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L'Usine Aéro

Le piézo-électrique conquiert de nouveaux marchés

Publié le

Après les capteurs, les actionneurs et les moteurs piézo-électriques sortent de leurs applications spatiales et militaires pour se développer.

Les entreprises citées

Finie la longue traversée du désert des systèmes piézo-électriques ? Peut-être ! L'inventeur britannique Trevor Baylis, révèle notre confrère " Electronics Weekly ", a traversé le désert de Namibie avec des chaussures équipées de capteurs piézo-électriques. Objectif ? Convertir l'énergie mécanique de la marche en électricité, afin de recharger les batteries de son téléphone portable. L'exploit a donné naissance à une société de commercialisation, The Electric Shoe Company.

De plus en plus présents sur les lignes de production

Pour anecdotique qu'elle soit, cette application démontre que la piézo-électricité est en train de sortir du pré carré des applications spatiales et militaires pour se développer. Les capteurs sont les premiers à se démocratiser. Les actionneurs et les moteurs, plus complexes, suivent le mouvement. La découverte de l'effet piézo-électrique ne date pas d'hier. Mais plus précisément de 1880, date à laquelle les frères Pierre et Jacques Curie démontrèrent son existence. Il s'agit de la propriété qu'ont certains cristaux de générer un courant électrique quand ils sont soumis à une pression mécanique, et de l'effet inverse, c'est-à-dire de produire un effet mécanique en présence d'un champ électrique. L'effet piézo-électrique " direct " est le plus simple à mettre en oeuvre. De nombreux capteurs l'utilisent, du moment qu'il s'agit de traduire un effort mécanique en une mesure électrique directement exploitable. C'est le cas des capteurs de force, de pression ou encore des accéléromètres. Jusqu'à présent confinés dans les laboratoires, " ils sont désormais de plus en plus utilisés sur les lignes de production ", explique Jean-Pierre Labattu, P-DG et directeur commercial de Kistler France, l'un des leaders du domaine. " L'industrie de l'automobile est notre principal client et représente entre 60 et 70 % de cette activité ", confirme Jean-Pierre Labattu. La biomécanique est un autre des marchés porteurs. Qui va du médical (validation des prothèses) au sport (qualification de chaussures, essais de fixations de skis en situation, etc.). La tendance à insérer de l'électronique dans l'élément sensible va accélérer le développement des applications piezo-électriques. Les actionneurs et les moteurs piézo-électriques possèdent pour leur part les plus forts potentiels de développement. Leur objectif est double : s'imposer sur de nouveaux marchés, mais également accéder à des applications de grands volumes. Ce dernier point étant particulièrement important, puisque le principal reproche fait aux systèmes piézo-électriques est leur prix élevé, dû essentiellement aux faibles quantités produites au regard des systèmes électromécaniques traditionnels.

Force et précision

Pour se lancer à l'assaut de ces nouvelles applications, les systèmes piézo-électriques possèdent de sérieux atouts. Tout d'abord, sous un encombrement minimal de quelques centimètres cubes, un actionneur développe un couple et une force très importants. " Pour un actionneur amplifié de 500 micromètres de déplacement, la force développée est de 560 newtons ", donne comme exemple Lionel Grand, ingénieur des ventes de Cedrat, PME grenobloise spécialisée dans le domaine. Autre avantage qui en découle, l'actionneur, en l'absence d'alimentation électrique, est bloqué en position. L'intérêt est certain pour des systèmes où les dépenses en énergie sont étroitement contingentées, comme le positionnement de miroirs sur les satellites. Une fois collimatés, ils restent en place, sans apport d'énergie. Les systèmes sont également capables de précisions de l'ordre de quelques nanomètres. Ce qui en fait des candidats idéals pour les applications nécessitant des micropositionnements. Cela ne signifie pas pour autant que de tels systèmes sont incapables de produire des déplacements importants. " Il faut arrêter d'associer piézo-électrique et petits déplacements ! ", prévient Marc Vilcot, ingénieur technico-commercial de Cedrat. Les actionneurs ultrasoniques, c'est-à-dire soumis à un champ électrique périodique, sont en fait des accumulateurs. La longueur de chaque microdéplacement est à multiplier par la fréquence employée. " Il n'y a alors plus de limitation de longueur ", explique Marc Vilcot. Dernier avantage - et non des moindres ! -, les systèmes piézo-électriques sont amagnétiques. Contrairement aux moteurs classiques ou à tout système fondé sur une bobine magnétique. De cette façon, ils ne génèrent pas de bruit électromagnétique, susceptible de polluer l'environnement. Ce qui est primordial quand ledit environnement est très sensible, comme le milieu médical. L'Inserm (Institut national de la santé et de la recherche médicale) utilise ainsi des composants piézo-électriques de Cedrat dans ses systèmes d'IRM (imagerie par résonance magnétique). La seule ombre au tableau, le prix mis à part, est qu'il s'agit de systèmes mécaniques, sujets à l'usure et aux échauffements. Mais les progrès faits dans la recherche de nouveaux matériaux piézo-électriques repoussent sans cesse leurs limites. C'est ainsi que certains systèmes sont garantis pour plus de 250 000 mouvements. " Il n'y a pas de problème pour des applications peu fréquentes, comme les lève-vitres d'automobile ", assure Marc Vilcot.

Premiers pas dans l'informatique...

Les fabricants de puces électroniques ont tout de suite vu l'intérêt de cette technologie. Leur grande précision dans le positionnement leur ouvre tout naturellement les portes des salles blanches pour la mise en place des plaquettes de silicium. L'ultra-vide exigé dans ces environnements ainsi que les grandes variations de température ne les gênent pas. L'antibois TechSonic va même plus loin. Il vient de commencer la fabrication d'appareils pour nettoyer les plaquettes de silicium après les opérations de gravure. Un actionneur piézo-électrique est mis en vibration à très haute fréquence à l'intérieur du bain de nettoyage. " Il excite mécaniquement les particules présentes sur la plaquette et les détache ", expose Gil Ching, gérant de la PME. L'appareil agit en quelque sorte comme un catalyseur chimique à fort pouvoir nettoyant. Dans l'informatique, les fabricants de disques durs sont intéressés par les possibilités de micropositionnement. Ainsi, STMicroelectronics vient d'annoncer, en septembre, une puce de commande pour actionneurs, la Piezo Drive. En plus des capacités accrues grâce au micropositionnement des têtes de lecture, l'utilisation d'un actionneur piézo-électrique permettra de renforcer la résistance aux chocs et aux vibrations du disque dur.

... et dans le grand public

Les applications professionnelles ne font pas oublier pour autant le grand public. Comme le tennis. Head Tyrolia Sports a ainsi développé un système complet qui associe à la fois un effet piézo-électrique direct et l'effet inverse. Dans les deux branches de la raquette, des fibres sont moulées. L'énergie de la balle est transformée par elles en un courant qui, traité par une puce électronique, est restitué aux mêmes fibres et retransformé en énergie mécanique afin de renvoyer la balle. " Mais c'est réservé aux débutants, prévient Arnaud Benoist, responsable de communication. Les professionnels gardent la balle le plus longtemps possible. "







Les apports des actionneurs et des moteurs piézo -électriques

Avantages


Couples et forces développés importants,

bloquage en position en l'absence d'alimentation,

précision de positionnement de l'ordre de quelques nanomètres,

déplacements illimités,

amagnétiques.

Inconvénients

Usure, échauffement dus aux frottements,

prix élevé.



UNE RAQUETTE " PIÉZO " POUR UNE MEILLEURE FRAPPE






 

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