Brevet FR2847742A1 — publié le 20040528

Le secteur technique de la présente invention est celui des dispositifs à faible course, en particulier une course micrométrique. Ces dispositifs peuvent être désignés par le terme actionneur micrométrique et sont utilisés pour la génération et la maîtrise d'un effort bidirectionnel appliqué à un élément ou une pièce, et dans un domaine de déplacement micrométrique en fonctionnement statique ou quasi-statique. A titre d'exemple, il peut être utilisé par exemple afin de déformer un miroir dans une application de correction de surface d'onde et/ou de le positionner. Un actionneur micrométrique d'efforts peut comporter une interface élastique afin de réaliser un actionneur de déplacement (ou positionneur) capable de positionner des optiques, des capteurs ou tout autre charge avec une précision nanométrique. On connaît actuellement différents types d'actionneurs à faible course. On trouve notamment sur le marché des moteurs à force linéaire électrique, des vérins pneumatiques ou hydrauliques, ou encore des actionneurs fonctionnant par effet inverse piézo-électrique ou électro-strictif. Ces actionneurs présentent cependant de nombreux inconvénients, et notamment la nécessité d'utiliser une fonction de commande complexe afin de réguler l'effort appliqué, l'utilisation continue d'une source d'énergie pour maintenir l'effort appliqué, ou encore des problèmes d'hystérésis en fonctionnement élevé. Le but de la présente invention est donc de fournir un dispositif de déplacement qui applique à une pièce quasi30 statique (se déplaçant peu ou pas sous l'effet de la force) un effort de + 50 N par exemple, qui maintienne cet effort hors énergie. Elle procure un dispositif doué d'une sensibilité d'effort inférieure à 1 gramme, qui assure une grande stabilité sur le maintien de l'effort, tout en utilisant des technologies de construction et de commande économiques et en étant peu sensible à un déplacement parasite de la pièce. L'invention a donc pour objet un dispositif de déplacement à faible course d'un élément, du type comportant un corps fixe et un ensemble mobile par rapport à celui-ci, caractérisé en ce que l'ensemble mobile est composé d'une première partie reliée au corps fixe par l'intermédiaire d'un premier moyen élastique et d'une deuxième partie reliée à la première partie par un second moyen élastique et déplacée par un moyen d'entraînement pour assurer au moins une translation de l'ensemble mobile par rapport au corps fixe. Selon une caractéristique, la première partie de l'ensemble mobile se présente sous la forme d'une pièce apte à se déplacer par rapport au corps et la deuxième partie se présente sous la forme d'un plateau. Selon une autre caractéristique, le premier et le second moyen élastiques sont constitués par des ressorts et/ou des blocs de matériaux élastiques. Selon encore une autre caractéristique, les ressorts sont du type hélicodal de traction et/ou de compression. Selon une autre caractéristique, le moyen d'entraînement se présente sous la forme d'un système vis/écrou entraîné par un élément moteur. Selon une autre caractéristique, l'élément moteur est relié à la partie fixe et entraîne en rotation l'écrou qui coopère avec la vis de manière à provoquer la translation de celle-ci en démultipliant l'effort dudit moteur, et en augmentant la sensibilité de l'application de l'effort sur l'élément à actionner. Selon une autre caractéristique, l'élément moteur est relié à la partie fixe et entraîne en rotation la vis qui coopère avec l'écrou de manière à provoquer la translation de celui-ci en démultipliant l'effort dudit moteur, et en augmentant la sensibilité de l'application de l'effort sur l'élément à actionner. Selon une autre caractéristique, en l'absence de fonctionnement de l'élément moteur, l'écrou ou la vis assurent un blocage de la deuxième partie mobile de manière à lui interdire tout déplacement. Selon une autre caractéristique, un détecteur d'origine est positionné sur la vis, et est activé par celle-ci pour permettre la détermination du sens de pilotage de l'élément moteur et la remise en position d'origine de ladite vis. Selon une autre caractéristique, l'élément moteur est un moteur pas à pas ou un moteur à courant continu ou un moteur pneumatique. Selon une autre caractéristique, l'élément moteur est constitué par une commande manuelle du type bouton moleté, un entraînement par courroie, ou un flexible tournant. Selon une autre caractéristique, le moyen d'entraînement se présente sous la forme d'un vérin dont le piston agit sur le plateau. Selon une autre caractéristique, la partie mobile comprend au niveau de son extrémité libre des moyens de fixation sur l'élément à actionner. Selon une autre caractéristique, le dispositif comporte une interface élastique interposée entre l'élément et la partie mobile pour transformer un effort linéaire en un déplacement linéaire et/ou rotatif. Selon une autre caractéristique, l'interface élastique est fixée au corps fixe et est apte à supporter une charge radiale et transmettre à l'élément à actionner un déplacement axial. Selon une autre caractéristique, l'interface élastique se présente sous la forme d'un soufflet. Un tout premier avantage du dispositif selon l'invention réside dans la grande précision en fonctionnement piloté en boucle ouverte, ce qui ne nécessite donc pas l'asservissement du dispositif, ni l'utilisation de capteurs. Un autre avantage réside dans l'utilisation d'éléments moteur conventionnels peu coteux. Un autre avantage encore réside dans l'absence de frottement entre la partie mobile et le corps de 1'actionneur. Un autre avantage réside dans le fait que le montage flottant de la partie mobile autorise des désalignements angulaires et radiaux sans frottements secs sans que cela n'interfère avec le bon fonctionnement de l'actionneur. Un autre avantage encore est la limitation des hystérésis de fonctionnement. Un autre avantage réside dans la possibilité de maintenir l'effort appliqué avec une très bonne stabilité, en l'absence d'énergie. Enfin un avantage réside dans le fait qu'un tel système avec son interface de fixation à la pièce permet une meilleure répartition des efforts sur la surface de celle-ci. D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description donnée ci-après à titre indicatif en relation avec des dessins dans lesquels: - la figure 1 représente en coupe longitudinale un dispositif de déplacement selon un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 illustre un exemple de réalisation de la liaison entre le dispositif de déplacement et l'élément sur lequel va s'appliquer l'effort, - la figure 3 illustre un exemple d'adaptation du dispositif en un positionneur nanométrique, - la figure 4 illustre un autre mode de réalisation d'un actionneur d'effort selon l'invention, et - les figures 5 et 6 illustrent d'autres mode de réalisation du dispositif. Sur la figure 1, on a représenté en coupe transversale, un dispositif sous la forme d'un actionneur micrométrique 1. L'actionneur 1 est composé d'un corps fixe 2 de révolution autour d'un axe xx' et d'un ensemble mobile. L'ensemble mobile est composé d'une première partie 4 reliée au corps 2 par l'intermédiaire d'un premier moyen élastique 8 et d'une deuxième partie 6 reliée à la première partie par un second moyen élastique 7 et actionnée par un moyen d'entraînement 13 pour assurer au moins une translation de l'ensemble mobile par rapport au corps 2. Cet actionneur est constitué plus particulièrement d'une vis 3, d'une pièce 4, d'un écrou 5, d'un plateau 6, de ressorts 7 de variation d'effort, de trois ressorts 8 de traction, de trois vis d'équilibrage de tension 9, d'un moyen de fixation 10 de l'actionneur 1 sur une interface 11, d'un moteur 130 et de goupilles 12 de centrage du corps 2 sur un support non représenté. Un détecteur d'origine 14 est positionné sur un bourrelet arrière 30 de la vis de déplacement micrométrique 3. L'interface 11 permet la fixation entre l'actionneur 1 et l'élément destiné à recevoir les efforts. L'actionneur 1 est monté sur un support (non représenté) par l'intermédiaire de deux vis insérées depuis l'arrière du corps 2. Le centrage sur le support de montage s'effectue par les goupilles 12 insérées sur l'avant du corps 2. Le moteur 130 est par exemple un moteur pas à pas. Le nombre de pas est choisi en fonction de la sensibilité d'effort souhaitée. Dans le cas représenté, le moteur 130 entraîne en rotation l'écrou 5, soit directement, soit par l'intermédiaire d'un réducteur, ce qui permet de démultiplier l'effort du moteur 130, et d'augmenter la sensibilité de l'application de l'effort. Les trois ressorts 8 de traction sont répartis à 1200 autour de l'axe xx' et sont chacun équipés du système 9 d'équilibrage de tension. Ces systèmes 9 agissent en traction entre le corps 2 et la pièce tubulaire 4 de l'actionneur 1, permettant ainsi d'ajuster les efforts individuellement sur chaque ressort 8. Les ressorts 7 de variation d'effort sont disposés autour du plateau 6 de la vis 3 de déplacement micrométrique. Leur nombre peut être adapté en fonction des amplitudes d'effort à générer. Les ressorts agissent en traction entre le plateau 6 solidaire de la vis 3 de déplacement et la pièce 4 de l'actionneur. L'effort de traction de ces ressorts 7 s'oppose à l'effort généré par les ressorts 8 de génération d'effort. En déplaçant la vis 3 dans un sens ou dans l'autre, les ressorts 7 de variation d'effort sont sollicités et chargent ou déchargent les ressorts 8 de génération d'effort. Ces efforts sont directement appliqués à l'élément attelé à la pièce 4. La maîtrise des efforts ainsi développés est directement dépendante de la maîtrise du déplacement de la vis 3. Lorsque le moteur 130 est arrêté, le maintien de l'effort appliqué reste constant et stable. Le bourrelet 30 de la vis 3 active le détecteur 14 sur la moitié de la course de travail de la vis et permet ainsi de connaître le sens de pilotage du moteur 130 à appliquer lors d'une phase de remise en position origine. Un pion 15 solidaire de la vis 3 coulisse dans une lumière 150 du corps 2 afin d'empêcher toute rotation de la vis 3, tout en lui autorisant un déplacement linéaire. Les paramètres de pilotage de l'actionneur 1 dépendent des raideurs exactes des ressorts utilisés et des caractéristiques du déplacement de la vis 3. Ces raideurs et ces caractéristiques sont des paramètres stables et constants. L'intégration de ces paramètres dans le moyen de commande des actionneurs permet d'affiner la gestion des efforts développés. De ce fait, les actionneurs 1 peuvent être pilotés par une commande de type:-boucle ouverte", c'est-à-dire que pour un nombre de pas assigné au moteur correspond un effort précis sur l'interface de la pièce. Le moteur représenté sur la figure 1 est un moteur électrique de type connu, donné à titre d'exemple, mais tout autre type de moteur peut être utilisé dans le dispositif. La figure 2 illustre un exemple de réalisation de la liaison entre l'actionneur 1 et un élément 20 sur laquelle on souhaite appliquer un effort. Une interface de fixation il est collée au préalable sur l'élément 20 devant recevoir les efforts. Cette interface Il permet d'améliorer la répartition des efforts appliqués. La fixation à l'actionneur 1 se fait en introduisant l'interface 11 dans la pince 10 de la pièce tubulaire 4, et en serrant des vis 17 de serrage. Cette opération est effectuée depuis l'arrière de l'actionneur en passant un outil adapté dans des trous 16 de passage réalisés dans le corps 2. Les vis 17 assurent aussi la fonction desserrage de la pince 10 pour les opérations de maintenance. La figure 3 illustre un exemple d'utilisation de l'actionneur 1 selon l'invention, en tant qu'actionneur de déplacement. L'actionneur 1 est muni d'une interface élastique 40 jouant le rôle d'une tête de translation. Cette tête de translation est constituée d'une partie cylindrique 41, d'une assiette 43 et d'un élément de fixation 42. La partie cylindrique 41 est élastiquement déformable et sa raideur axiale (c'est-à-dire suivant l'axe xx') est adaptée en fonction de l'amplitude des déplacements à effectuer. L'interface de fixation il applique un effort axial sur l'assiette 43, de manière à ce que celle-ci se déplace axialement. L'effort généré par la pièce 4 est ainsi transformé en déplacement linéaire par l'intermédiaire de la tête 40 à déformation élastique. Les frottements entre l'assiette 43 et l'interface 11 sont quasiment nuls, de manière à ce que la pièce tubulaire 4 ne soit pas perturbée par une charge radiale. Les efforts radiaux engendrés sont supportés par la partie cylindrique 41 et par le corps 2 sur lequel elle est fixée. La figure 4 illustre un autre mode de réalisation d'un actionneur d'effort selon l'invention. Ce mode de réalisation diffère du précédent en ce que les premier et second moyens élastiques sont alignés sur l'axe XX'. On voit que ces moyens sont disposés autour de la partie 4 transmettant l'effort. Dans cet exemple de réalisation, l'actionneur 1 a un rôle d'actionneur de déplacement. L'élément moteur 130 est constitué par un flexible tournant 19 et par un réducteur 18. Le profil extérieur de l'écrou 5 a une forme complémentaire du profil intérieur d'une glissière 21 afin de permettre la translation de celui-ci dans cette glissière. Le flexible 19 est commandé en rotation par un moyen moteur quelconque (non représenté). Il engrène sur le réducteur 18 qui entraîne en rotation la vis 3 par rapport au corps 2. La rotation de la vis 3 entraîne l'écrou 5 en translation suivant l'axe xx'. Un déplacement vers le haut dans le plan de la figure 4 (de x vers x') de l'écrou 5 comprime le ressort 7 qui déplace vers le haut la pièce 4 et comprime le ressort 8 de manière à ce que celui-ci s'oppose à l'effort du ressort 7. Une interface élastique 50 est disposée entre la pièce 4 et l'élément 20 à actionner. L'interface 50 est fixée sur le corps 2 et comporte une section élastique 51 (par exemple une restriction de matière ou une section caoutchouteuse). L'effort de la pièce 4 sur l'interface élastique 50 provoque la rotation du bras 52 par rapport à la section 51. L'angle de rotation du bras 52 est proportionnel à l'effort appliqué et au coefficient d'élasticité de la section 51. La rotation du bras 52 entraîne l'élément 20 en rotation. La figure 5 illustre encore un autre mode de réalisation d'un actionneur d'effort selon l'invention. Dans cet exemple de réalisation, le moyen d'entraînement 13 est un vérin de positionnement micrométrique tel que l'on peut en trouver couramment dans le commerce. Le doigt 131 du vérin 13 déplace en translation le plateau 6 et l'ensemble fonctionne comme expliqué précédemment. On voit encore que le premier moyen élastique est constitué par un ressort unique 80 maintenu en compression et disposé entre le corps 2 et l'élément mobile 4. Le second moyen élastique 7 est constitué de plusieurs ressorts comme décrit en relation avec la figure 1. Sur la figure 6, on a représenté un autre mode de réalisation d'un actionneur selon l'invention utilisé en tant qu'actionneur de position. Toutefois, l'actionneur comprend un second moyen élastique constitué d'un ressort unique 70 et un premier moyen élastique constitué d'un ressort unique 80 alignés tous deux sur l'axe XX'. Une interface élastique 40 est disposée entre le corps fixe 2 et la partie mobile 4. Comme expliqué précédemment en relation avec la figure 3, cette interface joue le rôle d'une tête de translation. Une telle réalisation de l'invention, selon les figures 5 et 6, s'adapte parfaitement sur un vérin de positionnement micrométrique. Ceci permet, pour un cot limité, de disposer d'un actionneur nanométrique d'effort ou de déplacement qui remplace facilement et rapidement un actionneur micrométrique. Le démontage du dispositif est tout aussi aisé. On trouve une application de l'invention dans le positionnement précis de composants électroniques, afin d'effectuer par exemple de la métrologie, ou d'éléments optiques tels un télescope ou un générateur de rayons lumineux. REVENDICATIONS 1. Dispositif de déplacement à faible course d'un élément (20), du type comportant un corps fixe (2) et un ensemble mobile par rapport à celui-ci, caractérisé en ce que l'ensemble mobile est composé d'une première partie (4) reliée au corps (2) par l'intermédiaire d'un premier moyen élastique (8) et d'une deuxième partie (6) reliée à la première partie par un second moyen élastique (7) et déplacée par un moyen d'entraînement (13) pour assurer au moins une translation de l'ensemble mobile par rapport au corps (2). 2. Dispositif de déplacement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première partie (4) de l'ensemble mobile se présente sous la forme d'une pièce apte à se déplacer par rapport au corps (2) et en ce que la deuxième partie (6) se présente sous la forme d'un plateau. 3. Dispositif de déplacement selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le premier et le second moyen élastiques (7, 8) sont constitués par des ressorts et/ou des blocs de matériaux élastiques. 4. Dispositif de déplacement selon la revendication 3, caractérisé en ce que les ressorts sont du type hélicodal de traction et/ou de compression. 5. Dispositif de déplacement selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le moyen d'entraînement (13) se présente sous la forme d'un système vis/écrou (3,5) entraîné par un élément moteur (130). 6. Dispositif de déplacement selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'élément moteur (130) est relié à la partie fixe (2) et entraîne en rotation l'écrou (5) qui coopère avec la vis (3) de manière à provoquer la translation de celle-ci en démultipliant l'effort dudit moteur, et en augmentant la sensibilité de l'application de l'effort sur l'élément (20). 7. Dispositif de déplacement selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'élément moteur (130) est relié à la partie fixe (2) et entraîne en rotation la vis (3) qui coopère avec l'écrou (5) de manière à provoquer la translation de celui-ci en démultipliant l'effort dudit il moteur, et en augmentant la sensibilité de l'application de l'effort sur l'élément (20). 8. Dispositif de déplacement selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que, en l'absence de fonctionnement de l'élément moteur (130), l'écrou (5) ou la vis (3) assurent un blocage de la deuxième partie mobile (6) de manière à lui interdire tout déplacement. 9. Dispositif de déplacement selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce qu'un détecteur d'origine (14) est positionné sur la vis (3), et est activé par celle-ci pour permettre la détermination du sens de pilotage de l'élément moteur (130) et la remise en position d'origine de ladite vis. 10. Dispositif de déplacement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'élément moteur (130) est un moteur pas à pas ou un moteur à courant continu ou un moteur pneumatique. 11. Dispositif de déplacement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'élément moteur (130) est constitué par une commande manuelle du type bouton moleté, un entraînement par courroie, ou un flexible tournant. 12. Dispositif de déplacement selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le moyen d'entraînement (13) se présente sous la forme d'un vérin dont le piston (131) agit sur le plateau (6). 13. Dispositif de déplacement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la partie mobile (4) comprend au niveau de son extrémité libre des moyens (10) de fixation sur l'élément (20) à actionner. 14. Dispositif de déplacement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une interface élastique (40, 50) interposée entre l'élément (20) et la partie mobile (4) pour transformer un effort linéaire en un déplacement linéaire et/ou rotatif. 15. Dispositif de déplacement selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'interface élastique (40, 50) est fixée au corps fixe (2) et est apte à supporter une charge radiale et transmettre à la pièce (20) un déplacement axial. 16. Dispositif de déplacement selon la revendication 15, caractérisé en ce que l'interface (40) se présente sous la forme d'un soufflet.