Brevet FR2045655A1 — publié le 19710305

La présente invention concerne un montage mécanique capable de conserver la valeur de la distance qui sépare deux objets reposant sur un même support, et ceci dans de larges limites de variation de la température du support. I1 est bien connu qu'il n'existe aucun support matériel absolument insensible aux effets de la variation de la température à laquelle il est porté, des dilatations et des contractions de plus ou moins grande amplitude accompagnant cette variation. Ces effets se font pleinement sentir sur la distance qui sépare, effectivement, deux objets assujettis au support Or, pour peu que ces objets fassent partie intrinsèque dtun dispositif dtobservation ou d'emploi de phénomènes vibratoires à très courte longueur d'onde, une variation très faible en valeur absolue de cette des tance perturbe gravement, jusqu'à les annihiler dans leur existence même, de tels phénomènes. Un prunier procédé pour éviter ce défaut est de réguler très exactement la température du support, par ailleurs convenablement choisi en un ratEriau peu sensible, par nature, aux effets de la température. Mais une régulation très exacte, à un ou plusieurs millièmes de degrés près, est très coûteuse; de mame l'emploi de matériaux, comme l'invar, s'avère onéreux. Un second procédé, que l'on peut dire à compensation, consiste à relier les deux objets par un montage mécanique composé de deux parties, au moins, dont les dilatations se compensent. Cette compensation n'est bonne que dans certaines limites de température qui, toutefois, couvrant plusieurs degrés, ne nécessitent qu'unie régulation simple et économique de la température à laquelle est porté ledit montage. Le montage mécanique selon-l'invention appartient à cette dernière catégorie. I1 est fixé sur le support commun aux deux objets qu'il relie, le premier objet étant assujetti au support et le second objet reposant sur ce dernier par l'intermédiaire d'un chemin de roulement dont llavancement est commandé par le montage Dans le montage selon li invention, la distance qui sépare les deux objets apparait comme l'addition d'une première distance, entre le premier objet et un point du support et d'une seconde distance, entre ce dernier et le point de commande de l'avancement du chemin de roulement qui porte le second objet.Le montage est agencé pour que, la première distance variant, en fonction de la température, conme les dimensions du support, la seconde distance présente, dans ces conditions, une variation de longueur égale et en sens inverse de celle de la première distance. Le montage selon l'invention est caractérisé en ce que la seconde distance est celle qui sépare le pôle d'inversion et le point menant d'un réseau de six tiges métalliques agencées selon la disposition connue sous le nom d'inverseur de PEAUCELLIER, réseau qui:: - d'une part, est assujetti au support par son pôle d'inversion et son point mené, les autres points du réseau, en particulier le point menant, étant rendu mécaniquement indépendant du support, - d'autre part, est tel que le point mené est, à une température de référence, équidistant du p8le d'inversion et du point menant, - enfin, est tel que les six tiges métalliques sont réunies entre elles de façon rigide ou articulée, les deux tiges les plus lon gues étant d'un métal moins sensible à la température que celui utilisé pour confectionner les quatre tiges les plus courtes, le choix des deux métaux déterminant les grandeurs géométriques caractéristiques de l'inverseur. Dans une première variante de réalisation, la première et la seconde distance sont égale8 entre elles à la température de référence, les point menant de l'inverseur de PEAUCELLIER étant fixé sur le chemin de roulement du second objet sur le support. Dans une seconde variante de réalisation, la première distance est plus grande que la seconde distance, le point menant de l'inverseur de PEAUCELLIER étant fixé sur un point choisi d'une tige métallique dont une extrémité est assujettie au support et l'autre extr4- mité au chemin de roulement' du second objet sur le support. La figure 1 se rapporte à la définition géométrique de l'inver seur de PEAUCELLIER: il comprend six branches articulées aux points O, A, B, C, Do Les deux tiges OÂ, OH sont de même longueur a; les quatre tiges QC, AD, BC, BD, de longueur b, sont égales entre elles. On démontre, en considérant le point I derencontre des diagonales du losange A B C D, que l'on a la relation d'inversion suivante: OC.OD = a2 - b2 = S Le point O est le pôle d'inversion,- le point -n s't le point menant que Iron oblige à suivre un certain tracé, le point mené C suit, alors, le tracé inverse géométrique de celui du point D par rapport au pôle O. La figure 2 peut se comprendre comme représentant, sur un plan parallèle à celui du- support, la disposition particulière adoptée dans l'invention. Les points 0 et C sont mécaniquement liés au support, les autres points sont mécaniquement indépendants du support. Les six tiges sont soudées entre elles; le point C est, pour la température de référence du support, au milieu de OD De la relation générale, appliquée à ce réseau particulier, on déduit en première approximation que, pour une variation de température h t, par exemple au-dessus de la température de référence, les variations des longueurs seront telles que: OC. #OD + OD. # OC = #S Si le second membre est nul, étant donné, que l'on a choisit = = 2 OC on obtient:: BD = - 2 # OC Considérant le point P du support, aligné avec les points O et C et tel que, à la température de référence OP = = 2 QC il vient: #OP = 2 # OC = - # OD On voit que, par compensation, PD est une longueur qui reste constante, quel que soit dt . Cette relation est à la base de la première variante de réalisation de l'invention,la distance PU est celle du premier au second objet, la première distance est la longueur OP , la seconde distance la longueur 0D . Elles sont égales entre elles. Ce raisonnement suppose que la quantité S est une constante, du moins pour la variation de température ss T. On va montrer qu'il en est bien ainsi, avec une très bonne approximation, grace au choix convenable des métaux constituant l'inverseur de PEAUCELLIER. Autour de la température de référence et pour la variation de température At, on peut écrire que: OA = OB = a = ao (1 + &alpha; #t + ss # t2) AC = CB = BD = AD = b = bo (1 + #'#t + ss' # t2) où ao, bo, &alpha;, ss, &alpha;' et ss' sont des quantités constantes. On a alors, en s1 arrêtant aux termes en #t2 S = a2 - b2 = ao2 - bo2 + (2 ao2 &alpha; - 2 bo2 &alpha;')#t+ [ao2 (&alpha;2 + 2ss) b20 ( &alpha;'2 + 2 ss' )i j Disposant des paramètres ao, bo et du choix des métaux, on peut s'arranger pour que ao2 &alpha; = bo2 &alpha; Par exemple, un acier et un alliage d'aluminium sont tels que, respectivement: &alpha;' = 22,9 10-6 &alpha; = 11,2 10-6 On en déduit que ao # 1,43 bo Le réseau est entièrement défini, à la température de référence, par le fait que l'on doit avoir: OC = OD ce qui donne la relation géométrique #2 Mais, si l'on a ao2 &alpha; = bo2 &alpha;' il en découle que, comme le montre un calcul facile:: ss&alpha;' -ss'&alpha; S = (ao2 - bo2) [1 + (2 - &alpha;'&alpha;') #t2 &alpha;' - &alpha; Le terme entre parenthèses est très favorable car, d'une part, le facteur de #t2 comprend deux expressions de signe contraire et, d'autre part, les coefficients ss et ss' sont d'ordinaire sensiblement proportionnels aux coefficients &alpha; et Dans l'exemple choisi ss' = 10 10-9 ss = 5,3 10-6 Tous calculs faits, on trouve que, dans cet exemple: S = (ao2 - bo2) (1 + 1,34 10-9 #t2) Les variations de OC et os étant principalement sous llin- fluence de valeurs comparables aux valeurs de &alpha; ou &alpha;' citées dans l'exemple, l'approximation faite en admettant que S est constante est encore très bonne pour des valeurs de t couvrant plu sieurs degrés. La figure 3 se rapporte aux relations géométriques à la base de la seconde variante du montage selon l'invention. Pour simplifier, on neconsidérera que les points 0, C, D de itinverseur de PEAUCELLIER. Les points O' et F sont deux points liés au support. Une tige métallique est soudée à F et à D; son extrémité R commande le déplacement du chemin de roulement, portant le second objet. A la température de référence, on a choisi O'F = OD = 2 OC Pour une élévation # t de la température on a vu que: #(OD) = - 2 # (OC) #(OD) = - # (O'F) Le point D venant en D' , le point F venant en F', le milieu X de DF est centre de rotation du mouvement que va prendre l'extrémité R de la tige. La figuration de ce mouvement est très exagérée sur la figure 3, RR' est, pratiquement, parallèle à DD' et l'on a RR'# #(OD) MD Grâce à l'effet d'amplification ainsi réalisé, il est possible de compenser la dilatation sur une plus grande longueur de support que la longueùr-OP de la figure 2.En d'autres termes, la distance entre les deux objets comprend deux parties O"P et O"R ; la première s'accroît de la valeur PPt = A (O"P) La seconde passe de la valeur O"R à O"R' et varie de - 2 # (OC) MD Leur somme reste -constante si MR #(O"P) = 2 #( MD MR O"P = 2 OC MD Par exemple, pour MR = 3MD , une distance PR égale à huit fois la longueur de OC peut Qtre maintenue constante0 La figure 4 est une illustration d'un cas d'application du montage selon l'invention du maintien constant dtune longueur relativement grande, séparant les deux porte-miroirs d'un tube LASER à rayonnement infra-rouge. Les cotes du montage sont celles des exemples cités dans ce qui précède. Le support métallique 1 du LASER, réduit sur la figure 4 aux deux miroirs de la cavité de PABRY PUROT, 2 et 3, est mécaniquement solidaire: - du porte-miroir 4 du miroir 2 - du pale d'inversion 5 et du point mené 6 d'un inverseur de PEAUCELLIER à six tiges métalliques soudées: les deux barres 7-8 tirées d'une mgme barre d'acier à 1% de carbone, par exemple; les quatre barres 9 à 12, tirées d'une meme barre d'alliage d'a luminium AG3, par exemple, - de l'extrémité 13 de la tige métallique 14, soudée à l'inverseur au point menant 15 et munie à l'autre extrémité de l'étrier de commande 16, qui provoque le déplacement du chemin de roulement 17 sur lequel repose le porte-miroir 18 du miroir 2. Sous l'effet de la température 4 vient en 4-1 et 18 vient en 18-1, les déplacements étant tels que la distance entre ces portemiroirs 4-1 et 18-1 est la même que celle qui existait entre les positions 4 et 18. Le montage selon l'invention ajoute à son efficacité, les avantages d'utiliser des matériaux peu coûteux et d'être robuste Une réalisation selon la figure 4 donne à l'inverseur des dimensions réduites, la longueur de référence entre 5-6 étant de l'ordre de 10 à 20 cm De ce fait, tous ses constituants sont à la meme température, sans soins particuliers. Les propriétés de l'inverseur se maintiennent dans une gamme de variation le température qui rend, en soi, quasi-inutile la régulation précise de la température du support. Un réglage d'ambiance suffit. Cependant, dans le cas où, tel qu'une cavité LASER entre les deux miroirs 2-3, le corps compris entre les deux objets à distance constante est source de chaleur, il faut isoler thermiquement ce corps du support. En revanche, dans le cas où ce corps doit entre, pour des raisons de fonctionnement, maintenu à température très constante, il n'est pas nécessaire d'inclure le support dans le système de régulation de température. Le montage selon l'invention peut entre perfectionné dans la pratique, où des organes de réglage et d'ajustement en fonctionnement sont prévus: au point 13, aux points de raccordement des tiges 10-11 et 9-12, au montage entre le miroir 2 et le porte-miroir 4, au montage entre le miroir 3 et le porte-miroir 18 et enfin au raccordement entre 16 et 18. REVENDICATIONS 1 - Montage mécanique à compensation, pour une variation de la température, de la distance entre deux objets qu'il relie, le pre mier objet étant assujetti à un support, le second objet reposant sur ce support par un chemin de roulement dont l'avancement est command par le montage mcanique, cette distance résultant de l'ad- dition d'une première distance entre le premier objet et un point da support avec une deuxième distance entre ce point et le point de com mande de l'avancement du chemin de roulement, caractérisé en ce que la deuxième distance est celle qui sépare le ple d'inversion et le point venant d'un réseau de six tiges métalliques formant inverseur de PEAUCELLIER, reposant sur le support par le pêle d'inversion et le point mené, les autres points du reseau étant mécaniquement in dépendants du support dont, en particulier, le point menant qui est point de commande de l'avancement du chemin de roulement. 2 - Montage mécanique selon 1 dans lequel, à la température de référence, le point mené est équidistant du pôle d'inversion et du point menant de l'inverseur. 3- Montage mécanique selon 1 dan lequel les six tiges métalli- quels du réseau sont réunies entra elles de façon rigide ou articulée les deux tiges les plus longues étant d'un métal moins sensible à la température que celui uti1isç par confectionner les quatre tiges les plus courtes. 4 - Montage mécanique sele 1 dans lequel la première et la seconde distance formant, par addition la distance totale séparant les deux objets sont, à la température de référence égales entre elles, le point menant de l'inverseur étant raccordé an chemin de roulement. 5 - Montage mécanique selon 1, dans lequel la première distance qui, additionnée avec la seconde distance, forme la distance totale séparant les deux objets est plus grande que la seconde et dans lequel le point menant de l'inverseur est fixé à un point choisi d'une tige métallique dont une extrémité est assujettie au support et l'autre extrémité au chemin de roulement. 6 6 - Montage mécanique selon 4 et 5, dans lequel les dimensions géométriques et les propriétés du réseau inverseur de PEAUCELLIER sont déterminées par le choix des métaux selon 3, de telle sorte que soient simultanément satisfaites les égalités suivantes: établies entre les grandeurs ao, bo, OC et les coefficients &alpha; et &alpha;' caractéristiques au premier degré en dt de la loi de dilatation, en fonction de la température, des longueurs ao, bo respectivement des tiges métalliques du réseau les plus longues et les plus courtes, la longueur OC séparant le pSle d'inversion du point mené de l'inverseur de PEAUCELLIER