Brevet FR2772210A1 — publié le 19990604

La présente invention concerne un actionneur pié- zo-électrique comprenant au moins un élément solide, dont la longueur varie par application d'une tension électrique et un mécanisme démultiplicateur amplifiant la course de l'élément solide. Les actionneurs de ce type comportant un élément solide piézo-électrique qui se dilate dans la direction lon- gitudinale et se contracte dans la direction transversale lorsqu'on lui applique une tension électrique, se caractéri- sent par une vitesse de mise en oeuvre élevée, le développe- ment d'une force importante et une résolution élevée; mais les variations de longueur de l'élément solide, induites électriquement, sont toutefois trop faibles, de sorte qu'il faut leur associer un mécanisme démultiplicateur pour conver- tir les variations de longueur de l'élément solide, cinémati- quement en une course plus importante d'un multiple pour l'actionneur. Par exemple l'actionneur décrit dans le document US A 937 489, correspondant au type défini ci-dessus, com- porte un mécanisme de démultiplication composé d'un système de leviers formé de leviers simples, massifs, reliés en une seule pièce par des points d'articulation locale réalisés par des entailles élastiques en flexion. Un tel système de le- viers exige une précision de fabrication extrêmement poussée pour amplifier les mouvements de l'élément solide avec un rapport de démultiplication élevé, une grande fiabilité et une faible perte de course. La présente invention a pour but de développer un actionneur piézo-électrique du type défini ci-dessus pour ré- duire considérablement le moyens à mettre en oeuvre et per- mettre d'obtenir néanmoins une augmentation de la course de réglage, de grande qualité, à faible perte de course pour l'élément solide. A cet effet, l'invention concerne un actionneur du type défini ci- dessus, caractérisé en ce que le mécanisme démultiplicateur comprend deux plaques de pression, d'écartement variable, placées l'une au- dessus de l'autre, avec l'élément solide, ainsi qu'une chaîne à maillons, ciné- matique, en forme de zigzag, placée entre les plaques de pression, une extrémité de cette chaîne étant solidaire du boîtier et l'autre extrémité étant reliée à l'organe de sor- tie de l'actionneur, et dans les zones des sommets de la5 chaîne, les éléments d'actionnement sont reliés de manière articulée et s'appliquent en coulissement longitudinal contre la surface intérieure des plaques. Selon l'invention, les mouvements de déplacement de l'élément solide piézo-électrique sont convertis par des plaques de pression et une chaîne de maillons cinématique en des mouvements de coulissement, transversalement au plan de la plaque, pour les éléments d'actionnement de la chaîne à maillons, pour que les mouvements de coulissement des diffé- rents éléments d'actionnement s'additionnent dans la direc- tion longitudinale de la plaque pour donner une course résultante de l'actionneur, amplifiée proportionnellement au nombre d'éléments d'actionnement; la particularité est que la chaîne à maillons s'adapte automatiquement aux variations d'écartement résultant de la fabrication des plaques de pres- sion et des différences de longueur des éléments d'action- nement; ainsi cela permet de compenser sans perte de course même des tolérances de fabrication relativement importantes et on diminue ainsi significativement le coût de fabrica- tion; un autre avantage est que l'interposition de la chaîne à maillons donne à la conception en forme de plaque du méca- nisme démultiplicateur, une construction plate, extrêmement compacte pour l'actionneur de l'invention. Suivant une autre caractéristique avantageuse, la chaîne à maillons est précontrainte élastiquement dans le sens d'une application de pression sur l'élément solide. Ainsi, la chaîne à maillons est précontrainte élastiquement de préférence dans la direction de l'appli- cation de la pression de l'élément solide, de sorte qu'en plus de la compensation des tolérances de fabrication, on a une application de pression permanente sur l'élément solide extrêmement sensible dans la direction de la traction, avant tout pour des problèmes d'actionnement dynamiques de l'actionneur. Comme le rapport de démultiplication de l'action- neur n'augmente pas avec le nombre des éléments d'action- nement mais avec leur angle d'inclinaison par rapport à la surface intérieure des plaques, il est avantageux, suivant une autre caractéristique de l'invention, que l'angle d'inclinaison des éléments d'actionnement soit conçu pour un rapport de démultiplication aussi grand que possible, de pré- férence à proximité de la limite d'autoblocage, mais avec une distance suffisante par rapport à cette limite. Ainsi, suivant une caractéristique avantageuse, l'angle d'inclinaison des éléments d'actionnement par rapport à la surface intérieure des plaques est légèrement en dehors de l'angle d'autoblocage. Suivant une caractéristique particulièrement avantageuse du point de vue de la construction et de la ciné- matique, les éléments d'actionnement sont reliés de manière articulée par des éléments élastiques en flexion. Ainsi les points d'articulation entre les éléments d'actionnement sont constitués par des éléments de flexion élastiques; du fait de la faible plage de mouvement angu- laire, on arrive sans difficulté à une très grande fiabilité des articulations élastiques en flexion. Une telle réalisa- tion élastique en flexion pour les points d'articulation pré- sente l'avantage supplémentaire que toute la chaîne à maillons y compris les éléments de flexion et les éléments d'actionnement sont réalisés d'une manière extrêmement simple du point de vue de la fabrication sous la forme d'un ruban en zigzag en une seule pièce; ainsi suivant une caractéristique de l'invention, les éléments d'actionnement et les éléments de flexion sont réalisés dans une bande en zigzag en une seule pièce avec une épaisseur de paroi réduite dans la zone des éléments de flexion. Suivant une autre caractéristique avantageuse de l'invention, la chaîne à maillons est en titane. Etant donné les exigences mécaniques relatives à la chaîne à maillons, on utilisera de préférence du titane pour bénéficier des propriétés avantageuses de ce métal. Suivant une autre caractéristique avantageuse, la chaîne à maillons est une pièce fabriquée à partir d'une bande sans fin repliée en alternance. Pour permettre une fabrication en série, peu coIû- teuse, le ruban en zigzag est réalisé comme morceau d'un ru- ban sans fin replié alternativement. Suivant une autre caractéristique avantageuse de l'invention, les éléments d'actionnement sont appuyés de fa- çon coulissante contre les plaques de pression, à faible frottement, dans la zone des sommets. Ainsi, pour améliorer le rendement énergétique de l'actionneur, les zones des sommets sont appliquées de ma- nière coulissante contre les plaques de pression avec un fai- ble frottement. Les plaques de pression peuvent être inclinées de manière quelconque l'une par rapport à l'autre dans des limites très étendues; toutefois dans la majorité des cas, la disposition des plaques de pression doit être avantageuse pour le montage et dans ce cas, suivant une autre caractéristique avantageuse, les plaques de pression sont pa- rallèles. Selon un autre développement particulièrement avantageux de l'invention, au moins deux éléments solides avec des directions de déplacement respectivement opposées agissent chaque fois sur une plaque de pression. Ainsi les variations de longueur des deux élé- ments solides commandés séparément se superposent sur la chaîne à maillons et ces variations de longueur sont conver- ties par celle-ci, globalement en un mouvement de déploiement de l'actionneur, à course amplifiée de manière additive par les éléments d'actionnement. La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation représenté schématiquement dans les dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une coupe d'un actionneur pié- zo-électrique selon l'invention, - la figure 2 est une vue partielle à échelle agrandie de l'actionneur de la figure 1 dans la zone de la chaîne à maillons, cinématique. L'actionneur piézo-électrique selon les figures comporte deux plaques de pression 2, 4, parallèles superpo- sées; ces plaques sont appuyées chaque fois contre le boî- tier de l'actionneur 10 par un double élément piézocéramique 6, 8. Les doubles éléments 6, 8 peuvent être commandés élec- triquement de manière séparée; lorsqu'une tension électrique est appliquée, ils se dilatent dans la direction longitudi- nale, ce qui diminue la distance A entre les plaques de pres- sion 2, 4. Une chaîne à maillons 12 en forme de zigzag est placée entre les plaques de pression 2, 4. Cette chaîne est formée d'éléments d'actionnement 14, rigides en soi, et qui sont inclinés alternativement par rapport à la surface inté- rieure des plaques; les éléments d'actionnement sont reliés dans la zone des sommets de la chaîne 12 par des éléments de flexion 16, réalisés dans la masse; ces éléments de flexion, souples en flexion relient néanmoins de manière rigide en traction et en compression dans la direction longitudinale des plaques. A l'une de ses extrémités, la chaîne à maillons 12 est reliée solidairement au boîtier 10 de l'actionneur par une vis de réglage 18 alors que l'autre extrémité de la chaîne à maillons 12 agit par une pièce intermédiaire 20, fixée rigidement au dernier élément d'actionnement 14 sur l'élément de sortie 22 de l'actionneur; cet élément est gui- dé en coulissement longitudinal dans le boîtier 10 de l'actionneur. La chaîne à maillons 12 est réalisée sous la forme d'une pièce à partir d'une bande sans fin repliée al- ternativement; cette bande est par exemple en titane et pré- sente tout d'abord une paroi d'épaisseur régulière pour les éléments d'actionnement 14; puis par érosion filiforme, dans la zone des sommets de la chaîne à maillons 12, on réduit l'épaisseur en fonction de la souplesse de flexion que l'on veut donner aux éléments de flexion 16. A l'état non tendu, la hauteur de la chaîne à maillons 12 est légèrement supérieure à l'intervalle A entre les plaques, de sorte que la chaîne à maillons 12 a son mon- tage entre les plaques de pression 2, 4 est mise en précon- trainte et est ainsi appliquée élastiquement contre les surfaces intérieures des plaques, dans la zone des éléments de flexion 16. Pour renforcer la précontrainte par ressort il est prévu en outre un ressort de précharge 24 agissant entre le boîtier 10 de l'actionneur et un élément de sortie 22. Ce- la garantit que la chaîne à maillons 12 est en permanence en contact sans jeu contre la surface intérieure des plaques, dans toutes les zones des sommets de la chaîne, indépendam- ment des différences de longueurs des actionneurs 14 résul- tant de la fabrication ou des variations d'écartement des plaques de pression 2, 4; par ailleurs, les éléments 6, 8, sensibles aux contraintes de traction, sont précontraints dans le sens de la compression si bien qu'ils sont protégés efficacement contre les charges de traction externes, surtout pour les problèmes de réglage dynamique de l'actionneur. Si l'on applique une tension électrique aux élé- ments solides 6 et/ou 8, la distance A entre les plaques di- minue et les actionneurs 14 s'écartent, c'est-à-dire que le mouvement de déplacement des éléments solides 6, 8 est con- verti en un mouvement de coulissement de la chaîne à maillons 12 par rapport à la surface intérieure des plaques; ainsi, partant de l'extrémité de la chaîne à maillons 12, solidaire du boîtier, les mouvements de coulissement s'additionnent dans la zone des différents sommets, en direction de l'élément de sortie 22, pour que la course des éléments soli- des 6, 8 ait converti proportionnellement au nombre des élé- ments d'actionnement 14 en une course linéaire pour l'élément de sortie 22. Du fait de l'amplification additive de la course, les éléments de flexion 16 ne fonctionnent que dans une plage de réglage angulaire très petite, de sorte que les dilatations marginales, résultant de la déformation de flexion pour les éléments de flexion 16, restent extrêmement faibles, ce qui permet une grande fiabilité. Pour avoir une très grande facilité de coulisse- ment longitudinal des sommets de la chaîne à maillons 12 ap- pliqués contre les plaques de pression 2, 4, la surface intérieure des plaques est réalisée de manière à présenter un frottement faible. Pour réduire la pression de surface, on peut en outre donner aux zones des sommets de la chaîne à maillons 12 une forme de patin de glissement comme cela est indiqué sous la référence 26 à la figure 2. La vis de réglage 18 permet de régler la position zéro de l'élément de sortie 22. Le degré d'amplification de course du mécanisme démultiplicateur 2, 4, 12 ne dépend pas du nombre d'éléments d'actionnement 14, mais de l'angle d'inclinaison (a) de ces éléments par rapport à la surface intérieure des plaques. Pour une forte amplification de la course, on choisit un an- gle (a) aussi grand que possible en restant néanmoins suffi- samment en dessous de l'angle d'autoblocage pour éviter en toute sécurité que l'élément d'actionnement ne se bloque sous l'effet du déplacement des plaques. R E V E N D I C A T I ON S 1 ) Actionneur piézo-électrique comprenant au moins un élé- ment solide, dont la longueur varie par application d'une tension électrique et un mécanisme démultiplicateur ampli- fiant la course de l'élément solide, caractérisé en ce que le mécanisme démultiplicateur (2, 4, 12) comprend deux pla- ques de pression (2, 4), d'écartement variable, placées l'une au-dessus de l'autre, avec l'élément solide (6, 8), ainsi qu'une chaîne à maillons (12), cinématique, en forme de zig- zag, placée entre les plaques de pression, une extrémité de cette chaîne étant solidaire du boîtier et l'autre extrémité étant reliée à l'organe de sortie (22) de l'actionneur, et dans les zones des sommets de la chaîne, les éléments d'actionnement (14) sont reliés de manière articulée et s'appliquent en coulissement longitudinal contre la surface intérieure des plaques. 2 ) Actionneur piézo-électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chaîne à maillons (12) est précontrainte élastiquement dans le sens d'une application de pression sur l'élément so- lide (6, 8). 3 ) Actionneur piézo-électrique selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'angle d'inclinaison (a) des éléments d'actionnement (14) par rapport à la surface intérieure des plaques est légère- ment en dehors de l'angle d'autoblocage. 4 ) Actionneur piézo-électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments d'actionnement (14) sont reliés de manière arti- culée par des éléments élastiques en flexion (16). ) Actionneur piézo-électrique selon la revendication 4, caractérisé en ce que les éléments d'actionnement (14) et les éléments de flexion (16) sont réalisés dans une bande en zigzag en une seule pièce avec une épaisseur de paroi réduite dans la zone des éléments de flexion. 6 ) Actionneur piézo-électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chaîne à maillons (12) est en titane. 7 ) Actionneur piézo-électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chaîne à maillons (12) est une pièce fabriquée à partir d'une bande sans fin repliée en alternance. ) Actionneur piézo-électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments d'actionnement (14) sont appuyés de façon cou- lissante contre les plaques de pression (2, 3), à faible frottement, dans la zone des sommets. 9 ) Actionneur piézo-électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les plaques de pression (2, 4) sont parallèles. 10 ) Actionneur piézo-électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu' au moins deux éléments solides (6, 8) avec des directions de déplacement respectivement opposées agissent chaque fois sur une plaque de pression (2, 4).