Actionneurs linéaires ou rotatifs à entraînement par contact

Les actionneurs présentés précédemment n’ont pas de limitation de course ou d’angle de rotation. En contre-partie, ils sont limités en effort transmissible. Dans la section 3.4.2., nous avons vu pourtant qu’en termes d’actionnement direct à grands efforts, l’utilisation de céramiques piézoélectriques, multicouches de préfé- rence, était avantageuse. Cependant, elles génèrent des déplacements d’amplitude limitée.

2.3.1. Principe des actionneurs dits «quasi-statiques»

Les actionneurs à entraînement par contact intermittent peuvent permettre de dépasser cette limitation. La plupart utilisent le principe du moteur Inchworm (dont le fonctionnement pas à pas est inspiré du ver-de-terre) qui permet d’obtenir un mouvement illimité en répétant un cycle élémentaire de mouvement. La figure 2.6 en illustre le principe pour une version linéaire. Ce type de moteur est constitué de trois organes actionnés indépendamment par des céramiques : deux préhenseurs et un actionneur imposant un mouvement relatif entre les deux préhenseurs.

Un cycle de fonctionnement se décompose en plusieurs phases : − État 1 : les deux préhenseurs bloquent ou enserrent le guide, − État 2 : un des préhenseurs est libéré,

− État 3 : l’actionneur s’allonge et déplace le préhenseur libre, − État 4 : le préhenseur déplacé enserre de nouveau le guide, − État 5 : l’autre préhenseur est libéré à son tour,

− État 6 : l’actionneur se rétracte, ramenant le préhenseur libre, − État 7 : reblocage des deux préhenseurs et retour à l’état 1.

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Fig. _{2.6: Principe du moteur Inchworm}

Le pas élémentaire réalisé au cours d’un cycle représente la résolution de l’ac- tionneur, qui peut être nanométrique, micrométrique, voire millimétrique dans le cas de grandes structures. La société Burleigh Instruments [Bur06], par exemple, a produit des moteurs Inchworm à très haute résolution (4 nm), capables de trans- mettre un effort de 10 N à une vitesse de 1.5 mm.s−1 pour une masse totale de 300 g. Il existe peu de moteurs de ce type commercialisés dont l’effort transmis dépasse 200 N.

Les structures de type quasi-statique bénéficient par principe d’efforts très éle- vés (20 MP a) à l’interface rotor/stator, permettant d’envisager des applications forts couples ou grands efforts. Par contre, l’actionneur qui le constitue est en gé- néral exploité en régime quasi-statique, ce qui limite la vitesse de rotation ou de translation. Sur la base de ce principe, il existe deux familles distinctes de struc- tures, selon que la transmission des efforts se fait par frottement ou par obstacle.

2.3.2. Entraînement par frottement

L’entraînement du rotor par frottement à l’interface rotor/stator est le moyen utilisé dans tous les moteurs piézoélectriques résonants. Les mouvements particu- laires ou de corps solide de la surface du stator sont transformés en mouvement de translation ou de rotation du rotor par l’intermédiaire du frottement généré par le couple de matériaux constitutifs choisi pour assurer l’interface. Dans le cas des moteurs de type Inchworm, la transmission des efforts, effectuée à basse fréquence, peut exploiter un coefficient d’adhésion bien plus élevé qu’une structure réson- nante. C’est pourquoi, les couples ou les efforts de ces actionneurs sont également plus élevés.

(a) Moteur sans l’électro- nique

(b) Principe du préhenseur

Fig. _{2.7: Actionneur PICMAQS [Sal00]}

Fig. 2.7-a : PIézoactionneur à Céramiques Multicouches A fonctionnement Quasi- Statique), basé sur le principe Inchworm a été développé par le groupe EM3 du LEEI en 2000 [Sal00, Gir98]. La fonction de blocage en position est assurée par une pince solidaire du bâti tandis qu’une autre pince est animée d’un mouvement relatif par rapport au bâti, généré par deux céramiques en opposition. Les pinces (Fig. 2.7-b) sont alors dimensionnées par le moment de flexion dû à la force nécessaire à leur ouverture. C’est une céramique piézoélectrique qui permet l’ouverture des pinces. Leur guidage mécanique est simplement assuré par leur mouvement relatif autour du rotor dans la zone de contact.

Développé pour une application aéronautique (motorisation d’une vanne de carburant), ce moteur maintient un couple de 5 N.m en blocage et tourne à une vitesse de 5 tr.min−1 à vide.

2.3.3. Entraînement par obstacle

Malgré une augmentation non négligeable des efforts transmissibles, les perfor- mances des structures à entraînement par contact intermittent restent encore en deçà des besoins des applications recensées dans la section 2.6..

Une alternative pourrait consister à doter l’interface stator/rotor d’une transmission des efforts tangentiels par obstacle, à l’aide, par exemple, de micro- dentures. Cela permet en particulier de diminuer considérablement l’effort normal nécessaire au blocage et par conséquent d’alléger les structures mécaniques. Cette évolution technologique nécessite par conséquent l’utilisation de micro-usinages (Fig. 2.8 à droite) capables de générer des intervalles entre les dentures de l’ordre du dixième de millimètre.

Fig. _{2.8: Principe d’un actionneur à entraînement par obstacle [Che99] - Photo de} micro-dentures d’interface rotor/stator

plication à faible couple. C’est le cas de la structure PAD élaborée par Siemens [Kap06], où la liaison par obstacle est exploitée au sein d’une structure d’entraîne- ment « micro-cycloïdal ».

D’autres études, ont quant à elles, mis en évidence la faisabilité de ces structures pour de grands efforts. La structure MAD [Che99] (Mesoscale Actuator Device), dont le schéma de principe est illustré sur la figure 2.8, serait capable de transmettre un effort de plus de 250 N pour une vitesse à vide de 5 mm.s−1. Il faut noter, cependant, que dans le cas de transmission des efforts par micro-dentures, un effort tangentiel maximum apparaît, correspondant à la contrainte maximale de cisaillement de ces micro-usinages, sous peine de destruction des dentures.

Dans bien des cas, un moteur piézoélectrique se justifie par la possibilité d’un entraînement de type « direct drive », particulièrement dans le cas des structures quasi-statiques, en vue de l’élimination d’un réducteur lourd et encombrant, et sou- vent cause de panne et de blocage. Dans ce contexte l’utilisation de micro-dentures, bien que très pertinente sur le plan des caractéristiques électromécaniques, demeure encore délicate, tant du point de vue technologique qu’en ce qui concerne la fiabilité et la durée de vie du dispositif.