Brevet FR2695521A1 — publié le 19940311

Actionneu pi zo-plectrigu__e L'invention concerne un actionneur piézo- électrique avec des piézoéléments appliqués les uns contre les autres, en matériau piêzocéramique, combinés au moyen d'un dispositif de fixation pour forner une colonne à piêzoéléments, précontrainte mécaniquement. De tels actionneurs sont décrits dans le bulletin d'information ou le recueil de données de la société Physik Instrumente (PI) Gmb Hi & Co, 7517 Waldbronn, juin 1987 La précontrainte des piézoéléments s'y effectue au moyen d'un dispositif de fixation pouvant être vissé Dans le cas d'un tel vissage il est nécessaire d'exercer un couple mécanique provoquant la précontrainte mécanique Ce couple peut agir sur les piézoêléments, ce qui, en particulier, doit être considéré comme un inconvénient, parce que ces piézoéléments ne peuvent usuellement être sollicités qu'en pression De même, un tel couple mécanique peut provoquer une action nuisible sur le collage opéré entre des piézoêlêments voisins de la colonne à piézoéléments d'un tel actionneur. C'est pourquoi l'invention a pour but de créer un actionneur piézoélectrique du type indiqué au début, dans lequel aucun couple mécanique n'entre en jeu pour produire la précontrainte mécanique de la colonne à piézoéléments. Ce problème est résolu, dans le cas d'un actionneur piézo-électrique du type cité au début, selon l'invention, par le fait que les piézoéléments sont réalisés sous forme d'anneaux et en ce qu'à travers l'espace central de la colonne à piézoéléments s'étend un é 1 ément en forme de barre présentant à ses deux sections d'extrémité des organes de fixation pressant contre les piézoéléments correspondants, au moins l'un des organes de fixation étant pourvu d'un élément de précontrainte en alliage à mémoire de forme, qui, en cas de variation de température appropriée, modifie sa dimension axiale pour produire une précontrainte mécanique de la colonne à piézoéléments. Des perfectionnements avantageux de l'actionneur selon l'invention sont caractérisés par le fait que: la colonne à piézoéléments est précontrainte mécaniquement, de manière qu'il subsiste une précontrainte mécanique dans chaque état de charge, ou d'activation, de la colonne. entre chacun des deux organes de fixation et le piézoêlément correspondant, est prévu une entretoise, l'élément de précontrainte étant disposé entre l'organe de fixation et l'entretoise afférente. chaque entretoise est collée au piézoélément afférent. l'élénment de précontrainte est formé par au moins un anneau en forme d'assiette, pouvant être bombé. l'élément de précontrainte est réalisé en alliage Ni Ti à mémoire de forme. l'élément de précontrainte présente élément à chauffage par résistance électrique. l'espace centra} de la colonne piézoêlêments est prévu pour le refroidissement piézoéléments. la colonne à piézoéléments présente, sur un un à des son enveloppe extérieure, une gaine isolant de l'électricité. A l'aide d'au moins un élément de précontrainte, réalisé en un alliage à mémoire de forme, la mise en précontrainte mécanique de la colonne à piêzo 1 léments s'effectue de façon simple, au moyen d'une modification de forme appropriée de l'élément de précontrainte, c'est-à-dire par variation de la dimension axiale de l'6 élément de précontrainte Aucun couple mécanique n'est exercé sur la colonne à piézoéléments pour mettre celle-ci sous précontrainte mécanique, de sorte qu'est exclu, de manière avantageuse, tout endommniagement, d O au couple, des différents pidzoélêments, ainsi que tout endommagement du collage entre des piézoélêments voisins. De manière appropriée, lorsque, dans l'actionneu r selon l'invention, la colonne à pigzogléments est précontrainte mécaniquement, il se fait qu'à chaque état de charge, ou d'activation de la colonne, il subsiste une précontrainte mécanique Un tel actionneur convient en particulier pour la mise an oeuvre dans des applications de commutation à cadence rapide Par suite de cette possibilité de mise en oeuvre, l'actionneur selon l'invention convient en particulier pour l'utilisation dans des miroirs dêformables destinés à des télescopes, tels que décrits, par exemple, dans le périodique allemand "Physi B 144 ( 1988) Nr 12, pages 439 à 446 ". Dans de tels miroirs, plusieurs actionneurs sont mis en place les uns à côté des autres et séparés les uns des autres, un actionnement d'un actionneur déterminé s'effectue de telle manière qu'avec lui, on actionne des actionneurs voisins intempestivement, c'est-à-dire qu'on produit une sollicitation quasiment dans la fausse direction Pour éviter une telle sollicitation dans la fausse direction, on utilise la précontrainte mécanique correspondante de la colonne à piézoêléments de l'actionneur ou de chaque actionneur, la précontrainte mécanique étant choisie de valeur telle qu'une charge d'un actionneur correspondant mène à un état de contrainte mécanique allant à l'encontre de cette précontrainte mécanique, en agissant toujours dans la direction de la précontrainte citée Ceci signifie cependant que l'on empêche toute sollicitation dans la fausse direction. Les deux entretoises placées sur les sections d'extrémité de la colonne à piézoéléments de l'actionneur selon l'invention servent à éviter tout endommagement mécanique en particulier des piézoéléments sensibles, voisins des organes de fixation A cette fin, les entretoises peuvent être composées d'un métal approprié ou d'un alliage métallique approprié En choisissant une entretoise correspondante, on espace simultanément l'élément de précontrainte par rapport au piézoélément voisin de la colonne à piézoéléments, afin d'éviter tout endommagement des piézoéléments cités, pouvant se produire du fait de l'élément de précontrainte, lorsque l'actionneur est précontraint mécaniquement à l'aide de l'élément de précontrainte. Dans le même but, c'est-à-dire pour éviter tout endommagement des piézoéléments cités sur les sections d'extrémité de la colonne à piézoéléments, il est utile que chacune des deux entretoises soit collée au piézoêlément afférent, c'est-à-dire au piîzolélment directement voisin Dans ce but, c'est-à-dire pour coller chaque entretoise au piézoélément directement voisin, on peut utiliser le même adhésif que celui utilisé pour le collage des différents piézoêlêments pour former la colonne à piézoéléments. Un mode de réalisation simple de l'actionneur est obtenu lorsque l'élément de précontrainte est formé d'au moins un anneau en forme d'assiette bombé. L'élément de précontrainte, ou l'anneau en forme d'assiette bombé, peut être composé d'un alliage Ni Ti à mémoire de forme Un tel alliage à mémoire de forme est décrit par exemple dans le périodique allemand "Magazin Neue Werkstoffe" 1/87, pages 20 à 22, dans le périodique "JEE", février 1984, pages 96 et suivantes ou dans le périodique allemand de la société G Rau Gmb H & Co, "Gedâchtnis-Effekt und technisch anwendbare Legierungen", de sorte qu'il est superflu d'entrer ici dans le détail Les alliages à mémoire de forme cités donnent, du fait d'une conversion thermoélastique de la structure entre la structure austénitique et la structure martensitique, après avoir subi un traitement mécanique, une modification de forme dépendant de la température On peut également induire et faire revenir à l'état initial, par variation de température, des changements permettant de faire passer l'élément de précontrainte correspondant entre deux états de forme différents Si l'on empêche un élément de précontrainte déformé à l'état martensitique de revenir à sa forme initiale à l'occasion d'un changement, en dépassant ce que l'on appelle la température de départ austénitique, on parle de la mémoire de forme réprimée citée ci- dessus En particulier dans le cas des éléments de prêcontrainte composés d'un alliage Ni Ti à mémoire de forme, il s'est avéré que, du fait de la mémoire de forme réprimée citée, il était possible de produire une force de précontrainte notablement exempte de couple, qui peut se situer, en cas d'utilisation unilatérale, dans un ordre de grandeur de 800 N et, dans le cas d'une utilisation bilatérale, par suite, à un ordre de grandeur de 1600 N. Pour pouvoir soumettre l'élêment de prêcontrainte de manière simple à une variation de température correspondante, il s'est avéré avantageux que l'élément de prêcontrainte présente un élément de chauffage par résistance électrique Concernant cet élément de chauffage par résistance, il peut s'agir d'une feuille chauffante connue en soi, fixée sur l'élément de prêcontrainte, ou sur l'anneau bombé, sur l'une de ses faces de base. Un actionneur pouvant être chargé avec une puissance relativement élevée est obtenu lorsque l'espace central de la colonne à piézoéléments est prévu pour le refroidissement des piézoélêments. Pour éviter des surcharges électriques le long de la colonne à piézoéléments, il est approprié que la colonne à piézoêléments présente sur son enveloppe extérieure, le long de laquelle les piézoéléments individuels sont mis en contact électrique les uns les autres de manière appropriée, une gaine isolant de l'électricité. D'autres détails, caractéristiques et avantages résultent de la description suivante d'un exemple de réalisation, représenté sur le dessin, de l'actionneur piézo-électrique selon l'invention. Dans le dessin La figure i représente une vue de côté, partiellement coupée, de l'actionneur, et la figure 2 représente un diagramme de la relation entre la forme de l'élément de précontrainte composé d'un alliage à mémoire de forme et de la température T de cet élément. La figure i représente partiellement en coupe un actionneur piézoélectrique 10 avec des piézoéléments 12, réalisés sous forme d'anneaux, collés ensemble pour former une colonne à piêzoéléments Un dispositif de fixation 14 sert à précontraindre mécaniquement en pression la colonne à piézoléîments A cette fin s'étend à travers l'espace central 16 de la colonne à piézoéléments un élément en forme de barre 18 du dispositif de fixation 14, présentant, à chacune de ses deux sections d'extrémité 20 et 22, un organe de fixation 24 entre chacun des deux organes de fixation 24 et le piézoélément chaque fois voisin de celui-ci est prévu une entretoise 26 en un matériau approprié, ou en un alliage métallique approprié Entre l'entretoise 26 inférieure sur la figure 1 et l'organe de fixation 24, lui correspondant, du dispositif de fixation 14 est prévu un élément de précontrainte 28, réalisé en un alliage à mémoire de forme, placé sur la figure 1 en position active, provoquant la précontrainte mécanique de la colonne à piézoélêments. On voit sur la figure 1 que l'élément de précontrainte 28 forme dans la position active, c'est- â-dire dans la forme o O il exerce une précontrainte, un anneau en forme d'assiette bombé Dans la position non active l'élément de précontrainte 28 forme un anneau plat Sur l'élément de précontrainte 28 est prévu un élément de chauffage par résistance 30 électrique pouvant être raccordé au moyen d'éléments de raccordement 12 à une source de tension, afin de chauffer, à l'aide de l'élément à chauffage par résistance 30 parcouru par un courant, l'élément de précontrainte 28, de la manière expliquée ciaprès en liaison avec la figure 2. On désigne par le numéro de référence 34 les éléments de raccordements électriques 34 de la colonne à pi 6 zoêl'ments, les piézoêléments 12 formant la colonne à piézoéléments étant branches ensemble de manière appropriée au moyen d'éléments de contact 36. Une tension électrique appliquée sur les éléments de raccordement 34 provoquent, par exploitation de l'effet piézo-électrique inverse, une modification des dimensions correspondantes des différents piézoéléments 12 Au moyen d'une polarisation appropriée des piézoéléments 12, on provoque une variation de l'épaisseur des piézoéléments 12, au moyen d'une tension électrique appliquée sur les éléments de raccordements 34 De cette manière il est possible d'effectuer à l'aide de l'actionneur 12 de très petits mouvements de réglage, situés dans la plage de quelques nanomètres jusqu'à quelques micromètres. En fonction des dimensions de la section transversale de - l'actionneur, ou des piézoéléments de la colonne à pigzoéléments, il est possible d'exercer avec l'actionneur 10 des efforts de pression allant jusqu'à quelques 103 N, tandis que les efforts de traction restent limités à des valeurs inférieures La précontrainte mécanique de l'actionneur 10 provoque, de manière avantageuse, une augmentation des efforts de traction possibles pouvant agir sur l'actionneur 10. Ceci signifie que l'actionneur O l selon l'invention convient en particulier pour des applications dynamiques> par exemple pour des miroirs destinés à des télescopes à miroir dans lesquels peuvent se manifester des sollicitations en traction comparativement élevées. La figure 2 représente la liaison entre la forme de l'élément de précontrainte 28 et de la température T respective sur l'élément de précontrainte 28 (voir figure 1) L'élément de précontrainte 28 se présentant sous la forme d'un anneau présente à l'état initial, à la température ambiante Tr, une forme A plane, c'est-à-dire ne présente pas de dimension axiale Si l'élément de précontrainte 28 annulaire est chauffé à la température T 2, à l'aide de l'élément de chauffage par résistance 30, l'alliage à mémoire de forme commence à devenir austénitique Si l'élément de précontrainte 28 est chauffé plus encore à la température T Zaz l'ensemble de la structure de l'alliage à mémoire de forme est devenu austénitique, la forme de l'élément de contrainte de forme 28 changeant, par suite de la mémoire de forme, pour passer à la forme en assiette bombée représentée sur la figure 1 Ce faisant, est provoquée simultanément une précontrainte mécanique correspondante de la colonne à piézoélêments de l'actionneur 10 La température T 2,Z est située à à peu prés 160 C dans le cas d'un alliage Ni Ti à mémoire de forme. Si, après ce chauffage à la température TZ _, l'élément de précontrainte 28 est refroidi à la température ambiante Tr, la forme en assiette bombée de l'élément de précontrainte, représente sur la figure 2 par B, est conservé. Une relaxation mécanique de la colonne à piêzoéléments de l'actionneur 10 est possible lorsque l'élément de précontrainte 28 est refroidi de Ta température ambiante TR à une température T 3 2, en passant à une température T 3 D 1,la structure de À %Lnj sp S 4 ueinoz s 8 L @ uo 1 sua 84 ap sa 6 eq Dap sa L aiquoo a 96 aoid et -a e 01 jnauuo L 4 Ze L Op una L Ja;xa addo Le Aua L aitp-q-qsa D esquamwlaozaid e auuotoo et ap a Anallaexa addola Auga 1 al J Ano Doa,a 4 L Ia Oa Lo P lue LOSL 8 g au Le 6ufi oz 8 e Z aqu tej uozaid ap -4 uawaz La,1 OP epsu LS o A la ainqejadme 4 e e L se Lqsues ZT S 4 uewa Lgoz Ld sap 4 uawma 6 ewtuopua un uamaesstplo Jai La; un 1 p s Jo L 'aino ua aq Ddwd uo '8 Z alu Le;luo Dad ap qumwa Lga L op a ULSLOA 9 z asto-J 4 u IAL ap ua Aomnvaplnbtt a Loze;p u Aow s ne Jenfoaljes luema Le 6 a qnad D 3 09 said nad qp eq D asseq ain 4 e adwa 4 a Ja Lu Jap et e 8 Z a:U Lel;U O Oad ap quawm LPL ap qu Owss Lpk LO Ja J u O 3 o 09 said nad ep qsa z"sl ainqeiadwaa et lamioó sp saiomam e il-N O Bet Lei L anod 'j 1 a Jnin Jgadwuel z'"l ainle Jgdwa asseq O O sntd el a p póneqo sa z 8 au Le Juoo Daid ap luawilpe, enbs Jol aeaiesuoo sjole qse ewo 4 a;a 3 'enb Lueoew a 4 utejquoo aun Dne e À,u l L atanbtel suep 'V ve Ld neauue ue e Wo 4 e L e 'ae UU Ol O 2 e L op enb Lueogmw eu Le;uoza Jd elt quenbo Ao Jd '"ag OA a aie Lnuue aw Jo 4 el ap quessed S wem Jo ap UO Le LJ^A sun nea Anou ap L 3 O lue Lqqo uo a -nwue 6 usdwamoet eo anbtl suajeu 1 queqq ain B Dnjs el sp a 4 L-4 o 4 e L e a q-"e ajn 4 e Jdadw Ia el q enb Lq Lsuaeqew jima Aap e que 6 u 9 wwoo aw Jo 4 p ai Jowa Iu e a 6 e E Lt 2 e, TZ 9969 Z REVENDICATIONS 1 Actionneur piézo-électrique avec des S piézoélèments ( 12) appliqués les uns contre les autres, en matériau piézocéramique, combinés au moyen d'un dispositif de fixation ( 14) pour former une colonne à piézoéléments, précontrainte mécaniquement, caractérisé en ce que les piézoéléments ( 12) sont réalisés sous forme d'anneaux et en ce qu'a travers l'espace central ( 16) de la colonne à piêzoéléments s'étend un élément en forme de barre ( 18) présentant à ses deux sections d'extrémité ( 20, 23) des organes de fixation ( 24) pressant contre les piézoéléments ( 12) correspondants, au moins l'un des organes de fixation ( 24) étant pourvu d'un élément de précontrainte ( 28) en alliage à mémoire de forme, qui, en cas de variation de température (T) appropriée, modifie sa dimension axiale pour produire une précontrainte mécanique de la colonne à piézoêléments. 2 Actionneur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la colonne à piézoéléments est précontrainte mécaniquement, de manière qu'il subsiste une précontrainte mécanique dans chaque état de charge, ou d'activation, de la colonne. 3 Activateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que, entre chacun des deux organes de fixation ( 24) et le piêzoélément ( 12) correspondant, est prévue une entretoise ( 26), l'élément de précontrainte ( 28) étant disposé entre l'organe de fixation ( 24) et l'entretoise ( 26) afférente. 4 Actionneur selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque entretoise ( 26) est collée au piézoélément ( 12) afférent. 5 Actionneur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la au moins un élément de précontrainte ( 28) est formé par au moins un anneau en forme d'assiette, pouvant être bombé. 6 Actionneur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le au moins un élément de précontrainte est réalisé en un alliage Ni Ti à mémoire de forme. 7 Actionneur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le au moins un élément de précontrainte ( 28) présente un élément à chauffage par résistance ( 30) électrique. S Actionneur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'espace central ( 16) de la colonne à piézoélénents est prévu pour le refroidissement des piézoéléments ( 12). 9 Actionneur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la colonne à piêzoêléments présente, sur son enveloppe extérieure, une gaine ( 38) isolant de l'électricité. il