Brevet FR2625335A1 — publié le 19890630

La présente invention a pour objet un dispositif à miroir oscillant pour la déviation de rayons électromagnétiques. On sait que des dispositifs apparentés aux galvanomètres sont mis en oeuvre depuis longtemps dans différents secteurs de la technique: ainsi les premiers oscilloscopes fonctionnaient avec des systèmes à miroir oscillant. De tels dispositifs sont généralement constitués de miroirs tournants montés sur axe et pilotés soit par des moteurs à grande vitesse, soit par des électro-aimants. La nécessité de pousser les performances de ces systèmes a conduit les demandeurs à orienter leurs recherches vers la mise au point d'un dispositif susceptible de faire osciller un miroir à grande vitesse de façon contrôlable et modulable. Le dispositif selon l'invention répond à cette exigence car il permet de faire vibrer un miroir de zéro à plusieurs kilo- Hertz, ouvrant ainsi la porte à de nombreuses applications qui seront exposées plus loin. Le dispositif selon l'invention présente la caractéristique essentielle de comporter un miroir solidaire d'un bobinage situé dans un champ magnétique intense et susceptible d'osciller à grande fréquence sur un support réalisé en un matériau élastique sur lequel l'ensemble miroir- bobinage est fixé par collage. La mise en oeuvre d'un support élastique et d'un champ magnétique intense dans le dispositif selon l'invention présente un certain nombre d'avantages remarquables par rapport aux dispositifs existants, tant en ce qui concerne la vitesse d'oscillation déjà évoquée qu'en ce qui concerne la fiabilité et la compacité du système, ainsi que la puissance électrique qu'il requiert pour son fonctionnement. En effet, le support élastique, tout en assurant l'amortissement des oscillations de l'ensemble miroir-bobinage, permet d'éviter le recours à des pièces mécaniques en frottement ou en rotation, telles que des roulements à bille qui se détériorent progressivement dans le temps; il en résulte une fiabilité exemplaire du dispositif selon l'invention. Par ailleurs, la commande du dispositif selon l'invention ne nécessite pas la mise en oeuvre d'un ensemble électronique de grande puissance, comme c'est le cas pour les dispositifs existants, puisque quelques watts peuvent suffire pour le piloter. - 2 - 2625335 Ce fait, joint à la simplicité du dispositif, permet au système selon l'invention de présenter l'avantage supplémentaire d'une compacité considérablement réduite allant jusqu'à la miniaturisation, le volume de l'ensemble pouvant être inférieur au dixième de celui des systèmes existants (de l'ordre de 12 mm x 10 mm x 15 mm). Enfin, le dispositif selon l'invention offre également l'avantage d'une linéarité de fonctionnement de 0 Hertz à plusieurs kilo-Hertz, ce qui constitue une autre supériorité sur la plupart des systèmes existants, dont certains ne fonctionnent qu'à une seule fréquence. Tous les avantages qui viennent d'être exposés résultent en des performances tout à fait exceptionnelles du dispositif selon l'invention, qui peut être miniaturisé à l'extrême. Ces performances exceptionnelles du dispositif selon l'invention tiennent, ainsi qu'il a déjà été dit, à la mise en oeuvre conjointe d'aimants de grande puissance et d'un support du miroir aux propriétés élastiques. Les aimants mis en oeuvre dans le dispositif selon l'invention sont en effet des aimants de produit d'énergie supérieur à 100 kj/m3, aptes à créer des champs magnétiques de grande intensité. Ces aimants de grande puissance sont réalisés dans un matériau magnétique du type Néodyne-Fer, dont le produit d'énergie peut dépasser 200 kj/m3. Les aimants mis en oeuvre dans le dispositif selon l'invention peuvent être constitués d'un ensemble de deux aimants dont l'un affecte approximativement la forme d'un "U" et l'autre la forme d'un parallélépipède, placé dans l'entrefer du premier. - Ils peuvent être également constitués de trois plaquettes frittées d'un matériau magnétique du type Néodyne-Fer disposées parallèlement sur un support, réalisé ou non dans le même matériau. Ils peuvent être aussi constitués d'un seul bloc affectant grossièrement la forme d'un "E". Dans l'un et l'autre cas, le support du miroir est fixé sur l'élément médian, par collage au moyen d'une colle appropriée qui peut être du type cyanacrylate, l'ensemble miroir-bobinage venant coiffer ledit support. Le support élastique mis en oeuvre peut être réalisé soit -3- 2625335 en un matériau purement élastique ou présentant un faible coefficient d'amortissement, soit en un matériau présentant un fort coefficient d'amortissement, selon la réponse attendue. Dans le cas o le support du miroir est réalisé en un matériau élastique présentant un fort coefficient d'amortissement, le système peut présenter une courbe de réponse particulièrement satisfaisante, telle que celle représentée sur la figure 2 annexée, o i (t) désigne l'intensité du courant traversant la bobine, c (t) la réponse angulaire du miroir et r le temps de montée du système à 63 %. Le matériau mis en oeuvre dans ce cas est avantageusement un polyuréthane, tel celui commercialisé sous la dénomination "SORBOTHANE". Dans le cas o le support du miroir est réalisé en un matériau purement élastique ou présentant un faible coefficient d'amortissement, le système ne peut être utilisé qu'à sa fréquence de résonance propre, à moins que sa commande électronique n'intégre un filtre, délicat à étalonner, destiné à compenser la résonance propre du système. Le matériau mis en oeuvre dans ce cas peut être n'importe quel matériau élastique, tel qu'un latex naturel ou un latex d'élastomère de synthèse du type styrène-butadiène ou styrène- butadiène-styrène. Ce support élastique, ainsi qu'il a déjà été dit, supporte l'ensemble miroir-bobinage, qui lui est fixé par collage au moyen d'une colle appropriée, telle qu'un cyanacrylate. Le miroir mis en oeuvre dans le dispositif selon l'invention est avantageusement un miroir alliant légéreté, rigidité, tenue en température et performances optiques. Le matériau utilisé comme support de la surface réfléchissante peut être un verre extrêmement fin, d'épaisseur inférieure à 0,2 mm, du bérylium d'épaisseur inférieure à 0,4 mm ou encore une polysulfone. L'argenture ou l'aluminure constituant la surface réfléchissante du miroir devra avantageusement présenter un spectre de réflexion le plus large possible pour pouvoir couvrir des applications allant de l'infra- rouge aux rayons X. Le bobinage mis en oeuvre dans le dispositif selon l'invention est réalisé en un conducteur métallique formé en spires jointives, ce conducteur métallique pouvant être le cuivre - 4- 2625335 ou un alliage complexe de conductivité élevée. Le conducteur métallique mis en oeuvre peut affecter la forme d'un fil, auquel cas le bobinage est formé en spires superposées, sur une ou deux couches. Ce fil peut être très fin, de l'ordre de quelques centièmes de millimètres-de diamètre, si l'on veut un dispositif très miniaturisé. On peut ainsi mettre en oeuvre, à titre d'exemple, un fil de cuivre émaillé de 4/100 mm de diamètre, formé en 100 spires superposées en 2 couches. Le bobinage peut également consister en une incrustation sur le matériau constituant le support de la surface réfléchissante du miroir, auquel cas le miroir occupe la partie centrale de ce support et est entouré de l'incrustation constituant le bobinage, lequel prend approximativement la forme d'une spirale. Dans le cas o le bobinage est constitué d'un fil métallique formé en spires, il est de préférence réalisé sans support, de manière à contribuer à la légèreté du dispositif. Dans ce cas, le miroir est fixé sur le bobinage par collage au moyen d'une colle appropriée, telle qu'un cyanacrylate, cette fixation se faisant de préférence sur deux c6tés opposés du polygone formé par les spires. L'ensemble miroir-bobinage est, ainsi qu'il a déjà été dit, fixé par collage sur le support élastique, lui-même fixé également par collage sur l'aimant médian de l'ensemble d'aimants mis en oeuvre. Cette fixation de l'ensemble miroir-bobinage sur le support élastique peut se faire de différentes façons correspondant à différentes configurations dudit support élastique. La fixation peut ainsi se faire soit sur le miroir seul, soit à la fois sur le miroir et le bobinage. Ainsi, dans un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention, le bobinage affecte grossièrement la forme d'un parallélépipède rectangle, le miroir est collé sur les deux grands côtés du rectangle qui constitue la face supérieure de ce parallélépipède, et l'ensemble miroir-bobinage vient coiffer l'aimant médian de l'ensemble d'aimants mis en oeuvre. Selon une variante de ce mode de réalisation du dispositif selon l'invention, le support élastique peut affecter la forme d'un parallélépipède rectangle, d'un tonneau ou d'une bobine, ou _- 5 _2625335 toute autre forme appropriée, et être fixé uniquement sur le miroir. Selon une autre variante de ce mode de réalisation, le support élastique peut être constitué d'un bloc collé à la fois au miroir et au bobinage. Selon une autre variante encore, le support élastique peut être constitué de deux éléments en "L" inversé dont chacun est fixé d'une part à l'aimant médian, et d'autre part à une face interne du parallélépipède configuré par le bobinage. Enfin, selon une dernière variante, le support élastique peut être constitué de deux éléments situés de part et d'autre de l'aimant médian et supportant deux côtés opposés du parallélépipède configuré par le bobinage. Dans un second mode de réalisation du dispositif selon l'invention, le bobinage est constitué d'incrustations métalliques ménagées, autour du miroir, sur la surface qui en supporte l'argenture ou l'aluminure. Dans ce mode de réalisation, le miroir est fixé sur le support élastique, qui peut affecter la forme d'un parallélépipède rectangle, d'un tonneau ou d'une bobine, et qui est fixé sur l'aimant médian. Dans tous les cas, l'alimentation du bobinage en courant électrique s'effectue au moyen de deux fils conformés en ressorts, reliés à chacune des extrémités du bobinage. Sous l'action du courant électrique et du champ magnétique, le miroir se met à osciller à une fréquence égale à celle du courant, l'amplitude des oscillations étant fonction tout à la fois de l'intensité du champ magnétique et de l'amplitude maximale du courant. Ces paramètres étant convenablement choisis, les oscillations du miroir peuvent être avantageusement utilisées pour dévier des rayons électromagnétiques, le pilotage de l'ensemble étant réalisé par des moyens électroniques appropriés. Le dispositif selon l'invention peut ainsi trouver de nombreuses applications dans tous les secteurs de la technique susceptibles de faire appel à la déviation de rayons électromagnétiques, qu'il s'agisse de leur émission ou de leur réception. On peut citer, à titre d'exemples non limitatifs: - en émission: déviation d'un rayon laser à l'aide d'un dispositif double, soit pour la réalisation de dessins ou - 6 -2625335 graphiques sur un support quelconque, soit pour la réalisation de découpes ou de gravures, dans le cas de lasers de forte puissance. - en réception: balayage d'un plan ou d'un volume pour cameras à 'n-ra-Rouges. - en émission-réception: reconnaissance de formes au laser ou aux rayons X; copieurs-laser, photocopieurs. L'invention va être maintenant décrite plus en détail en référence aux dessins annexés, étant bien entendu que cette :!escription ne présente aucun caractère limitatif au regard du dispositif qui fait l'objet de la présente invention. Dans les dessins annexés: - la figure 1 représente une coupe transversale en perspective d'un dispositif selon l'invention. - la figure 2 représente une courbe de réponse d'un dispositif conforme à l'invention. - les figures 3a, 3b et 3c représentent en coupe transverse trois variantes du dispositif selon l'invention orrespe a trois configurations différentes du support élastique. En se référant d'abord à la figure 1, on voit l'aimant 1 comportant deux éléments extérieurs la et-lc et l'aimant médian lb. Le miroir 2 est fixé par collage, d'une part au bobinage 3 alimenté en courant par des fils électriques 5 et d'autre part au t support élastique 4 lui-même fixé par collage sur l'aimant médian lb. Sous l'action d'un courant électrique appliqué au bobinage 3, l'ensemble miroir-bobinage oscille entre deux positions extrêmes dont l'une est représentée en pointillés. La figure 3a représente un support' élastique constitué d'un bloc fixé tout à la fois au miroir 2 et au bobinage 3. L -.gure 3b représente un support élastique constitué de deux éléments 4a et 4b dont chacun supporte un côté du bobinage 3, le miroir 2 pouvant reposer sur un couteau 6 représenté en pointillés. La figure 3c représente un support élastique constitué de deux éléments 4a et 4b dont chacun est fixé à une face interne du bobinage 3. A titre d'exemple, un dispositif selon l'invention conforme à celui représenté sur la figure 1 est constitué de trois plaquettes frittées de Néodyne-Fer, la plaquette médiane est coiffée d'une bobine de 100 spires de fil de cuivre émaillé de diamètre 4/100 mm, sur laquelle est fixé un miroir fixé par ailleurs sur un support de polyuréthane de forme parallélé- pipédique, lui-même fixé sur la plaquette médiane. La tension maximale admissible est de 10 volts, soit un courant de 0,2 A, la résistance d'un tel bobinage étant d'environ ohms. Il en résulte une puissance crête de 2 watts. Les moyens de pilotage nécessaires pour ce dispositif sont des amplificateurs linéaires pouvant dissiper des puissances de l'ordre de 2 watts. Un signal électrique triangulaire appliqué à ce dispositif permet d'obtenir un balayage uniforme en temps, la vitess angulaire du miroir étant uniforme en valeur absolue. Un tel dispositif peut permettre la digitalisation d'images au moyen d'un rayon dévié par deux miroirs disposés de manière que l'on puisse balayer avec l'un l'axe X d'un plan et avec l'autre l'axe Y du même plan. Ainsi, si on applique au bobinage du miroir qui permet de balayer l'axe X un signal constitué d'une rampe de 256 marches d'escalier, et au bobinage du miroir qui permet de balayer l'axe Y un signal triangulaire dont la demi-période correspond à une marche du signal précédent, on peut digitaliser une image en 256 demi-périodes. Si F' désigne la fréquence du balayage sur Y, on peut digitaliser une image de 256 x 256 points, en un temps égal à 128/F'. Dans le cas o F' = 3 000 Hz, cette digitalisation peut être réalisée en 128/3 000 = 4,2/100 s, et ce en émission ou en réception. - 8- 2625335 REVENDICATIONS 1. Dispositif à miroir(s) oscillant(s) pour la déviation de rayons électromagnétiques, du type comportant au moins un miroir solidaire d'un bobinage alimenté en courant électrique et placé dans un champ magnétique, caractérisé en ce que le champ magnétique est un champ de grande intensité, créé par un ensemble de trois aimants réalisés en un matériau magnétique de produit d'énergie supérieur à 100 kj/m3, disposés parallèlement les uns aux autres, et que, le miroir étant solidarisé au bobinage, l'ensemble miroir-bobinage est fixé sur un support élastique lui- même rendu solidaire de l'aimant médian. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fixations du miroir sur le bobinage, de l'ensemble miroir- bobinage sur le support élastique et du support élastique sur l'aimant médian sont réalisées par collage au moyen d'une colle appropriée du type cyanacrylate. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les trois aimants sont réalisés par frittage du matériau magnétique. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le matériau magnétique est le Néodyne-Fer. 5. Dispositif selon la revendication 3 ou la revendication 4, caractérisé en ce que les trois aimants sont constitués de trois plaquettes frittées fixées sur un support et disposées parallèlement l'une par rapport à l'autre. 6. Dispositif selon la revendication 3 ou la revendication 4, caractérisé en ce que les trois aimants constituent un bloc affectant grossièrement la forme d'un "E", obtenu par frittage et moulage. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensemble miroir-bobinage coiffe l'aimant médian. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le support élastique est réalisé en un matériau élastique à fort coefficient d'amortissement. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le matériau élastique est un polyuréthane. 9 - 2625335 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le support élastique est réalisé en un matériau élastique à faible coefficient d'amortissement. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le dispositif est associé à une commande électronique intégrant un filtre destiné à compenser la résonance propre du système. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le support élastique affecte grossièrement la forme d'un parallélépipède rectangle et est fixé au miroir seul. 13. Dispositif selon l'une-quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le support élastique constitue un bloc fixé à la fois au miroir et aux faces internes du bobinage. 14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bobinage est alimenté en courant électrique au moyen de deux fils conformés en ressorts et reliés à une source de courant ou de tension électrique comportant des moyens pour moduler l'intensité, la fréquence et la forme du courant ou de la tension admis dans le bobinage. 15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est relié à des moyens permettant de piloter le rayon électromagnétique à dévier.