Brevet FR2562987A1 — publié le 19851018

DISPOSITIF DE POSITIONNEMENT FIN D'UNE SURFACE MATERIELLE La présente invention se rapporte à un dispositif de positionnement fin d'une surface matérielle. Un tel dispositif est destiné à réaliser des positionnements très précis, par exemple à une fraction de micron près, dans une étroite plage de déplacement, pouvant ne pas dépasser quelques millimètres. Il trouve application dans le domaine des tables de manipulation, dont il peut assurer les déplacements microscopiques, dans celui des fibres optiques (centrage et connexion), dans celui de la fabrication des circuits intégrés ou hybrides où des positionnement3 rigoureux sont nécessaires, dans celui des lasers (réglage des miroirs), etc. Un dispositif de positionnement selon l'invention comprend au moins un organe de positionnement dont une première partie est solidaire d'une embase de référence et une deuxième partie est solidaire de la surface à positionner, la position relative de ces deux parties pouvant être modifiée par déplacement mutuel induit suivant une direction définie par la dilatation thermique d'un corps porté à une température variable. L'utilisation du phénomène de la dilatation thermique d'un corps permet d'obtenir des déplacements définis avec une extrême précision. Leur lenteur et leur faible amplitude ne présentent pas d'inconvénients pour effectuer les réglages micrométriques de position dans les applications envisagées. Le corps de dilatation précité peut être constitué par la matière solide dont est fait au moins partiellement ledit organe de positionnement. Ce dernier peut aussi présenter la structure d'un récipient déformable rempli d'un liquide, ce liquide constituant le corps de dilatation précité. L'avantage qu'offre un corps de dilatation liquide réside dans un coefficient de dilatation supérieur en moyenne à celui d'un solide. Par contre, la précision de positionnement risque d'être moins bonne qu'avec un solide. Il est possible de combiner les avantages respectifs des solides et des liquides en utilisant un organe de positionnement double, comprenant un premier organe partiel fait de matière solide au moins en partie et un second organe partiel ayant la structure d'un récipient déformable rempli de liquide, ces organes partiels étant associés de manière que les effets de leurs dilatations thermiques propres se cumulent, tandis que les corps de dilatation solide et liquide correspondants sont chauffés ou refroidis séparément.L'organe à corps de dilatation liquide fournit un déplacement d'amplitude relativement grande, tandis que l'organe à corps de dilatation solide procure la précision de positionnement désirée. Lorsqu'on utilise un organe de positionnement à récipient déformable rempli de liquide, on peut relier le volume intérieur du récipient déformable par un tube à un second récipient sensiblement non déformable, placé à distance, ltensemble étant rempli de liquide, et effectuer le chauffage ou le refroidissement du liquide dans le second récipient. Ici est exploité un autre avantage offert par un corps de dilatation liquide, qui permet ainsi d'éloigner la source de chaleur de la surface à positionner. D'une manière générale, le corps de dilatation peut être chauffé au moyen d'une résistance électrique placée à son voisinage. Lorsque sa matière constitutive est électriquement conductrice, il peut aussi être chauffé par création d'un effet Joule au sein de cette matière (solide ou liquide). S'il s'agit de pouvoir faire se déplacer la surface à positionner suivant toute direction d'un plan, il convient que le dispositif comprenne deux organes de positionnement disposés de façon à induire des déplacements respectifs suivant des directions croisées, de préférence à angle droit, ces directions étant parallèles audit plan. Pour permettre le positionnement de la surface suivant toute direction de l'espace, le dispositif pourra comprendre trois organes de positionnement disposés de façon que les directions des déplacements qu'ils induisent forment un trièdre, de préférence trirectangle. Dans tous les cas, les organes de positionnement peuvent attaquer un plateau mobile commun auquel appartient la surface à positionner, lesdits organes étant susceptibles de fléchir latéralement afin que chacun d'eux ne s'oppose pas à la dilatation du ou des autres organes de positionnement.Une telle disposition n'introduit que des erreurs négligeables, en raison de la petitesse des déplacements mis en oeuvre. Lorsque le dispositif comprend deux organes de positionnement, le plateau commun qu'ils attaquent peut être supporté par des colonnettes orientées perpendiculairement aux directions des déplacements induits par lesdits organes, ces colonnettes étant susceptibles de fléchir latéralement pour ne pas gêner la dilatation desdits organes. En variante, dans un dispositif comprenant deux organes de positionnement, la surface à positionner du premier peut servir d'embase de référence pour le deuxième. De même, s'il comprend trois organes de positionnement, la surface à positionner du premier peut servir d'embase de référence pour le deuxième, la surface à positionner du deuxième servant d'embase de référence pour le troisième. Dans les deux cas, la surface à positionner du dernier organe est celle qui reçoit les déplacements induits par tous les organes du dispositif. Il convient par ailleurs que l'organe de positionnement ou chaque organe de positionnement qu'un dispositif selon l'invention comporte soit doté d'un circuit de régulation de la puissance de chauffage ou de refroidissement du corps de dilatation en fonction d'un ou de plusieurs paramètres relevés par un ou plusieurs capteurs de mesure, tels que la température du corps de dilatation, la position de la surface à positionner du dispositif et/ou la vitesse de déplacement de cette surface. Afin d'accélérer les déplacements induits par la contraction du corps de dilatation de l'organe de positionnement ou de chaque organe de positionnement qu'un dispositif selon l'invention comporte, il est avantageux de prévoir au moins un moyen de refroidissement de ce corps de dilatation, qui peut mettre en oeuvre par exemple une ventilation, un dispositif à effet Peltier ou un dispositif à effet de vortex. On peut d'ailleurs utiliser un tel moyen de refroidissement pour effectuer une régulation de température au-dessous de la température ambiante. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre, en regard des dessins annexés, d'exemples de réalisation non limitatifs. La figure 1 illustre la structure fondamentale d'un organe de positionnement selon l'invention. Les figures 2 à 6 représentent schématiquement cinq variantes de réalisation d'un tel organe. La figure 6a représente une variante du circuit de chauffage de la figure 6. Les figures 7 et 8 représentent un organe de positionnement doté- d'un circuit de regulation de température et de position, respectivement. Les figures 9 et 10 représentent deux exemples de réalisation d'un dispositif comprenant deux organes de positionnement. Les figures 11 et 12 représentent deux exemples de réalisation d'un dispositif comprenant trois organes de positionnement. La figure 12a représente une coupe suivant C - C de l1objet de la figure 12. Pour la clarté de la représentation, les éléments de chauffage des dispositifs des figures 10 à 12 ont été omis. On a représenté schématiquement sur la figure 1 un organe de positionnement selon l'invention, constitué par un barreau métallique 1 fixé par une extrémité à une embase de référence 2 et comportant à son extrémité libre une surface 3, qui peut être positionnée avec une grande précision suivant la direction longitudinale du barreau 1 par envoi. d'un courant électrique dosé dans une résistance chauffante 4 entourant le barreau. Ce dernier est ainsi plus ou moins échauffé et se dilate à proportion en amenant sa surface d'extrémité 3 en une position voisine telle que 3'. L'amplitude de déplacement de la surface 3 est faible, en pratique de l'ordre du millimètre. Mais le positionnement de celle-ci peut être réalisé de façon très précise, typiquement à + lux près. La surface 3 peut appartenir non pas directement au barreau 1, mais, comme on le verra plus loin, à un plateau rapporté à l'extrémité correspondante de celui-ci. La figure 2 montre une variante où le barreau 1 est remplacé par un récipient oblong 5 fermé à son extrémité de fixation à l'embase 2 et obturé à son autre extrémité par un piston coulissant 6. Le volume intérieur du récipient 5, limité par le piston 6, est rempli d'un liquide 7. Lorsqu'on applique un courant à la résistance chauffante h, le liquide 7 se dilate et fait se déplacer le piston 6 et la surface 3 qui appartient à celui-ci. Dans l'exemple de réalisation représenté à la figure 3, l'extrémité libre du récipient 5 est obturée non plus par un piston 6, mais par une membrane 8 qui se déforme sous l'effet de la dilatation thermique du liquide 7 induite par la résistance chauffante 4. La surface extérieure de la membrane 8 constitue la surface à positionner, qui vient en 3' à la suite d'une dilatation du liquide 7. La figure 4 montre une variante du mode de réalisation de la figure 3. Le récipient 5 est relié par un tube 9 à un second récipient 10. L'ensemble des éléments 5, 9, 10 est rempli d'un liquide 7, lequel est échauffé en vue de sa dilatation non plus dans le récipient 5, mais dans le récipient 10 placé à distance et doté de la résistance 4. L'avantage d'utiliser un corps de dilatation liquide (figures 2 à 4) au lieu d'un corps solide (figure 1) réside dans la valeur plus élevée du coefficient de dilatation des liquides, conduisant à de grands déplacements pour une faible puissance thermique. Nais la précision de positionnement de la surface 3 est inférieure, car à une même variation de température correspond un plus grand déplacement. Les avantages des solides et des liquides peuvent cependant être combinés, par exemple de la manière représentée à la figure 5. On trouve ici un récipient 10 chauffé par une résistance 4 et relié par un tube 9 à un récipient 5 calé sur une embase 2, le tout étant rempli d'un liquide 7. Le récipient 5 contient un piston 16 formé par une tige assez longue qui est dotée d'une seconde résistance chauffante 14.Ce dispositif mixte permet de réaliser un positionnement "gros" de la surface 3 située à l'extrémité libre du barreau 16 par dilatation du liquide 7 au moyen de la résistance chauffante 4, et un positionnement "fin" par dilatation du barreau 16 au moyen de la résistance chauffante 14. Le positionnement gros peut par exemple, avec du mercure, couvrir une plage de 30 mm + 0,01 mm, et le positionnement fin une plage de 0,05 mm + 0,1 um. Conformément à la figure 6, il est possible d'effectuer le chauffage d'un barreau non pas à l'aide d'une résistance additionnelle, mais par création d'effet Joule directement au sein de la matière du barreau, à condition que celle-ci soit conductrice de l'électricité. Dans l'exemple de cette figure, un barreau métallique 1 est muni de deux colliers de contact 11 par l'intermédiaire desquels est envoyé dans le barreau un courant électrique de chauffage, issu du secondaire d'un transformateur 12 réglable manuellement. Selon la figure 6a, le réglage du courant de chauffage est effectué non pas en déplaçant une prise sur le secondaire du transformateur 12 (figure 6), mais en hachant suivant un rapport cyclique variable, à l'aide d'un interrupteur 13, le courant issu du secondaire d'un transformateur fixe 12a. Ce mode d'alimentation est bien entendu également applicable aux cas où l'on utilise une résistance chauffante distincte. Le chauffage par effet Joule direct est utilisable aussi pour des organes de positionnement mettant en oeuvre un liquide. L'effet Joule peut alors être créé soit au sein de la paroi conductrice du récipient 5 ou 10 contenant le liquide 7, soit au sein de ce dernier lorsqu'il s'agit d'un liquide conducteur (mercure). L'ajustement de la position de la surface 3 d'un organe de positionnement selon l'invention peut se faire par simple dosage du courant de chauffage, avec contrôle de la position 3' atteinte. On peut aussi prévoir une boucle de régulation (figures 7 et 8). La figure 7 montre un barreau 1 muni d'une résistance chauffante 5- et d'uns sonde de température 15 placée dans un canal interne 17. La température désirée est introduite sur un dispositif de commande 18, et un dispositif d'alimentation 19 règle la puissance de chauffage par comparaison entre la température désirée et la température mesurée par la sonde 15. Une précision et une stabilité accrues peuvent être obtenues en prévoyant une régulation de position (figure 8). Ici, la position de la surface à positionner 3 est relevée par un détecteur micrométrique 20 (comparateur optique) qui transmet sa mesure d'une part à un dispositif de visualisation 21, d'autre part au dispositif dlalimentation 19, lequel reçoit également du dispositif de commande 18 une valeur de consigne définissant la position 3' désirée. C'est à cette position que vient se stabiliser la surface 3. La régulation peut porter complémentairement sur la vitesse de déplacement de la surface 3 en cours de positionnement (ce qui est intéressant par exemple pour la mise en coincidence et la connexion par soudage de deux fibres optiques). La figure 9 montre un exemple d'application d'un dispositif de positionnement selon l'invention, à deux dimensions, comportant deux organes de positionnement A, B situés dans un plan. Le barreau de dilatation de chacun d'eux est scindé en deux parties la, lb, chaque partie la étant dotée d'une résistance chauffante 4. Ces deux organes de positionnement A, B et un ressort à lame 22 sont disposés à 1200 dans un manchon 23 entourant une fibre optique 24 avec interposition d'une couche d'adhésif 25. Les trois éléments A, B et 22 sont orientés vers le coeur 24a de la fibre optique, qu'il s'agit de centrer avec précision dans le manchon 23. Le ressort 22 presse la fibre optique contre les surfaces 3 d'extrémité des barreaux des organes A, B, dont les parties lb sont immobilisées dans le manchon 23 non loin de leurs faces de contact avec les parties la. L'envoi de courants dosés dans les résistances 4 permet de centrer exactement le coeur 24a de la fibre optique. On fait alors durcir l'adhésif 25, qui fige l'ensemble, y compris les parties de barreaux lb, les parties la pouvant être ôtées. Le dispositif de positionnement de la figure 10 comporte également deux barreaux 1. Ceux-ci sont croisés à angle droit et encastrés d'une part dans deux des parois latérales d'un bottier parallélépipédique 26, et d'autre part dans des pattes 27 solidaires d'un plateau 30 dont la surface est ici la surface à positionner. Ce plateau est porté sur le fond 26a du bottier 26 par quatre colonnettes 28 orientées perpendiculairement aux barreaux 1. Lorsque l'un de ceux-ci se dilate sous l'effet d'un échauffement commandé, il fait se mouvoir le plateau 30 en translation dans son plan suivant sa direction propre X ou Y, tandis que l'autre barreau- et les colonnettes 28 fléchissent légèrement pour permettre le déplacement du plateau 30 en translation dans son plan. La figure il représente un dispositif analogue à celui de la figure 10, mais comportant trois barreaux 1 orientés suivant les directions d'un trièdre trirectangle X Y Z. Ces trois barreaux sont encastrés d'une part dans les parois d'une embase 32 en forme de trièdre trirectangle et d'autre part dans une pièce 33 semblable, laquelle est positionnée suivant les trois directions X, Y, Z des barreaux 1 par dilatation thermique sélective et dosée de ceux-ci. Comme dans le dispositif précédent, les barreaux 1 doivent pouvoir fléchir latéralement pour permettre les déplacements de la pièce de positionnement 33 par rapport à l'embase 32. Dans le dispositif de la figure 12, par contre, les trois barreaux 1 n'ont pas besoin d'etre flexibles latéralement. Ils sont en effet associés à des plateaux 43, 53, 63 respectifs pour former trois organes de positionnement montés en cascade. Sur une embase fixe 42 est encastré un premier barreau lz portant un plateau 43 qui sert d'embase, grâce à une patte 43a qu'il comporte, à un deuxième barreau lx dont le plateau 53 constitue à son tour l'embase, par une patte 53a, d'un troisième barreau ly 53 sont en forme d'équerre.Le plateau 43 coulisse contre l'embase roi2, guidé lateralement par une glissière 42a de celle-ci contre laquelle il demeure appliqué grâce à un ressort de rappel 34 oblique (figure '2a). De même, le plateau 53 est guidé par le plateau 43 et la glissière 43b que celui-ci comporte, tandis que le plateau 63 est guidé par les plateaux 53 et 43, un ressort d'application analogue au ressort 34 étant à chaque fois prévu. La régulation de l'état d'un organe de positionnement selon l'invention demande que ce dernier puisse perdre rapidement les calories qu'il a reçues dans les périodes de chauffage. Son refroidissement peut être naturel. Il est toutefois intéressant de prévoir un dispositif de refroidissement annexé à l'organe de positionnement, fonctionnant par ventilation forcée ou non ou comportant des éléments à effet Peltier. Lorsqu'on dispose de gaz comprimé, on peut mettre en oeuvre un refroidissement par effet de vortex. Lorsque le chauffage du corps de dilatation d'un organe de positionnement selon l'invention est effectué par effet Joule au sein de la matière même de ce corps, il est avantageux de choisir celui-ci parmi les corps conducteurs offrant une résistivité assez élevée. Un corps semi-conducteur peut convenir à cet égard. Un autre moyen envisageable pour chauffer le corps de dilatation est le chauffage par induction, par exemple à l'aide de micro-ondes, qui permet, par un choix approprié des matériaux utilisés, en particulier dans le cas d'un corps de dilatation liquide, de circonscrire rigoureusement le chauffage au corps de dilatation. REVENDICATIONS 1. Dispositif de positionnement fin d'une surface matérielle, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins un organe de positionnement (1) dont une première partie est solidaire d'une embase de référence (2) et une deuxième partie est solidaire de la surface à positionner (3), la position relative de ces deux parties pouvant être modifiée par déplacement mutuel induit suivant une direction définie par la dilatation thermique d'un corps porté à une température variable. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le corps de dilatation précité est constitué par la matière solide dont est fait au moins partiellement l'organe de positionnement (1). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'organe de positionnement présente la structure d'un récipient déformable (5) rempli d'un liquide (7), ce dernier constituant le corps de dilatation précité. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'organe de positionnement est double et comprend un premier organe partiel (16) fait de matière solide au moins en partie et un second organe partiel ayant la structure d'un récipient déformable (5) rempli de liquide (7), ces organes partiels étant associés de manière que les effets de leurs dilatations thermiques propres se cumulent, tandis que les corps de dilatation solide et liquide correspondants sont chauffés ou refroidis séparément. 5. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, caractérisé par le fait que le volume intérieur du récipient déformable (5) est relié par un tube (9) à un second récipient (10) sensiblement non déformable, placé à distance, l'ensemble étant rempli de liquide (7), et que le chauffage ou le refroidissement du liquide est effectué dans le second récipient (10). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le corps de dilatation est chauffé au moyen d'une résistance électrique (4) placée à son voisinage. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le corps de dilatation est électriquement conducteur et qu'il est chauffé par création d'un effet Joule au sein de la matière qui le constitue. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait qu'il comprend deux organes de positionnement (1) disposés de façon à induire des déplacements respectifs suivant des directions (X, Y) croisées, de préférence à angle droit. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 71 caractérisé par le fait qu'il comprend trois organes de positionnement (1) disposés de façon que les directions des déplacements qu'ils induisént forment un trièdre (X, Y, Z), de préférence trirectangle. 10. Dispositif selon la revendication 8 ou 9, caractérisé par le fait que les organes de positionnement (1) attaquent un plateau mobile commun (30, 33) auquel appartient la surface à positionner, lesdits organes étant susceptibles de fléchir latéralement. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé par le fait qu'il comprend deux organes de positionnement (i) et que le plateau commun (30) qu'ils attaquent est supporté par des colonnettes (28) orientées perpendiculairement aux directions des déplacements induits par lesdits organes, ces colonnettes étant susceptibles de fléchir latéralement. 12. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par le fait qu'il comprend deux organes de positionnement (1), la surface à positionner du premier servant d'embase de référence pour le deuxième. 13. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé par le fait qu'il comprend trois organes de positionnement (1), la surface à positionner du premier servant d'embase de référence pour le deuxième, et la surface à positionner du deuxième servant d'embase de référence pour le troisième. 111. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé par le fait que l'organe de positionnement ou chaque organe de positionnement (1) qu'il comporte est doté d'un circuit de régulation de la puissance de chauffage ou de refroidissement du corps de dilatation en fonction d'un ou de plusieurs paramètres relevés par un ou plusieurs capteurs de mesure (15, 20). 15. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé par le fait qu'un paramètre de régulation est la température du corps de dilatation. 16. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé par le fait qu'un paramètre de régulation est la position de la surface à positionner. 17. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé par le fait que l'organe de positionnement ou chaque organe de positionnement qu'il comporte est doté d'au moins un moyen de refroidissement.