Article

1 - NOTIONS PRÉLIMINAIRES

2 - CÉRAMIQUES PZT

3 - ACTIONNEURS

4 - ALIMENTATION

5 - COMMANDE

6 - CONCLUSION

7 - GLOSSAIRE

8 - SIGLES, NOTATIONS ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : D3765 v2

Actionneurs piézoélectriques

Auteur(s) : Christophe GIRAUD-AUDINE, Betty LEMAIRE-SEMAIL

Date de publication : 10 sept. 2024

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RÉSUMÉ

Les matériaux piézoélectriques transforment l'énergie électrique en énergie mécanique. Cette propriété permet la réalisation d'actionneurs compacts, précis, rapides, qui résistent à la corrosion et n'émettent pas de rayonnement électromagnétique. Cependant, ils sont souvent limités à des fonctionnements intermittents en raison de la friction. Une compréhension approfondie du phénomène piézoélectrique est donc cruciale pour respecter les limites de conversion et éviter la détérioration du matériau.

Cet article explore ces matériaux, leur modélisation et présente des architectures d'actionneurs. Finalement, l'électronique d'alimentation et la commande sont abordées.

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ABSTRACT

Piezoelectric actuators

Piezoelectric materials convert electrical energy into mechanical energy, enabling the creation of compact, precise, and fast actuators that resist corrosion and emit no electromagnetic radiation. However, they are often limited to intermittent operation due to friction. A thorough understanding of the piezoelectric phenomenon is crucial to respect conversion limits and prevent material deterioration.

This article explores these materials, their modeling, and introduces actuator architectures. Finally, power electronics and control aspects are discussed.

Auteur(s)

  • Christophe GIRAUD-AUDINE : Maître de conférences HDR - École nationale supérieure d’Arts et Métiers, laboratoire d’Électrotechnique et d’électronique de puissance (L2EP), Lille, France

  • Betty LEMAIRE-SEMAIL : Professeur des Universités - Université de Lille, laboratoire d’Électrotechnique et d’électronique de puissance (L2EP), Lille, France

INTRODUCTION

Depuis quelques décennies, l’intérêt pour les actionneurs piézoélectriques a suscité une recherche soutenue qui a abouti de nombreuses solutions, maintenant disponibles commercialement. Ils sont principalement employés dans des applications de haute technologie (micro-systèmes, photonique, médical, spatial) et ils équipent certains produits grand public comme des autofocus d’appareils photographiques ou des injecteurs d’essence.

L’attrait pour cette technologie est motivé par la densité d’énergie, la large bande passante d’actionnement, et la rigidité offerte par les matériaux piézoélectriques. Les actionneurs proposés offrent effectivement souvent des facteurs de formes qui permettent une excellente intégration. De plus, certains actionneurs offrent des précisions sub-micrométriques, voire nanométriques. Il existe un grand nombre de solutions, se basant sur des fonctionnements variés.

À côté de ces propriétés, le facteur qui limite l’utilisation de tels actionneurs sont leurs faibles déformations. Les solutions généralement proposées pour augmenter les courses utiles tendent à réduire la rigidité et les efforts disponibles, ou à utiliser la friction ce qui favorise l’usure et dégrade le rendement. Ainsi, l’intégration d’actionneurs piézoélectriques nécessite une étude approfondie, qui tienne compte de ces différents aspects.

Dans ce but, cet article aborde dans un premier temps les principes de conversion mis en jeu dans les matériaux piézoélectriques (§ 1) et certaines limites intrinsèques liées aux céramiques piézoélectriques les plus répandues (§ 2). Puis les principales solutions d’actionnement basées sur des amplifications statiques ou dynamiques sont présentées (§ 3), avant d’examiner certaines solutions d’alimentations compatibles avec la nature capacitive de ces actionneurs (§ 4). Enfin, la dernière partie (§ 5) présente des commandes adaptées aux actionneurs quasi statiques et résonants.

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KEYWORDS

piezoelectrecity   |   Actuators   |   power electronic   |   control electronic

VERSIONS

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-d3765


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - IKEDA (T.) -   Fundamentals of Piezoelectricity.  -  Oxford Science Publications. Oxford University Press Oxford, New York (1996).

  • (2) - DANIEL (S.H.) -   Symmetry-based electricity in minerals and rocks: A review with examples of centrosymmetric minerals that exhibit pyro and piezoelectricity.  -  Periodico di Mineralogia, 85(3) (2016).

  • (3) - WU (J.) -   Advances in Lead-Free Piezoelectric Materials.  -  Singapore, 1st edition (2018).

  • (4) - BAEK (S.-H.), RZCHOWSKI (M.S.), AKSYUK (V.A.) -   Giant piezoelectricity in PMN-PT thin films: Beyond PZT.  -  MRS Bulletin, 37(11), pp. 1022-1029 (2012).

  • (5) - YANG (J.) -   An Introduction to the Theory of Piezoelectricity.  -  Dans Advances in Mechanics and Mathematics, n° 9, Springer New York (2005).

  • (6) - ZHAO (C.) -   Ultrasonic...

NORMES

  • AFNOR – Propriétés piézoélectriques des matériaux et composants en céramiques. Partie 1 : Termes et définitions. - NF EN 50324-1 - 2002

  • AFNOR – Propriétés piézoélectriques des matériaux et composants en céramiques. Partie 2 : Méthodes de mesure – Faible puissance. - NF EN 50324-2 - 2002

  • AFNOR – Propriétés piézoélectriques des matériaux et composants en céramiques. Partie 3 : Méthodes de mesure – Grande puissance. - NF EN 50324-3 - 2002

  • ANSI IEEE – Standard on Piezoelectricity. - Std 176-1987 - 1987

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