Brevet FR2586853A1 — publié le 19870306

La présente invention se rapporte aux dispositifs de micropositionnement en général et concerne plus particulièrement les dispositifs de microposi- tionnement destinés à aligner des composants optiques. Les dispositifs de translation classique à un degré de liberté se compo- sent d'une plate-forme mobile coulissant sur un châssis de base. L'amplitude du mouvement déterminé par ce guidage coulissant, dit cinématique, est con- trôlée par un actionneur, dont le corps est fixé au châssis de base et la partie mobile est reliée a la plate-forme par une transmission appropriée. Lorsque le mouvement de l'actionneur est sensiblement rectiligne et parallèle à l'axe de translation du guidage, la transmission se réduit souvent a un sim- ple appui de la plate-forme contre l'actionneur, par l'intermédiaire d'une bille. L'appuiest assuré par un ressort tendu entre le châssis et la plate- forme. Les actionneurs les plus connus sont de deux types: à vis micrométrique, ou à empilement de pastilles piézoélectriques. Pour obtenir une translation a deux degrés de liberté, on fixe, sur la plate-forme mobile d'un premier dispositif a un degré de liberté, le châssis d'un deuxième dispositif semblable, mais orienté selon une direction distinc- te, par exemple a angle droit. La figure 1 représente un translateur classi- que du commerce, à deux degrés de liberté. D'une façon similaire, en fixant trois modules monodimensionnels en série, on obtiendrait un dispositif à trois degrés de liberté. Les dispositifs classiques à guidage cinématique permettent de maintenir une bonne précision, typiquement comprise entre un et dix microns, sur des mouvements d'amplitude relativement importante, de l'ordre de dix-à cent milli- mètres. Les grandes courses sont contrôlées par des actionneurs à vis. On mon- te parfois en série avec la vis, entre l'appui à bille et la plate-forme mobi- le, un actionneur piézoélectrique. Cet arrangement permet théoriquement d'ob- tenir une très haute sensibilité, correspondant à une résolution inférieure au centième de micron. Toutefois de telles performances sont illusoires si elles ne sont pas accompagnées d'une stabilité et d'une reproductibilité correspon- dantes de la part du guidage. Les principales limites des systèmes cinémati- ques sont données par la précision d'usinage des coulisses, le jeu, le frot- tement, l'usure. -2- D'une façon générale, ces dispositifs restent mal adaptés à certaines applications requérant une précision typique du dixième de micron, comme par exemple le positionnement ou l'assemblage de composants d'optique guidée mo- nomode. Pour les cas o l'amplitude de déplacement reste faible, typiquement in- férieure ou égale au millimètre, on a proposé de faire appel aux principes du guidage élastique, tels qu'ils sont exposes, par exemple, dans l'article de P.H. Sydenham, intitulé "Elastic Design of Fine Mechanism in Instruments" et publié dans J. Phys.E: Sci. Instruments, Vol. 17 (1984) p. 922. Dans ce type de guidage, on utilise la propriété d'une lame mince et al- longée, encastrée à une extrémité et sollicitée à l'autre extrémité, de se prêter aisément à un mouvement de flexion dans la direction perpendiculaire à la lame, tout en restant rigide dans les directions parallèles. Cette flexion de la lame équivaut à une rotation de son extrémité libre autour d'un axe si- tué dans son plan, lorsqu'elle est au repos. Par une combinaison adéquate de quatre tels "pivots" élastiques, on peut également obtenir une translation, selon le schéma de la figure 7. Cette configuration en parallélogramme peut encore être améliorée de manière à rendre la translation rectiligne, au moyen d'un deuxième parallélogramme. Cette dernière structure, représentée a la figure 8, peut être utilisée pour réaliser un guidage de translation à une coordonnée rectiligne. Lorsque les déformations sont calculées pour rester bien en deçàca des li- mites élastiques, et que les articulations sont taillées dans la masse, pour éviter les effets d'encastrement, on obtient un dispositif sans jeu, sans frottement et sans usure, parfaitement fidèle et reproductible. La précision n'est limitée que par l'effet, combiné à la rigidité finie des lames selon les directions perpendiculaires au déplacement prévu, d'une charge variable appliquée selon ces directions. On peut réaliser avantageusement un système élastique monolithique par la méthode connue de l'usinage par électro-érosion. Un dispositif monolithi- que complexe de guidage élastique, piloté par des actionneurs piézoélectri- ques, est rapporté par R.D. Young, dans l'article intitulé "Moving Stage Improves Accuracy of Microcircuit Measuring Technique", et publié dans Research & Development (April 1984) p. 114. La mise en oeuvre de dispositifs de micropositionnement à articulations élastiques se heurte toutefois à divers problèmes liés à l'intégration des -3- actionneurs dans le système. Les actionneurs piézoélectriques, bien qu'ils offrent une résolution extrêmement élevée, présentent un certain nombre d'in- convénients parmi lesquels: l'exigence d'une tension de- commande, qui peut atteindre des valeurs supérieures à 1000 volts, leur réponse non linéaire et l'existence d'une hystérèse importante. L'utilisation de tels actionneurs né- cessite la présence d'un détecteur de déplacement incorporé dans une boucle d'asservissement qui est associée à chaque actionneur. Les actionneurs à vis micrométrique offrent l'avantage d'une course im- portante mais présentent l'inconvénient d'être relativement lourds et encom- brants. La mise en série de plusieurs modules de positionnement à un degré de liberté, pour obtenir des déplacements selon plusieurs coordonnées, n'est plus acceptable pour des systèmes à guidage élastique, sensibles aux effets de charge et de vibrations, si l'on veuttirer profit de leurs propriétés et de leur grande précision intrinsèques. Aussi un objet de la présente invention est un dispositif de microposi- tionnement qui ne présente pas les limitations des systèmes décrits précédem- ment. Un autre objet de l'invention est un dispositif de micropositionnement à plusieurs degrés de liberté permettant l'assemblage de composants d'optique guidée monomode. Un autre objet de l'invention est un dispositif de micropositionnement utilisant des moyens de guidage de type élastique. Un autre objet de l'invention est un dispositif de micropositionnement de structure compacte et peu encombrant. Un autre objet de l'invention est un dispositif de micropositionnement réalisable par électro-érosion. Un dispositif de micropositionnement à N degrés de liberté (2.e No.6) selon l'invention, comprenant au moins deux éléments rigides reliés par des moyens de guidage et constituant le premier, une base de référence et le deuxième, une plate-forme mobile, est caractérisé en ce que les moyens de gui- dage sont répartis en N chaînes indépendantes les unes des autres et en ce que chaque chaîne comprend un actionneur et des moyens de guidage à un seul degré de liberté, ledit actionneur étant relié à la base de référence et lesdits moyens de guidage étant connectés en série entre l'actionneur et la platefor- me mobile. 4- 2586853 D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'exem- ples de réalisation particuliers; ladite description étant faite à titre pure- ment illustratif et en relation avec les dessins joints dans lesquels: la figure 1 est un schéma d'un dispositif de positionnement connu à deux degrés de liberté et à guidage coulissant; - la figure 2 est une autre représentation du dispositif de la fi- gure 1, mettant en évidence le montage en série des deux modules de déplace- ment; - la figure 3 est un schéma de dispositif à deux degrés de liberté en accord avec les principes de la présente invention; - la figure 4 montre un exemple de réalisation du dispositif de la figure 3, utilisant des moyens de guidage coulissants; - la figure 5 est un schéma de dispositif à trois degrés de liberté en accord avec les principes de l'invention; - la figure 6 montre un exemple de réalisation d'un dispositif à trois degrés de liberté, utilisant des moyens de guidage coulissants; - la figure 7 montre un premier exemple de dispositif de translation à guidage élastique; - la figure 8 montre un deuxième exemple de dispositif de transla- tion à guidage élastique. - la figure 9 montre une réalisation planaire d'un dispositif de translation incorporant un moyen de commande; - la figure 10 montre le dispositif de la figure 9 après déforma- tion; - la figure 11 est une vue en coupe d'un dispositif à deux étages; et - les figures 12.a et 12.b montrent un exemple de réalisation pré- féré de l'invention dans le cas d'un micropositionneur à deux degrés de liber- té. -5- Un schéma connu d'un dispositif de positionnement à deux degrés de liber- té est représenté à la figure 1. Il se compose d'un châssis de base 1, sur le- quel peut coulisser une plate-forme intermédiaire 2 qui sert de châssis de ba- se pour la plate-forme mobile 3. L'actionneur 10, solidaire du châssis 1, com- mande, par l'intermédiaire de sa tête mobile 11 et de sa bille d'appui 12, le mouvement de la plate-forme 2 selon une première coordonnée tandis que l'ac- tionneur 20, solidaire de la plate-forme intermédiaire 2, commande, par l'in- termédiaire de sa tête mobile 21 et de sa bille d'appui 22, le mouvement de la plate-forme mobile 3 selon une deuxième coordonnée perpendiculaire à la première. L'appui de la plate-forme 2 est assure par le ressort 13 et celui de la plate-forme mobile 3 est assuré par le ressort 23. Les guidages cinéma- tiques des deux mouvements de translation sont assurés, respectivement, par les zones d'appui 15 et 16 pour la plate-forme 2 et par les zones d'appui 25 et 26 pour la plate-forme mobile 3. Sur les figures suivantes, les mêmes références se rapportent à des élé- ments analogues. Le dispositif de la figure 1 est schématiquement représenté à la figure 2 de manière à rendre plus explicite le montage en série des deux modules de déplacement. Il apparaît ainsi clairement que d'une part, les deux chaînes cinématiques, selon les directions x et y, sont dépendantes l'une de l'autre et d'autre part, si l'actionneur 10 est solidaire de la plate-forme de réfé- rence fixe 1, l'actionneur 20 est lui solidaire d'une partie mobile 2. La mise en série des chaînes cinématiques a pour effet premier que les erreurs dues à chaque chaîne s'ajoutent les unes aux autres. De plus, le fait de fi- xer un actionneur sur une partie mobile constitue un désavantage lorsque des structures compactes et de faibles masses en mouvement sont recherchées. La figure 3 montre le schéma explicatif d'un dispositif à deux mouvements de translation perpendiculaires, en accord avec les principes de l'invention. Le dispositif comporte une plate-forme de référence 1, deux actionneurs 10 et 20 pour transmettre les mouvements de translation selon les axes x et y res- pectivement et une plate-forme mobile 3. Selon l'invention, les deux action- neurs sont solidaires de la plate-forme de référence et les deux chaînes ci- nématiques sont indépendantes l'une de l'autre. La première chaîne comprend l'actionneur 10, un premier moyen de guidage 18 et un deuxième moyen de gui- dage 27. La deuxième chaîne comprend l'actionneur 20, un premier moyen de guidage 28 et un deuxième moyen de guidage 17. Chaque chaîne se trouve ainsi relier la plate-forme de référence 1 d'une part et la plate-forme mobile 3 -6- 2586853 d'autre part. Un tel montage peut être qualifié de montage en parallèle par opposition au montage en série de la figure 2. On peut remarquer que les mo- yens de guidage 17 et 27 constituent également des moyens de découplage d'une chaîne par rapport à l'autre. Un exemple de réalisation du schéma de la figure 3 est proposé à la figure 4. La plate-forme de référence 1 présente des surfaces d'appui deux à deux perpendiculaires (telles les surfaces 18 et 28) servant de guidages cou- lissants à deux plates-formes intermédiaires 19 et 29. Ces plates-formes sont commandées par deux actionneurs 10 et 20, solidaires de la plate-forme de ré- férence 1, et comportent elles-nmêmes des surfaces d'appui également deux à deux perpendiculaires (telles les surfaces 17 et 27) et servant de guidages coulissants à la plate-forme mobile 3. La figure 5 montre un autre schéma explicatif d'un dispositif en accord avec les principes de l'invention mais offrant trois degrés de liberté corres- pondant à deux translations et une rotation. On retrouve les deux chaînes en x et y, précédemment décrites, qui permettent de déplacer la plate-forme in- termédiaire 31 selon les deux coordonnées rectangulaires. La chalne, corres- pondant au mouvement de rotation comprend l'actionneur 40, solidaire de la plate-forme de référence 1, et les moyens de guidage 41, 42 et 43. La figure 6 montre un exemple de réalisation d'un dispositif à trois de- grés de liberté correspondant à trois translations selon trois directions per- pendiculaires notées x, y et z. La base de référence 1 se présente sous la forme d'une trièdre rectangle dont chacune des trois faces présente des zones d'appui (18, 28 et 58). La première chaine cinématique comprend l'actionneur 10 et les moyens de guidage 18, 27 et 57'. La deuxième chalne comprend l'ac- tionneur 20 et les moyens de guidage 28, 57 et 17'. La troisième chaîne com- prend l'actionneur 50 et les moyens de guidage 58, 17 et 27'. La plateforme mobile 3 est donc commandée en translation selon trois directions par trois chaînes indépendantes et reliées à la base de référence 1. Bien que les principes de l'invention soient, comme on l'a vu dans les exemples précédents, applicables avec des moyens de guidage coulissants, les performances de ces derniers sont limitées par la précision d'usinage des cou- lisses et les problèmes de jeu, de frottement et d'usure. L'utilisation de moyens de guidage élastiques permet de pallier à ces inconvénients. La figure 7 montre le principe d'un guidage élastique dans le cas d'un mouvement de translation. La plate-forme mobile 200 est rattachée à une base de référence par deux lames élastiques minces et parallèles 110 et 120. La plate-forme -7- mobile est capable d'un déplacement selon la direction de la flèche, lors- qu'elle est soumise à une action appropriée, grâce à la flexion des lames élas- tiques. Il est possible de définir deux axes de pivotement par lame, soit les axes notés A, B, C et D pour les lames 110 et 120. Dû aux mouvements de rota- tion autour des axes précédemment définis, le mouvement de la plate-forme mo- bile 200 n'est pas rigoureusement rectiligne. La figure 8 montre un dispositif de translation par guidage élastique dans lequel les erreurs de déplacement dues à la rotation sont compensées. Le dispositif se présente sous la forme d'un double parallélogrammeo La plate- forme mobile 200 est rattachée, par deux lames élastiques 110 et 120, à une plate-forme intermédiaire 300, laquelle est rattachée à une base de référence par deux lames élastiques 130 et 140, parallèles aux deux premières. Un tel dispositif est décrit par exemple dans l'article précité de P.Ho Sydenham. La figure 9 montre un exemple de réalisation du dispositif précédent in- corporant des moyens de commande. On reconnait la structure, en double paral- lélogramme, formée par la plate-forme mobile 200, la plate-forme intermédiai- re 300, les lames élastiques 110 à 140 et la base de référence 100. La com- mande de la plate-forme mobile 200 est assurée par un actionneur 150, fixé à la base de référence et un levier de transmission rigide 160 qui est relié à l'actionneur, à la base de référence et à la plate-forme mobile par trois la- mes élastiques 161, 162 et 163 respectivement. Cet arrangement pour la comman- de de la plate-forme mobile permet de réduire l'effet d'un manque de préci- sion au niveau de l'actionneur (par exemple une vis micrométrique) grâce à la réduction opérée par le levier. Les lames élastiques 161 à 163 peuvent être d'inégales longueurs mais doivent avoir leurs centres alignés. Par ail- leurs, dans le but d'assurer la linéarité du mo vement transmis par le levier 3' Zú2 m , la condition suivante doit être remplie: 2 _; o 1 2 et ZI-.2 n 1' 2 3 sont les longueurs respectives des lames 161, 162 et 163, m est la distance entre les centres des lames 163 et 162 et n est la distance entre les centres des lames 161 et 162. La figure 10 montre le dispositif de la figure 9 dans une position déplacée. Une solution avantageuse, tant du point de vue du coût de fabrication que du point de vue des performances, consiste à réaliser ces dispositifs sous forme monolithique. Tous les éléments de la chaine sont taillés dans la même plaque, par exemple par électro-érosion dans une plaque en aluminium. La figure 11 montre une vue en coupe d'un exemple de réalisation d'un dispositif à un degré de liberté dans lequel, pour accroitre la rigidité des -8- 2586853 différentes pièces selon des directions autres que celle du mouvement désiré, deux plaques identiques à celle de la figure 9 ont été disposées en parallèle et réunies par des entretoises. La coupe, selon la direction AA' de la figu- re 9, montre une plaque supérieure et une plaque inférieure réunies par trois entretoises 101, 102 et 201. Les deux entretoises 101 et 102 relient rigide- ment les deux bases de référence 10Da et 100b, tandis que l'entretoise 201 relie rigidement entre elles les plates-formes mobiles 200a et 200b. La fi- gure 11 montre également l'actionneur qui est constitué par une vis micromé- trique 151 agissant sur un écrou baladeur 152, lequel est relié aux lames 161a et 161b. Cette disposition selon deux étages des structures élastiques planaires se prête particulièrement bien au cas des dispositifs de translation à deux degrés de liberté, par exemple selon deux directions perpendiculaires. La fi- gure 12 montre un exemple de réalisation préféré de deux structures planaires permettant l'obtention de deux mouvements de translation selon deux directions perpendiculaires. Les deux structures de la figure 12.a et de la figure 12.b sont identiques et destinées à être disposées l'une sur l'autre de façon à permettre les mouvements selon les directions x et y. Sur chacune des struc- tures on reconnaît la chaîne cinématique constituée par le levier de trans- mission 160, les lames minces 162 et 163, la plate-forme intermédiaire 300 et les lames élastiques 110 à 140. Des moyens de découplage entre les mouvements selon les directions x et y sont également prévus sous la forme d'une deuxiè- me configuration en double parallélogramme. Cette deuxième configuration, comportant une deuxième plate-forme intermédiaire 400 et les lames élastiques 170, 171, 180 et 181, est perpendiculaire à la première et permet de découpler les deux chaînes cinématiques. La plate-forme mobile 200 est pourvue d'un trou central de façon à permettre le montage, par exemple, de composants optiques. La figure 12.b montre encore l'emplacement d'entretoises 500 reliant en- tre elles les bases de référence des quatre structures planaires formant, com- me indiqué précédemment, un montage compact à deux étages et l'emplacement de l'entretoise centrale reliant entre elles les plates- formes mobiles des quatre mêmes structures planaires. Bien que la présente invention ait été décrite dans le cadre d'exemples de réalisation particuliers, il est clair qu'elle est susceptible de modifica- tions ou variantes sans sortir de son domaine. REVENDICATIONS 1. Dispositif de micropositionnement a N degrés de liberté (2 N,6) comprenant au moins deux éléments rigides reliés par des moyens de guidage et constituant le premier, une base de référence (1) et le deuxiè- me, une plate-forme mobile (3); caractérisé en ce que les moyens de guidage sont répartis en N chaînes indépendantes les unes des autres et en ce que cha- que chaine comprend un actionneur et des moyens de guidage a un seul degré de liberté, ledit actionneur étant relié a la base de référence et lesdits moyens de guidage étant connectés en série entre l'actionneur et la plate-forme mo- bile. 2. Dispositif de micropositionnement selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens-de guidage de chaque chaîne comportent un levier de transmission (160) adjacent audit actionneur de la chaîne. 3. Dispositif de micropositionnement selon la revendication 1 ou la revendication 2 et destiné a permettre des mouvements de translation se- lon deux ou trois directions, caractérisé en ce que lesdites chaînes sont identiques. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les directions de mouvement de translation sont perpendiculaires entre elles. 5. Dispositif de micropositionnement selon la revendication 3 ou la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens de guidage sont constitués par des éléments élastiques. 6. Dispositif de micropositionnement selon la revendication 5 et comportant un levier de transmission par mouvement de translation, carac- térisé en ce que ledit levier de transmission est relié à la base de référen- ce (100), à l'actionneur (150) et aux moyens de guidage (200) correspondants par trois lames élastiques (161, 162 et 163). 7. Dispositif de micropositionnement selon la revendication 6, caractérisé en ce que les centres des trois lames élastiques sont alignés. 8. Dispositif de micropositionnement selon la revendication 7, caractérisé en ce que les longueurs l,î'2 et 3 des lames élastiques, re- liant ledit levier respectivement à l'actionneur, la base de référence et aux -10- moyens de guidage, sont liées par la relation = m; o m est la 1l' 2 n distance entre les centres des lames de longueur e2 et /3 et n est la dis- tance entre les centres des lames de longueur J2 et 1- 9. Dispositif de micropositionnement selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de guidage de chaque chaîne sont réalisés dans une plaque monolithique. 10. Dispositif de micropositionnement selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite plaque monolithique est en aluminium et en ce que les moyens de guidage sont réalisés par électro-érosion 11. Dispositif de micropositionnement à deux degrés de liberté selon la revendication 9, caractérisé en ce que les plaques constituant les deux chaînes sont fixées l'une sur l'autre de manière que les bases de réfé- rence (100) d'une part et les plates-formes mobiles (200) d'autre part soient reliées rigidement entre elles. 12. Dispositif de micropositionnement selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte deux étages superposés et séparés par des entretoises, chaque étage étant formé de deux plaques. 13. Dispositif de micropositionnement selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de commande des action- neurs et en ce que ces moyens de commande sont logés entre lesdits deux éta- ges.