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Un actionneur nanométrique ultrasimple

François-Xavier Lenoir
Un actionneur nanométrique ultrasimple

La fabrication de ce nanopositionneur s'effectue sans aucun assemblage, supprimant les difficultés dues aux éventuelles erreurs de montage.

© D.R.

Entraîné par un moteur pas à pas, ce nanopositionneur ne nécessite aucun système de mesure et peut être utilisé en boucle ouverte.

Les solutions habituelles pour les applications demandant une résolution de quelques nanomètres sont assez complexes et coûteuses. La plupart des systèmes sont basés sur l'effet piézo-électrique avec, à la clé, des problèmes de perte de position en cas de coupure d'électricité, de dépassement de la position et d'usure locale. Ils nécessitent aussi un système de mesure direct et un contrôleur relativement onéreux.

Des cycles de mise en place réduits

Micromotion, entreprise de Mayence (Allemagne), offre une alternative aux actionneurs piézo-électriques pour les opérations de positionnement dans la gamme des nanomètres. Le nanopositionneur qu'elle propose est entraîné par un simple moteur pas à pas 20 positions, combiné à un réducteur sans jeu Harmonic Drive avec rapport de transmission 1000:1. La chaîne cinématique comprend aussi un mécanisme à excentrique avec 1 mm d'excentricité monté avec un roulement préchargé et un levier monolithique avec un ratio de réduction de 50:1.

Ce produit ne nécessite aucun système de mesure et peut être utilisé en boucle ouverte au moyen d'une simple commande de moteur pas à pas. Ses dimensions sont seulement 20 x 20 x 50 mm pour une course de positionnement de 40 µm. La résolution pour les opérations d'un demi-pas est de 1 nm, la vitesse d'approche de 20 µm/s et la force de positionnement de 10 N. Selon Reinhard Degen, directeur général de Micromotion, ce nouveau nanopositionneur ne dépasse en aucun cas la position recherchée, ce qui signifie que les cycles de mise en place sont réduits au minimum.

Une fabrication monolithique

Cet ensemble repose sur le système de nanopositionnement Nanostage dont la particularité est de combiner la haute précision et la haute résolution d'un mécanisme excentrique avec la structure cinématique d'une bague flexible. Rappelons que le réducteur Harmonic Drive est basé sur un moyeu central elliptique où un élément à denture externe déformable, le Flexspline, engrène une bague rigide à denture interne. Ce principe de fonctionnement a été appliqué à un microsystème de réduction ayant seulement 1 mm de longueur et 8 mm de diamètre. « Avec une répétabilité et un rattrapage de jeu de moins de 10 secondes d'arc, il convient bien pour les applications de micropositionnement de haute précision », note Reinhard Degen.

Les composants sont fabriqués directement en alliage NiFe par le procédé LiG direct qui est issu de la technique LiGA (Lithographie, Galvanoformung und Abformung), basée sur l'électrodéposition et le moulage. La bague flexible assure le guidage et forme un système de réduction supplémentaire.

La fabrication étant faite de manière monolithique, il n'y a aucun assemblage et les difficultés dues aux éventuelles erreurs de montage sont supprimées.

Les applications typiques de ce nanopositionneur sont la photonique, les systèmes laser, les fibres optiques, l'optique intégrée, les microscopes, la fabrication de semi-conducteurs, les équipements pour le médical ou pour l'espace.

LE DÉFI

Réaliser un nanopositionneur simple et bon marché, sans systèmes de commande et avec un positionnement rapide.

LA SOLUTION

Un microréducteur à bague flexible et des composants fabriqués par électrodéposition et moulage (variante de la technique LiGA).

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