Qu'est-ce qu'un actionneur piézoélectrique?

L'actionneur piézoélectrique est une forme de système électromécanique à micro-contrôle. Il repose sur l'effet piézoélectrique avec certains cristaux, de sorte que, lorsqu'un champ électrique est appliqué au cristal, il crée une contrainte mécanique dans son réseau structurel qui peut être traduite en mouvement à une échelle micrométrique ou nanométrique. Les types d'actionneurs peuvent aller des systèmes industriels lourds alimentés par une force pneumatique ou hydraulique aux petits actionneurs piézoélectriques, qui ont une plage de mouvement très limitée mais contrôlée avec précision. Un actionneur piézoélectrique typique générera un mouvement longitudinal lorsque la force électrique est appliquée à l'unité d'un arbre ou d'une autre liaison mécanique avec une plage de déplacement d'environ 4 à 17 microns (0,0002 à 0,0007 pouces). Ce type de système d'actionneur est souvent intégré à une jauge de contrainte, également appelée extensomètre, utilisée pour mesurer des niveaux très fins de contraction et de dilatation dans les matériaux et les surfaces.

Il existe trois types généraux de conceptions d'actionneurs piézoélectriques ou de schémas de mouvement qui déterminent la gamme unique de pièces d'actionneur piézoélectrique qui constituent le mouvement mécanique du dispositif. Ce sont des actionneurs cylindriques, bimorphes et unimorphes, ou multicouches, chacun ayant également une désignation de mode qui dépend du type de coefficient piézoélectrique de contrainte mécanique induite. Un actionneur multicouche à 33 modes est conçu pour générer un mouvement le long du chemin du champ électrique appliqué, alors qu'un actionneur cylindrique à 31 modes présente un mouvement perpendiculaire à la force électrique. Un actionneur à 15 modes utilise une contrainte de cisaillement dans le cristal pour une force diagonale, mais ils ne sont pas aussi communs que d'autres types d'actionneurs piézoélectriques, car la contrainte de cisaillement est une réaction cristalline plus complexe qui est difficile à contrôler et pour laquelle des systèmes doivent être fabriqués.

Le but pour lequel un actionneur piézoélectrique est utilisé est généralement basé sur le fait qu'il peut avoir une réponse mécanique à la force électrique en une fraction de seconde et ne pas générer d'interférences électromagnétiques importantes dans son fonctionnement. Cela inclut l’utilisation commune des composants dans les lasers accordables et divers capteurs d’optique adaptative, ainsi que le contrôle au niveau micro des vannes lorsque le débit de carburant est déterminant pour la quantité de poussée générée, comme dans les systèmes d’injection de carburant et les commandes avioniques. L'actionneur piézoélectrique a également de nombreuses utilisations dans le domaine de la médecine où il est intégré dans des micro-pompes pour des procédures telles que la dialyse et les distributeurs de médicaments automatisés ou les distributeurs de gouttelettes. Les domaines de recherche dépendent également de l'actionneur piézoélectrique, notamment lorsqu'il s'agit d'un composant essentiel du microscope à force atomique (AFM) dans le domaine de la nanotechnologie.

Parmi les autres domaines de recherche avancés utilisant l'actionneur piézoélectrique, citons l'usinage de précision, les contrôles d'astronomie pour télescopes, la recherche en biotechnologie, ainsi que l'ingénierie des semi-conducteurs et la fabrication de circuits intégrés. Certains de ces champs nécessitent un actionneur piézoélectrique capable de contrôler des plages de mouvement allant jusqu'à 2 microns (0,0001 pouce) en moins de 0,001 seconde. L'actionneur piézoélectrique est également un dispositif optimal pour de telles applications car il présente plusieurs caractéristiques uniques, dont une consommation d'énergie très faible, il ne génère aucun champ magnétique et peut fonctionner à des températures cryogéniques. Cependant, la fonctionnalité la plus utile de ce dispositif réside probablement dans le fait qu’il s’agit d’un dispositif à semi-conducteurs ne nécessitant ni engrenages ni paliers, de sorte qu’il peut être utilisé de manière répétée des milliards de fois sans montrer la moindre dégradation de ses performances.

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