Actuateurs  de Type Cintrage (Bender) (Conceptions Bimorphe et  Multimorphe)
Un simple actuateur de flexion (conception bimorphe) consiste en un substrat métallique passif collé à une bande de céramique piézo  (voir Fig.45a). Un piézo bimorphe réagit aux variations de tension de la même façon qu'une bande bimétallique réagit dans un thermostat aux variations de température. Quand la céramique est sous tension elle se contracte ou s'allonge  proportionnellement à la tension appliquée. Comme le substrat métallique ne varie pas en  longueur, il se produit une flexion proportionnelle à la tension appliquée. La conception  bimorphe amplifie le changement de dimension du piézo, fournissant un déplacement jusqu'à  plusieurs millimètres dans un ensemble extrêmement petit. En plus de la forme classique de bandes, il existe aussi des actuateurs à disques bimorphes où le centre s'arque quand on applique une tension. 

Il existe aussi des combinaisons PZT/PZT, où les couches individuelles PZT fonctionnent en mode opposé (contraction/expansion).

Deux versions de base sont proposées: le bimorphe à deux électrodes (bimorphe série) et le bimorphe à trois électrodes (bimorphe parallèle), voir Fig. 45b. Dans le type série, une des deux plaques céramiques fonctionne toujours dans la direction opposée à la polarisation. Afin d'éviter une dépolarisation, le champ électrique  maximum est limité à quelques centaines de volts par millimètre. Les benders bimorphes série sont largement utilisés comme capteurs de force et d'accélération.

En plus des benders à deux couches, il existe aussi des benders piézos multicouche monolithiques. Comme pour les actuateurs à empilement multicouche, ils fonctionnent à des   tensions de fonctionnement  plus faibles (60 à 100 V).
Les actuateurs de type cintrage (Benders) fournissent un grand déplacement dans un petit volume au détriment  d'une raideur, d'une force  et d'une fréquence de résonance faibles.  

Exemples:
P-286 - 289  translateurs à disques (voir p. see link), PL122 actuateurs bender multicouche (p. see link).

Actuateurs  à Cisaillement
Les actuateurs à cisaillement peuvent générer des forces élevées et de grands déplacements. Un autre avantage est leur aptitude au fonctionnement  bipolaire, où la position centrale  correspond à une tension de commande de  0 V. En mode à cisaillement, à la différence  des autres  modes, le champ électrique est appliqué perpendiculairement à la direction de polarisation. (voir Fig. 46). Le coefficient de déformation  correspondant, d₁₅, a une valeur  aussi élevée que 1100 pm/V, fournissant le double du déplacement des actuateurs linéaires de dimension  comparable  basés sur  d₃₃.

Les actuateurs à cisaillement sont adaptés pour les applications de moteurs linéaires piézos,  et existent en éléments de positionnement d'un et deux axes.

Exemples:
PX155 (p. see link), P-363 (p. see link), N-214 moteur NEXLINE^® Piezo-Walk^®   (p. see link).


Actuateurs Piézos avec  Amplificateurs de Déplacement à Levier Intégré 
Les actuateurs piézos ou les platines de positionnement peuvent être conçus de telle façon qu'un amplificateur de déplacement à levier soit  intégré dans le système. Pour maintenir une résolution  sub-nanométrique avec une gamme de déplacement accrue, le système à levier doit être  extrêmement raide, sans jeu et sans friction, ce qui signifie que les roulements à billes et à rouleaux ne peuvent pas être utilisés. Les flexions sont très bien adaptées comme éléments de liaison. L'utilisation de flexions permet aussi de concevoir des systèmes de positionnement multi-axe avec d'excellentes caractéristiques de guidage.

PI  utilise une simulation par ordinateur d'analyse par éléments finis (FEA) pour optimiser les  nanopositionneurs à flexion afin d'obtenir la meilleure  raideur et  planéité.(voir Fig. 49 et Fig. 51).

Les positionneurs piézos avec amplificateurs de déplacement intégrés présentent à la fois des avantages et des désavantages comparés aux actuateurs piézos standards:

Avantages:

• Déplacement plus long
• Dimension compacte comparée aux actuateurs à empilement pour un déplacement égal
• Capacité réduite  (= courant de commande réduit)
  
  
   Désavantages:
   
• Raideur réduite 
• Fréquence de résonance plus faible. 

Les relations suivantes s'appliquent à des leviers (idéaux) utilisés pour amplifier le déplacement de tout système d'entraînement primaire:






où:

r = rapport de transmission du levier
DL₀ = déplacement de l'entraînement primaire [m]
DL_Sys = déplacement du système amplifié par le levier  [m]
k_sys = raideur du système amplifié par le levier [N/m]
k₀ = raideur du système d'entraînement  primaire  (empilement piézo et articulations [N/m]
f_res-sys = fréquence de résonance du système amplifié [Hz]
f_res-0 = fréquence de résonance du système d'entraînement  primaire (empilement piézo et   articulations) [Hz]

Note:
Les équations ci-dessus sont  basées sur une conception idéale du levier avec une raideur   infinie et une masse nulle. Elles impliquent aussi qu'aucune  raideur ne se perde pas à l'interface de couplage entre l'empilement piézo et le levier. Dans les applications réelles, la conception d'un bon levier nécessite une  longue expérience en micromécanique  et en nanomécanisme. Il faut trouver un compromis entre la masse, la raideur et le coût, tout en maintenant des conditions de  zéro-friction et de zéro-jeu.

Le couplage de l'empilement piézo avec le système à levier est crucial. Le couplage doit être très raide  dans la direction de la poussée mais doit  être  souple dans tous les autres  degrés de liberté afin d'éviter d'endommager les céramiques. Même si la raideur de chacune des deux  interfaces est aussi élevée que celle de l'empilement piézo seul, il résulte toujours une perte de 67 % de la raideur globale. Dans de nombreux systèmes pilotés par  piézos, la raideur du piézo n'est pas ainsi le facteur limitatif pour la détermination de la raideur du mécanisme dans son ensemble. 

Les piézomécaniques PI sont optimisées à cet égard comme le résultat de plus de 30 années d'expérience en micromécanique, en nanopositionnement et en flexions. 


Nanopositionneurs Piézos à  Flexions 
Pour les applications nécessitant  un déplacement  extrêmement rectiligne selon un ou plusieurs axes, et où seule une déviation nanométrique ou microradiométrique par rapport à la trajectoire idéale est  tolérée, les flexions fournissent une  excellente solution.

Une flexion est un dispositif sans friction et ni stiction (friction statique)  basée sur la déformation élastique (flexion) d'un matériau solide (ex. métal). Le glissement ou le roulement  sont entièrement éliminés. En plus, les dispositifs à flexions peuvent être conçus avec une raideur élevée, une capacité de charge élevée et ne s'usent pas. Ils sont aussi moins sensibles aux chocs et aux vibrations que d'autres systèmes de guidage. Ils sont aussi sans entretien, peuvent être fabriqués à partir de matériaux non-magnétiques, ne nécessitent ni lubrifiants ni  autres produits d'entretien et en conséquence, à la différence des roulements à coussin d'air, sont adaptés pour le fonctionnement sous vide. 

Les flexions à parallélogrammes présentent d'excellentes caractéristiques de guidage. Selon leur complexité et leurs  tolérances, elles ont des valeurs de rectitude/planéité de l'ordre du  nanomètre ou mieux. Les flexions basiques à parallélogramme entraînent un déplacement arqué (déplacement selon un arc) introduisant  une erreur de hors plan d'environ  0,1%  de la valeur du déplacement (voir Fig. 48). L'erreur peut être estimée par l'équation suivante:

(Équation 28)



où:

DH = erreur de hors plan  [m]

DL = distance parcourue [m]

H = longueur des flexions   [m]

Pour des applications où cette erreur est intolérable, PI a conçu un système à guidage multi flexion à  erreur nulle d'arcure. Cette conception  spéciale, employée dans la plupart des platines à flexions de PI, permet une rectitude/planéité dans la gamme  du nanomètre ou du microradian  (voir Fig. 49).

Note:
Les positionneurs à flexions sont nettement supérieurs aux positionneurs  traditionnels  (roulements à billes, roulements à rouleaux croisés, etc.) en termes de résolution, de rectitude et de planéité. La friction et la stiction inhérentes de ces conceptions traditionnelles limitent leurs utilisations aux applications ayant des exigences de  répétabilité de l'ordre de  0,5 à 0,1 µm. Les systèmes de nanopositionnement piézo à  flexions ont des résolutions et des répétabilités  supérieures de plusieurs ordres de grandeur.