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7 • Piézoactionneurs et piézomoteurs
Compte tenu de l’effort de recherche soutenu dont ils bénéficient à l’heure actuelle,
les actionneurs et moteurs à base de céramiques piézoélectriques font plus particulièrement l’objet de ce dernier chapitre.
La forme particulière que revêt le couplage piézoélectrique dans les céramiques
ferroélectriques de type PZT est tout d’abord examinée. Les conditions de transformation de l’énergie en mode quasi-statique et résonnant sont tour à tour analysées.
La théorie élémentaire des convertisseurs résonnants est élaborée sur la base d’une
formulation lagrangienne dont les fondements ont été établis aux chapitres 2 et 3. Le
principe d’un entraînement par mouvement vibratoire, transmis par effet de contact,
est ensuite discuté d’un point de vue essentiellement fonctionnel. Enfin, quelques
exemples de moteurs ou d’actionneurs particulièrement représentatifs de cette technologie en plein essor illustrent concrètement le potentiel d’innovation qu’elle représente.
7.1 CÉRAMIQUES PIÉZOÉLECTRIQUES
7.1.1 Généralités
La mise en évidence, au cours des années 1950, des propriétés remarquables des
céramiques ferroélectriques de type PZT (PbZr 1−x -Ti x O 3 avec x 0, 5) constitue
un tournant dans l’histoire de la piézoélectricité. En effet, comparés aux matériaux
naturels tels que le quartz (SiO 2 ) par exemple, les constantes de charge qui caractérisent ces composés de type pérovskite (ABO 3 ) sont environ 100 fois plus élevées
(cf. § 4.4.2). Aussi, les applications industrielles de la piézoélectricité sont largement
tributaires des possibilités offertes par ces matériaux synthétiques [71].
Obtenue par frittage d’oxydes ou de sels de plomb, de zirconium et de titane, la
structure de ces matériaux est de nature polycristalline. L’alignement des moments
dipolaires spontanément engendrés au sein des domaines élémentaires est obtenu à
l’issue d’une étape de polarisation sous champ électrique intense. On crée de cette
manière les conditions d’anisotropie nécessaire à l’existence de la piézoélectricité.
À l’instar des matériaux ferromagnétiques, les propriétés piézoélectriques des céramiques PZT disparaissent au delà d’une certaine température de Curie (de l’ordre de
150 à 400
◦ C). L’état ferroélectrique laisse alors la place à un comportement diélectrique linéaire de type paraélectrique.
Les céramiques PZT sont principalement exploitées dans le domaine des ultrasons. Elles concernent des applications aussi variées que le sonar, les transducteurs
à usage médical (échographie), les allume-gaz et plus récemment les injecteurs de
carburant (injection directe dans les moteurs diesel). Leur aptitude à la conversion
d’énergie en fait naturellement aujourd’hui le matériau de référence pour les moteurs
et actionneurs à effets piézoélectriques.
7 • Piézoactionneurs et piézomoteurs
Compte tenu de l’effort de recherche soutenu dont ils bénéficient à l’heure actuelle,
les actionneurs et moteurs à base de céramiques piézoélectriques font plus particulièrement l’objet de ce dernier chapitre.
La forme particulière que revêt le couplage piézoélectrique dans les céramiques
ferroélectriques de type PZT est tout d’abord examinée. Les conditions de transformation de l’énergie en mode quasi-statique et résonnant sont tour à tour analysées.
La théorie élémentaire des convertisseurs résonnants est élaborée sur la base d’une
formulation lagrangienne dont les fondements ont été établis aux chapitres 2 et 3. Le
principe d’un entraînement par mouvement vibratoire, transmis par effet de contact,
est ensuite discuté d’un point de vue essentiellement fonctionnel. Enfin, quelques
exemples de moteurs ou d’actionneurs particulièrement représentatifs de cette technologie en plein essor illustrent concrètement le potentiel d’innovation qu’elle représente.
7.1 CÉRAMIQUES PIÉZOÉLECTRIQUES
7.1.1 Généralités
La mise en évidence, au cours des années 1950, des propriétés remarquables des
céramiques ferroélectriques de type PZT (PbZr 1−x -Ti x O 3 avec x 0, 5) constitue
un tournant dans l’histoire de la piézoélectricité. En effet, comparés aux matériaux
naturels tels que le quartz (SiO 2 ) par exemple, les constantes de charge qui caractérisent ces composés de type pérovskite (ABO 3 ) sont environ 100 fois plus élevées
(cf. § 4.4.2). Aussi, les applications industrielles de la piézoélectricité sont largement
tributaires des possibilités offertes par ces matériaux synthétiques [71].
Obtenue par frittage d’oxydes ou de sels de plomb, de zirconium et de titane, la
structure de ces matériaux est de nature polycristalline. L’alignement des moments
dipolaires spontanément engendrés au sein des domaines élémentaires est obtenu à
l’issue d’une étape de polarisation sous champ électrique intense. On crée de cette
manière les conditions d’anisotropie nécessaire à l’existence de la piézoélectricité.
À l’instar des matériaux ferromagnétiques, les propriétés piézoélectriques des céramiques PZT disparaissent au delà d’une certaine température de Curie (de l’ordre de
150 à 400
◦ C). L’état ferroélectrique laisse alors la place à un comportement diélectrique linéaire de type paraélectrique.
Les céramiques PZT sont principalement exploitées dans le domaine des ultrasons. Elles concernent des applications aussi variées que le sonar, les transducteurs
à usage médical (échographie), les allume-gaz et plus récemment les injecteurs de
carburant (injection directe dans les moteurs diesel). Leur aptitude à la conversion
d’énergie en fait naturellement aujourd’hui le matériau de référence pour les moteurs
et actionneurs à effets piézoélectriques.