Actionneurs piézoélectriques multicouches vs. actionneurs électromagnétiques : comparaison technique et analyse d’application

1. Introduction
2. Fonctionnement de chaque technologie
3. Comparaison technique côte à côte
4. Cas d'utilisation et prise de décision
5. Meilleur capteur : Actionneurs piézoélectriques multicouches
6. Conclusion

Introduction
Dans l'automatisation industrielle actuelle, les actionneurs sont plus que jamais indispensables. Des systèmes de commande de mouvement plus petits, plus rapides et plus précis sont utilisés dans la fabrication de semi-conducteurs, les robots médicaux et d'autres systèmes optiques qu'il y a seulement dix ans.
Les ingénieurs imposent aujourd'hui certaines exigences aux actionneurs. Premièrement, ils doivent être de petite taille. Deuxièmement, ils doivent avoir un temps de réponse rapide. Troisièmement, pour certaines applications, ils doivent fonctionner dans des environnements où les champs magnétiques sont inutilisables. Ces exigences rendent de nombreuses applications inaccessibles aux actionneurs électromagnétiques conventionnels.
Les deux technologies privilégiées sont les actionneurs électromagnétiques et les actionneurs piézoélectriques multicouches. Ce sont des technologies éprouvées, stables et facilement disponibles. Cependant, les principes physiques sous-jacents sont totalement différents et présentent des caractéristiques similaires, mais aussi des différences cruciales dans les domaines les plus importants pour les applications de contrôle de mouvement de précision.
Capteur Bestar dessins Céramiques piézoélectriques multicouches pour l'actionnement de précision. Ce blog vise à fournir une comparaison technique objective des technologies afin d'aider les ingénieurs dans leur choix.

Comment fonctionne chaque technologie
1. Actionneurs électromagnétiques
Les actionneurs électromagnétiques produisent de l'énergie mécanique à partir d'énergie électrique grâce au magnétisme. Une bobine parcourue par un courant génère un champ magnétique. Ce champ agit sur un aimant permanent ou un élément ferromagnétique pour créer une force. En modulant l'intensité du courant, on peut contrôler la force et la position.
La force de Lorentz est à la base des moteurs, des solénoïdes, des actionneurs à bobine mobile et des moteurs linéaires. Cette technologie, éprouvée et facile à contrôler avec n'importe quelle électronique de commande, permet d'obtenir des courses importantes, même sur de longues distances.
Mécaniquement, cette technologie se compose généralement d'une bobine, d'un aimant par rapport auquel elle se déplace et d'un système de palier ou de guidage. Un jeu existe entre les parties mobiles et fixes. Un certain degré de frottement, d'usure et d'hystérésis magnétique est à prévoir.
2. Actionneurs piézoélectriques multicouches
Les actionneurs piézoélectriques reposent sur un concept très différent. Certains types de céramiques se déforment lorsqu'une tension leur est appliquée. C'est ce qu'on appelle l'effet piézoélectrique inverse. Si l'on applique une tension positive, par exemple, la céramique se dilate légèrement. Si l'on applique une tension négative, elle se contracte.
Le déplacement par monocouche de céramique est très faible, de l'ordre du nanomètre par volt. En revanche, la réalisation d'un dispositif multicouche, constitué d'un empilement de nombreuses couches minces de céramique en série électriquement et en parallèle mécaniquement, permet d'additionner toutes les valeurs de déflexion. On obtient ainsi un empilement solide de céramique capable de produire un déplacement utile pour des tensions d'excitation acceptables.
Ce dispositif ne comporte ni bobines, ni aimants, ni pièces mobiles. L'empilement céramique est un composant à semi-conducteurs. Il se dilate et se contracte à l'état solide, sans frottement, jeu ni usure.

Comparaison technique côte à côte
Le tableau ci-dessous résume les principales différences de performance entre les deux technologies pour les paramètres les plus importants dans les applications de précision.

Cas d'utilisation et prise de décision
1. Têtes d'impression à jet d'encre : Valves de précision haute fréquence
Les têtes d'impression à jet d'encre doivent éjecter des gouttelettes à des cadences de répétition très élevées (jusqu'à plusieurs dizaines de milliers par seconde). L'éjection des gouttelettes doit être constante et extrêmement précise. Le fonctionnement des électrovannes à ces cadences n'est pas garanti. L'inductance de la bobine limite la vitesse d'application et de coupure du courant, et donc la vitesse d'actionnement.
Les actionneurs piézoélectriques ne présentent pas cette limitation. Ils peuvent fonctionner jusqu'à plusieurs dizaines de kilohertz en conditions réelles, et même à des fréquences supérieures dans des produits spécialisés. C'est pourquoi les têtes d'impression à jet d'encre industrielles, les systèmes de dosage ultrarapides et autres applications de contrôle des fluides nécessitant des volumes précis à haute vitesse utilisent désormais la technologie piézoélectrique.
2. Réglage subnanométrique en optique et lithographie
Les systèmes de lithographie utilisés dans la fabrication de semi-conducteurs exigent un positionnement subnanométrique des éléments optiques. Les systèmes d'alignement optique doivent ajuster les miroirs avec une précision inférieure à la longueur d'onde de la lumière. Ceci est impossible à réaliser avec un système d'actionnement électromagnétique sans platine de micro-alignement.
Les actionneurs piézoélectriques constituent la solution. Ils offrent une relation linéaire entre la tension appliquée et le déplacement, sans jeu ni frottement. Leur résolution de position est uniquement déterminée par les capacités de l'électronique de commande. Des systèmes en boucle fermée permettant une résolution subnanométrique sont disponibles dans un format miniature avec des amplificateurs de précision.
C’est pourquoi les platines piézoélectriques sont au cœur des outils d’inspection des semi-conducteurs, de l’optique adaptative, de l’alignement des fibres optiques et des microscopes confocaux.
3. Micropompe pour applications médicales et biopharmaceutiques
La miniaturisation des technologies médicales est en constante progression. Des mécanismes d'actionnement plus petits, plus légers et plus efficaces sont nécessaires pour l'administration de médicaments implantables, les dispositifs de diagnostic au chevet du patient et les embouts d'instruments chirurgicaux.
Les actionneurs électromagnétiques ne sont pas adaptés à une miniaturisation efficace. La force qu'ils génèrent diminue rapidement avec la réduction de leur taille.
Les actionneurs piézoélectriques sont facilement industrialisables. L'empilement multicouche présente une force élevée à l'échelle du centimètre cube.
Les pompes piézoélectriques à actionnement membranaire peuvent déplacer et distribuer des fluides avec précision, tout en consommant peu d'énergie, et peuvent être utilisées pour les dispositifs médicaux fonctionnant sur batterie et nécessitant une faible consommation.
Une autre application concerne la robotique chirurgicale. Les extrémités des instruments mini-invasifs doivent être compactes, exercer une force importante et permettre un contrôle précis de leur position. Les composants piézoélectriques offrent ces performances dans un format réduit, ce qui est impossible avec les composants électromagnétiques.

Bestarsensor : Actionneurs piézoélectriques multicouches
Capteur Bestar Conçoit et produit des actionneurs piézoélectriques multicouches en céramique grâce à des technologies de co-cuisson de pointe. Leurs composants présentent plusieurs caractéristiques.
1. Densité de force de sortie élevée
Le procédé de co-cuisson multicouche utilisé par Capteur Bestar Ce procédé permet d'assembler de nombreuses couches minces de céramique dans un format compact. L'accumulation de ces couches génère un déplacement et une force cumulatifs, assurant ainsi une force de blocage élevée et un déplacement exploitable tout en occupant un volume réduit.
2. Stabilité du cycle à long terme
Capteur Bestar Elle utilise des procédures rigoureuses d'approvisionnement et de fabrication des matériaux afin de garantir la composition de la céramique pour l'ensemble de la pile. Ceci lui permet de maintenir un débit de déplacement constant sur des centaines de millions de cycles.
3. Fabrication de précision et tensions de commande plus faibles
Plus les couches individuelles d'un empilement sont fines, plus leur nombre est élevé. Il en résulte un champ électrique plus faible à travers chaque couche. Un champ électrique plus faible signifie qu'une tension appliquée plus faible est nécessaire pour obtenir le même déplacement. La réduction de la tension de commande simplifie la conception de l'électronique de commande et diminue les contraintes d'isolation sur les couches céramiques, ce qui améliore la fiabilité. Capteur BestarLa capacité de l'appareil à contrôler l'épaisseur des couches pendant le frittage influe sur les performances électriques, ainsi que sur la durée de vie de l'actionneur.

Conclusion
Les actionneurs électromagnétiques et les actionneurs piézoélectriques ne visent pas le même marché. Leurs capacités sont très différentes et il est essentiel de bien définir l'application pour les utiliser efficacement.
Si l'application requiert une grande course, une basse tension, une électronique de commande facile à mettre en œuvre et que le coût est un facteur critique, les actionneurs électromagnétiques restent la solution de choix. Ils sont parfaitement adaptés à l'automatisation générale, aux mouvements linéaires, aux applications nécessitant une précision de positionnement millimétrique, etc.
Si l'application exige une précision de positionnement à l'échelle submicrométrique, un fonctionnement à haute fréquence, une faible dissipation de chaleur et une faible consommation d'énergie statique, ou un fonctionnement dans des champs magnétiques élevés, l'actionneur multicouche piézoélectrique est supérieur aux dispositifs électromagnétiques.
Les tendances en matière de fabrication de précision déterminent les conditions de fonctionnement qui favorisent l'utilisation d'actionneurs piézoélectriques. La microtechnologie, les temps de cycle plus courts, les tolérances plus serrées et l'efficacité énergétique sont des caractéristiques communes à tous les secteurs industriels. Capteur BestarLes composants piézoélectriques multicouches de la société sont conçus pour répondre aux besoins des ingénieurs confrontés à ces défis, en offrant les spécifications techniques et la précision de fabrication exigées par les applications de précision.