Comment fonctionne une vanne piézoélectrique

Les vannes piézoélectriques contrôlent précisément le flux de fluide en utilisant l'effet piézoélectrique, ce qui leur permet d'agir avec une grande précision et sans avoir besoin d'énergie pour maintenir leur état. Ces vannes se distinguent par leur taille compacte, leur légèreté, leur durabilité exceptionnelle et leur vitesse, ce qui les rend écoénergétiques et capables de fonctionner sans générer de chaleur ou de bruit. Notamment, les vannes piézoélectriques fonctionnent de manière proportionnelle et présentent une résistance à l'usure significative. Ces caractéristiques les rendent adaptées aux applications exigeant un contrôle précis du débit et de la pression, notamment dans l'industrie des semi-conducteurs pour un dosage précis de l'air ou des gaz, l'assemblage de petites pièces avec un dosage précis d'adhésif, ainsi que diverses applications dans la technologie médicale, l'automatisation de laboratoire et le secteur automobile.

Qu'est-ce que la technologie piézoélectrique ?

La technologie piézoélectrique implique l'utilisation d'éléments piézoélectriques, qui sont des transducteurs électromécaniques. Ces éléments peuvent convertir des forces mécaniques telles que la pression, la contrainte de traction ou l'accélération en tension électrique à travers l'effet piézoélectrique direct. À l'inverse, l'effet piézoélectrique inverse se produit lorsqu'une tension appliquée provoque la déformation de l'élément piézoélectrique, générant un mouvement mécanique ou des oscillations.

Les matériaux piézoélectriques, généralement des céramiques spéciales avec des surfaces conductrices, facilitent la conversion de l'énergie électrique et mécanique. Ces matériaux ont une structure de réseau asymétrique en dessous d'une certaine température, appelée température de Curie, ce qui les rend dipôles. Ces céramiques peuvent être polarisées de manière permanente lorsqu'elles sont exposées à de forts champs électriques, leur conférant des propriétés piézoélectriques. Cette polarisation provoque un changement de forme du matériau lorsqu'une tension est appliquée, entraînant une déformation en 3D le long des lignes de champ et une contraction à angle droit par rapport à ces lignes.

Avantages des vannes piézoélectriques

Les vannes piézoélectriques offrent plusieurs avantages distincts par rapport aux vannes solénoïdes traditionnelles. Voici une liste concise mettant en évidence les principaux avantages des vannes piézoélectriques :

• Consommation d'énergie réduite : Les vannes piézoélectriques utilisent peu d'énergie pour rester actives, ne générant pas de chaleur sauf en cas de contrôle à haute fréquence. Cela les rend idéales pour les appareils alimentés par batterie, prolongeant significativement la durée de vie de la batterie par rapport aux vannes solénoïdes.
• Sécurité intrinsèque : Ces vannes répondent aux exigences de "sécurité intrinsèque" pour les environnements explosifs, car elles stockent peu d'énergie, réduisant ainsi le risque d'ignition.
• Haute vitesse de commutation : Capables de fonctionner dans la plage du submicroseconde, les vannes piézoélectriques sont parfaites pour les applications nécessitant une réponse rapide, telles que les systèmes de tri à grande vitesse et les circuits de commande en boucle fermée.
• Propriétés antimagnétiques : La technologie piézoélectrique fonctionne de manière fiable dans des environnements à champ magnétique élevé, tels que les systèmes d'imagerie par résonance magnétique (IRM).
• Poids minimal : Généralement fabriquées en plastique et dépourvues de composants en fer et en cuivre, les vannes piézoélectriques sont légères et portables.
• Coûts réduits : La production en masse de la technologie piézoélectrique peut être rentable, comme le montrent les briquets à piézoélectrique bon marché.
• Longue durée de vie : Avec un seul composant à semi-conducteur et aucune pièce sujette à l'usure, les vannes piézoélectriques peuvent atteindre un grand nombre de cycles de fonctionnement lorsqu'elles sont correctement conçues.

Remarque : Tous ces avantages ne peuvent pas être pleinement réalisés dans une seule vanne, car les conceptions sont généralement adaptées à des applications spécifiques où certains avantages sont privilégiés.

Conceptions de vannes piézoélectriques

Les composants suivants sont courants dans les vannes piézoélectriques :

• Actuateur piézoélectrique : Convertit l'énergie électrique en mouvement mécanique pour contrôler le fonctionnement de la vanne.
• Corps de vanne : Loge tous les composants internes et assure l'intégrité structurelle.
• Orifice d'entrée : Point d'entrée du liquide ou du gaz dans la vanne.
• Orifice de sortie : Point de sortie du liquide ou du gaz de la vanne.
• Élément d'étanchéité : Assure une étanchéité parfaite pour éviter les fuites lorsque la vanne est fermée.
• Connecteurs électriques : Fournissent l'interface pour les signaux électriques permettant de contrôler l'actuateur.
• Support de montage : Permet à la vanne d'être fixée de manière sécurisée à une surface ou à un système.
• Électronique de contrôle : Gère le fonctionnement de l'actuateur piézoélectrique en fonction des signaux d'entrée.

Styles d'actuateurs piézoélectriques

Actuateurs à courbure

Les actuateurs à courbure sont rectangulaires et conducteurs sur les deux surfaces. Cette céramique est liée à un substrat conducteur, formant des électrodes. Lorsqu'une tension est appliquée, la céramique se dilate le long du champ électrique, provoquant la courbure de l'actuateur à son extrémité libre. Ces actuateurs existent en différentes versions avec différentes caractéristiques de force et de mouvement, les rendant adaptés à des applications telles que les vannes pneumatiques, les machines à tricoter circulaires et les modules Braille. Une variante notable est le trimorphe, qui comprend une couche céramique supplémentaire, améliorant les performances et la plage de température.

Transducteurs à disque

Les transducteurs à disque sont des éléments piézoélectriques simples en forme de disques minces attachés à des substrats métalliques. La surface du disque est métallisée pour créer un champ électrique lorsqu'une tension est appliquée. Cela provoque la dilatation de la céramique, augmentant l'épaisseur du disque tout en réduisant son diamètre, ce qui entraîne un mouvement de flexion sphérique. Cet effet de flexion est utilisé dans les haut-parleurs haute fréquence, les capteurs, les micropompes, les ventilateurs et les générateurs d'ultrasons, couramment utilisés dans les capteurs de distance automobiles.

Transducteurs empilés

Les transducteurs empilés, ou piles piézoélectriques, sont constitués de plusieurs disques piézoélectriques empilés mécaniquement en série et connectés électriquement en parallèle. Contrairement aux transducteurs à disque, leur fonctionnement est basé sur une expansion directe le long du champ électrique, permettant des courses courtes mais générant des forces d'actionnement significatives. Ces transducteurs sont utilisés dans des applications nécessitant une force élevée, telles que les vannes de liquide dans les systèmes d'injection de carburant diesel et les dispositifs de micro-positionnement.

Tableau 1 : Déplacement et force générée des transducteurs à plis, à disque et empilés

Type de transducteur	À plis	À disque	Empilé
Déplacement	100 - 1000 µm	10 - 100 µm	10 - 100 µm
Force	0,1 - 2 N	1 - 10 N	1 000 - 10 000 N

Principe de fonctionnement

Cette section décrit le principe de fonctionnement d'une vanne piézo typique :

1. Utilisation de l'élément piézo : Les vannes piézo utilisent principalement des actionneurs à plis fabriqués à partir d'éléments piézo. Les performances de ces vannes s'améliorent avec un champ électrique plus fort.
2. Efficacité énergétique : Contrairement aux vannes à solénoïde, les vannes piézo n'ont pas besoin d'un courant continu pour maintenir leur état. Elles nécessitent une tension d'alimentation plus élevée uniquement pendant la phase de mise en marche initiale, consommant globalement beaucoup moins d'énergie.
3. Calcul de l'énergie de mise en marche : L'énergie nécessaire pour mettre en marche une vanne piézo peut être approximée en utilisant la formule, où (C) est la capacité et (U) est la tension de commande. Typiquement, cette énergie varie de 0,5 à 5 milliwatt-secondes (mWs).
4. Maintien de l'état de la vanne : Une fois activées, les vannes piézo maintiennent leur état même si l'alimentation est déconnectée. Cela est dû au fait que les porteurs de charge ne peuvent pas s'échapper sans une décharge active.
5. Réinitialisation de la vanne : Pour réinitialiser la vanne, la charge doit être retirée du transducteur. Cela peut être fait en stockant l'énergie dans un autre système (récupération d'énergie) ou en la convertissant en chaleur (court-circuit). Par conséquent, un commutateur de changement est nécessaire au lieu d'un simple interrupteur marche/arrêt.
6. Génération de haute tension : Les vannes piézo haute performance nécessitent une haute tension, qui peut être générée efficacement à l'aide d'un convertisseur élévateur. Cet appareil utilise la haute tension d'induction d'une commutation cyclique de la bobine, la stockant dans un condensateur.
7. Fonctionnement du convertisseur élévateur : Un convertisseur élévateur peut atteindre une tension de sortie de 300 V à partir d'une entrée aussi basse que 1 V. L'oscillateur pour la commutation peut souvent être intégré dans le microprocesseur existant du système, ou des circuits intégrés spécialisés peuvent être utilisés.
8. Efficacité et régulation : Les circuits intégrés conçus à cet effet gèrent la régulation de la tension de sortie et garantissent une haute efficacité, dépassant souvent 80%.

Applications des vannes piézo

La liste suivante contient des applications courantes des vannes piézo :

• Contrôle du débit dans la production de semi-conducteurs pour les processus de revêtement et de liaison
• Manipulation non destructive de pièces fragiles à l'aide de régulateurs de vitesse pour les vérins pneumatiques à double effet
• Dosage rapide et précis dans les applications industrielles d'adhésifs
• Contrôle précis des débits dans diverses applications industrielles
• Polissage des plaquettes dans la production de semi-conducteurs en contrôlant la pression et le vide
• Ventilateurs mobiles en technologie médicale pour un fonctionnement compact, économe en énergie et silencieux
• Outils chirurgicaux pneumatiques en ophtalmologie pour la chirurgie de la cataracte
• Gonflage de coussins d'air dans les sièges de voiture pour un confort et un soutien accrus
• Assistant de manipulation bionique pour un dosage précis et intentionnel de l'air comprimé

Critères de sélection

Les critères de sélection suivants pour une vanne piézo sont créés en utilisant les caractéristiques de la vanne piézo de Festo (VEVM). Utilisez ces caractéristiques pour savoir sur quoi vous concentrer lors de la sélection des vannes piézo.

Données générales

• Méthode de réinitialisation : Ressort
• Mécanisme de fermeture : Siège de piston
• Direction du flux : Non réversible
• Indication de l'état : Une LED bleue signifie un fonctionnement normal. Une LED rouge signifie un dysfonctionnement.
• Taille nominale : 4,2 mm
• Débit nominal standard : 450 l/min
• Poids : 200 g
• Protection : IP65

Conditions de fonctionnement et environnementales

• Milieu de fonctionnement : Air comprimé (ISO 8573)
• Lubrification : Non autorisée
• Pression de fonctionnement : 3 - 8 bar (43,5 - 116 psi)
• Température de fonctionnement : 5 - 45 °C (41 - 113 °F)

Données électriques

• Tension de fonctionnement : 24VCC
• Fluctuations de tension autorisées : +/- 25%
• Consommation électrique : 2W
• Cycle de service : 100%

Connexions pneumatiques

• G3/8 : Alimentation, échappement
• G1/8 : Ports de travail
• M5 : Alimentation en air pilote
• M7 : Échappement pilote, trou de ventilation

Matériaux

• Boîtier : PA
• Joints : TPE-U(PU), NBR

FAQ

Comment fonctionne une vanne piézo ?

Une vanne piézo fonctionne en utilisant un actionneur piézoélectrique déformable pour contrôler l'ouverture de la vanne, permettant une régulation précise du flux de fluide.

Qu'est-ce qu'un actionneur de vanne piézo ?

Un actionneur de vanne piézo est un composant qui convertit les signaux électriques en mouvement mécanique en utilisant l'effet piézoélectrique pour contrôler le fonctionnement de la vanne.

Quelles sont les applications de la technologie des vannes piézo ?

La technologie des vannes piézo est utilisée dans la fabrication de semi-conducteurs, les dispositifs médicaux, l'automatisation de laboratoire et les systèmes automobiles pour un contrôle précis du débit et de la pression.