Brevet FR2539483A1 — publié le 19840720

La présente invention concerne un transducteur électropneuma- tique avec un élément de flexion piézoélectrique qui, lors de l'application d'une tension électrique, fléchit et commande un émetteur de signal pneumatique. Seules des vannes électromagnétiques' sont pratiquement utili- sées pour la commande électrique de circuits ou d'appareils pneu- matiques Lors de l'application d'une tension électrique, la bobine de l'électroaimant attire, contre la force exercée par un ressort de rappel, une armature qui actionne une vanne de commande pneumatique Lors de la coupure de la tension, le ressort de rap- pel ramène la vanne de commande dans la position de repos Ces vannes électromagnétiques sont relativement robustes et ont large- ment fait leurs preuves en utilisation pratique Le fonctionne- ment des vannes électromagnétiques est toutefois relativement lent par rapport à celui de circuits électroniques, car un champ magnétique doit être établi avant l'exécution du mouvement de com- mutation Elles présentent en outre une consommation élevée, car la bobine alimentée de l'électroaimant absorbe un courant en per- manence et dissipe de la chaleur L'intégration des vannes électro- magnétiques dans des dispositifs de commande modernes est donc souvent difficile. La demande de brevet international 80/01826 décrit un trans- ducteur électropneumatiaue avec un élément de flexion piezoélectri- que en forme de lame, dont une extrémité est encastrée et dont l'autre extrémité commande la sortie d'une buse pneumatique Comme dans les transducteurs mécanopneumatiques connus, avec une palette commandant la buse, un étranglement est disposé en amont de la buse de façon à faire varier la pression pneumatique dans l'espace compris entre la buse et l'étranglement en fonction de la déflexion instantanée de l'élément piézoélectrique Ce transducteur connu délivre par suite un signal de sortie pneumatique proportionnel à la tension appliquée à l'élément de flexion piézoélectrique Un inconvénient réside dans le fait que la buse présente une consom- mation d'air permanent et que le fonctionnement n'est possible qu'avec de faibles pressions et fluctuations de pression L'appa- reillage électrique et pneumatique nécessaire pour l'application pratique de ce montage est donc relativement important, Des transducteurs électropneumatiques sont également connus, dans lesquels la commande des vannes pneumatiques s'effectue à l'aide d'empilages d'éléments piézoélectriques, qui s'allongent ou se contractent suivant l'axe lors de l'application de tensions électriques Dans ces réalisations, un appareillage mécanique impor- tant est nécessaire pour la transmission des mouvements de commande mécaniques, les tolérances de fabrication se répercutant davantage et entraînant des imprécisions de commande Le fonctionnement du transducteur est en outre affecté par des dilatations thermiques des empilages piézoélectriques. L'invention vise par suite à améliorer les transducteurs électropneumatiques connus de façon qu'ils consomment moins, fonc- tionnent sans consommation notable et soient faciles à produire et robustes en service. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, l'élément piézoélectrique de flexion est bloqué dans un boîtier d'émetteur fermé comportant une sortie de signal, commande un siège d'entrée d'air et un siège de sortie d'air, est chargé sur le siège d'entrée d'air et s'applique avec étanchéité sur ce dernier en l'absence de tension électrique, mais décolle du siège d'entrée d'air quand une tension électrique est appliquée, fléchit sur le siège de sortie d'air et l'obture avec étanchéité Un tel transducteur présente une constitution simple et par suite une sécurité de fonctionnement. Par comparaison avec les vannes électromagnétiques connues, que le transducteur selon l'invention peut parfaitement remplacer, ce dernier est caractérisé par un court temps de réponse, une consom- mation-minimale, l'absence d'échauffement en service et la possi- bilité de commande directe par des circuits intégrés électroniques, de sorte que le domaine d'emploi du transducteur selon l'invention est beaucoup plus étendu que celui des modèles classiques. Dans une forme de réalisation préférentielle de l'invention, l'élément piezoélectrique de flexion, constitué par exemple d'une ou plusieurs plaquettes ou disques de piezocéramique, est centré dans le boîtier d'émetteur et appliqué sur une surface de contact de ce der- nier, dans une zone d'encastrement éloignée du siège d'entrée d'air et du siège de sortie d'air, par une pièce élastique telle qu'un ressort ou un joint torique en caoutchouc ou en matière plastique. L'encastrement de l'élément-de flexion dans le boîtier est alors inutile, ainsi que le respect précis résultant de tolérances de fabrication Des soudures sont en outre inutiles sur l'élément piezoélectrique de flexion qui, par suite des surchauffes produites, seraient susceptibles de produire une dépolarisation locale et par suite une diminution de la déflexion de l'élément lors de l'appli- cation d'une tension électrique donnée. L'élément piézoélectrique de flexion peut être préchargé sur le siège d'entrée d'air par un ressort réalisé simultanément en électrode d'amenée de tension Une fule électrode est nécessaire pour l'amenée de tension dans le bottier d'émetteur Le ressort com pense en outre d'éventuelles tolérances de fabrication Dans une autre forme de réalisation du transducteur selon l'invention, un régulateur de pression pneumatique est disposé en amont du siège d'entrée d'air et un amplificateur est relié à la sortie de signal. Le régulateur de pression assure toujours une pression constante de l'air d'alimentation, de sorte qu'une perturbation du fonctionnement par des fluctuations de la pression d'alimentation ou une pression d'alimentation trop élevée est évitée à coup sûr De faibles volumes d'air et de faibles pressions suffisent à la sortie de signal par suite de l'emploi de l'amplificateur de pression. L'élément piézoélectrique de flexion, le régulateur de pression et l'amplificateur peuvent être réunis dans un boîtier commun du transducteur, contenant le boîtier d'émetteur encastré sous forme d'une capsule interchangeable Le transducteur selon l'invention est alors constitué par un seul appareil parfaitement fonctionnel, qui peut aussi comporter un raccord commun d'entrée d'air pour le régu- lateur de pression et l'amplificateur. Une extension du domaine d'emploi du transducteur selon l'inven- tion peut enfin être obtenue par le branchement en amont de l'élément piézoélectrique de flexion d'un circuit limiteur de tension, tel 2539483 I qu'une diode Zener, et le cas échéant d'un redresseur, qui sont logés de préférence dans le boîtier commun du transducteur, par exemple dans un couvercle dudit boîtier Cette réalisation;-relati- vement simple permet d'utiliser le même transducteur pratiquement pour toutes les tensions considérées, car des tensions trop élevées sont éliminées par la limitation de tension prévue N'exigeant que -de faibles intensités, la commande du transducteur selon l'inven- tion est possible sans difficulté, et en particulier sans dissipa- tion de chaleur gênante. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous d'exemples de réalisation et des dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une coupe longitudinale de l'élément piézoélectrique de flexion d'une forme de réalisation du transducteur selon l'in- vention; la figure 2 représente schématiquement le montage d'une autre forme de réalisation du transducteur; et la figure 3 est la coupe axiale médiane d'une forme de réalisation pratique du transducteur selon figure 2. Comme le montre en particulier la-figure 1, l'élément piezo- électrique de flexion 1 est formé par un "bimorphe" et constitué par deux lames solidaires 2 et 3 d'un matériau piézoélectrique tel qu'une céramique Les deux lames 2, 3 sont encastrées, à proximité d'une de leurs extrémités, entre les deux moitiés 5 et 6 d'un boîtier 4 d'émetteur L'autre extrémité de l'élément piézoélectrique de flexion 1 est disposée entre un siège d'entrée d'air 7 et un siège de sortie d'air 8, qui sont vissés et ajustables dans les deux moitiés 5 et 6 du boîtier Ces dernières sont appliquées l'une sur l'autre avec étanchéité et forment une cavité fermée 9, d'o part une sortie de signal 10 Aux points d'encastrement 11 et 12, les moitiés 5 et 6 du boîtier sont réalisées sous forme de surfaces de contact pour l'application d'une tension électrique à l'élément piézoélectrique de flexion 1 La lame 3 est en outre plus longue que la lame 2 à l'extrémité encastrée, qui offre ainsi une autre surface de contact 13 sur laquelle s'applique une broche de contact 2539483 ï 14 Cette dernière traverse une douille isolante 15 dans un perçage de la moitié 5 du boîtier, dans lequel son étanchéité est assurée par un joint torique 16 qui applique simultanément la tête élargie de ladite broche 14 sur la surface de contact 13 de la lame 3. L'élément piézoélectrique de flexion 1 est préchargé mécanique- ment sur le siège d'entrée d'air 7, de sorte qu'il s'applique avec étanchéité sur ce dernier en l'absence d'une tension électrique. L'arrivée d'air, amené au siège d'entrée 7 par une canalisation d'alimentation non représentée, est ainsi interrompue dans la cavité 9 La sortie de signal 10 est purgée à l'air libre par le siège de sortie d'air 8 ouvert Dès qu'une tension continue est appliquée à l'élément piezoélectrique de flexion 1, par le boîtier 4 d'émetteur et les points d'encastrement Il et 12 d'une part, et la broche 14 et la surface de contact 13 d'autre part, l'élément 1 décolle du siège d'entrée d'air 7 et s'applique sur le siège de sortie d'air 8 qui l'obture L'air comprimé arrivant par le siège d'entrée d'air 7 atteint la sortie de signal 10 par la cavité 9, puis est transmis par une canalisation de signal non représentée L'application d'une tension relativement faible à l'élément piézoélectrique de flexion 1 produit ainsi l'apparition d'un signal de sortie pneumatique avec une consommation pratiquement nulle La commutation s'effectue en outre pratiquement sans retard Le vissage du siège d'entrée d'air 7 et du siège de sortie d'air 8 dans les moitiés 5 et 6 du bottier permet d'ajuster la précharge et la course de flexion néces- saire de l'élément piézoélectrique 1. Le montage selon figure 2 utilise un transducteur selon figure 1, avec un élément piézoélectrique de flexion 1 dans un boîtier 4 comportant aussi le siège d'entrée d'air 7 et le siège de sortie d'air 8 Un régulateur de pression pneumatique 18 est branché en amont du siège d'entrée d'air 7 par l'intermédiaire d'une canali- sation d'alimentation en air 17 De l'autre coté, un amplificateur de pression 20 est relié à une canalisation de signal 19 provenant de la sortie de signal 10 Le régulateur de pression 18 et l'ampli- ficateur de pression 20 sont alimentés par une canalisation distincte 21, qui délivre aussi le signal de commande amplifié que l'amplifi- 253 ô 483 I cateur de pression 20 transmet par une canalisation de commande 22 e Le signal en tension électrique est appliqué au transducteur par des fils 23 et 24. Dans le montage selon figure 2 aussi, l'élément piézoélectrique de flexion 1 obture le siège d'entrée d'air 7 en l'absence de tension. L'application d'une tension électrique par les fils 23 et 24 ouvre le siège d'entrée d'air 7 et ferme le siège de sortie d'air 8, de sorte qu'un signal pneumatique peut passer de la canalisation d'ali- mentation 17 à l'amplificateur de pression 20 par la canalisation de signal 19 Le régulateur de pression 18 fait que la pression appliquée au siège d'entrée d'air 7 présente toujours une meme valeur, de 1 bar par exemple, indépendamment de la pression dans la canalisa- tion 21 Une influence des fluctuations de pression dans le siège d'entrée d'air 7 est ainsi interdite sur l'instant de commutation de l'élément piézoélectrique de flexion 1 L'amplificateur de pres- sion 20 amplifie le signal relativement faible que lui transmet la canalisation de signal 19 et assure ainsi la disponibilité dans la canalisation de commande 22 sortante d'un signal à la pleine pres- sion régnant dans la canalisation 21 et comprise entre 1 et par exemple 16 bars. Dans l'exemple de réalisation selon figure 3, l'élément piezo- électrique de flexion 1, le régulateur de pression 18 et l'amplifi- cateur de pression 20 sont assemblés dans un boîtier 25 commun du transducteur Le boîtier 4 d'émetteur contenant l'élément piezoélec- trique de flexioni est réalisé sous forme d'une capsule encastrée dans le boîtier 25 du transducteur à l'aide d'un couvercle 26 Les moitiés 5 et 6 du boîtier 4 d'émetteur formant la capsule sont réunies par des vis à tête fraisée, dont une ( 27) est représentée en tireté Dans l'exemple de réalisation selon figure 3, l'élément piézoélectrique de flexion 1 n'est pas encastré entre les deux moitiés-5 et 6 du boîtier, mais simplement appliqué par une force élastique sur une surface de contact 28 de la moitié 6 La force élastique est produite par un ressort de contact 29, qui est logé dans un percage de l'autre moitié 5 du bottier et sert simultané- ment à la transmission de la tension électrique La broche-de 2539483 l contact 14 applique en outre, par l'intermédiaire du joint torique élastique 16, l'extrémité de l'élément élastique de flexion 1 sur la surface de contact 28 Le respect de tolérances de fabrication précises, nécessaire en cas d'encastrement, est inutile avec cette application élastique Le ressort de contact est également utili- sable pour produire ou soutenir la force de précharge qui applique, en l'absence de tension, l'élément piézoélectrique de flexion 1 sur le siège d'entrée d'air 7 Des broches de contact 30 et 31 sont prévues pour l'amenée de la tension électrique, traversent le bottier 26 en matériau isolant et sont reliées à la broche de contact 14 ou au boîtier 4 d'émetteur par des ressorts de flexion 32 et 33 prévus à leurs extrémités Le boîtier 26 comporte en outre un prolongement 34 pour la fixation d'un connecteur. Le régulateur de pression 18 se trouve à la partie supérieure du boîtier 25 du transducteur; il est constitué par une membrane 35, maintenue par un ressort 36, et une soupape de régulation 37 avec un, siège 38 et un obturateur 39 Une bille 41, bloquée dans un perçage du couvercle 40 du boîtier, maintient le ressort 36 L'amplifica- teur de pression 20 comporte également une membrane 42 encastrée dans le boîtier 25 du transducteur et actionnant, par l'intermédiaire d'un poussoir 43, l'obturateur 44 d'une soupape 45 de l'amplificateur, dont le siège est désigné par 46 L'obturateur 39 du régulateur de pression 18 et l'obturateur 44 de l'amplificateur de pression 45 sont disposés suivant le même axe et comportent un ressort-commun 47. La canalisation de pression 21 commune transmet au transducteur un fluide sous une pression quelconque Le ressort 36 maintient d'abord ouverte la soupape de régulation 37 du régulateur de pression 18, de sorte que du fluide de pression peut s'écouler de la canali- sation d'alimentation 21 dans la cavité 48 située sous la membrane -35, par l'intermédiaire du siège 38 Dès que la pression prédéter- minée par le ressort 36 du régulateur est atteinte dans la cavité 48, la soupape de régulation 37 se ferme de sorte que la même pres- sion est toujours maintenue dans la cavité 48 Cette pression est également appliquée par la canalisation d'alimentation 17 au-siège d'entrée d'air 7, obturé par l'élément piézoélectrique de flexion l 2539483 i préchargé La soupape 45 de l'amplificateur est fermée, de sorte qu'aucun fluide de pression ne peut atteindre la canalisation de commande 22 La cavité 49 située au-dessous de la membrane 42 de l'amplificateur est purgée par la sortie de signal 10, le siège de sortie d'air 8 ouvert et un perçage de purge 50 dans le cou- vercle 26 Un canal de purge 52, ouvert en permanence, relie la cavité située au-dessus de la membrane 42 à l'air libre La cana- lisation de commande 22 est également purgée par ce canal de purge 52 et une soupape de décharge 53 comportant l'obturateur 54 et le siège 55. Dès que les deux broches de contact 30 et 31 appliquent une tension électrique à l'élément piézoélectrique de flexion 1, ce dernier décolle du siège d'entrée d'air 7 et obture le siège de sortie d'air 8 Par le siège d'entrée d'air 7 désormais ouvert, du fluide à la pression constante prédéterminée par le régulateur de pression atteint, par la sortie de signal 10, la cavité 49 sous la membrane 42 de l'amplificateur, o une pression s'établit Cette dernière agit par l'intermédiaire du poussoir 43 sur l'obturateur 44 et ouvre la soupape 45 de l'amplificateur contre la force exercée par le ressort 47 L'obturateur 54 est appliqué simultané- ment sur le siège 55, de sorte que la soupape de décharge 53 est fermée La liaison entre la canalisation d'alimentation 21 commune et la canalisation de commande 22 est ainsi ouverte, de sorte qu'un signal de pression pneumatique amplifié est obtenu par suite du signal en tension électrique appliqué Ce signal en pression demeure jusqu'à la coupure ou l'inversion de polarité de la tension sur l'élément piézoélectrique de flexion 1, qui s'applique alors de nouveau sur le siège d'entrée d'air 7 et l'obture Le siège de sortie d'air 8 est fermé simultanément, de sorte que la cavité 49 située sous la membrane 42 est purgée du fluide de pression par la sortie de signal 10, le siège de sortie d'air 8 et le perçage de purge 50 Le ressort 47 applique alors l'obturateur 44 sur le siège 46, de sorte que la soupape 45 de l'amplificateur est fermée La soupape de décharge 53 s'ouvre simultanément, de sorte que la canalisation de commande 22 est également purgée par le 2539483 i siège 55, la cavité 51 et le canal de purge 52. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au principe et aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention En particulier, l'élément piézoélectrique de flexion 1 peut être réalisé différemment, à l'aide par exemple d'un ou plusieurs corps en matériau piezo- électrique en forme de lame, disque ou plaque Des dispositifs additionnels peuvent être prévus, et en particulier un circuit limiteur de-tension entre les deux fils de connexion de l'élément piézoélectrique de flexion, de sorte que le transducteur selon l'invention est utilisable indépendamment de la tension, à condi- tion que la tension du signal dépasse une valeur minimale donnée. Des tensions continues ou alternatives peuvent être appliquées au choix quand un redresseur est en outre branché en amont. 253948 1 I O Revendications 1 Transducteur électropneumatique, avec un élément piezoélectrique de flexion qui, lors de l'application d'une tension électrique, fléchit et commande un émetteur de signal pneumatique, ledit transe ducteur étant caractérisé en ce que l'élément piezoélectrique de flexion 1 est bloqué dans un boîtier ( 4) d'émetteur fermé compor- tant une sortie de signal ( 10), commande un siège d'entrée d'air ( 7) et un siège de sortie d'air ( 8), est chargé vers le siège d'en- trée d'air ( 7) et s'applique avec étanchéité sur ce dernier en l'absence de tension électrique, mais décolle du siège d'entrée d'air ( 7) quand une tension électrique est appliquée, fléchit vers le siège de sortie d'air ( 8) et l'obture avec étanchéité. 2 Transducteur selon revendication 1, caractérisé en ce que l'élément piezoélectrique de flexion ( 1), par exemple au moins une plaquette de piezocéramique, est centré dans le boîtier ( 4) d'émetteur et appliqué sur une surface de contact ( 28) de ce dernier, dans une zone d'encastrement éloignée du siège d'entrée d'air ( 7) et du siège de sortie d'air ( 8), par une pièce élastique telle qu'un ressort ( 29) ou un joint torique ( 16 en caoutchouc ou matière plas- tique. 3 Transducteur selon revendication 2, caractérisé en ce que l'élément piezoélectrique de flexion ( 1) est préchargé sur le siège d'entrée d'air ( 7) par un ressort ( 29) réalisé simultanément en électrode d'amenée de tension. 4 Transducteur selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'un régulateur de pression pneumatique ( 18) est branché en amont du siège d'entrée d'air ( 7) et un amplificateur ( 20) relié à la sortie de signal ( 10). Transducteur selon une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'élément piezoélectrique de flexion ( 1), le régulateur de pression ( 18) et l'amplificateur ( 20) sont assem- blés dans un bottier ( 25) commun du transducteur, dans lequel le botîtier ( 4) d'émetteur est encastré sous forme d'une capsule interchangeable. 6 Transducteur selon une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'un circuit limiteur de tension et le cas échéant un redresseur sont branchés en amont de l'élément piezo- électrique de flexion ( 1) et logé de préférence dans le boîtier ( 25) commun du transducteur par exemple dans un boîtier ( 26) de ce dernier. i