WO2013140102A1 - Dispositif de micropositionnement a multi degres de liberte pour actionneurs piezoelectriques et procede associe - Google Patents

Dispositif de micropositionnement a multi degres de liberte pour actionneurs piezoelectriques et procede associe Download PDF

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WO2013140102A1
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WO
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piezoelectric actuator
piezoelectric
variation
micropositioning
electrodes
Prior art date
Application number
PCT/FR2013/050622
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English (en)
Inventor
Ioan Alexandru IVAN
Joël AGNUS
Manitrarivo RAKOTONDRABE
Original Assignee
Universite De Franche Comte
Ecole Nationale Superieure De Mecanique Et Des Microtechniques
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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
    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/06—Drive circuits; Control arrangements or methods
    • H02N2/062—Small signal circuits; Means for controlling position or derived quantities, e.g. for removing hysteresis
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R29/00—Arrangements for measuring or indicating electric quantities not covered by groups G01R19/00 - G01R27/00
    • G01R29/22—Measuring piezoelectric properties
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/004—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring coordinates of points
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H10N30/202—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using longitudinal or thickness displacement combined with bending, shear or torsion displacement
    • H10N30/2027—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using longitudinal or thickness displacement combined with bending, shear or torsion displacement having cylindrical or annular shape

Definitions

  • the technical field of the invention is that of actuator positioning methods, including piezoelectric and more particularly to a micropositioning method for piezoelectric actuators and an associated device.
  • this type of device provides deformation measuring means of which sensors are located at the level of the piezoelectric material (strain gauges), or displacement measuring means of the controlled structure whose sensors are located at the outside of said structure (optical sensors by triangulation or interferometry).
  • the invention aims to remedy all or part of the disadvantages of the state of the art, particularly the problems posed by congestion and price means for measuring the displacement of structures actuated by at least one piezoelectric actuator piezoelectric actuator controlled in tension.
  • a micropositioning device of at least one piezoelectric actuator said piezoelectric actuator comprising at least one piezoelectric material which is able to deform when subjected to an electric field, characterized in that it further comprises:
  • control and measurement means further comprise: a voltage generator connected in parallel to:
  • a divider bridge the divider bridge being composed of a first resistor and a second resistor in series, and
  • a first capacitor connected in series with the piezoelectric actuator
  • a charge amplifier having a first input connected to a node between the two resistors forming a floating high potential virtual ground and a second input connected to a node between the first capacitance and the piezoelectric actuator.
  • the fact of eliminating measurement sensor allows the saving of the purchase of said sensor is to significantly reduce the cost of the device.
  • Such a device also allows to perform simultaneous measurements of the piezoelectric material deformation according to a plurality of degrees of freedom, and this on devices whose sizing is a problem.
  • the footprint is minimal.
  • such a device allows "real time" control of the associated micropositioning device.
  • the device also frees external sensors in that it can operate both the same piezoelectric material as actuator and as its own sensor. In other words, it is possible to dispense with a measurement of the actual deformation of the piezoelectric material and / or the displacement of the actuator and / or the force applied by a measurement of the variation of the the actual electrical charge present on the piezoelectric actuator and by algorithmic calculation from this measurement of the variation of the actual electric charge.
  • the estimation means can be used to estimate, in addition to a displacement of the piezoelectric actuator and / or a force applied by an external environment on said piezoelectric actuator, any other parameter. directly or indirectly dependent on said variation of electric charge measured by the measuring means.
  • the piezoelectric actuator comprises at least three distributed electrodes including at least one ground electrode and at least two active potential electrodes.
  • the piezoelectric actuator may be a piezotube or other actuator with several degrees of freedom.
  • said piezotube comprises the piezoelectric tube material, the ground electrode disposed on an inner wall of the tube and at least two active potential electrodes disposed on an outer wall of the tube.
  • the number of outer electrodes preferably varies according to the number of degrees of freedom on which a measurement must be performed.
  • the electrical field control means and the simultaneous measurement of the variation of the electrical charge comprise at least one electric field control circuit applied to said piezoelectric actuator and for measuring the variation of charge accumulated on the electrodes of the potential assets.
  • the charge amplifier comprises an operational amplifier and a second capacitor connected between the second input and the output of the operational amplifier.
  • control and measurement means further comprise a resetting circuit of the charges present on the second capacitor.
  • the piezoelectric device being comparable to the rest at a capacity, the first capacitance and the first and second resistors are chosen so that the ratio between the first and the second resistance is substantially equal to the ratio between the first capacitor and the capacitor. capacity of the piezoelectric device at rest.
  • the first capacity is selected to have a leakage resistance of greater than 100 GHz.
  • the first capacitance is selected so that the majority of the voltage delivered by the voltage generator is found on the piezoelectric device, being understood by the term "major part" of the voltage, at least greater than 50% of this voltage.
  • the first capacitance is selected so that 90% of the voltage delivered by the voltage generator is on the piezoelectric device.
  • the output of each charge amplifier is connected to an analog-digital converter connected to a computer via galvanic isolation circuits; the calculator estimating the displacement of the actuator and / or the deformation of the material and / or the force applied from the variation of charges received from the charge amplifiers and the voltages applied by the voltage generators.
  • the galvanic isolation can be performed in analog, in this case the analog-digital converter is disposed after the galvanic isolation circuits.
  • the piezoelectric device comprises at least three electrodes of which at least one ground electrode and at least two active potential electrodes, the device comprising as many control and measurement means as active electrodes, connected to one another. to one, and the control and measurement means being connected to a single computer adapted to move and measure the piezoelectric device in at least two dimensions.
  • the invention relates to a micropositioning method of at least one piezoelectric actuator implemented by a device as described above, characterized in that it comprises the following steps:
  • controlling the piezoelectric actuator by applying an electric field to said piezoelectric actuator so as to deform the piezoelectric material
  • FIG. 1 shows a block diagram of the control means, simultaneous measurement and acquisition means, processing and estimation according to one embodiment
  • FIG. 2 shows a block diagram of an actuator according to this embodiment
  • FIG. 3 shows a general structural diagram of a micropositioning device of a piezoelectric actuator according to this embodiment
  • FIGS. 4a and 4b show diagrams of an electrical circuit associated with an electrode according to this embodiment
  • FIG. 5 shows a diagram of an overall electrical circuit associated with a piezotube type piezoelectric actuator according to this embodiment
  • FIG. 6 shows a detailed block diagram of an observer, or estimator, according to this embodiment
  • FIG. 1 shows a block diagram of the control means, simultaneous measurement and acquisition means, processing and acquisition according to one embodiment.
  • a micropositioning device 100 of a piezoelectric actuator 200 said piezoelectric actuator 200 comprising a piezoelectric material 201 adapted to deform when subjected to an electric field.
  • the piezoelectric actuator 200 is a piezotube comprising the piezoelectric material 201 forming a tube, a mass electrode E m disposed on an inner wall 202 of the tube and four electrodes E 1 , E 2 , E 3 , E 4 of potential active disposed on different sectors of an outer wall 203 of the tube.
  • the piezotube is here defined in an orthogonal frame of axes x, y and z, the axis z being the longitudinal axis of the tubular form of said piezotube.
  • the micropositioning device 100 here has two main functions: a first main function FP1, allowing control and simultaneous measurement of a variation of the load on the different sectors of the piezotube; and
  • a second main function FP2 ensuring the acquisition, processing and estimation of the x, y and z displacements. Furthermore, the main function FP1 is subdivided into four secondary functions FS (Ei), FS (E 2 ), FS (E 3 ), FS (E 4 ), each associated with an active potential electrode Ei, E 2 , E 3 , E 4 .
  • each of the secondary functions FS (Ei), FS (E 2 ), FS (E 3 ), FS (E 4 ) is subdivided into two secondary functions by active potential electrode E 1 , E 2 , E 3 , E 4 .
  • each of the four active potential electrodes E 1 , E 2 , E 3 , E 4 respectively assures:
  • a first secondary function FS1 1, FS12, FS13, FS14 provided by means for controlling an electric field applied to said piezoelectric actuator 200 so as to deform the piezoelectric material, this first function providing said control of the electric field to said piezoelectric actuator (200); and a second secondary function FS21, FS22, FS23, FS24 provided by means for simultaneous measurement of a variation of electrical charge accumulated on the piezoelectric actuator 200 resulting from the deformation, this second function providing said simultaneous measurement of electric charge.
  • the second main function FP2 is provided by means for acquiring measurements of the electric charge variation, processing these acquisitions and estimating a displacement of the piezoelectric actuator 200 and / or a force applied from the measurement of the variation of electrical charge accumulated on the piezoelectric actuator.
  • FIG. 2 shows a diagram of an actuator according to this embodiment, here a piezotube.
  • the piezoelectric material 201 forming a tube
  • the mass electrode E m disposed on the inner wall 202 of the tube
  • the electrodes E 1 , E 2 , E 3 , E 4 of active potentials disposed on different sectors of the wall external 203 of the tube (only three of the four electrodes of active potentials are represented here)
  • FIG. 3 shows a general structural diagram of a micropositioning device of a piezoelectric actuator according to this same embodiment.
  • an electrical circuit 210 making it possible to transform the load variations Q, measured on the active potential electrode Ei into exploitable voltage V 0 i;
  • an observer 220 or estimator, making it possible to supply the values x and y which are the estimated values of the real displacements x re i and y re i at the end of the actuator, from the available signals that are the exploitable voltages V 0 i and the control voltages V i;
  • a piezoelectric actuator 200 where i is here an integer between 1 and 4, i being used to refer to an electrode E ,.
  • Figures 4a and 4b show diagrams of an electrical circuit associated with an electrode according to this embodiment.
  • FIG. 4a shows an electric circuit of an electrode E, making it possible to ensure both the first secondary function FS1 i and the second secondary function FS2i, these two secondary functions being grouped together in a related secondary function.
  • FS E i
  • a partial electrical circuit is illustrated partially ensuring the main function FP2, noted here FP2p
  • Figure 4a details the schematic diagram of a secondary function FS (Ej) associated with an electrode E ,, i being an integer between 1 and 4, valid for a sector of the piezotube.
  • Each sector of the piezotube is identified “Piezo" and is similar to a capacity C p .
  • a load Q is applied to each sector of the actuator via the voltage V, via a capacitor C r .
  • the latter is chosen for its low losses. It is then considered as linear and stable.
  • the voltage V also feeds a divider bridge composed of R, i and R i2 (i is again the channel number from 1 to 4), denoted by the following Ri and R 2 , ensuring the balance between the two branches of the bridge if
  • the resistor R and the switch K allow complete resetting of the charges present on the plates of the measuring capacitor C.
  • the diagram of Figure 4a can be likened to the diagram of Figure 4B where g is a gain to identify.
  • This gain includes a gain in an opto-coupler, a gain in an analog-to-digital converter and possibly a gain of adjustment in an integrator circuit.
  • - V is the control potential
  • Qj indicates the charges appearing on the electrode E
  • - Cn is a capacitance for a divider bridge
  • Ci is a capacitance for measuring the variation of the charges
  • Ri1 and Ri2 are two resistors for the divider bridge at the input of the operational amplifier ⁇ ,
  • Ri is a discharge resistance
  • the operation of the micropositioning device of the piezoelectric actuator is governed by electrical equations and piezoelectric equations. These equations are then used to derive the observer, or the estimator.
  • the equations of the input voltages are defined by the relationships between voltages at the input of the operational amplifier, including the resistive divider, which are as follows:
  • V + and V- are the voltages at the input of the operational amplifier.
  • a is the piezoelectric coefficient for a unipolar control, that is to say is not necessarily equal to -U 3 .
  • This coefficient is available in numerous articles such as in the article "Introduction to Scanning Tunneling Microscopy” written by CJ Chen and published in Oxford University Press in 1993. The same relation is obtained for the y axis: Moreover, assuming the charges :
  • k D Ai is the static gain (which can be positive or negative in our case) and is the time constant.
  • QtfDAi (s) is the transfer function that links the QDA load Î (S) and the input voltage V, (s). Therefore, thanks to all these equations, it is thus possible to deduce the equations of the observer, or estimator.
  • the displacements x and y are governed by the following equations:
  • FIG. 5 shows a diagram of an overall electrical circuit associated with a piezotube type piezoelectric actuator according to this embodiment.
  • each of these electrical circuits providing said secondary functions FS (Ei), FS (E 2 ), FS (E 3 ), FS (E 4 ) is connected in series to another electrical circuit ensuring that it, associated with a control unit, the second main function FP2, ensuring in particular the acquisition, processing and estimation of displacements x, y, the values x and y being the estimated values of the real displacements x re i and y re i.
  • FIG. 6 shows a detailed block diagram of an observer, or estimator, according to this embodiment and by which the mathematical operations performed described above make it possible to measure at the output the x and y displacements are governed by FIG. equation 24.
  • the number of electrodes may vary depending on the number of measurements desired.
  • the electrical diagrams may differ without departing from the scope of the invention as the electrical circuits are adapted to perform the same functions and aim to achieve equivalent results.

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Abstract

Un dispositif de micropositionnement (100) d'un actionneur piézoélectrique (200) est divulgué. Le dispositif comprend : des moyens de commande d'un champ électrique appliqué audit actionneur piézoélectrique (200) de sorte à déformer le matériau piézoélectrique (201) et, des moyens de mesure simultanée d'une variation de charge électrique accumulée sur l'actionneur piézoélectrique (200) résultant de la déformation; et des moyens d'acquisition des mesures de la variation de charge électrique, de traitement de ces acquisitions et d'estimation d'un déplacement (x, y, z) de l'actionneur piézoélectrique (200) et/ou d'une force appliquée, comprenant : un générateur de tension connecté en parallèle à : un pont diviseur composé d'une première résistance et d'une seconde résistance en série, et à une première capacité connectée en série à l'actionneur piézo-électrique, un amplificateur de charges ayant une première entrée connectée à un noeud entre les deux résistances formant une masse virtuelle à haut potentiel flottant et une seconde entrée connectée à un noeud entre la première capacité et l'actionneur piézo-électrique.

Description

DISPOSITIF DE MICRO POSITIONNEMENT A MULTI DEGRES DE LIBERTE POUR ACTIONNEURS
PIEZOELECTRIQUES ET PROCEDE ASSOCIE
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION
[0001] Le domaine technique de l'invention est celui des méthodes de positionnement d'actionneurs, notamment piézoélectriques et a plus particulièrement pour objet un procédé de micropositionnement pour actionneurs piézoélectriques et un dispositif associé.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
[0002] La problématique du micropositionnement pour actionneurs piézoélectriques a suscité déjà plusieurs solutions, en particulier celle consistant à commander en tension un actionneur comprenant une paire d'électrodes de sorte à déformer un matériau piézoélectrique disposé entre la paire d'électrode.
[0003] Généralement, ce type de dispositifs prévoit des moyens de mesure de la déformation dont des capteurs sont situés au niveau du matériau piézoélectrique (jauges extensiométriques), ou des moyens de mesure du déplacement de la structure commandée dont des capteurs sont situés à l'extérieur de ladite structure (capteurs optiques par triangulation ou interférométrique).
[0004] Néanmoins, ces capteurs extensiométriques présentent un rapport signal sur bruit défavorables tandis que les capteurs externes sont très encombrants, d'autant plus que ces dispositifs doivent comporter autant de capteurs que de degrés de liberté sur lesquels une mesure doit être effectuée. L'utilisation de tels dispositifs est donc limitée à des applications dont l'espace de confinement des moyens de mesure n'est pas une problématique. Par ailleurs, ces dispositifs, très précis, sont très coûteux, le prix étant d'autant plus élevé que le nombre de degrés de liberté est important.
EXPOSE DE L'INVENTION
[0005] L'invention vise à remédier à tout ou partie des inconvénients de l'état de la technique, en particulier aux problèmes posés par l'encombrement et le prix des moyens de mesure des déplacements de structures actionnées par au moins un actionneur piézoélectrique actionneur piézoélectrique commandé en tension.
[0006] Selon un premier aspect de l'invention, un dispositif de micropositionnement d'au moins un actionneur piézoélectrique, ledit actionneur piézoélectrique comprenant au moins un matériau piézoélectrique lequel est apte à se déformer lorsqu'il est soumis à un champ électrique, caractérisé en ce qu'il comprend en outre :
- des moyens de commande d'un champ électrique appliqué audit actionneur piézoélectrique de sorte à déformer le matériau piézoélectrique et,
- des moyens de mesure simultanée d'une variation de charge électrique accumulée sur l'actionneur piézoélectrique résultant de la déformation; et
- des moyens d'acquisition des mesures de la variation de charge électrique, de traitement de ces acquisitions et d'estimation d'un déplacement de l'actionneur piézoélectrique et/ou d'une force appliquée à partir de la mesure de la variation de charge électrique accumulée sur l'actionneur piézoélectrique, tel que les moyens de commande et de mesure comprennent en outre : - un générateur de tension connecté en parallèle à :
• un pont diviseur, le pont diviseur étant composé d'une première résistance et d'une seconde résistance en série, et à
• une première capacité connectée en série à l'actionneur piézo-électrique,
un amplificateur de charges ayant une première entrée connectée à un nœud entre les deux résistances formant une masse virtuelle à haut potentiel flottant et une seconde entrée connectée à un nœud entre la première capacité et l'actionneur piézo-électrique. [0007] Ce dispositif s'affranchit de capteurs extérieurs en ce qu'il permet d'exploiter à la fois le même matériau piézoélectrique comme actionneur et comme son propre capteur. [0008] En d'autres termes, il est possible de s'affranchir d'une mesure de la déformation réelle du matériau piézoélectrique et/ou du déplacement de l'actionneur et/ou de la force appliquée par une mesure de la variation de la charge électrique réelle présente sur l'actionneur piézoélectrique et par calcul (algorithme d'estimation) à partir de cette mesure de variation de la charge électrique réelle.
[0009] Bien que ce dispositif puisse sembler impliquer une erreur plus importante sur la précision des mesures obtenues en comparaison de l'art antérieur, il s'avère de manière surprenante que la qualité de la mesure de position d'un tel actionneur est très satisfaisante, i.e. de l'ordre de quelques nanomètres RMS (« Root Mean Square, c'est-à-dire ici la moyenne quadratique), soit meilleure qu'un capteur optique par triangulation et sensiblement comparable à une mesure interférométrique.
[0010] D'autre part, le fait de s'affranchir de capteur de mesure permet l'économie de l'achat desdits capteur soit de diminuer considérablement le coût du dispositif.
[0011] Un tel dispositif permet en outre de pouvoir effectuer des mesures simultanées de la déformation matériau piézoélectrique selon une pluralité de degrés de liberté, et ce sur des dispositifs dont le dimensionnement est une problématique. L'encombrement est donc minimal. Par ailleurs, un tel dispositif permet un pilotage « temps réel » du dispositif de micropositionnement associé.
[0012] Le dispositif s'affranchit également de capteurs extérieurs en ce qu'il permet d'exploiter à la fois le même matériau piézoélectrique comme actionneur et comme son propre capteur. [0013] En d'autres termes, il est possible de s'affranchir d'une mesure de la déformation réelle du matériau piézoélectrique et/ou du déplacement de l'actionneur et/ou de la force appliquée par une mesure de la variation de la charge électrique réelle présente sur l'actionneur piézoélectrique et par calcul algorithmique à partir de cette mesure de la variation de la charge électrique réelle.
[0014] Il est à noter que les moyens d'estimation peuvent permettre d'estimer, en sus d'un déplacement de l'actionneur piézoélectrique et/ou d'une force appliquée par un environnement extérieur sur ledit actionneur piézoélectrique, tout autre paramètre dépendant directement ou indirectement de ladite variation de charge électrique mesurée par les moyens de mesure.
[0015] Selon une caractéristique particulière, l'actionneur piézoélectrique comprend au moins trois électrodes réparties dont au moins une électrode de masse et au moins deux électrodes de potentiels actifs. Par exemple, l'actionneur piézoélectrique peut être un piézotube ou tout autre actionneur à plusieurs degrés de liberté. Dans le cas d'un actionneur piézoélectrique de type piézotube, ledit piézotube comprend le matériau piézoélectrique formant tube, l'électrode de masse disposée sur une paroi interne du tube et au moins deux électrodes de potentiels actifs disposées sur une paroi externe du tube. [0016] Le nombre d'électrodes extérieures varie de préférence en fonction du nombre de degrés de libertés sur lesquels une mesure doit être effectuée. Ainsi, dans le cas où sont utilisées au moins deux électrodes de potentiels actifs, il est possible de commander l'actionneur piézoélectrique selon respectivement au moins deux degrés de liberté. [0017] Avantageusement, les moyens de commande du champ électrique et de mesure simultanée de la variation de la charge électrique comportent au moins un circuit de commande du champ électrique appliqué audit actionneur piézoélectrique et de mesure de la variation de charge accumulée sur les électrodes de potentiels actifs. [0018] Avantageusement, l'amplificateur de charges comprend un amplificateur opérationnel et une seconde capacité connectée entre la seconde entrée et la sortie de l'amplificateur opérationnel.
[0019] Selon une autre caractéristique, les moyens de commande et de mesure comprennent en outre un circuit de remise à zéro des charges présentes sur le second condensateur.
[0020] Le dispositif piézo-électrique étant assimilable au repos à une capacité, la première capacité et les première et seconde résistances sont choisies de sorte que le ratio entre la première et la seconde résistance est sensiblement égal au ratio entre la première capacité et la capacité du dispositif piézo-électrique au repos.
[0021] Avantageusement, la première capacité est sélectionnée pour avoir une résistance de fuite supérieure à 100 GOhm.
[0022] Par ailleurs, la première capacité est sélectionnée de sorte à ce que la majeure partie de la tension délivrée par le générateur de tension se retrouve sur le dispositif piézo-électrique, étant entendu par le vocable «majeure partie » de la tension, au moins supérieur à 50% de cette tension. De préférence, la première capacité est sélectionnée de sorte à ce que 90% de la tension délivrée par le générateur de tension se retrouve sur le dispositif piézo-électrique. [0023] Dans une autre configuration avantageuse, la sortie de chaque amplificateur de charges est connectée à un convertisseur analogique-numérique connecté à un calculateur via des circuits d'isolation galvanique ; le calculateur estimant le déplacement de l'actionneur et/ou la déformation du matériau et/ou la force appliquée à partir de la variation de charges reçue des amplificateurs de charges et des tensions appliquées par les générateurs de tension. Réciproquement, dans un autre mode de réalisation, l'isolation galvanique peut être réalisée en analogique, dans ce cas le convertisseur analogique-numérique est disposé après les circuits d'isolation galvanique. [0024] Avantageusement, le dispositif piézo-électrique comporte au moins trois électrodes dont au moins une électrode de masse et au moins deux électrodes de potentiels actifs, le dispositif comprenant autant de moyens de commande et de mesure que d'électrodes actives, connectés un à un, et les moyens de commande et de mesure étant connectés à un unique calculateur adapté pour déplacer et mesurer le dispositif piézo-électrique dans au moins deux dimensions.
[0025] Selon un second aspect, l'invention concerne un procédé de micropositionnement d'au moins un actionneur piézoélectrique mis en œuvre par un dispositif comme décrit ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
- des étapes:
- de commande de l'actionneur piézoélectrique par application d'un champ électrique audit actionneur piézoélectrique de sorte à déformer le matériau piézoélectrique ; et
- de mesure simultanée d'une variation de charge électrique accumulée sur l'actionneur piézoélectrique résultant de la déformation ;
- au moins une étape d'acquisition des mesures de la variation de charge électrique, de traitement de ces acquisitions et d'estimation d'un déplacement de l'actionneur piézoélectrique et/ou de la force appliquée à partir de la mesure de la variation de charge électrique accumulée sur l'actionneur piézoélectrique.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
[0026] D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, en référence aux figures annexées, où : - la figure 1 montre un schéma fonctionnel des moyens de commande, de mesure simultanée et des moyens d'acquisition, de traitement et d'estimation selon un mode de réalisation ;
- la figure 2 montre un schéma de principe d'un actionneur selon ce mode de réalisation ;
- la figure 3 montre un schéma structurel général d'un dispositif de micropositionnement d'un actionneur piézoélectrique selon ce mode de réalisation ;
- les figures 4a et 4b montrent des schémas d'un circuit électrique associé à une électrode selon ce mode de réalisation ;
- la figure 5 montre un schéma d'un circuit électrique d'ensemble associé à un actionneur piézoélectrique de type piézotube selon ce mode de réalisation
- la figure 6 montre un schéma bloc détaillé d'un observateur, ou estimateur, selon ce mode de réalisation ;
[0027] Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires des différents modes de réalisation seront repérés par des signes de référence identiques sur l'ensemble des figures. Leur description ne sera pas systématiquement répétée d'un mode de réalisation à l'autre. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION
[0028] La figure 1 montre un schéma fonctionnel des moyens de commande, de mesure simultanée et des moyens d'acquisition, de traitement et d'acquisition selon un mode de réalisation.
[0029] Est plus précisément représenté sur cette figure, un dispositif de micropositionnement 100 d'un actionneur piézoélectrique 200, ledit actionneur piézoélectrique 200 comprenant un matériau piézoélectrique 201 apte à se déformer lorsqu'il est soumis à un champ électrique. [0030] Dans ce mode de réalisation l'actionneur piézoélectrique 200 est un piézotube comprenant le matériau piézoélectrique 201 formant tube, une électrode de masse Em disposée sur une paroi interne 202 du tube et quatre électrodes E-i , E2, E3, E4 de potentiels actifs disposées sur différents secteurs d'une paroi externe 203 du tube.
[0031] Le piézotube est ici défini dans un référentiel orthogonal d'axes x, y et z, l'axe z étant l'axe longitudinal de la forme tubulaire dudit piézotube.
[0032] Dans une telle configuration, l'application d'une tension sur ces électrodes de potentiels actifs E ; E2, E3, E4, donc d'un champ électrique, permet d'imposer une déformation longitudinale des différents secteurs du matériau piézoélectrique 201 formant tube conduisant à une déflexion selon les axes x et y ainsi qu'une contraction ou élongation selon l'axe z.
[0033] Plus précisément, le dispositif de micropositionnement 100 présente ici deux fonctions principales : - une première fonction principale FP1 , permettant la commande et la mesure simultanée d'une variation de la charge sur les différents secteurs du piézotube ; et
- une seconde fonction principale FP2, assurant l'acquisition, le traitement et l'estimation des déplacements x, y et z. [0034] Par ailleurs, la fonction principale FP1 est subdivisée en quatre fonctions secondaires FS(E-i), FS(E2), FS(E3), FS(E4), chacune associée à une électrode de potentiel actif E-i , E2, E3, E4.
[0035] En outre, en, chacune des fonctions secondaires FS(E-i), FS(E2), FS(E3), FS(E4) est subdivisée en deux fonctions secondaires par électrode de potentiel actif E-i, E2, E3, E4. Ainsi, chacune des quatre électrodes de potentiel actif E-i, E2, E3, E4 assure respectivement :
- une première fonction secondaire FS1 1 , FS12, FS13, FS14 assurée par des moyens de commande d'un champ électrique appliqué audit actionneur piézoélectrique 200 de sorte à déformer le matériau piézoélectrique, cette première fonction assurant ladite commande du champ électrique audit actionneur piézoélectrique (200) ; et - une deuxième fonction secondaire FS21 , FS22, FS23, FS24 assurée par des moyens de mesure simultanée d'une variation de charge électrique accumulée sur l'actionneur piézoélectrique 200 résultant de la déformation, cette deuxième fonction assurant ladite mesure simultanée de charge électrique.
[0036] En outre, la seconde fonction principale FP2 est assurée par des moyens d'acquisition des mesures de la variation de charge électrique, de traitement de ces acquisitions et d'estimation d'un déplacement de l'actionneur piézoélectrique 200 et/ou d'une force appliquée à partir de la mesure de la variation de charge électrique accumulée sur l'actionneur piézoélectrique.
[0037] La figure 2 montre un schéma d'un actionneur selon ce mode de réalisation, ici un piézotube. Sur cette figure sont visibles le matériau piézoélectrique 201 formant tube, l'électrode de masse Em disposée sur la paroi interne 202 du tube et les électrodes E-i , E2, E3, E4 de potentiels actifs disposées sur différents secteurs de la paroi externe 203 du tube (seules trois des quatre électrodes de potentiels actifs sont ici représentées)
[0038] Ainsi dans cette figure V-i , V2, V3 et V4 désignent les potentiels électriques appliqués respectivement aux électrodes de potentiels actifs E ; E2, E3, E4. [0039] La figure 3 montre un schéma structurel général d'un dispositif de micropositionnement d'un actionneur piézoélectrique selon ce même mode de réalisation.
[0040] Sont plus précisément représentés dans ce schéma électrique du dispositif de micropositionnement : - un circuit électrique 210 permettant de transformer les variations de charges Q, mesurées sur l'électrode de potentiel actif Ei en tension exploitable V0i ;
- un observateur 220, ou estimateur, permettant de fournir les valeurs x et y qui sont les valeurs estimées des déplacements réels xrei et yrei à l'extrémité de l'actionneur, à partir des signaux disponibles que sont les tensions exploitables V0i et les tensions de commande V, ; et
- un actionneur piézoélectrique 200 ; où i est ici un entier compris entre 1 et 4, i étant utilisé pour se référer à une électrode E,.
[0041] Pour simplifier les schémas ici illustrés, le calcul de la valeur estimée du déplacement z n'est ici pas développé mais est bien entendu estimé de manière semblable aux déplacements x et y. [0042] Les figures 4a et 4b montrent des schémas d'un circuit électrique associé à une électrode selon ce mode de réalisation.
[0043] Plus précisément, est représenté figure 4a un circuit électrique d'une électrode E, permettant d'assurer à la fois la première fonction secondaire FS1 i et la deuxième fonction secondaire FS2i, ces deux fonctions secondaires étant regroupées en une fonction secondaire associée à une électrode E, et notée FS(Ei).
[0044] Un circuit électrique partiel est illustré assurant partiellement la fonction principale FP2, noté ici FP2p
[0045] Ainsi, la figure 4a détaille le schéma de principe d'une fonction secondaire FS(Ej) associée à une électrode E,, i étant un entier compris entre 1 et 4, valable pour un secteur du piézotube.
[0046] L'indice i représentant le numéro de la voie ne sera pas rappelé dans la suite de l'exposé, afin d'alléger les notations. [0047] Chaque secteur du piézotube est repéré « Piezo » et est assimilé à une capacité Cp.
[0048] Une charge Q est appliquée sur chaque secteur de l'actionneur par l'intermédiaire de la tension V, via une capacité Cr. Cette dernière est choisie pour ses faibles pertes. Elle est alors considérée comme linéaire et stable.
[0049] Sa valeur est telle que la majeure partie de la tension d'entrée V se retrouve sur l'actionneur piézoélectrique. Un rapport de un dixième est satisfaisant mais tout autre ratio est possible.
[0050] La tension V alimente également un pont diviseur composé de R,i et Ri2 (i est de nouveau le numéro de voie de 1 à 4), noté par la suite Ri et R2, assurant l'équilibre entre les deux branches du pont si
Figure imgf000013_0001
[0051] Toutes modifications de la capacité Cp, résultant des déformations de chaque secteur, modifient l'équilibre des charges qui seront alors mesurées par l'amplificateur de charges composé par le circuit de l'amplificateur opérationnel, noté AOP, et la capacité C.
[0052] La résistance R et l'interrupteur K, permettent la remise à zéro complète des charges présentes sur les armatures du condensateur de mesure C.
[0053] Le schéma de la figure 4a peut être assimilé au schéma de la figure 4B où g, est un gain à identifier. Ce gain inclue un gain dans un opto-coupleur, un gain dans un convertisseur analogique - numérique et éventuellement un gain d'ajustement dans un circuit intégrateur.
[0054] Plus précisément, les différents signaux et variables de la figure 4b sont listés ci-après : - V, est le potentiel de commande,
- Vpi est le potentiel retrouvé sur l'électrode E,, - Vqi est le potentiel à la sortie de l'amplificateur opérationnel AOP,,
- V0i est le potentiel exploitable retrouvé à la sortie du circuit électrique,
- Qj indique les charges apparaissant sur l'électrode E,, - Cn est une capacitance pour un pont diviseur,
- Cpi est une capacitance statique équivalente de l'actionneur piézoélectrique dans sa partie électrode E,,
- Ci est une capacitance de mesure de variation des charges,
- Rii et Ri2 sont deux résistances pour le pont diviseur à l'entrée de l'amplificateur opérationnel ΑΟΡ,,
- Ri est une résistance de décharge,
- g, est le gain.
[0055] Dans ce mode de réalisation, le fonctionnement du dispositif de micropositionnement de l'actionneur piézoélectrique est régi par des équations électriques et des équations piézoélectriques. Ces équations sont ensuite utilisées pour dériver l'observateur, ou l'estimateur.
[0056] Nous rappelons que, dans la figure 4b illustrant le schéma électrique pour l'électrode i, Vpi est la tension aux bornes de l'actionneur, partie électrode i, Vci est la tension aux bornes du condensateur C,, i, est le courant qui traverse le condensateur Cri, ici est le courant qui traverse le condensateur C, et ipzti est le courant qui traverse l'actionneur par l'électrode i.
[0057] Les équations électriques sont alors plus précisément :
- les équations des tensions d'entrée ;
- l'équation de la tension VCi ; et l'équation de la tension de sortie exploitable V, [0058] Plus précisément, les équations des tensions d'entrée sont définies par les relations entre tensions à l'entrée de l'amplificateur opérationnel, incluant le diviseur résistif, lesquelles sont les suivantes :
Figure imgf000015_0001
Où V+ et V- sont les tensions à l'entrée de l'amplificateur opérationnel.
[0059] Par ailleurs, l'équation de la tension VCi, est liée à la charge QCi sur le condensateur C, par la relation suivante :
Figure imgf000015_0002
Or :
Figure imgf000015_0004
où est le courant de fuite dans l'amplificateur opérationnel.
[0060] Par ailleurs, le courant dans la relation liant le courant ipzt dans l'actionneur et les charges sur celui-ci est :
Figure imgf000015_0003
où est la charge générée par l'application de la tension Vpi et par la déformation de l'actionneur,
Figure imgf000015_0007
est la charge dûe à l'absorption diélectrique du matériau (201 ) et
Figure imgf000015_0005
est le courant de fuite. Ces grandeurs peuvent avoir des gains positifs ou négatifs. Le courant de fuite est lié à la résistance de fuite
Figure imgf000015_0006
Rfpi dans l'actionneur comme suit :
Figure imgf000016_0005
[0061] En utilisant les équations 2, 3, 4 et 5, il est possible d'en déduire la tension :
Figure imgf000016_0001
[0062] or, d'après la figure 4a, les courant i, sont les suivants
Figure imgf000016_0002
et, d'après l'équation 1 , la tension est :
Figure imgf000016_0010
Figure imgf000016_0003
qui, en utilisant les équations 7 et 8, mène à :
Figure imgf000016_0004
[0063] En utilisant les équations 6, 8 et 9, il est possible de déduire l'équation finale de la tension
Figure imgf000016_0007
:
Figure imgf000016_0006
[0064] En outre, l'équation de la tension de sortie exploitable
Figure imgf000016_0009
peut être déduite à partir des équations liant les tensions qui sont les
Figure imgf000016_0008
suivantes :
Figure imgf000017_0003
[0065] En utilisant les équations 1 et 1 1 , la tension
Figure imgf000017_0004
peut être définie suit :
Figure imgf000017_0001
[0066] En combinant les équations 10 et 12, il est obtenu l'équation de la tension exploitable V0i suivante :
Figure imgf000017_0002
[0067] En ce qui concerne les équations piézoélectriques, celles-ci sont plus précisément les équations permettant de calculer les charges sur les électrodes.
[0068] La relation qui lie la déflection x à l'extrémité de l'actionneur piézoélectrique, ici de type piézotube, et les tensions Vi et V3 appliquées respectivement aux électrodes 1 et 3 est donnée par l'équation suivante :
Figure imgf000017_0005
où a est le coefficient piézoélectrique pour une commande unipolaire, c'est-à-dire n'est pas forcément égale à -U3. Ce coefficient est disponible dans de nombreux articles tel que dans l'article "Introduction to Scanning Tunneling Microscopy" rédigé par C.J. Chen et publié dans la revue Oxford University Press en 1993. La même relation est obtenue pour l'axe y :
Figure imgf000017_0006
[0069] Par ailleurs, en assumant les charges
Figure imgf000018_0003
:
- sur les électrodes identiques et antagonistes 1 et 3
Figure imgf000018_0004
pour l'axe x ; et
- sur les électrodes identiques et antagonistes 2 et 4
Figure imgf000018_0005
pour l'axe y ; écrites de façons paramétriques par rapport aux tensions U, (i étant ici un nombre entier compris entre 1 et 4), en tenant compte de la symétrie de l'actionneur, nous obtenons :
Figure imgf000018_0006
[0070] La même équation peut être écrite pour les charges
Figure imgf000018_0007
pour l'axe y :
Figure imgf000018_0001
[0071] En introduisant les équations 14 et 15 dans les équations 16 et 17, nous obtenons les équations des charges sur les électrodes :
Figure imgf000018_0002
[0072] En combinant les équations électriques et piézoélectriques, c'est-à-dire en introduisant les équations des charges sur les électrodes (équation 18) dans l'équation de la tension exploitable de
Figure imgf000019_0003
(équation 13), nous obtenons :
Figure imgf000019_0001
[0073] En supposant les équations suivantes :
Figure imgf000019_0004
nous obtenons les équations données ci-après :
Figure imgf000019_0002
[0074] Enfin, à partir de l'équation 21 il est possible de calculer les soustractions
Figure imgf000019_0005
comme suit :
Figure imgf000020_0001
[0075] Il a été admis par ailleurs que la charge due à l'absorption diélectrique QûAi(t) est approximable par un système du premier ordre. En Laplace, cela donne :
Figure imgf000020_0002
[0076] où s est la variable de Laplace, kDAi est le gain statique (pouvant être positif ou négatif dans notre cas) et
Figure imgf000020_0004
est la constante de temps. QtfDAi(s) est la fonction de transfert qui lie la charge QDAÎ(S) et la tension d'entrée V,(s). [0077] Par conséquent, grâce à l'ensemble de ces équations, il est ainsi possible de déduire les équations de l'observateur, ou estimateur. Notamment, à partir de l'équation 22, les déplacements x et y sont régies par les équations suivantes :
Figure imgf000020_0003
[0078] La figure 5 montre un schéma d'un circuit électrique d'ensemble associé à un actionneur piézoélectrique de type piézotube selon ce mode de réalisation.
[0079] En effet, est représenté sur cette figure quatre schémas de principe des fonctions secondaires FS(E-i ), FS(E2), FS(E3), FS(E4) tels qu'illustrés figure 4a, chacun associé respectivement à l'électrode E-i , E2, E3, E4 de potentiels actifs disposées sur différents secteurs de la paroi externe 203 du matériau piézoélectrique 201 formant tube.
[0080] Par ailleurs, chacun de ces circuits électrique assurant lesdites des fonctions secondaires FS(E-i), FS(E2), FS(E3), FS(E4) est relié en série à un autre circuit électrique assurant quant à lui, associé avec une unité de contrôle, la seconde fonction principale FP2, assurant notamment l'acquisition, le traitement et l'estimation des déplacements x, y, les valeurs x et y étant les valeurs estimées des déplacements réels xrei et yrei.
[0081] Pour simplifier les schémas ici illustrés, le calcul de la valeur estimée du déplacement z n'est ici pas développé mais est bien entendu estimé de manière semblable.
[0082] La figure 6 montre un schéma bloc détaillé d'un observateur, ou estimateur, selon ce mode de réalisation et par lequel les opérations mathématiques effectuées décrites ci-avant permettent en de mesurer en sortie les déplacements x et y sont régies par l'équation 24.
[0083] De nombreuses modifications peuvent être apportées au mode particulier de réalisation décrit précédemment sans sortir du cadre de l'invention.
[0084] Ainsi, le nombre d'électrodes peut varier en fonction du nombre de mesures désirées. [0085] Par ailleurs, les schémas électriques peuvent différer sans sortir du cadre de l'invention tant que les circuits électriques soient adaptés à remplir les mêmes fonctions et visent à aboutir à des résultats équivalents.

Claims

REVENDICATIONS 1. Dispositif de micropositionnement (100) d'un actionneur piézoélectrique (200), ledit actionneur piézoélectrique (200) comprenant au moins un matériau piézoélectrique (201 ) apte à se déformer lorsqu'il est soumis à un champ électrique, le dispositif comprenant :
- des moyens de commande d'un champ électrique appliqué audit actionneur piézoélectrique (200) de sorte à déformer le matériau piézoélectrique (201 ) et,
- des moyens de mesure simultanée d'une variation de charge électrique accumulée sur l'actionneur piézoélectrique (200) résultant de la déformation; et
- des moyens d'acquisition des mesures de la variation de charge électrique, de traitement de ces acquisitions et d'estimation d'un déplacement (x, y, z) de l'actionneur piézoélectrique (200) et/ou d'une force appliquée à partir de la mesure de la variation de charge électrique accumulée sur l'actionneur piézoélectrique (200) le dispositif étant caractérisé en ce que les moyens de commande et de mesure comprennent en outre :
- un générateur de tension connecté en parallèle à :
• un pont diviseur, le pont diviseur étant composé d'une première résistance et d'une seconde résistance en série, et à
• une première capacité connectée en série à l'actionneur piézo-électrique,
un amplificateur de charges ayant une première entrée connectée à un nœud entre les deux résistances formant une masse virtuelle à haut potentiel flottant et une seconde entrée connectée à un nœud entre la première capacité et l'actionneur piézo-électrique.
2. Dispositif de micropositionnement selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'actionneur piézoélectrique (200) comprend au moins trois électrodes (Em, E-i , E2, E3, E4) dont au moins une électrode de masse (Em) et au mois deux électrodes de potentiels actifs (E ; E2, E3, E4).
3. Dispositif de micropositionnement selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'actionneur piézoélectrique (200) est un piezotube comprenant le matériau piézoélectrique (201 ) formant tube, l'électrode de masse (Em) disposée sur une paroi interne (202) du tube et au moins deux électrodes de potentiels actifs (E ; E2, E3, E4) disposées sur une paroi externe (203) du tube.
4. Dispositif de micropositionnement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens (101 ) de commande du champ électrique et, des moyens (102) de mesure simultanée de la variation de la charge électrique comportent au moins un circuit de commande du champ électrique appliqué audit actionneur piézoélectrique et de mesure de la variation de charge accumulée sur les électrodes de potentiels actifs (E-i , E2, E3, E4).
5. Dispositif de micropositionnement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'amplificateur de charges comprend un amplificateur opérationnel et une seconde capacité connectée entre la seconde entrée et la sortie de l'amplificateur opérationnel.
6. Dispositif de micropositionnement selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de commande et de mesure comprennent en outre un circuit de remise à zéro des charges présentes sur la seconde capacité.
7. Dispositif de micropositionnement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif piézo-électrique étant assimilable au repos à une capacité, la première capacité et les première et seconde résistances sont choisies de sorte que le ratio entre la première et la seconde résistance est sensiblement égal au ratio entre la première capacité et la capacité du dispositif piézo-électrique au repos.
8. Dispositif de micropositionnement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première capacité est sélectionnée pour avoir une résistance de fuite supérieure à 100 GOhm.
9. Dispositif de micropositionnement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première capacité est sélectionnée de sorte à ce que au moins 50% de la tension délivrée par le générateur de tension se retrouve sur le dispositif piézoélectrique et, de préférence, au moins 90%.
10. Dispositif de micropositionnement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la sortie de chaque amplificateur de charges est connectée à un convertisseur analogique - numérique connecté à un calculateur via des circuits d'isolation galvanique ; le calculateur estimant le déplacement de l'actionneur et/ou la déformation du matériaux et/ou la force appliquée à partir de la variation de charges reçue des l'amplificateurs de charges et des tensions appliquées par les générateurs de tension.
11. Dispositif de micropositionnement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif piézo-électrique comporte au moins trois électrodes dont au moins une électrode de masse et au mois deux électrodes de potentiels actifs, le dispositif comprenant autant de moyens de commande et de mesure que d'électrodes actives, connectés un à un, et les moyens de commande et de mesure étant connectés à un unique calculateur adapté pour déplacer et mesurer le dispositif piézoélectrique dans au moins deux dimensions.
12. Procédé de micropositionnement d'au moins un actionneur piézoélectrique (200) mis en œuvre par un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 1 1 , caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
- des étapes:
• de commande, par les moyens de commande, de l'actionneur piézoélectrique par application d'un champ électrique audit actionneur piézoélectrique de sorte à déformer le matériau piézoélectrique ; et
• de mesure simultanée, par des moyens de mesure simultanée, d'une variation de charge électrique accumulée sur l'actionneur piézoélectrique résultant de la déformation ;
- au moins une étape d'acquisition des mesures de la variation de charge électrique, de traitement de ces acquisitions et d'estimation d'un déplacement (x, y, z) de l'actionneur piézoélectrique (200) et/ou d'une force appliquée à partir de ladite mesure de la variation de charge électrique accumulée sur l'actionneur piézoélectrique (200).
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