 | 1998-10-12 | Amplifier actuator using active materials |
| ES98402519T ES2199412T3 (en) | 1997-10-13 | 1998-10-12 | AMPLIFIED ACTUATOR OF ACTIVE MATERIALS. |
| DE69815247T DE69815247T2 (en) | 1997-10-13 | 1998-10-12 | Amplifier drive with active materials |
| JP10291037A JP2000203493A (en) | 1997-10-13 | 1998-10-13 | Actuator and manufacture of actuator |
| CA2250502A CA2250502C (en) | 1997-10-13 | 1998-10-13 | Amplified active-materials actuator |
| US09/170,013 US6268682B1 (en) | 1997-10-13 | 1998-10-13 | Amplified active-material actuators |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9712774A FR2769768B1 (en) | 1997-10-13 | 1997-10-13 | AMPLIFIED ACTUATOR WITH PIEZOELECTRIC OR ELECTROSTRICTIVE MATERIALS |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2769768A1 true FR2769768A1 (en) | 1999-04-16 |
| FR2769768B1 FR2769768B1 (en) | 1999-12-31 |
Family
ID=9512159
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR9712774A Expired - Lifetime FR2769768B1 (en) | 1997-10-13 | 1997-10-13 | AMPLIFIED ACTUATOR WITH PIEZOELECTRIC OR ELECTROSTRICTIVE MATERIALS |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2769768B1 (en) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5001382A (en) * | 1988-11-28 | 1991-03-19 | Alps Electric Co., Ltd. | Stepping motor and a method of driving the same |
| EP0516175A2 (en) * | 1991-05-31 | 1992-12-02 | Rockwell International Corporation | Twisting actuators |
-
1997
- 1997-10-13 FR FR9712774A patent/FR2769768B1/en not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5001382A (en) * | 1988-11-28 | 1991-03-19 | Alps Electric Co., Ltd. | Stepping motor and a method of driving the same |
| EP0516175A2 (en) * | 1991-05-31 | 1992-12-02 | Rockwell International Corporation | Twisting actuators |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2769768B1 (en) | 1999-12-31 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP3443602B1 (en) | Electricity generator comprising a magnetoelectric converter | |
| EP1036433B1 (en) | Electrostatic microactuators, active three-dimensional microcatheters using same and method for making same | |
| FR2727583A1 (en) | ELECTROSTATIC MOTOR AND ITS MANUFACTURING METHOD | |
| EP0908961B1 (en) | Amplifier actuator using active materials | |
| FR2830129A1 (en) | Piezoelectric element incorporating piezoelectric layers between passive layers including internal electrodes connected to external electrodes by a resistance layer | |
| EP1818711B1 (en) | Bimorph mirror comprising two piezoelectric layers | |
| EP2156538A1 (en) | Electromagnetic actuator with variable reluctance | |
| EP3985745A1 (en) | Method for manufacturing a thermoelectric device by additive manufacturing of combs to come into contact with one another | |
| FR2998737A1 (en) | ACTUATING DEVICE WITH ACTUATING ACTUATURE BY REPTATION | |
| CA2290851C (en) | Actuator with a piezoelectric or electrostrictive laser-medium | |
| FR2769768A1 (en) | Piezoelectric drive unit | |
| EP1618648B1 (en) | Piezoelectric motor allowing at least two degrees of freedom, in rotation and linear displacement | |
| EP3828943B1 (en) | Mechanical microsystem and corresponding production process | |
| FR2769769A1 (en) | Piezoelectric drive unit | |
| FR3071555B1 (en) | IMPROVED DEVICE FOR ORIENTATION OF SPACE ENGINES | |
| EP3688300B1 (en) | Improved device for damping spacecraft | |
| EP3506358B1 (en) | Thermoelectric device with thermoelectric junction formed in the thickness of a substrate and method for manufacturing such a thermoelectric device | |
| WO2024023451A1 (en) | Elementary lamination for helicoidal stack | |
| EP3671873A1 (en) | Electromechanical microsystem comprising an active element provided with a structured core layer | |
| CH716105A1 (en) | Stator coil with stepped head. | |
| EP1381904A1 (en) | Multichannel optical switch | |
| FR3126403A1 (en) | Orientation system for an electrical device of a spacecraft. | |
| EP1054187A1 (en) | Electromagnetic actuator | |
| CH691560A5 (en) | IC resistance structure and its manufacturing method. | |
| EP1866977A1 (en) | Method for determining the power line frequency of a piezoelectric actuator |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| TP | Transmission of property | ||
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 20 |
|
| CA | Change of address |
Effective date: 20161223 |
|
| CD | Change of name or company name |
Owner name: SAFRAN ELECTRONICS & DEFENSE, FR Effective date: 20161223 |
|
| CJ | Change in legal form |
Effective date: 20161223 |