Brevet FR2747512A1 — publié le 19971017

Actionneur avecun _élément commandable de longueuyr vral fait d'un matériau multifonctionnel L'invention concerne un actionneur pour grandes distances de réglage avec au moins un élément commandable, de longueur variable, fait d'un matériau multifonctionnel. On désigne par matériaux multifonctionnels les matériaux qui subissent une déformation, en réaction à une grandeur physique variable de l'extérieur, ou qui appliquent des forces de déformation, lorsque la déformation est empêchée. Des exemples de matériaux multifonctionnels sont constitués par les piézo-céramiques, les piézo-polymères, les céramiques électrostrictives et les liquides électrorhéologiques, dans lesquels la déformation voulue est obtenue par application d'un champ électrique, les alliages magnétostrictifs et les liquides magnétorhéologiques, dans lesquels la déformation voulue est obtenue par application d'un champ magnétique, ainsi que les alliages à mémoire de forme, les polymères à mémoire de forme et les systèmes de matériaux hybrides, dans lesquels la déformation voulue est obtenue par variation de la température. La déformation, pouvant être provoquée volontairement, des matériaux multifonctionnels, est exploitée pour la réalisation d'actionneurs. Le cas le plus connu est constitué par les piézo-céramiques utilisées directement comme actionneurs. Mais tous les actionneurs dans lesquels la déformation des matériaux multifonctionnels est directement utilisée, ont pour inconvénient une distance de réglage réduite. Il est donc nécessaire de prévoir pour la déformation des matériaux multifonctionnels une transmission de distance, lorsque de grandes distances de réglage doivent être réalisées. Les transmissions de distance connues sont des leviers mécaniques et hydrauliques, qui comportent toutefois un grand nombre de pièces mobiles et possèdent donc un poids élevé et sont facilement sujets à des défaillances. L'invention a donc pour but d'indiquer un actionneur du type précité, dans lequel la déformation du matériau multifonctionnel soit convertie en grandes distances de réglage, avec une construction simple et légère de l'actionneur. Suivant l'invention ce but est atteint par un actionneur pour grandes distances de réglage avec au moins un élément de longueur variable pouvant être commandé, fait d'un matériau multifonctionnel, le matériau multifonctionnel étant placé sous forme d'une couche sur une structure de support en forme de surface déformable, la structure de support et le matériau multifonctionnel étant dans une symétrie en miroir par rapport à un plan médian longitudinal de l'actionneur et la structure de support présentant, des deux côtés du plan médian longitudinal de l'actionneur, des portions courbées, qui recouvrent chacune un arc d'au moins 180 . La disposition en couche d'un matériau multifonctionnel sur une structure en forme de surface est connue en soi par la publication "IMPEDANCE MODELING OF IN- PHASE ACTUATION OF ACTUATORS BONDED ON RING STRUCTURES" (AD-Vol). 45/MD-Vol. 54, Adaptive Structures and Composite Materials: Analysis and Application; ASME 1994; pages 193 à ). Sur une structure, qui est courbée en forme de portion d'enveloppe de cylindre, des actionneurs, se présentant sous la forme de piézo- céramiques, y sont placés sur le côté intérieur et le côté extérieur. Par un actionnement des actionneurs en réaction aux oscillations de la structure, le comportement en oscillations de la structure est activement influencé. Selon la publication, a partir de la structure et de la piézo-céramique servant d'actionneur, il n'est pas réalisé le nouvel actionneur décrit ici, car la structure n'est pas déformable au sens de l'invention, mais rigide. Dans la publication, des distances de déformation de la structure ne sont absolument pas mentionnées. En revanche la déformation de la structure de support est essentielle pour l'invention. La déformation du matériau multifonctionnel est transmise ici par la structure de support, celle-ci étant elle-même déformée. Sur la structure de support on peut alors prélever les grandes distances de réglage voulues de l'actionneur. Les portions courbées recouvrent de préférence même chacune un arc de 270 , des deux côtés du plan médian longitudinal, les extrémités libres des portions courbées étant orientées à l'intérieur de l'actionneur et parallèlement entre elles et un élément de transmission de distance pouvant être relié aux extrémités libres des portions courbées. On obtient dans ce cas un guidage linéaire pour l'élément de transmission de distance. La structure de support peut être faite d'une seule partie. Les matériaux multifonctionnels convenant particulièrement bien à l'invention sont les piézo- céramiques, les piézo-polymères, les céramiques électrostrictives, les alliages magnétostrictifs, les alliages à mémoire de forme et les polymères à mémoire de forme, car ceux-ci peuvent être collés sur la structure de support ou directement déposés sur celle-ci. Comme procédé de dépôt entre par exemple en ligne de compte le revêtement à plasma. En revanche pour être utilisés dans l'invention, les liquides électrorhéologiques ou les liquides magnétorhéologiques doivent être enfermés dans un récipient déformable, qui doit être appliqué ensuite sur la structure de support. La structure de support est de préférence Plastiquement déformable et faite d'un matériau composite fibreux ou d'un alliage. La structure de support possède alors, outre ses propriétés de transmission de la déformation du matériau multifonctionnel, la fonction d'un ressort monté parallèlement au matériau multifonctionnel L'actionneur peut ainsi assurer dans l'ensemble une fonction portante, même en cas de défaillance de la commande du matériau multifonctionnel. Lorsqu'il importe d'avoir un poids aussi réduit que possible pour l'actionneur, les matériaux composites fibreux sont préférables aux alliages pour la structure de support. Dans sa position de base, la structure de support présente une courbure dans au moins une direction d'extension principale. Perpendiculairement à celle-ci, elle peut présenter un parcours non courbé. En cas de courbure constante de la structure de support, cette forme correspond à une portion d'enveloppe de cylindre. Du fait de la courbure donnée de la structure de support, on évite aussi l'équilibre instable de la structure de support en cas d'orientation plane. Il est possible de prévoir deux éléments de transmission de distance, formés dans une symétrie en miroir par rapport au plan médian longitudinal de l'actionneur. Le matériau multifonctionnel est de préférence placé au moins sur les derniers 180 de la courbure des portions courbées, devant leurs extrémités libres. Le matériau multifonctionnel peut être placé sur les deux faces de la structure de support en forme de surface. Mais suivant l'application il peut être suffisant de prévoir le matériau multifonctionnel, par exemple sur la face extérieure d'une structure de support courbée. Les matériaux multifonctionnels ont non seulement la propriété de subir une déformation, en fonction d'une grandeur physique, mais en cas de déformation extérieure de ceux-ci, il est possible aussi de prélever une grandeur physique, dont la valeur dépend de l'ampleur de la déformation. En conséquence le matériau multifonctionnel sur la structure de support peut aussi être exploité pour former un capteur de déformation pour la structure de support. Il est ainsi possible de procéder à une véritable commande de la distance de réglage, c'est- à-dire à un actionnement contrôlé de l'actionneur. Comme il a déjà été dit, la structure de support peut posséder des propriétés élastiques. En supplément il peut être intéressant de monter un ressort parallèlement à la structure de support. Avec ce ressort les propriétés élastiques effectives de la structure de support sont variables. Ceci concerne aussi bien la dureté du ressort que sa force dans la zone de travail de l'actionneur. Ces deux grandeurs sont également importantes du fait qu'elles s'opposent à la déformation de la structure de support par l'actionnement de l'élément de longueur variable, fait du matériau multifonctionnel. Le ressort peut être un ressort pneumatique, qui est entouré par la structure de support. Le ressort peut de son côté être activement commandable, afin de modifier ses effets sur les propriétés élastiques de l'ensemble de l'actionneur ou afin de réaliser même une deuxième possibilité d'influence par actionneur. Il est possible aussi de monter en parallèle à la structure de support, un ressort à rigidité négative, pour opposer des forces antagonistes aussi réduites que possible, dans la zone de travail de l'actionneur, à la déformation de l'élément de longueur variable en matériau multifonctionnel. Ces ressorts à rigidité négative sont connus en principe par exemple par le document EP-A 0 127 741. L'invention est exposée et décrite ci-après plus en détail en référence à des exemples de réalisation. La figure 1 est une vue de côté d'un détail du nouvel actionneur, la figure 2 représente une forme de réalisation du nouvel actionneur, présentant le détail de la figure 1, dans une position de base, la figure 3 représente la forme de réalisation de l'actionneur de la figure 2 dans une position activée, la figure 4 représente une construction d'essai d'une deuxième forme de réalisation de l'actionneur, la figure 5 est un schéma de principe de différents exemples concrets de réalisation fondés sur la construction d'essai de la figure 4, la figure 6 représente une autre forme de réalisation concrète de l'actionneur fondée sur le principe de la figure 4 et la figure 7 est une vue en coupe transversale de la surface d'une aile portante transsonique avec actionneurs intégrés dans la forme de réalisation de la figure 6. La figure i représente un détail d'un actionneur 1 dans une vue de côté, un détail étant encore représenté agrandi dans le cercle 2. L'actionneur 1 comporte comme constituants essentiels une structure de support 3 et des éléments 4 et 5 de longueur variable, disposés sur cette structure de support. La structure de support 3 présente une extension en forme de surface. C'est-à-dire qu'elle s'étend essentiellement dans la direction d'extension courbée, visible sur la figure 1 et perpendiculairement au plan du dessin de la figure 1, tandis que par comparaison à ceci, elle ne présente qu'une faible épaisseur. La structure de support 3 est faite ici d'un matériau composite fibreux connu en soi, dans lequel des fibres très résistantes sont noyées dans une matrice. Grâce à cette construction, la structure de support 3 possède une bonne stabilité. Néanmoins elle est élastiquement déformable dans une certaine mesure. En vue de la déformation élastique voulue de la structure de support 3, il est prévu les éléments 4 et 5 de longueur variable, qui sont placés sur les deux faces de la structure de support 3. Les éléments de longueur variable sont faits d'un matériau 6 multifonctionnel, qui est ici une piézo-céramique. Par application d'un champ électrique, la longueur des éléments 4 et 5 varie. Cette déformation est transmise à la structure de support 3. Il se produit ici une transmission au sens que la déformation de la structure de support est liée à de plus grandes distances que la déformation de base des éléments 4 et 5 de longueur variable. Mais ceci ne s'applique que si l'un des deux éléments 4 ou 5 de longueur variable est commandé individuellement au sens d'une variation de longueur ou si les deux éléments 4 et 5 de longueur variable sont commandés en sens contraire, c'est- à-dire par exemple l'élément 4 vers une augmentation de longueur et l'élément 5, vers une diminution de longueur. La direction dans laquelle la variation de longueur des éléments 4 et 5 est provoquée dans l'actionneur 1, coïncide avec la direction d'extension courbée, visible sur la figure 1, des éléments. Mais la déformation résultante de la structure de support s'effectue aussi perpendiculairement à ceci dans le plan du dessin de la figure 1. Les éléments 4 et 5 de longueur variable peuvent aussi être en forme de surface comme la structure de support 3. Mais une conformation en ligne ou en bande est également possible, plusieurs éléments 4 ou 5 de longueur variable pouvant être dans ce cas disposés l'un derrière l'autre dans le sens d'observation de la figure 1. Dans chaque cas les éléments 4 et 5 sont parallèles à la structure de support 3. L'épaisseur des éléments 4 et 5 de longueur variable sur la structure de support 3 est aussi réduite que possible, afin de provoquer de grandes déformations de la structure de support, avec de petites déformation du matériau 6 multifonctionnel. La figure 2 représente un actionneur 1, qui présente le détail de la figure 1. Plus précisément, l'actionneur 1 selon la figure 2 présente deux structures de support 3 en forme d'enveloppes de demi- cylindre avec des éléments 4 et 5 de longueur variable en matériau multifonctionnel. La courbure des deux structures de support 3 en forme d'enveloppe de demi-cylindre recouvre chaque fois un arc de 180 . Les deux structures de support sont disposées dans une symétrie en miroir par rapport à un plan médian longitudinal 7 de l'actionneur 1. Les extrémités libres des structures de support 3 en forme d'enveloppes de demi-cylindre sont fixées sur deux éléments de transmission de distance 8 et 9 opposés l'un à l'autre, qui de leur côté sont dans une symétrie en miroir par rapport au plan médian longitudinal 7. La figure 3 représente une possibilité d'actionnement de l'actionneur 1. Par commande de l'élément 4 de longueur variable sur la structure de support 3 gauche à peu près en forme d'enveloppe de demi-cylindre dans le sens d'une diminution de longueur ou de l'élément 5 correspondant dans le sens d'une augmentation de longueur, les deux éléments de transmission de distance 8 et 9 à gauche du plan médian longitudinal 7 se déplacent l'un vers l'autre, c'est-à-dire que l'élément de transmission de distance 8 est basculé dans le sens de la flèche 13, par rapport à l'élément de transmission de distance 9. Par une commande simultanée dans le même sens des éléments 4 et 5 de longueur variable sur la structure de support 3 droite en forme d'enveloppe de demi-cylindre, on obtiendrait au total un déplacement des éléments de transmission de distance 8 et 9 l'un vers l'autre. Si le matériau céramique 6 est par exemple une piézo-céramique, il peut être appliqué par revêtement à plasma sur la structure de support 3 en matériau composite aux fibres. De même les éléments 4 et 5 de longueur variable peuvent d'abord être formés séparément du matériau 6 multifonctionnel, avant d'être par exemple collés sur la structure de support 3. A la place de l'utilisation d'une piézo- céramique pour le matériau multifonctionnel, on peut utiliser aussi d'autres matériaux multifonctionnels. De même la structure de support 3 peut être faite non pas d'un matériau composite aux fibres, mais par exemple d'un alliage métallique avec des constantes d'élasticité appropriées. La figure 4 représente une construction d'essai de l'actionneur 1, dans laquelle la structure de support 3 est certes formée à nouveau d'un matériau multifonctionnel aux fibres, mais dans laquelle on utilise comme matériau multifonctionnel un alliage à mémoire de forme. La structure de support 3 dans l'actionneur 1 de la figure 4 est faite d'une seule partie et est disposée dans une symétrie en miroir par rapport au plan médian longitudinal 7. Elle se compose d'une portion 10 rectiligne et de deux portions en forme de portions d'enveloppe de cylindre latéralement adjacentes à celle-ci, qui recouvrent chacune un arc de 270 . Les deux extrémités libres de la structure de support 3 sont orientées vers l'intérieur et parallèlement entre elles. Avec une colle à l'araldite, deux fils plats au nickel au titane 11 et 12 d'une épaisseur de 0, 1 mm sont collés sur les deux derniers 180 , devant les extrémités libres de la structure de support 3. L'épaisseur de la structure de support 3 est d'un millimètre. Les fils plats en nickel et titane 11 et 12, faits d'un alliage à mémoire de forme, servent d'éléments 5 de longueur variable. Il leur est conféré un comportement à deux sens (effet deux sens), c'est-à-dire que lors d'un cycle de chauffage et de refroidissement, ils se rétractent ou s'allongent. La variation relative de longueur est dans ce cas d'environ 2 %. La température de commutation des fils plats au nickel et titane pour cette variation de longueur est de 65 C. Lorsque l'on chauffe l'ensemble de l'actionneur i de la figure 4 au-delà de cette température de commutation, les extrémités libres de la structure de support 3 se déplacent de 10 mm, dans le sens de la flèche 13. Par rapport à une hauteur totale 14 de l'actionneur 1 de 20 mm dans l'état de base de l'actionneur 1, la variation relative de longueur est de 50 %. Ceci est une valeur tout à fait étonnante en particulier compte tenu de la construction simple de l'actionneur 1. L'extension de l'actionneur 1 de la figure 4 perpendiculairement au plan du dessin est de 25 mm. La figure 5 représente différentes possibilités d'actionner l'actionneur 1 de la figure 4, sans qu'il soit nécessaire de l'introduire en entier dans un four. Il existe d'abord la possibilité indiquée sur la moitié gauche de la figure 5, de mettre directement en contact le fil plat au nickel et titane avec une source de tension 15, afin de le chauffer directement suivant le principe d'un chauffage à résistance. Dans la moitié droite de la figure il est représenté en revanche un chauffage indirect du fil plat au nickel et titane 11 suivant le principe du chauffage à résistance. A cet effet le fil plat au nickel et titane 11 est entouré d'un fil chauffant 16, qui est raccordé à une alimentation en tension 17. Comme troisième possibilité, l'intérieur de la structure de support 3 peut recevoir de l'air chaud 19, provenant d'une source d'air chaud 18, les fils plats au nickel et titane 11 et 12 étant de ce fait également chauffés au-delà de la température de commutation. Mais ceci est énergétiquement plus défavorable que le chauffage contrôlé des fils plats au nickel et titane 11 et 12 à l'aide de la source de tension 17 ou 15. Dans le cas de l'utilisation de piezo-céramiques comme matériaux 6 multifonctionnels, celles-ci peuvent être raccordées, comme sur la moitié gauche de la figure 5, avec des électrodes prévues sur la structure de support 3, à une source de tension, pour provoquer le champ électrique voulu. La figure 6 représente un actionneur 1 qui correspond essentiellement à la construction des figures 4 et 5. Mais contrairement à celle-ci, il est prévu en supplément à l'élément 5 de longueur variable, sur le côté extérieur de la structure de support, également un élément 4 de longueur variable sur le côté intérieur de la structure de support. En outre la structure de support 3 est hermétiquement fermée et enferme un ressort pneumatique 20. Les propriétés élastiques du ressort pneumatique 20 sont variables par introduction d'air comprimé 21 avec une source d'air comprimé 22. Dans ce cas il se produit une rétroaction avec la source d'air comprimé 22, en ce qu'une portion du matériau 6 multifonctionnel est conformée en capteur de déformation 23 pour la structure 3. Dans le cas d'une piézo-céramique comme matériau multifonctionnel, le signal 24 du capteur de déformation 23 est par exemple une tension. Le ressort pneumatique 20 est monté en parallèle à la structure de support 3, en ce qui concerne ses propriétés élastiques, et sert à optimiser ces propriétés élastiques dans la zone de travail du capteur 1. Comme éléments de transmission de distance 9 et 8 de l'actionneur 1 selon la figure 6, on a recours à sa surface d'appui 25 et à un raidisseur 26. Le raidisseur 26 est encliqueté avec une surépaisseur 27 dans un évidement 28, dans un élément de fixation 29. L'élément de fixation 29 relie les deux extrémités libres de la structure de support 3 et y assure une fermeture étanche à l'air en vue de la retenue du ressort pneumatique 20. L'utilisation de l'actionneur 1 de la figure 6 dans une application concrète est représentée sur la figure 7. La figure 7 montre comme détail la zone supérieure d'une aile portante transsonique. La face supérieure 30 de l'aile présente un creux 31 qui est recouvert par une enveloppe de couverture 32 flexible. Sous l'enveloppe de couverture 32 plusieurs actionneurs 1 selon la figure 6 sont disposés l'un derrière l'autre. Lors de l'activation des actionneurs 1 leurs raidisseurs 26 agissent sur l'enveloppe de couverture flexible, ce qui en un point voulu de la face supérieure de l'aile peut provoquer ce qu'il est convenu d'appeler une bosse laminaire. REVENDICATIONS 1. Actionneur pour grandes distances de réglage avec au moins un élément commandable, de longueur variable, fait d'un matériau (6) multifonctionnel, le matériau (6) multifonctionnel étant placé sous forme d'une couche sur une structure de support (3) en forme de surface déformable, la structure de support (3) et le matériau (6) multifonctionnel étant dans une symétrie en miroir par rapport à un plan médian longitudinal (7) de l'actionneur (1) et la structure de support (3) présentant, des deux côtés du plan médian longitudinal (7) de l'actionneur (1), des portions courbées, qui recouvrent chacune un arc d'au moins 180 . 2. Actionneur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les portions courbées recouvrent chacune un arc de 270 , des deux côtés du plan médian longitudinal (7) de l'actionneur (1). 3. Actionneur selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les extrémités libres des portions courbées sont orientées à l'intérieur de l'actionneur et parallèlement entre elles et un élément de transmission de distance (8) est relié aux extrémités libres des portions courbées. 4. Actionneur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la structure de support est faite d'une seule partie. 5. Actionneur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le matériau (6) multifonctionnel est placé au moins sur les derniers 180 de la courbure des portions courbées, devant leurs extrémités libres. 6. Actionneur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le matériau (6) multifonctionnel est une piézo-céramique, un piézo- polymère, une céramique électrostrictive, un alliage magnétostrictif, un alliage à mémoire de forme ou un polymère à mémoire de forme. 7. Actionneur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le matériau (6) multifonctionnel est collé sur la structure de support (3) ou déposé directement sur la structure de support (3). 8. Actionneur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la structure de support (3) est déformable élastiquement et est faite d'un matériau composite fibreux ou d'un alliage. 9. Actionneur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la structure de support (3) présente un parcours non courbé perpendiculairement à la direction dans laquelle les portions courbées présentent leur courbure. 10. Actionneur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le matériau (6) multifonctionnel forme, sur les deux faces de la structure de support (3) en forme de surface, des éléments (4 et 5) de longueur variable. 11. Actionneur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le matériau (6) multifonctionnel forme un capteur de déformation (23) pour la structure de support (3). 12. Actionneur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'un ressort est monté parallèlement à la structure de support (3). 13. Actionneur selon la revendication 12, caractérisé en ce que la structure de support (3) entoure un ressort pneumatique (20). 14. Actionneur selon l'une quelconque des revendication 12 ou 13, caractérisé en ce que le ressort est commandable activement.