L'invention a des applications dans les techniques industrielles nécessitant un déplacement et un positionnement angulaire de précision pour une amplitude maximale de 45°.

Elle est plus particulièrement, mais pas exclusivement, destinée à tre mise en oeuvre dans le domaine des dispositifs d'optique, et, encore plus particulièrement mais pas exclusivement, dans les applications nécessitant le déplacement et le positionnement en rotation d'un ou de plusieurs composants optiques, par exemple de miroirs.

Parmi les dispositifs moteurs de précision, on connaît ! es ttes de lecture des appareils laser CD. Par exemple, le document japonais JP 10124897 de SONY CORP. divulgue un bras pivotant avec deux aimants de surface étendue de part et d'autre du pivot, I'effet moteur est obtenu par faction de bobines électromagnétiques à deux potes chacunes vers les aimants et disposés symétriquement par rapport au pivot. Le document US-5,479,386 divulgue également une tte de lecture optique dans laquelle les bobines électromagnétiques sont symétriques par rapport au pivot de l'organe de l'optique.

On connaît par ailleurs des moteurs électromagnétiques à couronnes d'aimants et de bobines. Ainsi, la demande EP- 476522 divulgue un rotor à couronne d'aimants et stator à trois bobines. Toutefois, un tel moteur ne permet pas un positionnement angulaire précis.

Dans te domaine de !'optique, les laser et les dispositifs de mesure nécessitent un positionnement extrmement précis d'éléments optiques du type miroir, lentilles, filtres réseaux ou autres. En effet, les longueurs d'ondes mises en jeu sont

extrmement courtes et les éléments doivent tre positionnés avec une précision fonction de ces longueurs d'onde. C'est par exemple, le cas des cavités laser, dont les miroirs doivent tre positionnés en fonction de la longueur d'onde du rayonnement qui doit tre produit. De plus, ce positionnement doit aussi tre stable dans le temps.

Ces contraintes sont encore plus fortes dans les dispositifs dans lesquels des longueurs d'ondes modifiables ou variables doivent tre produites ou mesurées. C'est pa'r exemple le cas pour les laser accordables ou les spectromètres à balayage. Dans ces dispositifs, un élément, par exemple un miroir, monté mobile en rotation doit pouvoir tre mis en mouvement, déplacé et positionné par un mouvement motorisé selon un signal de consigne de positionnement (valeur désirée de position angulaire) afin de déterminer la longueur d'onde d'émission ou de mesure. Les caractéristiques essentielles d'un tel mouvement sont la précision du positionnement et du déplacement angulaire (dont la vitesse instantanee), Ia stabilité, la répétabilité et la. résolution angulaire. Ces caractéristiques concernent donc des propriétés aussi bien statiques que dynamiques. A titre d'exemple, dans ces applications d'optique, une amplitude angulaire maximale de fonctionnement inférieure à 20° est recherchée et le positionnement est préférentiellement possible-entre 4'et 10*. La résolution est comprise entre 100 000 à 300 000 points ou plus sur I'amplitude maximale de fonctionnement. La stabilité à long terme est d'environ 10 fois la résolution. La stabilité de la vitesse instantanée est de plus ou moins 30 % sur 6 points de résolution. La vitesse de déplacement est en general comprise entre 0,10/seconde 4°/seconde.

Les mouvements motorisés connus de l'. état de fart, utilisent un organe moteur, moteur pas à pas généralement, agissant sur un organe démultiplicateur, une vis micrométrique généralement, ce dernier agissant sur un bras

de levier monté pivotant autour d'un axe de rotation. Dans ce type de mouvement, une démultiplication importante est introduite par la vis micrométrique et il suffit que le moteur pas à pas ait une résolution de 1 000 points sur un tour, soit 360°. Cependant, ces divers éléments disposés en série, transformant le mouvement de rotation du moteur pas à pas en déplacement linéaire puis de nouveau en rotation, sont sources de multiples irrégularités, points durs, ou jeux. Ces défauts peuvent apparaître et/ou évoluer au cours. du temps et en particulier à la suite de l'usure du mouvement. Ce type de mouvement présente aussi une inertie importante du fait du nombre d'éléments mis en mouvement et nécessite aussi une puissance de commande importante. Ainsi, pour déplacer sur quelques degrés un miroir d'un poids inférieur à 1 gramme, de tels mouvements peuvent consommer jusqu'à 6 watts. Cette énergie se dissipe en partie sous forme de chaleur qui crée de nouveaux problèmes de stabilité au cours du temps.

Dans certains cas, il est possible de palier partiellement à certains de ces défauts par l'utilisation d'un capteur de position angulaire dont la mesure est comparée à la consigne (valeur désirée de position angulaire) pour correction dans un dispositif de contrôle électronique agissant sur l'organe moteur.

Afin de résoudre ces problèmes, l'invention propose de réaliser un dispositif permettant le déplacement et le positionnement en rotation par un organe moteur directement, sans interposition d'un organe démultiplicateur. L'invention permet d'obtenir un mouvement motorisé qui a, au minimum, les caractéristiques de précision et de résolution des systèmes de !'état de la technique indiquées plus haut. Le mouvement motorisé de l'invention peut tre utilisé dans toute application nécessitant un déplacement et un micro positionnement angulaire de précision.

L'invention concerne donc un mouvement motorisé électromagnétique pour déplacement et positionnement angulaire de précision comportant un organe moteur et un dispositif de contrôle électronique comportant au moins une entrée de signal de consigne de positionnement angulaire, ledit organe comportant un élément mobile du type rotor et un élément fixe du type stator, le rotor comportant un axe autour duquel il tourne.

Selon. l'invention le rotor comporte en outre un bras comportant à chacune de ses deux extrémités opposées un aimant, ledit bras étant solidaire perpendiculairement audit axe, le point de solidarisation correspondant sensiblement au point d'équilibre dudit bras comportant lesdits aimants, lesdits aimants suivant dans leurs déplacements un chemin porté par un cercle de rotation dont le centre correspond audit axe, le. stator comporte deux générateurs électriques de champ magnétique disposés en deux points du cercle de rotation, les deux points étant séparés de 135° à 180° entre . ; eux et préférentiellement de 170t à 1. 80° entre eux, fa droite virtuelle joignant les points ne passant pas par I'axe, lesdits générateurs étant commandés par au moins deux sorties de signaux de commande dudit dispositif de contrôle électronique.

Dans divers modes de mise en oeuvre de l'invention, les moyens suivants pouvant tre combinés selon toutes les possibilités techniquement possibles sont mis en oeuvre : -L'axe est monté en rotation sur un roulement à bille.

-L'axe est solidaire d'un capteur de position angulaire.

-Un index est fixé perpendiculairement à 1'axe et au bras, ledit index portant à une première de ses deux extrémités un aimant supplémentaire et une bobine supplémentaire fixe'est disposée en relation avec ledit aimant supplémentaire, la bobine supplémentaire servant à mesurer la vitesse de rotation dudit mouvement.

-L'index est équilibré par rapport audit axe, une charge étant disposée à la seconde extrémité dudit index.

-La bobine supplémentaire présente une section de mesure sensiblement carrée ou rectangulaire, la section de mesure étant suffisante pour que I'aimant supplémentaire soit en relation avec ladite bobine supplémentaire lors de ses déplacements.

-Le mouvement est utilisé dans un appareil optique, un miroir étant solidaire de I'axe. Par exemple, le miroir peut tre directement fixé sur I'axe ou le miroir peut tre fixé sur l'extrémité d'un bras de levier, ledit bras de levier étant fixé perpendiculairement audit axe, en particulier, il est envisagé de placer le miroir vers la seconde extrémité de l'index.

-Le dispositif de contrôle électronique comporte en outre une seconde entrée recevant un signal de position pour former une boucle d'asservissement, ledit signal de position étant fourni par le capteur de position, ledit dispositif contrôlant lesdits générateurs par des signaux de commande afin que ta position du capteur de position corresponde à la consigne.

-Le dispositif de contrôle électronique comporte en outre des moyens permettant d'introduire un terme d'amortissement dans la boucle d'asservissement, ledit terme étant un signal de vitesse de rotation.

-Le dispositif de contrôle électronique comporte en outre un différenciateur, ledit différenciateur permettant de produire un signal de vitesse de rotation à partir du signal de position.

-Le dispositif de contrôle électronique comporte en outre une troisième entrée recevant le signal de vitesse de rotation produit par la bobine supplémentaire.

-Le dispositif de contrôle électronique comporte des moyens de calcul analogique.

-Le dispositif de contrôle électronique comporte des moyens de calcul numérique ou digital.

-Le dispositif de contrôle électronique comporte au moins un processeur de signaux digitaux (DSP).

L'invention concerne également un procédé de mise en oeuvre d'un mouvement motorisé électromagnétique pour déplacement et positionnement angulaire de précision.

Selon ce procédé, dans un mouvement motorisé selon l'une ou plusieurs des caractéristiques précédentes éventuellement combinées, on envoie un signal de consigne de positionnement angulaire audit. mouvement.

Dans divers modes de mise en oeuvre de l'invention de procédé, les moyens suivants pouvant tre combinés selon toutes les possibilités techniquement possibles sont mis en oeuvre : -on mesure la position angulaire de l'axe et on corrige dans le dispositif de contrôle électronique les signaux de commande afin que la position angulaire mesurée corresponde à la consigne.

-on introduit une étape supplémentaire consistant à déterminer la vitesse de rotation du mouvement sous la forme d'un signal de vitesse de rotation et on introduit ledit signal de vitesse dans le dispositif de contrôle sous forme d'un terme de correction supplémentaire introduisant un amortissement.

La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'un mode de mise en oeuvre de l'invention, et des dessins associés où : -la Figure 1 représente une vue d'un mouvement motorisé selon un mode de mise en oeuvre de l'invention en coupe transversale verticale passant par l'une des bobines et par I'axe, -la Figure 2 représente une vue du dessus de ce mme mouvement motorisé.

Sur la figure 1, le mouvement motorisé est représenté selon une coupe transversale verticale passant par un des générateurs électrique de champ magnétique, en l'espèce ici,

une bobine 6 et par I'axe 3. Une platine 2 sert de support au mouvement 1 qui comporte un élément mobile ou rotor et un élément fixe ou stator. Le rotor comporte un axe 3, vertical sur le schéma qui est mobile en rotation autour de lui-mme.

Un roulement à bille 10 permet de maintenir libre en rotation l'axe 3 sensiblement perpendiculaire à la platine 2. L'axe 3 comporte une gorge au niveau du roulements afin de le stabiliser verticalement ainsi que représenté sur la figure.

Dans d'autres modes de mise en oeuvre de l'invention, un second roulement à bille (non représenté) pourra tre utilisé afin d'améliorer la stabilité dudit rotor. Eventuellement, cet ensemble de deux roulements à billes pourra correspondre à un roulement comportant deux rangées ou étages superposés de billes. Le terme roulement à billes est considéré ici comme générique et tout système de palier permettant la rotation d'un axe avec un minimum de résistance est considéré : roulement à rouleau, palier magnétique...

Un capteur de position 7 solidaire de la platine 2 permet de mesurer la position angulaire de t'axe 3. Ce capteur de position sera préférentiellement un capteur permettant de faire des mesures sans contact, par exemple optiquement, afin de diminuer les frottements et autres sources d'irrégularités. Ce peut tre un capteur incrémental ou autre, absolu ou relatif, et le signal de position généré pourra tre digital ou analogique et par exemple sinus/cosinus. Des moyens de conversion pour adaptation sont éventuellement prévu en fonction des types (analogique et/ou numérique) de moyens utilisés dans le dispositif de contrôle électronique 8.

Le signal de position est envoyé sur la ligne 71 vers le dispositif de contrôle électronique. Le rotor comporte un bras 4, sensiblement perpendiculaire à I'axe 3. Le bras 4 comporte à ses deux extrémités opposées deux aimants 41,41'. Ce bras 4 est préférentiellement fixé à sa position d'équilibre sur l'axe 3. Le rotor comporte également un index 5 allongé sensiblement perpendiculaire à l'axe 3 et au bras 4 et qui est

aussi monté fixé sensiblement en son point d'équilibre. A une première extrémité de l'index 5, est disposé un aimant supplémentaire 9' (non visible sur la figure 1) et à la seconde extrémité dudit axe 5 est disposé un contrepoids 51. Un tel mouvement, bien que représenté vertical sur la figure, peut fonctionner dans toute autre position. Dans d'autres modes de mise en oeuvre de l'invention, le contrepoids 51 pourra tre omis, I'index 5 s'étendant entre !'axe 3 et i'aimant supplémentaire 9'. L'ensemble des éléments formant'le rotor : I'axe 3, le bras 4 et ses deux aimants 41,41', l'index 5 et son aimant supplémentaire 9'ainsi que son éventuel contrepoids 51 sont donc mobiles en rotation autour à I'axe 3.

Du fait de la fixation du deuxième axe 4 sensiblement à son point d'équilibre, les deux aimants 41 et 41'sont sensiblement disposés symétriquement par rapport à I'axe 3 et, dans leurs mouvements, décrivent une trajectoire supportée par un cercle de rotation 61 (figure 2) dont le centre correspond à l'axe 3.

Le stator est. constitué de deux générateurs magnétiques 6 et 6'dont le champ magnétique généré peut varier en fonction des signaux de commande produits par le dispositif de contrôle électronique 8. Dans un mode préféré de réalisation, les générateurs de champ magnétique sont des électroaimants du type bobine à noyau. Les bobinages à noyau 6 et 6'sont fixés sur la platine 2. Ils pourront éventuellement comporter sur la face opposée aux aimants 41 et 41', un contre-aimant destiné à améliorer les qualités du champ magnétique généré. Dans d'autres formes de mise en. oeuvre de l'invention, les électroaimants pourront comporter un noyau métallique se refermant au niveau d'un entrefer dans lequel les éléments 41 et 41'pourront se déplacer. Les électroaimants pourront. chacun comporter deux bobines disposées de part et d'autres des aimants 41 et 41'.' Sur la Figure 1, le mouvement motorisé est représenté dans une position dans laquelle I'aimant 41 est placé dans le

champ magnétique généré par l'électroaimant 6. Le second électroaimant 6'n'étant pas disposé symétriquement le long du cercle de rotation par rapport à l'axe 3, le second aimant 41'est décalé par rapport au second électroaimant 6'.

Un dispositif de contrôle électronique 8 assure le contrôle du fonctionnement du mouvement. Le dispositif de commande fournit en sortie les signaux de commande des électroaimants 6 et 6'par respectivement, les liaisons 61 et 61'. Dans une forme de mise en oeuvre de l'invention évoluée, le dispositif de contrôle en plus de recevoir par la liaison 81, une consigne de positionnement angulaire reçoit sur deux entrées supplémentaires un signal de position fourni par le capteur de position 7 par la ligne 71 et un signal de vitesse de rotation fourni par l'aimant supplémentaire 9'et la bobine supplémentaire 9 par la ligne 91. Dans une autre forme de mise en oeuvre de l'invention, le signal de vitesse de rotation pourra tre directement calculé à l'intérieur du dispositif de contrôle 8 par un différenciateur à partir du signal de. position reçu par la ligne 71.

Dans le cas d'une recherche d'une performance extrme du système en résolution et précision, les signaux de position et de vitesse (éventuellement calculé dans le dispositif de commande) seront préférentiellement fournis en entrée dudit dispositif de contrôle. Ainsi, dans la forme la plus évoluée, le dispositif de contrôle assure un asservissement en position et vitesse du mouvement motorisé. Les éléments de calcul du dispositif de contrôle assurent alors la correction des signaux de commande des bobines électromagnétiques en cas de différence entre la consigne de positionnement et le signal de position afin que la position angulaire du mouvement motorisé corresponde à la consigne prévue, le signal de vitesse introduisant un amortissement dans la boucle de contrôle et d'asservissement. En effet, dans un dispositif de contrôle n'ayant que deux entrées correspondant à la consigne de positionnement et au signal de position, il pourra se produire

des instabilités sous forme d'oscillation, plus ou moins importantes en fonction de l'amortissement mécanique, à I'approche de la position angulaire prévue par la consigne car la fonction de transfert d'un tel système comporte un terme du second ordre significatif d'un système oscillant. Le système peut, à la limite, se comporter comme un oscillateur. La fréquence des oscillations, plus ou moins amorties, correspond à la fréquence de résonance. Ainsi, dans un système naturelle'ment'peu amorti, il. est préférable d'introduire un terme supplémentaire d'amortissement dans la fonction de transfert et préférentiellement sous forme d'un signal de vitesse de rotation dans l'asservissement.

Dans d'autres formes de mise en oeuvre de l'invention plus simples, le signal de vitesse pourra tre omis et, éventuellement celui de position. Ainsi, dans des formes moins évoluées, I'asservissement se fait en position seulement, voire aucun asservissement n'est effectué, le système'étant alors ouvert. On envisage aussi le cas où le terme d'amortissement correspond à un moyen purement mécanique.

Le dispositif de contrôle électronique 8 pourra tre réalisé en électronique analogique. Dans ce cas, si le capteur de position 7 fournit des signaux digitaux ou des impulsions, ces derniers sont transformés par un convertisseur en signal de position analogique. Dans d'autres modes de mise en oeuvre de l'invention, il sera possible d'incorporer dans le dispositif de commande 8 des éléments de calcul numérique digital. De mme certains signaux fournis au dispositif de contrôle pourront tre des signaux digitaux. Par exemple, la consigne fournie par la ligne 81 peut correspondre à des valeurs binaires. Ces valeurs binaires seront soit transformées dans un convertisseur digital analogique en signaux analogiques soit utilisées directement dans des éléments de calcul digital. Dans le cas où la vitesse est calculée à partir du signal de position, une fonction de calcul

différentiel analogique ou digital selon le cas sera incorporée dans le dispositif de commande 8. Enfin, les signaux de commande des bobines seront préférentiellement analogiques, des convertisseurs digitaux analogiques dans le cas d'un dispositif de contrôle digital, fournissant des signaux de commande analogique à des amplificateurs de puissance attaquant lesdites bobines. Cependant, il est aussi envisagé que le signal de commande des bobines soit un signal digital, par exempte du type à modulation de largeur d'impulsion, de fréquence suffisamment élevée.

La Figure 2 correspond à une vue supérieure du mouvement motorisé de la Figure 1. L'index 5 comporte à une extrémité opposée à l'aimant supplémentaire 9'un contrepoids 21 d'équilibrage. Dans une forme simplifiée de mise en oeuvre de l'invention, ce contrepoids 51 pourra tre omis, l'index 5 ne s'étendant qu'entre l'axe 3 et l'aimant supplémentaire 9'. Dans une application d'optique, un miroir est solidarisé à l'axe 3. Le miroir pourra tre directement place. sur, I'axe 3. ou tre fixé sur un bras de levier, exemple sur ta seconde extrémité de l'index 5 au niveau du contrepoids 51 comme représenté par l'élément 52 sur la figure 2 seulement. Les deux générateurs de champ magnétique 6,6'sont disposés le long du cercle de rotation 61 de telle façon que la droite virtuelle 62 passant en leur centre ne coupe pas l'axe 3. Les générateurs de champ 6 et 6'peuvent tre séparés de 135 à 180° entre eux. Cependant afin que le mouvement motorisé puisse fonctionner selon les caractéristiques préférentiellement définies, amplitude de fonctionnement d'environ 10°, les générateurs 6 et 6'seront séparés de 165 à 180° entre eux. La disposition angulaire précise est en fonction des tailles respectives des aimants 41, 41', de la surface des champs magnétiques générés'et'de I'amplitude maximale de fonctionnement souhaitée. Ainsi, par exemple, une disposition des deux générateurs 6 et 6'à environ 170 degrés l'un par rapport à l'autre a permis la

réalisation d'un dispositif dans lequel !'amplitude maximale de rotation est de 6°. Afin de mesurer la vitesse de rotation du rotor, I'aimant supplémentaire 9'disposé sur l'index 5 balaye la surface de mesure d'une bobine supplémentaire 9 de mesure de vitesse de rotation. Afin d'obtenir des mesures sensiblement linéaires en fonction de la vitesse, la bobine de mesure de vitesse 9 sera préférentiellement rectangulaire ou carré et de surface de mesure suffisante pour tre balayée par l'aimant. sur toute ('amplitude de rotation maximale.

Le signal de vitesse de rotation est transmis au dispositif de commande 8 par la ligne 91. L'entrée de la ligne 91 dans le dispositif de commande se fera préférentiellement en haute impédance afin de rendre négligeable les effets électromécaniques induits par l'interaction aimant 9'et bobine 9. Le courant généré par une bobine étant proportionnel à la variation du flux magnétique la traversant, on obtient en sortie de la bobine une valeur de signal de vitesse sensiblement proportionnelle à la vitesse de déplacement de 1'aimant 9'sur la surface de mesure de la bobine 9.

Les exemples de mise en oeuvre de l'invention ne sont donnés qu'à titre indicatif et non limitatif. En particulier, le terme bras 4 et le terme index 5 ne sont nullement limitatifs, ces éléments pouvant tre remplacés chacun par une forme pleine, un disque par exemple, sur lequel les aimants 41 et 41'ainsi qu'éventuellement l'aimant supplémentaire 9' seraient fixés selon la disposition relative des divers éléments entre eux correspondant à l'invention. De mme, la disposition des différents éléments par rapport à la platine 2 pourra tre inversée, le codeur de position 7 pouvant se trouver du mme côté que les aimants 41 et 41'. Enfin, le codeur de position pourra faire partie intégrante du rotor, dans un tel cas, un disque codé sera disposé au niveau et dans le plan du bras 4 et de l'index 5, le capteur de position 7 et le rotor formant alors un tout.