EP4690452A1 - Positionneur a glissement collant - Google Patents

Positionneur a glissement collant

Info

Publication number
EP4690452A1
EP4690452A1 EP23745234.7A EP23745234A EP4690452A1 EP 4690452 A1 EP4690452 A1 EP 4690452A1 EP 23745234 A EP23745234 A EP 23745234A EP 4690452 A1 EP4690452 A1 EP 4690452A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
positioner
actuator
support
blocks
axis
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23745234.7A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Tristan CREN
Pascal David
François DEBONTRIDDER
Mohammadmehdi TORKZADEH
Marie Herve
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
Sorbonne Universite
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Sorbonne Universite
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Sorbonne Universite filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP4690452A1 publication Critical patent/EP4690452A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/0005—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing non-specific motion; Details common to machines covered by H02N2/02 - H02N2/16
    • H02N2/009—Thermal details, e.g. cooling means
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/021—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors using intermittent driving, e.g. step motors, piezoleg motors
    • H02N2/025—Inertial sliding motors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/04—Constructional details

Definitions

  • This blockage can be resolved by heating the piezoelectric actuators to a temperature above 30 K in order to desorb the gas.
  • an actuator comprising: o a transducer mounted on one of the blocks and comprising a piezoelectric body and a wiper in contact with the piezoelectric body and covering the piezoelectric body, o a pad mounted on the other block and movable by sticky sliding on the wiper when an electrical signal is applied to the piezoelectric body, in order to move the blocks relative to each other along an X axis, and
  • the actuator can thus be heated directly, without it being necessary to heat the entire instrument in which the positioner can be installed.
  • the gases released by the local heating of the actuator can be adsorbed by cooler walls of other components of the positioner.
  • the pad and the piezoelectric body thus freed from the gas(es), can perform a sticky sliding motion relative to each other, reducing the risk of jamming.
  • the actuator heats up quickly, and the energy required to heat the actuator is low.
  • direct heating of the piezoelectric body increases the piezoelectric coefficient, which increases the power of the positioner.
  • the invention limits the thermal expansion of the components of the positioner by concentrating the heat produced by the heating member on the actuator. This avoids the effects resulting from this thermal expansion which are complex and difficult to understand when designing the positioner.
  • the “sticky sliding” motion of the pad on the collector is induced by a deformation of the piezoelectric body when an electrical voltage is applied to the transducer.
  • the deformation of the piezoelectric body causes the block containing the pad to move relative to the block containing the collector due to the friction between the pad and the collector.
  • the sliding phase during which the voltage is rapidly decreased, the piezoelectric body abruptly returns to its initial position without the two blocks moving, due to the sliding of the pad on the collector.
  • a repetition of cycles each comprising a sticky phase and a sliding phase allows the continuous movement of one block relative to the other.
  • the heating member is fixed, more preferably glued, in particular with a thermal glue, on the actuator and/or on one of the blocks and/or is in the form of a layer covering the actuator and/or one of the blocks.
  • the layer can extend over a surface area of between 5 mm 2 and 50 mm 2 .
  • the thickness of the layer may be between 0.5 and 5 mm.
  • the layer may comprise a resistive wire, for example shaped like a serpentine, immersed in a binder, for example a thermal glue.
  • the opposite ends of the wire may be connected to electrical connectors, for an electrical supply by means of an electric current generator.
  • the electrical connectors are for example arranged on an external face of one of the blocks.
  • the heating member may be remote from the actuator.
  • the distance between the heating member and the actuator may be between 0.01 mm and 1 mm, preferably between 0.01 mm and 0.5 mm, more preferably between 0.01 mm and 0.1 mm.
  • the pad may be sandwiched between the heater and the transducer.
  • the transducer may be sandwiched between the heater and the pad.
  • the actuator is preferably configured to translate the blocks relative to each other along the X axis.
  • the actuator is compressed between the blocks. In this way, in the absence of an electrical signal powering the actuator, it is ensured that the blocks remain stationary relative to each other.
  • the block on which the transducer is mounted may include a housing in which the transducer, in particular the piezoelectric body, is received.
  • the housing and the transducer are preferably of complementary shape to ensure optimum retention of the transducer on the block.
  • the positioner comprises at least one group of actuators comprising two, preferably three actuators distributed opposite each other.
  • this avoids unwanted movements of one block relative to the other along one or more axes transverse to the X axis.
  • the actuators of the actuator group are distributed, preferably regularly around the X axis.
  • each actuator of the actuator group is heated by a corresponding heating member.
  • the positioner comprises two groups of actuators arranged at a distance from each other, each group of actuators preferably comprising three actuators facing each other.
  • One of the blocks may comprise a support, the actuators being in contact with the support.
  • the actuators are distributed around the support.
  • the actuators may be arranged between the support and the other block, the pad of each actuator preferably being arranged between the support and the wiper of said actuator.
  • the heating member of each actuator may be arranged between the support and the pad of the actuator that it is intended to heat.
  • the support is cylindrical of revolution or, preferably, prismatic, in particular with a triangular base, for example equilateral.
  • the friction member and/or the pad may be made of a material chosen from sapphire, alumina, bronze, graphite, adamantine carbon and their mixtures.
  • the wiper is made of sapphire and/or the pad is made of alumina.
  • the actuators may be distributed on the support facing each other.
  • the number of actuators may be greater than three, for example a multiple of three.
  • the actuators may each be arranged between the support and the other block.
  • the pad of each actuator may be arranged between the support and the wiper of said actuator.
  • Either block may have several parts that move relative to each other, or parts that are fixed to each other. Alternatively, it may be monolithic.
  • each of the blocks is metallic, for example stainless steel for non-magnetic applications or titanium, brass, aluminum for applications in magnetic fields.
  • the different constituent parts of each block can be made of different alloys.
  • At least one of the blocks comprises a base part, a support part and a spring, transverse to the X axis, deformed, such that the actuator is compressed between the blocks.
  • the compressive force exerted on the actuator is oriented perpendicular to the X axis.
  • the spring is made of a metallic material, preferably an alloy, in particular a bronze alloy, for example CuSn6, or a beryllium bronze alloy.
  • the material of the spring can be adapted to the experimental conditions.
  • the spring can be made of stainless steel for non-magnetic applications or of titanium, brass, copper, for applications in a magnetic field.
  • the spring is preferably annular, ring-shaped, or helical, in order to easily accommodate thermal deformations that develop in the components of the positioner during large temperature variations, such as those that may occur when placing a sample on the positioner at room temperature and studying it at a temperature below 20 K.
  • the device comprises several, for example four, springs to ensure uniform compression.
  • the springs have an identical rigidity, or are even identical.
  • the spring elastically connects the support piece to the base piece and is preferably helical.
  • the spring is fixed to the support piece and to the base piece.
  • the spring exerts a restoring force on the support piece and base piece, which is oriented perpendicular to the X axis.
  • the support piece may have a “U” or “L” shaped cross section.
  • the support can be arranged between the base piece and the support piece.
  • At least one of the actuators can be arranged between the support and the base part and at least one other of the actuators may be arranged between the support and the support piece.
  • at least one of the actuators of a group of actuators may be arranged between the support and the base piece and at least one other of the actuators of said group may be arranged between the support and the support piece.
  • the actuator disposed between the support and the base part can be compressed by the support and the base part and the other actuator disposed between the support and the support part can be compressed by the support and the support part.
  • the heating member may be arranged between the base part and the piezoelectric body. It may be in contact with the base part and the piezoelectric body.
  • the spring surrounds the base part and the support part, and preferably is in contact with the base part and the support part, and preferably is annular or in the form of a ring portion.
  • the support piece preferably oriented radially around the X axis, in order to maintain the actuator(s) in compression between the support and the support piece.
  • the block comprising the support piece and the base piece preferably comprises a hollow tubular portion, the wall of the hollow tubular portion comprising the support piece, the support and the actuator(s) being housed in an interior space delimited by the tubular portion.
  • the block comprising the support may further comprise a plate, for example to carry a sample to be studied, and a bracket rigidly fixed to the plate and to the support.
  • the support piece may be at least partially arranged between the support and the plate.
  • the support piece may have a through opening into which the bracket is engaged.
  • the support piece can be mounted freely on the base piece, Le. it can be moved along at least one, or even two, or even three perpendicular axes.
  • the movable part is not rigidly fixed on the support piece.
  • the positioner preferably comprises an axial spring, preferably helical, exerting a restoring force between the base piece and the support piece, and which is oriented parallel to the X axis.
  • the support piece and the base piece may each be hollowed out so as to together define a housing, the axial spring being disposed in the housing.
  • the axial spring may be disposed between the support and the plate.
  • the axial spring is helical.
  • the support piece may be rigidly fixed to the base piece and may comprise a flexible portion extended by a rigid portion on which the transverse spring(s) are fixed, the flexible portion being elastically deformable during the sticky sliding of the pad on the wiper and elastically recalling the rigid portion, in particular against the base piece, following the sticky sliding of the pad against the wiper.
  • a "flexible portion” means a portion with lower bending and/or shear stiffness than the rigid portion.
  • a flexible portion is, however, sufficiently rigid not to deform under its own weight.
  • the flexible portion preferably has an area, preferably at least twice, or even at least ten times, smaller than the area of the rigid portion.
  • the support piece may have the shape of a plate and the flexible portion may have a recess extending in a median plane of the plate along an axis perpendicular to the Y axis.
  • the recess has, for example, the shape of a dumbbell.
  • the invention also relates to a positioning device, preferably multi-axis, comprising first and second positioners according to the invention, one of the blocks of the second positioner comprising, or even consisting of, the first positioner.
  • the blocks of the first positioner are movable relative to each other by sticky sliding along a first axis and the blocks of the second positioner are movable relative to each other along a second axis that is non-parallel, preferably perpendicular, to the first axis.
  • the positioning device is multi-axis and allows a sample to be moved along two dimensions of space.
  • the positioning device may comprise a third positioner according to the invention, one of the blocks of the third positioner comprising, or even consisting of, the second positioner.
  • the blocks of the third positioner are movable relative to each other by sticky sliding along a third axis that is non-parallel, preferably perpendicular, to each of the first and second axes.
  • the positioning device multi-axis positioning allows a sample to be moved in three spatial dimensions.
  • the second positioner block that is movable relative to the first positioner defines a housing in which the first positioner is received.
  • it has a generally tubular and hollow shape and defines an interior space in which at least one of the blocks of the first positioner is entirely received.
  • the third positioner block that is movable relative to the second positioner defines a housing in which the second positioner is received.
  • it has a generally tubular and hollow shape and defines an interior space in which at least one of the second positioner blocks is entirely received.
  • the first, second and third positioners can be arranged in the manner of a Russian doll within the positioning device.
  • the invention also relates to a method for heating the actuator of a positioner according to the invention or of a positioning device according to the invention.
  • the temperature of the actuator prior to heating, is less than 10 K, or even less than 5 K.
  • the method may include supplying electrical power to the actuator to heat the latter, in particular by the Joule effect.
  • the heating induces an increase in the actuator temperature of less than 50 K.
  • the positioner can be arranged in a near-field microscope, for example a scanning tunneling microscope or an atomic force microscope.
  • the method comprises, after heating, the movement of a sample carried by one of the two blocks, by electrically supplying the actuator.
  • the temperature of the actuator is between 260 K and 273 K, the heating being carried out to defrost the contact faces of the pad and the friction member.
  • the invention finally relates to a system comprising:
  • a microscope in particular a near-field microscope, comprising an enclosure
  • a positioner according to the invention or a positioning device according to the invention arranged in the enclosure - optionally, a cooling module to cool the enclosure to a temperature below 30 K, in particular around 4 K.
  • FIG. 1 is a perspective view of a positioner according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 is a side view of the positioner according to the first embodiment
  • FIG. 3], FIG. 4] and [Fig. 5] are sectional views of the positioner according to the first embodiment according to planes (AA), (BB) and (CC) respectively,
  • FIG. 6 [Fig. 7] and [Fig. 8] are perspective views of different parts of the positioner according to the first embodiment
  • FIG. 9 is an enlarged view of two specific arrangements of the heating member of the positioner according to the first embodiment
  • FIG. 10 is a perspective view of a positioner according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 11 is a side view of the positioner according to the second embodiment
  • FIG. 12] and FIG. 13] are sectional views along planes (DD) and (EE) respectively.
  • FIG. 14 is a longitudinal sectional view of a positioner according to a third embodiment of the invention.
  • FIG. 15 is a longitudinal sectional view of a multi-axis positioning device according to the invention integrating the positioner according to the third embodiment of the invention.
  • Figures 1 to 10 illustrate a first example of a positioner 1 according to the invention.
  • the positioner 1 comprises two blocks 2, 3, six actuators 4 and heating members 6 of the respective actuators 4. This number of actuators 4 and heating members 6 is however not limiting.
  • the actuators 4 and the heating elements 6 are arranged between the blocks 2,3.
  • Blocks 2,3, which will subsequently be referred to as the first 2 and second 3 blocks respectively, can be moved relative to each other and are movable along an X axis.
  • the first block 2 comprises a base piece 5 and a support piece 7 which surmounts the base piece 5, lower pins 8, upper pins 9 and transverse springs 10 on the X axis and helical springs which, in the example presented, extend vertically.
  • the first block 2 may have a length measured along the X axis, between 15 and 50 mm, a width between 15 and 25 mm, and a height, measured along the vertical direction, between 15 and 25 mm.
  • the side wall 51 comprises a positioning notch 52 of prismatic shape, for example with a substantially triangular base, which opens onto the inner face 54 of the side wall 51.
  • the recess 52 may be through, as can be observed for example in FIG. 10.
  • a recess 53 of circular section is also provided in the side wall 51 and opens onto the inner face 54.
  • the base part 5 comprises a relief structure 55 which extends vertically from the lower wall 50.
  • Each of the support pieces 5 are portions of a cylinder of revolution with a shape complementary to each of the recesses made in the wall 83.
  • the positioning device 90 comprises first 1, second 91 and third 100 positioners which are all according to the invention, the first positioner 1 being that illustrated in FIG. 14. It comprises blocks 2, 3 movable relative to each other along a vertical X axis.
  • the positioning device 90 is thus multi-axis and allows movement of a sample placed on the stage along one or more of the X, Y and Z axes.

Landscapes

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

Abstract

Positionneur (1) comportant : - deux blocs (2,3), - un actionneur (4) comportant O un transducteur (41) monté sur un des blocs et comportant un corps piézoélectrique (42) recouvert d'un frotteur (43) au contact du corps piézoélectrique (42) et recouvrant le corps piézoélectrique (42), O un patin (44) monté sur l'autre bloc et mobile par glissement collant sur le frotteur (43) lorsqu'un signal électrique est appliqué au corps piézoélectrique (42), afin de déplacer les blocs l'un par rapport à l'autre selon un axe X, et - un organe de chauffage (6) de l' actionneur (4).

Description

Description
Titre : positionneur à glissement collant
Domaine technique
La présente invention concerne le domaine des moteurs à glissement collant, plus particulièrement les moteurs à glissement collant destinés à des applications en conditions cryogéniques.
Technique antérieure
Il est connu de déplacer des objets avec une précision nanométrique au moyen de moteurs comportant un ou des actionneurs piézoélectriques. Notamment, ce type de moteurs peut comporter deux blocs en contact qui peuvent être déplacés l’un par rapport à l’autre par un mécanisme de mouvement par glissement collant, ou « stick-slip motion » en langue anglaise. Afin de mettre en œuvre ce mécanisme, l’actionneur piézoélectrique est alimenté par une tension électrique qui induit sa déformation résultant ainsi en une succession de phases de glissement et de frottement solide des blocs l’un par rapport à l’autre et donc leur déplacement relatif. De tels moteurs sont par exemple décrits dans US 10,505,470 B2 et US 9,225,266 B2.
Cependant, lors de leur utilisation dans des conditions cryogéniques, par exemple à une température inférieure à 10 K, ces moteurs sont souvent inopérants. En particulier, du gaz résiduel, notamment du dihydrogène est adsorbé par un mécanisme de cryo-sorption sur les faces en contact des blocs. Ce gaz adsorbé ne peut être évacué, même en mettant en œuvre un vide poussé dans l’enceinte contenant le moteur. Il agit alors comme une colle qui lie les blocs et empêche leur mouvement relatif, provoquant un blocage du moteur.
Ce blocage peut être résolu en chauffant les actionneurs piézoélectriques à une température supérieure à 30 K afin de désorber le gaz.
En microscopie à champ proche, par exemple en microscopie à effet tunnel ou à force atomique, il est connu de chauffer entièrement le microscope pour monter les actionneurs en température. Cependant, dans la plupart des applications cryogéniques, une température de travail inférieure à 10 K, par exemple d’environ 4 K est souhaitable. Le chauffage de l’intégralité du microscope présente donc l’inconvénient majeur de nécessiter une longue durée pour redescendre à nouveau à la température de travail dudit microscope, en partant de la température de chauffage. De plus, cette méthode de chauffage des actionneurs est énergivore. Elle nécessite de chauffer l’intégralité du microscope, alors que les actionneurs piézoélectriques ne représentent qu’une faible masse, comparativement à l’ensemble des éléments constitutifs du positionneur et du microscope.
Il existe donc un besoin pour désorber rapidement et avec peu d’énergie le gaz résiduel adsorbé sur le moteur.
Par ailleurs, un autre inconvénient des moteurs à glissement collant connus est la difficulté d’assurer un effort de flottement entre les blocs qui reste sensiblement constant, en conditions cryogéniques, lors des phases de frottement solide au cours du mouvement de glissement collant. En effet, le passage de la température ambiante à la température de travail induit des dilatations thermiques des différents éléments constitutifs du moteur, qui sont difficiles à prendre en compte pour le concepteur du positionneur, et qui peuvent induire de telles variations de l’effort de contact.
Il existe donc en outre un besoin pour surmonter cet inconvénient.
Résumé de l’invention
L’invention vise à répondre à ces besoins et elle y parvient grâce à un positionneur comportant :
- deux blocs,
- un actionneur comportant : o un transducteur monté sur un des blocs et comportant un corps piézoélectrique et un frotteur au contact du corps piézoélectrique et recouvrant le corps piézoélectrique, o un patin monté sur l’autre bloc et mobile par glissement collant sur le frotteur lorsqu’un signal électrique est appliqué au corps piézoélectrique, afin de déplacer les blocs l’un par rapport à l’autre selon un axe X, et
- un organe de chauffage de l’actionneur.
L’organe de chauffage étant intégré au positionneur, l’actionneur peut ainsi être chauffé directement, sans qu’il ne soit nécessaire de chauffer l’intégralité de l’instrument dans lequel le positionneur peut être installé. Les gaz libérés par le chauffage local de l’actionneur peuvent être adsorbés par des parois plus froides d’autres composants du positionneur. Le patin et le corps piézoélectrique ainsi libérés du ou des gaz, peuvent effectuer un mouvement de glissement collant l’un par rapport à l’autre, les risques de blocage étant réduits. En outre, le chauffage de l ’actionneur est rapide, et l’énergie nécessaire consommée pour chauffer l’actionneur est faible. Enfin, le chauffage direct du corps piézoélectrique permet d’augmenter le coefficient piézoélectrique, ce qui permet d’augmenter la puissance du positionneur.
Par ailleurs, l’invention limite la dilatation thermique des composants du positionneur en concentrant la chaleur produite par l’organe de chauffage sur l’actionneur. On évite ainsi les effets résultants de cette dilation thermique qui sont complexes et difficiles à appréhender lors de la conception du positionneur.
Le mouvement à « glissement collant » du patin sur le frotteur est induit par une déformation du corps piézoélectrique lorsqu’une tension électrique est appliquée au transducteur. Dans la phase « collante » pendant laquelle la tension est appliquée progressivement, la déformation du corps piézoélectrique entraîne un déplacement du bloc comportant le patin par rapport au bloc comportant le frotteur grâce au frottement entre le patin et le frotteur. Dans la phase glissante pendant laquelle la tension est rapidement diminuée, le corps piézoélectrique revient brutalement à sa position initiale sans que les deux blocs ne bougent, du fait du glissement du patin sur le frotteur. Une répétition de cycles comportant chacun une phase collante et une phase glissement permet le déplacement continu d’un bloc par rapport à l’autre.
Organe de chauffage
De préférence, afin que la chaleur produite soit transférée efficacement à l’actionneur, l’organe de chauffage est distant de moins de 5 mm, de préférence de moins de 1 mm, de l’actionneur.
De préférence, l’organe de chauffage est au contact de l’actionneur et/ou de l’un des blocs. De préférence, il est en contact de l’actionneur, de préférence du corps piézoélectrique, pour que la chaleur qu’il produit soit transférée efficacement par conduction à l’actionneur.
De préférence, l’organe de chauffage est fixé, de préférence encore, collé, notamment avec une colle thermique, sur l’actionneur et/ou sur l’un des blocs et/ou se présente sous la forme d’une couche revêtant l’actionneur et/ou l’un des blocs. La couche peut s’étendre sur une surface d’aire comprise entre 5 mm2 et 50 mm2. L’épaisseur de la couche peut être comprise entre 0.5 et 5mm. La couche peut comporter un fil résistif, par exemple conformé comme un serpentin, immergé dans un liant, par exemple une colle thermique. Les extrémités opposées du fil peuvent être reliées à des connecteurs électriques, pour une alimentation électrique au moyen d’un générateur de courant électrique. Les connecteurs électriques sont par exemple disposés sur une face extérieure d’un des blocs.
En variante, l’organe de chauffage peut être distant de l’actionneur. La distance entre l’organe de chauffage et l’actionneur peut être comprise entre 0,01 mm et 1 mm, de préférence entre 0,01 mm et 0,5 mm, mieux entre 0,01 mm et 0,1 mm.
De préférence, l’organe de chauffage présente un volume inférieur à 250 mm3. Cela permet de produire un positionneur compact qui peut être facilement mis en œuvre au sein d’un microscope. En outre, l’organe de chauffage concentre donc dans une faible volume la chaleur produite et peut la transférer localement, par exemple par conduction lorsqu’il est en contact avec l’actionneur. L’organe de chauffage peut notamment présenter une épaisseur comprise entre 0.5 mm et 5 mm.
Le patin peut être pris en sandwich entre l’organe de chauffage et le transducteur. En variante, le transducteur peut être pris en sandwich entre l’organe de chauffage et le patin.
L’organe de chauffage peut être résistif ou thermoélectrique.
L’organe de chauffage peut être configuré pour augmenter la température de l’actionneur, en particulier du coips piézoélectrique, d’au moins 30 K, voire d’au moins 50 K. Préalablement au chauffage, la température de l’actionneur est, par exemple, inférieure à 30 K, voire inférieure à 5 K.
Actionneur
L’actionneur est de préférence configuré pour déplacer par translation selon l’axe X les blocs l’un par rapport à l’autre.
De préférence, l’actionneur est comprimé entre les blocs. De cette façon, en l’absence de signal électrique alimentant l’actionneur, on assure que les blocs restent immobiles l’un par rapport à l’autre.
Le bloc sur lequel le transducteur est monté peut comporter un logement dans lequel le transducteur, notamment le corps piézoélectrique, est reçu. Le logement et le transducteur sont de préférence de forme complémentaire pour assurer un maintien optimal du transducteur sur le bloc. De préférence, le positionneur comporte au moins un groupe d’ actionneurs comportant deux, de préférence trois actionneurs répartis en regard les uns des autres. Avantageusement, on évite ainsi les déplacements non souhaités d’un bloc par rapport à l’autre le long d’un ou plusieurs axes transverses à l’axe X.
De préférence les actionneurs du groupe d’ actionneurs sont répartis, de préférence régulièrement autour de l’axe X.
De préférence, chaque actionneur du groupe d’actionneurs est chauffé par un organe de chauffage correspondant.
En particulier, afin d’éviter une rotation de l’un ou l’autre des blocs autour d’un axe transverse à l’axe X, le positionneur comporte deux groupes d’actionneurs disposés à distance l’un de l’autre, chaque groupe d’actionneurs comportant de préférence trois actionneurs en regard les uns des autres.
Un des blocs peut comporter un support, les actionneurs étant au contact du support. De préférence, les actionneurs sont répartis autour du support.
Les actionneurs peuvent être disposés entre le support et l’autre bloc, le patin de chaque actionneur étant disposé de préférence entre le support et le frotteur dudit actionneur. L’organe de chauffage de chaque actionneur peut être disposé entre le support et le patin de l’actionneur qu’il est destiné à chauffer.
De préférence, le support est cylindrique de révolution ou, de préférence, prismatique, en particulier à base triangulaire, par exemple équilatérale.
Le frotteur et/ou le patin peut être en un matériau choisi parmi le saphir, l’alumine, le bronze, le graphite, le carbone adamantin et leurs mélanges.
De préférence, le frotteur est en saphir et/ou le patin est en alumine.
Les actionneurs peuvent être répartis sur le support en regard les uns des autres. En variante, le nombre d’actionneurs peut être supérieur à trois, par exemple un multiple de trois.
Les actionneurs peuvent être chacun disposés entre le support et l’autre bloc. Le patin de chaque actionneur peut être disposé entre le support et le frotteur dudit actionneur.
Blocs
L’un ou l’autre des blocs peut comporter plusieurs pièces mobiles l’une par rapport à l’autre, ou des pièces fixées l’une sur l’autre. En variante, il peut être monolithique. De préférence, chacun des blocs est métallique, par exemple en acier inoxydable pour application non magnétiques ou en titane, laiton aluminium pour des applications en champs magnétiques. Les différentes pièces constitutives de chaque bloc peuvent être en des alliages différents.
De préférence, au moins un des blocs comporte une pièce de base, une pièce d’appui et un ressort, transversal à l’axe X, déformé, de telle sorte que l’actionneur soit comprimé entre les blocs. De préférence, la force de compression s’exerçant sur l’actionneur est orientée perpendiculairement à l’axe X.
De préférence, le ressort est en un matériau métallique, de préférence un alliage, notamment un alliage de bronze, par exemple CuSn6, ou un alliage de bronze de béryllium. Le matériau du ressort peut être adapté aux conditions expérimentales. Par exemple, le ressort peut être en acier inoxydable pour des application non magnétiques ou en titane, laiton, cuivre, pour des applications en champ magnétique.
Le ressort est de préférence annulaire, en portion d’anneau, ou hélicoïdal, afin d’accommoder aisément les déformations d’origine thermique qui se développent dans les composants du positionneur lors de larges variations de températures, telles que celles qui peuvent avoir lieu lors de la mise en place d’un échantillon sur le positionneur à température ambiante et son étude à une température inférieure à 20 K.
De préférence, notamment selon une variante où le dispositif comporte plusieurs actionneurs, le dispositif comporte plusieurs, par exemple quatre, ressorts pour assurer une compression uniforme. De préférence, les ressorts présentent une rigidité identique, voire sont identiques.
Selon un premier mode de réalisation, le ressort relie élastiquement la pièce d’appui à la pièce de base et est de préférence hélicoïdal. De préférence, le ressort est fixé à la pièce d’appui et à la pièce de base.
De préférence, le ressort exerce une force de rappel sur la pièce d’appui et pièce de base, qui est orientée perpendiculairement à l’axe X.
La pièce d’appui peut présenter une section transverse en forme de « U » ou en forme de « L ».
Le support peut être disposé entre la pièce de base et la pièce d’appui.
Selon la variante où le positionneur comporte plusieurs actionneurs, au moins un des actionneurs peut être disposé entre le support et la pièce de base et au moins un autre des actionneurs peut être disposé entre le support et la pièce d’appui. En particulier, au moins un des actionneurs d’un groupe d’ actionneurs peut être disposé entre le support et la pièce de base et au moins un autre des actionneurs dudit groupe peut être disposé entre le support et la pièce d’appui.
En particulier, l’actionneur disposé entre le support et la pièce de base peut être comprimé par le support et la pièce de base et l’autre actionneur disposé entre le support et la pièce d’appui peut être comprimé par le support et la pièce d’appui.
Par ailleurs, l’organe de chauffage peut être disposé entre la pièce de base et le corps piézoélectrique. 11 peut être au contact de la pièce de base et du corps piézoélectrique.
Selon un deuxième mode de réalisation, le ressort ceinture la pièce de base et la pièce d’appui, et de préférence est au contact de la pièce de base et de la pièce d’appui, et de préférence est annulaire ou en portion d’anneau.
De préférence, il exerce une force de compression sur la pièce d’appui, de préférence orientée radialement autour de l’axe X, afin de maintenir le ou les actionneurs en compression entre le support et la pièce d’appui.
Le bloc comportant la pièce d’appui et la pièce de base comporte de préférence une portion tubulaire et creuse, la paroi de la portion tubulaire et creuse comportant la pièce d’appui, le support et le ou les actionneurs étant logés dans un espace intérieur délimité par la portion tubulaire.
Par ailleurs, le bloc comportant le support peut comporter en outre une platine, par exemple pour porter un échantillon à étudier, et une potence fixée rigidement à la platine et au support.
La pièce d’appui peut être au moins partiellement disposée entre le support et la platine.
La pièce d’appui peut comporter une ouverture traversante dans laquelle la potence est engagée.
La pièce d’appui peut être montée libre sur la pièce de base, Le. elle peut être déplacée selon au moins un, voire deux, mêmes trois axes perpendiculaires. Autrement dit, de préférence, la pièce mobile n’est pas fixée rigidement sur la pièce d’appui. En particulier, afin d’éviter un déplacement axial excessif selon l’axe X, le positionneur comporte de préférence un ressort axial, de préférence hélicoïdal, exerçant une force de rappel entre la pièce de base et la pièce d’appui, et qui est orientée parallèlement à l’axe X. Afin de protéger le ressort axial, la pièce d’appui et la pièce de base peuvent être chacune évidées de manière à définir ensemble un logement, le ressort axial étant disposé dans le logement. Le ressort axial peut être disposé entre le support et la platine. De préférence, le ressort axial est hélicoïdal.
En variante, la pièce d’appui peut être fixée rigidement sur la pièce de base et peut comporter une portion souple prolongée par une portion rigide sur laquelle le ou les ressorts transversaux sont fixés, la portion souple étant déformable élastiquement lors du glissement collant du patin sur le frotteur et rappelant élastiquement la portion rigide, notamment contre la pièce de base, à la suite du glissement collant du patin contre le frotteur.
Par « portion souple », on entend une portion présentant une rigidité en flexion et/ou en cisaillement plus faible que la portion rigide. Une portion souple est pour autant suffisamment rigide pour ne pas se déformer sous son propre poids.
Dans au moins une section transverse à l’axe X, la portion souple présente de préférence une aire, de préférence au moins deux fois, voire au moins dix fois, inférieure à Faire de la portion rigide. Par exemple, la pièce d’appui peut présenter une forme d’une plaque et la portion souple peut présenter un évidement s’étendant dans un plan médian de la plaque selon un axe perpendiculaire à l’axe Y. L’évidement présente par exemple la forme d’un haltère.
L’invention concerne encore un dispositif de positionnement, de préférence multiaxe, comportant des premier et deuxième positionneurs selon l’invention, l’un des blocs du deuxième positionneur comportant, voire consistant en, le premier positionneur.
De préférence, les blocs du premier positionneur sont mobiles l’un par rapport à l’autre par glissement collant le long d’un premier axe et les blocs du deuxième positionneur sont mobiles l’un par rapport à l’autre selon un deuxième axe non-parallèle, de préférence perpendiculaire, au premier axe. Ainsi, le dispositif de positionnement est multiaxe et permet un déplacement d’un échantillon selon deux dimensions de l’espace.
Le dispositif de positionnement peut comporter un troisième positionneur selon l’invention, l’un des blocs du troisième positionneur comportant, voire consistant en, le deuxième positionneur. De préférence, les blocs du troisième positionneur sont mobiles l’un par rapport à l’autre par glissement collant le long d’un troisième axe non-parallèle, de préférence perpendiculaire, à chacun des premier et deuxième axes. Ainsi, le dispositif de positionnement multiaxe permet un déplacement d’un échantillon selon trois dimensions de l’espace.
De préférence, le bloc du deuxième positionneur qui est mobile par rapport au premier positionneur définit un logement dans lequel le premier positionneur est reçu. De préférence, il présente une forme générale tubulaire et creuse et définit un espace intérieur dans lequel au moins un des blocs du premier positionneur est entièrement reçu.
De préférence, le bloc du troisième positionneur qui est mobile par rapport au deuxième positionneur définit un logement dans lequel le deuxième positionneur est reçu. De préférence, il a une forme générale tubulaire et creuse et définit un espace intérieur dans lequel au moins un des blocs du deuxième positionneur est entièrement reçu. Ainsi, les premier, deuxième et troisième positionneurs peuvent être disposés à la manière d’une poupée russe au sein du dispositif de positionnement.
L’invention concerne encore un procédé de chauffage de l’actionneur d’un positionneur selon l’invention ou d’un dispositif de positionnement selon l’invention.
Selon un premier mode de mise en œuvre préféré, préalablement au chauffage, la température de l’actionneur est inférieure à 10 K, voire inférieure à 5 K.
En particulier, le procédé peut comporter l’alimentation électrique de l’actionneur pour chauffer ce dernier, notamment par effet Joule.
De préférence, le chauffage induit une augmentation de la température de l’actionneur inférieure à 50 K.
Le positionneur peut être disposé dans un microscope à champ proche, par exemple un microscope à effet tunnel ou un microscope à force atomique.
De préférence le procédé comporte postérieurement au chauffage, le déplacement d’un échantillon porté par l’un des deux blocs, en alimentant électriquement l’actionneur.
Selon un deuxième mode de mise en œuvre, préalablement au chauffage, la température de l’actionneur est comprise entre 260 K et 273 K, le chauffage étant opéré pour dégivrer les faces en contact du patin et du frotteur.
L’invention concerne enfin un système comportant :
- un microscope, notamment un microscope à champ proche, comportant une enceinte,
- un positionneur selon l’invention ou un dispositif de positionnement selon l’invention disposée dans l’enceinte, - optionnellement, un module de refroidissement pour refroidir l’enceinte à une température inférieure à 30 K, notamment d’environ 4 K.
Brève description des dessins
L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel :
[Fig. 1] est une vue en perspective d’un positionneur selon un premier mode de réalisation de l’invention,
[Fig. 2] est une vue de côté du positionneur selon le premier mode de réalisation,
[Fig. 3], [Fig. 4] et [Fig. 5] sont des vues en coupe du positionneur selon le premier mode de réalisation selon les plans (AA), (BB) et (CC) respectivement,
[Fig. 6], [Fig. 7] et [Fig. 8] sont des vues en perspective de différentes pièces du positionneur selon le premier mode de réalisation,
[Fig. 9] est vue agrandie de deux dispositions spécifiques de l’organe de chauffage du positionneur selon le premier mode de réalisation,
[Fig. 10] est une vue en perspective d’un positionneur selon un deuxième mode de réalisation de l’invention,
[Fig. 11] est une vue de côté du positionneur selon le deuxième mode de réalisation,
[Fig. 12] et [Fig. 13] sont des vues en coupe selon les plans (DD) et (EE) respectivement,
[Fig. 14] est une vue en coupe longitudinale d’un positionneur selon un troisième mode de réalisation de l’invention, et
[Fig. 15] est une vue en coupe longitudinale d’un dispositif de positionnement multiaxe selon l’invention intégrant le positionneur selon le troisième mode de réalisation de l’invention.
Description détaillée
On a illustré sur les figures 1 à 10 un premier exemple de positionneur 1 selon l’invention. Le positionneur 1 comporte deux blocs 2,3, six actionneurs 4 et des organes de chauffage 6 des actionneurs 4 respectifs. Ce nombre d’actionneurs 4 et d’organes de chauffage 6 n’est toutefois pas limitatif.
Les actionneurs 4 et les organes de chauffage 6 sont disposés entre les blocs 2,3.
Les blocs 2,3 qui par la suite seront dénommés premier 2 et deuxième 3 blocs respectivement, peuvent être déplacés l’un par rapport à l’autre et sont mobiles selon un axe X.
Le premier bloc 2 comporte une pièce de base 5 et une pièce d’appui 7 qui surmonte la pièce de base 5, des goupilles inférieures 8, des goupilles supérieures 9 et des ressorts transversaux 10 à l’axe X et hélicoïdaux qui, dans l’exemple présenté, s’étendent verticalement.
Le premier bloc 2 peut présenter une longueur mesurée selon l’axe X, comprise entre 15 et 50 mm, une largeur comprise entre 15 et 25 mm, et une hauteur, mesurée selon la direction verticale, comprise entre 15 et 25 mm.
La pièce de base 5, illustrée sur la figure 6, présente une paroi inférieure 50 qui s’étend horizontalement selon l’axe X et une paroi latérale 51, perpendiculaire à l’axe X, qui s’étend verticalement depuis un bord latéral de la paroi inférieure 50. Vue de côté, la pièce de base 5 présente ainsi une forme générale d’un « L ».
La paroi latérale 51 comporte une encoche 52 de positionnement de forme prismatique, par exemple à base sensiblement triangulaire, qui débouche sur la face intérieure 54 de la paroi latérale 51. L’évidement 52 peut être traversant, comme cela peut être observé par exemple sur la figure 10.
Un évidement 53 de section circulaire est par ailleurs ménagé dans la paroi latérale 51 et débouche sur la face intérieure 54.
La pièce de base 5 comporte une structure en relief 55 qui s’étend verticalement depuis la paroi inférieure 50.
La structure en relief 55 comporte deux nervures 56 rectilignes parallèle à l’axe X espacées l’une de l’autre et des bords longitudinaux de la paroi inférieure 50. Les nervures 56 définissent avec la paroi inférieure 50 une cannelure 57 d’axe X. Les nervures 56 présentent des faces longitudinales, délimitant la cannelure 57, qui sont inclinées par rapport à la direction verticale et qui comportent des creux de positionnement de nervure 58 chacun recevant deux actionneurs 4. La structure en relief 55 comporte en outre deux paires de renforts latéraux 59, chaque paire s’étendant depuis une des nervures 56 jusqu’à un bord longitudinal de la paroi inférieure 50. Les renforts latéraux 59 comportent des trous 60 d’axe parallèle à l’axe X. Dans une variante non représentée, la structure en relief 55 peut comporter deux renforts latéraux 59 qui sont disposés de part et d’autre de l’axe X.
Les goupilles inférieures 8 sont disposées de part et d’autre de l’axe X et sont parallèles à l’axe X. Chaque goupille inférieure 8 est engagée dans les trous 60 d’une paire de renforts latéraux 59 correspondante et traverse lesdits trous 60 de part en part et fait saillie axiale de part et d’autre de la paire de renforts latéraux 59 dans laquelle elle est engagée.
La pièce d’appui 7, illustrée sur la figure 7, est disposée entre la pièce de base 5 et le deuxième bloc 3.
Elle présente un plateau 70 s’étendant parallèlement à l’axe X et des jambes 71 qui s’étendent perpendiculairement à l’axe X vers le bas, chacune à partir d’un bord longitudinal opposé du plateau 70. Le plateau 70 comporte des ouvertures traversantes 72 de part en part dans son épaisseur et qui s’étendent selon l’axe X.
Le plateau 70 comporte par ailleurs, un creux de positionnement de plateau 73 ménagé sur la face inférieure du plateau 70, qui fait face à la structure en relief 55 de la pièce de base 5. Le creux de positionnement de plateau 73 peut s’étendre parallèlement à l’axe X entre les ouvertures traversantes 72.
Le plateau 70 comporte un évidement 75 de section circulaire, s’étendant selon un axe parallèle à l’axe X et qui est confondu avec l’axe d’extension de l’évidement 53 ménagé dans la paroi latérale 51 de la pièce de base 5.
Un ressort axial 11 hélicoïdal est disposé parallèlement à l’axe X dans le logement délimité par les évidements 75 et 53. Il prend appui par une de ses extrémités sur la paroi latérale 51 de la pièce de base 5 et par son extrémité opposée sur le plateau 70. Le ressort axial 11 exerce une force de rappel de la pièce de base 5 contre la pièce d’appui 7.
Chaque jambe 71 présente un relief de jambe 74 qui fait saillie de sa face inférieure 76. Chacun des reliefs de jambe 74 est engagé dans une encoche 77 respective définie par la structure en relief 55 entre les renforts latéraux 59 et la nervure 56 du même côté de l’axe X que le relief de jambe 74. Le relief de jambe 74 vient en appui sur un des renforts 59 par le biais du ressort axial 11 , ce qui permet un appui rigide pour la pièce d’appui 7 lors de la phase de glissement de l’actionneur. Chaque jambe 71 comporte un trou de jambe 78 d’axe parallèle à l’axe X dans lequel est engagée une goupille 9 supérieure.
Chaque goupille supérieure 9 fait saillie axiale de part et d’autre du trou de jambe 78 dans lequel elle est engagée.
Les goupilles inférieures 8 et supérieures 9 comportent chacune deux gorges annulaires 81, disposées hors des jambes 71 et des renforts latéraux 59. La gorge annulaire 81 de chaque goupille supérieure 9 est superposées selon la direction verticale à une des gorges annulaires 81 d’une des goupilles inférieures 8.
Les ressorts hélicoïdaux 10 sont chacun fixés par leurs extrémités inférieure 11 et supérieure 12 aux goupilles inférieure 8 et supérieure 9 respectivement. Notamment, ils présentent à leurs extrémités inférieure 11 et supérieure 12 des crochets engagés dans une gorge inférieure 81 une gorge supérieure 81 correspondante.
Les ressorts hélicoïdaux 10 sont choisis de manière que, sur une large plage de température, par exemple comprise entre 5 K et 300 K, les actionneurs 4 soient comprimés par les premier 2 et deuxième 3 blocs.
Le deuxième bloc 3 comporte un support 13, une platine 14 et deux potences 15 et 16. Dans une variante non représentée, le deuxième bloc comporte une unique potence.
La platine 14 comporte une paroi supérieure 141 présentant par exemple une forme parallélépipédique s’étendant longitudinalement selon un axe parallèle à l’axe X et une paroi latérale 142 s’étendant verticalement vers le bas depuis un bord latéral de la paroi supérieure 141. La pièce d’appui 7 est disposée entre la paroi latérale 51 de la pièce de base 5 et la paroi latérale 142 de la platine 14. Elle est en outre disposée entre la paroi supérieure 141 de la platine 14 et la paroi inférieure 50 de la pièce de base 5.
Les potences 15 et 16 sont fixées sur la platine 14, notamment sur la paroi supérieure 141 de la platine 14, par exemple par une liaison de type tenon et mortaise comme cela est illustré sur la figure 3.
Par ailleurs, le support 13 est fixé rigidement sur la platine 14, notamment sur la face latérale 142 de la platine 14, par exemple au moyen d’une vis 131 comme illustré sur la figure 4.
Le support 13 et la paroi supérieure 141 de la platine 14 sont séparés l’un de l’autre par le plateau 70. Les potences 15 et 16 relient le support 13 à la platine 14. Elles sont fixées rigidement au support 13. En particulier, elles peuvent venir de matière avec le support 13, comme dans l’exemple illustré.
Chaque potence 15 et 16 est fixée dans une des ouvertures traversantes 72 du plateau 70. Elle est distante de la face latérale de l’ouverture.
Le support 13 est un prisme droit d’axe X. Dans l’exemple illustré, il présente une section triangulaire équilatérale. Toutefois d’autres formes peuvent être envisagées.
Dans une configuration du positionneur, la face 132 du support 13, opposée à la face 133 fixée sur la platine 14 peut être engagée dans l’encoche de positionnement 52 ménagée dans la paroi latérale 51 de la pièce de base 5. Elle peut en être extraite par suite du déplacement du support 13 selon l’axe X.
Le support 13 présente deux faces 134 et 135 qui sont chacune parallèles à la face inclinée d’une des nervures 58 qui leur fait face. Il présente en outre une face 136 qui est parallèle à la face inférieure du plateau 70.
Les actionneurs 4 sont disposés entre le support 13 et la pièce de base 5. En particulier, les actionneurs 4 sont disposés selon deux groupes formés de trois actionneurs chacun, les actionneurs 4 de chaque groupe étant à une même abscisse le long de l’axe X.
Parmi chaque groupe d’ actionneurs, deux actionneurs 4 sont disposés obliquement et chacun pris en sandwich entre la face inclinée d’une des nervures 56 correspondantes et la face du support 13 qui lui fait face. Le troisième actionneur 4 de chaque groupe est pris en sandwich entre le support 13 et le plateau 70.
Chaque actionneur 4 comporte un transducteur 41 comportant un corps piézoélectrique 42 et un frotteur 43 au contact du corps piézoélectrique 42. Le frotteur 43 recouvre une face du corps piézoélectrique 42 qui fait face au support 13.
Afin d’éviter leur glissement le long des pentes des faces inclinées des nervures 56, les corps piézoélectriques 42 sont disposés dans les creux de positionnement 58 des nervures 56 qui présentent une largeur égale à la largeur de la base desdits corps piézoélectriques. Par ailleurs, le corps piézoélectrique 42 de l’actionneur disposé entre le support 13 et la pièce d’appui 7, est logé dans le creux de positionnement 73 de plateau 70 qui bloque ainsi son déplacement selon une direction transverse à l’axe X.
Par ailleurs, chaque actionneur 4 comporte un patin 44 qui est fixé sur la face du support 13 qui fait face au frotteur 43. Le frotteur 43 et le patin 44 sont en contact. Le transducteur 41 est par ailleurs relié électriquement par une connexion électrique filaire à un générateur électrique, non représenté.
Les ressorts transversaux 10 sont en tension et exercent une force de rappel tendant à ramener la pièce d’appui 7 contre la pièce de base 5.
Les actionneurs 4 et le support 13 étant pris en sandwich entre la pièce d’appui 7 et la pièce de base 5 sont ainsi comprimés sous l’effet de la force de rappel des ressorts 10 transversaux.
Par application d’un courant électrique aux transducteurs 41, un mouvement selon l’axe X des flotteurs 43 sur les patins 44 desquels ils sont en contacts, est ainsi obtenu.
Le positionneur 1 comporte en outre des organes de chauffage 6 qui sont chacun disposés de manière à chauffer localement un actionneur 4 correspondant.
On décrit par la suite en détail la disposition d’un organe de chauffage 6 par rapport à un transducteur 4L
Le transducteur 41 peut être pris en sandwich entre l’organe de chauffage 6 et le patin 44, comme cela est illustré sur la figure 9 a). En particulier, l’organe de chauffage 6 peut être disposé entre la pièce de base 5 et le corps piézoélectrique 42. Il est de préférence au contact de la pièce de base 5 et du corps piézoélectrique 42. Notamment, il peut être disposé dans le creux de positionnement 58 de nervure 56 ou dans le creux de positionnement de plateau 73. De cette façon, l’organe de chauffage 6 chauffe d’abord le corps piézoélectrique 42, puis par diffusion de la chaleur produite, le flotteur 43 et le patin 44. Cette disposition est particulièrement efficace pour augmenter le coefficient piézoélectrique du corps piézoélectrique 42 en application cryogénique.
En variante, comme illustré sur la figure 9 b), le patin 44 peut être pris en sandwich entre l’organe de chauffage 6 et le transducteur 41. Notamment l’organe de chauffage 6 peut être pris entre le support 13 et le patin 44 et être au contact du support 13 et du patin 44. Selon cette disposition, l’organe de chauffage 6 étant au plus proche du patin 44 et du frotteur 43, l’efficacité de désorption des gaz est optimale.
L’organe de chauffage 6 est par exemple une couche d’aire comprise entre 5 mm2 et 20 mm2 et d’épaisseur égale à 2 mm, ce qui permet de produire un positionneur 1 particulièrement compact. Il est de préférence de type résistif et peut être relié électriquement à une source de courant électrique, par exemple au même générateur que celui alimentant les transducteurs 4L
Différents positionnements des organes de chauffage 6 peuvent être envisagés au sein du même positionneur 1. Par exemple, l’organe de chauffage 6 d’un des transducteurs 41 peut être disposé entre le patin 43 et le support 13. L’organe de chauffage 6 d’un autre transducteur 41 peut être disposé lui aussi entre le patin 43 et le support 13 ou entre la pièce de base 5 et le corps piézoélectrique 42.
On a illustré sur les figures 10 à 13 un deuxième exemple de réalisation du positionneur 1 selon l’invention.
Ce deuxième exemple de positionneur diffère de celui illustré sur les figures 1 à 9 notamment par les caractéristiques suivantes.
En particulier, la pièce d’appui 7 est fixée rigidement sur la pièce de base 5. Elle comporte, voire consiste en, un plateau 70 et peut, comme cela est illustré, être exempte de jambes. Le plateau 70 présente une épaisseur, mesurée selon la direction verticale, sensiblement constante. Il est monolithique et comporte une portion rigide 79, notamment pleine, prolongée par une portion souple 80 fixée à la pièce de base.
La portion souple 80 est faite du même matériau que la portion rigide 79. Elle présente un évidement 81 qui la traverse de part en part dans sa largeur. L’évidement 81 peut notamment présenter une forme en « H » ou en « haltère ». De cette façon, lors du déplacement du support 13 par rapport à la pièce de base 5, pour maintenir un effort de compression sensiblement constant des patins 44 sur les frotteurs 43 correspondants, la portion souple 80 peut se déformer, en traction et/ou compression selon la direction longitudinale et/ou en cisaillement et/ou flexion selon la direction verticale. Le positionneur selon cet exemple est simple de fabrication car il permet notamment de s’affranchir de la mise en place d’un ressort axial 11, de la présence de jambes avec leurs reliefs 74 ainsi que de renforts 59.
Par ailleurs, le positionneur 1 peut comporter un unique ressort transversal 10 pour comprimer la pièce d’appui 7 sur la pièce de base 5. Par exemple, le positionneur 1 selon le deuxième exemple comporte des vis 82 fixées perpendiculairement à l’axe X dans la pièce de base 5 et la pièce d’appui 7, le ressort transversal 10 hélicoïdal étant fixé de part et d’autre sur les têtes desdites vis 82. Préférentiellement, un second ressort 10 peut être fixé de manière identique, de l’autre côté de la pièce 79. En variante, le ressort transversal 10 peut être fixé comme illustré sur les figures 1 à 5.
Par ailleurs, le support 13 est fixé rigidement sur la paroi latérale 142 du deuxième bloc 3. Il peut en outre être fixé au moyen d’une potence verticale comme le premier exemple de positionneur. En variante, comme cela est illustré, il peut en être exempt.
La figure 14 illustre un troisième exemple de positionneur selon l’invention
Le premier positionneur 1 comporte des premier 2 et deuxième 3 blocs mobiles l’un par rapport à l’autre selon un axe X de translation.
Le premier bloc 2 comporte un support 13 d’axe X vertical et une platine 14 surmontant le premier bloc 2 et qui s’étend transversalement à l’axe X. La platine 14 est destinée à supporter un échantillon. Le deuxième bloc 3 est creux et définit un espace intérieur dans lequel le support 13 est introduit.
Le deuxième bloc 3 comporte une pièce de base 5 et trois pièces d’appui 7.
La pièce de base 5 présente une forme générale tubulaire d’axe X et comporte une portion cylindrique de révolution. Trois évidements, répartis régulièrement autour de l’axe X, sont ménagés dans la paroi 83 de la portion cylindrique et traversent ladite paroi 83 de part en part.
Chacune des pièces d’appui 5 sont des portions de cylindre de révolution de forme complémentaire à chacun des évidements ménagés dans la paroi 83.
Le premier positionneur 1 comporte en outre deux paires de trois actionneurs 4 dont les patins sont des couches revêtant le support 13. Les actionneurs 4 comportent des transducteurs 41 comportant chacun un corps piézoélectrique 42 et un frotteur 43 au contact d’un patin 44 correspondant. Chaque transducteur 41 d’une paire est fixé sur la face radialement intérieure d’un des blocs d’appui.
Par ailleurs, afin d’assurer une mise en compression des frotteurs 43 sur les patins 44, le premier positionneur 1 comporte un ressort transversal annulaire 84, au contact de et qui ceinture la pièce de base 5 et les pièces d’appui 7. Il peut notamment présenter un diamètre égal, au moins à une température comprise entre 293 K et 313 K au diamètre de la paroi radialement extérieure de la pièce de base 5 et des pièces d’appui 7. En variante, le premier positionneur 1 peut comporter un ressort transversal en portion d’anneau, clipsé sur la pièce de base 5 et les pièces d’appui 7. Le ressort transversal 10 est ainsi au contact de la pièce de base 5 et des pièces d’appui 7 et les ceinture. La figure 15 illustre enfin un exemple de dispositif de positionnement 90 selon l’invention.
Le dispositif de positionnement 90 comporte des premier 1, deuxième 91 et troisième 100 positionneurs qui sont tous selon l’invention, le premier positionneur 1 étant celui illustré sur la figure 14. Il comporte des blocs 2,3 mobiles l’un par rapport à l’autre selon un axe X vertical.
Le deuxième positionneur 91 comporte des premier et deuxième blocs 92, 93 mobiles l’un par rapport à l’autre selon un axe Y horizontal, perpendiculaire à l’axe X. Le premier bloc 92 du deuxième positionneur 91 est formé par le premier positionneur 1. Autrement dit, le premier positionneur 1 est déplaçable par rapport au deuxième bloc 93 du deuxième positionneur 91 selon l’axe Y.
Le deuxième bloc 93 du deuxième positionneur 91 présente une forme générale cylindrique et creuse qui délimite un espace intérieur de deuxième positionneur dans lequel le premier bloc 2 du premier positionneur 1 est intégralement reçu.
Trois actionneurs 94 sont disposés entre le deuxième bloc 93 du deuxième positionneur 91 et le deuxième bloc 3 du premier positionneur 1. Autrement dit, le deuxième bloc 3 du premier positionneur 1 agit comme un support 95 du deuxième positionneur 91.
Par ailleurs, le deuxième bloc 93 du deuxième positionneur 91 comporte une pièce de base 96 et une pièce d’appui 97. L’un des actionneurs 94 est disposé entre et au contact de la pièce d’appui 97 du deuxième positionneur 91 et le deuxième bloc 3 du premier positionneur 1. Le deuxième positionneur 91 comporte en outre un ressort transversal hélicoïdal, non représenté, qui est logé dans un logement 98 ménagé dans la pièce d’appui 97. Le ressort transversal hélicoïdal 98 comprime la pièce d’appui 97 du deuxième positionneur 91 contre le deuxième bloc du premier positionneur 1. De cette façon, une force normale d’axe X sensiblement constante est exercée entre le frotteur 43 et le patin 44 de l’actionneur 94.
Les autres actionneurs 94 du deuxième positionneur 91 ne sont pas visibles sur la vue en coupe illustrée.
Le troisième positionneur 101 comporte des premier et deuxième blocs 102, 103 mobiles l’un par rapport à l’autre selon un axe Z horizontal, perpendiculaire aux axes X et Y. Le premier bloc 102 du troisième positionneur 101 est formé par le deuxième positionneur 91. Autrement dit, le deuxième positionneur 91 est déplaçable par rapport au deuxième bloc 103 du troisième positionneur 101 selon l’axe Z.
Le deuxième bloc 103 du troisième positionneur 101 présente une forme générale cylindrique et creuse qui délimite un espace intérieur de troisième positionneur dans lequel le premier bloc 92 du deuxième positionneur 91 est intégralement reçu.
Trois actionneurs 104 sont disposés entre le deuxième bloc 103 du troisième positionneur 101 et le deuxième bloc 93 du deuxième positionneur 91. Autrement dit, le deuxième bloc 93 du deuxième positionneur 91 agit comme un support 105 du troisième positionneur 101.
Par ailleurs, le deuxième bloc 103 du troisième positionneur 101 comporte une pièce de base 106 et une pièce d’appui 107. L’un des actionneurs 104 est disposé entre et au contact de la pièce d’appui 107du troisième positionneur 101 et le deuxième bloc 93 du deuxième positionneur 91. Le troisième positionneur 101 comporte en outre un ressort transversal hélicoïdal, non représenté, qui est logé dans un logement 108 ménagé dans la pièce d’appui 107. Le ressort transversal hélicoïdal comprime la pièce d’appui 107 du troisième positionneur 101 contre le deuxième bloc 93 du deuxième positionneur 91. De cette façon, une force normale d’axe X sensiblement constante est exercée entre le frotteur 43 et le patin 44 de l’actionneur 104. L’un des trois actionneurs 104 du troisième positionneur n’est pas visible sur la vue en coupe illustrée.
Le dispositif de positionnement 90 est ainsi multiaxe et permet un déplacement d’un échantillon disposé sur la platine selon un ou plusieurs des axes X, Y et Z.
L’invention n’est bien évidemment pas limitée aux modes de réalisations illustrés sur les figures. En particulier, le nombre de pièces d’appui et/ou de transducteurs n’est pas limitatif. Par exemple, chaque positionneur peut comporter un nombre plus faible ou plus élevé de transducteurs. Par ailleurs, par souci de lecture, on a illustré les positionneurs avec un axe X parallèle ou perpendiculaire à la direction verticale. Bien évidemment, ces derniers peuvent être disposés avec un axe X selon d’autres directions de l’espace.

Claims

Revendications
1. Positionneur (1) comportant :
- deux blocs (2,3),
- un actionneur (4) comportant o un transducteur (41) monté sur un des blocs et comportant un corps piézoélectrique (42) recouvert d’un frotteur (43) au contact du corps piézoélectrique (42) et recouvrant le corps piézoélectrique (42), o un patin (44) monté sur l’autre bloc et mobile par glissement collant sur le frotteur (43) lorsqu’un signal électrique est appliqué au corps piézoélectrique (42), afin de déplacer les blocs l’un par rapport à l’autre selon un axe X, et
- un organe de chauffage (6) de l’actionneur (4).
2. Positionneur selon la revendication 1, l’organe de chauffage (6) étant distant de moins de 5 mm, de préférence de moins de 1 mm, de l’actionneur (4).
3. Positionneur selon la revendication 2, l’organe de chauffage (6) étant au contact de l’actionneur (4), de préférence du corps piézoélectrique (42).
4. Positionneur selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’organe de chauffage (6) étant fixé, de préférence collé sur l’actionneur (4) et/ou l’un des blocs (2,3) ou se présentant sous la forme d’une couche revêtant l’actionneur (4) et/ou l’un des blocs (2,3).
5. Positionneur selon l’une quelconque des revendications précédentes, le patin (44) étant pris en sandwich entre l’organe de chauffage (6) et le transducteur (41).
6. Positionneur selon l’une quelconque des revendications 1 et 4, le transducteur (41) étant pris en sandwich entre l’organe de chauffage (6) et le patin (44).
7. Positionneur selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’organe de chauffage (6) étant résistif ou thermoélectrique.
8. Positionneur selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’actionneur (4) étant configuré pour déplacer par translation les blocs (2,3) l’un par rapport à l’autre selon un axe X.
9. Positionneur selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’actionneur (4) étant comprimé par les blocs (2,3).
10. Positionneur selon l’une quelconque des revendications précédentes, un des blocs comportant un support cylindrique (13), les actionneurs (4) étant répartis autour du support (13).
11. Positionneur selon la revendication précédente, les actionneurs (4) étant chacun disposés entre le support (13) et l’autre bloc, de préférence le patin (44) de chaque actionneur (4) étant disposé entre le support (13) et le frotteur (43) dudit actionneur (4).
12. Positionneur selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’organe de chauffage (6) de chaque actionneur (4) pouvant être disposé entre le support (13) et le patin (44) de l’ actionneur (4) qu’il est destiné à chauffer.
13. Positionneur selon l’une quelconque des revendications précédentes, le frotteur (43) et/ou le patin (44) étant en un matériau choisi parmi le saphir, l’alumine, le bronze, le graphite, le carbone adamantin et leurs mélanges.
14. Positionneur selon la revendication précédente, le frotteur (43) étant en saphir et/ou le patin (44) étant en alumine.
15. Positionneur selon l’une quelconque des revendications précédentes, au moins un des blocs comportant une pièce de base (5), une pièce d’appui (7) et un ressort transversal (10) à l’axe X, hélicoïdal ou annulaire, déformé de telle sorte que F actionneur (4) soit comprimé entre les blocs (2,3).
16. Positionneur selon la revendication 14, le ressort (10) reliant élastiquement la pièce d’appui (7) à la pièce de base (5).
17. Positionneur selon l’une quelconque des revendications 15 et 16, le ressort transversal (10) étant hélicoïdal.
18. Positionneur selon l’une quelconque des revendications 15 à 17, le ressort (10) exerçant une force de rappel sur la pièce d’appui (7) et la pièce de base (5), qui est orientée perpendiculairement à l’axe X.
19. Positionneur selon l’une quelconque des revendications 15 à 18, la pièce d’appui (7) étant fixée rigidement sur la pièce de base (5) et comportant une portion souple (80) prolongée par une portion rigide (79) sur laquelle le ou les ressorts transversaux (10) sont fixés.
20. Positionneur selon la revendication précédente, la portion souple (80) étant déformable élastiquement lors du glissement collant du patin (44) sur le frotteur (43) et rappelant élastiquement la portion rigide (79), notamment contre la pièce de base (5).
21. Positionneur selon l’une quelconque des revendications 1 à 15, le ressort transversal (10) ceinturant la pièce de base (5) et la pièce d’appui (7), et de préférence étant au contact de la pièce de base (5) et de la pièce d’appui (7), et de préférence étant annulaire.
22. Positionneur selon la revendication précédente, le bloc qui comporte la pièce d’appui (7) et la pièce de base (5), comportant une portion tubulaire et creuse.
23. Positionneur selon la revendication précédente, la paroi (83) de la portion tubulaire et creuse comportant la pièce d’appui (7), le support (13) et le ou les actionneurs (4) étant logés dans un espace intérieur délimité de la portion tubulaire.
24. Dispositif de positionnement (90), de préférence multiaxe, comportant des premier et deuxième positionneurs (1,91) selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’un des blocs du deuxième positionneur (91) comportant voire consistant en, le premier positionneur (1).
25. Dispositif selon la revendication précédente, comportant un troisième positionneur (101) selon l’une quelconque des revendications 1 à 23, l’un des blocs du troisième positionneur (101) comportant, voire consistant en, le deuxième positionneur (91).
26. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 24 et 25, les blocs du troisième positionneur (101) étant mobiles l’un par rapport à l’autre par glissement collant le long d’un troisième axe non-parallèle (Z), de préférence perpendiculaire, à chacun des premier et deuxième axes (X,Y).
27. Procédé de chauffage de l’actionneur d’un positionneur selon l’une quelconque des revendications 1 à 23 ou d’un dispositif de positionnement (90) selon l’une quelconque des revendications 24 à 26, dans lequel préalablement au chauffage, la température de l’actionneur (4) est inférieure à 10 K, voire inférieure à 5 K.
28. Procédé selon la revendication précédente, le chauffage induisant une augmentation de la température de l’actionneur (4) inférieure à 50 K.
29. Procédé selon l’une quelconque des revendications 27 et 28, le positionneur (1) étant disposé dans un microscope à champ proche, en particulier le procédé comportant postérieurement au chauffage, le déplacement d’un échantillon porté par l’un des deux blocs (2,3), en alimentant électriquement l’actionneur (4).
30. Système comportant :
- un microscope, notamment un microscope à champ proche, comportant une enceinte,
- un positionneur (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 23 ou un dispositif de positionnement (90 ) selon l’une quelconque des revendications 24 à 26 disposée dans l’enceinte,
- optionnellement, un module de refroidissement pour refroidir l’enceinte à une température inférieure à 30 K, notamment d’environ 4 K.
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