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Auteur(s)
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Bertrand NOGAREDE : Ingénieur de l’ENSEEIHT - Docteur de l’Institut national polytechnique de Toulouse - Chargé de recherche au CNRS Laboratoire d’Électrotechnique et d’Électronique Industrielle
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En marge des matériaux traditionnellement utilisés dans les machines électriques, les matériaux actifs se caractérisent par leur aptitude à produire une action mécanique issue de leur propre déformation sous l’effet d’un couplage généralement réversible de type électroélastique (électrostriction, piézoélectricité), magnétoélastique (magnétostriction, piézomagnétisme), voire thermoélastique (alliages à mémoire de forme). Les progrès récemment réalisés dans ce domaine ouvrent la voie à une nouvelle génération de moteurs électriques, regroupés sous la dénomination de piézomoteurs. Le principe de fonctionnement de ces actionneurs est fondé sur la déformation alternative d’une structure élastique fixe à base de matériaux actifs, capable de communiquer par friction un mouvement d’entraînement uniforme à une partie mobile. Si les moteurs à base d’alliages métalliques magnétostrictifs, ou à mémoire de forme, appartiennent encore au domaine de la recherche, les moteurs piézoélectriques constituent d’ores et déjà une alternative performante face à certaines applications.
Après quelques rappels sur la conversion électromécanique de l’énergie par effet piézoélectrique, le présent article analyse les principes généraux sur lesquels repose le fonctionnement des piézomoteurs et met, alors, en évidence les différentes familles de moteurs piézoélectriques. Le domaine considéré étant relativement nouveau et encore en pleine évolution, le panorama des structures les plus représentatives qui est dressé 2 ne saurait cependant se vouloir exhaustif. La structure de référence que représente le moteur annulaire à onde progressive est, ensuite, étudiée de manière plus détaillée 3. Le problème spécifique de l’alimentation et de la commande des moteurs piézoélectriques est enfin traité 4.
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Moteur annulaire à onde progressive2. Principales structures de piézomoteurs
2.1 Principes généraux
Le principe de fonctionnement des piézomoteurs repose sur l’exploitation de déformations mécaniques générées par effet piézoélectrique (voire piézomagnétique), pour entraîner en translation ou en rotation une partie mobile. Le caractère uniforme du mouvement de translation ou de rotation recherché suppose, en fait, que la conversion d’énergie réalisée dans le moteur s’effectue en deux temps. La conversion de type électromécanique assurée par le transducteur piézoélectrique à déformation alternative doit en effet être assortie d’une conversion purement mécanique, visant à transformer le mouvement vibratoire initial en un mouvement uniforme. L’amplitude micrométrique des vibrations mises en jeu n’autorisant pas le recours à des liaisons mécaniques articulées traditionnelles (système bielle-manivelle par exemple), cette transformation mécanique fait appel à une transmission par friction des efforts d’entraînement générés par le transducteur sous l’action d’une force d’appui assurant le maintien en contact des parties vibrante et mobile du moteur.
HAUT DE PAGE2.1.1 Élaboration d’un mouvement vibratoire d’entraînement
La transformation du mouvement alternatif initial en un mouvement uniforme est fondée sur la mise en jeu d’une trajectoire particulière des points matériels de la surface vibrante, susceptible de communiquer par frottement à la partie mobile une vitesse moyenne non nulle. Le mouvement initial étant périodique, cette trajectoire se définit, de manière générale, comme un cycle orienté, formé d’une phase AB d’extension et d’une phase BA de rétraction. Comme le montre les figures 3, deux types de trajectoires sont a priori exploitables, selon que l’hystérésis du mouvement cyclique d’entraînement est nulle ou non.
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Mouvement cyclique à hystérésis nulle
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Les trajets relatifs aux phases d’extension et de rétraction sont ici confondus (figure 3a ). Si l’on suppose que l’entraînement dans le sens...
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Principales structures de piézomoteurs
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - SAPRIEL (J.) - Ultrasons. - E1910, traité Électronique. Techniques de l’Ingénieur, juin 1994.
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(2) - IKEDA (T.) - Fundamentals of piezoelectricity. - Oxford Science Publications (1990).
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(3) - GONNARD (P.), EYRAUD (L.), GUILLEMOT (M.) - Matériaux piézoélectriques pour moteurs ultrasonores – Performances requises et problèmes technologiques. - J. Phys. III, p. 1205-1218 (1994).
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(4) - UEHA (S.), TOMIKAWA (Y.) - Ultrasonic motors theory and applications. - Oxford Science Publications (1993).
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(5) - HIGUCHI (T.), YAMAGATA (Y.), FURUTANI (K.), KUDOH (K.) - Precise positioning mechanism utilizing rapid deformations of piezoelectric elements. - IEEE Micro-Electro-Mechanical Systems Proc., Napa Valley (USA), p. 222-226 (1990).
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(6) - BURLEIGH Instruments inc - Micropositioning...
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