Brevet FR2769768A1 — publié le 19990416

La présente invention est relative à des actionneurs amplifiés à matériaux piezoélectriques ou électrostrictifs. II existe à bord des aéronefs deux types de commande de vol - les commandes primaires qui servent à commander les mouvements immédiats de l'avion; ce sont en général des volets situés dans les bords de fuite des ailes - les commandes de vol secondaires qui servent à régler la configuration aérodynamique de l'aéronef en conformité avec les phases de vol. On trouve dans cette catégorie les becs et volets hypersustentateurs et le plan fixe arrière. Les caractéristiques demandées aux actionneurs de ces surfaces sont extrêmement différentes: Les commandes primaires doivent en effet supporter une bande passante supérieure à la largeur du spectre des mouvements de l'avion, assurer un fonctionnement permanent, permettre un retour à la position neutre en cas de coupure de l'énergie. Les commandes secondaires doivent quant à elles présenter une bande passante faible, pour un fonctionnement intermittent, et permettre de maintenir la dernière position en cas de coupure de l'énergie. Ces commandes sont en général réalisées par des dispositifs hydrauliques qui, pour les commandes primaires, sont à commande directe et pour les commandes secondaires réalisent la commande à travers des moyens formant réducteur mécanique. Ce sont ces moyens formant réducteur mécanique, qui dans le deuxième cas assurent l'irréversibilité demandée. Pour diverses raisons (maintenance, pollution, risque d'incendie, etc...), les constructeurs d'avion cherchent à réduire la part de l'hydraulique dans la commande au profit de commandes électriques. Cependant, la technologie des moteurs électromagnétiques associés aux moyens formant réducteur conduit à des équipements dont la masse est trop élevée. Un but de l'invention est de proposer des moteurs à base de matériaux piezoélectriques ou électrostrictifs aptes à présenter des densités d'énergie élevée et capables de supporter des contraintes élevées, et constituant par conséquent des candidats intéressants pour la commande primaire. II a déjà été proposé de réaliser des actionneurs au moyen de moteurs à vibrations, dans lesquels des vibrations tangentielles et normales générées sur un stator sont transformées en mouvement continu grâce au frottement du contact mécanique entre ledit stator et le rotor. Pour une présentation générale d'applications de ce type de moteur aux commandes de vol secondaires, on pourra par exemple se référer à: Actionneurs - Des matériaux piézoélectriques pour les commandes du futur - Usine nouvelle - 31 octobre 1996 - n"2568 Des commandes de vol piézoélectriques - Air et Cosmos/Aviation International - ne1602 - 28 février 1997 Toutefois, ce type de moteur ne peut être utilisé pour réaliser des commandes primaires, étant donné que le fonctionnement permanent conduit à une usure trop rapide de l'interface et au maintien de la dernière position en cas de coupure de l'énergie. Une autre solution, également déjà proposée, consiste à utiliser directement le déplacement piezoélectrique pour réaliser le débattement limité de la gouverne. Comme les matériaux piezoélectriques sont capables de très fortes contraintes mais ne permettent que de très faibles déplacements, il convient de les inclure dans des structures qui augmentent le déplacement afin qu'ils soient compatibles avec le mouvement demandé pour les gouvernes. Ces dispositifs sont communément appelés amplificateurs bien que l'énergie d'entrée reste toujours plus grande que l'énergie de sortie. Des structures d'actionneurs amplifiés ont par exemple été décrites dans: A new amplifier piezoelectric actuator for precise positioning and semi-passive damping - R. Le Letty, F. Claeyssen, G. Thomin - 2nd space microdynamics and accurate control symposium - 13-16 Mai 1997 Toulouse. Dans cet article, il était proposé d'utiliser comme amplificateur en sortie de l'actionneur piézoélectrique un amplificateur mécanique élastique. D'autres encore ont proposé d'utiliser comme amplificateur des moyens de conversion hydraulique (c. f. article déjà cité paru dans Usine Nouvelle). Toutefois, ces solutions ne sont pas satisfaisantes. La structure qui réalise la conversion doit en effet être plus rigide que l'actionneur de base faute de quoi l'énergie de l'actionneur de départ sert à déformer la structure de conversion au détriment de l'énergie de sortie. Et cette rigidité est souvent obtenue par l'emploi de pièces massives, ce qui réduit considérablement l'avantage initial de légèreté et de densité d'énergie élevée. C'est donc l'objet de l'invention de proposer une structure rigide et légère convertissant les petits déplacements piezoélectriques élémentaires en grands déplacements. A cet effet, l'invention propose quant à elle un actionneur piezoélectrique ou électrostrictif, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité d'empilements de blocs élémentaires piezoélectriques ou électrostrictifs, qui sont répartis de façon à former une structure tubulaire, ainsi que des moyens formant électrodes permettant d'appliquer sur lesdits blocs élémentaires des tensions déformant lesdits blocs élémentaires de telle sorte que la structure tubulaire se vrille. La description qui suit est purement illustrative et non limitative. Elle doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels: - La figure 1 est une représentation schématique en perspective d'un actionneur conforme à un mode de réalisation possible de l'invention. - La figure 2 est une représentation développée de la structure active de l'actionneur de la figure 1. - La figure 3 est une représentation semblable à celle de la figure 2 illustrant le fonctionnement de la structure active. - La figure 4 est une représentation développée d'une autre variante de réalisation possible dans la structure active. - La figure 5 illustre le glissement entre deux pavés des moyens de séparation de la structure de la figure 4. - La figure 6 est une représentation en coupe transversale de l'actionneur de la figure 1. - La figure 7 est une représentation schématique en perspective illustrant un mode de réalisation possible pour l'enveloppe de précontrainte. - La figure 8 est une représentation en perspective illustrant un mode de réalisation possible pour des moyens de séparation. - Les figures 9a à 9d sont des représentations schématiques illustrant différents étapes de réalisation de l'actionneur de la figure 1. - Les figures 10 et 1 1 sont des représentations semblables à celles des figures 2 et 3 illustrant un autre mode de réalisation possible de l'invention. - La figure 12 est une représentation semblable à celle de la figure 10 illustrant une autre variant de réalisation encore possible. L'actionneur conforme à un mode de réalisation possible qui est illustré sur la figure 1 a une forme cylindrique et comporte une structure active 1 tubulaire, ainsi qu'une enveloppe de précontrainte 2 dans laquelle la structure active 1 est montée. II comporte en outre éventuellement un noyau central 3, qui sert principalement à la construction de l'actionneur et qui, comme cela sera explicité plus loin de façon détaillée, peut le cas échéant être retiré à la fin de la fabrication. Cet actionneur cylindrique prend un mouvement de torsion important autour de son axe de révolution lorsque l'on applique une tension de commande sur son enveloppe de précontrainte. Cette torsion peut, avec les structures actives 1 qui vont être décrites, atteindre 0,25 rd soit 15". La figure 2 représente sous forme développée une petite hauteur d'une structure active 1 conforme à un mode de réalisation possible. L'axe A représente la direction de l'axe du cylindre. Les rectangles comportant une flèche dessinée en leur centre représentent des blocs de matériau piezoélectrique ou électrostrictifs, qui ont été référencés par 4. Ces blocs 4 sont soit des blocs massifs de céramique, soit des blocs multicouche. Dans le premier cas, le sens de la flèche correspond à l'orientation de la polarisation. Dans le second cas, le sens de la flèche correspond à l'orientation de la polarisation des couches extrêmes. Les blocs 4 sont empilés dans la hauteur de la structure et chaque couche d'empilement est constituée d'une pluralité de blocs 4 qui sont juxtaposés de façon à se refermer annulairement et à constituer une rondelle R. Sur une même couche d'empilement, les blocs 4 successifs sont séparés deux à deux par des éléments de séparation 5 inertes (pavés), qui s'étendent chacun sur deux couches d'empilement. Ces éléments de séparation sont en des matériaux de raideurs plus élevées que celles de la céramique des blocs 4. Ils sont par exemple en acier. Les éléments de séparation 5 successifs d'une même couche d'empilement s'étendent alternativement à travers l'un et l'autre des deux couches d'empilement de part et d'autre de la couche d'empilement considérée et constituent des éléments de séparation pour les blocs 4 de respectivement l'une et l'autre de ces deux couches. Deux éléments de séparation 5 successifs dans la hauteur de l'axe A de la structure sont en contact l'un avec l'autre, mais sont aptes à se décaler l'un par rapport à l'autre. Les sens de polarisation des blocs 4 (ou de leurs couches externes dans le cas de matériau multicouches) sont alternés d'une couche d'empilement à une autre. Si l'on applique une tension alternée (+V, -V) sur les alignements selon l'axe A des éléments de séparation 5, on produit un mouvement de décalage de chaque couche par rapport à sa voisine. Du fait de l'alternance des champs dans chaque rondelle R et de l'alternance de polarisation d'une rondelle R à l'autre le décalage est toujours dans le même sens. C'est ce qu'illustre la figure 3. En supposant que la déformation du matériau des éléments de séparation 5 (métal) est négligeable par rapport à celle de la céramique des blocs 4 (grande différence de module d'Young) et que les éléments 5 se déplacent en restant parallèle à eux-mêmes, on a en première approximation: e = 2xAE. m/n K = (E/2Z4)(n21m2)R.AR.I avec O = torsion maximale de l'arbre sous tension m = nombre de couches dans le cylindre E = déformation relative maximale sous champ de la céramique = = rapport volume de céramique p tar rapport au volume totla métal + céramique, R = rayon externe de la structure active, K = raideur en torsion de l'arbre n = nombre de pavés de céramique dans une rondelle E = module d'Young de la céramique, AR = différence entre le rayon externe et le rayon interne de la couche active, I = longueur de l'actionneur. A l'aide de ces deux formules, on peut choisir les caractéristiques que l'on désire pour l'arbre que constitue l'actionneur cylindrique. On voit que le rapport limon représente le coefficient d'amplification mécanique. On cherche pour un grand rapport à avoir un grand nombre de couches avec un minimum de blocs par couche. Le rapport 11 doit également être élevé mais il convient de le laisser plus faible que 0,5. En effet, lorsque ce rapport augmente, les éléments de séparation 5 métalliques subissent un mouvement de torsion préjudiciable au fonctionnement du dispositif. Pour pouvoir augmenter pt tout en évitant au mieux ce phénomène, on peut avantageusement remplacer les éléments de séparation 5 individuels par des éléments de séparation constituées de bandes 6, par exemple métalliques, qui sont parallèles à l'axe A du cylindre et dans lesquelles sont intégrées des fentes 7. Une variante en ce sens est illustrée sur la figure 4. Les fentes 7 d'une bande 6 sont séparées d'une distance qui correspond à la hauteur de deux couches de blocs 4 successives. D'une bande à l'autre, ces fentes 7 sont décalées de la hauteur d'une couche de blocs 4. Avec une telle structure, la masse métallique (pavé) entre deux fentes 7 successives d'une bande représente l'équivalent d'un élément de séparation 5 dans la structure décrite en référence aux figures 2 et 3 et lesdites fentes 7 simulent des liaisons entre les éléments de séparation 5 qui autorisent le glissement d'un élément 5 par rapport à l'autre et limitent le basculement. Une déformation de la zone d'une bande 6 autour d'une fente 7 est illustrée sur la figure 5. On notera que les fentes 7 éliminent une grande partie des contraintes de cisaillement qui sont uniformément réparties dans la surface lors de la translation et maximise les contraintes de tractiontcompression qui sont importantes sur les bords du éléments de séparation 5 lors d'un basculement. L'enveloppe de précontrainte 2 est réalisée pour chaque couche du cylindre à l'aide d'une bague de précontrainte 8 qui serre l'ensemble métal/céramique de la façon qui est illustrée sur la figure 5. On utilise avantageusement pour réaliser les bagues de pécontrainte 8 un alliage à mémoire de forme avec un grand hystéresis en température du type Ni-Ti-Nb. Dans sa phase basse température obtenue par trempage dans l'azote liquide cette bague 8 présente à température ordinaire un diamètre intérieur suffisant pour construire l'alternance céramique-métal. En chauffant à plus de 1500C la bague 8 prend sa structure haute température en se resserrant et assure ainsi la précontrainte. Elle garde cette structure même en revenant aux températures usuelles d'utilisation ( - 60"C à + 100 C). Pour éviter les courts-circuits entre les circuits d'alimentation + V et V, seule une bande 6 (ou un élément de séparation 5) sur deux est en contact avec la bague 8. Le contact est préférentiellement assuré par des plots de contact 10. Et pour homogénéiser la précontrainte, on alterne d'une couche à l'autre la répartition des plots de contact. Ceci a pour résultat que chaque bague de précontrainte 8 est à un potentiel opposé à celui de sa voisine immédiate. II convient donc, ainsi que l'illustre la figure 7, d'intercaler entre les bagues de précontrainte 8 des rondelles d'isolement électrique 9. Un exemple de structure possible pour une bande 6 de séparation a été illustré sur la figure 8. La bande 6 illustrée sur cette figure comporte une succession de protubérances formant plots de contact 10 alternant avec des renfoncements 11, chaque plot 10 et renfoncement 1 1 correspondant à une couche de la structure active 1. Cette solution est préférée car elle assure une bonne continuité électrique et permet de transmettre la précontrainte d'une couche à l'autre par les bordures ou lames latérales 12 qui s'étendent le long des bandes 6, de part et d'autre des fentes. Ainsi, même les zones des bandes 6 qui correspondent à des renfoncements 1 1 et qui ne sont pas en contact avec la bague de précontrainte 8 de la couche qui leur correspond, sont maintenues par les bagues 8 des couches immédiatement voisines. Un autre avantage de cette solution est la parfaite continuité électrique. Avantageusement, la structure qui vient d'être décrite se réalise de la façon suivante (figures 9a à 9d) a. On prend un tube externe 13 dans lequel on empile une alternance de bagues 8 de précontrainte en phase basse température et de rondelles isolantes 9 (figure 9a), b. Sur un noyau 3 interne cylindrique de surface isolante, on colle temporairement ou non le long des génératrices des bandes 6 métalliques fendues. Ces bandes sont décalées le long de la génératrice de l'épaisseur d'une couche (figure 9b). c. On introduit le noyau et ses bandes dans le tube formé par les rondelles de précontrainte (figure 9c). d. Dans les logements restant entre les bagues 8, les bandes 6 et le noyau 3, on introduit des blocs de céramique de façon que l'orientation orthoradiale de la polarisation soit la même dans chaque couche de l'empilement ainsi réalisé et soit alternée d'une couche à l'autre. e. On chauffe l'ensemble ou l'extérieur de façon à provoquer le changement de phase des bagues de précontrainte 8. La température à laquelle lesdites bagues sont portées doit être inférieure à la température de Curie des céramiques pour ne pas provoquer la dépolarisation. f. Selon l'utilisation ultérieure, on retire ou non le tube externe 13 et/ou le noyau intérieur 3. Si le noyau intérieur est laissé en place, il doit présenter, grâce à sa souplesse propre ou celle de son enveloppe isolante, une raideur bien plus faible que celle de la structure active. Ledit noyau 3 peut comprendre en son centre une tige permettant d'appliquer une précontrainte axiale. D'autres variantes de réalisation sont bien entendu encore possibles. En particulier, dans la description qui précède on a implicitement supposé que les blocs 9 étaient en des céramiques qui travaillaient en s allongeant ou se rétractant (coefficients de déformation piezoélectrique D33 ou D31. Toutefois, des céramiques travaillant en cisaillement (coefficient D15) peuvent également être envisagées. Des céramiques piezoélectrique de ce type existent aujourd'hui sous forme de céramiques massives. Et, étant donné que des tensions de plusieurs centaines de volts peuvent être utilisées sur les actionneurs de vol, I'emploi de telles céramiques est envisageable. On a illustré sur les figures 10 et Il une structure d'actionneur conforme à l'invention dans laquelle les blocs, référencés par 104, sont en des matériaux piezoélectiques travaillant an cisaillement. Ces blocs 104 sont empilés dans la hauteur de la structure (axe A) avec une alternance de leur polarisation. Deux blocs successifs 104 d'un même empilement sont séparés par une métallisation formant électrode 120, lesdites métallisations 120 étant alternativement reliées dans la hauteur de la structure active aux bandes de séparation 106 conductrices, disposées d'un côté ou de l'autre dudit empilement. Ainsi, en appliquant alternativement un potentiel +V ou -V aux éléments de séparation 106, on déforme la structure de la façon qui est illustrée sur la figure 11. Dans l'exemple illustré sur les figures 10 et 11, les blocs 104 d'une même couche dans la hauteur de la structure présentent des polarisations dans le même sens et - en représentation développée - la répartition des lames 120 est symétrique de part et d'autre des éléments de séparation 106. Toutefois, il n'est aucunement nécessaire que la polarisation des blocs 104 soit la même pour tous les blocs 104 d'une même couche d'empilement. La polarisation peut dans une même couche être alternée d'un bloc 104 à un autre les métallisations 120 de deux blocs 104 successifs dans une même couche sont alors reliées à deux éléments de séparation 106 différents. Ainsi, I'invention concerne un actionneur piezoélectrique ou électrostrictif, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité d'empilements de blocs élémentaires piezoélectriques ou électrostrictifs, qui sont répartis de façon à former une structure tubulaire, ainsi que des moyens formant électrodes permettant d'appliquer sur lesdits blocs élémentaires des tensions déformant lesdits blocs élémentaires de telle sorte que la structure tubulaire se vrille. Cet actionneur peut être complété par les différentes caractéristiques suivantes: - les blocs élémentaires travaillent en allongement/rétractation et sont empilés avec une polarisation alternée dans la hauteur de la structure tubulaire, - les empilements peuvent alors être séparés deux à deux par des moyens de séparation qui s'étendent selon la hauteur de la structure et les éléments de séparation sont constitués d'une succession de pavés qui présentent chacun une hauteur correspondant au moins à la hauteur de deux blocs élémentaires, ces pavés étant aptes à glisser les uns sur les autres et étant d'un raideur supérieure à celle des blocs élémentaires, les zones de séparation entre les pavés superposés selon une même hauteur étant, d'un moyen de séparation à un autre, décalés dans la hauteur de la structure, - les moyens de séparation peuvent également être constitués par des bandes qui présentent une pluralité de fentes qui délimitent deux à deux les pavés, - ou encoure, les moyens de séparation peuvent être constitués par une pluralité d'éléments de séparation qui sont superposés et qui constituent chacun un pavé élémentaire, - également encore, les moyens formant électrodes peuvent être constitués par les moyens de séparation. REVENDICATIONS 1. Actionneur piezoélectrique ou électrostrictif, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité d'empilements de blocs élémentaires piezoélectriques ou électrostrictifs, qui sont répartis de façon à former une structure tubulaire, ainsi que des moyens formant électrodes permettant d'appliquer sur lesdits blocs élémentaires des tensions déformant lesdits blocs élémentaires de telle sorte que la structure tubulaire se vrille. 2. Actionneur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les blocs élémentaires travaillent en allongemenurétractation et en ce qu'ils sont empilés avec une polarisation alternée dans la hauteur de la structure tubulaire. 3. Actionneur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les empilements sont séparés deux à deux par des moyens de séparation qui s'étendent selon la hauteur de la structure et en ce que les éléments de séparation sont constitués d'une succession de pavés qui présentent chacun une hauteur correspondant au moins à la hauteur de deux blocs élémentaires, ces pavés étant aptes à glisser les uns sur les autres et étant d'un raideur supérieure à celle des blocs élémentaires, les zones de séparation entre les pavés superposés selon une même hauteur étant, d'un moyen de séparation à un autre, décalés dans la hauteur de la structure. 4. Actionneur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de séparation sont constitués par des bandes qui présentent une pluralité de fentes qui délimitent deux à deux les pavés. 5. Actionneur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de séparation sont constitués par une pluralité d'éléments de séparation qui sont superposés et qui constituent chacun un pavé élémentaire. 6. Actionneur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens formant électrodes sont constitués par les moyens de séparation 7. Actionneur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les blocs élémentaires travaillent en cisaillement. 8. Actionneur selon la revendication 7, caractérisé en ce que deux blocs élémentaires successifs dans la hauteur d'un même empilement présentent des métallisations formant électrode sur leurs faces en regard. 9. Actionneur selon la revendication 8, caractérisé en ce que les empilements de blocs élémentaires sont séparés par des moyens de séparation électriquement conducteurs auxquels les métallisations formant électrode sont reliées. 10. Actionneur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les blocs élémentaires sont répartis en rondelle dans la hauteur de la structure tubulaire. 11.Actionneur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une enveloppe de précontrainte dans laquelle la structure tubulaire à blocs élémentaires est disposée. 12. Actionneur selon les revendications 10 et 11, caractérisé en ce que l'enveloppe de précontrainte comprend une pluralité de bagues assurant chacune la précontrainte d'une rondelle de blocs élémentaires de la structure tubulaire. 13.Actionneur selon la revendication 12 prise en combinaison avec l'une des revendications 6 ou 9, caractérisé en ce que les bagues sont électriquement conductrices et en ce qu'il comporte une pluralité de plots de contacts répartis dans la hauteur de la structure entre les moyens de séparation et les bagues de précontraintes. 14.Actionneur selon la revendication 13 prise en combinaison avec la revendication 4, caractérisé en ce que les plots de contact sont répartis de façon a être en contact avec un pavé sur deux. 15.Actionneur selon l'une des revendications 13 et 14, caractérisé en ce que les bagues sont séparées par des rondelles électriquement isolantes. 16.Actionneur selon l'une des revendications 12 à 15, caractérisé en ce que l'enveloppe ou les bagues de précontrainte est ou sont en un alliage à mémoire de forme. 17. Procédé pour la réalisation d'un actionneur selon les revendications 15 et 16 prises en combinaison, caractérisé en ce que a. On empile dans un tube externe une alternance de bagues de précontrainte en phase basse température et de rondelles isolantes, b. On colle le long des génératrices d'un noyau interne cylindrique de surface isolante, des bandes métalliques fendues, en les décalant deux à deux, le long dudit noyau, d'une demi épaisseur de noyau. c. On introduit le noyau et ses bandes dans la structure tubulaire que constituent les bagues de précontrainte et les rondelles. d. On introduit les blocs élémentaires dans les logements entre les bagues, les bandes et le noyau. e. On chauffe l'ensemble de façon à provoquer le changement de phase des bagues de précontrainte.