Fig 1 Image effet piézo

Les dispositifs de mouvement piézoélectriques uniques résolvent les défis de conception

La piézoélectricité – la caractéristique de certains matériaux solides par lesquels la charge électrique s’accumule à l’intérieur et est libérée lorsque le matériau est sollicité – a été découverte par Jaques et Pierre Curie en 1880. L’effet inverse, selon lequel les matériaux piézo-électriques présenteront une déformation résultant d’une charge appliquée, a été déduit par Gabriel Lippman en 1881 et démontré par la suite par les Curies.

La première application importante de la technologie a été le sonar, développé en 1917. Les dispositifs piézoélectriques sont maintenant largement utilisés dans les capteurs et les actionneurs à petite course pour diverses applications.

Les premiers moteurs efficaces utilisant l’effet piézoélectrique inverse ont été créés au milieu des années 1960 à l’Institut polytechnique de Kiev. La technologie a continué d’évoluer, et aujourd’hui une gamme de dispositifs de mouvement linéaires et rotatifs est disponible offrant un contrôle de mouvement précis jusqu’à une précision nanométrique. Cependant, ce sont généralement des dispositifs coûteux et sont principalement utilisés dans des applications spécifiques du marché premium telles que l’optique, les semi-conducteurs et la photonique.

S’appuyant sur des recherches continues faisant évoluer les travaux fondateurs de l’Institut polytechnique de Kiev, de nouvelles méthodes de configuration et de contrôle des matériaux piézocéramiques, ainsi que de nouvelles techniques pour établir des dispositifs de mouvement, ont été identifiées. Ces développements ont conduit à un portefeuille de brevets qui ont à leur tour permis la conception d’une gamme de dispositifs de mouvement linéaire et rotatif avec un certain nombre d’avantages techniques utiles. Ceux-ci peuvent être utilisés par le concepteur de dispositifs médicaux et d’instruments et leur coût est comparable à celui des solutions typiques de moteurs à courant continu et pas à pas de bonne qualité.

Fig 2 Image du moteur rotatif

Fig 3 Image du moteur linéaireFig 2 Image du moteur rotatif

Ces conceptions de moteur utilisent une configuration brevetée d’un seul élément d’entraînement piézocéramique monolithique et une nouvelle méthode d’excitation, qui ne nécessite qu’une seule connexion pour exciter simultanément la piézocéramique pour osciller le long et perpendiculairement à son axe. Un signal alternatif haute fréquence est appliqué pour obtenir une résonance dans le piézocéramique. L’excitation simultanée a pour résultat l’établissement d’un mouvement elliptique sur une dent d’entraînement du côté de l’élément. Une impulsion courte d’environ 30 microsecondes entraîne l’excitation de la piézocéramique en résonance et une seule rotation elliptique à l’extrémité de la dent d’entraînement.

Fig 4 Image graphique d'action piézo

La dent d’entraînement rotative peut être appliquée à un élément linéaire ou rotatif pour créer un mouvement. La technologie utilise une électronique simple et, selon les spécifications, la tension appliquée au résonateur piézocéramique se situe entre 50 V et 80 V, ce qui est inférieur aux piézomoteurs existants.

Le moteur est contrôlé par un simple pilote piézomoteur. Les cartes de commande ont une alimentation 5 V ou 12 V, une connexion à trois fils au moteur et une connexion à trois broches pour le contrôle. Une broche de commande est mise à la terre et les deux autres établissent le mouvement du moteur dans chaque direction lorsqu’un logique transistor-transistor (TTL) un signal haut est appliqué. Un haut continu conduira le moteur à fonctionner en mode continu dans la direction sélectionnée. Le mouvement du moteur peut être contrôlé en boucle ouverte avec une modulation de largeur d’impulsion de la tension appliquée aux broches de commande.

Fig 5 Image du schéma fonctionnel du pilote

Fig 6 Image du faisceau laser

Les moteurs peuvent réaliser un contrôle de position très précis. Une seule étape incrémentielle sur les moteurs linéaires est inférieure à 50 nanomètres. Les moteurs rotatifs atteignent des incréments rotatifs jusqu’à 10 microradians, ce qui représente plus de 600 000 pas par tour. Pour un positionnement précis, comme dans les ensembles optiques et laser pour le contrôle des miroirs et des lentilles, cela évite la complexité et les coûts des systèmes d’engrenages.

Fig 7 Image de l'instrument portable

Les piézomoteurs ne nécessitent aucune puissance à l’arrêt et maintiennent une force de blocage et un couple complets dans cette condition. À une révolution par minute, un moteur rotatif nécessite moins de 0,1 watts et les moteurs linéaires n’ont besoin que de 0,06 watts pour fonctionner à 1 mm / seconde. Cela peut entraîner une faible demande globale de puissance et est particulièrement applicable dans les applications d’instruments portables avec une alimentation par batterie; il peut également être bénéfique pour réduire la génération de chaleur à l’intérieur de l’équipement. Pour la même puissance qu’un moteur pas à pas de taille comparable, le piézomoteur a un couple de décrochage jusqu’à 10 fois supérieur pour la même puissance.

Conçus avec des boîtiers fabriqués à partir de polymères techniques haute performance et ne contenant pas d’aimants, de bobines de cuivre ou de lamelles de fer, ces piézomoteurs sont également légers, ce qui constitue un avantage supplémentaire pour les concepteurs d’appareils portables et portables.

Les résonateurs piézocéramiques monolithiques sont des matériaux durs et la pointe d’entraînement du résonateur pousse contre des surfaces aux caractéristiques contrôlées spécifiques pour obtenir un transfert de mouvement optimisé et une longue durée de vie. Les tests ont produit plus de 15 millions de cycles complets sur des moteurs linéaires tout en conservant des performances conformes aux spécifications, ce qui équivaut à 450 kilomètres de course linéaire. Les moteurs rotatifs sont testés et opérationnels à plus de 40 millions de tours.

Fig 8 Image du microscope

Les piézomoteurs ont des temps de réponse très rapides. À partir du signal appliqué, ils commencent le mouvement dans les 30 à 50 microsecondes. La tension appliquée conduit à une réaction rapide dans le piézocéramique, contrairement aux moteurs électromagnétiques qui doivent générer un champ magnétique et une force appliquée avant que le mouvement puisse commencer. Cet avantage a une application dans l’automatisation de la microscopie où jusqu’à plusieurs milliers d’images haute résolution d’une diapositive doivent être prises pour être traitées et intégrées dans une seule image, par exemple en imagerie pathologique. Des temps de réponse rapides permettent un temps de traitement global considérablement réduit, ce qui accélère le débit.

Avec les caractéristiques d’entraînement direct de la technologie et la philosophie de conception, des versions OEM de piézomoteurs peuvent être réalisées pour optimiser les ensembles de mouvement. Cela peut donner au concepteur la possibilité de simplifier considérablement la transmission du système de commande de mouvement et d’éviter les translations et les engrenages rotatifs à linéaires.

Système de mouvement avec cadre, moteur, entraînement par courroie, système de roulement linéaire et vis mère.Système de mouvement avec cadre, moteur, entraînement par courroie, système de roulement linéaire et vis mère.

Système piézomoteur à entraînement linéaire optimisé avec moteur intégré dans le corps et entraînement direct sur glissière linéaire.Système piézomoteur à entraînement linéaire optimisé avec moteur intégré dans le corps et entraînement direct sur glissière linéaire.

Fig 11 Image de la machine IRM

Fig 12 Ensemble pompe micro doseuse 20

Les piézomoteurs peuvent être conçus avec des matériaux non magnétiques ou à faible perméabilité, ce qui les rend adaptés à une utilisation dans des applications de terrain en IRM. Les exemples d’application incluent la commande de mouvement pour les robots chirurgicaux médicaux, la commande de pompe précise pour les pompes à perfusion et la commande de valve pour une utilisation dans les ventilateurs. Une pompe de microdosage a été développée qui peut délivrer des milieux à des doses aussi petites que 1,6 nanolitres.

Les piézomoteurs DTI peuvent fonctionner en mode boucle ouverte avec des commandes envoyées par un contrôleur. En utilisant la modulation de largeur d’impulsion, la taille de chaque pas est déterminée par la durée de l’impulsion et la vitesse de déplacement est déterminée par le taux de répétition des impulsions.

Fig 13 Image graphique de contrôle de la puissance du moteur

La durée d’impulsion minimale est d’environ 30 µs (microsecondes). Le taux de répétition maximum (F), mesuré en Hertz, pour une durée d’impulsion sélectionnée (T), mesurée en secondes, est déterminé par la formule F = 1 / T. La plage de variation de vitesse en mode PWM peut aller jusqu’à 6 ordres de grandeur.

Les moteurs sont également disponibles avec des codeurs intégrés pour permettre le contrôle en boucle fermée. Un logiciel de contrôle Windows PC avec une gamme de commandes de contrôle est disponible pour créer des profils de mouvement pour entraîner les piézomoteurs.

Fig 14 Carte PCB Driver Encoder1

De plus, une API Python et un jeu de commandes série sont disponibles, qui peuvent être envoyés à la carte du pilote via l’interface RS232. De cette façon, la commande du moteur peut être établie dans n’importe quelle plate-forme de commande client pour les appareils et les instruments.

Avec le contrôle en boucle fermée, il existe différents algorithmes pour optimiser la vitesse du moteur et le contrôle de position, conduisant à un mouvement et un positionnement silencieux et précis du moteur.

  • Algorithme de fréquence continue – Les vitesses moyennes à élevées de 2 tr / min à 100 tr / min sont régulées en faisant varier la fréquence d’excitation le long de la caractéristique de résonance du piézomoteur dans sa région de fréquence moyenne pendant les mouvements de vitesse moyenne à élevée.
  • Algorithme d’hystérésis – Les basses vitesses de 1 tr / min à 2 tr / min sont régulées en faisant varier la fréquence d’excitation le long de la caractéristique de résonance du moteur piézo dans sa région haute fréquence pendant le mouvement à basse vitesse.
  • Algorithme de modulation – Des vitesses lentes de 0,2 tr / min à 1 tr / min sont régulées par la formation de paquets d’excitation de train avec des taux de répétition fixes spécifiques. Les paquets sont modulés en fréquence en interne pendant le mouvement à vitesse lente.
  • Algorithme de modulation de fréquence – Des vitesses très lentes de 0,01 à 0,2 tr / min sont régulées par la formation de paquets d’excitation de train (similaire à l’algorithme de modulation), mais avec un taux de répétition variable lors de mouvements très lents.

Étant un entraînement direct, une fois que le moteur a atteint sa position rotative ou linéaire, l’alimentation est coupée et le moteur maintient la position à un couple de blocage complet ou à une force de blocage, contrairement à une solution à courant continu, qui consommera en permanence de l’énergie pour maintenir cette position. Dans certaines circonstances, les solutions en courant continu peuvent trembler autour du point de consigne en fonction du schéma de contrôle utilisé, tandis que la solution piézoélectrique maintiendra une position fixe fixe.

Une gamme initiale de dispositifs rotatifs offrant un couple de 0,2 mN.m à 30 mN.m et une gamme de dispositifs linéaires avec des forces de 0,2 N à 10 N a été établie. Le développement de produits se poursuit et la gamme continuera à s’élargir avec des performances étendues.

D’autres développements incluent des actionneurs à mouvement linéaire à course variable. Dans ce dérivé, le résonateur piézocéramique est fixé à un chariot sur un système de palier linéaire et peut entraîner le chariot avec une force de 10 N sur n’importe quelle longueur de voie. Le chariot peut être déplacé jusqu’à 200 mm / sec et peut être contrôlé par incréments de 50 nanomètres. Ce mode de réalisation d’un système piézomoteur linéaire offre une solution de conception utile pour des applications d’impression biomédicale 3D très précises.

Fig 15 Image de l'actionneur à longue course

Les piézomoteurs offrent des avantages techniques et sont désormais une alternative abordable aux moteurs à courant continu pour les besoins de mouvement rotatif et linéaire. Ils sont à entraînement direct et offrent une grande précision avec des temps de réponse rapides, ainsi qu’une bonne densité de puissance et un poids léger. Avec une puissance nulle à tenir, ils offrent la possibilité d’un service global très efficace. Ils peuvent être conçus pour offrir une faible perméabilité magnétique pour une utilisation dans les champs d’IRM, sont immunisés contre les interférences EM et RF et n’ont aucune émission.

En bref, les piézomoteurs offrent une solution de conception alternative unique que les ingénieurs peuvent envisager dans une multitude d’applications.

Nic Copley est vice-président du développement commercial chez Discovery Technology International.

Articles similaires

Commencez à saisir votre recherche ci-dessus et pressez Entrée pour rechercher. ESC pour annuler.

Retour en haut