Brevet FR2685988A1 — publié le 19930709

La présente invention concerne un vérin comportant un barreau de matériau transducteur à pilotage électrique. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à des vérins de ce type dans lesquels le barreau de matériau transducteur est formé par un barreau de céramique piézoélectrique ou par un barreau de matériau magnétostrictif. Les matériaux de type céramique sont généralement constitués de cristaux résultant de l'association ordonnée d'atomes d'un ou de plusieurs corps simples, euxmêmes disposés de manière désordonnée et liés entre eux par un matériau interstitiel composé de l'un au moins des précurseurs entrant dans la composition de la céramique et pouvant éventuellement contenir une quantité plus ou moins importante d'impuretés. Ces impuretés sont constituées de matériaux provenant des autres précurseurs dissociés ou non et distribuées de manière diffuse ou au contraire rassemblées sous forme d'inclusions. Certaines céramiques industrielles sont utilisées pour leurs propriétés mécaniques et/ou thermiques et généralement leur structure désordonnée n'est pas de nature à constituer un handicap. En effet, cette isotropie de structure leur confère précisément des propriétés isotropiques. D'autres céramiques sont par contre utilisées pour leurs propriétés électriques (céramiques supraconductrices), piézoélectriques ( transducteurs et vérins piézoélectriques) et autres, propriétés éminemment anisotropiques et pour lesquelles il est souhaitable de pouvoir disposer de céramiques à structure aussi anisotrope que possible. Cependant, cette anisotropie n'est pour l'instant pas optimale et on constate que les céramiques actuellement disponibles sur le marché présentent au plan fonctionnel quelques imperfections directement liées à leur structure interne. Ce sont, pour ce qui concerne par exemple les applications à des vérins piézoélectriques, un phénomène d'hystérésis, caractérisé par un non retour à la position exacte d'origine après coupure de l'excitation électrique et un phénomène de traînage correspondant à un temps de réponse non négligeable par rapport au temps de montée du signal d'excitation. On connait également dans l'état de la technique des matériaux magnêtostrictifs qui sont très fréquemment utilisés pour la réalisation de transducteurs à ultrasons de forte puissance, à fréquence relativement basse, par exemple inférieure ou égale à 200 KHz, pour lesquels leur robustesse les fait souvent préférer aux matériaux piézocéramiques. Ces matériaux sont également utilisés pour la réalisation de transducteurs de faible ou moyenne puissance travaillant à haute température de l'ordre de 500 à 800"C. Ces matériaux ont une application dans le domaine des vérins, notamment quand les conditions de température sont supérieures aux limites d'utilisation des matériaux piézocêramiques. On sait que, quand un cristal ferromagnétique est soumis à un champ magnétique d'intensité suffisante, il s'aimante, ce qui a pour effet de modifier ses dimensions. A ce changement de dimensions correspond une énergie magnéto-élastique qui dépend des constantes de magnétostriction du matériau utilisé ainsi que des contraintes appliquées au cristal, ces contraintes pouvant être des contraintes résiduelles. L'analyse de la structure microscopique des alliages ferromagnétiques montre que dans le cas d'un cristal réel, c'est à dire non idéal, on se trouve en présence de petits défauts, tels que des dislocations, qui interagissent avec les parois des domaines magnétiques élémentaires, ce qui freine et bloque parfois le déplacement sous l'action d'un champ magnétisant ou démagnétisant. A l'échelle macroscopique apparaissent les phénomènes déjà mentionnés à propos des céramiques piézoélectriques, à savoir les effets de trainage et d'hystérésis. On a déjà développé dans l'état de la technique différents moyens électroniques permettant de corriger ou de réduire ce phénomène d'hystérêsis inhérent aux vérins piézoélectriques. Ces moyens comprennent des moyens de mesure très précis de la position de l'extrémité active du vérin, ces moyens agissant sur des moyens de variation de la tension électrique de commande appliquée au vérin pour que celuici rejoigne exactement la position désirée. Les moyens de mesure utilisés sont par exemple des capteurs de déplacement capacitifs dans lesquels on mesure la variation de distance entre les armatures d'un condensateur. Cependant, ces différents moyens présentent un certain nombre d'inconvénients au niveau notamment de leur prix de revient et de leur fiabilité et enlèvent aux vérins piézoélectriques ou magnétostrictifs, une bonne part de ce qui les rend extrêmement attrayants, à savoir la simplicité et la robustesse. Le but de l'invention est donc de résoudre ces problèmes en corrigeant les deux principales imperfections mentionnées précédemment sans faire appel à des moyens métrologiques, c'est à dire sans augmenter de manière importante le coût de l'équipement associé au verin et sans faire perdre à celui-ci son caractère de rusticité. L'invention repose sur l'observation qu'hystérésis et traînage sont deux phénomènes physiques apparamment distincts qui ont pour même origine le frottement sec ou frottement de Coulomb. En effet, compte tenu de la structure nonanisotropique de la céramique, les cristaux bien orientés dans le champ électrique et qui jouent un rôle moteur dans l'élongation ou la contraction du vérin doivent vaincre la résistance mécanique liée à leur imbrication avec les cristaux disposés de manière quelconque ainsi qu'à leur gainage par le matériau interstitiel. L'invention a donc pour objet un vérin du type comportant un barreau de matériau transducteur à pilotage électrique, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de génération de vibrations mécaniques dans le barreau, afin de réduire les phénomènes de traînage et d'hystérésis de celui-ci. Selon un mode de réalisation, le barreau de matériau transducteur est un barreau de céramique piézoélectrique aux bornes duquel sont appliqués un signal électrique de commande et un signal électrique alternatif de génération des vibrations mécaniques. Selon un autre mode de réalisation, le barreau de matériau transducteur est un barreau de matériau magnétostrictif associé à une bobine d'excitation aux bornes de laquelle est appliqué un signal électrique de commande et à une autre bobine d'excitation aux bornes de laquelle est appliqué un signal électrique alternatif de génération des vibrations mécaniques. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels - la Fig.1 illustre le phénomène d'hystérésis d'un barreau de matériau transducteur; - la Fig.2 illustre le phénomène de traînage d'un barreau de matériau transducteur; - la Fig.3 représente un premier mode de réalisation d'un vérin selon l'invention; - la Fig.4 représente un signal électrique de génération de vibrations mécaniques dans un barreau entrant dans la constitution d'un vérin selon l'invention; - la Fig.5 représente un second mode de réalisation d'un vérin selon l'invention; et - la Fig.6 représente un troisième mode de réalisation d'un vérin selon l'invention. Ainsi qu'on peut le voir sur la Fig.l, le phénomène d'hystérésis, noté H sur cette figure, d'un barreau désigné par la référence générale 1, apparaît au niveau de l'extrémité active du vérin, c'est à dire celle se déplaçant, entre la position A de cette extrémité lorsque le vérin est non-excité et la position B lorsque le vérin est désexcité une fois que celui-ci a été excité et que cette extrémité est passée dans une position active C. On constate donc que l'extrémité correspondante du barreau de matériau transducteur 1 reste, après coupure de l'excitation du vérin, dans une position différente de celle dans laquelle se trouvait cette extrémité du vérin lorsque celui-ci n'était pas excité. Ainsi qu'on l'a indiqué précédemment, ce phénomène d'hystérésis engendre un certain nombre d'inconvénients. Le phénomène de traînage est quant à lui illustré sur la Fig.2, dans laquelle on peut constater que le déplacement de l'extrémité active correspondante du vérin suit une courbe D ne correspondant pas exactement à la forme du signal électrique de commande de ce vérin, désigné par la référence E. En effet, alors que le signal électrique de pilotage E comporte un front montant net, l'extrémité active du vérin suit quant à elle une courbe de déplacement amortie par rapport à la forme du signal électrique. Ce phénomène de traînage engendre également des inconvénients comme mentionné précédemment. Pour résoudre ces problèmes et comme on peut le voir sur la Fig.3, dans le cas où le matériau transducteur est constitué par un barreau 2 de céramique piézoélectrique, aux bornes duquel est appliqué un signal de commande 3, à travers une résistance R, on engendre dans le barreau des vibrations mécaniques de réduction de ces phénomènes de traînage et d'hystérésis. Ces vibrations mécaniques sont par exemple engendrées grâce à un signal électrique alternatif 4 appliqué aux bornes du barreau de céramique piézoélectrique par superposition au signal de commande, à travers un condensateur C. Ces vibrations permettent de réduire les phénomènes de frottement mentionnés précédemment pour améliorer la réponse du barreau de matériau transducteur. Le signal électrique alternatif de génération de vibrations peut être un signal alternatif de fréquence élevée et de faible amplitude qui est applicable à tout type de vérins sans aucune modification de ceux-ci. Cependant, il existe certains types de vérins qui requièrent une excitation plus énergique notamment pour la réduction du traînage et un signal, tel que celui représenté sur la Fig.4, peut alors être appliqué en tant que signal électrique alternatif de génération de vibrations. Ce signal se présente sous la forme d'une oscillation 4 de très forte amplitude crête et très rapidement amortie, superposée au signal de commande 3, de façon à réduire de manière très importante le phénomène de traî nage et en même temps permettre un positionnement précis de l'extrémité correspondante du barreau. Dans ces conditions, il est possible que la position désirée de cette extrémité du barreau se trouve pendant un cours instant, légèrement dépassée. Dans le cas où ce dépassement n'est pas admissible, il est possible, comme on peut le voir sur la Fig.5, de réaliser ce barreau de céramique piézoélectrique sous la forme de deux tronçons avantageusement issus du même élément de céramique et disposés bout à bout. Ces tronçons sont désignés par les références 5 et 6 sur la Fig.5. Le signal de commande 3 est toujours appliqué entre les extrémités de ce barreau, tandis que le signal 4 de génération des vibrations mécaniques est appliqué entre les extrémités accolées des tronçons 5 et 6 et leurs extémités libres. L'ensemble du barreau reçoit le signal de commande, tandis que chaque tronçon reçoit le signal alternatif de génération des vibrations mécaniques, mais dans des sens opposés, de telle manière que les effets de déplacement sur chacun des tronçons qui sont en opposition de phase, se trouvent exactement annulés. Il va de soi bien entendu que bien que l'on ait décrit un vérin comportant deux tronçons, on peut imaginer un nombre de tronçons supérieurs à condition que ce nombre soit pair. La correction ou la réduction du traînage et de l'hystérésis sera d'autant plus parfaite que les deux tronçons de céramique ont été obtenus à partir du même élément de matériau céramique. Il est également possible d'imaginer la fabrication de vérins à fort déplacement, chacun des deux tronçons pouvant être constitués par un empilement de petits éléments de faible épaisseur, les précautions nécessaires étant prises pour un bon appairage des per formances statiques et dynamiques de chacun des deux sousensembles. Sur la Fig.6, on a représenté encore un autre mode de réalisation d'un vérin selon l'invention dans lequel le barreau de matériau transducteur est constitué par un barreau de matériau magnétostrictif 7. Ce barreau comporte en fait deux tronçons 8, 9 de matériau magnétostrictif disposés dans le prolongement l'un de l'autre et entre les extrémités en regard desquels est prévu un tampon 10 de matériau magnétique non magnétostrictif qui concentre les lignes de force extérieures à chacun des tronçons 8,9 du barreau, de façon à ce que ceux-ci ne soient pas influencés mutuellement par les lignes de l'autre tronçon. Les tronçons 8,9 de ce barreau sont associés à deux bobines d'excitation principales alimentées en phase par un signal de commande 13 et à des bobines d'excitation auxiliaires 14 et 15 alimentées en opposition de phase par un signal électrique alternatif 16 de génération de vibrations mécaniques dans chacun des tronçons du barreau pour réduire les phénomènes de traînage et d'hystérésis mentionnés précédemment. On conçoit donc que grâce à cette disposition, il est possible de corriger les différentes imperfections des vérins de l'état de la technique sans compliquer de manière exagérée la structure de ces vérins, notamment grâce à la suppression des moyens de mesure de la position de l'extrémité active correspondante de ceux-ci. Selon l'utilisation de ces vérins piézocéramiques ou magnétostrictifs, dans une application considérée, par exemple dans laquelle un nombre important de vérins est rassemblé, la commande de ces différents vérins peut être soit commune, soit individuelle. Dans l'un et l'autre cas, les moyens d'élaboraton et d'adressage des signaux de génération de vibra tions mécaniques, peuvent être communs à l'ensemble des vérins ou à un sous-ensemble de vérins, à moins qu'il ne soit préféré, pour des raisons de fabrication et/ou de maintenance, que chaque vérin dispose d'une électronique standard de commande et de correction. Dans les différents exemples qui viennent d'être décrits, l'une des extrémités du vérin occupe une position fixe par rapport à un support quelconque comme par exemple une table de référence, tandis que l'autre extrémité est libre. D'autres modes de réalisation et d'utilisation peuvent également être envisagés. Un exemple d'utilisation de ces vérins est connu sous le nom de "chenille processionnaire" dans lequel un barreau de matériau céramique de grande longueur se déplace dans l'un ou l'autre sens en prenant successivement appui à l'intérieur de deux bagues ou de dispositifs de serrage équivalents, constitués eux-mêmes de matériau piézocéramique ou magnétostrictif. On pourra par exemple se reporter aux documents US-A-3 902 084 et US-A-3 902 085 pour des renseignements complémentaires concernant la structure et le fonctionnement de cette chenille. Le processus de reptation consiste à exciter l'une des bagues ou autre dispositif de serrage, à provoquer l'extension du barreau, à provoquer le serrage de l'autre bague ou dispositif de serrage, puis à désexciter la première bague et enfin le barreau. On peut ensuite recommencer le cycle d'excitation et de désexcitation pour que le barreau poursuive pas à pas sa reptation dans une direction. En inversant le cycle, la reptation du barreau se produit dans l'autre sens. Pour faire en sorte qu'après un déplacement de N pas dans un sens puis de N pas dans l'autre sens, l'une et l'autre des extrémités du barreau reviennent aux positions exactes qu'elles occupaient avant ce double déplacement, il est nécessaire d'éliminer l'hystérésis dans le processus d'élongation/contraction du barreau céramique en utilisant par exemple des vérins selon l'invention. REVENDICATIONS 1. Vérin du type comportant un barreau de matériau transducteur (2;7) à pilotage électrique, ca ractérisé en ce qu'il comporte des moyens de génération de vibrations mécaniques dans le barreau, afin de réduire les phénomènes de traînage et d'hystérésis de celui-ci. 2. Vérin selon la revendication 1, dans lequel le barreau de matériau transducteur est un barreau de céramique piézoélectrique (2) aux bornes duquel est appliqué un signal de commande (3), caractérisé en ce qu'un signal électrique alternatif (4) de génération des vibrations mécaniques est également appliqué aux bornes de ce barreau (2). 3. Vérin selon la revendication 2, caractérisé en ce que le barreau de céramique piézoélectrique comporte deux tronçons (5,6) disposés bout à bout, le signal de commande (3) étant appliqué entre les extrémités du barreau, tandis que le signal de génération des vibrations mécaniques (4) est appliqué entre les extrémités accolées des tronçons (5,6) et leurs extrémités libres. 4. Vérin selon la revendication 3, caractérisé en ce que les deux tronçons (5,6) du barreau de céramique piézoélectrique sont issus du même élément de matériau céramique. 5. Vérin selon la revendication 1, dans lequel le barreau (7) de matériau transducteur est un barreau de matériau magnétostrictif associé à une bobine principale (11,12) d'excitation aux bornes de laquelle est appliqué le signal de commande (13), caractérisé en ce qu'une bobine d'excitation auxiliaire (14,15) aux bornes de laquelle est appliqué un signal électrique alternatif (16) est associée au barreau (7) pour engendrer les vibrations mécaniques dans celui-ci. 6. Vérin selon la revendication 5, caractérisé en ce que le barreau (7) comporte deux tronçons (8,9) disposés dans le prolongement l'un de l'autre et entre les extrémités en regard desquels est prévu un tampon (10) de matériau magnétique non magnétostrictif, en ce que deux bobines d'excitation principales (11,12) alimentées en phase par le signal de commande (13) sont associées aux tronçons (8,9) et en ce que deux bobines d'excitation auxiliaires (14,15) alimentées en opposition de phase par le signal électrique alternatif (16) sont associées aux tronçons (8,9) pour engendrer les vibrations mécaniques dans ceux-ci.