FR2959437A1

FR2959437A1 - Micro-actionneur et micro-pince

Info

Publication number: FR2959437A1
Application number: FR1053377A
Authority: FR
Inventors: Ioan Alexandru Ivan; Micky Manitrarivo John Rakotondrabe
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Universite de Franche-Comte
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Universite de Franche-Comte
Priority date: 2010-04-30
Filing date: 2010-04-30
Publication date: 2011-11-04
Anticipated expiration: 2030-04-30
Also published as: WO2011135254A1; FR2959437B1

Abstract

L'invention concerne un micro-actionneur comprenant un bras d'actionnement (4) comprenant au moins une première couche (8) ayant un premier coefficient de dilatation thermique et une seconde couche (10) ayant un second coefficient de dilatation thermique, le second coefficient de dilatation thermique étant différent du premier coefficient de dilatation thermique; et un dispositif d'entrainement (6) en déplacement du bras d'actionnement (4) comprenant un dispositif calorifique (26, 28, 30) propre à échanger de la chaleur avec moins une partie dudit bras d'actionnement (4) pour occasionner le déplacement du bras d'actionnement (4) par flexion dudit bras d'actionnement (4); caractérisé en ce que la première couche (8) est réalisée dans un matériau piézo-électrique. L'invention concerne également une micro-pince associée.

Description

1 Micro-actionneur et micro-pince La présente invention concerne un micro-actionneur et une micro-pince associée. Dans des applications de type micro-assemblage, micro-manipulation et micro- saisie, les tâches dites par bras de transfert consistent à prendre, à transporter et à positionner des petits objets d'un emplacement à l'autre. Dans ces applications, les objets à déplacer présentent une taille inférieure au millimètre, les tâches par bras de transfert requièrent donc l'utilisation d'actionneurs ayant une résolution de l'ordre d'un micromètre voire inférieure que le micromètre.

En conséquence, des matériaux intelligents de type piézoélectrique, alliages à mémoire de forme, matériaux électrostrictifs, thermiques etc. sont généralement préférés aux moteurs à courant continu ou aux charnières pour le développement de micro-actionneurs, micro-robots ou micro-systèmes. En effet, ces matériaux intelligents sont plus compacts et offrent plus de débattements mécaniques et une plus grande résolution.

Un des systèmes les plus connus pour les tâches par bras de transfert est la micro-pince. Une micro-pince est généralement composée de deux bras d'actionnement dont l'un ou les deux sont entraînés par un matériau intelligent. Certaines micro-pinces sont fabriquées à partir du principe des bilames thermiques. Les bras de ces micro-pinces sont aptes à se déplacer sur une grande course souvent supérieure à 100 microns. Toutefois, ces micro-pinces présentent une faible résolution. Certaines micro-pinces sont fabriquées à partir de matériaux piézoélectriques. Celles-ci présentent une grande résolution mais une plus faible course de déplacement.

La présente invention a notamment pour but de palier ces inconvénients et de 25 proposer un micro-actionneur et une micro-pince présentant une grande course de déplacement et une grande résolution.

A cet effet, l'invention a pour objet un micro-actionneur comprenant : - un bras d'actionnement comprenant au moins une première couche ayant un 30 premier coefficient de dilatation thermique et une seconde couche ayant un second coefficient de dilatation thermique, le second coefficient de dilatation thermique étant différent du premier coefficient de dilatation thermique; et - un dispositif d'entrainement en déplacement du bras d'actionnement comprenant un dispositif calorifique propre à échanger de la chaleur avec moins une partie dudit bras d'actionnement pour occasionner le déplacement du bras d'actionnement par flexion dudit bras d'actionnement. Le micro-actionneur est remarquable en ce que la première couche est réalisée dans un matériau piézo-électrique. Suivant des modes particuliers de réalisation, le micro-actionneur peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises séparément ou en combinaison : - la seconde couche est une couche passive ; - la seconde couche comprend un matériau choisi parmi un métal et un polymère ; - la seconde couche comprend un matériau parmi le Nickel, le Cuivre et le Silicium ; - la différence en valeur absolue entre le second coefficient de dilatation thermique et le premier coefficient de dilatation thermique est supérieure à 2 µm•m 1 K 1, et, de préférence, supérieure à 7 µm•mi•K i ; - la seconde couche présente une épaisseur comprise entre 20 et 500 µm, et, de préférence, comprise entre 50 et 200 µm ; - le bras d'actionnement présente une dimension maximale comprise entre 0,5 et 50 mm, et, de préférence, comprise entre 3 et 17 mm ; - le dispositif calorifique comprend un module thermoélectrique propre à fournir de la chaleur par effet Peltier ; - le dispositif calorifique comprend une résistance électrique propre à fournir de la chaleur par effet Joule ; - le micro-actionneur comprend un absorbeur de chaleur en contact avec au moins une face du dispositif calorifique pour absorber la chaleur issue dudit dispositif calorifique ; - l'absorbeur comprend un bloc d'un matériau à forte conductivité thermique, de 25 préférence un bloc parmi un bloc d'aluminium et un bloc de cuivre ; - le dispositif d'entrainement comprend un générateur de tension propre à appliquer une tension à chaque face principale de la première couche pour entrainer un déplacement du bras d'actionnement proportionnel à la tension appliquée ; - le bras d'actionnement est monté en porte à faux sur ledit dispositif calorifique ; 30 - la seconde couche est au contact du dispositif calorifique. L'invention concerne également une micro-pince qui comporte : - deux micro-actionneurs conformes à l'invention, tels que définis ci-dessus ; et - un dispositif d'assemblage des micro-actionneurs propres à assembler les deux micro-actionneurs de manière à ménager un espace entre les bras d'actionnement. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins, sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique éclatée d'un micro-actionneur selon une forme de réalisation de l'invention ; et - la figure 2 est une vue en perspective d'une micro-pince comprenant deux micro-actionneurs tels que celui de la figure 1. En référence à la figure 1, le micro-actionneur 2 selon l'invention comporte un bras 10 d'actionnement 4 et un dispositif d'entraînement 6 adapté pour déplacer ledit bras d'actionnement 4. Le bras d'actionnement 4 est formé à partir d'une poutre plate ou lame qui peut notamment comprendre une première couche 8 et une seconde couche 10 superposées. La première couche 8 est réalisée, par exemple, à partir d'une céramique 15 piézoélectrique contenant du plomb, du zirconium et du titane. D'autres types de matériaux piézoélectriques peuvent servir également. Cette céramique piézoélectrique présente un premier coefficient de dilatation thermique Tl. La première couche 8 peut présenter, par exemple, une épaisseur comprise entre 10 et 1000 microns et, de préférence, comprise entre 40 et 500 microns. 20 Une des faces principales de la première couche 8 est collée, par exemple, à l'aide d'une colle thermique du type Epoxy H22, à la seconde couche 10. D'autres méthodes de collage/report sont également possibles, par moyens de thermocompression, électrodéposition etc. La seconde couche 10 est réalisée dans un matériau propre à se dilater ou à se 25 contracter lors d'un apport de chaleur, ou sous l'influence d'une variation de la température. Il est généralement appelé matériau passif. Un tel matériau passif est, par exemple, décrit dans le document Ivan et al. COMSOL 2009 (Ioan Alexandru Ivan, Micky Rakotondrabe and Nicolas Chaillet, 'High Coupling Factor Materials for Bending Actuators: Analytical and Finite Elements Modeling Results', COMSOL Conference, 30 Milan Italy, October 2009). La seconde couche 10 est généralement appelée couche passive. Le matériau passif utilisé pour réaliser la seconde couche 10 est par exemple un métal ou un polymère. De préférence, ce matériau est du nickel, du cuivre ou du silicium.

La seconde couche 10 présente, par exemple, une épaisseur comprise entre 20 et 500 µm et, de préférence, comprise entre 50 et 200 µm. La seconde couche 10 présente un second coefficient de dilatation thermique T2 différent du premier coefficient de dilatation thermique Tl.

Avantageusement, la différence en valeur absolue entre le second coefficient de dilatation thermique T2 et le premier coefficient de dilatation thermique Ti est supérieure à 2 µm•m1 K i et, de préférence, supérieure à 7 µm•m1 K 1. Lorsqu'une variation de température est appliquée au bras d'actionnement 4, la première 8 et la seconde 10 couches se contractent ou se dilatent avec des amplitudes différentes en raison du fait qu'elles présentent des coefficients de dilatation thermique différents. Il en résulte un fléchissement du bras d'actionnement 4. Ce fléchissement est utilisé dans le micro-actionneur 2 selon l'invention pour prendre, tenir et poser un objet de petite taille. Le bras d'actionnement 4 présente une dimension maximale D comprise entre 0,5 15 et 50 mm et, de préférence, comprise entre 3 et 30 mm. Avantageusement, ce bras d'actionnement 4 présente une dimension maximale de 17 mm. La dimension maximale D est définie dans cette demande de brevet comme la plus grande dimension du bras d'actionnement. Lorsque le bras d'actionnement 4 présente la forme d'une lame telle qu'illustrée sur les figures 1 et 2, cette dimension D est la 20 longueur de la diagonale d'une face principale 12 du bras d'actionnement 4. En variante, le bras d'actionnement 4 peut présenter une forme triangulaire, circulaire ou autre. Pour faciliter la préhension d'objets microscopiques ou l'appui sur un tel objet, une extrémité 22 du bras d'actionnement 4 peut être pourvue d'un organe rigide ou compliant 25 tel qu'une griffe ou déflecteur 24. Le dispositif d'entraînement 6 en déplacement du bras d'actionnement 4 comprend un générateur de tension 18 propre à appliquer une tension aux deux faces principales opposées de la première couche 8, et un dispositif calorifique 26 propre à échanger de la chaleur (c'est-à-dire apporter de la chaleur ou absorber de la chaleur) avec au moins une 30 partie du bras d'actionnement 4 pour occasionner son déplacement par flexion. Le générateur de tension 18 est connecté, par l'intermédiaire des fils électriques 20 à la face principale 14 de la première couche 8 et à sa face principale opposée qui est collée thermiquement à la seconde couche 10. Ces deux faces principales forment ainsi des électrodes. Le générateur de tension 18 comprend en outre une unité 19 de variation de la tension adaptée pour faire varier la tension appliquée entre les deux faces principales de la première couche 8. Lorsqu'une tension est appliquée à la première couche 8 par le générateur 18, celle- ci se contracte et se dilate pour occasionner une flexion ou un fléchissement de l'ensemble du bras d'actionnement 4. L'unité 19 de variation de la tension est utilisée pour commander de faibles déplacements avec une grande résolution du bras d'actionnement 4, c'est-à-dire des déplacements de l'ordre de 30 microns et des résolutions pouvant atteindre quelques centaines de nanomètres.

Selon un premier mode de réalisation de l'invention illustré sur les figures 1 et 2, le dispositif calorifique 26 comprend un module thermoélectrique 28 propre à fournir ou absorber de la chaleur par effet Peltier. Il est généralement appelé module Peltier ou module Seebeck. Ce module est particulièrement avantageux puisqu'il est propre à fournir de la chaleur ou du froid en fonction du sens du courant qui le parcoure.

Le module thermoélectrique 28 est constitué d'un ensemble de couples d'éléments connectés électriquement les uns aux autres. Chaque couple est constitué d'un élément dans un matériau semi-conducteur de type p et d'un élément dans un matériau semi-conducteur de type n. Ces deux éléments sont joints par un matériau conducteur dont le pouvoir thermoélectrique est supposé nul. Les deux éléments p et n du couple et tous les autres couples composant le module thermoélectrique 28 sont connectés en série électriquement et en parallèle thermiquement. L'ensemble des couples est relié à un générateur de courant 30 par les fils électriques 32. Le générateur de courant 30 comprend une unité 36 de variation du courant adaptée pour faire varier l'intensité du courant généré ainsi qu'une unité 38 de modification du 25 sens du courant appliqué au module thermoélectrique 28. De façon connue, lors de l'application au module thermoélectrique 28 d'un courant électrique dans un sens donné, une face 38 du module thermoélectrique 28 génère de la chaleur tandis que sa face opposée 40 absorbe de la chaleur. Lors de l'application au module thermoélectrique 28 d'un courant dans le sens opposé, la face 38 absorbe de la 30 chaleur tandis que la face 40 en génère. Selon une variante de l'invention non représentée, le dispositif calorifique 26 peut comprendre une résistance électrique propre à fournir de la chaleur par effet Joule. Cette résistance peut, par exemple, être micro-usinée sur la face principale 16 de la seconde couche 10 ; ladite face principale 16 étant opposée à la face principale collée à la première couche 8. Selon une autre variante de l'invention non représentée, le dispositif calorifique 26 peut être constitué par une source lumineuse émettant un rayonnement dans le visible ou l'infrarouge. Le micro-actionneur 2 selon l'invention comprend en outre un absorbeur de chaleur 42 en contact avec la face 40 du module thermoélectrique 28. Il convient de noter que le module thermoélectrique 28 a été représenté sur la figure 1 à distance de l'absorbeur 42 uniquement pour faciliter la compréhension de l'invention.

L'absorbeur 42 est propre à absorber la chaleur issue du dispositif calorifique 26, il comprend un bloc d'un matériau à forte conductivité thermique. Il peut être, par exemple, constitué par un bloc d'aluminium ou un bloc de cuivre. Selon un mode de réalisation de l'invention non représenté, l'absorbeur 42 peut être remplacé par un dissipateur de chaleur constitué, par exemple, par des ailettes de refroidissement. Selon le mode de réalisation décrit, la seconde couche 10 est au contact du dispositif calorifique 26. Toutefois, le micro-actionneur 2 selon l'invention pourrait également être réalisé selon un mode de réalisation dans lequel la première couche 8 serait au contact d'une face du dispositif calorifique 26.

Le micro-actionneur 2 tel que représenté sur la figure 1 peut être utilisé pour appuyer ou pousser sur un objet de petite dimension. Avantageusement, il est compact, capable d'effectuer une course supérieure à 120 microns avec une résolution inférieure au micromètre, voire meilleure que le dixième de micron.

A titre d'exemple, l'absorbeur 42 présente une hauteur comprise entre 25 et 12 mm, une longueur comprise entre 38 et 20 mm et une largeur comprise entre 20 et 10 mm. Les faces principales du dispositif calorifique 26 présentent une surface comprise entre 40 et 20 mm2. La longueur active du bras d'actionnement 4, c'est-à-dire la longueur dudit bras non en contact avec le module thermoélectrique, est comprise entre 15 et 7 mm, la largeur du bras d'actionnement est comprise entre 1 et 2 mm. La première et la seconde couche présentent une épaisseur comprise entre 0,1 et 0,2 mm. En conséquence, ce micro-actionneur 2 permet de déplacer le bras d'actionnement 4 sur une grande course de déplacement avec un positionnement très précis de celui-ci. A cet effet, le générateur de courant 30 est propre à générer un courant pour induire un déplacement du bras d'actionnement 4 sur une grande course. Puis, le générateur de tension 18 fournit une tension aux faces principales de la première couche 8 pour entraîner le bras d'actionnement 4 sur une faible course avec une grande résolution.

En référence à la figure 2, la micro-pince 44 selon l'invention est constituée par deux micro-actionneurs 2 tels que décrits ci-dessus assemblés l'un à l'autre ainsi qu'à une attache 46 par un dispositif d'assemblage. Ce dispositif d'assemblage comprend, par exemple, un boulon 48 comprenant une vis montée dans deux orifices traversants de l'absorbeur 42 et de l'attache 46, et un écrou vissé à l'extrémité libre de la vis. Ce dispositif d'assemblage comprend en outre une carte de circuit imprimée 50 agencée entre les deux micro-actionneurs 2 pour ménager un espace de déplacement entre les deux déflecteurs 24 montés aux extrémités des bras d'actionnement 4. Des connecteurs 52 ont en outre été fixés sur le circuit imprimé 50. Ces connecteurs 52 permettent de connecter électriquement les fils électriques 20 et 32 au générateur de tension 18 et respectivement au générateur de courant 30.20

Claims

REVENDICATIONS1.- Micro-actionneur (2) comprenant : - un bras d'actionnement (4) comprenant au moins une première couche (8) ayant un premier coefficient de dilatation thermique (Tl) et une seconde couche (10) ayant un second coefficient de dilatation thermique (T2), le second coefficient de dilatation thermique (T2) étant différent du premier coefficient de dilatation thermique (T 1); et - un dispositif d'entrainement (6) en déplacement du bras d'actionnement (4) comprenant un dispositif calorifique (26, 28, 30) propre à échanger de la chaleur avec moins une partie dudit bras d'actionnement (4) pour occasionner le déplacement du bras d'actionnement (4) par flexion dudit bras d'actionnement (4) ; caractérisé en ce que la première couche (8) est réalisée dans un matériau piézo-électrique.

2.- Micro-actionneur (2) selon la revendication 1, dans lequel la seconde couche (10) est une couche passive.

3.- Micro-actionneur (2) selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel la seconde couche (10) comprend un matériau choisi parmi un métal et un 20 polymère.

4.- Micro-actionneur (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la seconde couche (10) comprend un matériau parmi le Nickel, le Cuivre et le Silicium.

5.- Micro-actionneur (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la différence en valeur absolue entre le second coefficient de dilatation thermique (T2) et le premier coefficient de dilatation thermique (Ti) est supérieure à 2 µm•m 1 K 1, et, de préférence, supérieure à 7 µm•m I.K 1. 30

6.- Micro-actionneur (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la seconde couche (10) présente une épaisseur comprise entre 20 et 500 µm, et, de préférence, comprise entre 50 et 200 µm. 25

7.- Micro-actionneur (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le bras d'actionnement (4) présente une dimension maximale comprise entre 0,5 et 50 mm, et, de préférence, comprise entre 3 et 17 mm.

8.- Micro-actionneur (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le dispositif calorifique (26, 28, 30) comprend un module thermoélectrique (28) propre à fournir de la chaleur par effet Peltier. 10

9.- Micro-actionneur (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le dispositif calorifique (26, 28,30) comprend une résistance électrique propre à fournir de la chaleur par effet Joule.

10.- Micro-actionneur (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, qui 15 comprend en outre un absorbeur de chaleur (42) en contact avec au moins une face (40) du dispositif calorifique (26, 28, 30) pour absorber la chaleur issue dudit dispositif calorifique (26, 28, 30).

11.- Micro-actionneur (2) selon la revendication 10, dans lequel l'absorbeur de 20 chaleur (42) comprend un bloc d'un matériau à forte conductivité thermique, de préférence un bloc parmi un bloc d'aluminium et un bloc de cuivre.

12.- Micro-actionneur (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel le dispositif d'entrainement (6) comprend un générateur de tension (18) propre à 25 appliquer une tension à chaque face principale de la première couche (8) pour entrainer un déplacement du bras d'actionnement (4) proportionnel à la tension appliquée.

13.- Micro-actionneur (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans lequel le bras d'actionnement (4) est monté en porte à faux sur ledit dispositif calorifique 30 (26, 28, 30).

14.- Micro-actionneur (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, dans lequel la seconde couche (10) est au contact du dispositif calorifique (26, 28, 30).5

15.- Micro-pince (44) caractérisée en ce qu'elle comporte : - deux micro actionneurs (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 14 ; et - un dispositif d'assemblage (46, 48, 50) desdits micro-actionneurs (2) propre à assembler les deux micro-actionneurs (46, 48, 50) de manière à aménager un espace entre lesdits bras d'actionnement (4).