Figure 4.1 - Obtention d’un mouvement de translation et rotation par combinaison de deux
actionneurs rotatifs
34,4 kHz
55,4 kHz
Figure 4.2 - Modes de résonance utilisables pour obtenir un actionneur à deux rotors
indépendants
Une autre solution consiste à ajouter, en extrémité du moteur rotatif, un actionneur à débattement limité pour obtenir le mouvement linéaire. Le travail à fournir qui correspond à un effort de 50 N pour une déformée de 5 mm nécessite théoriquement 50 cm3 (ou 350 g ) de céramiques pour une contrainte de 20 MPa et une déformée de 500 ppm. Mais pour rester dans un rapport section/longueur de céramique raisonnable, il faudrait fortement amplifier les
Chapitre 4 Actionneur piézoélectrique à deux degrés de liberté en translation et rotation
déformées des céramiques. De plus ces céramiques s’ajouteraient à celles déjà utilisées par le moteur à rotation de mode. L’ensemble de constituerait pas une intégration optimale.
Il est également possible d’obtenir des mouvements de translation à l’aide d’actionneurs résonants à ondes stationnaires. La référence [HE 98] décrit ainsi un moteur utilisant les déplacements de certains points d’une poutre en flexion pour engendrer un mouvement linéaire. Le translateur plan présenté dans le premier chapitre [GAL][FER] utilise les mêmes actions pour engendrer son déplacement. Ce principe qui pourrait s’appliquer au moteur à rotation de mode en utilisant la déformée de flexion naturellement excitée par les céramiques. Les fréquences d’utilisation pour les fonction rotation et translation seraient cependant identiques et les mouvements ne seraient pas découplés.
D’autres actionneurs résonants à ondes stationnaires [HEM 00][NAN @] utilisent la combinaison d’ondes stationnaires de différentes natures pour générer un déplacement elliptique. Il serait imaginable d’utiliser les modes de flexion et longitudinal du stator à rotation de mode pour générer un mouvement elliptique au niveau d’un point établissant la liaison stator/bâti. Cette solution n’est cependant pas choisie car elle nécessite d’accorder les deux fréquences de résonance.
Une solution utilisant le principe des actionneurs à ondes progressives qui possèdent un contact de bonne qualité peut également être envisagée. Ces actionneurs ont cependant fait l’objet de très peu de réalisation en version linéaire. Il est en effet difficile d’obtenir une onde progressive dans une direction linéaire non rebouclée sur elle-même comme dans le cas d’un anneau. Les conditions aux limites génèrent en effet des discontinuités qui entraînent une réflexion de l’onde et l’établissement d’une onde stationnaire et non progressive. Il est alors nécessaire d’absorber cette onde par des transducteurs judicieusement placés et accordés [KUR 89] ou par des éléments dissipatifs [ROH 01]. L’ensemble perd nettement en simplicité et en efficacité.
Chapitre 4 Actionneur piézoélectrique à deux degrés de liberté en translation et rotation
de translation à faible vitesse et avec des efforts relativement importants. Ces caractéristiques sont compatibles avec l’application recherchée. De plus, les faibles fréquences d’utilisation en translation facilitent le découplage avec la fonction rotation résonante à haute fréquence. Ce chapitre va décrire l’adaptation du principe de cet actionneur à une structure constituant déjà un moteur à rotation de mode. Cette adaptation devra prendre en compte une contrainte sur les céramiques. En effet, afin d’obtenir une intégration optimale, les mêmes céramiques doivent être utilisées pour la réalisation des fonctions translation et rotation.
1.2 - Descriptif de la structure
Le stator de la structure, surnommée Quasimodo et représentée sur la Figure 4.5 et
Figure 4.4, comporte :
• Deux contre-masses ;
• Deux coupleurs ;
• Quatre céramiques multicouches ;
• Deux pinces sous la forme de coques déformables ;
• Des vis de précontrainte pour les céramiques.
Cette structure est basée sur celle du moteur à rotation de mode. Les contre-masses ont été divisées en deux parties s’emboîtant l’une dans l’autre (nommées coupleur et contre- masse dans ce chapitre). Les céramiques annulaires du deuxième chapitre sont remplacée par quatre céramiques multicouches (2 par phases). Les mouvements possibles, représentés en
Figure 4.6, sont :
• Une rotation du rotor par rapport au stator ;
• Une translation du stator en entier par rapport au bâti.
Figure 4.4 - Vue éclatée du stator de QUASIMODO (contre-masses, coupleurs, céramiques,
Chapitre 4 Actionneur piézoélectrique à deux degrés de liberté en translation et rotation Céramique Coupleur Contre-masse Emplacement Pour pince
Figure 4.5 - Schéma du stator de QUASIMODO (contre-masses, coupleurs, céramiques)
Bâti Rotor
Stator
Figure 4.6 - Logement du moteur dans son bâti
1.3 - Principe du mouvement en translation
Conformément aux schémas de la Figure 4.7, le mouvement de translation est obtenu en exploitant en régime quasistatique la déformation d’éléments piézoélectriques. Ce principe de mouvement en translation est de type « inchworm linéaire ». Les solutions classiques de ce type comportent trois céramiques actives (figure (a)) : une pour la fonction « actionneur », deux pour les fonctions « préhenseur ». Le concept préconisé ici repose sur l’obtention combinée de ces deux fonctions à l’aide d’un même ensemble d’éléments piézoélectriques. Par conséquent seulement deux paires d’éléments sont désormais nécessaires. La fonction de
Chapitre 4 Actionneur piézoélectrique à deux degrés de liberté en translation et rotation
pinces constituées de coques métalliques souples, représentées Figure 4.8, qui se déforment radialement pour un effort axial appliqué sur les faces.
1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 0 V Vmax 0 V 0 V Vmax Vmax Vmax 0 V 0 V 0 V 1 3 2 4
(a) Translation par Inchworm classique
(b) Translation dans QUASIMODO
(c) Translation avec partie mobile passive
Figure 4.7 - Mouvement de translation en Inchworm
L’obtention d’un pas se décompose en 5 étapes :
• Etape 1 : les deux éléments piézoélectriques sont au repos sous 0 V, les deux
coques sont embrayées et maintiennent le stator dans le bâti.
• Etape 2 : un des éléments s’allonge lorsque il est alimenté sous la tension Vmax et réalise un déplacement axial de la face extérieure d’une des coques. Cette dernière se déforme radialement et se libère du bati. L’autre coque subit un effort de compression sur la face intérieure qui ne peut entraîner qu’une extension radiale de la coque et le maintient de cette dernière en position embrayé. Elle constitue ainsi un point fixe.
Chapitre 4 Actionneur piézoélectrique à deux degrés de liberté en translation et rotation
• Etape 3 : Le second élément piézoélectrique est alimenté sous la tension Vmax
et s’allonge pour atteindre la même longueur que le premier élément. La coque libre se recomprime et embraye de nouveau la bâti.
• Etape 4 : Le premier élément piézoélectrique est maintenant alimenté sous 0 V
et diminue de longueur. Ce déplacement libère la seconde coque du bâti. La première constitue maintenant le point fixe.
• Etape 5 : Le second élément piézoélectrique est alimenté sous 0 V et se
rétracte également. La seconde coque se recomprime et embraye le bâti. La configuration obtenue ici est identique à l’étape 1. Une avance d’un pas élémentaire a été réalisée.
Déplacement axial Déplacement radial
Chapitre 4 Actionneur piézoélectrique à deux degrés de liberté en translation et rotation
Chaque pince est comprimée entre une contre-masse et le coupleur représentés Figure
4.9. La géométrie de ces pièces fait qu’une contre-masse est actionnée par une paire de
céramiques et le coupleur par l’autre paire. C’est donc la différence d’élongation entre les deux paires de céramiques qui assure l’embrayage et le débrayage de la pince.
Remarquons que si l’élément mobile correspond à la partie passive, comme dans le cas de la Figure 4.7(c), la fonction « actionneur » correspond alors à un pilotage en mode « commun » des deux éléments.
Chaque céramique est précontrainte par une vis. Cette disposition permet d’une part de protéger et d’utiliser de manière optimale les céramiques et d’autre part d’assurer la cohésion de l’ensemble du stator et un verrouillage au repos de la fonction translation.
1.4 - Principe du mouvement de rotation
Le mouvement de rotation est obtenu en exploitant un effet de rotation de mode. Ce mode correspond à la flexion en régime libre-libre du cylindre constituant le stator, les nœuds de vibration étant situés au niveau des pinces précédemment décrites.
Conformément au principe déjà utilisé dans les chapitres précédents, l’onde progressive en extrémité de la contre-masse résulte de combinaison de deux modes orthogonaux de flexion libre-libre excités temporellement en quadrature de phase. Chaque mode est excité par une paire de céramiques alimentées en opposition. Cette disposition permet d’utiliser les mêmes éléments actifs que ceux qui servent au mouvement de translation (Figure 4.10).
1
2’
1’ 2
Figure 4.10 - Disposition des céramiques
La forme du coupleur et des contre-masses représentés sur la Figure 4.9 permet aux céramiques de transmettre leurs déformées à la structure et d’assurer un bon couplage : l’effort des céramiques passe directement par le coupleur ou les contre-masses qui sont des pièces rigides.
Chapitre 4 Actionneur piézoélectrique à deux degrés de liberté en translation et rotation
Les 4 pieds de céramique représentés sur la Figure 4.11 doivent être alimentés par 4 sources de tension indépendantes de manière à pouvoir utiliser le moteur selon ses deux degrés de liberté. 1 2’ 1’ 2 U1 U1’ U2 U2’
Figure 4.11 - Alimentation indépendante des 4 céramiques
A chaque degré de liberté correspond une forme d’onde (Figure 4.12):
• Le mouvement de translation est obtenu en alimentant les pieds 1 et 1’ par des tensions trapézoïdales en quadrature de phase avec les tensions d’alimentations des pieds 2 et 2’. C’est le signe du déphasage qui fixe le sens de déplacement. Les fréquences d’alimentation sont basses afin d’éviter d’exciter tout mode de résonance.
• Le mouvement de rotation est obtenu en alimentant les pieds 1 et 1’ en opposition de phase par des tensions sinusoïdales. Les pieds 2 et 2’, également en opposition de phase, sont alimentées en quadrature de phase avec les tensions d’alimentation des pieds 1 et 1’. C’est encore le signe du déphasage qui fixe le sens de déplacement. La fréquence d’alimentation correspond au premier mode de flexion libre-libre. Dans le cas d’utilisation de céramiques multicouches, il est nécessaire d’ajouter une tension continue afin de toujours avoir les tensions d’alimentation positives.
Pour n’obtenir qu’un mouvement de translation, avec le principe mis en œuvre dans cette étude, deux alimentations suffiraient. Un actionneur Inchworm classique nécessite quant à lui trois alimentations.
Chapitre 4 Actionneur piézoélectrique à deux degrés de liberté en translation et rotation 1 2 3 4 5 U 1 U 1’ U1 U 2’ Etapes figure 3b
Figure 4.12 - Allures des tensions d’alimentations selon le type de mouvement