Applications duales des actionneurs piézoélectriques amplifiés

04/10/2018
Publication 3EI 3EI 2018-94
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2018-94:23550
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Applications duales des actionneurs piézoélectriques amplifiés

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Applications duales des actionneurs piézoélectriques amplifiés La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 25 Applications duales des actionneurs piézoélectriques amplifiés FRANK CLAEYSSEN, FRANÇOIS BARILLOT, GÉRALD AIGOUY, ALEXANDRE PAGÈS, THOMAS MAILLARD, CHRISTIAN BELLY, ADRIEN GUIGNABERT, MATTHIEU LOGEAIS, ALEXANDRE BATAILLE, ETIENNE BETSCH, GLADYS JAUSSAUD, MARC FOURNIER, MATHIEU BARRAJA, JONATHAN STENTZ CEDRAT TECHNOLOGIES S.A., 59 Ch. du Vieux Chêne - Inovallée - 38246 MEYLAN cedex, France 1. Introduction Pour des besoins duaux tels que de l’amélioration d’images en satellite d’observation, d’orientation de faisceaux laser en interférométrie laser (lidars, horloges), de micro positionnement de sondes ou de stabilisation active d’instrumentation embarquée, le CNES, la DGA et l’ESA ont perçu l’intérêt des actionneurs piézoélectriques dès les années 1990 : Les céramiques piézo multicouches (MLA) faisaient leur apparition, offrant des déformations actives de l’ordre de 1/1000 et des forces élevées >20MPa, avec des tensions de commande <200V, compatibles des électroniques spatiales. Ces propriétés leur confèrent de la haute résolution et de la raideur, engendrant une bande passante élevée. Par contre, la course réduite et la fragilité des MLA nus étaient un frein à leur application. Pour exploiter le potentiel et contourner les limites des MLA, CEDRAT TECHNOLOGIES (CTEC) a développé les actionneurs piézo amplifiés APA® . Grâce à leur coque assurant amplification et précontrainte, ils produisent des courses de 20µm à 2mm, des forces de 20N à 2kN, tout en assurant les tenues aux vibrations et chocs de lancement requises. Les APA® sont à présent utilisés pour des mécanismes XY, des Tip-Tilts, etc. Ils sont aussi à la base de micromoteurs linéaires ou rotatifs pas à pas SPA, ainsi que de solutions d’actionnement de puissance. 2. Mécanismes de pointage spatiaux Grâce à l’héritage de PHARAO pour le CNES, CTEC a développé le mécanisme BSA d’ATLID [6] (Fig. 1) du satellite EARTHCARE de l’ESA pour AIRBUS. Le BSA est un Tip-Tilt à 4 APA60SM® équipé de jauge de contrainte (SG). Ce mécanisme de pointage optique offre une course >3mrad, une résolution <0.4µrad, une bande passante >2kHz. Il a passé les tests de vibrations et de chocs >100g. Les modèles de vols ont été livrés en 2016. Figure 1: BSA ATLID Figure 2: MEFISTO Dans le cadre du projet DGA RAPID MEFISTO pour la Composante Spatiale Optique de défense, CTEC a étudié la faisabilité d’un mécanisme (fig.2) destiné à Résumé : Depuis plus de 20 ans, sous contrats CNES, DGA et ESA, les actionneurs piézoélectriques ont trouvé des applications dans les instruments d’optiques spatiales. Des exemples récents incluent le micro mécanisme de pointage de précision BSA pour ATLID ou la motorisation de compensation de filé de miroir MEFISTO. Ces mécanismes assurent des mouvements précis et rapides tout en étant compacts, légers et résistants aux chocs et vibrations. Ces avantages leur permettent de couvrir aussi de nombreux besoins hors spatial, en stabilisation active et micro scanning dans des caméras Infra Rouge, en micro motorisation en instrumentation ou en actionnement de puissance tels que le contrôle actif d’écoulement en aérodynamique. Abstract: For more than 20 years, under CNES, DGA and ESA contracts, piezo actuators have found applications in space optic instruments. Recent examples include the ATLID BSA small Tip Tilt for precision pointing and MEFISTO, a Tip Tilt for satellite motion compensation. These space mechanisms perform high precision motions while being compact, lightweight and resistant to external vibrations and shocks. These advantages allow also to cover many other needs, such as active stabilisation or micro scanning in IR imagers, micro motorisation in instrumentation or power actuation as in active flow control in aircraft. Mots clés : actionneur piézoélectrique, moteur piézoélectrique, mécanisme, micro positionnement, stabilisation active, pointage optique, tip-tilt, jets synthétiques Applications duales des actionneurs piézoélectriques amplifiés La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 26 assurer de la compensation de filé en satellite d’observation. Grâce à 8 APA120ML, il entraine un miroir de 730gr, suivant une dent de scie de fréquence > 100Hz avec une erreur de vitesse <1%, tout en tenant les contraintes de lancement. 3. Micro-mécanismes de caméras A partir de 2000, CTEC s’est engagée sur la démocratisation de ses technologies spatiales pour adresser des applications non spatiales. Ainsi, en optronique, depuis 2006, CTEC fabrique des micro- mécanismes XY (fig.3) et Tip-Tilt (Fig.4) à base d’APA XS pour cameras Infra Rouge. En cumul, environ 10 000 APA® ont ainsi été intégrés. Par exemple, avec les acquis PHARAO et ATLID, CTEC a développé des Tip-Tilts DTT35XS-SG. Grâce à leur grande bande passante et des résolutions illimitées, ces mécanismes de pointage optique rapide assurent simultanément les fonctions de stabilisation active sur 0-100Hz et de micro scanning, conférant à la caméra une très haute qualité d’image. Ces fonctions sont assurées dans l’environnement vibratoire de la caméra, avec une durée de vie de plus 20 ans sur plus de 1010 cycles. Figure 3: XY25XS Figure 4: DTT35XS 5. Micromoteurs piézoélectriques Les petits APA® ont aussi permis l’émergence de nouveaux actionneurs à grandes courses avec blocage à l’arrêt : les moteurs de la famille SPA. Ces moteurs fonctionnent par accumulation de pas, de l’ordre d’une course d’APA, obtenus par effet inertiel. Le cumul de pas permet ainsi aux modules MSPA d’entrainer tangentiellement une charge sur des courses potentiellement illimitées avec une résolution submicronique. Ces micromoteurs assurent ainsi des fonctions d’entrainement d’optiques ou d’échantillons en linéaire sur plusieurs cm, en rotatif sur 360° (fig.5) ou sur 3 degrés de liberté Rx, Ry, Tz (fig.6). Ils trouvent leurs applications en instrumentation optique, rayon X, MEB… Figure 5: RSPA Figure 6: FSM-MSPA 4. Actionnement de puissance Les grands actionneurs APA® (types ML, L, XL) adressent plutôt des applications dynamiques de puissance. En machines d’essai, ils sont utilisés pour réaliser des shakers, des machines de cyclage en traction, des tribomètres. En machine-outil, ils réalisent de l’anti-vibration ou de l’assistance vibratoire à l’usinage. En fluidique, les APA® adressent des électrovannes rapides, des régulateurs de pression et des compresseurs. En aéronautique, leurs applications concernent le contrôle actif d’écoulement, via des volets actifs et des jets. Ces applications de puissance émergent plus tardivement que les précédentes car plusieurs problèmes doivent faire l’objet de montées en TRL, qui seront soutenues par TOTAL dans le projet ALICOP: gestion des échauffements, tenue en contraintes, besoin de puissance élevée. Ainsi, pour actionner un APA L à pleine course à 1kHz, un courant de 20A à 170V est nécessaire, ce qui est à présent possible grâce aux électroniques SA75D à récupération d’énergie développées par CTEC. Grâce à ces solutions d’actionnement de puissance, CTEC innove par exemple avec l’ONERA : En 2016, le jet pulsé VIPER à base d’APA L alimenté par une SA75D, a permis d’établir un record avec un débit de 462g/s/m à Mach 1 de 0 à 500Hz. Sur cette base, des jets synthétiques sont développés dans le cadre du projet DGA RAPID ASPIC. Figure 7: Jet VIPER, base du projet ASPIC Applications duales des actionneurs piézoélectriques amplifiés La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 27 6. Conclusion & Remerciements Partant d’applications spatiales, les actionneurs piézoélectriques APA® se sont largement diffusés en optronique et en instrumentation. Via leur mise en moteur SPA, ils assurent des micro- motorisations ‘direct drive’ rotatives ou linéaires à longue course, innovantes. Des travaux en cours leur permettent aussi d’entrer dans les domaines de la productique, des machines d’essai, de la fluidique et de l’aéronautique. Les auteurs remercient chaleureusement les différents partenaires qui ont accompagné CTEC dans ces développements, notamment BPI France, CNES, DGA, ESA, ONERA, TOTAL.