Brevet FR2634956A1 — publié le 19900202

La présente invention concerne un dispositif pour appliquer un mouvement de balayage ou d'oscillation, de fréquence et d'amplitude déterminées, à un élément de balayage. Le dispositif selon l'invention est basé sur l'interaction d'un aimant permanent, dont les pôles se trouvent de chaque côté de l'axe de rotation de l'élément de balayage qui est fixé fermement à cet aimant, avec le champ magnétique dû à un courant électrique circulant dans une bobine de fil électrique qui entoure l'aimant, un petit espace libre radial étant prévu entre l'aimant et la bobine. Pour ramener l'aimant à sa position initiale ou pour inverser le mouvement de balayage, on inverse le courant à travers la bobine. L'aimant et l'élément de balayage fixé à celui-ci se déplacent dans un dispositif mécanique adapté via des pivots souples ou des paliers. Ce dispositif compact est basé sur un circuit magnétique ouvert de l'aimant permanent et son interaction avec un champ magnétique perpendiculaire dû au courant dans la bobine; la force résultante F sur l'aimant mobile et l'élément fixé à celui-ci étant perpendiculaire au champ B dudit aimant permanent et au courant I. Il est ainsi possible de construire une struc- ture mince "comme une galette", de faibles dimensions, de nature compacte et de nature comparativement peu coûteuse. Jusqu'ici les dispositifs de balayage mécani- ques étaient d'assez grande taille, généralement basés sur un ensemble servomoteur. De tels dispositifs de balayage sont utilisés dans le domaine des micro-ondes, en technologie laser, dans certains dispositifs médicaux, etc., o l'on peut utiliser divers éléments de balayage. Les dispositifs classiques comprennent fréquem- ment un moteur électrique monté sur l'axe de rotation, en combinaison avec divers éléments de commande. Les dispositifs classiques sont assez grands, ont une iner- tie et un poids substantiels, et peuvent difficilement être utilisés quand la miniaturisation est une nécessité. Les dispositifs classiques comprennent également des miroirs en forme de polygone ou de prisme qu'un moteur fait tourner à grande vitesse de rotation. La présente invention résout dans une grande mesure les inconvénients des dispositifs connus et offre un dispositif simple, de faible poids, de petite taille, qui fournit à l'élément de balayage un mouvement déter- miné de balayage ou d'oscillation. L'invention concerne un dispositif de balayage pour appliquer à un élément de balayage un mouvement de balayage, à l'intérieur d'un angle limité, déterminé, généralement compris entre +/-20 , à une fréquence déter- minée. Le nouveau dispositif est de petite taille, de structure compacte et peut être fabriqué à partir de composants peu coûteux. Le dispositif est basé sur l'interaction d'un circuit magnétique ouvert d'un puis- sant aimant permanent et du champ magnétique, perpendi- culaire au premier, dû à un courant électrique circulant à travers une bobine qui entoure l'aimant, à une distance faible de celui-ci permettant la rotation de l'aimant et d'un élément de balayage qui est fixé rigidement à cet aimant. Le nouveau dispositif est caractérisé par sa simplicité, sa symétrie, son faible poids et son faible volume, sa faible consommation d'énergie et sa nature assez peu coûteuse. Selon un mode de réalisation on utilise un puissant aimant permanent en forme d'anneau, auquel est fixé un élément capteur, tel qu'un miroir. Le dispositif comprend un bâti auquel est fixé, via un élément flexible (tel qu'un pivot souple), ou via des paliers classiques, un élément combinant un tel aimant en forme d'anneau avec l'élément capteur fixé (miroir), ledit aimant étant entouré d'une bobine de fil électrique, des moyens étant fournis pour exciter la bobine d'une façon prédéterminée. L'aimant permanent est magnétisé diamétralement de sorte que les pôles magnéti- ques sont opposés l'un à l'autre dans la plan de l'anneau, la direction du champ magnétique étant perpendiculaire à l'axe de rotation de l'aimant. Il existe seulement un petit espace libre radial entre le diamètre extérieur de l'aimant en forme d'anneau et le diamètre intérieur de la bobine. Quand le courant circule à travers la bobine, le champ magnétique résultant interagit avec le champ magnétique de l'aimant permanent qui est perpendiculaire à celui-ci, avec pour conséquence un moment dans une direction perpendiculaire à celles de ces champs magnéti- ques, selon l'équation fondamentale F = I x B o B est le vecteur du champ de l'aimant, I est le vecteur du courant dans la bobine et F est le vecteur force résul- tant perpendiculaire aux deux autres vecteurs. Le mouve- ment de rotation résultant est commandé par un dispositif de commande classique qui commande les paramètres du balayage ou de l'oscillation. La fréquence du courant et les éléments mécaniques définissent l'angle et la forme d'onde du balayage qui est à l'intérieur d'un angle de +/-20 et de préférence entre +/-2 environ et +/7,5 environ. On préfère utiliser des éléments de liaison flexibles tels que des pivots souples. On peut aussi utiliser de petits paliers classiques. On utilise aussi avantageusement de puissants aimants permanents du type samarium-cobalt, qui sont magnétisés de façon à établir deux pôles magnétiques opposés. Le circuit magnétique ouvert est la base du nouveau dispositif. Généralement on utilise des aimants en forme d'anneau ayant un diamètre d'environ 10 à 100 mm et une épaisseur d'environ 2 à 10 mm. On peut aussi utiliser d'autres formes d'aimants, tels que des aimants tiges ou barreaux, avec des pôles magnétiques à leurs extrémités. La bobine de fil électrique entourant l'aimant délimite un espace de l'ordre de 0,2 à 0,3 mm qui accorde un espace libre adéquat pour le mouvement mécanique, mais qui est suffisamment étroit pour permettre une très forte interaction des champs magnétiques. La tension du courant passant à travers la bobine est généralement de l'ordre de 5 V et une puissance d'environ 0,3 W à environ 1 W convient généralement pour le balayage souhaité. L'élément capteur, fixé à l'aimant permanent, peut être un miroir, une petite antenne, etc. L'invention est illustrée en référence à un petit miroir, mais cela est à titre d'exemple uniquement. Comme cela a déjà été dit, l'aimant n'est pas nécessairement un aimant de forme circulaire. Il peut être un polygone; il peut être un aimant en forme de barreau magnétisé selon son axe, la principale exigence étant la fourniture de deux pôles magnétiques en des endroits opposés avec un circuit magnétique ouvert. Quelle que soit la forme d'aimant les lignes de flux de l'aimant émanent des pôles, le champ magnétique étant perpendiculaire à la direction de rota- tion (axe de rotation). Le système de balayage de l'invention peut être utilisé avec un appareil à micro-ondes et un équipement de télécommunication quand on a besoin d'un balayage à l'intérieur d'un angle faible. Un dispositif de détection convenable sera adjoint au miroir mobile. En outre, l'aimant et l'élément fixé à celui-ci (miroir, etc.) peuvent être suspendus dans un cardan ou un système analogue avec un dispositif pour faire reve- nir l'aimant à sa position initiale à la fin du balayage. Il est en outre avantageusement fourni un système de commande pour la commande positive du mouve- ment de balayage. Un mode de réalisation préféré d'un tel système de commande comprend un dispositif capteur de position électro-optique en boucle fermée avec le courant appliqué à la bobine. Un tel système peut compor- ter une diode électroluminescente (LED) faisant face à un détecteur, avec un "drapeau" interposé entre eux. Le "drapeau" est relié au miroir vibrant. Le rotor est équilibré autour de son axe de rotation par un choix adapté de l'aimant qui sert aussi de poids d'équilibrage. Les paramètres du balayage sont de nature prédéterminée: le balayage peut avoir une vitesse uniforme dans une direction avec un retour rapide et une répétition du balayage. Il peut y avoir une vitesse de balayage identique dans les deux directions. Le mouve- ment est déterminé aussi bien en ce qui concerne la fré- quence du mouvement qu'en ce qui concerne sa forme d'onde. Un élément préféré est un miroir directement fixé à l'aimant ("le rotor"). Différents modèles de miroirs peuvent être utilisés tels que plans, concaves, convexes, sphériques ou asphériques, etc. L'élément de miroir est utilisé pour acheminer le rayonnement électromagnétique à des éléments capteurs convenables, ce qui fournit une image de l'objet balayé. La fréquence résultante résulte de la fréquence du courant appliqué. Il est possible de faire vibrer le miroir à une résonance qui dépend de l'élément mécanique (masse de l'élément tournant) et des pivots souples; généralement il est avantageux d'appliquer un courant dont la fréquence est voisine, mais non identique à celle des éléments mécaniques. Il est avantageux d'avoir recours à un faible espace libre radial (de l'ordre d'environ 2/10 à 3/10 de millimètre) entre le diamètre extérieur de l'anneau magnétique et la bobine qui l'entoure ou entre l'aimantbarreau et la bobine. Il en résulte une très forte interaction des champs magnétiques et du champ magnétique de la bobine qui entoure l'anneau, avec pour conséquence un moment maximum. Le dispositif simple et léger supprime la nécessité d'utiliser un servomoteur qui applique sa force à l'axe de rotation. Le nouveau dispositif a l'autre avantage de prendre très peu de place, d'avoir une faible consomma- tion, d'être de conception souple et de rendre possible une structure plate, compacte "comme une galette". Le moteur à circuit magnétique ouvert est concentrique et plat autour du miroir mobile. L'invention est illustrée à titre d'exemple en référence aux dessins schématiques annexés, qui ne sont pas à l'échelle, et dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe d'un dispo- sitif selon l'invention avec un axe de balayage extérieur; - la figure 2 est une vue en coupe d'un dispo- sitif selon l'invention avec un axe de balayage intérieur; - la figure 3 est une vue en coupe d'un dispo- sitif selon l'invention avec l'option grand angle de balayage; - la figure 4 est une vue en perspective d'un dispositif selon l'invention avec un axe de rotation horizontal; - la figure 5 est une vue du dispositif de la figure 4 o l'aimant permanent "rotor" a été écarté du plan de la bobine; - la figure 6 illustre un autre mode de réalisation avec un aimant en forme de barreau. Comme montré à la figure 1, une réalisation de l'invention comprend un bâti 11 en forme d'anneau auquel est fermement attachée une bobine de fil électrique circulaire 12 qui est munie de fils conducteurs, non montrés dans les figures, pour la relier à une source de puissance convenable. Il est prévu un puissant aimant permanent 13 en forme d'anneau qui est fixé à la pièce support 14, qui supporte un miroir 15 fixé fermement. La pièce support 14 est fixée au bâti 11, via les pivots souples 16 et 17, et ainsi la structure intégrale consti- tuée de l'aimant 13, du support 14 et du miroir 15 est capable de se mouvoir autour de l'axe de rotation 18. Quand la bobine 12 est alimentée pendant une brève période de temps, l'ensemble 13/14/15 tourne d'un angle déterminé, généralement de l'ordre et jusqu'à 15 environ, et de préférence compris entre 2 environ et 10 environ. Le miroir balaie ainsi un certain secteur, la durée et l'angle du balayage dépendant de la fréquence du courant qui traverse la bobine 12. Un autre mode de réalisation de l'invention est illustré en référence à la figure 2 o 21 est une pièce support à laquelle est fermement fixée la bobine de fil électrique circulaire 22. La pièce support 21 porte aussi la diode électroluminescente 23 et le photodétecteur 24. On présente un puissant aimant permanent 25 qui forme une entité avec le miroir 29, entité qui est capable d'effec- tuer un mouvement de balayage autour de l'axe indiqué par la flèche autour des pivots souples 26 et 27. Au miroir 26 est fixé un "drapeau" 28 qui passe pendant le balayage entre la diode électroluminescente et le détecteur, et qui permet une commande précise du balayage en réglant le courant allant à la bobine. Ce dispositif possède un axe de balayage intérieur. Un dispositif analogue est montré à la figure 3 qui offre une option à grand angle de balayage. La bobine 37 est fixée au support 32. Un drapeau 33 est fixé au miroir et passe entre la diode électrolumines- cente 34 et le détecteur 35 qui sont portés par le même support via les joints souples 36 et 37a, de façon à être capables d'effectuer le mouvement de balayage autour de l'axe indiqué par la flèche. Comme montré à la figure 4, on trouve une bobine ("stator") 41, avec un anneau aimant coaxial, avec un faible espace libre radial, auquel est rigidement fixé un miroir. Les pôles de l'aimant sont repérés par S et N et le vecteur du champ magnétique résultant par B. Le courant électrique I (figure 5) traversant la bobine 41 (flèche) produit un champ magnétique perpendiculaire au premier, l'interaction de ceux-ci produisant une force (vecteur F) (selon F = I x B) qui a tendance à faire tourner l'anneau aimant autour de son axe de rotation 43. En changeant la direction de I on change la direction de F et on provoque une contrerotation du miroir fixé à l'anneau aimant. Comme montré à la figure 6, une réalisation de l'invention comprend un miroir 61 fermement fixé à l'aimant barreau 62 avec des pôles S et N à ses extré- mités, cet aimant barreau 62 étant entouré par une bobine de section rectangulaire 63 qui est reliée à une source de courant. Le champ magnétique B interagit avec le champ magnétique de la bobine produit par 63, I, d'une manière telle qu'il en résulte un vecteur F, perpendiculaire au champ magnétique et au vecteur I qui a tendance à faire tourner l'aimant miroir autour de l'axe de rotation 64. La figure 5 illustre un déplacement de l'aimant anneau 42 à partir du plan de la bobine 41, résultant d'une telle interaction. La rotation a lieu pendant que l'ensemble miroir-aimant est capable de le faire autour des pièces à axes souples ou autour de paliers (paliers à roulements à billes) qui sont fixés au bâti qui porte la bobine. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour appliquer un balayage répétitif ou une oscillation à un appareil comprenant un aimant permanent auquel est fixé un élément capteur, à une fréquence prédéterminée et avec un angle de balayage prédéterminé, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison un bâti (11) (21) (32) auquel est fixée une bobine de fil électrique (12) (22) (37), des moyens prévus pour faire passer un courant dans la bobine; un élément s'étendant autour du centre du bâti (11) (21) (32), auquel est fixé de façon rotative un ensemble comprenant un puissant aimant permanent (13) (25) auquel est fixé l'élément capteur (15) , (29), un faible espace étant prévu entre la bobine (12), (22), (37) et l'aimant, de façon que l'aimant-capteur ("rotor") soit capable de tourner autour d'un axe de rotation quand le champ magnétique ouvert (B) de l'aimant permanent et celui dû au courant (1) dans la bobine, qui sont perpendiculaires l'un à l'autre, interagissent pour produire un vecteur force et un moment autour de l'axe de rotation. 2. Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé en ce qu'il présente des moyens de commande pour commander la fréquence et l'angle du balayage ou de l'oscillation. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'aimant (42) a une forme d'anneau et en ce que la bobine (41) est une bobine circulaire coaxiale à l'intérieur ou à l'extérieur de l'aimant, avec un faible espace libre radial entre eux. 4. Dispositif selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'aimant permanent est du type samarium-cobalt. 5. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 4, caractérisé en ce que l'aimant est magnétisé pour définir deux pôles diamétralement opposés, d'o il résulte un circuit magnétique ouvert, les lignes de force magnétiques dans le dispositif étant essentiel- lement perpendiculaires au vecteur courant(T)dans la bobine et perpendiculaires à l'axe de rotation. 6. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 5, caractérisé en ce que l'ensemble monté de façon rotative est relié au bâti via des pivots souples ou via des paliers (16) (17) (26) (27) (36) (37a). 7. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 6, caractérisé en ce que le capteur (15) (29) fixé à l'aimant monté de façon rotative est un miroir, une antenne, ou tout capteur utilisable pour des applications spécifiques de balayages. 8. Dispositif selon la revendication 7, carac- térisé en ce que le miroir est un miroir en anneau de forme plane, sphérique ou asphérique. 9. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif capteur électro-optique (23) (24) (28) (33) (34) (35) en boucle fermée avec le courant appliqué à la bobine. 10. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 1, 2 ou 4 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend un aimant permanent (62) en forme de barreau ou de tige, les pôles de l'aimant étant diamétralement opposés, une bobine (63) de forme correspondante entourant ledit aimant, un espace étant prévu entre eux, permettant la rotation requise à l'intérieur d'un angle donné. 11. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 10, caractérisé en ce que l'aimant, quand il a une forme d'anneau, a un diamètre compris entre 10 et 100 mm et une épaisseur comprise entre 2 et 10 mm; et quand il a une forme de tige une longueur comprise entre 10 et 100 mm. 12. Procédé pour communiquer à un élément capteur (15 (29) un mouvement de balayage ou d'oscilla- tion selon des paramètres déterminés, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à fixer ledit cap- teur à un aimant permanent (13 (25) avec des p8les diamétralement opposés conduisant à un circuit magnéti- que ouvert, à prévoir une bobine (11) (21) (32) autour dudit aimant et à faire passer à travers celle-ci un courant de fréquence et d'intensité prédéterminées; des moyens étant prévus pour faire tourner l'aimant et le capteur qui lui est fixé sous l'effet de l'interaction des champs magnétiques. 13. Procédé selon la revendication 12, carac- térisé en ce que les paramètres du balayage ou de l'os- cillation sont commandés par des signaux provenant de dispositifs capteurs optiques (23) (24) (28) (33) (34) (35) qui sont en boucle fermée avec le courant appliqué à la bobine.