Domaine technique

La présente invention concerne un dispositif pour manipuler un objet sans contact et une méthode pour manipuler un objet sans contact. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif pour la manutention d'objets de petite taille, notamment inférieure à un volume de l'ordre de 10 ^"6 m ³ ou inférieure à une masse de l'ordre de 20gm.

Etat de la technique

Les procédés dits « pick and place » permettent de manipuler un objet en utilisant des outils qui effectuent des manipulations à des cadences extrêmement rapides pour déplacer plusieurs centaines d'objets par minute. Les outils « pick and place » emploient généralement des dispositifs de succion, dits « vacuum gripper », pour aspirer l'objet dans une direction opposée à la pesanteur, immobiliser l'objet contre l'outil et ainsi le déplacer à l'endroit voulu. Lorsqu'il s'agit de manipuler des objets de l'ordre du centimètre, le but est d'agripper l'objet en luttant contre les effets de la pesanteur. Pour cette gamme d'objet, la pesanteur est la principale force qui s'exerce sur l'objet, la pesanteur étant notamment bien supérieure aux forces d'adhésion entre l'outil et l'objet. Cependant, lorsque la taille de l'objet diminue, typiquement en dessous de 10 ^"6 m ³ , la pesanteur qui s'exerce sur l'objet est très faible et il est facile d'aspirer l'objet. En revanche, les forces d'adhésion, qui étaient négligeables pour des objets plus grands, deviennent majoritaires et sont bien supérieures à la pesanteur. Ainsi, lorsque l'objet est plaqué contre l'outil, il est difficile de détacher l'objet de l'outil à cause des forces d'adhésion entre l'objet et l'outil, ce qui perturbe la vitesse de déplacement et la précision du positionnement de l'objet déplacé. De plus, à cette échelle, chaque contact entre l'objet et la tête de succion risque d'endommager l'objet en générant des microparticules qui peuvent également perturber le fonctionnement de l'outil. Ainsi, les dispositifs de succion ne sont pas satisfaisants pour manipuler des objets de petite taille ou des objets fragiles.

Pour contrecarrer les inconvénients des dispositifs de succion, il existe des méthodes sans contact, où l'objet à déplacer lévite au-dessus ou en-dessous de l'outil.

On connaît la lévitation optique qui permet d'accélérer et de suspendre une particule jusqu'à 10 ^"12 m ³ en appliquant une pression de radiation, par exemple par un rayonnement laser. Cependant, ce type de manipulation doit se faire dans un environnement transparent pour optimiser la stabilité de la particule, la particule étant obligatoirement diélectrique transparente. Il existe aussi la lévitation électrique qui utilise un champ électrique pour contrer la pesanteur et manipuler un objet chargé ou polarisé. On peut remplacer le champ électrique par un champ magnétique pour manipuler des objets en fonction de leurs propriétés magnétiques. Cependant, ces deux types de lévitation ne sont applicables qu'aux objets sensibles aux champs électriques ou magnétiques. De plus, il y a un risque de dégradation de l'objet placé dans un champ magnétique ou électrique. Enfin, ces techniques nécessitent des installations spécifiques en fonction de l'objet à manipuler. La lévitation aérodynamique utilise un flux de gaz, généralement de l'air, pour faire léviter un objet. Dans ce type de lévitation, on distingue les paliers à air des dispositifs de Bernoulli. Les paliers à air expulsent un flux d'air depuis le dessous de l'objet pour le faire léviter. A l'inverse, les dispositifs de Bernoulli sont positionnés au-dessus de l'objet à manipuler. Dans les dispositifs Bernoulli, l'outil comprend des parois latérales, l'objet à manipuler étant positionné entre ces parois. L'outil comprend un canal qui expulse de l'air comprimé sur l'objet. L'air comprimé projeté sur l'objet est évacué par l'espace qui existe entre les parois et l'objet, ce qui génère une force attractive opposé à la direction de l'air comprimé, cet effet étant appelé l'effet Bernoulli. La force attractive permet de maintenir l'objet à distance de l'outil. Le principal désavantage des méthodes aérodynamiques est que l'objet qui lévite a très peu de stabilité latérale.

Des méthodes de lévitation utilisant les ultrasons sont aussi connues. On distingue les méthodes utilisant la lévitation des ondes stationnaires ou lévitation champ lointain (« far field leviation » ou « standing wave lévitation ») des méthodes utilisant les champs proches (« near field lévitation »). La transition entre le champ proche et le champ lointain a lieu au niveau d'un point F appelé focus naturel. Le focus naturel F est une distance par rapport à la surface du générateur de l'onde ultrason : avant F, on parle de champ proche, après F, on parle de champ lointain. Autrement dit, si un objet est en lévitation dans un champ proche, on parle de lévitation en champs proche, s'il est en lévitation après le point F, on dit que l'objet est en lévitation en champ lointain. F est défini par :

F = r ^A 2/ λ où r est le rayon de la surface de la partie du générateur opposée à l'objet et λ la longueur d'onde de l'ultrason. Les systèmes utilisant la lévitation d'onde stationnaire nécessite la présence d'un réflecteur qui fait face au générateur d'ultrason. Le générateur émet des ondes qui vont se réfléchir sur le réflecteur et créer des nœuds équidistants de λ/2 où la force de répulsion est suffisante pour qu'un objet puisse léviter. Le principal inconvénient de cette technique est que les manipulations sont limitées à la zone entre le générateur et le réflecteur, et ceux uniquement au niveau des nœuds. De plus, l'objet est maintenu obligatoirement à une distance minimale du générateur de h/2 qui est la distance du premier nœud.

Dans certaines méthodes utilisant les ultrasons de champs proches, il n'y a pas de réflecteur au regard de l'émetteur, c'est l'objet à léviter qui agit comme un réflecteur. Cette méthode est peu utilisée car son champ d'application est limité à un déplacement vertical de l'objet, de bas en haut, en plaçant un émetteur en dessous de l'objet ce qui restreint son champ d'application. Des méthodes de lévitation utilisant une combinaison d'ultrasons et d'aspiration d'air sont aussi connues, et décrites par exemple dans les documents "Non-contact Handling and Transportation for Substrates and Microassembly Using Ultrasound-Air-Film-Technology, IEEE 201 1 , US2004/0070221 , DE102008036805, et JP2006-073654. Dans ces dispositifs de l'art antérieur, on couple une sonotrode intégrant le canal d'aspiration, à un transducteur, la sonotrode correspondant au moins à une demi-longueur d'onde, parfois plus, s'ajoutant à la longueur du transducteur correspondant au moins à une demi-longueur d'onde. Les outils de l'art antérieur ont une longueur entre extrémités d'au moins une longueur d'onde des ultrasons générés dans le corps de l'outil. L'encombrement de tels outils pour des applications de saisie-placement ou d'autres applications de manutention d'objets dans des espaces contraignantes, est un inconvénient et parfois rend l'utilisation de tels outils impossible pour certaines applications. Par ailleurs, une masse accrue de l'outil peut aussi influencer négativement la performance (rapidité et précision) des machines robots portant ces outils.

Bref résumé de l'invention

Un but de la présente invention est de proposer un système pour manipuler un objet sans contact, en particulier un objet millimétrique ou micrométrique, exempt des limitations ou minimisant les limitations des dispositifs connus. Des buts de l'invention sont réalisés par un outil selon la revendication 1 , 29 ou 31 , un système selon la revendication 22, et un procédé selon la revendication 25. Dans la présente, on décrit un outil de manutention pour saisir un objet sans contact, l'outil comprenant un transducteur d'ultrasons s'étendant entre une face réflectrice et une face de saisie configuré pour émettre des ultrasons formant, dans une zone en champ proche de la face de saisie, une onde de surpression, et un système d'aspiration de fluides configuré pour aspirer un fluide vers la face de saisie, formant dans ladite zone en champ proche une sous pression. Le système d'aspiration de fluides comprend au moins un canal d'aspiration de fluides disposé dans le transducteur d'ultrasons.

Selon un premier aspect de l'invention, une hauteur du transducteur définie par une distance entre la face de saisie et la face réflectrice est située dans une gamme de 80% à 150% d'une demi-longueur d'onde λ/2 des ultrasons générés dans le transducteur.

Selon un autre aspect de l'invention, le transducteur d'ultrasons comporte un corps et une tête, disposée à une extrémité du corps opposée à la face réflectrice, la tête comprenant la face de saisie et étant séparable du corps, ledit au moins un canal d'aspiration traversant le corps et la tête.

Selon un autre aspect de l'invention, le générateur d'ultrason comprend au moins une paire d'éléments piézoélectriques superposés, de préférence piézocéramique, ladite paire étant vissée dans le corps par une vis, le canal d'aspiration traversant la vis.

Dans une forme d'exécution avantageuse, ladite hauteur du transducteur est située dans une gamme de 90% à 1 10% d'une demi-longueur d'onde λ/2 des ultrasons générés dans le transducteur.

Dans une forme d'exécution avantageuse, ladite hauteur du transducteur est inférieure à 100mm, de préférence inférieure à 90mm, par exemple dans une gamme allant de 90mm à 20mm. Dans une forme d'exécution avantageuse, le canal d'aspiration comprend une ou plusieurs buse(s) d'aspiration débouchant sur la face de saisie. Dans une variante, le canal d'aspiration comprend une seule buse d'aspiration débouchant sur la face de saisie, ladite buse d'aspiration étant centrée sur la face de saisie. Dans une autre variante, le canal d'aspiration comprend plusieurs buses d'aspiration débouchant sur la face de saisie.

Dans une forme d'exécution avantageuse, ledit au moins un canal d'aspiration traverse l'outil de manutention de la face de saisie à la face réflective. Dans une forme d'exécution avantageuse, le transducteur d'ultrasons comprend un générateur d'ultrasons et un dispositif de transmission des ultrasons couplé au générateur, le dispositif de transmission comprenant un corps frontal muni d'un élément de fixation de l'outil disposé au niveau d'un plan nodal des ondes ultrasoniques générées par le transducteur.

Dans une forme d'exécution avantageuse, le dispositif de transmission comprend un corps arrière et un organe de précontrainte, le générateur d'ultrasons étant comprimé entre le corps frontal et le corps arrière par l'organe de précontrainte. L'organe de précontrainte peut notamment être une vis, et dans une forme d'exécution avantageuse, le canal d'aspiration traverse la vis.

Selon une mode de réalisation, le générateur d'ultrasons peut comprendre un empilement d'une pluralité d'anneaux piézoélectriques, notamment de 2 à 6 anneaux.

Dans une forme d'exécution avantageuse, le transducteur d'ultrasons comprend une tête couplée de manière interchangeable à un corps frontal du dispositif de transmission, la face de saisie étant disposée sur la tête. L'outil peut comprendre un jeu de plusieurs têtes interchangeables de dimensions ou de formes différentes.

Dans une forme d'exécution avantageuse, la tête et le corps frontal comprend des éléments de fixation complémentaires sous forme d'un système de fixation à baïonnette.

Selon des modes de réalisation, la face de saisie peut être plane ou courbe, par exemple ayant une forme concave, configurée pour être conforme à une portion de la surface de l'objet à saisir.

Selon des modes de réalisation, la face de saisie peut comprendre une surface hydrophobe ou lipophobe, notamment pour des applications de saisie d'objets liquides.

Dans une forme d'exécution avantageuse, l'outil peut comprendre en outre un dispositif de décharge électrique pour neutraliser une charge électrique de l'objet.

La surface de la face de saisie dans le cadre de l'invention peut être dans une gamme de 0.1 à 1300 mm ² . Dans une forme d'exécution avantageuse, la face de saisie de l'outil a une surface de taille identique, ou dans une gamme de 90% à 1 10%, à la taille d'une surface de l'objet à saisir.

Dans la présente, on décrit aussi un système de manutention sans contact comprenant l'outil de manutention sans contact, une unité de commande connectée au générateur d'ultrasons du transducteur d'ultrasons, et un dispositif d'aspiration comprenant une pompe d'aspiration connecté au canal d'aspiration de fluides. L'unité de commande et le transducteur d'ultrasons sont configurés pour générer des ultrasons à une fréquence se trouvant dans une gamme de 20kHz à 150kHz en fonction de la taille de l'objet à manipuler.

Dans une forme d'exécution avantageuse, l'unité de commande et le transducteur d'ultrasons sont configurés pour générer des ultrasons à une fréquence se trouvant dans une gamme de 30kHz à 150kHz, et notamment dans une gamme de 40kHz à 140kHz. Dans une forme d'exécution avantageuse, l'unité de commande comprend un circuit de commande connectée au générateur d'ultrasons et à la pompe d'aspiration pour commander simultanément la puissance d'aspiration et la génération des ultrasons.

Dans la présente, on décrit aussi un procédé de manutention d'un objet sans contact, comprenant :

- fournir un système de manutention selon l'une des revendications précédentes,

- activer la pompe d'aspiration pour créer une force d'aspiration et le générateur d'ultrasons pour créer une force de répulsion, par rapport à la face de saisie,

- placer la face de saisie de l'outil de manutention en face d'une surface de l'objet,

- suspendre l'objet à une distance de suspension non nul vis-à-vis la face de saisie en contrôlant simultanément la pompe d'aspiration et le générateur d'ultrasons, la distance de suspension étant contrôlée pour être dans une zone de champ proche des ultrasons.

Dans une forme d'exécution avantageuse, la distance de suspension de l'objet par rapport à la face de saisie est entre 1 et 80 micromètres, de préférence entre 1 et 60 micromètres.

Un avantage du dispositif selon la présente invention est qu'il utilise des ultrasons de champ proche comme force répulsive. En effet, la force répulsive des ultrasons varie dans la zone de Fresnel de façon à suivre la relation 1/(x ² ) en fonction de la distance x avec la tête, comme illustré sur la figure 10. Ce graphique illustre que la force est maximum au plus proche de la tête, c'est-à-dire au niveau des ultrasons de champs proche (zone 1 sur la figure 2), puis diminue dans les ondes stationnaires (zone 2 sur la figure 2). La force de répulsion en champs proche est toujours supérieure à la force mesurée aux nœuds séparés par h/2 dans la zone de lévitation des ondes stationnaires. Ainsi, l'utilisation des ultrasons de champ proche permet d'utiliser une force répulsive maximale sur l'objet, qui est contrebalancée par une force attractive de même ordre, ce permet d'obtenir une force de lévitation maximale sur l'objet. Cela permet d'améliorer la stabilité de l'objet pendant la suspension de l'objet.

Dans un mode de réalisation, le générateur d'ultrasons génère des ultrasons à une fréquence entre 20 kHz et 500 kHz, de préférence entre 40 kHz et 150 kHz en fonction de la taille de l'objet à saisir. La fréquence dépend des dimensions de l'objet à manipuler. Plus l'objet est petit, plus la fréquence peut être grande, et vice versa.

Dans un mode de réalisation, la tête a un diamètre d'environ trois fois le diamètre de l'objet. Dans un mode de réalisation, la hauteur h de l'ensemble corps-tête est inférieure à huit fois, par exemple environ six fois, le diamètre de l'enveloppe de l'objet. Par exemple, pour manipuler un objet d'environ 3 mm de diamètre, la longueur de l'ensemble corps-tête est d'environ 20 mm et le diamètre maximal de la tête est d'environ 8 mm.

Le terme diamètre a une définition large pour désigner la plus grande dimension de l'objet (son enveloppe) disposé en regard de la face de saisie de la tête, et s'applique ici aussi aux têtes ou aux objets non circulaires dans ce plan.

Avantageusement, il est possible de miniaturiser le dispositif du système de manutention pour adapter les dimensions du corps et de la tête en fonction de l'objet à manipuler. L'invention fonctionne aussi bien avec des objets présentant une surface plane ou une surface sphérique ou présentant des ouvertures. En particulier, les meilleurs résultats de centrage ou d'alignement sont obtenus lorsque la surface de l'objet en regard à la face de saisie est une surface continue, sans trou ou ouverture. L'objet du système n'a pas de restriction de taille ou de forme, il peut être plan, sphérique, ou comporter des cotés concaves, ou convexes, ou des ouvertures. L'objet peut être un objet solide qui peut être constitué de tous types de matériaux. Par exemple, les matériaux sont choisi parmi le métal ou un alliage de métaux, la céramique, les polyoléfines, les polyamides, des résines par exemple époxy, du verre, du silicium, les polymères plastiques.

Par exemple, l'objet est choisi parmi les composants électroniques comme des semiconducteurs, des microsystèmes de type MEMS ou MOEMS, des biopuces, des transistors en couches minces, des chips ou d'autres composants électroniques. L'objet peut avoir un revêtement en verre, un revêtement usiné au préalable qui présente des creux ou reliefs. L'objet peut être une pièce d'horlogerie, comme les pièces qui composent un mouvement. L'objet peut être un composant utilisé pour fabriquer des dispositifs médicaux dans les technologies médicales ou pharmaceutiques. L'objet peut être un composant utilisé pour fabriquer des composés pour l'aérospatial.

L'objet est choisi parmi les objets déplacés par micromanipulation, manipulation des objets fragiles, manipulation des objets sans contamination.

Par exemple, l'objet peut avoir un poids de 0.1 milligrammes à 10 grammes et un diamètre de 0.2 mm à 40 mm.

Dans un mode de réalisation, le dispositif permet de maintenir un écart (également appelé distance de suspension) entre 1 et 80 micromètres, de préférence entre 5 et 60 micromètre entre la face de saisie et la surface de l'objet opposée à ladite face de saisie. La distance peut dépendre des dimensions de l'objet, notamment plus l'objet est petit, plus la distance peut être petite. D'autres buts et aspects avantageux de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de formes d'exécution et des dessins.

Brève description des figures La figure 1 est une vue schématique d'un système de manutention d'un objet sans contact selon une forme d'exécution de l'invention ;

La figure 2a est une vue latérale d'un outil de manutention sans contact selon une forme d'exécution de l'invention, une tête de l'outil étant désassemblée du corps de l'outil;

La figure 2b est une vue en coupe d'un outil de manutention sans contact selon une forme d'exécution de l'invention, montrant la tête assemblé au corps;

La figure 2c est une vue en coupe de l'outil de manutention sans contact selon la figure 2b, avec une partie de connexion du système d'aspiration monté sur l'outil ; La figure 2d est une vue en perspective d'un outil de manutention sans contact selon une forme d'exécution de l'invention, avec une partie de connexion du système d'aspiration monté sur l'outil et comprenant un système de décharge électrique;

La figure 2e est une vue en perspective similaire à la figure 2d, avec un système de décharge électrique séparé selon une variante;

La figure 3a est une vue en perspective d'un corps et une tête séparables d'un outil de manutention sans contact selon une première forme d'exécution de l'invention ;

La figure 3b est une vue en coupe dans un plan traversant l'axe des pièces de la figure 3b assemblées et la figure 3c une vue en coupe selon la ligne G-G de la figure 3b,

La figure 3a est une vue détaillé d'une partie de couplage de la tête de la figure 3a ;

La figure 4 est une vue en perspective d'une tête séparable d'un outil de manutention sans contact selon une deuxième forme d'exécution de l'invention ;

La figure 5a est une vue en perspective d'une tête séparable d'un outil de manutention sans contact selon une troisième forme d'exécution de l'invention ;

La figure 5b est une vue partielle détaillée d'une face de saisie de la tête de la figure 5a ; La figure 6 est une vue en perspective d'une tête séparable d'un outil de manutention sans contact selon une quatrième forme d'exécution de l'invention ;

La figure 7a est une vue en perspective d'une tête séparable d'un outil de manutention sans contact selon une cinquième forme d'exécution de l'invention ;

La figure 7b est une vue d'une face de saisie de la tête de la figure 7a ;

La figure 8a est une vue en perspective d'une tête séparable d'un outil de manutention sans contact selon une sixième forme d'exécution de l'invention ;

La figure 8b est une vue latérale de la tête de la figure 8a ;

La figure 9 est une vue en perspective d'une tête séparable d'un outil de manutention sans contact selon une septième forme d'exécution de l'invention ;

La figure 10 est une graphique schématique de la force de répulsion crée par une onde ultrasonique en fonction de la distance d'une surface émettrice ; La figure 1 1 a illustre schématiquement les forces de répulsion et d'aspiration sur un objet situé à une distance proche de la face de saisie de l'outil;

La figure 1 1 b illustre un graphique montrant la force de répulsion dû à des ondes ultrasoniques ainsi que la force d'aspiration sur un objet en fonction de la distance séparant l'objet de la face de saisie de l'outil;

La figure 12a est une graphique illustrant la relation entre la hauteur du transducteur en fonction de la fréquence de résonance du traducteur, et la figure 12b une graphique illustrant la relation entre la hauteur du transducteur en fonction de la taille de l'objet à saisir.

La figure 13 montre graphiquement une courbe d'impédance électrique en fonction de la fréquence du générateur d'un transducteur d'un outil de manutention sans contact selon une forme d'exécution de l'invention.

Description de formes d'exécution de l'invention

Faisant référence aux figures, notamment les figures 1 et 2a, 2b, un système de manutention 2, selon une forme d'exécution de l'invention, est illustré. Le système de manutention 2 est notamment configuré pour la saisie et placement d'un objet 3 sans entrer au contact direct avec l'objet. Le système de manutention 2 selon des formes d'exécution de l'invention est configuré pour la manutention d'objets petits, notamment d'objets ayant une masse inférieure à 20 grammes, voir inférieure à 10 grammes. Le système de manutention 2 selon des formes d'exécution de l'invention est très avantageusement configuré pour la manutention d'objets très petits et notamment d'objets ayant une masse inférieure à 1 g allant jusqu'à 0.01 milligrammes.

Le système de manutention sans contact selon des formes d'exécution de l'invention est notamment configuré pour être intégré dans une machine d'assemblage, notamment un robot d'assemblage de micro-composants dans une chaîne de fabrication d'un produit. Des exemples d'applications non exhaustives comprennent :

• le saisie-placement sur une carte de circuit de petits composants électroniques comme des semiconducteurs, des microsystèmes de type MEMS ou MOEMS, des biopuces, des transistors en couches minces, des chips ou d'autres composants électroniques ; · le saisie de petits composants électroniques pour divers opérations telles que

l'inspection, le contrôle de qualité, et l'emballage;

• la manutention de pièces micro-mécaniques pour des petits moteurs ; • la manutention de pièces d'horlogerie, comme les pièces qui composent un mouvement, le cadran, des aiguilles, des appliques, le verre, par exemple pour l'assemblage des pièces, la manipulation de pièces après diamantage, le traitement de surface, ou pour le contrôle de qualité et l'inspection;

« la manutention de composants utilisés pour fabriquer des composés pour l'aérospatial ;

• la manutention de composants utilisés pour fabriquer des dispositifs médicaux ;

• la manutention de composants utilisés dans les technologies médicales ou pharmaceutiques.

· la manutention de petits organismes vivants, par exemple se trouvant dans une gouttelette de liquide, des embryons, des nématodes dans ou hors de l'eau.

Dans de nombreuses applications où les microcomposants ont des masses inférieures à 10gm, voir inférieures à 1 gramme, pour assemblage dans des produits de volume restreint ou à l'intérieur de volumes restreints, l'encombrement de l'outil de manutention a une conséquence importante. En effet, plus l'encombrement de l'outil est faible, plus il y a de versatilité dans l'utilisation de l'outil et notamment pour le placement de produits dans des espaces restreints, des ouvertures restreintes et d'autres contraintes au déplacement d'un outil par rapport à d'autres outils ou parties du produit dans lesquelles les composants sont assemblés.

Par ailleurs, une réduction de la taille et la masse de l'outil permet un déplacement plus rapide puisque l'inertie de l'outil est réduite, augmentant ainsi les performances de manipulation de l'outil, par exemple pour l'assemblage de composants.

L'utilisation d'un système de manutention sans contact permet d'éviter les problèmes liés aux outils de manutention avec contact, entre autre:

• le risque d'endommager le composant

• les problèmes d'adhésion d'un objet de petite taille et de ne pas pouvoir facilement lâcher l'objet,

• la difficulté de saisir et de placer un objet de petite taille avec suffisamment de précision ou de contrôle,

• le risque de contaminer le composant. Selon une forme d'exécution, le système de manutention sans contact 2 comprend une unité de commande 4, un dispositif d'aspiration 6, et un outil de manutention sans contact 8. Le dispositif d'aspiration comprend une pompe d'aspiration 6a couplé à l'outil de manutention par un canal 6d pour aspirer un fluide, notamment un gaz, à travers l'outil de manutention sans contact. Le dispositif d'aspiration peut en outre comprendre une vanne de régulation 6b et une unité de contrôle 6c comprenant un capteur de pression et une interface utilisateur, par exemple pour afficher la pression d'aspiration ou pour la saisie d'une consigne pour la commande du dispositif d'aspiration 6. L'unité de commande comprend une alimentation et un circuit de commande 4b avec un microprocesseur pour contrôler un générateur d'ultrasons dans l'outil de manutention comme il sera décrit plus en détail ci-après. L'unité de commande peut aussi être reliée 4c au système d'aspiration, notamment la pompe d'aspiration 6a et/ou la vanne de régulation 6b. L'unité de commande permet notamment de contrôler la saisie et le relargage de l'objet 3 par l'outil de manutention sans contact 8.

L'outil de manutention sans contact 8 comprend un transducteur d'ultrasons 10 pour créer une force de répulsion sur l'objet 3, et un système d'aspiration pour créer une force d'attraction sur l'objet 3, les forces d'attraction et de répulsion pouvant être équilibrés afin de suspendre l'objet à une distance de suspension d _s non nulle d'une extrémité formant une face de saisie 29 de l'outil. Les forces d'attraction et de répulsion peuvent être variées par l'unité de commande 4 afin de saisir l'objet, le déplacer et le lâcher à un endroit voulu.

Le système d'aspiration comprend un canal d'aspiration 30 traversant l'outil de manutention 8, couplé à une extrémité 21 au dispositif d'aspiration 6 et débouchant sur l'autre extrémité 29 par une ou plusieurs buses d'aspiration 32. Dans une forme d'exécution, telle que illustré dans la figure 2c, le dispositif d'aspiration comprend un connecteur 6e, par exemple sous forme d'une coiffe montée sur l'extrémité 21 du transducteur et comprenant un joint d'étanchéité 35, par exemple comprenant un O-ring, encerclant le corps arrière 22 du transducteur. Le connecteur 6e comprend une entrée, par exemple sous forme d'un bec 37, pour connecter un tuyau connecté à la pompe d'aspiration.

Le transducteur d'ultrasons 10 comprend un générateur de vibrations 12 et un dispositif de transmission 18 couplé au générateur 12. Dans l'exemple illustré, le générateur 12 comprend un empilement d'éléments piézoélectrique 14, de préférence des anneaux piézoélectriques en céramique, pris en sandwich entre un corps arrière 22 et un corps frontal 24 du dispositif de transmission 18. Un organe de précontrainte 20, par exemple sous forme d'une vis, traverse des orifices centraux 16 des anneaux piézoélectriques 14. L'organe de précontrainte est configuré pour appliquer une force de traction entre le corps arrière 22 et le corps frontal 24 conduisant à une force de compression agissant sur l'empilement d'anneaux piézoélectriques pris en sandwich entre ces deux corps. Des signaux électriques fournis par le circuit de commande 4 aux électrodes des éléments piézoélectriques permettent de générer une expansion axiale périodique des éléments piézoélectriques 14 pour générer des ondes ultrasoniques dans le dispositif de transmission 18. Le principe général de fonctionnement d'un transducteur d'ultrasons 10 avec des éléments piézoélectriques (notamment piézoélectriques céramiques) en sandwich entre un corps arrière et un corps frontal est en soi connu. Dans le cadre de l'invention, il est toutefois possible d'employer d'autres formes de transducteur d'ultrasons dans la mesure où celles-ci sont capables de générer les forces de répulsion nécessaires pour une saisie sans contact de l'objet en tenant compte de la force d'aspiration appliquée. Dans l'exemple illustré, le générateur comprend avantageusement un empilement de deux à six anneaux piézoélectriques céramiques 14, les anneaux piézoélectriques aux extrémités axiales étant orientés de sorte à ce que les électrodes neutres soient orientées respectivement vers le corps arrière 22 et le corps frontal 24. Le dispositif de transmission 18 comprend le corps arrière 22, le corps frontal 24, et l'organe de précontrainte 20, qui peut être notamment une vis traversant le corps arrière 22 et l'empilement d'anneaux piézoélectriques 14 disposé en sandwich entre le corps arrière 22 et le corps frontal 24. Le corps arrière 22 agit comme réflecteur pour les ondes ultrasoniques générées, le corps frontal transmettant les ondes vers une tête 28 disposée à l'extrémité de saisie du dispositif de transmission 18.

La tête 28 comprend une portion terminale 28a avec une face de saisie 29 formant la face de saisie placée en regard de l'objet 3 à saisir. La portion terminale 28a comprend les buses d'aspiration 32 connectées au canal d'aspiration 30 et qui débouchent sur la face de saisie 29. Les ondes ultrasoniques générées par le générateur 12 sont émises par la face de saisie 29.

Comme illustré dans les figures 1 1 a et 1 1 b, les ondes ultrasoniques génèrent une surpression relative à la pression ambiante générale, créant une force de répulsion F2 sur l'objet 3, alors que l'aspiration de fluide par la buse d'aspiration 32 génère une sous pression relative à la pression ambiante générale, créent une force d'attraction F1 sur l'objet 3. La force d'aspiration F1 augmente lorsque la distance entre l'objet et la face de saisie 29 décroit. Toutefois, la force de répulsion F1 générée par les ultrasons augmente lorsque la distance entre l'objet et la face de saisie 29 décroit. La force de répulsion est illustrée dans la figure 10. Lorsque l'on est dans la zone des champs proches (dite zone de Fresnel acoustique), à savoir dans la zone 1 où la distance séparant l'objet de la face de saisie 29 est bien inférieure à λ/4, λ étant la longueur d'onde de l'ultrason généré, la force de répulsion augmente rapidement correspondant essentiellement à une augmentation suivant la fonction. La caractéristique de croissance de la force d'aspiration en fonction de la distance entre la surface de l'objet 3 et la face de saisie 29 est moins prononcée de sorte à ce que l'on trouve une distance de suspension d _s d'équilibre où la force d'aspiration F2 est égale à la force de répulsion F1 plus le poids de l'objet (voir figure 1 1 b).

Dans des exemples d'application de l'invention, la distance d'équilibre d _s entre des forces de répulsion et d'attraction en fonction de la masse et la surface de l'objet se trouve typiquement entre 1 μηη et 80μηι.

Voici un exemple d'un composant à manipuler et les paramètres A titre d'exemple

En variant ces deux valeurs on peut changer la distance de suspension ds par exemple:

- si la pression d'aspiration < 3.34[kPa] la distance de suspension est plus grand que 40 μηη - si la pression de répulsion par ultrasons <1 .14 kPa la distance de suspension est plus petit que 40μηι.

Ces valeurs sont typiques pour des composants plus petit que 5mm. Dans une forme d'exécution préférentielle, la tête 28 du dispositif de transmission 18 peut avantageusement être sous forme d'une pièce séparable du corps frontal 24, comme illustré dans les figures 2a-9. Cela permet de changer la tête 28 en fonction de l'objet 3 à manipuler. En effet, pour obtenir un auto-centrage stable de l'objet 3 par rapport à l'outil de manutention sans contact 8, il est avantageux à ce que la surface de la face de saisie 29 soit de forme et de taille identiques à la forme et la taille de la surface de l'objet 3 en regard de ladite face de saisie 29, ou dans une gamme de 80% à 300% de la taille de la surface de l'objet 3 en regard de ladite face de saisie 29. Une prise, tel qu'un plat 39, permet de dévisser et visser la tête au corps frontal La stabilité latérale est donnée principalement par l'écoulement du fluide autour de l'objet vers la ou les buses d'aspiration 32, la sous-pression agissant sur l'objet étant configurée par la ou les buses d'aspiration pour être d'amplitude maximale vers le centre de la face de saisie 29. Par contre, la surpression générée par les ultrasons en champ proche a de préférence une caractéristique d'amplitude essentiellement constante sur toute la face de saisie 29 afin d'assurer que la surface de l'objet 3 en regard à la face de saisie 29 soit stabilisée dans une position essentiellement parallèle à cette face de saisie 29. Il en résulte une stabilité latérale, conduisant à un centrage de l'objet par rapport à l'axe A de l'outil de manutention, ainsi qu'une stabilité contre la rotation de l'objet autour d'un axe orthogonale à l'axe A. Cela permet de garder la face de l'objet en regard à la face de saisie 29, à une distance constante de suspension d _s très faible, en particulier inférieure à 80μ, plus particulièrement inférieure à 50μ. La très grande stabilité et la très faible distance d'équilibre (distance de suspension) d _s permettent une saisie et un placement de l'objet extrêmement précis.

Le transducteur d'ultrasons 10, selon l'invention, comprend une hauteur h entre l'extrémité correspondant à la face réflectrice 21 du corps arrière 22 et l'extrémité correspondant à la face de saisie 29, essentiellement équivalent à une demi-longueur d'onde λ/2 des ultrasons générés à l'intérieur du transducteur d'ultrasons 10. La longueur d'onde des ultrasons générés dans le transducteur dépend des matériaux formant le transducteur, puisque la longueur d'onde dépend de la vitesse du son dans le milieu concerné. Les matériaux formant le transducteur comprennent typiquement des alliages d'aluminium ou de titane (ou encore de magnésium) pour le corps frontal et la tête, de l'acier pour le corps arrière (qui réfléchit les ondes), et du céramique pour les éléments piézoélectriques. La vitesse du son dans l'aluminium est d'environ 6200m/s, alors que la vitesse du son dans l'air est d'environ 343m/s. Un transducteur avec un corps frontal et une tête en aluminium, ainsi qu'un générateur piézocéramique, fonctionnant à une fréquence résonante de 50 kHz, a une longueur d'onde d'environ 100mm, alors que la longueur d'onde des ultrasons émis à la face de saisie dans l'air est environ 7mm. La gamme de matériaux utilisables pour la génération d'ultrasons est à présent assez limitée (aluminium, magnésium, titane) et les vitesses du son dans ces matériaux sont comparables, de sorte à ce que la relation entre la fréquence est la hauteur du transducteur est proche ou équivalent à la relation illustrée dans la figure 12a. Pour une fréquence opérationnelle du transducteur de 40kHz, la hauteur h du transducteur est d'environ 60mm, alors que pour une fréquence opérationnelle de 140kHz, la hauteur h du transducteur est d'environ 20mm.

Dans des variantes selon l'invention, la hauteur h peut être dans une gamme de 80% à 140% de ladite demi-longueur d'onde λ/2, notamment dans une gamme de 90% à 1 10% de ladite demi-longueur d'onde λ/2. Dans des dispositifs de l'art antérieur, on couple une sonotrode au transducteur, la sonotrode correspondant au moins à une demi-longueur d'onde (parfois plus) et le transducteur correspondant au moins à une demi-longueur d'onde, les outils de l'art antérieur ayant une longueur entre extrémités d'au moins une longueur d'onde des ultrasons générés. L'encombrement de tels outils pour des applications dans des espaces étriquées, notamment pour la manutention de composants très petits (en particulier ayant des masses inférieures à 10gm, voir inférieures à 1 gm), est un inconvénient et peut, selon l'application, rendre l'utilisation de tels outils impossible. Dans l'invention, l'intégration du système d'aspiration directement dans un outil de manutention muni du transducteur permet d'avoir la solution la plus compacte, ayant une hauteur correspondant à la demi-longueur d'onde des ultrasons générés dans le transducteur.

Dans l'invention, le corps frontal 24 ainsi que de l'organe de précontrainte 20 (la vis dans l'exemple illustré) et le générateur d'ultrasons 12 sont conçus pour amplifier l'amplitude des ultrasons générés toute en gardant une hauteur aussi faible que possible et en intégrant le système d'aspiration 30, 32, 6e. A cet effet, le corps frontal 24 comprend deux, trois ou plus de réductions de diamètres configurées pour permettre d'amplifier les vibrations dans le sens axial A, en minimisant les vibrations radiales ou latérales (orthogonales à la direction axiale), afin d'assurer la création d'une onde de pression ultrasonique stable et uniforme à la face de saisie 29. Dans une forme d'exécution ou il y a au moins trois réductions de diamètre, par exemple comme illustré dans la figure 2b, les rapports entre les diamètres successives D1 , D2, D3, D4 dans le sens décroissant se trouvent dans une gamme

• pour D1/D2, entre max 2,6 et min 1 , 1

· pour D2/D3, entre max 2,6 et min 1 , 1

• pour D3/D4, entre max 6 et min 1 , 1

et de préférence dans une gamme :

• pour D1/D2, entre max 1 ,6 et min 1 ,4

• pour D2/D3, entre max 1 ,6 et min 1 ,3

· pour D3/D4, entre max 5 et min 1 ,2

Dans une forme d'exécution ou il y n'y a que deux réductions de diamètre dans le corps frontal, les rapports entre les diamètres successives D1 , D2, D3, dans le sens décroissant se trouvent de préférence dans une gamme

· pour D1/D2, entre max 2,6 et min 1 ,3

• pour D2/D3, entre max 5 et min 1 ,2 Dans une forme d'exécution ou il y a quatre ou plus de réductions de diamètre dans le corps frontal, les rapports entre les diamètres successives D1 , D2, D3, D4, D5 dans le sens décroissant peuvent suivre les relations ci-dessus, les subséquentes se trouvant entre max 6 et min 1 , 1 .

Dans une forme d'exécution préférentielle, afin de diminuer l'encombrement de l'outil, le système de manutention sans contact est configuré pour générer des ultrasons dans une gamme de fréquence de 30 à 500 kHz, de préférence entre 40 et 140 kHz selon la taille de l'objet à manipuler. La hauteur de l'outil et la fréquence utilisée peuvent être définies en fonction de l'objet à manipuler. Comme illustré dans la figure 12b, plus l'objet est petit, plus la hauteur de l'outil peut être faible et la fréquence élevée. Dans les systèmes conventionnels, les transducteurs travaillent typiquement dans une gamme de 20 à 40 kHz alors que dans la présente invention la combinaison d'une fréquence élevée telle que 80 kHz et d'un outil ayant une hauteur de demi-longueur d'onde λ/2 permet de réduire de 4 à 8 fois la hauteur de l'outil de manutention par rapport aux outils conventionnels. A cet égard, le fait de travailler avec des ultrasons à champ proche pour la force de répulsion permet de diminuer la force d'aspiration ainsi que la puissance nécessaire pour générer les ultrasons. Par ailleurs, dans l'invention, le plan nodal P, à savoir le plan où l'amplitude de l'onde générée par le transducteur est minimale (± 0), peut être configuré pour être disposé dans le corps frontal 24 du dispositif de transmission 18.

Un élément de fixation, telle qu'une bride de fixation 24b, peut avantageusement être disposée à la position du plan nodal P pour la fixation de l'outil à un bras de robot ou autre organe de machine pour le déplacement de l'outil de manutention. Dans un mode de réalisation, l'élément de fixation 24b peut avantageusement comprendre un couplage amortissant au corps 24, configuré pour amortir les vibrations résiduelles dans le plan nodal P. Dans l'exemple illustré dans la figure 2c, le couplage amortissant comprend des encoches 25 dans la bride 24b pour donner une certaine élasticité (souplesse) entre la couronne extérieur et le corps.

Le canal d'aspiration 30, dans une forme d'exécution, peut avantageusement être disposé le long de l'axe central A de l'outil de manutention, le canal ayant une section 30b traversant le corps frontal et une section 30a traversant la vis 20 pour un accouplement au dispositif d'aspiration 6. Pour un outil de manutention de faible hauteur, par exemple inférieur à 60 mm de hauteur, cela est particulièrement avantageux puisqu'il permet de faciliter l'accouplement du dispositif d'aspiration à l'outil. Toutefois, dans des variantes il est également possible de disposer le canal autrement dans le corps de l'outil de manutention de manière non centrale avec une entrée radiale dans le corps de l'outil, la seule fonction critique du canal étant la disposition de la buse ou des buses d'aspiration 32 à la face de saisie 29 de la tête 28.

Dans une forme d'exécution, l'outil comprend une buse d'aspiration débouchant sur la face de saisie, ladite buse d'aspiration étant centrée sur la face de saisie.

Dans d'autres formes d'exécution, l'outil comprend plusieurs buses d'aspiration débouchant sur la face de saisie, lesdites buses d'aspiration étant disposées par exemple autour du centre de la face de saisie. Des exemples sont illustrés dans les figures 6 à 7b. Une rainure 32a peut avantageusement être disposé dans la face de saisie 29 à la position des buses 32 de sorte à mieux répartir la pression du flux de gaz aspiré autour du centre de la face de saisie. On évite ainsi une localisation trop forte de la sous pression autour des buses 32. Un exemple est illustré dans la figure 7a, 7b. Encore d'autres configurations peuvent être implémentées en fonction de la géométrie de l'objet à saisir et du flux hydrodynamique de fluide autour de l'objet à saisir. Les buses sont configurées pour assurer un profil de sous pression permettant d'attirer l'objet vers l'axe centrale A du dispositif de transmission afin de stabiliser latéralement l'objet par rapport à la face de saisie.

Dans une forme d'exécution, la tête 28 peut comprendre une portion terminale 28a configurée pour la suspension d'une goutte de liquide, la buse ou les buses étant configurée(s) pour créer un écoulement d'air ou de gaz autour de la goutte maîtrisant la forme essentiellement sphérique de la goutte, et de disposer sur la face de saisie 29 une couche hydrophobe pour repousser la goutte lorsqu'il est très proche ou rentre en contact accidentel avec la face de saisie.

Dans une forme d'exécution, la tête 28 et le corps frontal 24c comprennent des éléments de fixation complémentaires sous forme d'un système de fixation à baïonnette comme illustré dans les figures 3a à 3d. Le système de fixation à baïonnette comprenant des ergots 31 sur une des pièces s'insérant dans une rainure 33 complémentaire de l'autre pièce, telle que illustré dans les figures 3a à 3d. La fixation à baïonnette permet un changement rapide de la tête, et par ailleurs assure une orientation angulaire précise (autour de l'axe central A) de la tête par rapport au corps frontal 24 de l'outil de manutention. En effet, la tête peut, dans certaines variantes, comprendre une face de saisie non-axisymétrique, par exemple carrée (voir figure 9), rectangulaire (voir figures 4 à 5b), ovale, polygonale, ou d'autres formes en fonction de l'objet à manipuler. La tête 28, dans une variante, peut aussi être fixée au corps frontal 24 au moyen couplage fileté. D'autres moyens de fixation, en soi connus, peuvent aussi être utilisés dans l'outil selon l'invention.

L'outil de manutention peut avantageusement comprendre un jeu de plusieurs têtes interchangeables de dimensions ou de formes différentes pour permettre de changer la tête en fonction de l'objet à manipuler. Il est toutefois à noter que pour certaines applications, le corps frontal et la tête peuvent être solidaires sous forme d'une pièce monobloc.

Selon une forme d'exécution, l'unité de commande 4 et le générateur 12 peuvent être configurés pour générer des vibrations à des fréquences anti-résonnantes, à savoir à des fréquences forcées qui ne correspondent pas à une fréquence résonnant du transducteur d'ultrasons 10. La figure 13 montre graphiquement une courbe d'impédance électrique en fonction de la fréquence du générateur d'ultrasons, illustrant un point d'impédance minimum du régime résonant et un point d'impédance maximum du régime anti-résonant (régime forcé). L'avantage de ce mode de fonctionnement et de cette configuration est de créer une vibration stable. Dans un système résonnant, l'impédance faible demande un courant élevé et induit une forte déformation de la structure qui génère une certaine instabilité. Pour générer les vibrations forcées anti-résonnantes à des positions où l'impédance est élevée voire dans les zones où l'impédance est maximale, une forte tension est nécessaire pour obtenir l'amplitude de vibration requise pour générer les ultrasons, toutefois avec un courant faible. Des vibrations dans cette zone sont plus stables parce que la structure vibre d'une manière solide conduisant à une stabilité meilleure dans le contrôle de la force de répulsion des ultrasons générés. En effet, en travaillant sur des vibrations forcées, on peut plus facilement varier et maîtriser la force de répulsion des ultrasons dans le champ proche. Un avantage d'un système travaillant avec des vibrations forcées est que la surface de saisie 29 vibre avec une plus grande planéité que pour un régime résonant, ce qui peut améliorer la stabilité de saisie en raison de la pression d'onde répulsive plus plane.

Dans une forme d'exécution, le système de manutention sans contact peut comprendre en outre un dispositif de décharge électrique 40 (voir les figure 2d et 2e) afin d'éliminer les charges électrostatiques des objets. Le dispositif de décharge électrique 40 peut être séparé de l'outil de manutention 8 (figure 2e), ou intégré dans l'outil de manutention (figure 2d). L'élimination de charges électriques des objets permet de mieux contrôler les forces agissant sur l'objet, notamment afin d'éliminer les forces générées par une charge électrostatique de l'objet. Cela peut aussi être très avantageux pour bien maîtriser la distance d'équilibre entre l'objet et la face de saisie de l'outil augmentant ainsi la précision de saisie et de placement de l'objet par le système de manutention.

Dans une forme d'exécution, l'outil de manutention sans contact peut comprendre en outre un capteur de position afin de mesurer la position, et notamment la distance, de l'objet par rapport à la face de saisie. Le capteur peut être sous forme d'un capteur optique, inductive, capacitive ou à effet Hall disposé sur la face de saisie ou autour ou à côté de la face de saisie. Dans une forme d'exécution, le capteur de position est disposé au centre de la face de saisie, l'outil de manutention comprenant une pluralité de buses d'aspiration disposées autour du capteur. Le capteur peut être connecté au circuit de commande de l'unité de commande pour contrôler les forces agissant sur l'objet, notamment la force d'aspiration en contrôlant par exemple la puissance de la pompe d'aspiration ou une vanne sur le canal d'aspiration, et/ou en contrôlant la puissance des ultrasons émis. Cela peut aussi être très avantageux pour bien maîtriser la distance d'équilibre entre l'objet et la face de saisie de l'outil augmentant ainsi la précision de saisie et de placement de l'objet par le système de manutention. La position de l'objet par rapport à la face de saisie peut aussi être mesurée au moyen d'un ou plusieurs caméras ne faisant pas partie de l'outil de manutention.

Il convient toutefois de souligner que le contrôle de la distance de suspension d _s peut aussi être effectué sans capteur de position selon des modes de réalisation, notamment en contrôlant la sous pression d'aspiration, cela en contrôlant la pompe d'aspiration 6a ou la vanne 6b, suivant la mesure de pression donnée par le capteur de pression 6c.

Prenant la direction de la force de gravité comme référentielle, il convient de souligner que l'objet 3 peut être saisi et manipulé en étant disposé au-dessous de la face de saisie 29, mais aussi au- dessus de la face de saisie, ou encore dans n'importe quelle autre orientation. La direction verticale illustrée dans les figures ne correspondent donc pas forcement à la direction de la force de gravité puisque l'outil de manutention selon l'invention peut suspendre un objet dans toutes les orientations en raison de l'auto centrage effectué par la force d'aspiration par rapport à la face de saisie. Liste de références

objet 3

système de manutention sans contact 2

unité de commande 4

alimentation 4a

circuit de commande 4b

connexion au dispositif d'aspiration 4c dispositif d'aspiration 6

pompe d'aspiration 6a

vanne de régulation 6b

unité de contrôle 6c

ligne de connexion 6d

connecteur d'aspiration 6 ^e

joint 35

bec 37

outil de manutention sans contact 8

transducteur d'ultrasons 10

générateur 12

empilement d'anneaux piézoélectriques 14 orifice central 16

dispositif de transmission 18

organe de précontrainte 20

vis

corps arrière 22

face réflectrice 21

corps frontal 24

partie arrière 24a

interface générateur bride de fixation 24b

encoches 25

partie de tête 24c

interface tête 26

gorge 33

tête 28

portion terminale 28a

face de saisie 29

interface d'accouplement au corps 28b ergot 31

prise 39

canal d'aspiration 30

buse(s) d'aspiration 32

rainure 32a

plan nodal du transducteur P

Axe A

Hauteur du transducteur h