Translateur piézo-électrique à ondes stationnaires : modélisation théorique et caractérisation expérimentale

Standing waves piezo-electric ultrasonic motor : theoretical modelling and experimental characterization

• Auteur / Autrice : Jean-Claude Ferniot
• Direction : Patrice Minotti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Besançon
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Franche-Comté. UFR des sciences et techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie mécanique

Moteurs électriques

Piézoélectricité

Mots clés libres

Moteurs ultrasonores

Résumé

L'objet de la présente étude est de contribuer à mieux comprendre les mécanismes de conversions d'énergie mécanique impliqués aux interfaces des moteurs à interactions de contact, et ce par le biais de l'analyse approfondie du translateur piézo-électrique à ondes stationnaires. Les résultats issus d'une longue campagne expérimentale, avec notamment la mise au point d'un banc de caractérisation en force motrice, ont permis d'évaluer les performances du prototype étudié, en fonction des différents paramètres géométriques et mécaniques. Dans ce cadre, on notera une évolution linéaire de la vitesse en fonction de l'amplitude de vibration, pour chaque niveau de chargement et différentes indexations des plots, permettant d'atteindre des vitesses de l'ordre de 20 cm/s et de déplacer des masses pouvant atteindre 10 kg. La caractérisation en force motrice a permis d'identifier des coefficients de frottement dynamiques sur le verre et l'acier traduisant des performances motrices modestes. Une caratérisation de positionnement expérimentale a permis d'identifier une résolution de positionnement submicronique, ce qui permet d'envisager, conjointement aux aptitudes de convoyage de charges, des champs d'applications assez larges de ce type d'actionneur. La première étude théorique porte sur le comportement hors-plan au niveau de l'interface de contact, et permet de caractériser des taux de contact et de décollement en régime permanent, puis en régime transitoire en amplitude. La corrélation avec les résultats expérimentaux permet alors d'identifier des grandeurs géométriques et mécaniques telles que la raideur longitudinale kl, le diamètre de la zone de contact, et la raideur transverse kt, valeurs fortement dépendantes du chargement appliqué. La seconde étude théorique porte sur le comportement tangentiel, à partir des valeurs des taux de contact et de la raideur transverse issues de l'étude du comportement hors-plan. Un premier modèle simplifié, supposant le régime permanent en terme de vitesse atteint, est évalué. Les résultats théoriques qui en découlent montrent que les effets inertiels expérimentaux non négligeables, notamment sur un substrat en verre, ne sont pas traduits. Un second modèle, prenant en compte les phénomènes transitoires en amplitude et les effets inertiels permet d'appréhender leurs effets avec succès.