FR2562280A1 - Commande de reglage en ceramique piezo-electrique pour la creation de mouvements de translation, en particulier de miroirs de lasers en anneau - Google Patents
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Abstract
COMMANDE DE REGLAGE EN CERAMIQUE PIEZO-ELECTRIQUE POUR LA CREATION DE MOUVEMENTS DE TRANSLATION ET DE MOUVEMENTS ANGULAIRES, EN PARTICULIER SUR DES MIROIRS DE LASER EN ANNEAU, COMPRENANT DES DISQUES PIEZO-ELECTRIQUES MAINTENUS ASSEMBLES EN UN EMPILEMENT 10, QUI SONT POLARISES DE FACON QUE LA DIRECTION DE DILATATION ET LA DIRECTION DU CHAMP ELECTRIQUE S'ETENDENT PARALLELEMENT. LES DISQUES PIEZO-ELECTRIQUES ONT D'UN COTE, UNE SURFACE DE CONTACTS ININTERROMPUE ET DE L'AUTRE COTE, SONT SEPARES SYMETRIQUEMENT EN SEGMENTS DE CONTACT ELECTRIQUEMENT DISSOCIES LES UNS DES AUTRES, QUI SONT DOTES DE BRANCHEMENTS ELECTRIQUES DISTINCTS 16, 18, 20.
Description
L'invention concerne une commande de réglage en céramique piezo-
électrique pour la création de mouvements
de translation du genre comprenant des disques piezo-élec-
triques maintenus assemblés en un empilement, qui sont po-
larisés de façon que la direction de dilatation et la di- rection du champ électrique soient parallèles, et sont
dotés sur les deux faces de surfaces de contact.
Des commandes de réglage en céramique piezo-élec-
trique du type dénommé sont utilisées par exemple pour le déplacement parallèle à eux-mêmes de miroirs d'angle, dans des lasers en anneau. Grace à elles, la longueur du trajet optique ou la longueur de la cavité de résonance du laser
en anneau sont maintenues constantes,(brevet US 35 81 227).
Il est connu, que par des déformations thermiques ou mécaniques du bloc support central d'un gyroscope à laser en anneau, non seulement, s'introduisent des erreurs de longueurs, qui peuvent être corrigées par le mouvement de translation des miroirs, mais en plus des torsions pour
la compensation desquelles les miroirs doivent être orien-
tables. Comme commande de réglage en céramique piezo-élec-
trique,avec laquelle on peut réaliser aussi bien une trans-
lation qu'un mouvement de rotation des miroirs, on connaît
un élément de réglage bimorphe, qui se compose de deux dis-
ques en céramique piezo-électrique, entre lesquels est dis-
posée une carte de circuits imprimés électrique, et dont
l'extérieur porte chaque fois des plaques de contact seg-
mentées. Des segments de contact opposés y sont raccordés
en parallèle à chaque fois un pôle d'une source de tension.
Par des gradients de tension assymétriques, on arrive alors
à obtenir un mouvement de rotation dans le centre de l'élé-
ment de réglage, qui est transmis sur le miroir au moyen d'un élément de transmission. Une telle disposition comporte l'inconvénient que l'on ne dispose que d'un couple faible pour le mouvement de réglage, et que le miroir est mal guidé
pendant le mouvement de rotation (Brevet US 4 113 387).
L'invention a pour but de créer une commande de ré-
glage en céramique piezo-électrique du genre-considéré, avec laquelle des mouvements de rotation peuvent être produits avec des couples de régulation élevés, et o en même temps la commande de réglage elle-même rend possible un guidage très précis des éléments de construction mis en oeuvre par
la commande de réglage.
Le but est atteint selon l'invention grace au fait que la surface de contact d'au moins un des disques piezo-
électriques est symétriquement partagée en segments élec-
triquement dissociés les uns des autres, et que les seg-
ments de contact sont équipés de branchements électriques distincts. Les caractéristiques et avantages de l'invention
ressortiront d'ailleurs de la description et des revendi-
cations ci-après.
L'invention sera décrite ci-après à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels: La Fig. 1 montre une commande de réglage selon l'invention dans une première forme de réalisation La Fig. 2 montre en vue par dessus des deux cbtés un disque piezo-électrique selon l'invention
La Fig. 3 montre en vue par dessus une autre forme de réali-
sation d'un disque piezo-électrique selon l'in-
vent ioff
La Fig. 4 montre une autre forme de réalisation d'une com-
mande de réglage selon l'invention La Fig. 5 montre schématiquement un laser en anneau
La Fig. 6 montre une forme de réalisation d'un miroir d'an-
gle d'un laser en anneau avec une commande de dé-
placement selon l'invention en coupe avec deux positions du miroir d'angle La Fig. 7 montre schématiquement un micro-positionnemr en
coupe avec deux positions du bras de manoeuvre.
Pour la eommande de réglage selon l'invention, on
utilise des disques circulaires en céramique piezo-élec-
trique, dans lesquels la pièce en céramique piezo-électri-
que est dotée des deux cOtés de surfaces de contact 4, 6, B.
La surface de contact 4 d'un cOté est une surface de con-
tact ininterrompue tandis que sur le coté opposé, la surfa-
ce de contact est partagée en deux segments de contact 6, 8 électriquement isolés l'un de l'autre, qui sont disposés symétriquement de part et d'autre d'une ligne de symétrie xo La commande de réglage 10, représentée dans la Fig. 1, se compose d'un empilement de disques en céramique piezo-électrique 2 qui sDnt disposés sur un élément de support 12 réalisé sous la forme d'une vis. Les disques sont maintenus sur l'élément de support 12 par un écrou 14. Les surfaces de contact 4, 6 et 8 sont chaque fois
dotées de branchements électriques distincts. Les branche-
ments 16 des surfaces de contact ininterrompues sont rac-
cordés en parallèle, e%. mis sous une tension commune U3.
les branchements 18, qui sont affectés par exemple aux surfaces de contact 6, sont mis sous une tension U4, et les branchements 20, qui sont affectés aux surfaces de
contact 8, sont mis sous une tension U5. La ligne de symé-
trie x des deux surfaces de contact 6, 8 s'étend perpendi-
culairement au plan du dessin de la Fig. 1.
Les disques en céramique piezo-électrique 2 sont polarisés de sorte que la direction de dilatation et la direction du champ électrique s'étendent parallèlement
(Mode 33). La tension U3 peut être une tension nulle. Lors-
qu'une tension continue, égale et positive est appliquée
aux branchements 18 et 20, l'empilement des disques en cé-
ramique piezo-électrique se dilate quand la polarisation appliquée dans les disques piezo-électriques est de même
polarité que la tension. Si la tension en 18 et 20 est né-
gative, l'empilement se rétracte sur lui-même. La commande de réglage produit ainsi un mouvement de translation, comme le montre la double flèche dans le dessin 1 dessinée en direction de l'axe. Pour éviter les effets de dépolarisation il faut éviter les champs qui, pour la plupart des matériaux
piezo-électriques connus, sont supérieurs à 500 V/mm.
Lorsque les tensions U4 et U5 sont appliquées aux branchements 18 et 20 non symétriquement, on arrive dans la
zone des segments de contact 6 et 8 à des dilatations dif-
férentes. La commande de réglage effectue ainsi, non seule-
ment un mouvement de translation, mais en plus, un mouvement de bascule de la plaque de couverture de la vis 12, comme
indiqué par la double flèche courbée dans la Fig. 1.
En fonction du rapport des deux tensions de pilotage U4 et U5, toutes les formes intermédiaires du mouvement peuvent
être obtenues avec cette commande de réglage piezo-élec-
trique, du mouvement de bascule pur, quand U4 et U5 sont d'égale valeur, mais sont de polarités de signes contraires, jusqu'au mouvement de translation pur, quand u et U5 sont
de même valeur et de même polarité.
- Un mouvement de bascule autour d'au moins deux axes peut s'obtenir avec une forme de réalisation des disques
en céramique piezo-électrique selon la Fig. 3. Sur le dis-
que 22 représenté ici, une face est dotée d'une surface de contact ininterrompue comme sur la forme de réalisation selon la Fig. 2. Sur la face opposée du disque sont prévus quatre segments de contact 24, 26, 28 et 30, qui s'étendent symétriquement aux deux axes de symétrie perpendiculaires situés l'un au-dessus de l'autre x et y. Chacun de ces quatre segments de contact est muni d'un branchement. Les quatre segments de contact peuvent être ainsi raccordés aux
tensions choisies. L'interconnection des segments de con-
tact 24 et 26 d'une part et 28 et 30 d'autre part, pro-
duisent des mouvements de bascule autour de l'axe y, et l'interconnection des segments de contact 24 et 28 d'une part et 26 et 30 d'autre part, produisent des mouvements de bascule autour de l'axe x. De cette façon on réalise des mouvements de bascule autour de deux axes désaxés de
. I1 est encore possible de mettre chaque fois deux seg-
ments de contact opposes, à savoir 24 et 30, et 26 et 28 sous des tensions différentes. De cette façon on obtient des mouvements de bascule autour d'axes de rotation qui sont décalés de 45 par rapport aux axes x et y. En appliquant une tension égale à tous les quatre segments de contact 24,
26, 28 et 30 on crée un mouvement de translation.
Une forme de réalisation modifiée d'une commande de
réglage est illustrée dans la Fig. 4. Ici à nouveau est dis-
posé, sur un support en forme de vis 32, un empilement de disques en céramique piezo-électrique qui sont maintenus ensemble par pression au moyen d'un écrou 34. Les disques entre les lignes en pointillés I et II sont ici formés selon les Fig. 2 et Fig. 3. Ces disques produisent les mouvements de rotation. Par contre, entre les lignes en pointillés II
et III des disques en céramique piezo-électrique sont dis-
posés en contact ininterrompu sur leurs deux faces, au
moyen desquels on effectue une modification de longueur.
Toutes les surfaces de contact ininterrompues sur une face des disques en céramique piezo-électrique dans les deux zones sont reliées à un branchement 10, auquel s'applique une tension U3. Les surfaces de contact opposées des disques
en céramique piezo-électrique dans la zone II-III sont re-
liées à un branchement 11, auquel s'applique une tension U9. Les surfaces de contact 6 et 8 des disques en céramique piezo-électrique dans la zone I-II sont chaque fois reliées aux branchements 40 et 42 avec les tensions U4 et U5. De plus, il est bien entendu possible de prévoir des moyens de commutation, pour relier les deux branchements 40 et 42 au branchement 38 et ainsi à la tension U9 pour amener ainsi l'ensemble de l'empilement de céramique piezo-électrique à produire la variation de longueur, lorsque, pour des petits mouvements de bascule désirés, de grands mouvements de longueur doivent être effectués avec une longueur de
construction minimale de la commande de réglage.
Dans la Fig. 5, un gyroscope à laser est schémati-
quement représenté en vus de dessus. Sur le bloc support 44 comprenant les cavités 46 pour le trajet de rayonnement,
sont disposés trois miroirs d'angle 48, 50, 52, parmi les-
quels le miroir d'angle 48 est équipé d'une commande de ré-
glage 54 qui est formée selon le mode décrit plus haut. Ce miroir 48 est représenté grossi dans la Fig. 6. Le bloc support 44 est ici doté d'une surface d'appui polie 56, sur laquelle repose un agencement de miroirs 48. L'agencement de miroirs formé d'une seule pièce 48 présente le porte miroir 58, qui repose dans une membrane 60, laquelle s'étend symétriquement à l'intérieur d'un cadre 62, et par laquelle l'agencement de miroirs s'applique à la surface 56. Sur un disque de contrefort 64 est formé un logement 66 pour une commande de réglage 68 qui, par une extrémité, fait prise dans un évidement 70 au dos du porte miroir. La commande
de réglage est maintenue sous précontrainte par l'intermé-
diaire de plaques d'espacement 72 en position contre la face dorsale du porte miroir 58. Avec une précontrainte correspondante les mouvements de bascule et de translation de la commande de réglage sont transmis au porte miroir
avec une grande précision. En raison du couple d'entraIne-
ment relativement élevé, qui est applicable par l'intermé- diaire de la commande de réglage, la membrane de miroir 60 peut être réalisée relativement rigide.Le miroir peut ainsi être formé insensible aux accélérations de rotation et de
translation. Ceci est un avantage important pour les gyros-
copes à laser qui, pour échapper au problème dit de "Lock-
in", doivent être animés d'oscillations en rotation.
La commande de réglage 68, dans l'exemple de réali-
sation selon la Fig. 6, est réalisée sous une forme corres-
pondant à la commande de- réglage selon la Fig. 4, à savoir avec un premier empilement 67 de disques piezo-électriques,
qui produisent un mouvement de translation pur, et un em-
pilement 69 de disques piezo-électriques au moyen desquels un mouvement de bascule peut être produit. Mais-la commande de réglage 68 pourrait aussi, selon le mode de réalisation décrit plus haut, se composer exclusivement de disques piezo-électriques avec des surfaces de contact partagées en segments de contact électriquement isolés les uns des autres
symétriquement. Dans la partie droite de la Fig. 6, le por-
te miroir 48 est représenté dans une position initiale,
dans laquelle la commande de réglage a sa plus courte lon-
gueur. A gauche, la commande de réglage 68 est représentée dans une position, dans laquelle on atteint un mouvement de translation aussi bien qu'un mouvement de bascule, cette position comportant à titre d'exemple, le porte miroir 48
dans un allongement maximal de l'empilement 67 et un mou-
vement de bascule maximal de l'empilement 69. Le dessin montre ici une illustration exagérée. Dans la pratique, les mouvements de translation ne dépassent pas un ordre de grandeur de 50 lm, tandis que le mouvement de bascule peut
atteindre quelques minutes d'arc.
Avec la commande de réglage décrite, il est possible, pour la stabilisation du trajet de rayonnement, de disposer d'une course relativement grande. De ce fait, les mouvements de bascule des miroirs d'angle sont exécutés avec grande precisisn autour des axes qui s'étendent horizontalement dans le plan du rayonnement aussi bien qu'autour des axes qui lui sont perpendiculaires. En général, des angles de bascule de 1 à 2 minutes d'arc pour la compensation des déformations thermiques ou mécaniques du bloc support 44 sont suffisantes. Ce profil d'exigence sera satisfait de
façon remarquable par les commandes de réglage décrites.
Dans la Fig. 7 est illustré un exemple de réalisa-
tion, dans lequel la commande de réglage est la commande d'un micropositionneur. Pour des raisons de facilité, on
a repris ici la même structure de base que dans la Fig. 6.
Les mêmes parties sont donc dotées des mêmes signes de ré-
férence que dans la Fig.6. Sur le support 48, en prise avec
la commande de réglage 68, est idi fixé un bras de manoeu-
vre 72, qui porte en son extrémité un élément de maintien 74 représenté ici comme un cercle. Cet élément de maintien
peut être un appareil de préhension formé d'une façon con-
nue, ou une commande, ou encore un outil de travail, âénom-
mé en abrégé, griffe pour la suite.
Dans la plus petite longueur de l'empilement 67, qui est illustrée Fig. 7 à droite de la ligne médiane, la griffe 74 se déplace lors d'un mouvement de bascule déclenché par l'empilement 69 du plus grand angle possible o sur un arc de cercle 76. Lors de l'allongement maximal de l'empilement
67 de la commande de réglage 68, la griffe 74 peut se dépla-
cer avec l'empilement 69 sur le trajet 78. La griffe peut ainsi saisir un quelconque des points à l'intérieur d'une surface, qui, par les points I à IV, sont prédéfinis cormme étant les points d'angle accessibles extrêmes. La distance radiale d'entre les arcs de cercle 76 et 78 s'élève ici en pratique à environ 25 pm. Une valeur de 50 pm semble aussi accessible. Dans un angle de bascule de quelques minutes
d'arc, une distance entre I et IV peut être atteinte, d'en-
viron égale grandeur. Avec la griffe on peut ainsi balayer une zone qui,à titre d'exemple, a des longueurs de côté de pm. Avec un micropositionneur ainsi configuré, on peut exécuter des micro-positionnements comme ceux que l'on peut exécuter, par exemple, avec un raccordement de fibres de verre monomodes. Les fibres de verre monomodes, qui sont
introduites dans des cables en fibre de verre, ont un dia-
mètre de 3 um. Une autre possibilité de mise en oeuvre consiste, par exemple,-en l'alimentation precise de fils de liaison dans des circuits électroniques à très haute intégration. Par l'emploi de disques piezoélectriques selon la forme de réalisation de la Fig. 3, on peut éxécuter des mouvements de bascule autour d'au moins un autre axe de bascule. De cette façon on peut aussi déplacer la griffe dans l'espace, de sorte qu'alors un espace de positionnement soit accessible, qui ait, par exemple, une longueur d'arête
de 25 pm.
Le micro-positionneur selon la Fig. 7 peut etre in-
séré avec son contrefort 64 dans un posîtionneur de dégros-
sissage, avec lequel le micro-positionneur par exemple,
peut être amené dans sa position de travail.
Claims (5)
1. Commande de réglage en céramique piezo-électrique
pour la création de mouvements de translations, en parti-
culier sur des miroirs de lasers en anneau, comprenant des disques piezoélectriques maintenus assemblés en un empile-
ment, qui sont polarisés de façon que la direction de dila-
tation et la direction du champ électrique soient paral-
lèles, et sont dotés sur les deux faces de surfaces de con-
tact, caractérisé en ce que la surface de contact sur un
côté d'au moins un des disques piezo-électriques, est par-
tagée symétriquement en segments de contacts (6, 8; 24, 30) électriquement dissociés les uns des autres, et en ce que
les segments de contact sont équipés de branchements élec-
triques distincts.
2. Commande de réglage en céramique piezo-électrique
selon la revendication 1, caractérisée en ce que sont pré-
vus deux segments de contact symétriques (6, 8).
3. Commande de réglage en céramique piezo-électrique
selon la revendication 1, caractérisée en ce que sont pré-
vus quatre segments de contact (24-30) symétriques.
4. Commande de réglage en céramique piezo-électrique
selon une des revendications précédentes, caractérisée en
ce que, dans l'empilement, sont prévus en plus des disques piezoélectriques, qui sont dotes sur les deux faces d'une
surface de contact ininterrompue.
5. Commande de réglage en céramique piezo-électrique
selon une des revendications précédentes, caractérisée en
ce que l'empilement (68) est disposé sous précontrainte
entre un contrefort stable (64) et l'élément (58) à dépla-
cer, de façon que les segments de contact s'étendent symé-
triquement par rapport à l'axe de rotation.
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