Brevet FR2608837A1 — publié le 19880624

-- 1 -- La présente invention concerne le domaine des appa- reils de manipulation d'un élément, et a pour objet un tel appareil permettant la translation, dans l'espace, d'un axe, par exemple, dans un champ magnétique, électrique cu haute fréquence. Actuellement, on utilise des appareils de manipula- tion en translation dans toutes sortes de domaines scientifi- ques, et pour toutes sortes d'applications. Lorsque l'appareil de manipulation est accessible, il se laisse piloter directe- ment par l'opérateur. Par exemple, un microscope ou une micro- sonde se laisse manipuler directement, par des vis micrométri- ques ou autres. Mais très souvert, l'appareil de manipulation n'est pas accessible, car on travaille, par exemple, dans le vide, ou dans l'ultra-vide, comme dans le cas de la spectro- métrie, en atmosphère radioactive comme dans le cas du nucléaire, et plus généralement, en toute atmosphère corrodée ou hostile, telle qu'un champ haute fréquence, un gaz dange- reux ou une température élevée. Un mécanisme de transfert du mouvemer.t est alors nécessaire, du type manuel ou automatique. Les mécanismes de transfert classiques, de type manuel, à base d'engrenages, de biellettes, de chaînes ou autre, sont très souvent lourds, volumineux, complexes et coûteux. De plus, des problèmes de tolérance et de précision sont fréquents. On a alors pensé à les remplacer par des mécanismes de types automatiques, commandés par des micromoteurs contrôlés par des microproces- seurs. Or, ces micromoteurs sont perturbés dans leur fonction- nement, sitôt que l'on travaille, par exemple, dans le vide, ou dans un champ magnétique, électrique ou haute fréquence. Des problèmes importants de fiabilité et de reproductibilité s'ensuivent. Si donc, comme c'est très fréquent, l'appareil de manipulation est inaccessible directement par l'opérateur, et que l'on travaille dans un champ magnétique, électrique ou haute fréquence, on utilise des mécanismes de transfert manuels ou automatiques entraînant des résultats non reproduc- tibles à l'issue d'un certain délai, du fait de leur manque de fiabilité. -2- La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients. Elle a, en effet, pour objet un appareil de manipu- lation en translation, d'un élément tel qu'un axe, caractéri- sé en ce qu'il comporte un dispositif de déplacement pour cha- que dimension de l'espace dans laquelle l'axe est à manipuler, chaque dispositif de déplacement comprenant deux lames précon- traintes en opposition, constituées par un alliage pseudo- élastique ou à mémoire de forme, disposées de part et d'autre d'un moyen de chauffage et/ou de refroidissement provoquant un gradient thermique entre les deux lames et ainsi leur trans- formation martensitique entraînant leur déformation. L'invention sera mieux comprise grâce à la descrip- tion ci-après, qui se rapporte à des modes de réalisation préférés donnés à titre d'exemples non limitatifs, et expli- qués avec référence aux dessins schématiques anrexés, dans lesquels: la figure 1 est une vue en coupe de face d'un appareil de manipulation conforme à l'invention; la figure 2 est une vue en coupe, de gauche, selon A-A de la figure 1, de l'appareil de manipulation conforme à l'inven- tion; la figure 3 est une vue en coupe, de droite, selon B-B de la figure 1, de l'appareil de manipulation conforme à l'inven- tion; la figure 4 est une vue, en perspective, des deux dispositifs de déplacement permettant la manipulation de l'axe dans un plan (x, y); la figure 5 est une vue schématique, en perspective, du dispo- sitif de déplacement permettant la manipulation de l'axe dans la direction (z), et la figure 6 est une vue en coupe de face d'un appareil de manipulation muni d'un porte-échantillons monté sur une canne d'introduction directe d'un spectromètre de masse. Conformément à l'invention, l'appareil de manipula- tion comporte un dispositif de déplacement 2 pour chaque dimension de l'espace dans laquelle l'axe 1 est à manipuler, -3- chaque dispositif de déplacement 2 comprenant deux lames 3 précontraintes en opposition, constituées par un alliage pseudo-élastique ou à mémoire de forme, disposées de part et d'autre d'un moyen de chauffage et/ou de refroidissement 4 provoquant un gradient thermique entre les deux lames 3 et ainsi leur transformation martensitique entraînant leur défor- mation. Un tel appareil convient particulièrement pour la manipulation dans un champ magnétique, électrique cu haute fréquence. Le moyen de chauffage et/ou de refroidissement 4 est avantageusement sous la forme d'une cellule à effet Peltier. Comme le montre la figure 4, chaque dispositif de déplacement 2 est sous la forme d'un support 8 sur lequel sont montées fixes la cellule à effet Peltier 4 ainsi que les deux lames 3, chacune au contact direct de l'une des deux faces de la cellule à effet Peltier 4, les deux lames 3 étant précon- traintes en opposition et maintenues à l'état précontraint en opposition par une lame évidée et articulée 9 les rendant solidaires l'une de l'autre, et étant montées en opposition symétriquement de part et d'autre du support 8. La cellule Peltier 4, par ses faces en céramique, joue un rôle d'isolant électrique. En appliquant à cette cellule 4 un courant variable télécommandé à longue distance à l'aide d'un potentiomètre très sensible, l'une de ses faces devient froide, tandis que l'autre s'échauffe. L'échauffement thermique de la lame 3 entraîne une diminution de la quantité de martensite et le refroidissement de la lame 3 entraîne une augmentation de la quantité de martensite, la température du milieu ambiant TA étant supérieure à la température de début de transformation martensitique M. Il s'ensuit un déséqui- s libre de force qui provoque un déplacement de la lame évidée et articulée 9 et de l'axe 1. En effet, les contraintes d'un tel matériau sont fonction de la déformation appliquée ainsi que de sa température. La lame froide 3 s'éloignera davantage de son état initial, tandis que la lame chaude 3 s'en rappro- chera. Les temps de réponse sont de l'ordre de la seconde. L'épaisseur des lames 3 en alliage pseudo-élastique à mémoire - 4 de forme détermine l'intensité des forces appliquées et, par conséquent, la course des déplacements, également en fonction de la longueur des lames 3. L'écart de température dépend, bien entendu, du type de cellule Peltier utilisée, mais la température peut, en tout cas, être facilement contrôlée dans un écart variant entre - 30 C à + 100 C. Les déplacements peuvent, quant à eux, être contrôlés par des jauges d'extenso- métrie disposées sur la zone de contrainte des lames précon- traintes et étalonnées en fonction des déplacements. L'appareil de manipulation comporte un dispositif de déplacement 2, pour chaque dimension de l'espace dans laquelle l'axe 1 est à manipuler. Si donc on désire manipuler l'axe 1 uniquement selon un axe x, l'enceinte 5 de l'appareil de manipulation renfermera un seul dispositif de déplacement 2. Dans ce premier mode de réalisation, l'axe 1 pourra être fixé directement sur la lame évidée et articulée 9, le déplacement de cette dernière, sous l'effet du déplacement des deux lames 3, entraînant le déplacement de l'axe 1 dans un sens ou dans l'autre de l'axe x déterminé par la direction dans laquelle les lames 3 sont précontraintes. L'axe 1 pourra être guidé, lors de sa manipulation, par un moyen de guidage 6 sous la forme d'un parallélogramme articulé dont la propriété est de garder deux côtés opposés parfaitement parallèles, ou par un moyen de guidage 7 sous la forme d'une glissière, soit à queue d'aronde, si l'on travaille dans le vide, soit à billes, si l'on travaille en atmosphère. Selon un second mode de réalisation représenté figure 4, l'enceinte 5 de l'appareil de manipulation renferme deux dispositifs de déplacement 2 permettant la manipulation de l'axe 1 dans un plan x, y, les deux dispositifs 2 étant situés l'un au-dessus de l'autre selon un angle O( de 90 et l'axe 1 étant maintenu dans les deux évidements 11. En effet, chaque lame évidée et articulée 9 d'un dispositif de déplace- ment 2 est munie d'un élément 10, lui-même muni d'un évidement 11 dans lequel coulisse l'axe 1, et disposé dans un plan perpendiculaire à celui de la lame 9. L'évidement 11 pourra, par exemple, être rectangulaire. -5- Ainsi, le déplacement simultané ou non des lames 3 de chacun des deux dispositifs de déplacement 2, les unes selon l'axe x, les autres selon l'axe y, entraîne le déplace- ment de l'axe 1 dans le plan x, y. L'axe 1 pourra également être guidé, lors de sa manipulation, par un ou plusieurs moyens de guidage 6 ou 7. Le moyen de guidage 6 pourra égale- ment être sous la forme d'une rotule (non représenté aux dessins annexés). Ce moyen sera utilisé, par exemple, dans le cas de la commande du plateau d'antenne d'un missile. Selon un troisième mode de réalisation représenté figures 1 à 3 des dessins annexés, l'enceinte 5 de l'appareil de manipulation renferme trois dispositifs de déplacement 2 permettant la manipulation de l'axe 1 dans un espace à trois dimensions x, y, z, deux dispositifs 2 permettant la manipula- tion de l'axe 1 dans le plan x, y et étant situés l'un au- dessus de l'autre selon un angle o de 90 , l'axe 1 étant maintenu dans les deux évidements 11 et le troisième disposi- tif 2 permettant la manipulation de l'axe 1 selon l'axe z. Le déplacement dans le plan x, y est assuré, comme dans le mode de réalisation précédent, par l'intermédiaire des deux évide- ments 11 des deux lames 9 perpendiculaires. Le déplacement suivant l'axe z, par contre, est assuré par l'intermédiaire d'une pièce 19 directement fixée sur la lame 9. Comme repré- senté figures 2 et 3 des dessins annexés, l'axe 1 pourra être guidé, lors de sa manipulation dans le plan x, y, par deux moyens de guidage 6 sous la forme de deux parallélogrammes articulés, et suivant l'axe z par un moyen de guidage 7 sous forme d'une glissière à queue d'aronde. Bien entendu, cette glissière 7 pourra également être à billes, notamment lorsque l'appareil de manipulation fonctionne en pression atmosphérique et qu'un graissage est possible. Comme le montrent les figures 2 et 3, les parallélo- grammes articulés 6 sont solidaires l'un de l'autre, et l'une des pièces 20 de l'un des parallélogrammes 6 coulisse directe- ment dans la glissière à queue d'aronde 7, cette pièce 20 étant également reliée à la pièce 19 (voir figure 3). - 6 - Ainsi, l'impossibilité de rotation, d'une part, autour de l'axe z et, d'autre part, de la pièce 21 du parallé- logramme articulé 6 entourant l'axe 1, par rapport à la pièce , est assurée. On obtient, par conséquent, une translation dans le plan x, y de la pièce 21 solidaire de l'axe 1 par rapport à la pièce 20 qui coulisse sur la glissière en queue d'aronde 7 selon l'axe z. L'axe 1 est donc manipulable dans les trois dimensions x, y, z de l'espace. Un tel appareil de manipulation ne comporte donc aucun micromoteur. Cette absence de micromoteur assure une absence totale de vibration. Par conséquent, cet appareil est, par exemple, idéal pour tous les types de microsonde. De plus, il est globalement insensible à toutes les variations de la température ambiante. En effet, la transformation martensiti- que entraînant la déformation des lames 3 en matériau pseudo- élastique ou à mémoire de forme, n'a lieu que par création d'un gradient thermique entre les deux lames 3, et non lors d'une variation globale de la température ambiante, les lames 3 étant disposées symétriquement de part et d'autre du support 8. Enfin, un tel appareil de manipulation est totale- ment insensible au gradient très élevé des champs magnétiques, puisqu'il ne comporte aucun micromoteur. C'est la raison pour laquelle il convient parfaitement pour une adaptation à l'extrémité d'une canne d'introduction directe tout à fait classique d'un spectromètre de masse, de manière à assurer les microdéplacements en translation d'un porte-échanti]lons, la canne étant pourvue elle-même d'un mécanisme de rotation. Pour ce faire, et comme le montre la figure 6, l'appareil de manipulation, conforme au troisième mcde de réalisation, comporte, en outre, un porteéchantillons 24 situé à l'extérieur de l'enceinte 5 sous la forme d'un boîtier support et relié, de manière fixe et démontable, à l'une des deux extrémités 1' de l'axe 1, le côté du boîtier support 5 opposé au porteéchantillons 24 étant relié à une canne d'introduction directe 12 des échantillons dans un spectromè- tre de masse ou tout autre appareil, par exemple, un spectro- mètre photoélectronique ESCA, une microsonde ionique, une --7- microsonde AUGER, un microscope électronique etc... Un moyen de chauffage et/ou de refroidissement 4 supplémentaire est disposé entre le porte-échantillons 24 et l'extrémité 1' de l'axe 1, de façon à chauffer ou à refroidir le porte- échantillons 24. Comme le montre la figure 6, le porte-échantillons 24 est fixé sur une tige 13, à son extrémité 13' située hors du boîtier support 5 et dont l'autre extrémité 13" est insé- rée, à l'intérieur du boîtier support 5, dans un support 14 dont l'une des faces est solidaire du moyen de chauffage et/ou de refroidissement 4 sous la forme d'une cellule à effet Peltier, elle-même reliée à l'extrémité 1' de l'axe 1 par un support de liaison 15 dans lequel est insérée ladite extrémité 1' de l'axe 1. Le support 14 peut être avantageusement en cuivre, les faces en céramique de la cellule à effet Peltier 4 jouant le rôle d'isolant électrique. L'axe 1 sera donc déplaçable dans les trois dimen- sions x, y, z de l'espace. L'appareil travaillant dans le vide, la glissière 7 sera à queue d'aronde. D'autre part, dans le cas du vide, pour minimiser les frottements, les deux lames 9 et ainsi les deux évidements 11 assurant la manipulation de l'axe 1 dans le plan x, y seront inclinés de 45 par rapport à la pesanteur terrestre, de manière à équilibrer le propre poids de l'axe 1 qui supporte le porte-échantillons 24. Les échantillons n'excédant pas 1 cm de longueur et de largeur, et 4 mm de hauteur, mais pouvant avoir des formes quelconques, sont fixés par des clips qui coulissent dans huit gorges concentriques. Ces clips maintiennent les échantillons par serrage à vis. Deux grilles 22 et 23 montées sur des isolants, ainsi que le porte-échantillons 24, peuvent être portés à des potentiels variables. Selon une variante de l'invention, le porte- échantillons 24 peut également être sous d'autres formes, par exemple, sous la forme d'un filament chauffant. Les conducteurs électriques sont conçus pour que, dans la majorité de leur parcours, ils soient parallèles à l'axe z qui coincide avec l'axe d'un champ magnétique puissant -8- (par exemple de 2 à 7 Tesla). Quand ils ne sont pas parallèles à l'axe z, ils sont couplés deux à deux (aller et retour du courant), afin qu'il y ait compensation des forces de Laplace. L'axe 1, dont le guidage vient d'être décrit, est creux pour le passage des conducteurs de la cellule à effet Peltier 4. Le boîtier support 5, quant à lui, est relié à la canne d'introduction directe 12 par l'intermédiaire d'un passage étanche verre-métal 16 muni de tubes métalliques 17 autorisant le passage des contacts électriques aux tiges métalliques 18 de la canne d'introduction directe 12. Le porte-échantillons 24 présente six contacts élec- triques, et chacun des dispositifs de déplacement 2 en présente deux, ce qui porte le nombre total des contacts élec- triques à douze. L'appareil de manipulation fixé à l'extrémité de la canne d'introduction directe 12 peut, de par ses dimensions réduites, être fixé ou adapté sur n'importe quel spectromètre de masse, ou tout autre appareil, par exemple, un spectromètre photoélectronique ESCA, une microsonde ionique, une microsonde AUGER, un microscope électronique etc..., comportant une bride d'introduction dont le diamètre d'ouverture est suffisant. A titre d'exemple, la longueur et la largeur de l'appareil pourront être de l'ordre de 6,5 cm, et la hauteur de l'ordre de 15 cm. Le diamètre d'ouverture de la bride d'introduction devra alors être supérieur à 7 cm. La fixation, longitudinale, transversale ou autre, peut être réalisée par une bride standard à couteau, qui assure l'éventuelle étanchéité lorsque l'appareil de manipulation doit évoluer à vide dans le boîtier support 5. Le spectromètre de masse pourra être à résonance cyclotronique ou, plus conventionnellement, quadrupolaire, à secteur magnétique, à secteur électrostatique ou toutes combi- naisons de ces différents types. Il pourra également s'agir d'un scanner X ou RMN ou d'une microsonde laser ou ionique. Dans les modes de réalisation décrits ci-dessus, l'appareil de manipulation a pour fonction de déplacer un élément 1, en l'occurrence un axe 1. Mais il va de soi que cet appareil peut également - 9 - être utilisé pour d'autres applications. En outre, bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés aux dessins annexés. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments, ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention. - 10 - -R E V E ND IC AT I ONS- 1. Appareil de manipulation en translation, d'un élément (1), tel qu'un axe, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de déplacement (2) pour chaque dimension de l'espace dans laquelle l'axe (1) est à manipuler, chaque dispositif de déplacement (2) comprenant deux lames (3) pré- contraintes en opposition, constituées par un alliage pseudo- élastique ou à mémoire de forme, disposées de part et d'autre d'un moyen de chauffage et/ou de refroidissement (4) provo- quant un gradient thermique entre les deux lames (3) et ainsi leur transformation martensitique entrainant leur déformation. 2. Appareil de manipulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de chauffage et/ou de refroidissement (4) est sous la forme d'une cellule à effet Peltier. 3. Appareil de manipulation selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que chaque dispo- sitif de déplacement (2) est sous la forme d'un support (8) sur lequel sont montées fixes la cellule à effet Peltier (4) ainsi que les deux lames (3), chacune au contact direct de l'une des deux faces de la cellule (4), les deux lames (3) étant précontraintes en opposition et maintenues à l'état précontraint en opposition par une lame évidée et articulée (9) les rendant solidaires l'une de l'autre, et étant montées en opposition symétriquement de part et d'autre du support (8). 4. Appareil de manipulation selon la revendication 3, caractérisé en ce que la lame évidée et articulée (9) d'un dispositif de déplacement (2) est munie d'un élément (10), lui-même muni d'un évidement (11) dans lequel coulisse l'axe (1), et disposé dans un plan perpendiculaire à celui de la lame (9). 5. Appareil de manipulation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'axe (1) est guidé, lors de sa manipulation, par un ou plusieurs moyens de guidage (6 et/ou 7). - il - 6. Appareil de manipulation selon la revendication- , caractérisé en ce que chaque moyen de guidage (6) est sous la forme d'un parallélogramme articulé. 7. Appareil de manipulation selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque moyen de guidage (6) est sous la forme d'une rotule. 8. Appareil de manipulation selon la revendication , caractérisé en ce que chaque moyen de guidage (7) est sous la forme d'une glissière soit à queue d'aronde, soit à billes. 9. Appareil de manipulation selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il est princi- palement constitué par une enceinte (5) renfermant un disposi- tif de déplacement (2) permettant la manipulation de l'axe (1) selon un axe (x). 10. Appareil de manipulation selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il est princi- palement constitué par une enceinte (5) renfermant deux dispo- sitifs de déplacement (2) permettant la manipulation de l'axe (1) dans un plan (x, y), les deux dispositifs (2) étant situés l'un au-dessus de l'autre selon un angle (%) de 90 et l'axe (1) étant maintenu dans les deux évidements (11). 11. Appareil de manipulation selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il est princi- palement constitué par une enceinte (5) renfermant trois dispositifs de déplacement (2) permettant la manipulation de l'axe (1) dans un espace à trois dimensions (x, y, z), deux dispositifs (2) permettant la manipulation de l'axe (1) dans le plan (x, y) et étant situés l'un audessus de l'autre selon un angle (XC) de 90 , l'axe (1) étant maintenu dans les deux évidements (11), et le troisième dispositif (2) permettant la manipulation de l'axe (1) selon l'axe (z). 12. Appareil de manipulation selon la revendication 11, caractérisé en ce que pour l'application au domaine de la spectrométrie, il comporte, en outre, un porte-échantillons (24) situé à l'extérieur de l'enceinte (5), sous la forme d'un boîtier support, et relié, de manière fixe et démontable, à l'une des deux extrémités (1') de l'axe (1), le côté du boîtier support (5) opposé au porte-échantillons (24) étant - 12 - relié à une canne d'introduction directe (12) des échantillons dans un spectromètre de masse. 13. Appareil de manipulation selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'un moyen de chauffage et/ou de refroidissement (4) supplémentaire est disposé entre le porte- échantillons (24) et l'extrémité (1') de l'axe (1) , de façon à chauffer ou à refroidir le porte-échantillons (24). 14. Appareil de manipulation selon la revendication 13, caractérisé en ce que le porte-échantillons (24) est fixé sur une tige (13), à son extrémité (13') située hors du boîtier support (5) et dont l'autre extrémité (13") est insé- rée, à l'intérieur du boiter support (5), dans un support (14) dont l'une des faces est solidaire du moyen de chauffage et/ou de refroidissement (4) sous la forme d'une cellule à effet Peltier, elle-même reliée à l'extrémité (1') de l'axe (1) par un support de liaison (15) dans lequel est insérée ladite extrémité (1') de l'axe (1). 15. Appareil de manipulation selon la revendication 14, caractérisé en ce que le support (14) est en cuivre, les faces en céramique de la cellule à effet Peltier (4) jouant le rôle d'isolant électrique. 16. Appareil de manipulation selon la revendication 12, caractérisé en ce que le porte-échantillon (24) est sous la forme d'un filament chauffant. 17. Appareil de manipulation selon l'une quelconque des revendications 12 à 16, caractérisé en ce que le boîtier support (5) est reliée à la canne d'introduction directe (12) par l'intermédiaire d'un passage étanche verre-métal (16) muni de tubes métalliques (17) autorisant le passage des contacts électriques aux tiges métalliques (18) de la canne d'introduc- tion directe (12).