FR2665033A1 - Dispositif de reglage pour micro-mouvements. - Google Patents

Abstract

Un dispositif de réglage pour micro-mouvements comprend un élément porteur, au moins un élément d'entraînement avec un convertisseur piézoélectrigue à effet de cisaillement, ainsi qu'un élément de contact appliqué contre l'élément d'entraînement. Seulement l'élément d'entraînement (6a, 6b) et l'élément de contact (5) sont réalisés pour le support mobile réciproque et l'exécution d'un micro-mouvement guidé et un dispositif presseur (8) est prévu pour presser l'élément de contact (5) et l'élément d'entraînement (6a, 6b) l'un contre l'autre, perpendiculairement à la direction de mouvement, avec une force préfixée. Applicable en particulier à la technique microscopique pour produire des mouvements dont l'amplitude est inférieure au nanomètre.

Description

Dispositif de réglage pour micro-mouvements L'invention concerne un

dispositif de réglage pour micro-mouvements, comprenant un élément porteur, au moins un élément d'entraînement fixé à l'élément porteur et présentant un convertisseur piézoélectrique utilisant 5 l'effet de cisaillement, ainsi qu'un élément de contact

appliqué contre l'élément d'entraînement.

Un dispositif de réglage pour déplacements linéaires ou angulaires de plaques de support par rapport à des plaques de base, est connu, par exemple par le brevet DE 20 29 715 De tels dispositifs de réglage possèdent des broches filetées, des micromètres et des vis pour l'exécution de mouvements linéaires et de rotation Pour le guidage des plaques de support sur les plaques de base, les premières sont pourvues de

rainures, dans lesquelles circulent des billes par exemple.

Cependant, ce dispositif de réglage connu n'est pas applicable à des phases de mouvements méca-

niques de haute précision dans la technique microsco-20 pique parce que l'ajustement précis désiré pour ces applications est irréalisable avec les dispositifs de

déplacement mécaniques mentionnés. Par le brevet DE 76 13 73, on connaît un dispositif de réglage mécanique pour microscopes élec-

troniques, mais avec lequel un ajustement précis dans le domaine audessous du manomètre n'est pas possible Le déplacement de la table, laquelle doit reposer sur une surface de glissement, s'effectue au moyen de vis de réglage qui déplacent la table à l'encontre de corps de30 pression Le trajet de réglage est limité par la course élastique des corps de contre-pression et l'augmentation de la force antagoniste, à mesure que la compression des ressorts augmente, se traduit par une caractéristique de réglage non linéaire Il n'est pas non plus possible35 d'obtenir un mouvement reproductible parce qu'un montage sans jeu dans le sens latéral est très difficile à réaliser. Surtout dans la microscopie électronique à balayage en tunnel, par laquelle on peut examiner des structures de surface avec une résolution dans le domaine au-dessous du nanomètre, il faut des dispositifs de réglage permettant, par voie de conséquence, une translation ou un mouvement de rotation dont l'ordre de

grandeur est inférieur au manomètre.

Pour pouvoir répondre à ces besoins, on a mis au point des micromanipulateurs, comme ceux connus par le brevet DE 36 10 540 Un tel micro-manipulateur est capable d'animer des objets de micro-mouvements suivant les directions X, Y et Z et comporte trois éléments piézoélectriques de déplacement, ayant la forme de cylindres creux et sur lesquels repose l'objet Ces petits tubes piézoélectriques possèdent un revêtement électriquement conducteur de configuration fermée sur une paroi cylindrique et plusieurs revêtements partiels qui sont également électriquement conducteurs mais sont

isolés entre eux sur l'autre paroi cylindrique L'ap-

plication de tensions entre les revêtements conducteurs

permet de faire fléchir les petits tubes piézoélec-

triques dans les directions désirées Des flexions et

des redressements rapides des petits tubes piézoélec-

triques, provoquent le déplacement pas à pas de l'objet placé sur eux Ce micro-manipulateur a cependant toute une série d'inconvénients Le mouvement de l'objet n'est pas reproductible et, surtout, l'objet n'est pas à guidage unidimensionnel Cela signifie que lorsque l'objet est déplace en arrière, il ne revient pas au

point de départ alors que c'est précisément une condi-

tion devant être satisfaite absolument dans la micros-

copie à haute résolution, dans laquelle plusieurs positionnements reproductibles doivent pouvoir être

réalisés pour les mêmes points de surface.

Un autre inconvénient est que le micro-mani- pulateur est seulement capable d'animer l'objet d'un mouvement horizontal Un mouvement de l'objet dans un plan vertical n'est pas prévu ni possible parce que 5 l'objet ne serait pas maintenu en place de façon sûre

sur les petits tubes piézoélectriques en pareil cas.

Bien que la possibilité de presser l'objet contre les

tubes par un ressort soit mentionnée, on obtient seule-

ment, par ce moyen, une augmentation de la stabilité de l'ensemble du système Il ne permet pas une application dans un autre plan que le plan horizontal A cette possibilité s'oppose également la faible capacité de charge et surtout la faible stabilité latérale des petits tubes piézoélectriques, lesquels ont tendance à15 se casser en particulier lorsqu'ils sont fléchis sous l'effet de la tension appliquée et qu'ils sont chargés

en même temps.

Dans K Besocke 'Ein neues Konzept fur die Raster-Tunnel-Mikroskopie" dans une édition spéciale du

rapport annuel 1987/8 de la Kernforschungsanlage J Ulich Gmb H, pages 23 à 31, est décrit un dispositif de micro-

réglage qui utilise, outre les petits tubes piézoélec- triques comme ceux que l'on connaît par le document EP-00 27 517, un porte- échantillon comportant une bague25 de déplacement Les surfaces d'appui des petits tubes piézoélectriques sont des plans inclinés hélicoïdaux et

l'agencement est tel que l'excitation des tubes provoque la rotation de la bague et en même temps son mouvement parallèlement aux tubes piézoélectriques Ce système ne30 permet pas non plus des mouvements reproductibles.

Par le document EP 00 27 517, on connaît un dispositif de réglage comportant une pièce piézoélec-

trique en forme de H qui se déplace à la façon d'un ver dans une pièce de guidage semblable à une auge La35 structure et la commande au moyen de courants moteurs quadriphasés sont dispendieuses et onéreuses, avec é.galement l'inconvénient que la pièce piézoélectrique

mobile ne peut être chargée que très peu dans la direc-

tion de mouvement La pièce piézoélectrique de ce système ne peut porter qu'un peu plus que son propre poids lors d'un déplacement vertical, sinon elle glisse de façon incontrôlée dans le dispositif de guidage. De plus, la pièce de guidage et la pièce piézoélectrique sont à réaliser avec une précision

dimensionnelle absolue, de l'ordre du micromètre ouio mieux La fabrication devient ainsi très coûteuse.

Par le prospectus "Micro Positioning Systems" de la firme BURLEIGH INSTRUMENTS, on connaît un système de micro-déplacement appelé "Inchworm" Un cylindre constituant l'élément mobile est placé selon une dispo-15 sition concentrique à l'intérieur de trois éléments piézoélectriques tubulures dont deux éléments assurent le serrage de l'élément mobile par suite de variations de diamètre et dont le troisième déplace le cylindre sous l'effet de variations de longueur Un sérieux20 inconvénient de cette construction est l'absence de moyens pour empêcher la rotation du cylindre et la

précision nécessaire dans la fabrication puisqu'il faut dans ce cas également un ajustement permettant un mouvement facile, avec un jeu inférieur au micromètre,25 ce qui implique des coûts élevés pour la fabrication.

Par Kiyohito Uozumi I'Novel three dimensional positioner and scanner for the STM using shear defor-

mation of piezo ceramic plates" dans Japanese Journal of Applied Physics, tome 27, N O 1, Janvier 1988, pages L30 123 à L 126, on connaît un positionneur XY ("XY-Wal- ker") Plusieurs convertisseurs piézoélectriques sont

fixés sur le côté inférieur de l'objet à déplacer, dont au moins deux convertisseurs permettent le soulèvement de l'objet et au moins deux autres convertisseurs35 effectuent un mouvement de cisaillement pour le dépla-

cement latéral de l'objet Les convertisseurs piézoélectriques doivent être excités de manière que le mouvement de cisaillement des convertisseurs concernés s'effectue toujours lorsque l'objet est soulevé Le mouvement de cisaillement doit être conservé jusqu'à ce que l'objet soit abaissé de nouveau, donc repose sur les

convertisseurs animés d'un mouvement de cisaillement.

Ces convertisseurs sont ensuite animés de mouvements de cisaillement dans la direction contraire et tout l'objet est de nouveau soulevé Ce dispositif de réglage ne

permet pas davantage d'obtenir des mouvements reproduc-

tibles, guidés, et est également utilisable seulement

pour des mouvements horizontaux.

La présente invention vise par conséquent à créer un dispositif de réglage, de structure simple,

comportant peu de pièces, qui garantisse des micro-mou-

vements reproductibles de haute précision, quelle que soit sa position, et qui permette en particulier aussi

des mouvements en direction verticale sous charge.

On obtient ce résultat avec un dispositif de

réglage qui est caractérisé en ce que seulement l'élé-

ment d'entraînement et l'élément de contact sont réa-

lisés, quant à la forme et à la disposition, pour le support mobile réciproque et pour l'exécution d'un micro-mouvement guidé et qu'un dispositif presseur est prévu pour presser l'élément de contact et l'élément d'entraînement l'un contre l'autre, perpendiculairement

à la direction de mouvement, avec une force préfixée.

Un mode de réalisation particulier, destiné à des mouvements de rotation, est caractérisé en ce que l'élément de contact est un plateau tournant qui est monté dans un palier de rotation et s'applique contre au moins un élément d'entraînement disposé dans la région du bord du plateau tournant et qu'un dispositif presseur est prévu pour presser le plateau tournant et l'élément d'entraînement l'un contre l'autre, perpendiculairement

à la direction de mouvement, avec une force préfixée.

A l'origine de l'invention est la prise de conscience du fait que, s'agissant de dispositifs de réglage dans le domaine micrométrique, il n'est pas

obligatoire que l'élément d'entraînement et le disposi-

tif de guidage représentent deux dispositifs séparés pour qu'un mouvement guidé de l'ordre du micromètre puisse être exécuté On obtient une structure simple d'un dispositif de réglage pour micro-mouvements lorsque les éléments d'entraînement présentant un convertisseur piézoélectrique capable de produire des mouvements de cisaillement, assurent non seulement le mouvement de l'élément de contact, mais aussi son guidage dans la

direction de mouvement.

Selon l'invention, seulement l'élément d'en-

traînement et l'élément de contact sont réalisés, quant à la forme et la disposition, pour le support mobile réciproque et pour l'exécution d'un micro-mouvement guidé Le dispositif peut être conçu pour que l'élément mobile effectuant les micro-mouvements soit l'élément de

contact ou alors l'élément porteur.

Le dispositif de réglage selon l'invention

peut être conçu aussi bien pour l'exécution de mouve-

ments linéaires que pour l'exécution de mouvements de rotation De préférence, l'élément de contact est

adapté, par sa conformation, à la forme et/ou la dispo-

sition de l'élément d'entraînement pour empêcher la rotation autour de la direction de mouvement, au cas o le dispositif est conçu comme un dispositif de réglage linéaire, ou pour empêcher la translation au cas o il

est réalisé comme un dispositif de réglage en rotation.

Pour un dispositif de réglage exécutant des mouvements linéaires, il est particulièrement avantageux que l'élément mobile soit un barreau ayant la forme d'une partie de cylindre, qui repose par sa surface

cylindrique sur au moins trois convertisseurs piézoélec-

triques ou sur un convertisseur piézoélectrique pourvu de trois surfaces d'appui Les trois points d'appui sont

de préférence disposés à la façon d'un trépied.

Pour garantir un mouvement guidé de l'élément mobile, il faut que l'élément de contact et la disposi-

tion ou la forme du ou des éléments d'entraînement

soient mutuellement adaptés, suivant le domaine d'ap-

plication L'effet de cisaillement offre à cet égard l'avantage unique que l'épaisseur du convertisseur piézoélectrique perpendiculairement à la direction de réglage reste constante pendant la déviation et que, pour une même tension appliquée, la déviation est

indépendante de l'épaisseur du convertisseur Les tolérances de fabrication ont ainsi très peu d'impor- tance et il devient surtout possible de prévoir toute15 conformation désirée avec une épaisseur variable.

La suppression d'un dispositif de guidage particulier diminue également les pertes par frottement, de sorte que la force développée par les convertisseurs piézoélectriques est utilisable intégralement pour le mouvement de l'élément mobile De ce fait, cet élément peut également être déplacé en direction verticale alors

qu'il porte une charge.

A la place d'un barreau en forme de partie de cylindre, on peut employer aussi un barreau de section droite polygonale, auquel cas le barreau s'applique par deux de ses faces latérales en au moins trois points

d'appui contre le ou les éléments d'entraînement.

Suivant l'application, on peut utiliser également quatre

ou davantage d'éléments d'entraînement.

Un autre mode de réalisation prévoit que

l'élément de contact est constitué d'une plaque pré-

sentant une rainure de guidage, formée de préférence par

deux barreaux cylindriques parallèles.

Cet élément de contact repose aussi sur au moins trois éléments d'entraînement ou sur un élément d'entraînement présentant trois points d'appui, a

l'élément de contact reposant notamment sur deux élé-

ments d'entraînement dans la rainure de guidage formée par les deux barreaux cylindriques et, par la plaque, sur le troisième élément d'entraînement Les deux éléments d'entraînement attaquant les barreaux cylin- driques, assurent un guidage linéaire exact, tandis que le troisième élément d'entraînement assure en même temps

une fonction d'appui et un blocage contre la rotation.

Afin de pouvoir effectuer des mouvements de rotation, l'élément de contact est conçu, selon un mode de réalisation préféré, comme une pièce à symétrie de révolution présentant une surface latérale Il peut s'agir par exemple d'un cylindre ou d'un cône, l'élément

d'entraînement donc aussi le convertisseur piézoélec-

trique, étant adaptés à la forme de la surface latérale.

Pour provoquer un mouvement de rotation de l'élément de contact, l'élément d'entraînement est polarisé dans le sens circonférentiel, si bien que, à l'application d'une tension au convertisseur, celui-ci effectue un mouvement n 2 de cisaillement dans la direction circonférentielle, en

entraînant l'élément de contact.

L'élément porteur, lequel supporte le ou les éléments d'entraînement, peut assurer en même temps la

fonction du dispositif presseur, dans ce mode de réali-

sation, lorsqu'il entoure au moins en partie l'élément

d'entraînement et est soumis à une précontrainte méca-

nique, de manière que l'élément d'entraînement soit

pressé contre la pièce à symétrie de révolution.

L'élément de contact est conçu comme un

plateau tournant selon un autre mode de réalisation.

Ce plateau peut avoir la forme d'un cône tronqué qui repose par sa surface conique sur au moins

trois convertisseurs piézoélectriques présentant essen-

tiellement des distances égales entre eux Selon un autre mode de réalisation, l'élément de contact, sous forme d'un plateau tournant, présente un palier de rotation sans jeu et repose sur au moins un et de préférence sur deux éléments d'entraînement Le palier de rotation est de préférence une bille placée dans un évidement conique du plateau tournant Les distances entre le point d'appui formé par le palier et les

convertisseurs piézoélectriques, ainsi que les distan-

cess entre les convertisseurs, sont de préférence essentiellement égales Dans cette exécution, le montage mobile et le guidage ne sont pas assurés exclusivement

par l'élément de contact et l'élément d'entraînement.

Un mouvement de rotation peut aussi être combiné avec un mouvement linéaire L'évidement conique du plateau tournant est remplacé dans ce cas par une

rainure dans laquelle est appliqué un élément d'entraî-

nement supplémentaire qui produit le mouvement linéaire

du plateau.

Les éléments d'entraînement sur lesquels le plateau tournant repose par sa face, possèdent des corps piézoélectriques dont les mouvements de cisaillement20 s'effectuent suivant différentes directions Une partie du corps piézoélectrique agit en direction radiale et

l'autre partie agit en direction tangentielle.

Un autre composant essentiel du dispositif de réglage selon l'invention est le dispositif presseur, lequel permet de fixer l'élément mobile et autorise de ce fait l'emploi du dispositif de réglage dans n'importe quelle position désirée Ce dispositif presse l'élément de contact contre les éléments d'entraînement avec force qui est de préférence réglable ou prédéfinie par la

construction.

Le dispositif presseur est agencé de manière que la force exercée par lui agisse perpendiculairement à la direction de mouvement de l'élément mobile Cette

réalisation offre l'avantage que le trajet de déplace-

ment maximal de l'élément mobile n'est pas limité par le dispositif presseur, comme cela est le cas selon l'état de la technique Au lieu de cela, tout le trajet de réglage est limité tout au plus par la longueur de l'élément mobile, avec conservation de la précision et

de la reproductibilité maximales.

Afin que le dispositif presseur ne freine pas

le mouvement de l'élément de contact,un mode de réali-

sation prévoit que ce dispositif comporte également au

moins un convertisseur piézoélectrique capable d'effec-

tuer des mouvements de cisaillement Ce convertisseur, là appartenant au dispositif presseur, exerce une pression sur l'élément de contact sous l'effet de la force d'un ressort et effectue le mouvement de cisaillement adéquat comme les autres convertisseurs piézoélectriques Du fait que, dans ce cas, l'élément de contact repose exclusivement sur des éléments d'entraînement, les

pertes par frottement sont réduites à un minimum.

L'agencement du convertisseur chargé par ressort est tel qu'il presse l'élément de contact contre les éléments d'entraînement et l'immobilise ainsi par serrage Il est ainsi garanti que l'élément mobile est fixé de façon

sûre à toute position et que, grâce à l'effet de ser-

rage, l'élément mobile peut également être chargé en sens contraire à la direction de mouvement, sans qu'il puisse glisser de façon incontrôlée lors du processus de

déplacement ou à l'état de repos.

Au cas o un barreau en forme de partie de cylindre ou un barreau de section polygonale est utilisé en tant qu'élément mobile, le convertisseur chargé par ressort attaque de préférence la face plane ou l'une des faces du barreau, en pressant ainsi le barreau contre les convertisseurs piézoélectriques sur lesquels repose le barreau par sa surface semi-cylindrique ou ses faces

latérales s'il possède une section polygonale.

Il s'est révélé avantageux, en cas d'utilisa-

tion d'éléments de contact en forme de barreaux, que le dispositif presseur comporte, en plus du convertisseur il piézoélectrique chargé par ressort, un convertisseur

piézoélectrique fixe placé à distance du convertisseur chargé par ressort, de préférence de manière que ce dernier et le convertisseur supplémentaire soient 5 juxtaposés et orientés perpendiculairement à la direc-

tion de mouvement du barreau, ce qui empêche de manière efficace la rotation du barreau autour de son axe longitudinal. Conformément à un autre mode de réalisation, le dispositif presseur est formé d'un ou plusieurs aimants placés à distance de l'élément de contact Cet aimant ou ces aimants sont placés de préférence sur le composant fixe, entre les éléments d'entraînement, et pressent l'élément de contact contre les eléments d'entraînement sous l'effet des forces d'attraction magnétique Ce dispositif de pressage a l'avantage qu'il n'y a pas de pertes par frottement supplémentaires, d'aucune sorte, et que le côté du barreau éloigné des éléments d'entraînement est librement accessible sur

toute la longueur.

En raison de l'emploi de convertisseurs piézoélectriques capables d'effectuer des mouvements de cisaillement, on peut utiliser des éléments piézoélec- triques de forme parallélépipédique, pouvant être25 chargés beaucoup plus que, par exemple, les petits tubes

piézoélectriques connus par l'état actuel de la tech-

nique. Un avantage essentiel est la hauteur réduite des éléments piézoélectriques à cisaillement, laquelle est inférieure à 1 mm, alors que les petits tubes selon Besocke ont typiquement une longueur de 10 mm On

obtient ainsi une bien meilleure stabilité en direction latérale, aussi bien en ce qui concerne l'action des forces qu'en ce qui concerne la sensibilité aux vibra-35 tions.

La déviation des convertisseurs piézoélec- triques dépend d'une constante du matériau constitutif et de l'impulsion de tension appliquée Afin de per- mettre des pas de mouvement importants, il peut être 5 avantageux, pour des applications particulières, de superposer plusieurs convertisseurs piézoélectriques

puisque les déviations des différents corps piézoélec-

triques s'additionnent dans ce cas Les corps sont séparés chaque fois par un revêtement électriquement

conducteur, lequel est nécessaire pour appliquer l'im- pulsion de tension aux corps piézoélectriques.

Comme la grandeur des pas dépend aussi de l'impulsion de tension appliquée, les convertisseurs piézoélectriques sont branchés sur une unité de commande IL 5 conçue pour pouvoir délivrer différentes impulsions de tension Outre l'amplitude de l'impulsion, son allure dans le temps est également importante Si la tension est augmentée lentement (flanc d'impulsion à pente faible) jusqu'à la valeur maximale, le convertisseur piézoélectrique réagit par un mouvement de cisaillement d'une lenteur correspondante L'élément de contact est

entraîné pendant ce mouvement de cisaillement du con- vertisseur Si, après que la valeur de tension maximale a été atteinte, la tension est rapidement réduite (flanc25 d'impulsion à pente raide), le convertisseur piézoélec-

trique revient à une vitesse correspondante à sa posi-

tion de départ, tandis que l'élément de contact conserve

sa position en raison de son inertie massique.

L'autre possibilité consiste à produire d'abord un flanc raide pour l'impulsion de tension, avec la conséquence que le convertisseur, en raison de son

mouvement de cisaillement rapide et de l'inertie mas-

sique de l'élément de contact, glisse le long de ce dernier Lorsqu'on produit ensuite un flanc d'impulsion lent ou de pente faible, le convertisseur revient à une vitesse faible correspondante à sa position de départ,

en entraînant avec lui l'élément de contact.

Ces pas de mouvement peuvent être exécutés l'un après l'autre dans une succession rapide, de sorte que même des translations ou des mouvements de rotation de l'ordre de grandeur de plusieurs millimètres peuvent être produits en quelques secondes seulement A cet égard, on a constaté avec étonnement que pour une même tension maximale, on obtient un mouvement plus rapide en appliquant des impulsions de tension commençant par un flanc de pente faible et comportant ensuite seulement le

flanc rapide.

En fonction de la qualité de la surface de contact, la plus petite grandeur de pas fiable est d'environ 20 nm d'après l'expérience Un positionnement plus précis encore peut être obtenu en utilisant l'effet d'entraînement avec un taux de montée de l'allure de

tension qui n'est pas trop rapide.

On peut ainsi produire, au-delà du position-

nement pas à pas, un positionnement continu dont la précision relative d'environ 1 nm peut être obtenue typiquement sur une plage totale de quelques centaines de nm jusqu'à 1 gm L'appareil de commande est à cet

effet doté de la possibilité supplémentaire de l'exci-

tation continue.

Pour des trajets ou des angles de déplacement relativement grands, la précision de positionnement absolue du dispositif de réglage peut être accrue considérablement en intégrant une mesure de déplacement ou de position Par l'application en retour du signal de déplacement ou de position, une position prédéterminée peut ainsi être atteinte exactement Cette rétroaction est utilisable aussi bien pour le positionnement pas à pas que pour le positionnement continu.35 Bien que l'élément de contact puisse reposer directement sur les convertisseurs piézoélectriques, il est avantageux, compte tenu des pertes par frottement, de prévoir au moins un appui ponctuel Un tel appui est constitué d'une bille fixée sur un logement de bille, lui-même placé sur le côté du convertisseur dirigé vers l'élément de contact La bille est en alumine, tandis que l'élément de contact est de préférence en acier

trempé D'autres combinaisons de matériaux sont utili- sables aussi, à condition que l'appui et l'élément de contact n'aient pas tendance à se gripper sous les10 efforts appliqués.

Plusieurs dispositifs de réglage selon l'in- vention peuvent être combinés entre eux de la manière désirée, ce qui permet de réaliser des systèmes de réglage suivant les axes X, Y et Z ou des systèmes de15 réglage dans lesquels un mouvement de rotation est

combiné avec un mouvement linéaire ou plusieurs mouve-

ments de rotation sont combinés entre eux.

Lorsqu'on choisit une exécution du dispositif

de réglage dans laquelle l'élément porteur sert d'élé-

ment stationnaire, l'élément mobile peut être sans fin.

Il en résulte en particulier la possibilité d'une alimentation continue d'un matériau Par exemple, un fil à braser ou à souder peut être avancé de façon continue avec une haute précision de positionnement L'élément mobile peut également former un outil ou une pièce à travailler. Des modes de réalisation de l'invention seront ci-après décrits plus en détail à titre d'exemples et en

référence aux dessins Les différentes figures repré-

sentent respectivement:

Fig 1 la vue de côté d'un dispositif de réglage li-

néaire

Fig 2 la vue de face du dispositif de réglage re-

présenté sur la figure 1 Fig 3 une vue de dessus de l'élément de contact

Fig 4 une vue de dessus de l'élément de contant se-

lon un autre mode de réalisation Fig 5 et 5 a les vues de face de trois dispositifs

de réglage selon différents modes de réalisa-

tion

Fig 6 la vue en perspective d'un autre mode de réa-

lisation

Fig 7 la vue en perspective d'un autre mode de réa-

lisation

Fig 8 la vue en perspective d'un élément d'entraî-

nement

Fig 9 a la vue de côté d'un convertisseur piézoélec-

trique composé

Fig 9 b la vue en perspective d'un convertisseur bi-

dimensionnel Fig 10 la représentation graphique de l'allure dans

le temps de la tension appliquée aux conver-

tisseurs piézoélectriques

Fig Il une coupe d'un dispositif de réglage en rota-

tion Fig 12 une coupe d'un dispositif de réglage en rota-

tion selon un autre mode de réalisation

Fig 13 la vue du dessous du plateau tournant repré-

senté sur la figure 11 ou 12 Fig 14 la vue de côté d'un dispositif de réglage en rotation selon un autre mode de réalisation Fig 15, 15 a la vue de dessus et une vue de côté d'un dispositif de réglage en rotation selon un autre mode de réalisation Fig 15 b,15 c,55 d des vues de côté et une vue de dessus d'un dispositif de réglage combiné, pour mouvements linéaires et de rotation Fig 16 a,16 b des représentations en perspective d'un autre mode de réalisation d'un dispositif de réglage et d'un convertisseur piézoélectrique correspondant et

Fig 17 la représentation schématique d'une combinai-

son de trois dispositifs de réglage.

La figure 1 représente un dispositif de réglage 1 pour déplacements linéaires Sur un élément porteur 2, qui est stationnaire et comporte une plaque de base 3 et un bras de support 4, sont fixés, ainsi que le montre la figure 3, quatre éléments d'entraînement en tout, désignés respectivement par 6 a, 6 b, 6 c et 6 d Ces éléments possèdent chacun un appui 27 (voir la figure 9)

constitué d'une bille 7 et d'un logement de bille 12.

Sur les billes 7, repose l'émément de contact mobile 5, lequel peut être déplacé dans le sens de la flèche au moyen des convertisseurs piézoéelctriques 33 capables

d'effectuer des mouvements de cisaillement.

Pour immobiliser l'élément de contact 5, on a prévu un dispositif presseur 8 fixé au bras de support

4 Sur le dessous d'une plaque de maintien mobile 11, on a fixé un convertisseur piézoélectrique 9 b qui appar-

tient au dispositif presseur et exerce d'en haut une pression sur l'élément de contact 5 par sa bille d'appui 7 La force de pression appliquée par le convertisseur 9 b sur l'élément mobile 5 est fournie par un ressort 10 s'appuyant sur le dessous du bras de support 4 A ce bras est fixé un convertisseur piézoélectrique 9 a supplémentaire, exerçant également une pression d'en

haut sur l'élément mobile 5.

Comme on peut le voir sur la figure 2, l'élé- ment de contact 5 est formé d'un barreau semi-cylin-

drique qui repose par sa surface cylindrique 23 sur les billes 7 des éléments d'entraînement 6 a à 6 d Les deux

convertisseurs piézoélectriques 9 a et 9 b du dispositif presseur 8 exercent une pression d'en haut sur la face plane 26 de l'élément mobile 5 Les convertisseurs 9 a et35 9 b sont placés l'un à côté de l'autre dans cette repré-

sentation Ceci empêche la rotation du barreau 5 autour

de l'axe longitudinal 29 lors de l'exécution du mouve-

ment linéaire La force du ressort, transmise par le convertisseur 9 b, a pour effet que l'élément de contact mobile 5 tourne légèrement autour de l'axe longitudinal 29 et vient buter par sa face plane 26 contre le conver- tisseur 9 a Lorsque la force du ressort 10 est ajustée de manière adéquate, on obtient une position stable de l'élément de contact mobile 5 et en même temps un effet de serrage empêchant le glissement de cet élément, par

exemple lors de l'application du dispositif comme un dispositif de réglage vertical.

On peut voir sur la figure 3 que quatre éléments d'entraînement en tout, 6 a, 6 b, Gc et 6 d, sont disposés sous l'élément de contact mobile 5 Selon la figure 4, trois éléments d'entraînement 6 a à 6 c sont prévus, lesquels sont disposés à la façon d'un trépied sous l'élément mobile 5. La figure 5 représente un élément de contact mobile 5 de section droite triangulaire Le barreau 5 repose par ses faces latérales 25 a et 25 b sur les

éléments d'entraînement 6 a à 6 d déjà décrits le dispo-

sitif presseur 8 exerce d'en haut une pression sur la

face plane 26 On a prévu ici également deux convertis-

seurs piézoélectriques 9 a et 9 b qui immobilisent l'élé-

ment de contact 5 par serrage sur les éléments d'en-

traînement 6 a à 6 d.

La figure 6 montre un élément de contact 5 possédant une section hexagonale Le barreau est appli-

qué par deux de ses faces latérales 25 a, 25 b contre30 seulement un élément d'entraînement 6 de forme adéquate, lequel présente un convertisseur piézoélectrique capable d'effectuer des mouvements de cisaillement dans le sens

de la longueur du barreau.

Par suite de la conformation de l'élément d'entraînement 6 et du convertisseur 9, en liaison avec la section hexagonale du barreau 5, on obtient un guidage dans la direction de mouvement et, en même temps, un blocage en rotation du barreau 5 Depuis l'autre côté, le dispositif presseur 8 exerce une

pression sur deux autres faces latérales 25 c et 25 d.

Cette représentation comporte seulement un convertisseur piézoélectrique 9 de forme adéquate, pressant l'élément de contact mobile 5 avec serrage contre l'élément

d'entraînement 6.

Les figures 5 a et 7 montrent d'autres modes de réalisation de l'élément de contact 5 Celui-ci comporte dans ce cas deux barreaux cylindriques 16 a et 16 b attachés l'un à l'autre Une plaque 15 est fixée en

outre au barreau 16 b.

La figure 5 a montre que les deux barreaux cylindriques 16 a et 16 b forment une rainure de guidage dans laquelle la bille 7 de l'élément d'entraînement 6 b est appliquée de façon centrée Un autre élément d'entraînement 6 c est placé sous la plaque 15, laquelle repose également sur une bille 7 Dans ce mode de réalisation, seul le convertisseur piézoélectrique 9 a exerce une pression d'en haut sous la force du ressort

sur la plaque 15 de l'élément de contact mobile 5.

La figure 7 représente une autre version du dispositif presseur 8 Au lieu d'agir d'en haut, ce dispositif comporte plusieurs aimants 17 a à 17 d placés sous l'élément de contact sur la plaque de base 3 et exerçant une attraction sur l'élément de contact 5 en matériau ferromagnétique pour le presser ainsi contre les trois éléments d'entraînement 6 a à 6 c, prévus

également sur la plaque de base 3.

La figure 8 montre un élément d'entraînement 6

qui est utilisé aussi, sous cette forme, dans le dispo-

sitif presseur Son convertisseur 33 comporte un corps 13 d'un matériau piézoélectrique capable d'effectuer des mouvements de cisaillement et possédant, sur ses côtés supérieur et inférieur, des revêtements électriquement

conducteurs 14 a et 14 b respectivement, qui sont rac-

* cordés à une unité de commande 18 Cette unité délivre au convertisseur piézoélectrique 33 une impulsion de tension sous l'effet de laquelle ce convertisseur passe de sa position de repos A à la position de cisaillement B Cette dernière position est représentée en tireté Le

logement 12 avec la bille 7 de préférence en alumine -

est fixé sur le revêtement électrique 14 a du haut Le mouvement de cisaillement (à la position B) provoque le

déplacement de la bille 7.

La déviation de la bille 7 depuis sa position de repos dépend notamment de la tension appliquée et de la constante du matériau piézoélectrique Afin d'obtenir de grands pas de mouvement, on peut, ainsi que le montre la figure 9 a, réaliser le convertisseur 33 d'un empile- ment de plusieurs corps piézoélectriques 13 a à 13 c qui sont séparés entre eux par un revêtement conducteur 14 b ou 14 c Les corps piézoélectriques du bas et du haut, désignés respectivement par 13 c et 13 a, portent chacun20 un revêtement électriquement conducteur supplémentaire, 14 a et 14 d Ces derniers revêtements sont également raccordés à l'unité de commande 18 Comme tous les corps piézoélectriques 13 a à 13 c exécutent le même mouvement de cisaillement à l'application de l'impulsion de

tension, les déviations individuelles s'additionnent.

Sur la f igur 9 b, on a représenté un conver-

tisseur 33 dont les corps piézoélectriques 13 a, 13 b effectuent des mouvements de cisaillement suivant des

directions différentes Ces directions sont de préf é-

rence orthogonales.

La figure 10 représente l'allure dans le temps de l'impulsion de tension appliquée au convertisseur piézoélectrique La courbe I présente au début une allure de tension montant lentement (flanc à pente35 faible}, suivie d'une brusque chute de tension (flanc d'impulsion à pente raide) La durée totale de l'impulsion t O te est de préférence de 0,2 à 1 ms La tension est d'environ 500 volts et la déviation de cisaillement du convertisseur piézoélectrique est

d'environ 200 nm Cette allure de tension a pour consé-

quence que le mouvement de cisaillement illustré sur la figure 8 s'effectue lentement de la position A à la position B, tandis que le mouvement de retour de la

position B à la position A est effectué rapidement.

Une deuxième possibilité est montrée par la courbe II, selon laquelle, à partir de l'instant t O, la tension est élevée à la valeur maximale en un temps < 10 lis, ce qui correspond à un mouvement de cisaillement rapide Cette montée rapide est suivie d'une lente

diminution de la tension, atteignant de nouveau, égale-

ment après le temps te, la valeur 0 On obtient de cette manière un mouvement de rappel lent du convertisseur piézoélectrique. On a représenté en plus la courbe III qui

correspond à la courbe I mais s'applique à une polari-

sation inverse du convertisseur.

La figure Il représente un dispositif de réglage en rotation 1 dont l'élément de contact mobile 5 est réalisé sous la forme d'un plateau tournant Ce plateau a la forme d'un cône tronqué et repose par sa surface conique 20 sur les éléments d'entraînement 6 a et 6 b, lesquels sont fixés dans un élément porteur 2

stationnaire en forme d'auge Les éléments d'entraîne-

ment Ba et 6 b sont disposés sur l'élément porteur stationnaire 2 de manière qu'ils effectuent le mouvement

de cisaillement sans le sens de la rotation Le dispo-

sitif presseur 8, constitué par les convertisseurs

piézoélectriques stationnaires 9 b, 9 c et par le conver-

tisseur piézoélectrique 9 a chargé par le ressort, exerce

une pression d'en haut sur le plateau tournant 5.

Un dispositif presseur magnétique est prévu selon la figure 12 au lieu du dispositif presseur 8 Les aimants 17 a à 17 d sont placés également sur la pièce stationnaire 2 en forme d'auge, sous le plateau 5 Les lignes de force 19 s'étendent perpendiculairement à la

face inférieure du plateau tournant 5.

Ainsi que cela est représenté sur la figure 13, trois éléments d'entraînement 6 a à 6 c en tout sont

disposés à égale distance sur la surface conique 20.

La figure 14 montre un autre mode de réalisa-

tion du plateau tournant 5 Celui-ci possède la forme d'un disque circulaire, dans la surface latérale 28 duquel est creusée une rainure 21 dans laquelle sont appliquées les billes 7 des élements d'entraînement 6 a, 6 b Ce mode de réalisation demande seulement deux éléments d'entraînement 6 a et 6 b (le dernier n'est pas représenté), tandis que le troisième convertisseur piézoélectrique 9 a est en même temps chargé par ressort

et forme le dispositif presseur 8.

Selon les figures 15 et 15 a, le plateau 5 est monté rotatif sur une bille 36 placée au centre du plateau Les éléments d'entraînement 6 a et 6 b sont disposés sur le dessous du plateau 5 dans ce mode de réalisation. Les figures 15 b, c et d montrent un dispositif de réglage pour mouvements linéaires et de rotation Le plateau tournant 5, ayant la forme d'un segment de cercle dans l'exécution illustrée ici, possède dans sa

face inférieure une rainure 34 dans laquelle est appli-

quée la bille 7 d'un autre élément d'entraînement 6 c La rainure 34 est de préférence en y, de sorte que le plateau 5 est également guidé latéralement La rainure 34 de l'exécution représentée ici est orientée à angle droit par rapport au côté plat 33 Le plateau tournant repose en plus sur les deux éléments d'entraînement 6 a, 6 b qui produisent le mouvement de rotation, comme cela est illustré par les figures 15 et 1 Sa Les figures 15 b et 15 c représentent le plateau en combinaison avec deux dispositifs presseurs différents, correspondant à ceux

décrits précédemment.

Selon la figure 16, une pièce 31 à symétrie de révolution, sous la forme dl'un barreau cylindrique 5, est engagée suivant l'axe dans un élément d'entraînement 6 affectant la forme d'un cylindre présentant une découpe La plaque de base 3 exerce une pression sur la périphérie extérieure de l'élément d'entraînement pour presser celui-ci contre la surface latérale 32 du barreau 5 Le convertisseur piézoélectrique 33, contenu dans l'élément d'entraînement 6, est polarisé dans le sens de la circonférence et les électrodes 14 a, 14 b sont formées respectivement par la surface interne et la

surface externe du cylindre.

La figure 17 montre un dispositif de réglage multiple qui se compose d'un ensemble de trois disposi-

tifs de réglage selon l'invention, désignés respective- ment par 1, 1 ' et 1 " Le dispositif de réglage 1, situé en bas, est un dispositif de réglage en rotation comme20 celui représenté sur la figure 12 et décrit en référence à cette figure Sur le plateau tournant 5, est fixé ici un dispositif de réglage linéaire 1 ', possédant un élément de contact mobile 5 ' de section triangulaire le plateau tournant 5 constitue en même temps l'élément stationnaire 2 du dispositif de réglage 1 ' Sur l'élé- ment mobile 5 à, on a monté un autre dispositif de réglage linéaire 1 ", possédant un élément mobile 51 '. Dans ce cas aussi, l'élément mobile 5 ' constitue en même temps l'élément stationnaire du dispositif de réglage30 1 " Les dispositifs presseurs des trois dispositifs de réglage 1, 1 ' et 1 " 1 sont formés par les aimants 17, 17 ' et 17 ", placés chaque fois sous les éléments mobiles 5, ' et 5 " 1.

Claims (20)

REVENDICATIONS

1 Dispositif de réglage pour micro-mouvements, comprenant un élément porteur, au moins un élément d'entraînement fixé à l'élément porteur et présentant un convertisseur piézoélectrique utilisant l'effet de cisaillement, ainsi qu'un élément de contact appliqué contre l'élément d'entraînement, caractérisé en ce que seulement l'élément d'entraînement ( 6) et l'élément de contact ( 5) sont réalisés, quant à la forme et à la disposition, pour le support mobile réciproque et pour l'exécution d'un micro-mouvement guidé et qu'un dispositif presseur ( 8) est prévu pour presser l'élément de contact ( 5) et l'élément d'entraînement ( 6) l'un contre l'autre, perpendiculairement à la direction

de mouvement, avec une force préfixée.

2 Dispositif de réglage pour micro-mouvements, comprenant un élément porteur, au moins un élément d'entraînement fixé à l'élément porteur et présentant un convertisseur piézoélectrique utilisant l'effet de cisaillement, ainsi qu'un élément de contact appliqué contre l'élément d'entraînement, caractérisé en ce que l'élément de contact ( 5) est un plateau tournant qui est monté dans un palier de rotation ( 20) et s'applique contre au moins un élément d'entraînement ( 6) disposé dans la région du bord du plateau tournant et qu'un dispositif presseur ( 8) est prévu pour presser le plateau tournant et l'élément d'entraînement ( 6) l'un contre l'autre, perpendiculairement à la direction de

mouvement, avec une force préfixée.

3 Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément porteur ( 2) est disposé

fixe et l'élément de contact ( 5) exécute les micro-mou-

vements en tant qu'élément mobile ( 5).

4 Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément de contact est disposé

fixe et que l'élément porteur ( 2) exécute les micro-

mouvements en tant qu'élément mobile.

Dispositif selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le dispositif presseur ( 8) est relié à l'élément disposé fixe ( 2 ou 5) ou à l'élément mobile ( 2 ou 5).

6 Dispositif selon une des revendications 1 ou 3

à 5, caractérisé en ce que l'élément de contact ( 5) est adapté par sa conformation à la forme et/ou la disposi-

tion de l'élément d'entraînement ( 6) pour empêcher la

rotation autour de la direction de mouvement.

7 Dispositif selon une des revendications 1 et 3

à 6, caractérisé en ce que l'élément de contact ( 5) est un barreau en forme de partie de cylindre ou de section droite polygonale, qui repose par sa surface cylindrique ( 23) ou par au moins deux de ses faces latérales ( 25 a,

b) sur au moins un élément d'entraînement ( 6).

8 Dispositif selon une des revedications 1 et 3 à 7, caractérisé en ce que l'élément de contact ( 5) est une plaque ( 15) mobile en translation et présentant une

rainure de guidage ( 30) dans laquelle s'applique l'élé-

ment d'entraînement ( 6).

9 Dispositif selon la revendication 8, caracté-

risé en ce que la rainure de guidage ( 30) est formée par deux barreaux cylindriques ( 16 a, 16 b) disposés l'un contre l'autre et fixés à la plaque ( 15) mobile en translation.

Dispositif selon une des revendications 1 et 3

à 9, caractérisé en ce que l'élément de contact ( 5) s'applique par au moins trois endroits mutuellement

espacés contre au moins un élément d'entraînement ( 6).

11 Dispositif selon une des revendications 1 et 3

à 5, caractérisé en ce que l'élément de contact ( 5) est une pièce ( 31) à symétrie de révolution, présentant une surface latérale ( 32), qui s'applique contre au moins un élément d'entraînement ( 6) adapté à la forme de la surface latérale ( 32), le convertisseur piézoélectrique ( 33) étant polarisé dans le sens circonférentiel de la

surface latérale ( 32).

12 Dispositif selon la revendication 11, carac-

térisé en ce que l'élément de contact ( 5) est un barreau cylindrique ( 31) et l'élément d'entraînement ( 6) est un cylindre creux présentant une découpe et entourant l'élément de contact ( 5). 13 Dispositif selon la revendication ( 12),

caractérisé en ce que l'élément porteur ( 2) enveloppe en partie au moins le cylindre creux ( 6) et est précon-

traint, de manière que le cylindre creux ( 6) soit pressé contre l'élément de contact ( 5). 14 Dispositif selon une des revendications 1 et 3

r à 5, caractérisé en ce que l'élément de contact ( 5) est un plateau tournant.

Dispositif selon la revendication 14, carac- térisé en ce que le plateau tournant ( 5) est réalisé

comme un cône tronqué qui repose par sa surface conique20 ( 20) sur au moins un élément d'entraînement ( 6).

16 Dispositif selon la revendication 14, carac-

térisé en ce que le plateau tournant ( 5) est un disque cylindrique dont la surface latérale ( 28) présente une rainure de guidage ( 21) dans laquelle s'applique au

moins un élément d'entraînement ( 6).

17 Dispositif selon une des revendications 1 à

16, caractérisé en ce que le dispositif presseur ( 8) comporte au moins un convertisseur piézoélectrique ( 9 a)

chargé par un ressort ( 10).

18 Dispositif selon la revendication 17, carac- térisé en ce que le dispositif presseurs comporte au

moins un convertisseur piézoélectrique ( 9 b) supplémen- taire qui est disposé fixe à distance du convertisseur piézoélectrique ( 9 a) chargé par ressort.35 19 Dispositif selon une des revendications 1 à

16, caractérisé en ce que le dispositif presseur ( 8) comporte au moins un aimant ( 17) fixé à un élément ( 2 ou ) et placé à distance de l'autre élément ( 5 ou 2).

Dispositif selon la revendication 19, carac-

térisé en ce que l'aimant ( 17) est placé sur l'élément i porteur ( 2) entre les éléments d'entraînement ( 6 a, 6 b, 6 c) et attire l'élément de contact ( 5) avec une force réglable.

21 Dispositif selon une des revendications 1 à

, caractérisé en ce que le convertisseur piézoélec-

trique ( 33, 9) est constitué d'au moins deux corps

piézoélectriques ( 13 a, 13 b, 13 c) séparés par un révête-

ment électriquement conducteur ( 14 b, 14 c).

22 Dispositif selon une des revendications 1 à

21, caractérisé en ce qu'au moins un appui ponctuel ( 27) est fixé sur le côté du convertisseur piézoélectrique

( 33) dirigé vers l'élément de contact ( 5).

23 Dispositif selon la revendication 22, carac-

térisé en ce que l'appui ponctuel ( 27) est formé d'une

bille ( 7) fixée sur un logement de bille ( 12).

24 Dispositif selon la revendication 23, carac-

térisé en ce que la bille est en A 1203 (alumine).

Dispositif selon une des revendications 1 à

24, caractérisé en ce que, pour déclencher les mouve-

ments de cisaillement des convertisseurs piézoélec-

triques ( 9, 33), une unité de commande ( 18) est rac-

cordée à ces convertisseurs, unité qui délivre simulta-

nément des impulsions de tension identiques à tous les

convertisseurs piézoélectriques ( 9, 33).

26 Dispositif selon la revendication 25, carac-

térisé en ce que l'unité de commande ( 18) délivre des impulsions de tension comportant un flanc initial montant ou descendant avec une pente faible, auquel se raccorde un flanc descendant ou montant avec une pente raide. 27 Dispositif selon la revendication 25 ou 26, caractérisé en ce que l'unité de commande ( 18) fournit une tension dont l'allure est réglable ou peut être préfixée en vue du positionnement continu de l'élément

mobile ( 2 ou 5) dans les limites de la déviation maxi- male du convertisseur piézoélectrique ( 9, 33). 28 Dispositif selon la revendication 27, carac-

térisé en ce que l'unité de commande ( 18) comporte un dispositif pour mesurer le trajet ou l'angle de réglage,

dispositif dont le signal de mesure sert à la linéari-

sation et à l'accroissement de la précision du posi-

tionnement.

29 Dispositif selon une des revendications 1 à

28, caractérisé en ce qu'au moins un dispositif de

réglage supplémentaire ( 1 ', 1 ") selon une des revendi-

cations 1 à 28 est placé sur l'élément mobile ( 2 ou 5}

d'un dispositif de réglage ( 1).

t: 30 Dispositif selon la revendication 29, carac-

térisé en ce que l'élément fixe ( 2 ou 5) du dispositif de réglage supplémentaire ( 1 ', 1 " 1) est l'élément mobile

( 2 ou 5) du dispositif de réglage ( 1).

31 Dispositif selon une des revendications 1 à

30, caractérisé en ce que l'élément mobile ( 2, 5) est un

outil ou une pièce à travailler.