Les piézos au cœur des systèmes mécatroniques

2009-11-15 Actionneurs piezo

Les actionneurs et capteurs piézoélectriques occupent une place prépondérante dans les systèmes mécatroniques. Leurs principaux atouts : être compacts, bon marché, et pouvant déployer des forces considérables. A l’heure actuelle, de nombreux laboratoires privés et publics y consacrent une bonne partie de leur budget et de leur temps.

Principe

Les capteurs et actionneurs piézoélectriques sont basés sur la propriété de certains matériaux à se polariser sous l’effet d’une contrainte mécanique. En d’autres termes, lorsque l’on applique une tension aux bornes d’un objet piézoélectrique, il se dilate, produisant ainsi une force (principe des actionneurs piézoélectriques) et à l’inverse, lorsque qu’une force lui est appliquée, il génère un courant électrique (principe alors utilisé pour les capteurs).

La plupart des matériaux piézoélectriques utilisés sont des céramiques en raison de leur faible coût, et du fait que l’on puisse changer facilement leurs propriétés en intervenant sur leurs compositions.

Les avantages de cette technologie (vieille de plus d’un siècle) sont assez nombreux : faible encombrement ; capable de déployer de grandes forces (sur de très petites distances); certains sont peu coûteux. En revanche, son utilisation nécessite souvent du matériel électrique coûteux pour les contrôler.

Applications

  • ACTIONNEURS :  Générer des micro-mouvements

2009-11-15 Actionneurs piezoUn exemple d’application : une machine à micromouvement développée par CEDRAT TECHNOLOGIES .

Les machines à micro-mouvement ont constitué une avancée technologique importante depuis les années 70. Ces machines sont utilisées en mécatronique notamment pour des petites manipulations de plusieurs micros ou même nanomètres. Les domaines d’application sont : la manipulation des cellules lors d’un processus de FIV (Fécondation In Vitro) ; les micro-assemblages de micro-composants, l’alignement des fibres optiques et des lasers ; le positionnement des échantillons des microscopes…
De nombreux systèmes ont été développés pour produire ces micro-mouvements.
Pour obtenir la plus grande précision, la plupart des machines reposent sur le concept de « mécanisme souple». Les mécanismes souples génèrent leurs mouvements à travers les déformations élastiques d’une pièce sous contraintes. Ces mécanismes sont souvent fabriqués d’une seule pièce (en métal généralement). Aucun assemblage n’est nécessaire. Ce qui confère comme avantages d’éliminer les problèmes d’usure, de frottement, de jeu et de lubrification.

  • CAPTEURS : Microphones

2009-11-15 piezo violonLes microphones piézoélectriques sont utilisés sur certains instruments à cordes.

Utilisés en capteurs, les piezos ont l’avantage de pouvoir capter des mouvements à haute fréquence, ce qui est très pratique pour mesurer des vibrations. Un exemple d’application grand public est le microphone piézoélectrique, apprécié des musiciens car il élimine les effets Larsen des micros traditionnels. En asservissement le même phénomène peut être observé. On parle alors de systèmes instables.

  • CAPTEURS ET ACTIONNEURS : Systèmes anti-vibrations actifs

Dans certains systèmes, des capteurs et actionneurs piézoélectriques sont implantés pour à la fois surveiller, et agir sur le système. C’est le cas des systèmes anti-vibrations actifs dont l’action des piezos sur l’objet dont on veut éliminer les vibrations, dépend directement de l’état dynamique et statique de l’objet lui-même.

2009-11-15 piezo satelliteA l’UTBM, on utilise la piézoélectricité pour concevoir des systèmes asservis qui éliminent les vibrations des panneaux solaires des satellites.

A l‘Université de Techonologies de Belfort Montbéliard , une telle installation a été conçue pour éliminer les vibrations des panneaux solaires déployés par les satellites. Les panneaux des satellites doivent être ouverts extrêmement lentement, pour éviter qu’ils ne rentrent en vibration (leurs mouvements n’étant pas amortis à cause de l’absence d’atmosphère). En positionnant judicieusement des pastilles piézoélectriques pour surveiller et agir sur ces panneaux, un équipe de chercheurs a mis en place un système asservi pour parer à ce problème de vibrations. L’ouverture peut alors être beaucoup plus rapide.


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