EP2460199A1 - Dispositif de deplacement micrometrique et procede de mise en oeuvre. - Google Patents

Dispositif de deplacement micrometrique et procede de mise en oeuvre.

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Publication number
EP2460199A1
EP2460199A1 EP10747923A EP10747923A EP2460199A1 EP 2460199 A1 EP2460199 A1 EP 2460199A1 EP 10747923 A EP10747923 A EP 10747923A EP 10747923 A EP10747923 A EP 10747923A EP 2460199 A1 EP2460199 A1 EP 2460199A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
actuator
frequency
displacement device
micrometric displacement
transfer function
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10747923A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Yves Tiercelin
Luc Estebanez
Daniel Shulz
Vincent Jacob
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Ecole Normale Superieure
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Ecole Normale Superieure
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Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Ecole Normale Superieure filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP2460199A1 publication Critical patent/EP2460199A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/88—Mounts; Supports; Enclosures; Casings
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H10N30/204—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
    • H10N30/2041—Beam type
    • H10N30/2042—Cantilevers, i.e. having one fixed end

Definitions

  • the invention relates to a micrometric displacement device and to a method of implementation.
  • Piezoelectric actuators are used in many technical fields.
  • piezoelectric actuators are used for performing precise movements, of the order of one micrometer to one hundred micrometers, of an object of low inertia.
  • the displacement of electronic actuators of the type of flexors can only be done for frequency ranges from 0 to 100 Hertz (100 beats per second). Above 100 Hertz, the flexor actuators of the state of the art come into resonance and are no longer usable because their movement is not controlled and the controls of the actuator are not reproducible. Indeed, there is an amplification, or attenuation depending on the case, of certain frequencies.
  • One solution envisaged is to filter the control of the actuator by its inverse transfer function.
  • a transfer function is a mathematical representation of the relationship between the input signal (or command) and the output signal (the movement of the actuator) of the micrometer displacement device.
  • This frequency correction technique is conventional for linear invariant systems (that is to say without moving element).
  • the principle of this technique is to acquire the transfer function of the actuator (gain and phase shift to the first resonance frequency) to pre-filter the signal by the inverse of this transfer function.
  • the micrometric displacement device must be adjustable in position along the X, Y and Z axes (see Figure 3a).
  • the piezoelectric actuator must therefore be integral with movable mechanical elements.
  • the measurement of the transfer function of the actuator should be updated after each adjustment of the positioning.
  • This constraint is very heavy because it involves installing a device for measuring the movement of the actuator (for example a laser range finder), and subjecting the actuator to a long measurement of the transfer function. (about two minutes for the entire process), which led to the abandonment of this method.
  • a first object of the present invention is to provide an adjustable positioning flexor type actuator having a resonant frequency greater than 1000 Hertz.
  • a second objective of the present invention is to propose such an actuator whose gain is constant.
  • the subject of the invention is a micrometric displacement device comprising:
  • a decoupling means comprising: o an inertial mass
  • This micrometric displacement device has a resonance frequency greater than 1000 Hertz.
  • the material with a high vibration absorption capacity may be a viscoelastic urethane polymer such as sorbothane;
  • the inertial mass may be made of a material chosen from lead, copper, steel and an alloy with a density greater than 5000;
  • the support and adjustment structure may comprise:
  • the adjustable means for compressing the pad against the ball joint may comprise a spring whose end, intended to be in contact with the pad during the locking of the ball joint, is fixed to a threaded shaft engaged with a screw thread carried by a adjusting wheel, so that when the position of the ball joint is to be changed, the tightening of the band wheel the spring so that it stops exerting its pressure on the rubber pad, and when the ball joint is to be blocked, Completely loosening the adjustment knob fully releases the spring which compresses the rubber pad against the patella with a force substantially equal to the stiffness constant of the spring.
  • This micrometric displacement device has a resonant frequency greater than 1000 Hertz and a constant gain;
  • the support and adjustment structure may comprise a micromanipulator in monoaxial translation; and or
  • the monoaxial translation micromanipulator may comprise a ball bearing provided with at least two balls biocable in rotation by clamping by means of clamping screws.
  • the invention also relates to a method for implementing the preceding micrometric displacement device, said method comprising an activation phase of the piezoelectric actuator comprising the transmission to the actuator of a control signal at a frequency of between 5 and 1000 Hertz, preferably between 100 and 1000 Hertz.
  • a control signal at a frequency of between 5 and 1000 Hertz, preferably between 100 and 1000 Hertz.
  • the method may comprise an initialization phase comprising the following steps:
  • step b) repeating steps b) and c) until the activation frequency is equal to a first resonant frequency of the actuator; e) establish the transfer function of the activator using the gains and phase shifts acquired in step b);
  • the initialization phase being followed by an activation phase of the piezoelectric actuator comprising the transmission to the actuator of a pre-filtered control signal by the inverse of the transfer function;
  • the method may comprise a step of adjusting the pressure exerted on each ball of the ball bearing by a screw, in order to equalize the position of a rebound of the transfer function for all the translation positions;
  • the method may comprise the following steps:
  • the step of measuring the position of the actuator can be performed using a laser range finder connected to an oscilloscope. This method makes it possible to maintain the homogeneous gain and the zero phase shift throughout the range of use of the actuator.
  • FIG. 1 is a schematic side view of the micrometric displacement device according to the invention.
  • Figure 2 is a schematic longitudinal sectional view of a portion of the support structure of the micrometric displacement device according to the invention.
  • FIG. 3a is a diagrammatic perspective view of the piezoelectric actuator of the micrometric displacement device according to the invention.
  • FIG. 3b three curves illustrating the filtering of the control by the inverse transfer function of the micrometric displacement device according to the invention
  • FIG. 4 six curves showing the phase shift and the gain of the micrometric displacement device according to the invention, with or without filtering the control by the inverse transfer function;
  • FIG. 5a a histogram illustrating the Pearson correlation index between the control and the movement of the micrometric displacement device according to the invention, as a function of the number of adjustments in position;
  • FIG. 5b a curve illustrating the superimposed movements of the piezoelectric actuator for fifteen different positions of the ball joint and translation with identical control
  • FIG. 6a a curve illustrating the linearity of the control / motion gain for a range of amplitude between 10 and 90% of the maximum control amplitude
  • FIG. 6b a curve illustrating the reproducibility of the command with several gains
  • FIG. 7 is a diagram illustrating the independence of movement between the X axis and the Y axis.
  • the present disclosure relates to a flexor type piezoelectric actuator such as CMB-2D manufactured by NOLIAC A / S (Hejreskovvej 18C, DK-3490 Kvistgaard, Denmark).
  • a flexor type piezoelectric actuator such as CMB-2D manufactured by NOLIAC A / S (Hejreskovvej 18C, DK-3490 Kvistgaard, Denmark).
  • NOLIAC A / S Hejreskovvej 18C, DK-3490 Kvistgaard, Denmark.
  • the invention is not restricted to this example of a piezoelectric actuator.
  • the CMB-2D actuator has a range of motion of 400 micrometers and a resonance frequency, without coupling, of several thousand Hertz.
  • the coupling of the CMB-2D piezoelectric actuator induces a fall in its resonance frequency at 200 Hertz. As a result, no faster motion than 100 Hertz can be performed by the actuator without generating a resonance artifact.
  • the actuator 10 is coupled to a support and adjustment structure 20 by a decoupling means 30.
  • This decoupling means 30 comprises an inertial mass 31, on which is coupled the actuator 10, and a layer 32 made of material with a high vibration absorption capacity.
  • the piezoelectric actuator 10 is connected to the inertial mass 31 by means of a plexiglass piece 11
  • Part Plexiglas 11 aims to provide a rigid mounting of the piezoelectric actuator 10 on the inertial mass 31.
  • the choice of plexiglass is related to the fact that this part 11 is relatively complex, and that it must be machined to lower cost. Indeed, each time the piezoelectric actuator 10 is used, it is replaced with the piece 11 in plexiglass.
  • other rigid assemblies are also possible (other material, other spatial configuration).
  • the piezoelectric actuator 10 comprises a piece 12 of steel fixed at its free end. This piece 12 makes it possible to reach an amplitude of movement, at the tip, of 400 ⁇ m.
  • this part 12 could be modified (or even replaced) to accommodate a particular tool or sensor.
  • the part 12 must preferably have a high rigidity to transmit the movements of the piezoelectric actuator 10 even at high frequency (Young's modulus - 200000 MPa) while being very light, so as to represent a negligible mass in front of the of the inertial mass (see below). This relative lightness is also useful for limiting the load of the piezoelectric actuator 10, and therefore its premature aging. It is these different reasons that justify the use of a steel tube, both lightweight and very rigid. Other materials such as tungsten or ceramic (pure alumina tubes) are good substitutes, but they are more expensive and more fragile (for ceramics).
  • the layer 32 of high vibration absorbing material material is preferably a viscoelastic urethane polymer: sorbano.
  • Sorbothane is a viscoelastic elastomer. Each elastomer of this type has a different vibration absorption spectrum.
  • Chen & Lakes "Characterization of high-loss viscoelastic elastomers", (Journal of material science, 23 (1988) 3660-3665), a methodology for the quantitative description of various elastomers is proposed.
  • tan ( ⁇ ) is an important parameter, because the inertia of the lead mass guarantees a low amplitude of shear at its base: the shear modulus is therefore not a parameter critical.
  • Sorbothane has a Shore OO durometer 70 (some rigidity is necessary so that Sorbothane does not bend under the load, so Shore OO 30 is excluded, and Shore OO 50 is acceptable as part of the device shown).
  • a material with a high capacity for absorbing vibrations that can be substituted for Sorbothane (of greater or equal durometer) can be envisaged, for example to improve the mechanical strength of the support of the actuator.
  • This substitute material must have sufficient energy dissipation factor tan ( ⁇ ).
  • the substitution material should have tan ( ⁇ ) values for frequencies above 100 Hz similar to Sorbothane Shore OO 50 or Shore OO 70.
  • the material with high vibration absorption capacity has a tan ( ⁇ ) of between approximately 0.4 and 0.7, preferably between 0.53 and 0.6, for any frequency in the frequency range 5 - 1000Hz.
  • the inertial mass located at the base of the actuator has the function of providing, by its inertia, a fixed point for the movement of the actuator despite the fact that the assembly is fixed on a viscoelastic material.
  • this inertial mass must have a mass "very large” in front of the mass 12 attached to the movable end of the actuator. Indeed, at high oscillation frequencies (greater than 5 Hz), the displacement amplitude of the mobile end resulting from the torsion of the actuator is mainly defined by the ratio between the masses fixed at the two ends of the actuator (the elastomer is not rigid at these frequencies).
  • the inertial mass is chosen so that its mass is at least ten times greater than the mass 12 fixed at the end of the mobile piezoelectric actuator.
  • the inertial mass is lead.
  • the choice of lead as the material of the inertial mass is due to its high density, which reduces the size of the device. This offers two substantial advantages: (1) a reduction of the lever arm exerted on the elastomer decoupling means by the mass due to its short length, and (2) a reduction in the overall size of the device. It would be perfectly feasible to replace lead with copper or steel (which are only slightly less dense) or an alloy with a density greater than 5000 kg. m "3 .
  • the values of the various parameters indicated are valid for flexor type actuators 37 mm long. For example, if the actuator is longer, its resonant frequency is lowered; if the actuator is shorter, its resonant frequency is higher and the device must be modified to obtain the same technical effect by adjusting the aforementioned parameters.
  • actuators 27 to 47 mm long it is possible to simply adjust the length of the mass inertial so that the actuator / inertial mass system has a resonance frequency equal to that of the system described in detail below.
  • the adjustments of the different characteristics of the device will have to be more numerous.
  • the layer of material 32 is attached to the support and setting structure 20.
  • the decoupling means 30 allows activation of the flexor actuator at a frequency greater than 100 Hertz and up to 1000 Hertz without resonance phenomenon.
  • the support and adjustment structure 20 comprises a ball joint
  • micromanipulator UL-1C-P manufactured by the company NARISHIGE (27-9, Minamikarasuyama 4-chomen Setagaya-ku, Tokyo 157-0062, Japan).
  • NARISHIGE Minamikarasuyama 4-chomen Setagaya-ku, Tokyo 157-0062, Japan.
  • This micromanipulator allows a monoaxial translation with a travel of 15 millimeters. This translation is based on a ball bearing whose tightening can be adjusted by a series of screws which adjusts the pressure exerted on the balls of the bearing in their cavity.
  • the support and adjustment structure 20 is illustrated, in section, in FIG.
  • the stylet 22 comprises a tubular body 22a housing an adjustable compression means such as a spring 22b, for compressing a buffer 22c of elastic material against the ball of the ball 21.
  • the buffer 22c is, preferably rubber.
  • the end of the spring 22b in contact with the buffer 22c is fixed to a threaded shaft 22d in engagement with a screw thread carried by a control wheel 22e.
  • the ball of the ball 21 When it is desired to modify the position of the actuator 10 along the X and Y axes (FIG. 3a), the ball of the ball 21 must be released for free rotation. To do so, the user squeezes the adjustment knob 22e which is engaged with the threaded shaft 22d. Tightening the bandwheel the spring so that it stops exerting its pressure on the rubber pad 22c. Once the position of the ball is adjusted along the X and Y axes, the user completely loosens the clamping wheel so that the spring 22b exerts, again, precisely the same pressure on the ball of the ball as that that he exercised before the adjustment. This pressure is constant since it depends solely on the stiffness constant of the spring.
  • the pressure exerted on the ball is independent of the tightening of the adjustment wheel: it suffices that it is completely loosened so that the spring exerts the same force against the patella.
  • the pressure on the ball of the ball is therefore reproducible and does not cause any change in the transfer function.
  • a rotational locking device (not shown) of the threaded shaft is preferably provided in the stylet.
  • the position of the actuator can be adjusted along two X and Y axes.
  • the position of the actuator along the axis Z is adjustable thanks to the micromanipulator 23.
  • the support structure 20 and adjustment of the previous example comprises two elements: a micromanipulator allowing a monoaxial translation (displacement along the Z axis) and a ball joint (rotation in two dimensions along the two axes X and Y). These two elements have the property of being stable for their transfer function in all their positioning range. Their combination in the arrangement illustrated in FIGS. 1 and 2 is given by way of example. However, the invention also covers supports allowing a triaxial translation, that is to say an adjustment of the position of the piezoelectric actuator along the three axes X, Y and Z.
  • the support structure and adjustment according to the invention it becomes possible to apply, with great flexibility of use, the prefiltering technique by inverse transfer function, even though the structure comprises movable elements.
  • FIG. 4 illustrates the phase shift and the gain of the micrometric displacement device according to the invention, with or without filtering the control by the inverse transfer function. This figure shows that the systematic filtering of the control by the inverse transfer function makes it possible to achieve a constant gain and a zero phase shift over the entire frequency range of the actuator (5 to 1000 Hertz).
  • FIG. 5a shows a histogram of the correlation between a control and a movement of the actuator for different positions of the support.
  • the hatched histogram bars represent the Pearson correlation index for ten settings at different angles of the patella.
  • the shaded histogram bars represent the Pearson correlation index for nine different translation settings of the micromanipulator.
  • Figure 5b illustrates the superimposed movements of the piezoelectric actuator for fifteen different positions of the ball joint and translation with identical control.
  • the technique of pre-filtering by inverse transfer function comprises, in a first step, a step of acquiring the transfer function of the actuator (gain and phase shift to the first resonance frequency).
  • This step is preferably performed using a laser rangefinder, such as the Micro-Epsilon LD1605 Type 0.5 range finder.
  • the micrometric displacement device preferably comprises a control software that controls the acquisition of the position of the actuator using the laser range finder while sinusoidal controls scanning the frequency spectrum are transmitted to the actuator. This step calculates the transfer function of the actuator. In a second step, the control software filters commands sent to the actuator using the reverse transfer function (see Figure 3b).
  • the method according to the invention comprises an initialization phase comprising the following steps:
  • step b) repeating steps b) and c) until the activation frequency is equal to a first resonant frequency of the actuator; e) establish the transfer function of the activator using the gains and phase shifts acquired in step b).
  • the initialization phase is then followed by an activation phase of the piezoelectric actuator comprising the transmission to the actuator of a pre-filtered control signal by the inverse of the transfer function.
  • the initial frequency may be arbitrary. It can therefore be located within the operating range of the actuator. Thus, it may be necessary during step c) to increment or decrement the activation frequency of the activator to arrive at the first resonance frequency of the actuator and then establish the transfer function.
  • the pre-filtering by the inverse transfer function cancels the effects of the transfer function of the actuator (FIG. 3b), which makes it possible to achieve an equal gain and a zero phase shift over the entire range of use of the actuator. actuator.
  • the structure of the actuator described in relation to FIGS. 1 and 2 allows mechanical adjustments of the position and rotation of the actuator 10, while ensuring the stability of the transfer function. Since it is no longer necessary to repeat the initialisation previously described for each mechanical adjustment, the use of the filtering technique by the inverse transfer function can be used and the actuator according to the invention has a homogeneous gain and a zero phase shift over its entire range of use, unlike actuators of the state of the art.
  • the inventors have realized that an adjustment of the pressure exerted by the adjusting screws on the ball bearing of the micromanipulator allows to modulate the frequency position of the rebound present in the transfer function of the actuator.
  • the invention diverts this device from its initial purpose and uses it to obtain the same transfer function of the piezoelectric actuator for the different positions of the translation by modulating the pressure exerted by the screws arranged along the axis.
  • the method according to the invention can be applied to any ball-bearing device having a device for exerting an adjustable pressure at multiple points along the ball bearing.
  • the method for implementing the micrometric displacement device according to the invention comprises a step of adjusting the pressure exerted by each screw on the balls of the ball bearing in order to equalize the position of the rebound of the transfer function for all translation positions. For this, a sinusoidal control of constant frequency and close to the average frequency of the rebound is sent continuously to the actuator. A continuous measurement of the position of the actuator is performed, for example using the laser range finder connected to an oscilloscope.
  • By adjusting the pressure carried by each screw it is possible to set the amplitude of the movement of the actuator for all the positions of the translation, which amounts to setting the position of the rebound over the entire trajectory.
  • the transfer function of the actuator / support assembly is thus fixed through its entire adjustment space, namely translation and rotation. Thanks to this method according to the invention, the stability of the reproduction of movements for different translational positions is ensured.
  • control / movement relationship of the micrometric displacement device according to the invention is linear, including for a control having very high frequencies (FIG. 6b).
  • FIG. 7 shows that the specific use of the CMB-2D actuator (which has two axes of freedom) in the device according to the invention does not influence the independence of the movement of the two axes of the Actuator 10. In other words, movement on one axis does not interfere with movement on the other axis.
  • the movement resulting from a single-axis control was compared to the sum of the movement resulting from the same command on the same axis added to a control in phase then in antiphase on the other axis.
  • This resulting movement which should be influenced by an interaction between the movements on one and the other of the axes, is very close to the movement resulting from the control on a single axis.
  • FIG. 7 illustrates the absence of effect of a movement on the Y axis on the movement recorded on the X axis.
  • the two axes of displacement of the micrometric displacement device according to the invention are therefore independent.
  • a flexor type piezoelectric actuator is adjustable along the three axes X, Y and Z in a wide frequency band up to 1000 Hertz and having stable characteristics for adjustments.
  • micrometric displacement device allows a use for precision positioning: precise movements of the order of one micrometer to the hundred micrometers of an object of low inertia.
  • the illustrated embodiment is economical to manufacture and has a small footprint because it requires no position sensor permanently mounted on the actuator

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

L'invention propose un dispositif de déplacement micrométrique comportant un actionneur piézoélectrique (10) de type fléchisseur, lié à une structure de support et de réglage (20), par l'intermédiaire d'un moyen de découplage (30) comprenant une masse inertielle (31 ) dont une partie est fixée à l'actionneur piézoélectrique, une autre partie étant fixée à une couche (32) solidaire de la structure de support et de réglage, cette couche étant en matériau à forte capacité d'absorption des vibrations, présentant un facteur de dissipation de l'énergie tan (d) compris entre 0,5 et 0,7 dans une gamme de fréquence de 5 à 1000Hz.

Description

DISPOSITIF DE DEPLACEMENT MICROMETRIQUE ET PROCEDE DE
MISE EN ŒUVRE.
L'invention se rapporte à un dispositif de déplacement micrométrique et à un procédé de mise en œuvre.
Les actionneurs piézoélectriques sont utilisés dans de nombreux domaines techniques. Notamment, on utilise des actionneurs piézoélectriques pour la réalisation de mouvements précis, de l'ordre du micromètre à la centaine de micromètres, d'un objet de faible inertie.
La recherche en physique, en optique et en biologie nécessite des actionneurs piézoélectriques de type fléchisseurs permettant d'atteindre de grandes fréquences de battement (fléchissement).
Par exemple, chez le rongeur, l'étude du système des vibrisses requiert des fréquences de stimulation allant jusqu'à 1000 Hertz (soit 1000 battements par seconde).
Par ailleurs, dans les microscopes à balayage, une grande vitesse de balayage optique permettrait d'accélérer la cadence d'acquisition des images et l'observation de phénomènes à des échelles temporelles plus courtes. Ainsi, une grande vitesse de déplacement rendrait possible des méthodologies de balayage optique dites « intelligentes ». Dans ces méthodologies, seuls les points d'intérêt de l'échantillon sont pointés par le dispositif de balayage, ce qui requiert de pouvoir passer très vite d'un point d'intérêt au suivant.
Or, actuellement, le déplacement d'actionneurs électroniques de type fléchisseurs (en anglais, de type « bender ») ne peut se faire que pour des gammes de fréquence allant de 0 à 100 Hertz (soit 100 battements par seconde). Au-delà de 100 Hertz, les actionneurs fléchisseurs de l'état de la technique entrent en résonnance et ne sont plus utilisables car leur mouvement n'est pas maîtrisé et les commandes de l'actionneur ne sont pas reproductibles. On observe, en effet, une amplification, ou une atténuation selon les cas, de certaines fréquences. Une solution envisagée consiste à filtrer la commande de l'actionneur par sa fonction de transfert inverse.
Une fonction de transfert est une représentation mathématique de la relation entre le signal d'entrée (ou commande) et le signal de sortie (le mouvement de l'actionneur) du dispositif de déplacement micrométrique.
Cette technique de correction fréquentielle est classique pour les systèmes linéaires invariants (c'est-à-dire sans élément mobile). Le principe de cette technique est d'acquérir la fonction de transfert de l'actionneur (gain et déphasage jusqu'à la première fréquence de résonnance) afin de pré-filtrer le signal par l'inverse de cette fonction de transfert.
Cette solution n'a jamais été envisagée pour les actionneurs fléchisseurs à positionnement réglable (selon un, deux ou trois axes) car la présence d'éléments mobiles dans la structure de l'actionneur (rotule de réglage, moyens de translation de l'actionneur) conduit à des changements dans la fonction de transfert de l'actionneur, en fonction du positionnement spatial des différents éléments mobiles et en fonction du degré de serrage des éléments de fixation dans cette position. Ainsi, au-delà de 100 Hertz, la correction par inversion de la fonction de transfert est instable.
Or, dans le cadre d'une utilisation courante, le dispositif de déplacement micrométrique doit pouvoir être réglable en position selon les axes X, Y et Z (voir la figure 3a). L'actionneur piézoélectrique doit donc être solidaire d'éléments mécaniques mobiles.
Ainsi, pour que la méthode de filtrage par la fonction de transfert inverse soit efficace, et que l'actionneur puisse être activé à une fréquence supérieure à 100 Hertz, il faudrait mettre à jour la mesure de la fonction de transfert de l'actionneur après chaque réglage du positionnement. Cette contrainte est très lourde car cela implique d'installer un appareil de mesure du mouvement de l'actionneur (par exemple un télémètre laser), et de soumettre l'actionneur à une mesure longue de la fonction de transfert (environ deux minutes pour l'ensemble du processus), ce qui a conduit à l'abandon de cette méthode.
Il n'est donc actuellement pas possible d'obtenir des actionneurs de type fléchisseurs, réglables en position, pouvant être activés à une fréquence supérieure à 100 Hertz.
Un premier objectif de la présente invention est de fournir un actionneur de type fléchisseur à positionnement réglable, présentant une fréquence de résonnance supérieure à 1000 Hertz. Un deuxième objectif de la présente invention est de proposer un tel actionneur dont le gain est constant.
A cette fin, l'invention a pour objet un dispositif de déplacement micrométrique comprenant :
un actionneur piézoélectrique de type fléchisseur,
lié à une structure de support et de réglage,
par l'intermédiaire d'un moyen de découplage comprenant : o une masse inertielle
o dont une partie est fixée à l'actionneur piézoélectrique, o une autre partie étant fixée à une couche solidaire de la structure de support et de réglage, cette couche étant en matériau à forte capacité d'absorption des vibrations, présentant un facteur de dissipation de l'énergie tan (δ) compris entre 0,4 et 0,7, de préférence entre 0,53 et 0,6, dans une gamme de fréquence de 5 à 1000Hz.
Ce dispositif de déplacement micrométrique présente une fréquence de résonnance supérieure à 1000 Hertz.
Selon d'autres modes de réalisation :
• le matériau à forte capacité d'absorption des vibrations peut être un polymère viscoélastique d'uréthane tel que du sorbothane ;
• la masse inertielle peut être en un matériau choisi parmi le plomb, le cuivre, l'acier, et un alliage de masse volumique supérieure à 5000 ; • la structure de support et de réglage peut comprendre :
une rotule de fixation du moyen de découplage, et - un stylet tubulaire comprenant
o une chambre de réception de la rotule,
o un tampon de blocage en rotation de la rotule dans sa chambre de réception, et
o un moyen réglable de compression du tampon contre la rotule ;
• le moyen réglable de compression du tampon contre la rotule peut comprendre un ressort dont une extrémité, destinée à être en contact avec le tampon lors du blocage de la rotule, est fixée à un axe fileté en prise avec un pas de vis porté par une molette de réglage, de telle sorte que lorsque la position de la rotule doit être modifiée, le serrage de la molette bande le ressort afin qu'il cesse d'exercer sa pression sur le tampon de caoutchouc, et lorsque la rotule doit être bloquée, Ie desserrage complet de la molette de réglage relâche pleinement le ressort qui compresse le tampon de caoutchouc contre la rotule avec une force sensiblement égale à la constante de raideur du ressort. Ce dispositif de déplacement micrométrique présente une fréquence de résonnance supérieure à 1000 Hertz et un gain constant ;
• la structure de support et de réglage peut comprendre un micromanipulateur en translation monoaxiale ; et /ou
• le micromanipulateur en translation monoaxiale peut comprendre un roulement à billes muni d'au moins deux billes biocables en rotation par serrage au moyen de vis de serrage.
L'invention se rapporte également à un procédé de mise en œuvre du dispositif de déplacement micrométrique précédent, ledit procédé comprenant une phase d'activation de l'actionneur piézoélectrique comprenant la transmission à l'actionneur d'un signal de commande à une fréquence comprise entre 5 et 1000 Hertz, de préférence, comprise entre 100 et 1000 Hertz. Selon d'autres modes de réalisation :
• le procédé peut comprendre une phase d'initialisation comprenant les étapes suivantes :
a) activer l'actionneur piézoélectrique à une fréquence d'activation initiale ;
b) acquérir le gain et le déphasage de l'actionneur à cette fréquence ; c) incrémenter ou décrémenter la fréquence d'activation de l'activateur ;
d) répéter les étapes b) et c) jusqu'à ce que la fréquence d'activation soit égale à une première fréquence de résonnance de l'actionneur ; e) établir la fonction de transfert de l'activateur à l'aide des gains et déphasages acquis à l'étape b) ;
la phase d'initialisation étant suivie d'une phase d'activation de l'actionneur piézoélectrique comprenant la transmission à l'actionneur d'un signal de commande pré-filtré par l'inverse de la fonction de transfert ;
• le procédé peut comprendre une étape de réglage de la pression exercée sur chaque bille du roulement à billes par une vis, afin d'égaliser la position d'un rebond de la fonction de transfert pour toutes les positions de translation ;
• le procédé peut comprendre les étapes suivantes :
- envoyer en continu à l'actionneur (10) une commande sinusoïdale de fréquence constante et proche de la fréquence moyenne du rebond de la fonction de transfert ;
- mesurer de manière continue la position de l'actionneur ;
- ajuster la pression effectuée par chaque vis, afin de fixer l'amplitude du mouvement de l'actionneur pour l'ensemble des positions de la translation ;
• l'étape de mesure de la position de l'actionneur peut être réalisée à l'aide d'un télémètre laser branché sur un oscilloscope. Ce procédé permet de conserver le gain homogène et le déphasage nul dans toute la gamme d'utilisation de l'actionneur.
Il permet également de fixer la position du rebond sur l'ensemble de la trajectoire. La fonction de transfert de l'ensemble actionneur/support est ainsi fixée à travers tout son espace de réglage, à savoir la translation et la rotation.
D'autres caractéristiques de l'invention seront énoncées dans la description détaillée ci-après, faite en référence aux figures annexées qui représentent, respectivement :
- la figure 1 , une vue schématique de profil du dispositif de déplacement micrométrique selon l'invention ;
la figure 2, une vue schématique en coupe longitudinale d'une partie de la structure de support du dispositif de déplacement micrométrique selon l'invention ;
- la figure 3a, une vue schématique en perspective de l'actionneur piézoélectrique du dispositif de déplacement micrométrique selon l'invention ;
la figure 3b, trois courbes illustrant le filtrage de la commande par la fonction de transfert inverse du dispositif de déplacement micrométrique selon l'invention ;
la figure 4, six courbes montrant le déphasage et le gain du dispositif de déplacement micrométrique selon l'invention, avec ou sans filtrage de la commande par la fonction de transfert inverse ;
la figure 5a, un histogramme illustrant l'indice de corrélation de Pearson entre la commande et le mouvement du dispositif de déplacement micrométrique selon l'invention, en fonction du nombre de réglages en position ;
la figure 5b, une courbe illustrant les mouvements superposés de l'actionneur piézoélectrique pour quinze positions différentes de la rotule et de translation avec une commande identique ; la figure 6a, une courbe illustrant la linéarité du gain commande/mouvement pour une fourchette d'amplitude comprise entre 10 et 90% de l'amplitude maximale de commande ;
la figure 6b, une courbe illustrant la reproductibilité de la commande avec plusieurs gains ; et/ou
la figure 7, un diagramme illustrant l'indépendance de mouvement entre l'axe X et l'axe Y.
La présente description se rapporte à un actionneur piézoélectrique de type fléchisseur tel que le CMB-2D fabriqué par la société NOLIAC A/S (Hejreskovvej 18C, DK-3490 Kvistgaard, Danemark). Bien entendu, l'invention n'est pas restreinte à cet exemple d'actionneur piézoélectrique.
L'actionneur CMB-2D possède une amplitude de mouvements de 400 micromètres et une fréquence de résonnance, sans couplage, de plusieurs milliers de Hertz. Le couplage de l'actionneur piézoélectrique CMB- 2D induit une chute de sa fréquence de résonnance à 200 Hertz. En conséquence, aucun mouvement plus rapide que 100 Hertz ne peut être effectué par l'actionneur sans générer d'artefact de résonnance.
Conformément au montage selon l'invention, illustré en figure 1 , l'actionneur 10 est couplé à une structure de support et de réglage 20 par un moyen de découplage 30. Ce moyen de découplage 30 comprend une masse inertielle 31 , sur laquelle est couplé l'actionneur 10, et une couche 32 en matériau à forte capacité d'absorption de vibrations.
Plus particulièrement, l'actionneur piézoélectrique 10 est relié à la masse inertielle 31 par l'intermédiaire d'une pièce 11 en plexiglas
(PMMA). La pièce 11 en plexiglas a pour but de fournir un montage rigide de l'actionneur piézoélectrique 10 sur la masse inertielle 31. Le choix du plexiglas est lié au fait que cette pièce 11 est relativement complexe, et qu'elle doit pouvoir être usinée à moindre coût. En effet, à chaque fois que l'actionneur piézoélectrique 10 est usagé, il est remplacé avec la pièce 11 en plexiglas. Dans le contexte de l'invention, d'autres montages rigides sont également possibles (autre matériau, autre configuration spatiale).
D'autre part, l'actionneur piézoélectrique 10 comprend une pièce 12 en acier fixée à son extrémité libre. Cette pièce 12 permet d'atteindre une amplitude du mouvement, à la pointe, de 400 μm.
Pour des applications spécifiques, cette pièce 12 pourrait être modifiée (ou même remplacée) pour accueillir un outil ou un capteur particulier. La pièce 12 doit présenter, de préférence, une grande rigidité pour transmettre les mouvements de l'actionneur piézoélectrique 10 même à haute fréquence (module de Young - 200000 Mpa) tout en étant très légère, de telle sorte à représenter une masse négligeable devant celle de la masse inertielle (voir ci-après). Cette légèreté relative est aussi utile pour limiter la charge de l'actionneur piézoélectrique 10, et donc son vieillissement prématuré. Ce sont ces différentes raisons qui justifient l'utilisation d'un tube en acier, à la fois léger et très rigide. D'autres matériaux comme le tungsten ou la céramique (tubes d'alumine pure) sont de bons substituts, mais ils sont plus coûteux et plus fragiles (pour ce qui est de la céramique).
La couche 32 de matériau à forte capacité d'absorption de vibrations est, de préférence, en polymère viscoélastique d'uréthane : le sorbothane.
Le Sorbothane est un élastomère viscoélastique. Chaque élastomère de ce type présente un spectre d'absorption des vibrations différent. Dans l'article de Shipkowitz, Chen & Lakes « Characterization of high-loss viscoelastic elastomers », (Journal of material science, 23 (1988) 3660-3665), une méthodologie de description quantitative de différents élastomères est proposée.
En mesurant sur un intervalle de fréquence de 0 à 10000Hz le module de cisaillement (mesure de la déformation induite par les mouvements) ainsi que tan (δ) (le facteur de dissipation de l'énergie) des différents élastomères, cet article offre une description assez complète du comportement des viscoélastiques (tenue mécanique à l'effort et dissipation d'énergie vibratoire).
Pour la mise en œuvre de l'invention, seul tan (δ) est un paramètre important, car l'inertie de la masse en plomb garantie une faible amplitude de cisaillement à sa base : le module de cisaillement n'est donc pas un paramètre critique.
Le Sorbothane présente un duromètre Shore OO 70 (une certaine rigidité est nécessaire afin que le Sorbothane ne ploie pas sous la charge, donc le Shore OO 30 est exclu, et le Shore OO 50 est acceptable dans le cadre du dispositif présenté).
Un matériau à forte capacité d'absorption de vibrations pouvant être substitué au Sorbothane (de duromètre supérieur ou égal) peut être envisagé, par exemple pour améliorer la tenue mécanique du support de l'actuateur. Ce matériau de substitution doit présenter facteur de dissipation d'énergie tan(δ) suffisant.
Les valeurs correspondant au Sorbothane Shore OO 70 sont les suivantes (source : Sorbothane inc.) :
Le matériau de substitution devrait présenter des valeurs de tan (δ) pour les fréquences supérieures à 100Hz, semblables à celles du Sorbothane Shore OO 50 ou Shore OO 70.
De préférence, le matériau à forte capacité d'absorption de vibrations présente un tan(δ) compris entre environ 0,4 et 0,7, de préférence entre 0,53 et 0,6, pour toute fréquence dans la gamme de fréquence 5- 1000Hz.
La masse inertielle située à la base de l'actuateur a pour fonction de fournir, par son inertie, un point fixe pour le mouvement de l'actuateur malgré le fait que l'ensemble soit fixé sur un matériau viscoélastique. À cet effet, cette masse inertielle doit posséder une masse « très grande » devant la masse 12 fixée à l'extrémité mobile de l'actuateur. En effet, à des fréquences d'oscillation élevées (supérieures à 5Hz), l'amplitude de déplacement de l'extrémité mobile résultant de la torsion de l'actionneur est principalement défini par le rapport entre les masses fixées aux deux extrémités de l'actuateur (l'élastomère n'est pas rigide à ces fréquences).
De préférence, on choisi la masse inertielle pour que sa masse soit au moins dix fois supérieure à la masse 12 fixée à l'extrémité l'actionneur piézoélectrique mobile.
Plus le rapport entre la masse de la masse inertielle et la masse de l'actionneur piézoélectrique est important, plus l'effet technique de point fixe est obtenu.
Cependant, ce rapport est limité par le fait que l'ensemble masse inertielle/actionneur piézoélectrique est en suspension sur le moyen de découplage en sorbothane.
De préférence, la masse inertielle est en plomb. Le choix du plomb comme matériau de la masse inertielle est dû à sa forte densité, qui permet de réduire l'encombrement du dispositif. Ceci offre deux avantages substantielles : (1) une réduction du bras de levier exercé sur le moyen de découplage en élastomère par la masse du fait de sa faible longueur, et (2) une réduction de l'encombrement général du dispositif. Il serait parfaitement envisageable de remplacer le plomb par le cuivre ou l'acier (qui sont seulement un peu moins denses) ou un alliage de masse volumique supérieure à 5000 kg. m"3.
Les valeurs des différents paramètres indiqués (masse, duromètre, tan (δ)) sont valables pour des actionneurs de type fléchisseur de 37 mm de long environs. Par exemple, si l'actionneur est plus long, sa fréquence de résonance est abaissée ; si l'actionneur est plus court, sa fréquence de résonance est plus élevée et il faut modifier le dispositif pour obtenir le même effet technique en ajustant les paramètres précités.
Essentiellement, pour des actionneurs de 27 à 47 mm de long, il est envisageable de simplement ajuster la longueur de la masse inertielle de telle sorte que le système actionneur/masse inertielle présente une fréquence de résonance égale à celle du système décrit en détail ci- après. Pour des actionneurs qui s'écartent de ces longueurs, les ajustements des différentes caractéristiques du dispositif devront être plus nombreux.
La couche de matériau 32 est fixée à la structure de support et de réglage 20.
Le moyen de découplage 30 permet une activation de l'actionneur fléchisseur à une fréquence supérieure à 100 Hertz et jusqu'à 1000 Hertz sans phénomène de résonnance.
La structure de support et de réglage 20 comprend une rotule
21 bloquée en rotation sur un stylet 22. Ce dernier est fixé sur un micromanipulateur 23 permettant une translation monoaxiale du stylet 22.
Un exemple de micromanipulateur particulièrement intéressant pour la mise en œuvre de l'invention est le micromanipulateur UL-1C-P fabriqué par la société NARISHIGE (27-9, Minamikarasuyama 4-chomen Setagaya-ku, Tokyo 157-0062, Japan). Ce micromanipulateur permet une translation monoaxiale avec un débattement de 15 millimètres. Cette translation repose sur un roulement à billes dont le serrage peut être réglé par une série de vis qui ajuste la pression s'exerçant sur les billes du roulement dans leur cavité.
La structure de support et de réglage 20 est illustrée, en coupe, à la figure 2.
Selon l'invention, le stylet 22 comprend un corps tubulaire 22a logeant un moyen de compression réglable tel qu'un ressort 22b, pour la compression d'un tampon 22c en matériau élastique contre la bille de la rotule 21. Le tampon 22c est, de préférence, en caoutchouc.
L'extrémité du ressort 22b en contact avec le tampon 22c est fixée à un axe fileté 22d en prise avec un pas de vis porté par une molette de réglage 22e.
Lorsque l'on souhaite modifier la position de l'actionneur 10 selon les axes X et Y (figure 3a), la bille de la rotule 21 doit être mise en libre rotation. Pour se faire, l'utilisateur serre la molette de réglage 22e qui est en prise avec l'axe fileté 22d. Le serrage de la molette bande le ressort afin qu'il cesse d'exercer sa pression sur le tampon de caoutchouc 22c. Une fois que la position de la rotule est réglée selon les axes X et Y, l'utilisateur desserre totalement la molette de serrage de telle sorte que le ressort 22b exerce, à nouveau, précisément la même pression sur la bille de la rotule que celle qu'il exerçait avant le réglage. Cette pression est constante puisqu'elle dépend uniquement de la constante de raideur du ressort.
De cette manière, la pression exercée sur la bille est indépendante du serrage de la molette de réglage : il suffit que celle-ci soit totalement desserrée pour que le ressort exerce la même force contre la rotule. La pression sur la bille de la rotule est donc reproductible et n'engendre pas de modification de la fonction de transfert.
Autrement dit, grâce à la structure selon l'invention, la fonction de transfert de cette rotule est ainsi préservée au cours des cycles de serrage/desserrage liés aux ajustements d'angles.
Afin de s'assurer que la pièce 22c en caoutchouc n'est pas entraînée en rotation par l'axe fileté (ce qui induirait une rotation de la bille et donc de l'actionneur), un dispositif de blocage en rotation (non représenté) de l'axe fileté est, de préférence, prévu dans le stylet.
Grâce à cette structure, la position de l'actionneur peut être réglée selon deux axes X et Y.
La position de l'actionneur selon l'axe Z est réglable grâce au micromanipulateur 23.
La structure de support et de réglage 20 de l'exemple précédent comprend deux éléments : un micromanipulateur permettant une translation monoaxiale (déplacement selon l'axe Z) et une rotule (rotation en deux dimensions selon les deux axes X et Y). Ces deux éléments ont la propriété d'être stables pour leur fonction de transfert dans toute leur étendue de positionnement. Leur combinaison dans le montage illustré aux figures 1 et 2 est donnée à titre d'exemple. Cependant, l'invention couvre également les supports permettant une translation triaxiale, c'est-à-dire un réglage de la position de l'actionneur piézoélectrique selon les trois axes X, Y et Z.
Grâce à la structure de support et de réglage selon l'invention, il devient possible d'appliquer, avec une grande souplesse d'utilisation, la technique de préfiltrage par fonction de transfert inverse, alors même que la structure comprend des éléments mobiles.
La figure 4 illustre le déphasage et le gain du dispositif de déplacement micrométrique selon l'invention, avec ou sans filtrage de la commande par la fonction de transfert inverse. Cette figure montre que le filtrage systématique de la commande par la fonction de transfert inverse permet de parvenir à un gain constant et un déphasage nul sur toute la gamme de fréquences de l'actionneur (5 à 1000 Hertz).
Cette souplesse d'utilisation vient du fait que la fonction de transfert des éléments mobiles selon l'invention est conservée aux cours des cycles de serrage/desserrage liés aux ajustements d'angles de l'actionneur piézoélectrique et à l'ajustement de position du micromanipulateur 23.
Ceci est illustré en figure 5. La figure 5a représente un histogramme de la corrélation entre une commande et un mouvement de l'actionneur pour différentes positions du support. Les barres d'histogramme en hachures représentent l'indice de corrélation de Pearson pour dix réglages en angles différents de la rotule. Les barres d'histogramme en grisé représentent l'indice de corrélation de Pearson pour neuf réglages en translation différents du micromanipulateur.
La figure 5b illustre les mouvements superposés de l'actionneur piézoélectrique pour quinze positions différentes de la rotule et de translation avec une commande identique.
Ces deux figures 5a et 5b montrent donc que le dispositif de déplacement micrométrique selon l'invention présente une excellente reproductibilité de mouvement : le coefficient de corrélation de Pearson moyenne entre la commande employée pour les tests et le mouvement mesuré est de 0,998. En outre, la correction par la fonction de transfert est stable : la corrélation minimale observée est de 0,995.
D'une manière générale, la technique de préfiltrage par fonction de transfert inverse comprend, dans un premier temps, une étape d'acquisition de la fonction de transfert de l'actionneur (gain et déphasage jusqu'à la première fréquence de résonnance). Cette étape est réalisée, de préférence, à l'aide d'un télémètre laser, tel que le télémètre Micro-Epsilon LD1605 Type 0.5.
Le dispositif de déplacement micrométrique selon l'invention comprend, de préférence, un logiciel de contrôle qui pilote l'acquisition de la position de l'actionneur à l'aide du télémètre laser pendant que des commandes sinusoïdales balayant le spectre de fréquence sont transmises à l'actionneur. Cette étape permet de calculer la fonction de transfert de l'actionneur. Dans une deuxième étape, le logiciel de contrôle filtre les commandes envoyées à l'actionneur à l'aide de la fonction de transfert inverse (voir la figure 3b).
Plus particulièrement, le procédé selon l'invention comprend une phase d'initialisation comprenant les étapes suivantes :
a) activer l'actionneur piézoélectrique à une fréquence d'activation initiale ;
b) acquérir le gain et le déphasage de l'actionneur à cette fréquence ; c) incrémenter ou décrémenter la fréquence d'activation de l'activateur ;
d) répéter les étapes b) et c) jusqu'à ce que la fréquence d'activation soit égale à une première fréquence de résonnance de l'actionneur ; e) établir la fonction de transfert de l'activateur à l'aide des gains et déphasages acquis à l'étape b).
La phase d'initialisation est alors suivie d'une phase d'activation de l'actionneur piézoélectrique comprenant la transmission à l'actionneur d'un signal de commande pré-filtré par l'inverse de la fonction de transfert. Lors de l'étape a), la fréquence initiale peut être arbitraire. Elle peut donc être située à l'intérieure de la gamme de fonctionnement de l'actionneur. Ainsi, il peut être nécessaire, lors de l'étape c) d'incrémenter ou de décrémenter la fréquence d'activation de l'activateur pour aboutir à la première fréquence de résonnance de l'actionneur puis établir la fonction de transfert.
Le préfiltrage par la fonction de transfert inverse annule les effets de la fonction de transfert de l'actionneur (figure 3b), ce qui permet de parvenir à un gain égal et un déphasage nul sur l'ensemble de la gamme d'utilisation de l'actionneur.
La structure de l'actionneur décrite en relation avec les figures 1 et 2 permet des réglages mécaniques de position et de rotation de l'actionneur 10, tout en assurant la stabilité de la fonction de transfert. Puisqu'il n'est plus nécessaire de recommencer l'initialisation précédemment décrite à chaque réglage mécanique, l'utilisation de la technique de filtrage par la fonction de transfert inverse peut être utilisée et l'actionneur selon l'invention présente un gain homogène et un déphasage nul sur l'ensemble de sa gamme d'utilisation, contrairement aux actionneurs de l'État de la Technique.
Les courbes illustrées en figures 4 et 6 montrent que ce filtrage permet d'obtenir un gain constant et un déphasage nul entre la commande effective et le déplacement de l'actionneur.
Lorsqu'un micromanipulateur 23 est utilisé pour la translation monoaxiale du stylet 22, on s'aperçoit que la translation du stylet déforme la fonction de transfert de l'actionneur de façon différente suivant son réglage en position. En effet, on observe un rebond en amplitude dans la fonction de transfert. Selon le réglage, ce rebond est présent à des fréquences différentes.
Les inventeurs se sont aperçus qu'un réglage de la pression exercée par les vis de réglage sur le roulement à billes du micromanipulateur permet de moduler la position en fréquence du rebond présent dans la fonction de transfert de l'actionneur.
De nombreuses translations à un axe présentent un chariot monté mobile dans une coulisse grâce à roulement à bille. Un mécanisme de réglage permet de réguler la pression qui s'exerce sur les billes en plusieurs points le long de l'axe de translation.
Ceci permet de pouvoir moduler la friction subie par le chariot lorsqu'il se déplace le long de l'axe de translation, dans le but de moduler la facilité de translation et d'assurer la stabilité du positionnement statique du chariot.
L'invention détourne ce dispositif de son but initial et l'utilise pour obtenir une même fonction de transfert de l'actuateur piézoélectrique pour les différentes positions de la translation grâce à la modulation de la pression exercée par les vis disposées le long de l'axe.
Le procédé selon l'invention peut être appliqué à tout dispositif à roulement à bille présentant un dispositif permettant d'exercer une pression réglable en des points multiples le long du roulement à bille.
Le procédé de mise en oeuvre du dispositif de déplacement micrométrique selon l'invention, comprenant un micromanipulateur monoaxial, comprend une étape de réglage de la pression exercée par chaque vis sur les billes du roulement à billes afin d'égaliser la position du rebond de la fonction de transfert pour toutes les positions de translation. Pour cela, une commande sinusoïdale de fréquence constante et proche de la fréquence moyenne du rebond est envoyée en continu à l'actionneur. Une mesure continue de la position de l'actionneur est effectuée, par exemple à l'aide du télémètre laser branché sur un oscilloscope. En ajustant la pression effectuée par chaque vis, il est possible de fixer l'amplitude du mouvement de l'actionneur pour l'ensemble des positions de la translation, ce qui revient à fixer la position du rebond sur l'ensemble de la trajectoire. La fonction de transfert de l'ensemble actionneur/support est ainsi fixée à travers tout son espace de réglage, à savoir la translation et la rotation. Grâce à ce procédé selon l'invention, la stabilité de la reproduction de mouvements pour des positions en translation différentes est assurée.
Comme le montre la figure 6, la relation commande/mouvement du dispositif de déplacement micrométrique selon l'invention est linéaire y compris pour une commande présentant des fréquences très élevées (figure 6b).
Par ailleurs, la figure 7 montre que l'utilisation spécifique de l'actionneur CMB-2D (qui possède deux axes de liberté), dans le dispositif selon l'invention, n'influence pas l'indépendance du mouvement des deux axes de l'actionneur 10. Autrement dit, un mouvement effectué sur un axe ne vient pas interférer avec un mouvement effectué sur l'autre axe.
Plus particulièrement, le mouvement résultant d'une commande sur un seul axe a été comparé à la sommation du mouvement résultant de la même commande sur le même axe ajouté à une commande en phase puis en antiphase sur l'autre axe. Ce mouvement résultant, qui devrait être influencé par une interaction entre les mouvements sur l'un et l'autre des axes, est très proche du mouvement issu de la commande sur un seul axe.
Ainsi, la figure 7 illustre l'absence d'effet d'un mouvement sur l'axe Y sur le mouvement enregistré sur l'axe X. Les deux axes de déplacement du dispositif de déplacement micrométrique selon l'invention sont donc indépendants.
On obtient ainsi un actionneur piézoélectrique de type fléchisseur réglable selon les trois axes X, Y et Z dans une bande de fréquence large, allant jusqu'à 1000 Hertz et possédant des caractéristiques stables pour des ajustements.
Le dispositif de déplacement micrométrique selon l'invention permet une utilisation pour le positionnement de précision : réalisation de mouvements précis de l'ordre du micromètre à la centaine de micromètres d'un objet de faible inertie. En outre, le mode de réalisation illustré est économique à fabriquer et présente un faible encombrement car il ne nécessite aucun capteur de position monté de façon permanente sur l'actionneur
(contrairement à l'État de la Technique). Seule, l'étape de calibration initiale nécessite un capteur de position (télémètre laser).

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de déplacement micrométrique caractérisé en ce qu'il comprend :
un actionneur piézoélectrique de type fléchisseur,
- lié à une structure de support et de réglage,
par l'intermédiaire d'un moyen de découplage comprenant :
o une masse inertielle
o dont une partie est fixée à l'actionneur piézoélectrique, o une autre partie étant fixée à une couche solidaire de la structure de support et de réglage, cette couche étant en matériau à forte capacité d'absorption des vibrations, présentant un facteur de dissipation de l'énergie tan (δ) compris entre 0,4 et 0,7, de préférence entre 0,53 et 0,6, dans une gamme de fréquence de 5 à 1000Hz.
2. Dispositif de déplacement micrométrique selon la revendication 1, dans lequel le matériau à forte capacité d'absorption des vibrations est un polymère viscoélastique d'uréthane (sorbothane).
3. Dispositif de déplacement micrométrique selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel la masse inertielle est en un matériau choisi parmi le plomb, le cuivre, l'acier, et un alliage de masse volumique supérieure à 5000 kg. m'3.
4. Dispositif de déplacement micrométrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la structure de support et de réglage comprend :
- une rotule de fixation du moyen de découplage, et
une translation monoaxiale formée par un stylet tubulaire comprenant :
o une chambre de réception de la rotule,
o un tampon de blocage en rotation de la rotule dans sa chambre de réception, o un moyen réglable de compression du tampon contre la rotule.
5. Dispositif de déplacement micrométrique selon la revendication 4, dans lequel le moyen réglable de compression du tampon contre la rotule comprend un ressort (22b) dont une extrémité, destinée à être en contact avec le tampon lors du blocage de la rotule, est fixée à un axe fileté (22d) en prise avec un pas de vis porté par une molette de réglage (22e), de telle sorte que lorsque la position de la rotule doit être modifiée, le serrage de la molette bande le ressort afin qu'il cesse d'exercer sa pression sur le tampon de caoutchouc (22c), et lorsque la rotule doit être bloquée, le desserrage complet de la molette de réglage relâche pleinement le ressort (22b) qui compresse le tampon de caoutchouc (22c) contre la rotule avec une force sensiblement égale à la constante de raideur du ressort.
6. Dispositif de déplacement micrométrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la structure de support et de réglage comprend un micromanipulateur en translation monoaxiale.
7. Dispositif de déplacement micrométrique selon la revendication 6, dans lequel le micromanipulateur en translation monoaxiale comprend un roulement à billes muni d'au moins deux billes biocables en rotation par serrage au moyen de vis de serrage.
8. Procédé de mise en œuvre du dispositif de déplacement micrométrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend une phase d'activation de l'actionneur piézoélectrique comprenant la transmission à l'actionneur d'un signal de commande à une fréquence comprise entre 5 et 1000 Hertz, de préférence, comprise entre 100 et 1000 Hertz ;
9. Procédé selon la revendication précédente pour la mise en œuvre du dispositif de déplacement micrométrique selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend une phase d'initialisation comprenant les étapes suivantes : a) activer l'actionneur piézoélectrique à une fréquence d'activation initiale ;
b) acquérir le gain et le déphasage de l'actionneur à cette fréquence ; c) incrémenter ou décrémenter la fréquence d'activation de l'activateur ;
d) répéter les étapes b) et c) jusqu'à ce que la fréquence d'activation soit égale à une première fréquence de résonnance de l'actionneur ; e) établir la fonction de transfert de l'activateur à l'aide des gains et déphasages acquis à l'étape b) ;
la phase d'initialisation étant suivie d'une phase d'activation de l'actionneur piézoélectrique comprenant la transmission à l'actionneur d'un signal de commande pré-filtré par l'inverse de la fonction de transfert.
10. Procédé selon la revendication précédente, pour la mise en œuvre du dispositif de déplacement micrométrique selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de réglage de la pression exercée sur chaque bille du roulement à billes par une vis, afin d'égaliser la position d'un rebond de la fonction de transfert pour toutes les positions de translation.
11. Procédé selon la revendication précédente, comprenant les étapes suivantes :
- envoyer en continu à l'actionneur (10) une commande sinusoïdale de fréquence constante et proche de la fréquence moyenne du rebond de la fonction de transfert ;
- mesurer de manière continue la position de l'actionneur ;
- ajuster la pression effectuée par chaque vis, afin de fixer l'amplitude du mouvement de l'actionneur pour l'ensemble des positions de la translation.
12. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel l'étape de mesure de la position de l'actionneur est réalisée à l'aide d'un télémètre laser branché sur un oscilloscope.
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