WO1998024594A2 - Prehensile device in shape memory material and construction process - Google Patents

Prehensile device in shape memory material and construction process Download PDF

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WO1998024594A2
WO1998024594A2 PCT/EP1997/006966 EP9706966W WO9824594A2 WO 1998024594 A2 WO1998024594 A2 WO 1998024594A2 EP 9706966 W EP9706966 W EP 9706966W WO 9824594 A2 WO9824594 A2 WO 9824594A2
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Yves Bellouard
Jacques-Eric Bidaux
Thomas Sidler
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Andromis S.A.
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    • G02B6/3688Mechanical coupling means for mounting fibres to supporting carriers characterised by the manufacturing process of surface profiling of the supporting carrier using laser ablation

Definitions

  • the invention relates to the field of grippers and / or fixing devices for objects of small sizes, substantially between a few tens of micrometers and a few millimeters.
  • the invention also relates to the field of forceps for foreign bodies, biopsy forceps and surgical micro-scissors.
  • the invention also relates to the field of shape memory materials, and the manufacture of devices, in particular grippers, from these materials.
  • the invention finds an application in the field of manufacturing endoscopes, in particular for gripping and / or handling lenses and / or microlenses and / or multi-core fibers.
  • Grippers using shape memory materials are known from the article by K. Escher et al. entitled “Robots grippers: An application of two way shape memory” published in Pro the in Shape memory Alloys, S. Oucken Editor, DG Informationsgesellschaft Verlag, 1992, pages 301-316. Such devices are also known from the article by D. Grant published in IEEE International Conference on Robotics and automation, 1995, entitled “Design of Shape Memory Alloy with High Strain and Variable Structure Control", pages 2305-2312. Finally, other grippers are known from the article by K. Ikuta entitled “Microminiature Shape Memory Alloy Actuator”, published in IEEE, Int. Conf. On Robotics and Automation, Cincinatti, 1990, pages 2156-2161.
  • the article by K. Escher describes grippers of which only one of the activation elements is made of a shape memory material, or else a grip in which arms are made of a shape memory material, these arms having an aspect of twisted wire mounted on a support.
  • Such a device is very difficult to implement in the context of an industrial application, because it is very imprecise.
  • such a system is difficult to miniaturize: it indeed requires a delicate assembly.
  • the invention relates to a gripping or fixing device whose structure is much simpler than known devices, and in which the friction problems do not arise. More specifically, the invention relates to a gripping or fixing device comprising a first and a second gripping element which can undergo a relative movement with respect to each other, all of the first and second elements being made of a one-piece material with shape memory.
  • All of the first and second elements being made of a one-piece material, with shape memory, no friction problem arises. Furthermore, the structure produced is simple.
  • the amplitude of the relative movement of the two elements is provided as being at most equal to a few millimeters (for example 10 mm) or at most equal to 1 mm, or to no more than 500 ⁇ m, or no more than 100 ⁇ m.
  • the gripping device is obtained by cutting in the plane of a blade of shape memory material, the relative movement taking place in this plane.
  • the device may also include means for handling or fixing or positioning the assembly of the first and second elements, with which they may constitute a monobloc assembly, made of the same shape memory material.
  • These handling means can be connected to means for controlling the temperature of the first and second elements of the gripping device: this makes it possible to control the opening, or closing, of this device.
  • control means can for example be of the Peltier effect type, by Joule effect heating (electric current), by induction heating or by laser heating.
  • the invention also relates to a handling device comprising a gripping device as described above, as well as means for controlling the means for controlling the temperature of the first and second elements, and means for visual control of the relative position. first and second elements of the gripping device.
  • the invention also relates to a gripping or fixing device comprising at least three gripping elements, each of which can undergo a bending movement in a plane, all of the gripping elements being produced in a single piece, from a memory material. of form.
  • a support element for the gripping elements can be provided.
  • the gripping elements can each have the shape, for example of a finger, which can be provided with one or more bending recess (s).
  • the device is obtained by cutting in the plane of a blade of shape memory material, then by constraint of the cut shape obtained, for example around a cylinder or a tube.
  • Means for controlling the temperature may be provided: for example, a Peltier element, or a laser or means for inducing a current in the shape memory material or means for circulating a current in the memory material of form.
  • the invention also relates to a handling device comprising a gripping device as above, as well as means for controlling the temperature control means and means for visual control of the relative position of the gripping elements.
  • the known methods for preparing shape memory elements are incompatible with the production of microsystems. Furthermore, the processes for manufacturing thin layers do not allow layers greater than 100 ⁇ m to be produced.
  • the invention also proposes a method for preparing an element made of a shape memory material, adapted in particular to the production of the gripping device according to the invention.
  • the subject of the invention is therefore a method of preparing an element made of a shape memory material comprising the following steps: a) annealing a substrate of the shape memory material, then b) cutting the element in the substrate.
  • This process makes it possible to obtain any form of element. It also makes it possible to produce a very large quantity of parts for a single annealing operation. Therefore, this process guarantees excellent reproducibility of the material properties of each of the parts produced (transformation temperature, dislocation rate, etc.). Finally, for microsystems, it is the only process which makes it possible to obtain objects with shape memory of significant thickness, in particular greater than 100 ⁇ m.
  • the cutting step can be carried out by laser or by electroerosion or else by water jet, or by laser and coupled water jet or by any other method making it possible not to disturb the microscopic structure of the material of the substrate obtained after annealing. : for example, it is produced so as not to disturb the structure of the substrate over more than 10 ⁇ m or more than 5 ⁇ m beyond the cut.
  • the invention also relates to a method of handling an object comprising the seizure and transport of the object using a device according to the invention.
  • This object can be for example a lens or a microlens.
  • This process is particularly advantageous in the case of the production of a multi-core (or multi-fiber) fiber-lens assembly, this assembly then being produced by displacement and positioning of the lens, facing one end of the fiber, in accordance with the handling process. according to the invention, then by fixing, for example by gluing, the lens on the end of the fiber. This avoids any contact between the lens and the hand of an operator, which can lead to chipping of the lens or the deposit of dust on its surface.
  • FIGS. 1 to 3B represent grippers according to the invention, in the form of a ring
  • FIG. 4 is a device for controlling a gripper
  • FIG. 5 schematically represents an endoscope
  • FIG. 6 represents another example of a gripper
  • FIGS. 7A to 7C represent various stages of a manufacturing process according to the prior art
  • FIGS. 8A to 8D represent steps of a method according to the invention
  • FIG. 9 is a diagram of a laser cutting device
  • FIGS. 10A and 10B represent devices for machining by electroerosion
  • FIGS. 11 to 12B represent another type of gripper according to the invention, with several gripping elements
  • FIGS. 13a to 13C represent the application of a gripper according to the invention to a spring system allowing the obstruction of an artery
  • FIG. 14 represents the application of the invention to a biopsy forceps
  • FIG. 15 represents the application of the invention to a dilator
  • FIG. 16 shows the embodiment of a connection device according to the invention.
  • the gripping system consists of a single block of a shape memory material. It is in the form of an open ring 2 comprising a first and a second branch 4, 6.
  • This form has the advantage of distributing the stresses uniformly in the ring, and moreover makes it possible to grasp objects with wide tolerances as to their diameter ( ⁇ 50 ⁇ m for lenses of 250 ⁇ m in diameter).
  • the radius R of the ring depends on the temperature range in which the system is located.
  • T 2 the system opens and allows the insertion or the taking of an object.
  • Tj_ the system closes on the object, thus ensuring the fixing or gripping function as the case may be.
  • the material chosen can, for example, be a NiTi shape memory alloy. This alloy has the characteristic of being biocompatible.
  • the ring of FIG. 1 is shown in perspective in FIG. 2, mounted on a handling and / or fixing support 8.
  • the thickness e of the branches of the ring is for example between 70 and 80 ⁇ m , or between 45 and 50 ⁇ m.
  • the diameter D of the ring is for example less than or equal to 3 mm; a ring was made, with a diameter of 200 ⁇ m.
  • the dimensions of the support can be for example the following: 50 ⁇ m ⁇ h ⁇ 500 ⁇ m, 500 ⁇ m ⁇ L ⁇ lmm, 100 ⁇ m ⁇ l ⁇ lmm
  • L 500 ⁇ m
  • h 180 ⁇ m
  • e ⁇ 70 ⁇ m the dimensions are the same except for e which is of the order of 50 ⁇ m.
  • the average theoretical clamping force of such a device is of the order of 0.2 N.
  • the support 8 is itself made of the same shape memory material as that used for the production of the gripper 2.
  • FIG. 3A Another example of embodiment of a gripper, mounted on its fixing and / or handling means, is illustrated in FIG. 3A.
  • the fixing means are designated by the reference 10 and comprise a first part 12, of approximately parallelepiped shape, and a second part 14 which tapers in the direction of the ring 2, from the first part 12.
  • a hole, or opening, 16 makes it possible to limit the accumulation of stresses due to the embedding of the ring.
  • the hole allows better compliance of the arm system 4, 6.
  • the fixing means can be connected to means for controlling the temperature of the ring.
  • these temperature control means successively comprise a copper finger 18 and an element, or microelement, Peltier 20.
  • the latter may for example have a size of 7 mm ⁇ 5 mm.
  • Peltier effect micromodule makes it possible to heat or cool the shape memory material, therefore to open or close the ring or the gripper as required.
  • Peltier elements allow a wide range of temperatures to be reached; typically, a range between -100 ° C and +200 C can be covered, compatible with the use of many shape memory materials.
  • this type of device constitutes, from the point of view of its control, a first-order system, simple and very robust.
  • FIG. 3B Another simple gripper structure, based on the same principle, is illustrated in Figure 3B.
  • the gripper is in the form of an open ring 2 comprising first and second branches 4, 6.
  • This assembly is made of a shape memory material, and in one piece * It further comprises two legs 15, 17.
  • a zone 7 located between the ring and the legs 15, 17 is of small width and the effect of heating the current (Joule effect) is the most significant there. Zone 7 is therefore the warmest during the passage of an electric current i.
  • the "bonding" technique traditionally used for microchip connections can be used.
  • the contact zones are then for example located at the end of the tabs 15, 17. This control technique makes it possible to control the ring or the gripper during either the opening or its closing.
  • a control of the temperature of the ring can be carried out by heating the support 8, for example using a laser beam.
  • FIG. 4 schematically represents a device for controlling a gripper according to the invention.
  • the gripper is designated by the reference 22, and can be a gripper as described above in conjunction with FIGS. 1 to 3A.
  • This gripper is in contact with a Peltier 20 element, itself supported by a positioning arm 26 for carrying out various movements, for example displacements along three axes X, Y, Z.
  • This arm makes it possible to bring this gripper 22 into contact with an object 24 to be grasped and moved.
  • a control system 28 makes it possible, by means of a measurement of the temperature of the Peltier element (and therefore, of the gripper), to control the opening and closing of the latter.
  • a video camera 30 is connected to a video acquisition device 32 and allows the opening or closing state of the gripper 22 to be displayed on a screen 36. Depending on this state, a command can be transmitted to the device 28 to vary the temperature of the Peltier element 20, and therefore the opening and closing of the gripper 22.
  • the video camera can also be replaced by a multicore fiber fitted with a SELFOC lens and coupled to a video acquisition system.
  • the opening or closing of the ring is controlled by a current flowing in the material of the ring or by heating by laser or by induction or by a resistance applied to the gripper.
  • a control device like that of FIG. 4 can therefore also be implemented, the control system 28 no longer acting on a Peltier element but on a laser or an induction system or a current flowing in a resistor mounted on the 'ring or flowing in the ring itself.
  • Such a gripping device with its control means, can be advantageously used in the context of a method of manufacturing objects for which parts of small sizes must be transported, for example from one assembly station to another.
  • Endoscopy is a human body investigation technique that allows practitioners to acquire information, or images, from parts of the body, such as the stomach, lungs, or heart.
  • a device for implementing such a technique is shown diagrammatically in FIG. 5, where the reference 40 designates a light source which is focused by a lens 42 at the input of a light guide 46. The latter is in fact most often connected to a plurality of optical fibers 48, 50 arranged at the periphery of a multi-core fiber 52.
  • An illumination beam 54 can thus be directed onto an area 56 of an object or an organ to be observed, which reflects radiation 58 at the input 60 of the multi-core fiber 52.
  • the latter comprising a coherent beam of individual hearts, these therefore transmit the light in an orderly manner between them, and the image obtained at output 62 multicore fiber corresponds to the image formed at the input 60.
  • Means 64, 66 for storing, analyzing and / or representing the image can also be provided in combination with this device.
  • a multi-core fiber such as fiber 12 can comprise approximately 700 to 10,000 cores, for applications in microendoscopy.
  • multi-core fiber is to be distinguished from that of multi-fiber, which is an assembly or bundle of independent fibers placed together and possibly glued at the end.
  • the device which has been described above, in connection with FIG. 4, is suitable for this manipulation and makes it possible to transport the microlenses, for example from a storage area, to an area where they are aligned with the fibers, so as to be glued to them.
  • the gripper being of the shape memory type, its opening is controlled by a temperature variation, which makes it possible to avoid any contact between an operator and the lenses. This greatly reduces the risk of chipping lenses or depositing dust on their surface.
  • the invention has been described in the case of a gripper having a substantially annular shape
  • V monobloc and in shape memory material.
  • FIG. 6 represents another type of gripper, made of a shape memory material.
  • This gripper comprises a zone 100 for fixing the gripper, and a flexible arm 102 which is articulated on the zone 100 for fixing.
  • the zone 100 in fact defines a second arm 104, rigid, with respect to which the flexible arm can be moved.
  • the end of the arms defines a gripping area 106.
  • These ends can have shapes adapted to such or such type of objects to be grasped by the gripper.
  • the fixed arm 104 has a recess 108, of triangular section. This recess allows, in combination with the movement of the arm 102, to pick up objects, in particular of the cylindrical type, for example GRIN lenses, and to position them precisely in the gripper.
  • the device described in FIG. 6 can be controlled by a Peltier microelement, with the same advantages as those already described above.
  • the gripping devices according to the invention are made of a shape memory material.
  • Shape memory alloys are materials that have two solid phases, for two characteristic temperature ranges. The phase change is accompanied by a change in the physical properties and the atomic organization of the material, which can generate significant macroscopic deformations (up to 8% elongation for NiTi). It is possible to "memorize", for each of the two phases, a given form, by a process called "education”, and by an appropriate heat treatment. Educational methods are described for example in the document by J. Perkins et al. Entitled “the Two-Way Shape Memory Effect” published in Engineering Aspect of Shape Memory Alloys, Butterworth Heinemann, London, 1990, pages 195-206. We then obtain a device with a two-way memory effect, well suited to the realization of a gripper.
  • austenite is used to designate the high temperature solid phase of a shape memory alloy.
  • martensite designates the low temperature solid phase.
  • the characteristic temperatures at the start and end of the austenite-martensite transformation are designated by M s and M f .
  • the characteristic temperatures at the start and end of the martensite-austenite transformation are designated by A s and A f .
  • the NiTi alloy has the advantage of being biocompatible, which is of interest in the case of medical applications of the endoscopy type.
  • a NiTi alloy having a composition close to the equiatomic composition also offers the advantage of having, at high temperature, a centered cubic structure of type B 2 .
  • This alloy presents a martensitic phase transformation towards monoclinic, orthorhombic, or rhombohedral structures, after quenching.
  • the same alloy can present several successive transitions.
  • the transition temperatures can be adjusted as desired by changing the composition and, to a lesser extent, the heat treatments.
  • an alloy rich in Ti will have a high transition temperature M s
  • an alloy rich in Ni will have a low temperature M s .
  • the alloy is preferably quenched, or at least cooled rapidly, in order to avoid risks of decomposition, in particular by precipitation. In some cases, a controlled precipitation is produced in order to promote the two-way memory effect.
  • an alloy is used for this, the Ni concentration of which is greater than 50.6 atomic%.
  • the transition temperatures M s and A s are preferably higher than ambient temperature.
  • shape memory materials such as CuZnAl or NiTiCu can be used.
  • the materials described by CM can also be used. Wayman et al. in “Introduction to martensite and Shape Memory”, published in Engineering Aspect of Shape Memory Alloys, Butterworth Heinemann, London, 1990.
  • FIGS. 7A to 7C The traditional method of manufacturing elements having shape memory properties is shown diagrammatically in FIGS. 7A to 7C.
  • a selected material 110, with shape memory (FIG. 7A) is first shaped according to the structure that one wishes to memorize (FIG. 7B).
  • the selected material 110 is constrained around a cylindrical shape, before any operation annealing.
  • the material is annealed, generally around 500 ° C., in order to freeze it in the desired shape. It is often necessary to constrain the material to achieve such a result: we then use a template or a mold.
  • This method has drawbacks:
  • a base material 120 is selected (FIG. 8A).
  • this material 120 is annealed in an oven 122.
  • the desired shape is cut directly from the annealed blade: this cutting is carried out using a technique which, preferably, only disturbs the material very locally.
  • a technique can be a laser cutting technique or an electroerosion or jet cutting technique, which are minimally destructive methods.
  • the desired shapes 125, 127, 129 are obtained (FIG. 8D), the imprints 124, 126, 128 of which, after cutting, are left in the material plate 120.
  • the properties of the material depend on the quality of the annealing. Annealing is therefore a critical operation if the annealing is carried out element after element. In the present case, a single annealing is carried out for the entire blade. In addition, the advantage of being able to produce a large number of parts of the same annealing guarantees reproducibility of the physical properties from one part to another.
  • the method according to the invention makes it possible to produce parts of any shape, in particular of the type of those already described above, in conjunction with FIGS. 3 or 6.
  • the use of the EDM technique makes it possible to cut thicker parts than if the laser cutting technique is used: the latter is well suited for blades of thickness less than about 1 mm, but is less well suited for blades of greater thickness.
  • the properties of the material can be characterized by means of differential scanning calorimetry: for a given temperature variation ⁇ T, the quantities of heat supplied are compared, on the one hand to a reference sample holder, and on the other to a sample holder containing the material to be studied, both of which are in the form of small mass samples of the order of a few micrograms. In fact, the emission and / or absorption of heat linked to the phase transformation are measured on these samples. This technique allows precise measurement of the transition temperatures (M s , M f , A s , A f ).
  • the method described above also offers the advantage of avoiding a step of memorizing the high temperature shape.
  • the shape is memorized during high temperature annealing, the material being forced, beforehand, to take a certain shape by means of a template. Thereafter, whatever the deformation that the material will undergo in the martensitic state, it will find the memorized form by a simple heating above the martensite-austenite transformation temperature.
  • a big advantage of the technique described above is that it avoids this memorization step preliminary: machining is carried out after annealing, and the memorized shape is directly that machined.
  • the product obtained by the process according to the invention has only the one-way memory effect: if it is deformed in the martensitic state (temperature T ⁇ M S ), it regains its formed by heating above the martensite-austenite transformation temperature (T> A f ). However, if it is again cooled below M s , no change in shape occurs.
  • T ⁇ M S martensitic state
  • T> A f martensite-austenite transformation temperature
  • the memory effect occurs in both directions (for a gripper)
  • a spring, or a weight which restores the deformation on cooling
  • the latter technique is called the "education" technique.
  • the first method is not easy to apply for microscopic devices, since it requires the assembly of several components, and therefore the second method is preferred.
  • Several educational methods can be applied. One of them is pseudoelastic cycling in the austenitic state.
  • This device essentially comprises an NdrYAG 130 laser, operating in pulse mode.
  • a resonant cavity in "Z" is formed by four mirrors Mi, M 2 , M 3 , M 4 .
  • the beam generated by the laser passes successively a quarter-wave plate 132 and a telescope 133, the latter making it possible to enlarge the beam.
  • the system is furthermore equipped with a table 136, digitally controlled, with a resolution of the order of ⁇ m .
  • This table enables efficient laser cutting (at a speed typically between 30 and 60 mm per minute), and with a light spot of diameter approximately 24 ⁇ m, for a material with a thickness of 0.3 mm or less.
  • the area affected by heat, along the cut, is less than 2 to 3 ⁇ m in size.
  • the absolute precision and reproducibility, on a surface of 10x10 mm 2 is of the order of 2 ⁇ m.
  • the table is controlled by control means 138 and a microcomputer 140.
  • a binocular microscope 142 also makes it possible to control the focusing position of the beam on the table 136.
  • FIG. 10A A first device is illustrated in FIG. 10A and makes it possible to remove material by erosion, by sinking.
  • An electrode 142 having a shape complementary to the desired shape here: the shape of the gripper to be produced
  • the part 144 to be machined here: the shape memory material
  • FIG. 10B A second device is illustrated in FIG. 10B and relates to wire cutting.
  • an electrode which is printed in the part 144, it is a wire 146 (an electrode) which cuts this one. Due to the wear of the electrode, the wire is constantly renewed, using means 148, 150 allowing it to run.
  • a numerical control makes it possible to control the various axes of the machine (x, Y, U, V) as well as the speed of travel of the wire and the distance between the guides of the wire.
  • the axes U and V make it possible to identify the inclination of the wire and allow the cutting of non-cylindrical parts. Thanks to this draft angle it is possible to machine adjusted surfaces and therefore very complex parts.
  • the water jet technique can be carried out with a pure water jet or mixed with an abrasive, focused in a small diameter jet of 0.08 to 0.8 mm at pressures of the order of 3500 to 4000 bars.
  • the jet speed is for example around 600 m / s, thus delivering a large pfd of the order of 120 kW / mm 2 .
  • that of a 4 kW laser is around 1 kW / mm 2 .
  • the addition of abrasive particles by Venturi effect makes it possible to cut very hard and compact materials without thermally modifying the physico-chemical structure of the material. It is also possible to use a combined laser-water jet technique, such as for example described in Industry and Technology, n ° 780, MARCH 1997, pages 9-10.
  • the methods set out above are suitable for cutting a shape memory material; preferably the chosen method does not disturb the microscopic structure of the material, in any case not beyond a few ⁇ m (for example 5 ⁇ m or 10 ⁇ m) relative to the zone or to the trace of the cut.
  • One means of controlling the structure of the material is electron microscopy, which makes it possible to observe on the ⁇ m scale, therefore which makes it possible to observe whether the material is disturbed or not.
  • An example of a gripper embodiment relates to a NiTiCu alloy.
  • the presence of Cu gives a smaller hysteresis, and better stability during thermal cycling. In this alloy, precipitation of Ni does not occur.
  • the alloy is in the form of a blade having a thickness of approximately 300 ⁇ m.
  • the NiTiCu sheet By cutting the NiTiCu sheet by laser machining, it is then possible to obtain a gripper having the desired shape, for example the ring shape of FIG. 1.
  • the cut shape is the memorized shape.
  • the gripper can then be deformed by means of a conical needle, which is introduced for example into the ring.
  • the increase in the diameter of the ring is such that the deformation is of the order of 1 to 5%.
  • the deformation should preferably not exceed 8%, to avoid irreversible deformation of the alloy.
  • the martensite-austenite transformation occurs, and the alloy recovers the shape it had before deformation, that is to say the shape after laser cutting.
  • the shape memory effect only partially occurs, until the moment when the grip ring comes into contact with the object. Then, the ring generates a force depending on the state of transformation of the material during the austenite-martensite passage. In cooling, the ring does not open in principle: the lens remains stuck in the gripper. In order for the ring to open, we give it a two-way memory effect: one of the ways to obtain this two-way effect is to educate the material. This can be done by opening and closing the ring at a temperature higher than the temperature A s , repeatedly, for example about ten times. This makes it possible subsequently to obtain spontaneous opening of the ring during cooling.
  • Another type of gripper, or fixing device, is illustrated in FIG. 11.
  • the devices illustrated in the preceding figures include gripping elements working essentially in a single plane.
  • the device of FIGS. 11 et seq. Comprises several gripping elements, each of which can perform a movement in a plane.
  • the device in FIG. 11 comprises three gripping elements 162, 164, 166, each working in a plane Pi, P 2 , P, the planes making angles of 2 ⁇ / 3 between them.
  • the assembly is made of a shape memory material, and is in one piece.
  • a support 160 supports the three fingers 162, 164, 166. On each of these fingers, or gripping elements, two grooves or circular necks 162-1, 162-2, 164-1, 164-2, 166 are produced. 1, 166-2 which facilitate the inclination or the bending of each finger in the corresponding plane.
  • a hole, or an opening, 168 can be made in the base 160, this hole or this opening allowing the passage of a light beam, or of a sensor, or of means making it possible to control the opening and / or closing the gripping or fixing device.
  • Such means can be, as already described above, a Peltier element, or a laser beam, or the circulation of a current (either directly, in the shape memory material, or in one or more resistors mounted or glued on the gripping or fixing device).
  • a control device of the type already described above in conjunction with FIG. 4.
  • each gripping element 11 can be of the order of a few millimeters (for example: 2 mm) or of the order of a millimeter or less than 1 mm (for example: 500 ⁇ m).
  • the thickness 1 2 of each gripping element can be, in the region of the groove 162-1, between for example 10 ⁇ m and 100 ⁇ m.
  • machining of such a device can be done by electro-erosion technique, in several passes. This technique has already been described above. We start, for example, from a rod made of a shape memory material, which is cut to the desired length, then in which we release, by successive passes, the different fingers or gripping elements 162, 164, 166. Then , in successive stages, the grooves 162-1, .... 166-2 are produced.
  • grooves 162-1, 162-2 allow each finger to be bent or to flex in two places. It is also possible to make three or more grooves, or a single groove, or no groove at all, depending on the degree of flexibility required.
  • FIG. 12A Another embodiment is illustrated in Figures 12A and 12B. It is a gripper carrying three fingers 182, 184, 186, produced in a plane, also in a shape memory material.
  • a cutting device for example by laser, makes it possible to release three fingers 182, 184, 186 and an area 180 which serves as a support.
  • Zones 188, 190 make it possible to establish electrical contact with a device for food.
  • An electric current, circulating in the different fingers allows them to be heated by the Joule effect and to obtain the appropriate bending of the elements 182, 184, 186 in shape memory material.
  • the device can also operate without these openings.
  • the lateral thicknesses ei, e 2 of each of the fingers of the gripper can be equal or different: the production of different thicknesses results in a different transformation of the right and left parts of the element of corresponding grip when the current flows.
  • Heating can also be carried out by other methods, for example by laser or induction or by Peltier element.
  • the gripper can be constrained, for example around a tube or a cylinder 192 of diameter d (FIG. 12B): in this case, we choose to produce the initial system, in its form plane, with a length Li (FIG. 12A) such that L ⁇ ⁇ .d.
  • Each finger 182, 184, 186 can then work in bending in a plane.
  • each of the three bending planes P'i, P ' 2 , P' 3 forms with the other two an angle of 2 ⁇ / 3.
  • Such a system can advantageously be used on an endoscope or a catheter.
  • a gripping or fixing device as just described can be used for the implementation of a method of handling an object.
  • the shape memory grippers according to the invention make it possible either to fix an implant (of orthopedic, cardiac, neurosurgical type or relating to other parts of the human body), or to release an implant at a precise location of the body ("coil", "stent” or others), or finally to make surgical micro-instruments (scissors, conventional forceps or foreign body or biopsy). It is also possible, using the fixing device, to make surgical staples (for sutures) or "clips” (forceps or hemostatic forceps). We can use a clip for example to block blood in an artery by pinching it.
  • the grippers are reproducible, and also very small (less than 0.5 mm or 0.7 mm). It is therefore possible to produce medical or surgical instruments having the same characteristics, in particular of size, which is impossible to obtain by the conventional micromechanical technique (using micro-hinges).
  • FIGS. 13A and 13C A first example of application in the medical field is illustrated in FIGS. 13A and 13C.
  • a micro-gripper 202 of the type of shape memory grippers according to the invention, already described above, is introduced into a catheter 200.
  • the micro-gripper 202 can grasp and hold a spring 204.
  • the assembly can for example be placed inside an artery.
  • the micro-gripper 202 is fixed to a metal guide 203.
  • Figure 14 shows another application, to biopsy forceps, which allow to take tissue in order to analyze it.
  • These clamps are composed of two cups 206 which move at the end of a tube 207.
  • a clamp can be produced using a shape memory gripping device. It is thus possible to carry out a small biopsy forceps.
  • FIG. 15 illustrates another application of the invention, in the medical field.
  • a micro-gripper 212 makes it possible to bring a dilator, or "stent” 214 (or a "coil", FIGS. 13A, 13B, 13C) to a desired location, for example inside a 'an artery or ureter.
  • the dilator 214 makes it possible to exert a mechanical force opposing the contraction of the wall 210 of the duct of the artery or of the ureter.
  • the gripper 212 is actuated to open, and is extracted from the conduit into which it is introduced. This technique can be used for example after dilation of a stenosated artery by an atheroma plaque.
  • a micro-gripper according to the invention makes it possible to produce "stents" of very small dimensions.
  • the gripper can be controlled by laser heating (via an optical fiber) or by the circulation of a current.
  • Another example of application of a device according to the invention relates to the field of making connections or connectors, for example electrical or optical.
  • An exemplary embodiment of a connector is illustrated in FIG. 16.
  • the connector has a male part 216, which can for example be an optical fiber or the metallic male part of an electrical connector.
  • the female part 218 comprises two lips 220, 222, which are in fact the gripping elements of a gripping or fixing device according to the invention, as already described above.
  • the female part is controlled to open and / or close by one of the means already described above.
  • the male part 216 is introduced into the female part 218, the gripping elements 220, 222 are actuated on closing and therefore provide contact between the male part and the female part.
  • the gripper or the fixing device forming the female part can itself be connected to other metallic or optical elements.

Abstract

The invention concerns a prehensile and/or fastening device (2) containing a first (4) and a second (6) prehensile element capable of motion with respect to one another, these first and second elements being entirely constructed of a single block of shape memory material. The invention also relates to a construction process for a shape memory material.

Description

DISPOSITIF DE PREHENSION EN MATERIAU A MEMOIRE DE FORME GRIP MEMORY MATERIAL GRIPPING DEVICE
ET PROCEDE DE REALISATIONAND IMPLEMENTATION METHOD
DESCRIPTIONDESCRIPTION
Domaine techniqueTechnical area
L'invention concerne le domaine des préhenseurs et/ou des dispositifs de fixation pour des objets de petites tailles, comprises sensiblement entre quelques dizaines de micromètres et quelques millimètres.The invention relates to the field of grippers and / or fixing devices for objects of small sizes, substantially between a few tens of micrometers and a few millimeters.
L'invention concerne également le domaine des pinces à corps étrangers, des pinces à biopsie et des micro-ciseaux chirurgicaux.The invention also relates to the field of forceps for foreign bodies, biopsy forceps and surgical micro-scissors.
L'invention concerne également le domaine des matériaux à mémoire de forme, et la fabrication de dispositifs, en particulier de préhenseurs, à partir de ces matériaux.The invention also relates to the field of shape memory materials, and the manufacture of devices, in particular grippers, from these materials.
L'invention trouve une application dans le domaine de la fabrication d'endoscopes, en particulier pour la préhension et/ou la manipulation de lentilles et/ou de microlentilles et/ou de fibres multicoeurs.The invention finds an application in the field of manufacturing endoscopes, in particular for gripping and / or handling lenses and / or microlenses and / or multi-core fibers.
L'invention trouve aussi des applications dans les domaines suivants :The invention also finds applications in the following fields:
- préhension de micro-systèmes en général, c'est-à-dire d'objets de taille inférieure au millimètre,- gripping of micro-systems in general, that is to say of objects smaller than one millimeter,
- assemblage de petits composants optiques (de dimensions inférieures ou de l'ordre de quelques millimètres) . Exemple : lentille Selfoc dans le cas de l'assemblage automatisé de micro-endoscopes flexibles,- assembly of small optical components (of smaller dimensions or of the order of a few millimeters). Example: Selfoc lens in the case of automated assembly of flexible micro-endoscopes,
- réalisation d'outils actifs de chirurgie mini- invasive, comme par exemple des pinces à biopsie, des pinces à corps étrangers ou encore des micro-ciseaux, - manipulation de tissus vivants ou devant être maintenus dans un milieu biologique. C'est par exemple le cas dans l'étude du comportement biomécanique des artérioles.- production of active minimally invasive surgery tools, such as biopsy forceps, foreign body forceps or micro-scissors, - manipulation of living tissue or to be maintained in a biological environment. This is for example the case in the study of the biomechanical behavior of arterioles.
Art antérieurPrior art
Des préhenseurs mettant en oeuvre des matériaux à mémoire de forme sont connus par l'article de K. Escher et al. intitulé "Robots grippers : An application of two way shape memory" paru dans Progrès in Shape memory Alloys, S. Oucken Editor, DG Informationsgesellschaft Verlag, 1992, pages 301-316. On connaît également de tels dispositifs par l'article de D. Grant paru dans IEEE International Conférence on Robotics and automation, 1995, intitulé "Design of Shape Memory Alloy with High Strain and Variable Structure Control", pages 2305-2312. Enfin, d'autres préhenseurs sont connus par l'article de K. Ikuta intitulé "Microminiature Shape Memory Alloy Actuator", paru dans IEEE, Int. Conf. On Robotics and Automation, Cincinatti, 1990, pages 2156-2161.Grippers using shape memory materials are known from the article by K. Escher et al. entitled "Robots grippers: An application of two way shape memory" published in Progrès in Shape memory Alloys, S. Oucken Editor, DG Informationsgesellschaft Verlag, 1992, pages 301-316. Such devices are also known from the article by D. Grant published in IEEE International Conference on Robotics and automation, 1995, entitled "Design of Shape Memory Alloy with High Strain and Variable Structure Control", pages 2305-2312. Finally, other grippers are known from the article by K. Ikuta entitled "Microminiature Shape Memory Alloy Actuator", published in IEEE, Int. Conf. On Robotics and Automation, Cincinatti, 1990, pages 2156-2161.
Tous ces articles décrivent des préhenseurs de formes assez complexes, et dont la technique de fabrication est lourde et difficile à mettre en oeuvre. En particulier, le dispositif décrit dans l'article de D. Grant est un exemple de préhenseur utilisant des fils en un matériau à mémoire forme comme actionneurs. Le dispositif décrit dans l'article de K. Ikuta est aussi du type dans lequel des ressorts de rappel en un matériau à mémoire de forme sont utilisés, les branches du préhenseur étant par ailleurs en un matériau classique. Dans ces dispositifs, dans lesquels les parties "d ' activation" sont en matériau à mémoire de forme, se pose le problème de réduire les frictions ou frottements dans les parties articulées : dans le cas de icropréhenseurs, ceci est un problème important, du fait de la petite taille des composants. En outre, ces dispositifs nécessitent une phase délicate d'assemblage.All these articles describe grippers of fairly complex shapes, and the manufacturing technique of which is cumbersome and difficult to implement. In particular, the device described in the article by D. Grant is an example of a gripper using wires made of a shape memory material as actuators. The device described in the article by K. Ikuta is also of the type in which return springs made of a shape memory material are used, the branches of the gripper being moreover made of a conventional material. In these devices, in which the "activation" parts are made of memory material in form, there is the problem of reducing friction or friction in the articulated parts: in the case of microgroppers, this is an important problem, because of the small size of the components. In addition, these devices require a delicate assembly phase.
L'article de K. Escher décrit des préhenseurs dont seul un des éléments d'activation est en un matériau à mémoire de forme, ou bien un préhenseur dans lequel des bras sont en un matériau à mémoire de forme, ces bras ayant un aspect de fil torsadé monté sur un support. Un tel dispositif est très difficile à mettre en oeuvre dans le cadre d'une application industrielle, car il est très imprécis. De plus, un tel système est difficilement miniaturisable : il nécessite en effet un assemblage délicat.The article by K. Escher describes grippers of which only one of the activation elements is made of a shape memory material, or else a grip in which arms are made of a shape memory material, these arms having an aspect of twisted wire mounted on a support. Such a device is very difficult to implement in the context of an industrial application, because it is very imprecise. In addition, such a system is difficult to miniaturize: it indeed requires a delicate assembly.
Il est donc nécessaire de trouver un nouveau dispositif de préhension ou de fixation, en particulier adapté à la saisie d'objets de petite taille, de structure et d'assemblage plus simples que les dispositifs connus.It is therefore necessary to find a new gripping or fixing device, in particular suitable for gripping small objects, of structure and assembly simpler than known devices.
Il se pose également le problème de trouver des dispositifs de préhension et/ou de fixation permettant d'éviter ces problèmes de friction.There is also the problem of finding gripping and / or fixing devices which make it possible to avoid these friction problems.
Exposé de l'inventionStatement of the invention
L'invention a pour objet un dispositif de préhension ou de fixation dont la structure est beaucoup plus simple que les dispositifs connus, et dans lequel les problèmes de friction ne se posent pas. Plus précisément, l'invention a pour objet un dispositif de préhension ou de fixation comportant un premier et un second éléments de préhension pouvant subir un mouvement relatif l'un par rapport à l'autre, l'ensemble des premier et second éléments étant réalisé en un matériau monobloc à mémoire de forme.The invention relates to a gripping or fixing device whose structure is much simpler than known devices, and in which the friction problems do not arise. More specifically, the invention relates to a gripping or fixing device comprising a first and a second gripping element which can undergo a relative movement with respect to each other, all of the first and second elements being made of a one-piece material with shape memory.
L'ensemble des premier et second éléments étant en un matériau monobloc, à mémoire de forme, aucun problème de friction ne se pose. Par ailleurs, la structure réalisée est simple.All of the first and second elements being made of a one-piece material, with shape memory, no friction problem arises. Furthermore, the structure produced is simple.
Afin de réaliser un dispositif de préhension adapté à des objets de petite taille, l'amplitude du mouvement relatif des deux éléments est prévue comme étant au plus égale à quelques millimètres (par exemple 10 mm) ou au plus égale à 1 mm, ou au plus égale à 500 μm, ou encore au plus égale à 100 μm.In order to produce a gripping device suitable for small objects, the amplitude of the relative movement of the two elements is provided as being at most equal to a few millimeters (for example 10 mm) or at most equal to 1 mm, or to no more than 500 μm, or no more than 100 μm.
De préférence, le dispositif de préhension est obtenu par découpe dans le plan d'une lame de matériau à mémoire de forme, le mouvement relatif ayant lieu dans ce plan.Preferably, the gripping device is obtained by cutting in the plane of a blade of shape memory material, the relative movement taking place in this plane.
On peut aussi prévoir une structure géométrique adaptée à une meilleure dissipation de l'énergie calorifique ou à un meilleur transfert thermique : ainsi, les premier et second éléments peuvent être par exemple munis d'ailettes.One can also provide a geometric structure adapted to better dissipation of heat energy or better heat transfer: thus, the first and second elements may for example be provided with fins.
Le dispositif peut en outre comporter des moyens de manipulation ou de fixation ou de positionnement de l'ensemble des premier et second éléments, avec lesquels ils peuvent constituer un ensemble monobloc, constitué du même matériau à mémoire de forme.The device may also include means for handling or fixing or positioning the assembly of the first and second elements, with which they may constitute a monobloc assembly, made of the same shape memory material.
Là encore, on peut prévoir une géométrie adaptée à un transfert thermique efficace (ailettes, excroissances, trous, ...etc.). On peut aussi prévoir une géométrie, ou découper une forme particulière, qui serve de symbole visuel de référence pour une production particulière.Again, one can provide a geometry suitable for efficient heat transfer (fins, growths, holes, etc.). We can also provide a geometry, or cut out a particular shape, which serve as a visual reference symbol for a particular production.
Ces moyens de manipulation peuvent être reliés à des moyens de contrôle de la température des premier et second éléments du dispositif de préhension : ceci permet de commander l'ouverture, ou la fermeture, de ce dispositif.These handling means can be connected to means for controlling the temperature of the first and second elements of the gripping device: this makes it possible to control the opening, or closing, of this device.
Ces moyens de contrôle peuvent être par exemple du type à effet Peltier, par chauffage par effet Joule (courant électrique) , par chauffage par induction ou encore par chauffage laser.These control means can for example be of the Peltier effect type, by Joule effect heating (electric current), by induction heating or by laser heating.
L'invention concerne également un dispositif de manutention comportant un dispositif de préhension tel que décrit ci-dessus, ainsi que des moyens de commande des moyens de contrôle de la température des premier et second éléments, et des moyens de contrôle visuel de la position relative des premier et second éléments du dispositif de préhension.The invention also relates to a handling device comprising a gripping device as described above, as well as means for controlling the means for controlling the temperature of the first and second elements, and means for visual control of the relative position. first and second elements of the gripping device.
L'invention a également pour objet un dispositif de préhension ou de fixation comportant au moins trois éléments de préhension pouvant chacun subir un mouvement de flexion dans un plan, l'ensemble des éléments de préhension étant réalisé de manière monobloc, en un matériau à mémoire de forme. Là encore on a un dispositif de préhension de structure plus simple que les dispositifs connus et dans lequel les problèmes de friction ne se posent pas.The invention also relates to a gripping or fixing device comprising at least three gripping elements, each of which can undergo a bending movement in a plane, all of the gripping elements being produced in a single piece, from a memory material. of form. Here again there is a gripping device of simpler structure than the known devices and in which the friction problems do not arise.
Un élément de support des éléments de préhension peut être prévu. Les éléments de préhension peuvent avoir chacun la forme, par exemple d'un doigt, qui peut être muni d'un ou de plusieurs évidement(s) de flexion. Selon un autre aspect, le dispositif est obtenu par découpe dans le plan d'une lame de matériau à mémoire de forme, puis par contrainte de la forme découpée obtenue, par exemple autour d'un cylindre ou d'un tube.A support element for the gripping elements can be provided. The gripping elements can each have the shape, for example of a finger, which can be provided with one or more bending recess (s). According to another aspect, the device is obtained by cutting in the plane of a blade of shape memory material, then by constraint of the cut shape obtained, for example around a cylinder or a tube.
Des moyens de contrôle de la température peuvent être prévus : par exemple, un élément à effet Peltier, ou un laser ou des moyens pour induire un courant dans le matériau à mémoire de forme ou des moyens pour faire circuler un courant dans le matériau à mémoire de forme.Means for controlling the temperature may be provided: for example, a Peltier element, or a laser or means for inducing a current in the shape memory material or means for circulating a current in the memory material of form.
L'invention concerne également un dispositif de manutention comportant un dispositif de préhension tel que ci-dessus, ainsi que des moyens de commande des moyens de contrôle de la température et des moyens de contrôle visuel de la position relative des éléments de préhension.The invention also relates to a handling device comprising a gripping device as above, as well as means for controlling the temperature control means and means for visual control of the relative position of the gripping elements.
Les procédés connus de préparation d'éléments à mémoire de forme sont incompatibles avec la réalisation de microsystèmes. Par ailleurs, les procédés de fabrication de couches minces ne permettent pas de réaliser des couches supérieures à 100 μm.The known methods for preparing shape memory elements are incompatible with the production of microsystems. Furthermore, the processes for manufacturing thin layers do not allow layers greater than 100 μm to be produced.
De plus, tous ces procédés font intervenir une opération de recuit de petits échantillons qui est une opération délicate, coûteuse et parfois longue. Par ailleurs, la production d'une grande quantité de pièces est difficile et les formes que l'on peut réaliser sont limitées . Afin de résoudre ces problèmes, l'invention propose également un procédé de préparation d'un élément en un matériau à mémoire de forme, adapté en particulier à la réalisation du dispositif de préhension selon l'invention.In addition, all these methods involve an operation of annealing small samples which is a delicate operation, expensive and sometimes long. Furthermore, the production of a large quantity of parts is difficult and the forms which can be produced are limited. In order to solve these problems, the invention also proposes a method for preparing an element made of a shape memory material, adapted in particular to the production of the gripping device according to the invention.
L'invention a donc pour objet un procédé de préparation d'un élément en un matériau à mémoire de forme comportant les étapes suivantes : a) recuit d'un substrat du matériau à mémoire de forme, puis b) découpe de l'élément dans le substrat.The subject of the invention is therefore a method of preparing an element made of a shape memory material comprising the following steps: a) annealing a substrate of the shape memory material, then b) cutting the element in the substrate.
Ce procédé permet d'obtenir n'importe quelle forme d'élément. Il permet par ailleurs de produire une très grande quantité de pièces pour une seule opération de recuit. De ce fait, ce procédé garantit une excellente reproductibilité des propriétés des matériaux de chacune des pièces produites (température de transformation, taux de dislocation, etc...). Enfin, pour les microsystèmes, c'est le seul procédé qui permette d'obtenir des objets à mémoire de forme d'épaisseur importante, notamment supérieure à 100 μm.This process makes it possible to obtain any form of element. It also makes it possible to produce a very large quantity of parts for a single annealing operation. Therefore, this process guarantees excellent reproducibility of the material properties of each of the parts produced (transformation temperature, dislocation rate, etc.). Finally, for microsystems, it is the only process which makes it possible to obtain objects with shape memory of significant thickness, in particular greater than 100 μm.
L'étape de découpe peut être réalisée par laser ou par électroérosion ou encore par jet d'eau, ou par laser et jet d'eau couplés ou par toute autre méthode permettant de ne pas perturber la structure microscopique du matériau du substrat obtenu après recuit : par exemple, elle est réalisée de manière à ne pas perturber la structure du substrat sur plus de 10 μm ou plus de 5 μm au-delà de la découpe.The cutting step can be carried out by laser or by electroerosion or else by water jet, or by laser and coupled water jet or by any other method making it possible not to disturb the microscopic structure of the material of the substrate obtained after annealing. : for example, it is produced so as not to disturb the structure of the substrate over more than 10 μm or more than 5 μm beyond the cut.
L'invention a également pour objet un procédé de manutention d'un objet comportant la saisie et le transport de l'objet à l'aide d'un dispositif selon l'invention. Cet objet peut être par exemple une lentille ou une microlentille. Ce procédé est particulièrement intéressant dans le cas de la réalisation d'un assemblage fibre multicoeur (ou multifibre) -lentille, cet assemblage étant alors réalisé par déplacement et positionnement de la lentille, face à une extrémité de la fibre, conformément au procédé de manutention selon l'invention, puis par fixation, par exemple par collage, de la lentille sur l'extrémité de la fibre. Ainsi, on évite tout contact entre la lentille et la main d'un opérateur, ce qui peut conduire à un ébrèchement de la lentille ou au dépôt de poussière à sa surface.The invention also relates to a method of handling an object comprising the seizure and transport of the object using a device according to the invention. This object can be for example a lens or a microlens. This process is particularly advantageous in the case of the production of a multi-core (or multi-fiber) fiber-lens assembly, this assembly then being produced by displacement and positioning of the lens, facing one end of the fiber, in accordance with the handling process. according to the invention, then by fixing, for example by gluing, the lens on the end of the fiber. This avoids any contact between the lens and the hand of an operator, which can lead to chipping of the lens or the deposit of dust on its surface.
Brève description des figures. De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre. Cette description porte sur les exemples de réalisation, donnés à titre explicatif et non limitatif, en se référant à des dessins annexés sur lesquels :Brief description of the figures. In any case, the characteristics and advantages of the invention will appear better in the light of the description which follows. This description relates to the exemplary embodiments, given by way of explanation and without limitation, with reference to the appended drawings in which:
- les figures 1 à 3B représentent des préhenseurs selon l'invention, en forme d'anneau,FIGS. 1 to 3B represent grippers according to the invention, in the form of a ring,
- la figure 4 est un dispositif pour le contrôle d'un préhenseur, - la figure 5 représente schématiquement un endoscope,FIG. 4 is a device for controlling a gripper, FIG. 5 schematically represents an endoscope,
- la figure 6 représente un autre exemple de préhenseur,FIG. 6 represents another example of a gripper,
- les figures 7A à 7C représentent diverses étapes d'un procédé de fabrication selon l'art antérieur,FIGS. 7A to 7C represent various stages of a manufacturing process according to the prior art,
- les figures 8A à 8D représentent des étapes d'un procédé selon l'invention, - la figure 9 est un schéma d'un dispositif de découpe par laser,FIGS. 8A to 8D represent steps of a method according to the invention, FIG. 9 is a diagram of a laser cutting device,
- les figures 10A et 10B représentent des dispositifs d'usinage par électroérosion, - les figures 11 à 12B représentent un autre type de préhenseur selon l'invention, à plusieurs éléments de préhension,FIGS. 10A and 10B represent devices for machining by electroerosion, FIGS. 11 to 12B represent another type of gripper according to the invention, with several gripping elements,
- les figures 13a à 13C représentent l'application d'un préhenseur selon l'invention à un système de ressort permettant l'obstruction d'une artère,FIGS. 13a to 13C represent the application of a gripper according to the invention to a spring system allowing the obstruction of an artery,
- la figure 14 représente l'application de l'invention à une pince à biopsie,FIG. 14 represents the application of the invention to a biopsy forceps,
- la figure 15 représente l'application de l'invention à un dilatateur,FIG. 15 represents the application of the invention to a dilator,
- la figure 16 représente la réalisation d'un dispositif de connexion selon l'invention.- Figure 16 shows the embodiment of a connection device according to the invention.
Description détaillée de modes de réalisation de 1 ' inventionDetailed description of embodiments of the invention
Un premier exemple d'un préhenseur selon l'invention va être décrit en liaison avec la figure 1. Sur cette figure, le système de préhension est constitué d'un seul bloc en un matériau à mémoire de forme. Il se présente sous la forme d'une bague ouverte 2 comportant une première et une seconde branches 4, 6. Cette forme présente l'intérêt de répartir les contraintes de façon uniforme dans la bague, et permet par ailleurs de saisir des objets avec des tolérances larges quant à leur diamètre (±50 μm pour des lentilles de 250 μm de diamètre) . Le rayon R de la bague dépend de la plage de températures dans laquelle le système se trouve. Ainsi, pour une température T2, le système s'ouvre et permet l'insertion, ou la prise d'un objet. Pour une température Tj_, le système se referme sur l'objet, assurant ainsi la fonction de fixation ou de préhension selon le cas. Le matériau choisi peut être par exemple un alliage à mémoire de forme NiTi . Cet alliage présente la caractéristique d'être biocompatible.A first example of a gripper according to the invention will be described in connection with FIG. 1. In this figure, the gripping system consists of a single block of a shape memory material. It is in the form of an open ring 2 comprising a first and a second branch 4, 6. This form has the advantage of distributing the stresses uniformly in the ring, and moreover makes it possible to grasp objects with wide tolerances as to their diameter (± 50 μm for lenses of 250 μm in diameter). The radius R of the ring depends on the temperature range in which the system is located. Thus, for a temperature T 2 , the system opens and allows the insertion or the taking of an object. For a temperature Tj_, the system closes on the object, thus ensuring the fixing or gripping function as the case may be. The material chosen can, for example, be a NiTi shape memory alloy. This alloy has the characteristic of being biocompatible.
L'anneau de la figure 1 est représenté en perspective sur la figure 2, monté sur un support de manipulation et/ou de fixation 8. Typiquement, l'épaisseur e des branches de l'anneau est comprise par exemple entre 70 et 80 μm, ou entre 45 et 50 μm. Le diamètre D de l'anneau est par exemple inférieur ou égal à 3 mm ; un anneau a été réalisé, de diamètre 200 μm. Les dimensions du support peuvent être par exemple les suivantes : 50μm<h<500μm, 500 μm<L<lmm, 100μm<l<lmmThe ring of FIG. 1 is shown in perspective in FIG. 2, mounted on a handling and / or fixing support 8. Typically, the thickness e of the branches of the ring is for example between 70 and 80 μm , or between 45 and 50 μm. The diameter D of the ring is for example less than or equal to 3 mm; a ring was made, with a diameter of 200 μm. The dimensions of the support can be for example the following: 50 μm <h <500 μm, 500 μm <L <lmm, 100 μm <l <lmm
Ainsi, selon un exemple de réalisation : L=500 μm, h=180 μm, 250 μm<D<300μm, e≡70 μm. Selon un autre exemple de réalisation, les dimensions sont les mêmes sauf pour e qui est de l'ordre de 50 μm.Thus, according to an exemplary embodiment: L = 500 μm, h = 180 μm, 250 μm <D <300 μm, e≡70 μm. According to another exemplary embodiment, the dimensions are the same except for e which is of the order of 50 μm.
La force de serrage théorique moyenne d'un tel dispositif est de l'ordre de 0,2 N.The average theoretical clamping force of such a device is of the order of 0.2 N.
De préférence le support 8 est lui-même réalisé dans le même matériau à mémoire de forme que celui utilisé pour la réalisation du préhenseur 2.Preferably the support 8 is itself made of the same shape memory material as that used for the production of the gripper 2.
Un autre exemple de réalisation d'un préhenseur, monté sur ses moyens de fixation et/ou de manipulation, est illustré en figure 3A. Les moyens de fixation sont désignés par la référence 10 et comportent une première partie 12, de forme approximativement parallélépipédique, et une seconde partie 14 qui va en se rétrécissant, en direction de l'anneau 2, à partir de la première partie 12. Dans cette seconde partie 14, un trou, ou ouverture, 16 permet de limiter l'accumulation de contraintes dues à l'encastrement de l'anneau. En outre, le trou permet d'avoir une meilleure compliance du système de bras 4, 6.Another example of embodiment of a gripper, mounted on its fixing and / or handling means, is illustrated in FIG. 3A. The fixing means are designated by the reference 10 and comprise a first part 12, of approximately parallelepiped shape, and a second part 14 which tapers in the direction of the ring 2, from the first part 12. In this second part 14, a hole, or opening, 16 makes it possible to limit the accumulation of stresses due to the embedding of the ring. In addition, the hole allows better compliance of the arm system 4, 6.
Comme illustré sur la figure 3A, les moyens de fixation peuvent être reliés à des moyens de contrôle de la température de l'anneau. Sur la figure 3A, ces moyens de contrôle de la température comportent successivement un doigt 18 en cuivre et un élément, ou microélément, Peltier 20. Ce dernier peut avoir par exemple une taille de 7 mmx5 mm.As illustrated in FIG. 3A, the fixing means can be connected to means for controlling the temperature of the ring. In FIG. 3A, these temperature control means successively comprise a copper finger 18 and an element, or microelement, Peltier 20. The latter may for example have a size of 7 mm × 5 mm.
L'utilisation d'un micromodule à effet Peltier est particulièrement avantageuse pour les raisons suivantes. Tout d'abord un tel micromodule permet de chauffer ou de refroidir le matériau à mémoire de forme, donc d'ouvrir ou de fermer l'anneau ou le préhenseur en fonction des besoins. Par ailleurs, les éléments à effet Peltier permettent d'atteindre une large plage de températures ; typiquement, on peut couvrir une plage comprise entre -100°C et +200CC, compatible avec l'utilisation de nombreux matériaux à mémoire de forme. Enfin, ce type de dispositif constitue, du point de vue de sa commande, un système du premier ordre, simple et très robuste.The use of a Peltier effect micromodule is particularly advantageous for the following reasons. First of all, such a micromodule makes it possible to heat or cool the shape memory material, therefore to open or close the ring or the gripper as required. In addition, Peltier elements allow a wide range of temperatures to be reached; typically, a range between -100 ° C and +200 C can be covered, compatible with the use of many shape memory materials. Finally, this type of device constitutes, from the point of view of its control, a first-order system, simple and very robust.
Une autre structure simple de préhenseur, basée sur le même principe, est illustrée sur la figure 3B. Comme sur la figure 1, le préhenseur se présente sous la forme d'une bague ouverte 2 comportant une première et une seconde branches 4, 6. Cet ensemble est réalisé en un matériau à mémoire de forme, et d'un seul bloc* Il comporte en outre deux pattes 15, 17. Une zone 7 située entre l'anneau et les pattes 15, 17 est de faible largeur et l'effet de chauffage du courant (effet Joule) y est le plus important. La zone 7 est donc la plus chaude lors du passage d'un courant électrique i. Pour réaliser l'interface électrique avec un circuit de commande, on peut utiliser la technique de "bonding" traditionnellement utilisée pour les connexions des micro-puces. Le zones de contact sont alors par exemple situées à l'extrémité des pattes 15, 17. Cette technique de commande permet de contrôler l'anneau ou le préhenseur lors, soit de l'ouverture, soit de sa fermeture.Another simple gripper structure, based on the same principle, is illustrated in Figure 3B. As in FIG. 1, the gripper is in the form of an open ring 2 comprising first and second branches 4, 6. This assembly is made of a shape memory material, and in one piece * It further comprises two legs 15, 17. A zone 7 located between the ring and the legs 15, 17 is of small width and the effect of heating the current (Joule effect) is the most significant there. Zone 7 is therefore the warmest during the passage of an electric current i. To make the electrical interface with a control circuit, the "bonding" technique traditionally used for microchip connections can be used. The contact zones are then for example located at the end of the tabs 15, 17. This control technique makes it possible to control the ring or the gripper during either the opening or its closing.
Selon un autre mode de réalisation, un contrôle de la température de l'anneau, par exemple celui de la figure 2, peut être réalisé par chauffage du support 8, par exemple à l'aide d'un faisceau laser. Selon d'autres modes de réalisation, on peut réaliser un chauffage par induction, ou bien monter une résistance, soit directement sur l'anneau, soit sur un support sur lequel repose l'anneau, tel que le support 8 de la figure 2. Dans ce dernier cas, la circulation d'un courant dans la résistance entraîne un échauffement de celle-ci par effet Joule, une partie de la chaleur ainsi produite étant transférée à l'anneau ou à son support .According to another embodiment, a control of the temperature of the ring, for example that of FIG. 2, can be carried out by heating the support 8, for example using a laser beam. According to other embodiments, it is possible to carry out induction heating, or else mount a resistor, either directly on the ring, or on a support on which the ring rests, such as the support 8 in FIG. 2. In the latter case, the circulation of a current in the resistor causes the latter to heat up by the Joule effect, part of the heat thus produced being transferred to the ring or to its support.
La figure 4 représente schématiquement un dispositif de contrôle d'un préhenseur selon l'invention. Le préhenseur est désigné par la référence 22, et peut être un préhenseur tel que décrit ci-dessus en liaison avec les figures 1 à 3A. Ce préhenseur est en contact avec un élément Peltier 20, lui-même supporté par un bras de positionnement 26 pour effectuer divers mouvements, par exemple des déplacements suivant trois axes X, Y, Z. Ce bras permet d'amener ce préhenseur 22 au contact d'un objet 24 à saisir et à déplacer. Un système de commande 28 permet, à l'aide d'une mesure de la température de l'élément Peltier (et donc, du préhenseur) , de commander l'ouverture et la fermeture de celui-ci. Une caméra vidéo 30 est reliée à un dispositif 32 d'acquisition vidéo et permet de visualiser sur un écran 36 l'état d'ouverture ou de fermeture du préhenseur 22. En fonction de cet état, une commande peut être transmise au dispositif 28 pour faire varier la température de l'élément Peltier 20, et donc l'ouverture et la fermeture du préhenseur 22.FIG. 4 schematically represents a device for controlling a gripper according to the invention. The gripper is designated by the reference 22, and can be a gripper as described above in conjunction with FIGS. 1 to 3A. This gripper is in contact with a Peltier 20 element, itself supported by a positioning arm 26 for carrying out various movements, for example displacements along three axes X, Y, Z. This arm makes it possible to bring this gripper 22 into contact with an object 24 to be grasped and moved. A control system 28 makes it possible, by means of a measurement of the temperature of the Peltier element (and therefore, of the gripper), to control the opening and closing of the latter. A video camera 30 is connected to a video acquisition device 32 and allows the opening or closing state of the gripper 22 to be displayed on a screen 36. Depending on this state, a command can be transmitted to the device 28 to vary the temperature of the Peltier element 20, and therefore the opening and closing of the gripper 22.
On peut aussi remplacer la caméra vidéo par une fibre multicoeur munie d'une lentille SELFOC et couplée à un système d'acquisition vidéo.The video camera can also be replaced by a multicore fiber fitted with a SELFOC lens and coupled to a video acquisition system.
Selon une variante, l'ouverture ou la fermeture de l'anneau est commandée par un courant circulant dans le matériau de l'anneau ou par chauffage par laser ou par induction ou par une résistance appliquée au préhenseur. Un dispositif de contrôle comme celui de la figure 4 peut donc encore être mis en oeuvre, le système de commande 28 agissant non plus sur un élément Peltier mais sur un laser ou un système d'induction ou un courant circulant dans une résistance montée sur l'anneau ou circulant dans l'anneau lui-même.According to a variant, the opening or closing of the ring is controlled by a current flowing in the material of the ring or by heating by laser or by induction or by a resistance applied to the gripper. A control device like that of FIG. 4 can therefore also be implemented, the control system 28 no longer acting on a Peltier element but on a laser or an induction system or a current flowing in a resistor mounted on the 'ring or flowing in the ring itself.
Un tel dispositif de préhension, avec ses moyens de contrôle, peut être avantageusement mis en oeuvre dans le cadre d'un procédé de fabrication d'objets pour lequel des pièces de petites tailles doivent être transportées, par exemple d'une station d'assemblage à une autre.Such a gripping device, with its control means, can be advantageously used in the context of a method of manufacturing objects for which parts of small sizes must be transported, for example from one assembly station to another.
C'est le cas en particulier, pour le montage de microlentilles cylindriques (microlentilles GRIN) , utilisées en endoscopie.This is the case in particular, for mounting cylindrical microlenses (GRIN microlenses), used in endoscopy.
L'endoscopie est une technique d'investigation du corps humain qui permet aux praticiens d'acquérir des informations, ou images, des parties intérieures au corps, telles que l'estomac, les poumons ou le coeur. Un dispositif pour la mise en oeuvre d'une telle technique est représenté schématiquement sur la figure 5, où la référence 40 désigne une source de lumière qui est focalisée par une lentille 42 à l'entrée d'un guide de lumière 46. Ce dernier est en fait le plus souvent relié à une pluralité de fibres optiques 48, 50 disposées à la périphérie d'une fibre multicoeurs 52. Un faisceau d'éclairage 54 peut ainsi être dirigé sur une zone 56 d'un objet ou d'un organe à observer, qui réfléchit un rayonnement 58 à l'entrée 60 de la fibre multicoeurs 52. Cette dernière comportant un faisceau cohérent de coeurs individuels, ceux-ci transmettent donc la lumière de manière ordonnée entre eux, et l'image obtenue en sortie 62 de la fibre multicoeurs correspond à l'image formée à l'entrée 60. Des moyens 64, 66 pour mémoriser, analyser et/ou représenter 1 ' image peuvent être également prévus en combinaison avec ce dispositif.Endoscopy is a human body investigation technique that allows practitioners to acquire information, or images, from parts of the body, such as the stomach, lungs, or heart. A device for implementing such a technique is shown diagrammatically in FIG. 5, where the reference 40 designates a light source which is focused by a lens 42 at the input of a light guide 46. The latter is in fact most often connected to a plurality of optical fibers 48, 50 arranged at the periphery of a multi-core fiber 52. An illumination beam 54 can thus be directed onto an area 56 of an object or an organ to be observed, which reflects radiation 58 at the input 60 of the multi-core fiber 52. The latter comprising a coherent beam of individual hearts, these therefore transmit the light in an orderly manner between them, and the image obtained at output 62 multicore fiber corresponds to the image formed at the input 60. Means 64, 66 for storing, analyzing and / or representing the image can also be provided in combination with this device.
Cette technique d'imagerie est décrite par exemple dans les articles de A. Katzir : "Optimal Fibers in Medicine", Scientific American, vol.260 (5), p. 120-125, 1989 et "Optimal Fiber Techniques (Medicine)", Encyclopédia of Physical Science and Technology, vol. 9, p. 630-646, 1987. Pratiquement, une fibre multicoeurs telle que la fibre 12 peut comporter environ 700 à 10000 coeurs, pour des applications à la microendoscopie.This imaging technique is described for example in the articles by A. Katzir: "Optimal Fibers in Medicine", Scientific American, vol. 260 (5), p. 120-125, 1989 and "Optimal Fiber Techniques (Medicine)", Encyclopedia of Physical Science and Technology, vol. 9, p. 630-646, 1987. In practice, a multi-core fiber such as fiber 12 can comprise approximately 700 to 10,000 cores, for applications in microendoscopy.
La notion de fibre multicoeurs est à distinguer de celle de multifibres, qui est un assemblage ou un faisceau de fibres indépendantes placées conjointement et éventuellement collées en bout.The concept of multi-core fiber is to be distinguished from that of multi-fiber, which is an assembly or bundle of independent fibers placed together and possibly glued at the end.
Aussi bien les fibres multicoeurs que les multifibres peuvent être utilisées en endoscopie. Dans les deux cas, une lentille 60 (voir figureBoth multi-core fibers and multi-fibers can be used in endoscopy. In both cases, a lens 60 (see figure
5) , en général de type GRIN, est montée sur une face d'entrée de la fibre, du côté qui va dans l'être humain. Actuellement, le montage d'une telle lentille sur la multifibre ou sur la fibre multicoeur se fait manuellement. Cette manipulation peut conduire à un ébrèchement de la lentille, ou à un apport de poussières à sa surface. Il convient donc de trouver une technique permettant, d'une manière générale, la manipulation des lentilles, mais aussi le positionnement d'une lentille, en face d'une fibre, sans intervention manuelle.5), generally of the GRIN type, is mounted on an entry face of the fiber, on the side which goes into the human being. Currently, the mounting of such a lens on the multifiber or on the multicore fiber is done manually. This manipulation can lead to chipping of the lens, or to the addition of dust to its surface. It is therefore necessary to find a technique allowing, in general, the manipulation of the lenses, but also the positioning of a lens, in front of a fiber, without manual intervention.
Le dispositif qui a été décrit ci-dessus, en liaison avec la figure 4, convient à cette manipulation et permet de transporter les microlentilles, par exemple à partir d'une zone de stockage, vers une zone où elles sont alignées avec les fibres, de manière à être collées sur celles-ci. Le préhenseur étant du type à mémoire de forme, son ouverture est commandée par une variation de température, ce qui permet d'éviter tout contact entre un opérateur et les lentilles. On diminue ainsi fortement le risque d'ébrécher des lentilles ou de déposer des poussières à leur surface. L'invention a été décrite dans le cas d'un préhenseur ayant une forme sensiblement annulaireThe device which has been described above, in connection with FIG. 4, is suitable for this manipulation and makes it possible to transport the microlenses, for example from a storage area, to an area where they are aligned with the fibers, so as to be glued to them. The gripper being of the shape memory type, its opening is controlled by a temperature variation, which makes it possible to avoid any contact between an operator and the lenses. This greatly reduces the risk of chipping lenses or depositing dust on their surface. The invention has been described in the case of a gripper having a substantially annular shape
(figures 1-3). On peut envisager également des préhenseurs ayant une forme différente, par exemple dans lequel les deux bras du préhenseur constituent un(Figures 1-3). One can also consider grippers having a different shape, for example in which the two arms of the gripper constitute a
"V", monobloc et en matériau à mémoire de forme."V", monobloc and in shape memory material.
La figure 6 représente un autre type de préhenseur, réalisé en un matériau à mémoire de forme. Ce préhenseur comporte une zone 100 de fixation du préhenseur, et un bras flexible 102 qui vient s'articuler sur la zone 100 de fixation. La zone 100 définit en fait un second bras 104, rigide, par rapport auquel le bras flexible peut être déplacé. L'extrémité des bras définit une zone de préhension 106. Ces extrémités peuvent avoir des formes adaptées à tel ou tel type d'objets à saisir par le préhenseur. Ainsi, sur la figure 6, le bras fixe 104 présente un évidement 108, à section triangulaire. Cet évidement permet, en combinaison avec le mouvement du bras 102, de venir saisir des objets, en particulier de type cylindrique, par exemple des lentilles GRIN, et de les positionner de façon précise dans le préhenseur.FIG. 6 represents another type of gripper, made of a shape memory material. This gripper comprises a zone 100 for fixing the gripper, and a flexible arm 102 which is articulated on the zone 100 for fixing. The zone 100 in fact defines a second arm 104, rigid, with respect to which the flexible arm can be moved. The end of the arms defines a gripping area 106. These ends can have shapes adapted to such or such type of objects to be grasped by the gripper. Thus, in Figure 6, the fixed arm 104 has a recess 108, of triangular section. This recess allows, in combination with the movement of the arm 102, to pick up objects, in particular of the cylindrical type, for example GRIN lenses, and to position them precisely in the gripper.
Le dispositif décrit sur la figure 6 peut être commandé par un microélément Peltier, avec les mêmes avantages que ceux déjà décrits ci-dessus.The device described in FIG. 6 can be controlled by a Peltier microelement, with the same advantages as those already described above.
Les dispositifs de préhension selon l'invention sont réalisés en un matériau à mémoire de forme. Les alliages à mémoire de forme sont des matériaux qui possèdent deux phases solides, pour deux plages de température caractéristiques. Le changement de phase s'accompagne d'un changement des propriétés physiques et de l'organisation atomique du matériau, ce qui peut engendrer des déformations macroscopiques importantes (jusqu'à 8% en élongation pour le NiTi). Il est possible de "mémoriser", pour chacune des deux phases, une forme donnée, par un procédé dit "d'éducation", et par un traitement thermique approprié. Des procédés d'éducation sont décrits par exemple dans le document de J. Perkins et al. Intitulé "the Two-Way Shape Memory Effect" paru dans Engineering Aspect of Shape Memory Alloys, Butterworth Heinemann, London, 1990, pages 195- 206. On obtient alors un dispositif à effet mémoire double sens, bien adapté à la réalisation d'un préhenseur.The gripping devices according to the invention are made of a shape memory material. Shape memory alloys are materials that have two solid phases, for two characteristic temperature ranges. The phase change is accompanied by a change in the physical properties and the atomic organization of the material, which can generate significant macroscopic deformations (up to 8% elongation for NiTi). It is possible to "memorize", for each of the two phases, a given form, by a process called "education", and by an appropriate heat treatment. Educational methods are described for example in the document by J. Perkins et al. Entitled "the Two-Way Shape Memory Effect" published in Engineering Aspect of Shape Memory Alloys, Butterworth Heinemann, London, 1990, pages 195-206. We then obtain a device with a two-way memory effect, well suited to the realization of a gripper.
D'une manière générale, on utilise l'expression "austénite" pour désigner la phase solide haute température d'un alliage à mémoire de forme. L'expression "martensite" désigne la phase solide basse température. Les températures caractéristiques de début, et de fin, de la transformation austénite- martensite sont désignées par Ms et Mf. Les températures caractéristiques de début, et de fin, de la transformation martensite-austénite sont désignées par As et Af.Generally, the expression "austenite" is used to designate the high temperature solid phase of a shape memory alloy. The expression "martensite" designates the low temperature solid phase. The characteristic temperatures at the start and end of the austenite-martensite transformation are designated by M s and M f . The characteristic temperatures at the start and end of the martensite-austenite transformation are designated by A s and A f .
En ce qui concerne l'alliage à choisir, l'alliage NiTi présente l'avantage d'être biocompatible, ce qui présente un intérêt dans le cas des applications médicales du type endoscopie. Un alliage NiTi ayant une composition proche de la composition équiatomique offre en outre l'avantage de présenter, à haute température, une structure cubique centrée de type B2. Cet alliage présente une transformation de phase martensitique vers des structures monocliniques, orthorhombiques, ou rhomboédriques, après trempe. Un même alliage peut présenter plusieurs transitions successives. Les températures de transition peuvent être réglées à volonté en changeant la composition et, dans une moindre mesure, les traitements thermiques. Ainsi, un alliage riche en Ti présentera une température de transition Ms élevée, tandis qu'un alliage riche en Ni présentera une température Ms basse. L'alliage est de préférence trempé, ou au moins refroidi rapidement, afin d'éviter des risques de décomposition, notamment par précipitation. Dans certains cas, on produit une précipitation contrôlée, afin de favoriser l'effet mémoire double sens. De préférence, on utilise pour cela un alliage dont la concentration en Ni est supérieure à 50,6% atomiques. Dans le cas où on cherche à utiliser l'effet mémoire de l'alliage afin de réaliser un préhenseur, les températures de transition Ms et As sont de préférence supérieures à la température ambiante .As regards the alloy to be chosen, the NiTi alloy has the advantage of being biocompatible, which is of interest in the case of medical applications of the endoscopy type. A NiTi alloy having a composition close to the equiatomic composition also offers the advantage of having, at high temperature, a centered cubic structure of type B 2 . This alloy presents a martensitic phase transformation towards monoclinic, orthorhombic, or rhombohedral structures, after quenching. The same alloy can present several successive transitions. The transition temperatures can be adjusted as desired by changing the composition and, to a lesser extent, the heat treatments. Thus, an alloy rich in Ti will have a high transition temperature M s , while an alloy rich in Ni will have a low temperature M s . The alloy is preferably quenched, or at least cooled rapidly, in order to avoid risks of decomposition, in particular by precipitation. In some cases, a controlled precipitation is produced in order to promote the two-way memory effect. Preferably, an alloy is used for this, the Ni concentration of which is greater than 50.6 atomic%. In the case where it is sought to use the memory effect of the alloy in order to produce a gripper, the transition temperatures M s and A s are preferably higher than ambient temperature.
D'autres matériaux à mémoire de forme tels que CuZnAl ou bien NiTiCu peuvent être utilisés. On peut également utiliser les matériaux décrits par CM. Wayman et al. dans "Introduction to martensite and Shape Memory", paru dans Engineering Aspect of Shape Memory Alloys, Butterworth Heinemann, London, 1990.Other shape memory materials such as CuZnAl or NiTiCu can be used. The materials described by CM can also be used. Wayman et al. in "Introduction to martensite and Shape Memory", published in Engineering Aspect of Shape Memory Alloys, Butterworth Heinemann, London, 1990.
La méthode traditionnelle de fabrication des éléments ayant des propriétés à mémoire de forme est représentée schématiquement sur les figures 7A à 7C. Un matériau sélectionné 110, à mémoire de forme (figure 7A) est d'abord mis en forme suivant la structure que l'on souhaite mémoriser (figure 7B) . Ainsi, dans le cas d'un anneau, on contraint le matériau sélectionné 110 autour d'une forme cylindrique, avant toute opération de recuit. Ce n'est qu'après, au cours d'une deuxième étape (figure 7C) que le matériau est recuit, en général autour de 500°C, afin de le figer dans la forme voulue. Il est souvent nécessaire de contraindre le matériau pour parvenir à un tel résultat : on utilise alors un gabarit ou un moule. Cette méthode présente des inconvénients :The traditional method of manufacturing elements having shape memory properties is shown diagrammatically in FIGS. 7A to 7C. A selected material 110, with shape memory (FIG. 7A) is first shaped according to the structure that one wishes to memorize (FIG. 7B). Thus, in the case of a ring, the selected material 110 is constrained around a cylindrical shape, before any operation annealing. It is only afterwards, during a second step (FIG. 7C) that the material is annealed, generally around 500 ° C., in order to freeze it in the desired shape. It is often necessary to constrain the material to achieve such a result: we then use a template or a mold. This method has drawbacks:
- Pour des microsystèmes, en raison de leur petitesse, la mise en forme est une opération difficile. Ce problème se pose en particulier dans le cas de la réalisation de micropréhenseurs (dont l'amplitude du déplacement relatif de ses éléments de préhension est inférieure à 1 mm) , par exemple pour saisir des microlentilles . - De plus, effectuer des recuits de petits échantillons est une opération délicate et longue.- For microsystems, due to their small size, shaping is a difficult operation. This problem arises in particular in the case of the production of micro-grippers (whose amplitude of the relative displacement of its gripping elements is less than 1 mm), for example for grasping micro-lenses. - In addition, annealing small samples is a delicate and time-consuming operation.
- En outre, la production d'une grande quantité de pièces est difficile, en raison entre autres de la délicatesse des opérations de mise en forme, et surtout de recuit. De plus, chaque opération de recuit est coûteuse en temps de production.- In addition, the production of a large quantity of parts is difficult, due inter alia to the delicacy of the shaping operations, and especially of annealing. In addition, each annealing operation is costly in production time.
- Enfin, la forme que l'on peut réaliser est limitée : on ne peut faire que des pièces simples. Ainsi, un préhenseur du type de celui illustré sur la figure 3 ou sur la figure 6 est impossible à réaliser avec une telle méthode.- Finally, the shape that we can achieve is limited: we can only make simple pieces. Thus, a gripper of the type illustrated in FIG. 3 or in FIG. 6 is impossible to produce with such a method.
Afin de résoudre ces problèmes, les inventeurs proposent une autre technique de préparation des matériaux à mémoire de forme, qui va être décrite en liaison avec les figures 8A à 8D.In order to solve these problems, the inventors propose another technique for preparing shape memory materials, which will be described in conjunction with FIGS. 8A to 8D.
Dans une première étape, on sélectionne un matériau de base 120 (figure 8A) . Au cours d'une seconde étape (figure 8B) ce matériau 120 est recuit dans un four 122. Ensuite (figure 8C) on découpe la forme souhaitée directement dans la lame recuite : cette découpe est réalisée à l'aide d'une technique qui, de préférence, ne perturbe le matériau que de manière très locale. Une telle technique peut être une technique de découpe laser ou une technique de découpe par électroérosion ou par jet, qui sont des méthodes peu destructives. Ainsi, on obtient les formes 125, 127, 129 souhaitées (figure 8D) , dont les empreintes 124, 126, 128, après découpe, sont laissées dans la plaque de matériau 120. Ce procédé présente les avantages suivants :In a first step, a base material 120 is selected (FIG. 8A). During a second step (FIG. 8B) this material 120 is annealed in an oven 122. Then (FIG. 8C) the desired shape is cut directly from the annealed blade: this cutting is carried out using a technique which, preferably, only disturbs the material very locally. Such a technique can be a laser cutting technique or an electroerosion or jet cutting technique, which are minimally destructive methods. Thus, the desired shapes 125, 127, 129 are obtained (FIG. 8D), the imprints 124, 126, 128 of which, after cutting, are left in the material plate 120. This process has the following advantages:
- Il est possible d'obtenir n'importe quelle forme de matériau. - Dans les microsystèmes, c'est la seule technologie qui permette d'obtenir des objets à mémoire de forme d'épaisseur importante, par exemple de l'ordre de 500 μm dans le cas d'une découpe laser.- It is possible to obtain any form of material. - In microsystems, this is the only technology which makes it possible to obtain shape memory objects of significant thickness, for example of the order of 500 μm in the case of laser cutting.
- A partir de la matière de base, on peut produire une très grande quantité de pièces pour une seule opération de recuit.- From the base material, a very large quantity of parts can be produced for a single annealing operation.
- Les propriétés du matériau dépendent de la qualité du recuit. Le recuit est donc une opération critique si on effectue le recuit élément après élément. Dans le cas présent, un seul recuit est effectué pour l'ensemble de la lame. En outre, l'intérêt de pouvoir produire un grand nombre de pièces du même recuit garantit une reproductibilité des propriétés physiques d'une pièce à une autre. Le procédé selon l'invention permet de réaliser des pièces de forme quelconque, en particulier du type de celles déjà décrites ci-dessus, en liaison avec les figures 3 ou 6. En ce qui concerne la découpe après recuit, l'utilisation de la technique d ' électroérosion permet de découper des pièces plus épaisses que si l'on utilise la technique de découpe par laser : cette dernière convient bien pour des lames d'épaisseur inférieure à environ 1 mm, mais se trouve moins bien adaptée pour des lames d'épaisseur plus importante.- The properties of the material depend on the quality of the annealing. Annealing is therefore a critical operation if the annealing is carried out element after element. In the present case, a single annealing is carried out for the entire blade. In addition, the advantage of being able to produce a large number of parts of the same annealing guarantees reproducibility of the physical properties from one part to another. The method according to the invention makes it possible to produce parts of any shape, in particular of the type of those already described above, in conjunction with FIGS. 3 or 6. With regard to cutting after annealing, the use of the EDM technique makes it possible to cut thicker parts than if the laser cutting technique is used: the latter is well suited for blades of thickness less than about 1 mm, but is less well suited for blades of greater thickness.
Les propriétés du matériau peuvent être caractérisées au moyen de la calorimétrie différentielle à balayage : pour une variation de température ΔT donnée, on compare les quantités de chaleur fournies, d'une part à un porte-échantillon de référence, et d'autre part à un porte-échantillon contenant le matériau à étudier, l'un et l'autre se présentant sous la forme de petits échantillons de masse de l'ordre de quelques microgrammes. En fait, on mesure l'émission et/ou l'absorption de chaleur liées à la transformation de phase sur ces échantillons. Cette technique permet de mesurer précisément les températures de transition (Ms, Mf, As, Af) .The properties of the material can be characterized by means of differential scanning calorimetry: for a given temperature variation ΔT, the quantities of heat supplied are compared, on the one hand to a reference sample holder, and on the other to a sample holder containing the material to be studied, both of which are in the form of small mass samples of the order of a few micrograms. In fact, the emission and / or absorption of heat linked to the phase transformation are measured on these samples. This technique allows precise measurement of the transition temperatures (M s , M f , A s , A f ).
Le procédé décrit ci-dessus offre en outre l'avantage d'éviter une étape de mémorisation de la forme haute température. Classiquement, la forme est mémorisée au cours du recuit à haute température, le matériau étant contraint, préalablement, à prendre une certaine forme au moyen d'un gabarit. Par la suite, quelle que soit la déformation que le matériau subira dans l'état martensitique, il retrouvera la forme mémorisée par un simple réchauffement au-dessus de la température de transformation martensite-austénite. Un gros avantage de la technique décrite ci-dessus est qu'elle permet d'éviter cette étape de mémorisation préalable : l'usinage est réalisé après recuit, et la forme mémorisée est directement celle usinée.The method described above also offers the advantage of avoiding a step of memorizing the high temperature shape. Conventionally, the shape is memorized during high temperature annealing, the material being forced, beforehand, to take a certain shape by means of a template. Thereafter, whatever the deformation that the material will undergo in the martensitic state, it will find the memorized form by a simple heating above the martensite-austenite transformation temperature. A big advantage of the technique described above is that it avoids this memorization step preliminary: machining is carried out after annealing, and the memorized shape is directly that machined.
Comme à l'issue du procédé classique, le produit obtenu par le procédé selon l'invention ne possède que l'effet mémoire simple sens : s'il est déformé dans l'état martensitique (température T<MS), il retrouve sa forme par réchauffement au-dessus de la température de transformation martensite-austénite (T>Af) . Mais, s'il est à nouveau refroidi au-dessous de Ms, aucun changement de forme ne se produit. Un tel matériau convient à la réalisation d'un dispositif de fixation selon l'invention.As at the end of the conventional process, the product obtained by the process according to the invention has only the one-way memory effect: if it is deformed in the martensitic state (temperature T <M S ), it regains its formed by heating above the martensite-austenite transformation temperature (T> A f ). However, if it is again cooled below M s , no change in shape occurs. Such a material is suitable for producing a fixing device according to the invention.
Pour que l'effet mémoire se produise dans les deux sens (pour un préhenseur) on peut utiliser un ressort, ou un poids, qui restaure la déformation au refroidissement ; on peut également, selon une autre technique, créer une microstructure particulière de l'alliage qui permet de sélectionner certaines variantes lors de la transformation. Cette dernière technique est appelée technique "d'éducation". La première méthode n'est pas facile à appliquer pour les dispositifs microscopiques, car elle nécessite l'assemblage de plusieurs composants, et on préfère donc la deuxième méthode. Plusieurs méthodes d'éducation peuvent être appliquées. L'une d'elles est le cyclage pseudoélastique dans l'état austénitique.So that the memory effect occurs in both directions (for a gripper) one can use a spring, or a weight, which restores the deformation on cooling; it is also possible, according to another technique, to create a particular microstructure of the alloy which makes it possible to select certain variants during transformation. The latter technique is called the "education" technique. The first method is not easy to apply for microscopic devices, since it requires the assembly of several components, and therefore the second method is preferred. Several educational methods can be applied. One of them is pseudoelastic cycling in the austenitic state.
Un dispositif va être décrit, en liaison avec la figure 9, pour procéder à la découpe laser du matériau, après recuit. Ce dispositif comporte essentiellement un laser NdrYAG 130, fonctionnant en mode impulsionnel. Une cavité résonnante en "Z" est constituée par quatre miroirs Mi, M2, M3, M4. Le faisceau généré par le laser traverse successivement une lame quart d'onde 132 et un télescope 133, ce dernier permettant d'agrandir le faisceau. Avec ce dispositif, on peut obtenir des taches lumineuses de 15 μm de diamètre, en sortie d'une tête de découpe 134. Le système est en outre équipé d'une table 136, contrôlée numériquement, avec une résolution de l'ordre du μm. Cette table permet de réaliser une découpe laser efficace (à une vitesse typiquement comprise entre 30 et 60 mm par minute) , et avec une tache lumineuse de diamètre environ 24 μm, pour un matériau d'épaisseur 0,3 mm ou moins. La zone affectée par la chaleur, le long de la découpe, est de taille inférieure à 2 à 3 μm. La précision absolue et la reproductibilité, sur une surface de 10x10 mm2, est de l'ordre de 2 μm. La table est contrôlée par des moyens de contrôle 138 et un micro-ordinateur 140. Un microscope binoculaire 142 permet par ailleurs de contrôler la position de focalisation du faisceau sur la table 136.A device will be described, in conjunction with FIG. 9, for carrying out the laser cutting of the material, after annealing. This device essentially comprises an NdrYAG 130 laser, operating in pulse mode. A resonant cavity in "Z" is formed by four mirrors Mi, M 2 , M 3 , M 4 . The beam generated by the laser passes successively a quarter-wave plate 132 and a telescope 133, the latter making it possible to enlarge the beam. With this device, it is possible to obtain light spots of 15 μm in diameter, at the outlet of a cutting head 134. The system is furthermore equipped with a table 136, digitally controlled, with a resolution of the order of μm . This table enables efficient laser cutting (at a speed typically between 30 and 60 mm per minute), and with a light spot of diameter approximately 24 μm, for a material with a thickness of 0.3 mm or less. The area affected by heat, along the cut, is less than 2 to 3 μm in size. The absolute precision and reproducibility, on a surface of 10x10 mm 2 , is of the order of 2 μm. The table is controlled by control means 138 and a microcomputer 140. A binocular microscope 142 also makes it possible to control the focusing position of the beam on the table 136.
Des dispositifs vont maintenant être décrits, qui permettent de réaliser une découpe par électroérosion. Un premier dispositif est illustré sur la figure 10A et permet de réaliser un enlèvement de matière par érosion, par enfonçage. Une électrode 142 ayant une forme complémentaire à la forme désirée (ici : la forme du préhenseur à réaliser) est enfoncée dans la pièce 144 à usiner (ici : le matériau à mémoire de forme) .Devices will now be described, which allow cutting by electroerosion. A first device is illustrated in FIG. 10A and makes it possible to remove material by erosion, by sinking. An electrode 142 having a shape complementary to the desired shape (here: the shape of the gripper to be produced) is inserted into the part 144 to be machined (here: the shape memory material).
Afin que cette électrode puisse pénétrer dans la pièce, des étincelles vont localement faire fondre la matière : lors de l'éclatement de l'étincelle, l'énergie électrique transformée en chaleur par l'effet Joule, va libérer suffisamment d'énergie thermique pour permettre une vaporisation locale de la matière. Un second dispositif est illustré sur la figure 10B et concerne le découpage par fil.So that this electrode can penetrate the part, sparks will locally melt the material: during the bursting of the spark, the electrical energy transformed into heat by the Joule effect, will release enough thermal energy to allow local vaporization of the material. A second device is illustrated in FIG. 10B and relates to wire cutting.
Si le principe d'enlèvement de matière est identique à celui de l'enfonçage, l'utilisation du processus d ' électroérosion dans le cas du fil est différent .If the principle of material removal is identical to that of sinking, the use of the EDM process in the case of wire is different.
Au lieu d'une électrode qui s'imprime dans la pièce 144, c'est un fil 146 (une électrode) qui découpe celle-ci. Du fait de l'usure de l'électrode, le fil est constamment renouvelé, à l'aide de moyens 148, 150 permettant de le faire défiler.Instead of an electrode which is printed in the part 144, it is a wire 146 (an electrode) which cuts this one. Due to the wear of the electrode, the wire is constantly renewed, using means 148, 150 allowing it to run.
Cette différence (amenée et récupération du fil) amène des solutions mécaniques assez différentes des machines d' étincelage. Les caractéristiques de l'étincelle sont également spécifiques au processus d' électroérosion par fil.This difference (supply and recovery of the wire) leads to quite different mechanical solutions from the sparking machines. The characteristics of the spark are also specific to the process of wire EDM.
Une commande numérique permet de contrôler les différents axes de la machine (x, Y, U, V) ainsi que la vitesse de défilement du fil et la distance entre les guides du fil.A numerical control makes it possible to control the various axes of the machine (x, Y, U, V) as well as the speed of travel of the wire and the distance between the guides of the wire.
Les axes U et V permettent de repérer l'inclinaison du fil et permettent le découpage de pièces non-cylindriques. Grâce à cet angle de dépouille il est possible d'usiner des surfaces réglées et donc des pièces très complexes.The axes U and V make it possible to identify the inclination of the wire and allow the cutting of non-cylindrical parts. Thanks to this draft angle it is possible to machine adjusted surfaces and therefore very complex parts.
La technique par jet d'eau peut être réalisée avec un jet d'eau pure ou mélangée avec un abrasif, focalisé en un jet de faible diamètre de 0,08 à 0,8 mm à des pressions de l'ordre de 3500 à 4000 bars. La vitesse du jet est par exemple d'environ 600 m/s, délivrant ainsi une importante puissance surfacique de l'ordre de 120 kW/mm2. En comparaison, celle d'un laser de 4 kW se situe aux environs de 1 kW/mm2. L'ajout de particules abrasives par effet Venturi permet de découper des matériaux très durs et compacts sans modifier thermiquement la structure physico-chimique du matériau . On peut également utiliser une technique combinée laser-jet d'eau, telle que par exemple décrite dans Industrie et Technique, n° 780, MARS 1997, pages 9-10.The water jet technique can be carried out with a pure water jet or mixed with an abrasive, focused in a small diameter jet of 0.08 to 0.8 mm at pressures of the order of 3500 to 4000 bars. The jet speed is for example around 600 m / s, thus delivering a large pfd of the order of 120 kW / mm 2 . In comparison, that of a 4 kW laser is around 1 kW / mm 2 . The addition of abrasive particles by Venturi effect makes it possible to cut very hard and compact materials without thermally modifying the physico-chemical structure of the material. It is also possible to use a combined laser-water jet technique, such as for example described in Industry and Technology, n ° 780, MARCH 1997, pages 9-10.
Les procédés exposés ci-dessus conviennent pour réaliser la découpe d'un matériau à mémoire de forme; de préférence le procédé choisi ne perturbe pas la structure microscopique du matériau, en tout cas pas au-delà de quelques μm (par exemple 5 μm ou 10 μm) par rapport à la zone ou à la trace de la découpe. Un moyen de contrôle de la structure du matériau est la microscopie électronique, qui permet de réaliser une observation à l'échelle du μm, donc qui permet d'observer si le matériau est perturbé, ou pas.The methods set out above are suitable for cutting a shape memory material; preferably the chosen method does not disturb the microscopic structure of the material, in any case not beyond a few μm (for example 5 μm or 10 μm) relative to the zone or to the trace of the cut. One means of controlling the structure of the material is electron microscopy, which makes it possible to observe on the μm scale, therefore which makes it possible to observe whether the material is disturbed or not.
EXEMPLEEXAMPLE
Un exemple de réalisation de préhenseur concerne un alliage NiTiCu. La présence du Cu donne une hystérèse plus petite, et une meilleure stabilité au cours du cyclage thermique. Dans cet alliage, la précipitation de Ni ne se produit pas. L'alliage se présente sous la forme d'une lame ayant une épaisseur d'environ 300 μm.An example of a gripper embodiment relates to a NiTiCu alloy. The presence of Cu gives a smaller hysteresis, and better stability during thermal cycling. In this alloy, precipitation of Ni does not occur. The alloy is in the form of a blade having a thickness of approximately 300 μm.
L'alliage a d'abord été recuit pendant 10 minutes à 450°C dans un four à atmosphère contrôlée d'argon, et trempé dans de l'eau à 20°C. Après trempe, l'alliage est dans l'état martensitique. Les températures de transformation telles que mesurées par calorimétrie différentielle sont les suivantes : MS=47°C, Mf=31°C, AS=51°C, Af=70°C.The alloy was first annealed for 10 minutes at 450 ° C in an argon controlled oven, and quenched in water at 20 ° C. After quenching, the alloy is in the martensitic state. Processing temperatures as measured by Differential calorimetry are as follows: M S = 47 ° C, M f = 31 ° C, A S = 51 ° C, A f = 70 ° C.
Par découpe de la feuille de NiTiCu par usinage laser, on peut ensuite obtenir un préhenseur ayant la forme voulue, par exemple la forme en anneau de la figure 1. La forme découpée est la forme mémorisée. Le préhenseur peut ensuite être déformé au moyen d'une aiguille conique, que l'on introduit par exemple dans l'anneau. L'augmentation du diamètre de l'anneau est telle que la déformation est de l'ordre de 1 à 5%. La déformation ne doit pas dépasser, de préférence, 8%, pour éviter une déformation irréversible de l'alliage. En chauffant ce dernier au moyen d'un élément à effet Peltier, la transformation martensite-austénite se produit, et l'alliage retrouve la forme qu'il avait avant déformation, c'est-à-dire la forme après découpe laser. Dans le cas où un objet est inséré dans l'anneau, l'effet mémoire de forme ne se produit que partiellement, jusqu'au moment où l'anneau de préhension rentre en contact avec l'objet. Ensuite, l'anneau génère une force dépendant de l'état de transformation de la matière lors du passage austénite- martensite. Au refroidissement, l'anneau ne s'ouvre en principe pas : la lentille reste coincée dans le préhenseur. Pour que l'anneau s'ouvre, on lui donne un effet mémoire double sens : une des manières d'obtenir cet effet double sens est d'éduquer le matériau. On peut le faire en ouvrant et en fermant l'anneau à une température supérieure à la température As, de façon répétée, par exemple environ une dizaine de fois. Ceci permet d'obtenir par la suite une ouverture spontanée de l'anneau lors du refroidissement. Un autre type de préhenseur, ou de dispositif de fixation, est illustré sur la figure 11. Les dispositifs illustrés sur les figures précédentes comportent des éléments de préhension travaillant essentiellement dans un seul plan. Le dispositif des figures 11 et suivantes comportent plusieurs éléments de préhension, chacun pouvant effectuer un mouvement dans un plan. Par exemple, le dispositif de la figure 11 comporte trois éléments de préhension 162, 164, 166, travaillant chacun dans un plan Pi, P2, P , les plans faisant entre eux des angles de 2π/3. L'ensemble est réalisé en un matériau à mémoire de forme, et est monobloc. Un support 160 supporte les trois doigts 162, 164, 166. Sur chacun de ces doigts, ou éléments de préhension, sont réalisées deux gorges, ou cous circulaires 162-1, 162-2, 164-1, 164-2, 166-1, 166-2 qui facilitent l'inclinaison ou la flexion de chaque doigt dans le plan correspondant.By cutting the NiTiCu sheet by laser machining, it is then possible to obtain a gripper having the desired shape, for example the ring shape of FIG. 1. The cut shape is the memorized shape. The gripper can then be deformed by means of a conical needle, which is introduced for example into the ring. The increase in the diameter of the ring is such that the deformation is of the order of 1 to 5%. The deformation should preferably not exceed 8%, to avoid irreversible deformation of the alloy. By heating the latter by means of a Peltier effect element, the martensite-austenite transformation occurs, and the alloy recovers the shape it had before deformation, that is to say the shape after laser cutting. If an object is inserted in the ring, the shape memory effect only partially occurs, until the moment when the grip ring comes into contact with the object. Then, the ring generates a force depending on the state of transformation of the material during the austenite-martensite passage. In cooling, the ring does not open in principle: the lens remains stuck in the gripper. In order for the ring to open, we give it a two-way memory effect: one of the ways to obtain this two-way effect is to educate the material. This can be done by opening and closing the ring at a temperature higher than the temperature A s , repeatedly, for example about ten times. This makes it possible subsequently to obtain spontaneous opening of the ring during cooling. Another type of gripper, or fixing device, is illustrated in FIG. 11. The devices illustrated in the preceding figures include gripping elements working essentially in a single plane. The device of FIGS. 11 et seq. Comprises several gripping elements, each of which can perform a movement in a plane. For example, the device in FIG. 11 comprises three gripping elements 162, 164, 166, each working in a plane Pi, P 2 , P, the planes making angles of 2π / 3 between them. The assembly is made of a shape memory material, and is in one piece. A support 160 supports the three fingers 162, 164, 166. On each of these fingers, or gripping elements, two grooves or circular necks 162-1, 162-2, 164-1, 164-2, 166 are produced. 1, 166-2 which facilitate the inclination or the bending of each finger in the corresponding plane.
Un trou, ou une ouverture, 168 peut être pratiqué (e) dans la base 160, ce trou ou cette ouverture permettant le passage d'un faisceau lumineux, ou d'un capteur, ou de moyens permettant de commander l'ouverture et/ou la fermeture du dispositif de préhension ou de fixation. De tels moyens peuvent être, comme déjà décrit ci-dessus, un élément Peltier, ou un faisceau laser, ou la circulation d'un courant (soit directement, dans le matériau à mémoire de forme, soit dans une ou plusieurs résistances montées ou collées sur le dispositif de préhension ou de fixation) . Par ailleurs une tel dispositif peut être utilisé en liaison avec un dispositif de contrôle du type de celui déjà décrit ci-dessus en liaison avec la figure 4. Le diamètre de la base 160 du préhenseur de la figure 11 peut être de l'ordre de quelques millimètres (par exemple : 2 mm) ou de l'ordre du millimètre ou inférieur à 1mm (par exemple : 500 μm) . L'épaisseur 12 de chaque élément de préhension peut être, dans la zone de la gorge 162-1, comprise entre par exemple 10 μm et 100 μm.A hole, or an opening, 168 can be made in the base 160, this hole or this opening allowing the passage of a light beam, or of a sensor, or of means making it possible to control the opening and / or closing the gripping or fixing device. Such means can be, as already described above, a Peltier element, or a laser beam, or the circulation of a current (either directly, in the shape memory material, or in one or more resistors mounted or glued on the gripping or fixing device). Furthermore, such a device can be used in conjunction with a control device of the type already described above in conjunction with FIG. 4. The diameter of the base 160 of the gripper of FIG. 11 can be of the order of a few millimeters (for example: 2 mm) or of the order of a millimeter or less than 1 mm (for example: 500 μm). The thickness 1 2 of each gripping element can be, in the region of the groove 162-1, between for example 10 μm and 100 μm.
L'usinage d'un tel dispositif peut se faire par technique d ' électro-érosion, en plusieurs passes. Cette technique a déjà été décrite ci-dessus. On part par exemple d'un barreau en un matériau à mémoire de forme, que l'on sectionne à la longueur voulue, puis dans lequel on dégage, par passes successives, les différents doigts ou éléments de préhension 162, 164, 166. Ensuite, par étapes successives, on réalise les gorges 162-1, .... 166-2.The machining of such a device can be done by electro-erosion technique, in several passes. This technique has already been described above. We start, for example, from a rod made of a shape memory material, which is cut to the desired length, then in which we release, by successive passes, the different fingers or gripping elements 162, 164, 166. Then , in successive stages, the grooves 162-1, .... 166-2 are produced.
La présence de deux gorges 162-1, 162-2 permet à chaque doigt d'être plié ou d'effectuer une flexion en deux endroits. Il est également possible de réaliser trois ou plusieurs gorges, ou une seule gorge, ou pas de gorge du tout, en fonction du degré de flexibilité requis .The presence of two grooves 162-1, 162-2 allows each finger to be bent or to flex in two places. It is also possible to make three or more grooves, or a single groove, or no groove at all, depending on the degree of flexibility required.
Un autre mode de réalisation est illustré sur les figures 12A et 12B. Il s'agit d'un préhenseur portant trois doigts 182, 184, 186, réalisé dans un plan, également en un matériau à mémoire de forme. Un dispositif de découpe, par exemple par laser, permet de dégager trois doigts 182, 184, 186 et une zone 180 qui sert de support. Il est également possible, comme illustré sur la figure 12A, de réaliser des évidements 182-1, 182-2,... 186-2, 187. Des zones 188, 190 permettent d'établir un contact électrique avec un dispositif d'alimentation. Un courant électrique, circulant dans les différents doigts, permet de chauffer ceux-ci par effet Joule et d'obtenir la flexion appropriée des éléments 182, 184, 186 en matériau à mémoire de forme. Les ouvertures 182-1, 182-2, .... 187 permettent de délimiter le passage du courant. Le dispositif peut toutefois également fonctionner sans ces ouvertures. Par ailleurs, lorsque les ouvertures sont réalisées, les épaisseurs latérales ei, e2 de chacun des doigts du préhenseur peuvent être égales ou différentes : la réalisation d'épaisseurs différentes a pour conséquence une transformation différente des parties droite et gauche de l'élément de préhension correspondant lorsque le courant circule. On peut également réaliser un chauffage par d'autres méthodes, par exemple par laser ou par induction ou par élément Peltier.Another embodiment is illustrated in Figures 12A and 12B. It is a gripper carrying three fingers 182, 184, 186, produced in a plane, also in a shape memory material. A cutting device, for example by laser, makes it possible to release three fingers 182, 184, 186 and an area 180 which serves as a support. It is also possible, as illustrated in FIG. 12A, to make recesses 182-1, 182-2, ... 186-2, 187. Zones 188, 190 make it possible to establish electrical contact with a device for food. An electric current, circulating in the different fingers, allows them to be heated by the Joule effect and to obtain the appropriate bending of the elements 182, 184, 186 in shape memory material. The openings 182-1, 182-2, .... 187 make it possible to limit the passage of the current. However, the device can also operate without these openings. Furthermore, when the openings are made, the lateral thicknesses ei, e 2 of each of the fingers of the gripper can be equal or different: the production of different thicknesses results in a different transformation of the right and left parts of the element of corresponding grip when the current flows. Heating can also be carried out by other methods, for example by laser or induction or by Peltier element.
Une fois réalisé sous une forme plane, le préhenseur peut être contraint, par exemple autour d'un tube ou d'un cylindre 192 de diamètre d (figure 12B) : dans ce cas, on choisit de réaliser le système initial, sous sa forme plane, avec une longueur Li (figure 12A) telle que Lι<π.d. Chaque doigt 182, 184, 186 peut ensuite travailler en flexion dans un plan. Dans les modes de réalisation illustrés sur la figure 12B, chacun des trois plans de flexion P'i, P'2, P'3 forme avec les deux autres un angle de 2π/3. Un tel système peut avantageusement être utilisé sur un endoscope ou un cathéter.Once produced in a planar form, the gripper can be constrained, for example around a tube or a cylinder 192 of diameter d (FIG. 12B): in this case, we choose to produce the initial system, in its form plane, with a length Li (FIG. 12A) such that Lι <π.d. Each finger 182, 184, 186 can then work in bending in a plane. In the embodiments illustrated in FIG. 12B, each of the three bending planes P'i, P ' 2 , P' 3 forms with the other two an angle of 2π / 3. Such a system can advantageously be used on an endoscope or a catheter.
Un dispositif de préhension ou de fixation tel qu'il vient d'être décrit peut être utilisé pour la mise en oeuvre d'un procédé de manutention d'un objet. Dans le domaine médical, les préhenseurs à mémoire de forme selon l'invention permettent, soit de fixer un implant (de type orthopédique, cardiaque, neurochirurgical ou concernant d'autres parties du corps humain) , soit de libérer un implant à un endroit précis du corps ("coil", "stent" ou autres), soit enfin de réaliser des micro-instruments chirurgicaux (ciseaux, pinces classiques ou à corps étranger ou à biopsie). On peut aussi, à l'aide du dispositif de fixation, réaliser des agrafes chirurgicales (pour des sutures) ou des "clips" (pinces ou pinces hémostatiques) . On peut utiliser un clip par exemple pour bloquer du sang dans une artère en la pinçant.A gripping or fixing device as just described can be used for the implementation of a method of handling an object. In the medical field, the shape memory grippers according to the invention make it possible either to fix an implant (of orthopedic, cardiac, neurosurgical type or relating to other parts of the human body), or to release an implant at a precise location of the body ("coil", "stent" or others), or finally to make surgical micro-instruments (scissors, conventional forceps or foreign body or biopsy). It is also possible, using the fixing device, to make surgical staples (for sutures) or "clips" (forceps or hemostatic forceps). We can use a clip for example to block blood in an artery by pinching it.
Les préhenseurs sont reproductibles, et par ailleurs de très petites tailles (inférieures à 0,5 mm ou à 0,7 mm). On peut donc réaliser des instruments médicaux ou chirurgicaux ayant les mêmes caractéristiques, notamment de taille, ce qui est impossible à obtenir par la technique micromécanique classique (mettant en oeuvre des micro-charnières) .The grippers are reproducible, and also very small (less than 0.5 mm or 0.7 mm). It is therefore possible to produce medical or surgical instruments having the same characteristics, in particular of size, which is impossible to obtain by the conventional micromechanical technique (using micro-hinges).
Un premier exemple d'application dans le domaine médical est illustré sur les figures 13A et 13C. Sur la figure 13A, un micro-préhenseur 202, du type des préhenseurs à mémoire de forme selon l'invention, déjà décrit ci-dessus, est introduit dans un cathéter 200. Le micro-préhenseur 202 peut saisir et maintenir un ressort 204. L'ensemble peut être par exemple mis en place à l'intérieur d'une artère. Le micro-préhenseur 202 est fixé à un guide métallique 203.A first example of application in the medical field is illustrated in FIGS. 13A and 13C. In FIG. 13A, a micro-gripper 202, of the type of shape memory grippers according to the invention, already described above, is introduced into a catheter 200. The micro-gripper 202 can grasp and hold a spring 204. The assembly can for example be placed inside an artery. The micro-gripper 202 is fixed to a metal guide 203.
Une fois le système mis en place, et le ressort 204 positionné à l'endroit voulu dans l'artère, ce dernier est libéré par l'ouverture du micro-préhenseur 202.Once the system is in place, and the spring 204 positioned at the desired location in the artery, this the latter is released by the opening of the micro-gripper 202.
La figure 14 représente une autre application, à des pinces à biopsie, qui permettent de prélever du tissu afin de l'analyser. Ces pinces sont composées de deux cupules 206 qui bougent à l'extrémité d'un tube 207. Conformément à l'invention, on peut réaliser une pince à l'aide d'un dispositif de préhension à mémoire de forme. On peut ainsi réaliser une pince à biopsie de petite taille.Figure 14 shows another application, to biopsy forceps, which allow to take tissue in order to analyze it. These clamps are composed of two cups 206 which move at the end of a tube 207. According to the invention, a clamp can be produced using a shape memory gripping device. It is thus possible to carry out a small biopsy forceps.
La figure 15 illustre une autre application de l'invention, dans le domaine médical. Un micro- préhenseur 212, conforme à l'invention, permet d'amener un dilatateur, ou "stent" 214 (ou un "coil", figures 13A, 13B, 13C) en un endroit voulu, par exemple à l'intérieur d'une artère ou de l'uretère. Le dilatateur 214 permet d'exercer une force mécanique s ' opposant à la contraction de la paroi 210 du conduit de l'artère ou de l'uretère. Une fois le dilatateur mis en place, le préhenseur 212 est actionné en ouverture, et est extrait du conduit dans lequel il est introduit. Cette technique peut être utilisée par exemple après dilatation d'une artère stenosée par une plaque d'athérome. Ainsi, un micro-préhenseur selon l'invention permet de réaliser des "stent" de très petites dimensions.FIG. 15 illustrates another application of the invention, in the medical field. A micro-gripper 212, according to the invention, makes it possible to bring a dilator, or "stent" 214 (or a "coil", FIGS. 13A, 13B, 13C) to a desired location, for example inside a 'an artery or ureter. The dilator 214 makes it possible to exert a mechanical force opposing the contraction of the wall 210 of the duct of the artery or of the ureter. Once the dilator is in place, the gripper 212 is actuated to open, and is extracted from the conduit into which it is introduced. This technique can be used for example after dilation of a stenosated artery by an atheroma plaque. Thus, a micro-gripper according to the invention makes it possible to produce "stents" of very small dimensions.
Dans les exemples donnés ci-dessus, le préhenseur peut être commandé par chauffage laser (par l'intermédiaire d'une fibre optique) ou par circulation d'un courant. Un autre exemple d'application d'un dispositif selon l'invention concerne le domaine de la réalisation de connexions ou de connecteurs, par exemple électriques ou optiques. Un exemple de réalisation d'un connecteur est illustré sur la figure 16. Le connecteur présente une partie mâle 216, qui peut être par exemple une fibre optique ou la partie mâle métallique d'un connecteur électrique. La partie femelle 218 comporte deux lèvres 220, 222, qui sont en fait les éléments de préhension d'un dispositif de préhension ou de fixation selon l'invention, tel que déjà décrit ci-dessus. La partie femelle est commandée à l'ouverture et/ou à la fermeture par l'un des moyens déjà décrits ci-dessus. La partie mâle 216 est introduite dans la partie femelle 218, les éléments de préhension 220, 222 sont actionnés à la fermeture et viennent donc assurer le contact entre la partie mâle et la partie femelle. Le préhenseur ou le dispositif de fixation formant la partie femelle peut être lui-même relié à d'autres éléments métalliques ou optiques. In the examples given above, the gripper can be controlled by laser heating (via an optical fiber) or by the circulation of a current. Another example of application of a device according to the invention relates to the field of making connections or connectors, for example electrical or optical. An exemplary embodiment of a connector is illustrated in FIG. 16. The connector has a male part 216, which can for example be an optical fiber or the metallic male part of an electrical connector. The female part 218 comprises two lips 220, 222, which are in fact the gripping elements of a gripping or fixing device according to the invention, as already described above. The female part is controlled to open and / or close by one of the means already described above. The male part 216 is introduced into the female part 218, the gripping elements 220, 222 are actuated on closing and therefore provide contact between the male part and the female part. The gripper or the fixing device forming the female part can itself be connected to other metallic or optical elements.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de préhension ou de fixation (2, 22) comportant un premier et un second éléments (4, 6, 102, 104) de préhension pouvant subir un mouvement relatif l'un par rapport à l'autre, l'ensemble des premier et second éléments étant réalisé en un matériau monobloc à mémoire de forme.1. Gripping or fixing device (2, 22) comprising first and second gripping elements (4, 6, 102, 104) capable of undergoing a relative movement relative to each other, all of the first and second elements being made of a one-piece material with shape memory.
2. Dispositif de préhension ou de fixation selon la revendication 1, l'amplitude du mouvement relatif des deux éléments étant au plus égale à 10 mm.2. Gripping or fixing device according to claim 1, the amplitude of the relative movement of the two elements being at most equal to 10 mm.
3. Dispositif de préhension ou de fixation selon l'une des revendications 1 ou 2, obtenu par découpe dans le plan d'une lame (120) de matériau à mémoire de forme, le mouvement relatif ayant lieu dans ce plan. . Dispositif de préhension ou de fixation selon l'une des revendications 1 à 3, comportant en outre des moyens (8, 10) de manipulation de l'ensemble des premier et second éléments. 5. Dispositif de préhension ou de fixation selon la revendication 4, les moyens de manipulation de l'ensemble des premier et second éléments constituant avec ceux-ci un ensemble monobloc.3. Gripping or fixing device according to one of claims 1 or 2, obtained by cutting in the plane of a blade (120) of shape memory material, the relative movement taking place in this plane. . Gripping or fixing device according to one of claims 1 to 3, further comprising means (8, 10) for handling all of the first and second elements. 5. Gripping or fixing device according to claim 4, the means for handling the assembly of the first and second elements constituting with them a one-piece assembly.
6. Dispositif de préhension ou de fixation selon la revendication 4 ou 5, les moyens de manipulation étant reliés à des moyens (15, 17, 20) de contrôle de la température des premier et second éléments du dispositif de préhension.6. gripping or fixing device according to claim 4 or 5, the handling means being connected to means (15, 17, 20) for controlling the temperature of the first and second elements of the gripping device.
7. Dispositif selon la revendication 6, les moyens (15, 17, 20) de contrôle de la température comportant un élément à effet Peltier, ou un laser ou des moyens pour induire un courant dans le matériau à mémoire de forme ou des moyens (15, 17) pour faire circuler un courant dans le matériau à mémoire de forme .7. Device according to claim 6, the means (15, 17, 20) for controlling the temperature comprising a Peltier element, or a laser or means for inducing a current in the shape memory material or means ( 15, 17) to do flow a current through the shape memory material.
8. Dispositif selon la revendication 6 ou 7 comportant en outre des moyens de commande (26) des moyens de contrôle (15, 17, 20) de la température des premier et second éléments et des moyens (30, 32, 36) de contrôle visuel de la position relative des premier et second éléments du dispositif de préhension.8. Device according to claim 6 or 7 further comprising control means (26) control means (15, 17, 20) of the temperature of the first and second elements and control means (30, 32, 36) visual of the relative position of the first and second elements of the gripping device.
9. Dispositif de préhension ou de fixation selon l'une des revendications précédentes, l'amplitude du mouvement relatif des premier et second éléments l'un par rapport à l'autre étant inférieure à 500 μm.9. Gripping or fixing device according to one of the preceding claims, the amplitude of the relative movement of the first and second elements relative to each other being less than 500 microns.
10. Dispositif de préhension ou de fixation selon l'une des revendications précédentes, l'amplitude du mouvement relatif des premier et second éléments l'un par rapport à l'autre étant inférieure à 100 μm.10. Gripping or fixing device according to one of the preceding claims, the amplitude of the relative movement of the first and second elements relative to each other being less than 100 microns.
11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 11, le matériau étant à effet mémoire double sens ou ayant subi un processus d'éducation permettant d'obtenir l'effet mémoire double sens.11. Device according to one of claims 1 to 11, the material being with a double sense memory effect or having undergone an education process making it possible to obtain the double sense memory effect.
12. Dispositif de préhension ou de fixation (158, 178) comportant au moins trois éléments de préhension (162, 164, 166, 182, 184, 186) pouvant chacun subir un mouvement de flexion dans un plan, l'ensemble des éléments de préhension étant réalisé de manière monobloc, en un matériau à mémoire de forme.12. Gripping or fixing device (158, 178) comprising at least three gripping elements (162, 164, 166, 182, 184, 186) each capable of undergoing a movement of bending in a plane, all the elements of gripping being made in a single piece, in a shape memory material.
13. Dispositif selon la revendication 12, comportant en outre un élément (160, 180) de support des éléments de préhension. 14. Dispositif selon la revendication 12 ou 13, les éléments de préhension ayant la forme d'un doigt. 13. Device according to claim 12, further comprising an element (160, 180) for supporting the gripping elements. 14. Device according to claim 12 or 13, the gripping elements having the shape of a finger.
15. Dispositif selon la revendication 14, un ou plusieurs doigt (s) étant muni (s) d'un ou plusieurs évidement (s) de flexion (162-1, ..., 166-2) .15. Device according to claim 14, one or more finger (s) being provided (s) with one or more recess (s) of bending (162-1, ..., 166-2).
16. Dispositif selon l'une des revendications 12 à 14, obtenu par découpe dans le plan d'une lame de matériau à mémoire de forme, puis par contrainte du plan.16. Device according to one of claims 12 to 14, obtained by cutting in the plane of a blade of shape memory material, then by stressing the plane.
17. Dispositif selon l'une des revendications 12 à 14, comportant en outre des moyens de contrôle de la température des éléments de préhension.17. Device according to one of claims 12 to 14, further comprising means for controlling the temperature of the gripping elements.
18. Dispositif selon la revendication 17, les moyens de contrôle de la température comportant un élément à effet Peltier, ou un laser ou des moyens pour induire un courant dans le matériau à mémoire de forme ou des moyens (188, 190) pour faire circuler un courant dans le matériau à mémoire de forme.18. Device according to claim 17, the temperature control means comprising a Peltier element, or a laser or means for inducing a current in the shape memory material or means (188, 190) for circulating a current in the shape memory material.
19. Dispositif selon la revendication 18, comportant en outre des moyens de contrôle de la température des éléments de préhension. 20. Dispositif selon la revendication 19, comportant en outre des moyens de contrôle visuel des éléments de préhension.19. Device according to claim 18, further comprising means for controlling the temperature of the gripping elements. 20. Device according to claim 19, further comprising means for visual control of the gripping elements.
21. Dispositif de manipulation comportant un dispositif de préhension ou de fixation (202) selon l'une des revendications 1 à 20 et un cathéter (200) dans lequel il peut être introduit.21. A handling device comprising a gripping or fixing device (202) according to one of claims 1 to 20 and a catheter (200) into which it can be inserted.
22. Dispositif de pinces à biopsie (206) comportant un dispositif de préhension selon l'une des revendications 1 à 20. 23. Agrafe ou pince, en particulier chirurgicale, comportant un dispositif selon l'une des revendications 1 à 20. 22. Biopsy forceps device (206) comprising a gripping device according to one of claims 1 to 20. 23. Clip or clamp, in particular surgical, comprising a device according to one of claims 1 to 20.
24. Dispositif de connexion (218) comportant une partie mâle (216) et une partie femelle (218), cette dernière comportant un dispositif selon l'une des revendications 1 à 20. 25. Procédé de préparation d'un élément en un matériau à mémoire de forme comportant les étapes suivantes : a) recuit d'un substrat (120) du matériau à mémoire de forme, puis b) découpe de l'élément (125, 127, 129) dans le substrat .24. Connection device (218) comprising a male part (216) and a female part (218), the latter comprising a device according to one of claims 1 to 20. 25. Method for preparing an element made of a material shape memory comprising the following steps: a) annealing a shape memory material from a substrate (120), then b) cutting the element (125, 127, 129) in the substrate.
26. Procédé selon la revendication 25, la découpe étant réalisée de manière à ne pas perturber la structure microscopique du matériau du substrat obtenu après recuit.26. The method of claim 25, the cutting being carried out so as not to disturb the microscopic structure of the material of the substrate obtained after annealing.
27. Procédé selon la revendication 25 ou 26, la découpe étant réalisée de manière à ne pas perturber la structure microscopique du matériau du substrat sur plus de 5 μm au-delà de la découpe. 28. Procédé selon l'une des revendications 25 à27. The method of claim 25 or 26, the cutting being carried out so as not to disturb the microscopic structure of the substrate material on more than 5 microns beyond the cutting. 28. Method according to one of claims 25 to
27, la découpe de l'élément dans le substrat étant réalisée par laser.27, the cutting of the element in the substrate being carried out by laser.
29. Procédé selon l'une des revendications 23 à 27, la découpe de l'élément dans le substrat étant réalisée par électroérosion.29. Method according to one of claims 23 to 27, the cutting of the element in the substrate being carried out by electroerosion.
30. Procédé selon l'une des revendications 23 à 27, la découpe de l'élément dans le substrat étant réalisé par jet d'eau.30. Method according to one of claims 23 to 27, the cutting of the element in the substrate being carried out by water jet.
31. Procédé de manutention d'un objet comportant la saisie et le transport de l'objet à l'aide d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 20. 31. A method of handling an object comprising gripping and transporting the object using a device according to one of claims 1 to 20.
32. Procédé selon la revendication 31, l'objet étant une (24, 60) microlentille ou une fibre optique.32. The method of claim 31, the object being a (24, 60) microlens or an optical fiber.
33. Procédé de réalisation d'un assemblage d'une fibre multicoeur (52), ou d'une multifibre, avec une lentille (60), comportant :33. Method for producing an assembly of a multicore fiber (52), or of a multifiber, with a lens (60), comprising:
- le déplacement et le positionnement de la lentille face à une extrémité de la fibre, conformément au procédé selon la revendication 32,the displacement and positioning of the lens facing an end of the fiber, in accordance with the method according to claim 32,
- la fixation de la lentille sur l'extrémité de la fibre.- the fixing of the lens on the end of the fiber.
34. Procédé selon la revendication 31, l'objet étant un dispositif pour l'obstruction d'une artère.34. The method of claim 31, the object being a device for obstructing an artery.
35. Procédé selon la revendication 34, le dispositif étant un ressort "coil" (204). 36. Procédé de prélèvement d'un tissu comportant :35. The method of claim 34, the device being a coil spring (204). 36. Process for removing tissue comprising:
- une étape d'introduction d'un dispositif de préhension selon l'une des revendications 1 à 20, à l'endroit où ce tissu doit être prélevé, - une étape de prélèvement du tissu à l'aide de ce dispositif de préhension.- a step of introducing a gripping device according to one of claims 1 to 20, at the place where this tissue is to be removed, - a step of removing the tissue using this gripping device.
37. Procédé de dilatation d'un conduit (210) comportant :37. A method of expanding a conduit (210) comprising:
- une étape d'introduction et de positionnement d'un dilatateur (214) à l'endroit où le conduit doit être dilaté, à l'aide d'un dispositif de préhension selon l'une des revendications 1 à 20,a step of introducing and positioning a dilator (214) at the place where the duct is to be expanded, using a gripping device according to one of claims 1 to 20,
- une étape d'ouverture du dispositif de préhension après positionnement du dilatateur (214). - A step of opening the gripping device after positioning the dilator (214).
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