Brevet FR2771179A1 — publié le 19990521

La présente invention concerne un appareillage de laboratoire destiné à manipuler des objets de très petites dimensions, par exemple, de l'ordre de quelques millimètres. Plus précisément l'objet de l'invention concerne un dispositif "passeurinjecteur" pour échantillons solides permettant d'introduire automatiquement et séquentiellement, depuis l'atmosphère vers un moyen de traitement, des échantillons solides ou bien des récipients tels que des nacelles, cupules, ampoules, tubes à essais ou cuves. Le "passeur-injecteur" selon l'invention permet en outre l'opération inverse c'est-à-dire l'extraction du moyen de traitement. Le moyen de traitement peut être un four tubulaire, un appareil analytique, une enceinte d'accès difficile ou à atmosphère contrôlée. Le traitement peut consister en des minéralisations, mesures, analyses effectués isolément ou successivement. Les moyens connus actuellement ne permettent pas l'ensemble de ces opérations. Ils ne sont généralement pas étudiés pour extraire un tel objet d'une enceinte après analyse, ou traitement. En outre les moyens connus ne permettent pas la manipulation d'objets de petites dimensions, ayant par exemple un volume de l'ordre de quelques dizaines de mm3 Aussi de telles manipulations sont actuellement effectuées manuellement, ce qui demande du temps et une certaine expertise. La présente invention permet de remédier à ces inconvénients en proposant notamment d'introduire et d'extraire d'une enceinte des objets de petites dimensions sans les renverser, ni contaminer les uns les autres. Une automatisation complète du cycle introduction-analyse-extraction permet de le reproduire à l'infini. II va sans dire qu'à cause de sa simplicité, I'invention ne se limite pas au mode d'exécution qui est présenté et qu'il est possible de décrire de nombreuses variantes en particulier en adaptant les dimensions des éléments composant ce passeur à la géométrie et la masse des échantillons à manipuler ainsi qu'à la distance à leur faire parcourir. II est possible avec cette invention de manipuler aussi bien des nacelles (échantillons solides, poudreux, liquides), que des ampoules (échantillons gazeux). Ainsi, la présente invention a pour objet un dispositif destiné à introduire et/ou à extraire automatiquement et successivement des objets de petites dimensions d'une enceinte ou four. Selon l'invention, le dispositif comprend en combinaison - un moyen de préhension (ou pince) destiné à saisir de façon précise au moins un desdits objets; - un distributeur destiné à positionner chaque objet vis-à-vis du moyen de préhension; - un moyen de commande du mouvement de la pince, disposé à distance de ladite pince; - un moyen de transfert desdits objets depuis le distributeur jusqu'à une position d'analyse à l'intérieur de ladite enceinte; - un moyen de déplacement et d'obturation hermétique d'une porte d'accès à l'enceinte; - un moyen de contrôle de la fermeture de la porte de l'enceinte; - Un moyen de commande et de séquencement des mouvements des différents moyens, comprenant un micro contrôleur. Plus précisément, le moyen de préhension comprend deux tiges traversant un tube sensiblement selon sa longueur, chacune susceptible de tourner d'environ 90" sur elle-même, à rotation coordonnée commandée par un mécanisme disposé à distance. De façon particulière, le moyen de commande de la rotation des tiges comprend un moyen qui transforme un mouvement de rotation en une translation, associé à un moyen qui transforme ladite translation en rotation limitée, opposée et simultanée des deux tiges. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le moyen de commande de la rotation des tiges comprend un moteur commandant trois pignons l'un d'entraînement, les deux autres liés chacun à l'une desdites tiges. D'une autre façon, le moyen de commande de la rotation des tiges comprend un moteur destiné à la translation d'une crémaillère qui engrène avec deux pignons chacun lié à l'une desdites tiges. Avantageusement, le moyen de transfert comprend un équipage mobile guidé par des rails et entraîné par un moteur pas à pas. L'axe de l'équipage mobile est préférentiellement aligné avec l'axe de l'enceinte. Par ailleurs, le moyen de transfert comprend des moyens d'inclinaison du moyen de préhension. En outre, le moyen de déplacement et d'obturation de la porte comprend plusieurs glissières d'axe incliné vis-à-vis du plan de la porte afin de créer un déplacement selon deux axes perpendiculaires et une pression de la porte contre l'ouverture correspondante du four, en position fermée. Préférentiellement, le micro-contrôleur gère en ensemble de fonctions élémentaires utilisées isolément ou séquentiellement. Le micro contrôleur peut être relié à un moyen de télécommande. Le dispositif selon l'invention peut être utilisé en association avec un appareil d'analyse élémentaire tel qu'une analyse spectrale, chimique, électro-chimique, électromagnétique ou thermogravimétrique. Sans sortir du cadre de l'invention, il peut aussi être utilisé associé à: - un système de préparation d'échantillons comportant éventuellement une dilution ou la mise en solution d'un échantillon; - à un système de minéralisation; - à un système de dosage d'eau (méthode de Karl Fisher ou autre); - à une application impliquant la manipulation d'échantillons radioactifs ou dans une chambre soumise à des rayonnements dangereux; - à un système de pesée; - à un système d'analyses par Résonance Magnétique Nucléaire. D'autres caractéristiques, détails et avantages liés à la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui va suivre, faite à titre illustratif et nullement limitatif en référence aux dessins annexés sur lesquels - La figure 1 représente une vue de dessus du passeur avec ses principaux composants - La figure 2 est une vue de côté du mécanisme de fermeture hermétique; - Les figures 3 et 4 sont des vues de dessus du mécanisme de fermeture hermétique selon l'invention ; La figure 3 donne la position fermée tandis que la figure 4 représente ce mécanisme, en position ouverte; - La figure 5 est une vue schématique latérale du mécanisme de préhension; - La figure 6 est une vue schématique de dessus du mécanisme de préhension; - La figure 7 est une vue simplifiée de face du chariot supportant le moyen de préhension; - La figure 8 est une perspective schématisée du mécanisme de préhension selon l'invention; - La figure 9 est une première variante du dispositif de commande du mouvement du moyen de préhension ; et - La figure 10 est une deuxième variante du dispositif de commande du mouvement du moyen de préhension. Le distributeur linéaire d'échantillons est composé d'un plateau allongé amovible 1 recouvert d'une résine silicone anti-glissement, d'encoches équidistantes 2 pour le logement des nacelles, et de graduations numérotées pour l'identification de l'échantillon. Les échantillons doivent être positionnés au dessus des graduations. Le plateau 1 fixé sur un chariot mobile et entraîné par un moteur pas à pas 4, permet de présenter à la pince 5 L'objet à saisir. Une courroie 3 sert de transmission entre la sortie du moteur 4 et le plateau 1. Plusieurs plateaux avec des revêtements ou des graduations différentes peuvent être disponibles et installés en fonction de l'application envisagée. Afin d'augmenter la capacité du passeur, il est possible soit d'augmenter la longueur et la course du plateau, soit d'utiliser une demicouronne circulaire à la place du plateau linéaire. Les figures 2 (vue de côté), 3 et 4 (vues de dessus) représentent le mécanisme de fermeture hermétique constitué d'une porte 12 fixée sur deux glissières à billes 38 et 11. Pour des raisons de clarté, seule une des deux glissières a été représentée sur les figures 3 et 4. Une partie 11 de la glissière est maintenue à une extrémité par une vis 43 tandis qu'une autre partie mobile 38 est solidaire d'une crémaillère. La partie mobile 38 est entraînée à son autre extrémité par un pignon 35 lui-même entraîné par un axe 42 commandé par un moteur 36. L'axe 42 forme un angle a qui peut être compris entre 50" et 85O avec le plan de la porte 12. Ainsi la rotation du pignon 35 provoque un déplacement de la porte 12 selon deux directions perpendiculaires, comme visible sur la figure 4. Ceci permet d'exercer une pression de la porte 12 contre l'ouverture correspondante du bati lorsque la porte est en position fermée. Afin d'améliorer encore l'étanchéité, la face de la porte 12 (figure 1) en contact avec le four est recouverte d'une plaque de caoutchouc silicone élastique 13 capable de résister à des températures jusqu'à 300 C. II est possible d'utiliser d'autres matériaux adaptés à d'autres contraintes thermiques. Les figures 5, 6 et 8 représentent le moyen de préhension des échantillons, respectivement en vues latérale, de dessus et en perspective. Le moyen de préhension comprend un tube cylindrique creux 6 d'une longueur adaptée à l'importance du déplacement de l'échantillon à obtenir, fermé à chaque extrémité par un bouchon 16. Le tube 6 et les deux bouchons 16 sont traversés de part en part dans le sens de la longueur par deux tiges rigides 17 et 18 qui peuvent chacune tourner autour de leur axe d'un angle de 90C maximum. Du côté échantillons, les tiges 17 et 18 sont coudées deux fois de façon à former un levier qui forme les mâchoires de la pince 5 comme le montre plus précisément la figure 8. II est également possible d'adapter sur les extrémités des tiges (coté échantillons) un fourreau amovible servant de mâchoire et adapté aux pièces à saisir : à titre d'exemples non limitatifs, un revêtement antiglissement, des pièces incurvées ou ayant une sec+ion en forme de L afin de maintenir l'échantillon par le dessous peuvent être prévus. A l'autre extrémité, la tige 17 est pliée à 90C vers le haut, la tige 1 8 est pliée à 90C vers le bas de façon à obtenir sur chaque tige, un effet de rotation opposée pour une seule et même translation du mécanisme de commande 23 entrainant une pièce intermédiaire 22. Pour ce faire, un motoréducteur 25 solidaire d'une pièce 26 actionne la pièce 23 qui coulisse à l'autre extrémité au travers d'un support fixe 27 et entraîne en rotation les tiges 17 et 18. Tout moyen permettant de transformer un mouvement de rotation en un mouvement de translation peut ici être envisagé sans sortir du cadre de la présente invention. Cette disposition permet de commander à distance la fermeture ou l'ouverture des mâchoires de la pince par un simple déplacement linéaire motorisé (figures 5 , 6 et 8). De part sa conception très simple et miniaturisée, cette pince permet en particulier de saisir des objets de toute petite dimension, de sorte que la pince et l'objet saisi aient un encombrement extrêmement réduit tandis que le mécanisme de commande, plus encombrant, reste à distance. Ceci autorise l'introduction d'échantillons de petite taille dans des chambres très étroites, avec une motorisation éloignée. De même, de nombreux mécanismes peuvent commander le mouvement linéaire de va et vient: la figure 8 illustre un mode de réalisation. II va sans dire que le déplacement de la tige 23 peut être provoqué par un moteur entraînant une came, un levier, une vis sans fin ou directement par un électroaimant, vérin ou par tout autre moyen mécanique, pneumatique, hydraulique, électrique, magnétique ou gravimétrique. Une variante au dispositif de commande de la rotation des tiges 17 et 18 consiste à piloter les mâchoires de la pince par un mouvement de rotation limité obtenu au moyen de 2 pignons 50 et 51 de diamètres identiques fixés aux extrémités des tiges 17 et 18 tel qu'illustré par la figure 9. Le pignon motorisé 52 entraine la rotation des pignons 51 et 52 dans des sens opposés et provoque donc l'ouverture ou la fermeture de la pince. Dans ce cas, il n'est pas nécessaire de plier les tiges 17 et 18 à l'extrémité opposée des échantillons car le mouvement de rotation est obtenu directement par un moteur (électrique, continu, pas-à-pas, etc.). Les pignons 50, 51 et 52 peuvent être remplacés par des cylindres en caoutchouc (afin d'éviter les glissements) ou par trois poulies associées à une courroie. II est également possible conformément à la figure 10 d'utiliser une crémaillère double 56 coopérant avec deux pignons 54 et 55 lesquels sont solidaires des tiges 17 et 18. La figure 7 montre plus en détail le moyen de guidage du mécanisme de préhension. Le mécanisme de préhension est fixé sur un chariot 8 à galets 28 guidé par deux rails 9, I'axe de guidage étant aligné avec l'axe du four 15 de façon à permettre l'introduction de la pince dans le four. L'entraînement du chariot 8 est assuré par un moteur pas-à-pas 10, un système de poulie crantée 33 et de courroie 30. Cet entrainement permet, associé à une pièce de liaison 32, des déplacements importants et précis. Le tube 6 est fixé au moyen de deux brides 19 sur une pièce 7 en forme de U à l'envers qui elle-même est vissée 31 sur deux équerres 29. Cette disposition permet de régler l'inclinaison du tube 6 qui peut pivoter autour des vis 31 afin de faciliter son introduction dans l'analyseur. De façon avantageuse, le tube 6 peut être incliné de façon à ce que les mâchoires 5 viennent déposer les échantillons presque au contact du fond du four. Ainsi les échantillons peuvent être déposés délicatement, sans risque de chute au fond (sur la sole) du four. En outre, il est possible d'adapter le dispositif selon l'invention à des récipients de géométrie et de dimensions différentes, par changement du plateau supérieur du distributeur d'échantillons, des mâchoires de la pince ou des dimensions de certains éléments tout en gardant des mécanismes identiques. Par ailleurs, un micro calculateur relié notamment à chacun des moteurs permettant la commande du mouvement des différentes pièces a été programmé afin de coordonner ces différents mouvements et d'assurer certaines fonctions particulières. Conformément à un mode préféré de réalisation de l'invention, cinq opérations élémentaires ont été programmées. Un organe extérieur peut en outre télécommander ces fonctions via des signaux logiques TTL. Les cinq fonctions élémentaires sont: 1. L'ouverture du four - L'extraction d'un objet - La fermeture du four 2. L'ouverture du four - L'introduction d'un objet - La fermeture du four 3. L'incrémentation du distributeur 4. a remise à zéro des déplacements 5. L'enchaînement des fonctions * ouverture du four * extraction d'un objet * incrémentation du distributeur * introduction d'un autre objet * fermeture du four Une autre fonction du micro contrôleur peut être de signaler toute erreur. A ce titre, certains mouvements peuvent être contrôlés par une détection magnétique qui signale tout dysfonctionnement. Durant l'exécution d'une opération, un signal électrique (niveau logique T.T.L.) avertit l'extérieur que le passeur est momentanément indisponible. Un autre signal électrique avertit l'extérieur d'un incident. Le dispositif de l'invention peut être utilisé associé - a différents appareils analytiques nécessitant une manipulation d'échantillons tels que les appareils d'analyse élémentaire, spectrale, chimique, électrochimique, électromagnétique, thermogravimètrique ou autre. - à un système de préparation d'échantillons comportant éventuellement une dilution ou la mise en solution d'un échantillon. - à un système de minéralisation. - à un système de dosage d'eau (méthode de Karl Fisher ou autre). - à une application impliquant la manipulation d'échantillons radioactifs ou dans une chambre soumise à des rayonnements dangereux. - à un système de pesée. - à un système d'analyses par Résonance Magnétique Nucléaire dans lequel l'entrefer de l'aimant est souvent réduit. REVENDICATIONS 1) Dispositif destiné à introduire et/ou à extraire automatiquement,et successivement des objets de petites dimensions d'une enceinte ou four (15), caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison - un moyen de préhension (ou pince) (5) destiné à saisir de façon précise au moins un desdits objets; - un distributeur (1) destiné à positionner chaque objet vis-à-vis du moyen de préhension (5); - un moyen de commande du mouvement de la pince, disposé à distance de ladite pince; - un moyen de transfert (8, 10, 30, 32, 33) desdits objets depuis le distributeur jusqu'à une position d'analyse à l'intérieur de ladite enceinte (15); - un moyen de déplacement et d'obturation hermétique d'une porte d'accès (12) à l'enceinte (15); - un moyen de contrôle (11, 38) de la fermeture de la porte de l'enceinte (15); - un moyen de commande et de séquencement des mouvements des différents moyens, comprenant un micro contrôleur. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen de préhension comprend deux tiges (17, 18) traversant un tube (6) sensiblement selon sa longueur, chacune susceptible de tourner d'environ 90C sur elle-même, à rotation coordonnée commandée par un mécanisme disposé à distance. 3) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen de commande de la rotation des tiges (17, 18) comprend un moyen (23) qui transforme un mouvement de rotation en une translation, associé à un moyen (22) qui transforme ladite translation en rotation limitée, opposée et simultanée des deux tiges. 4) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen de commande de la rotation des tiges (17, 18) comprend un moteur commandant trois pignons l'un d'entraînement (52), les deux autres (50, 51) liés chacun à l'une desdites tiges (17, 18). 5) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen de commande de la rotation des tiges (17, 18) comprend un moteur destiné à la translation d'une crémaillère (56) qui engrène avec deux pignons (54, 55) chacun lié à l'une desdites tiges (17, 18). 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de transfert comprend un équipage mobile (7, 8) guidé par des rails (9) et entraîné par un moteur pas à pas (10). 7) Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'axe de l'équipage mobile (7, 8) est aligné avec l'axe de l'enceinte (15). 8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que le moyen de transfert comprend des moyens d'inclinaison du moyen de préhension (5). 9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de déplacement et d'obturation de la porte (12) comprend plusieurs glissières (11, 38) d'axe incliné vis-à-vis du plan de la porte (12) afin de créer un déplacement selon deux axes perpendiculaires et une pression de la porte contre l'ouverture correspondante du four, en position fermée. 10) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le micro-contrôleur gère en ensemble de fonctions élémentaires utilisées isolément ou séquentiellement. 11) Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le micro-contrôleur est relié à un moyen de télécommande. 12) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est utilisé en association avec un appareil d'analyse élémentaire tel qu'une analyse spectrale, chimique, électro-chimique, électromagnétique ou thermogravimétrique. 13) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il est utilisé associé à un système tel que : un système de préparation d'échantillons comportant éventuellement une dilution ou la mise en solution d'un échantillon, ou un système de minéralisation, ou un système de dosage d'eau (méthode de Kar Fisher ou autre), ou un système de pesée, ou un système d'analyses par Résonance Magnétique Nucléaire. 14) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il est utilisé associé à une application impliquant la manipulation d'échantillons radioactifs ou dans une chambre soumise à des rayonnements dangereux.