Travail d’équipe dans le domaine submicromique

La miniaturisation est très demandée. Que ce soit en électronique, mécanique ou biologie, dans tous les domaines les exigences sont très élevées en matière de constance dimensionnelle, particulièrement pour les petites structures. Pour pouvoir mesurer de manière fiable les structures à l’échelle submicromique, il faut du savoir-faire. Réduire simplement une solution standard, issue du « monde du grand », ne fonctionne pas. Les tables linéaires de positionnement permettant, par actionneurs piézoélectriques, les avancées les plus réduites sous une sonde de mesure ont fait depuis longtemps leurs preuves. Elles accomplissent leur travail de manière fiable même dans le domaine nm. Toutefois, l’inconvénient est le faible dynamisme de l’entraînement ainsi que la longueur d’avance limitée. Un système breveté résout à présent ce dilemme. Il est composé d’un entraînement rapide C.C. associé à un entraînement à rotation piézoélectrique extrêmement précis et tous deux placés sur une broche commune. Un acheminement rapide jusqu’au point de mesure, puis une avancée minimale pour une haute résolution maximale dans le cas de longues distances d’acheminement ne présentent plus de difficultés.

Les déplacements précis dans le cadre de la fabrication de cristaux de pureté élevée, les travaux de centrage et de scannage, les réglages, inspections et prises de mesure dans le domaine submicromique exigent un déplacement extrêmement précis pouvant être reproduit. Généralement, l’objet devant être mesuré devant la tête de mesure sur une table de positionnement linéaire ou actionneur. Les entraînements piézoélectriques sont réputés pour leurs pas très précis. Malheureusement leur dynamique pour le transport de la charge utile vers la zone de travail est insuffisante. Même la solution traditionnelle permettant d’atteindre des vitesses très réduites avec de très faibles résolutions obtenues par des entraînements sans jeu à plusieurs niveaux et à forte réduction, demande un acheminement de plusieurs minutes vers la position de mesure. Or, ces temps de préparation longs sont très couteux. La Société Feinmess Dresden GmbH, spécialiste des déplacements de précision, a aujourd’hui trouvé une solution brevetée pour répondre à ce dilemme. Un entraînement C.C. avec réducteur prend en charge le transport rapide ne demandant pas de précision particulière. Ensuite, un moteur piézoélectrique extrêmement précis réalise le réglage exact. En collaboration avec FAULHABER, les entraînements ont pu être adaptés de manière optimale à cette répartition des tâches.

Le temps c’est de l’argent

Pour les déplacements à la plus petite échelle, les règles en vigueur sont généralement différentes de celles des tables de positionnement normales. En raison des courts déplacements, ce qui est primordial pour le temps de positionnement, ce n’est pas tant la vitesse de l’entraînement, mais plutôt les temps d’accélération et de décélération ainsi que la plage d’oscillation mécanique de l’ensemble de l’installation. Ainsi, si l’on souhaite améliorer la dynamique du procédé de positionnement, il convient de considérer avec un soin particulier ces trois points. Les spécialistes des mesures de précision ont solutionné le problème par un « partage des forces » – à chaque type de déplacement est attribué une solution d’entraînement sur mesure. Afin de loger deux entraînements au niveau de la table de positionnement linéaire, l’entraînement par vis à billes est adapté. On peut placer à chacune de ses deux extrémités un entraînement. Le système de positionnement ainsi conçu peut être également modifié ultérieurement dans de nombreux domaines afin d’améliorer son efficacité. Autre avantage : théoriquement, il n’y a pas de limite en ce qui concerne la longueur de l’avancée. La broche peut être réglée à la longueur souhaitée. Ainsi, il est possible de traiter rapidement des objets relativement gros avec plusieurs points de mesure en une seule manipulation de montage. En revanche, les entraînements piézoélectriques courants à empilements sont limités à quelques millimètres d’étendue de réglage.

Utiliser les propriétés naturelles

Une bonne solution, c’est obtenir un bénéfice maximum pour un minimum d’efforts. Même la haute technologie peut s’accommoder de composants relativement simples. Il suffit de savoir comment procéder. Pour un acheminement rapide en mode de grande vitesse, un moteur à balais conventionnel à codeur rotatif relié à l’arbre par un accouplement à soufflet suffit par exemple comme élément d’entraînement. Sa durée de service étant relativement faible, l’apport de chaleur par le moteur est également minimal et négligeable. Selon le pas de la broche employée, on peut utiliser dans la pratique une plage de vitesses allant de 0,5 mm/s à 100 mm/s. Ceci correspond à la valeur de positionnement « approximatif » de nombreuses solutions standards. Après le passage en mode haute précision, la spécificité de la nouvelle solution apparait clairement : En fonction de positionnement, le système, avec une vitesse de 0,5 mm/s, passe sans énergie et donc sans apport de chaleur, grâce à un accouplement à aimant permanent, en entraînement avec un moteur piézoélectrique à rotation. En position de repos, l’entraînement fonctionne comme un frein passif de la broche, amortit les oscillations et évite les déplacements intempestifs du système de table. Un système linéaire de mesure à haute définition saisit en permanence les mouvements et transmet ces informations au système de commande du moteur. Ainsi, l’entraînement déplace la table linéaire en mode haute précision de 0,00002 mm/s à 0,15 mm/s, c’est-à-dire 20 nm minimum par seconde ! La continuité de la vitesse dans la partie inférieure du domaine dépend simplement de la définition de l’échelle linéaire utilisée. La répétabilité est <100 nm. La dispersion de la vitesse du système de positionnement peut atteindre, grâce au procédé du partage des tâches, un rapport de plus d’1 million à 1 entre la vitesse maximale et minimale.

Un déplacement optimal

La précision n’est pas forcément hors de prix. Pour l’utilisation dans une table de positionnement linéaire à double vitesse, les moteurs de précision courants à commutation graphite sont appropriés. Les moteurs standards ont été adaptés à leur utilisation par FAULHABER, ce qui réduit les durées de développement et les coûts. On utilise différents types de moteurs selon le couple recherché. Les moteurs de 23 mm de diamètre atteignent par exemple environ 7 000 tours/min et jusqu’à 16 mNm. A l’origine, ils sont conçus pour une utilisation avec des codeurs magnétiques. Ces codeurs incrémentaux à deux canaux existent avec 64, 128, 256 ou 512 impulsions par tour. Des réducteurs enfichables sont disponibles dans le moteur de 22 mm de diamètre pour les réductions et augmentations de couple requises. Ils existent dans de nombreuses réductions échelonnées.
La société PiezoMotor AB de Suède, faisant partie du FAULHABER GROUP, fournit les moteurs piézoélectriques à rotation adaptés à l’entraînement haute précision. Ces entrainements mesurant 32 x 23 mm (LXD) et pesant seulement 70 g sont également très compacts. Ils fonctionnent avec une tension de commande comprise entre 0 et 3 000 Hz et atteignent 13,5 t/min pour 2 100 Hz. Le couple est de 80 mNm, le couple de maintien de 90 mNm. Le pas incrémental maximal se situe autour de 0,35 mrad. Un arbre de 3 mm de diamètre et de 6,5 mm de long est prévu pour le raccord mécanique à l’accouplement à aimant permanent ou pour d’autres applications.
Une bonne idée peut significativement améliorer l’efficacité des installations à positionnement de précision dans le domaine nanométrique. Des courses plus longues, une plus grande précision ou des temps d’acheminement réduits par rapport aux modèles courants évitent à l’utilisateur des temps de production coûteux. Malgré ces avantages, la nouvelle solution se contente de composants d’entraînement relativement simples. Des entraînements miniatures ayant fait leurs preuves et optimisés pour un type d’utilisation particulier peuvent souvent réaliser de manière fiable et sans difficultés même les tâches les plus exigeantes.