Brevet FR2479632A1 — publié le 19811002

L'invention concerne une commande à transducteurs piézoélectriques à compensation thermique, et plus particu- lièrement un transducteur piézoélectrique qui commande le mécanisme de tremblement d'un gyroscope à laser en anneau comprenant un circuit de réaction à compensation thermique afin de déterminer l'amplitude du déplacement provoqué par la commande à transducteurs piézoélectriques. Le principe de fonctionnement d'un gyroscope à laser en anneau est que deux ondes lumineuses, circulant en sens opposés dans le même circuit fermé, subissent des déphasages non réciproques lorsque le circuit est mis en rotation. Etant donné que le circuit est une cavité résonante à laser, les déphasages produisent des différences de fréquences optiques entre les deux ondes. Les deux fréquences sont appliquées à un photodétecteur commun à hétérodyne, ce qui fait apparaître une fréquence de battement directement proportionnelle à la vitesse de rotation angulaire. Lorsque la vitesse de rotation angulaire d'un laser en anneau simple et non polarisé est réduite à une certaine valeur minimale, la séparation de fréquence entre le mode dans le sens des aiguilles d'une montre et le mode de sens opposé des ondes lumineuses de sens opposés diminue, de sorte que les oscillations séparées ne sont plus entretenues. Les modes des ondes lumineuses de sens opposés dégénèrent et se bloquent sur la même fréquence. Cette dégénération est provoquée par le rayonnement de rétrodiffusion qui apparaît lorsque les ondes lumineuses sont réfléchies par les divers miroirs situés dans le circuit fermé formant le gyroscope à laser en anneau. Dans des formes de réalisation de l'art antérieur, un procédé pour éliminer le blocage de modes aux vitesses de rotation angulaire inférieures consiste à produire un tremblement mécanique. Une telle forme de réalisation est décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 4 115 004. Le dispositif décrit dans le brevet précité peut être commandé par un moteur dynamométrique, comme décrit dans le brevet précité, ou bien par une commande à transducteur piézoélectrique. Lorsqu'une commande piézoélectrique est utilisée, les cristaux piézoélectriques formant le 1. transducteur tendent à produire un déplacement ou une déviation qui varie en fonction de la tension qui leur est appliquée. Cette variation est provoquée principalement par des différences apparaissant dans chaque cristal en cours de fabrication. Une seconde cause est que le déplacement d'un cristal piézoélectrique n'est pas linéaire par rapport à la température. Dans des circuits de l'art antérieur, il est connu d'utiliser une matière semi-conductrice qui réagit à la température apparaissant dans le circuit afin de compenser les effets de la température sur une autre matière semi-conductrice utilisée également dans le circuit comme décrit, par exemple, dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 2 951 208. Ce concept est à l'origine-de l'invention qui utilise, en outre, un circuit de réaction comprenant des éléments électriques montés de manière à rattraper les effets de la température sur un dispositif électromécanique de commande tout en réglant la tension appliquée à ce dispositif. L'utilisation de transducteurs piézoélectriques pour commander le mécanisme de tremblement d'un gyroscope à laser en anneau est connue dans l'art antérieur. Comme décrit précédemment, il est nécessaire de faire trembler un gyroscope à laser en anneau afin d'empêcher le blocage de modes des ondes lumineuses de sens opposés. Ce blocage apparaît lorsque la vitesse de déplacement angulaire du gyroscope à laser en anneau approche d'une valeur minimale et que, par suite de la rétrodiffusion, les ondes lumineuses tournant dans le sens des aiguilles d'une montre et en sens opposé semblent avoir la même fréquence et se bloquent donc sur cette fréquence, ce qui rend inutilisable le signal de sortie du gyroscope à laser en anneau. Pour remédier à ce défaut, le laser en anneau peut être monté sur un mécanisme de tremblement constitué de plusieurs éléments de flexion à ressort. Un exemple d'un tel mécanisme de tremblement est décrit dans le brevet n0 4 115 004 précité. Le mécanisme de tremblement peut être commandé par l'application d'une tension à des cristaux piézoélectriques montés sur les surfaces des éléments à ressort. 2. 3. Bien que des cristaux piézoélectriques puissent être utilisés pour commander un mécanisme de tremblement, ils peuvent également être utilisés comme éléments de réaction. Lorsqu'un gyroscope à laser en anneau typique est soumis à des conditions de température extrêmes, par exemple de -55 à +550C, il est souhaitable d'utiliser des cristaux insensibles à ces variations. Cependant, les cristaux piézoélectriques ont un comportement imprévisible et non linéaire lorsque la température change. En outre, la technique de fabrication de ces cristaux n'est pas suffisamment maîtrisée pour que les cristaux puissent produire des signaux de sortie prévisibles d'une série de cristaux à une autre. En conséquence, l'utilisation de cristaux piézoélectriques pour des fonctions de commande ou de réaction fait apparaître inévitablement des manques de linéarité en fonction de la température, tandis que l'utilisation de cristaux piézoélectriques pour ces deux fonctions complique le problème. L'invention permet de résoudre ce problème par l'utilisation de cristaux piézoélectriques uniquement pour la commande d'un mécanisme de tremblement dans un gyroscope à laser en anneau. Les éléments de réaction, qui peuvent être réalisés en matière piézoélectrique, sont remplacés par des éléments résistifs réalisés en matières dont le comportement face aux variations de température est prévisible et linéaire. Il est reconnu que le métal formant les éléments de flexion à ressort du mécanisme de tremblement se déplace de façon linéaire sur une large plage de températures. En liant un élément résistif à un élément à ressort, il est possible d'obtenir un signal de réaction qui soit linéaire sur la plage de températures indiquée. Ensuite, un second élément résistif, sensible à la température, peut être utilisé pour produire une compensation sur la plage de températures souhaitée. En combinant les deux éléments résistifs dans une boucle de contre-réaction, il est possible d'obtenir un signal de réaction linéaire et constant par rapport aux variations de température sur une large plage de températures. Un circuit *de commande de puissance est monté de manière à commander le transducteur piézoélectrique et comporte 4. 2479632 une boucle de réaction comprenant la combinaison de l'élément résistif et de l'élément résistif sensible à la température. Ces éléments sont connectés à un circuit à amplificateur et comparateur compris dans la boucle de réaction et caracté- risant le signal de réaction appliqué à un amplificateur de puissance. Grâce à ce montage, une tension, détectée par le circuit de réaction, est appliquée aux éléments de commande piézoélectriques non linéaires. Le signal de sortie du circuit de réaction est caractérisé de manière à être linéaire et constant sur une grande plage de températures, par l'inter- médiaire de la combinaison des éléments résistifs. Lorsque la flexion des éléments à ressort, commandés par l'élément piézoélectrique, atteint une valeur prédéterminée, détectée par le premier élément résistif, l'amplificateur-comparateur du circuit de réaction compare le signal à un signal de courant continu et applique un signal de correction à la sortie d'un amplificateur de puissance afin de régler l'amplitude du déplacement provoqué par les éléments de commande piézoélectriques. Le premier élément résistif et le second élément résistif, sensible à la température, sont montés dans un circuit en pont, afin de produire un signal constant de réaction par rapport aux variations de températures. L'invention a donc pour objet une commande perfectionnée à transducteurs piézoélectriques, destinée à un gyroscope à laser en anneau, et présentant une réponse linéaire et constante sur une grande plage de températures. L'invention concerne également un dispositif de tremblement mécanique comportant une commande à transducteurs piézoélectriques qui règle de manière linéaire l'amplitude du déplacement du système. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective éclatée d'un gyroscope à laser en anneau comprenant un dispositif de tremblement mécanique commandé par des transducteurs piézoélectriques selon l'invention; 5. 2479632 - la figure 2 est une vue partielle en plan d'un élément de flexion à ressort sur lequel sont montés un élément piézoélectrique, un premier élément résistif et un second élément résistif sensible à la température; - la figure 3 est un graphique montrant des courbes de signaux typiques de sortie d'un élément piézoélectrique, d'un élément résistif et d'un élément résistif sensible à la température; et - la figure 4 est un schéma d'un circuit de commande de puissance destiné à la commande du transducteur piézo- électrique. La figure 1 représente un mécanisme de tremblement utilisant un système à trois ressorts qui est décrit plus en détail dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 111 154, déposée le 11 janvier 1980 sous le titre "Improved Laser Gyro Dither Mechanism" par Fred McNair et Thomas M. Wirt. Ce système à trois ressorts, montré sur la figure 1 et auquel l'invention est appliquée est utilisé pour faire trembler un gyroscope 10 à laser en anneau. Un système à deux ressorts, dans lequel l'invention peut également être utilisée, est décrit dans le brevet n0 4 115 004 précité. Il est peu important, pour la description de la forme préférée de réalisation de l'invention, que, le mécanisme de tremblement utilise un seul jeu de ressorts, un système double de ressorts ou trois systèmes ou plus de ressorts. Comme montré sur la figure 1, le gyroscope 10 à laser en anneau est monté dans un boîtier 12 au moyen d'un premier système 14 de ressorts. Le boîtier 12 est également fixé à un contrepoids 16 par un deuxième système 18 de ressorts, tandis que le contrepoids 16 est lui-même relié au gyroscope 10 par un troisième système 20 de ressorts. Le boîtier 12 comporte une base rectangulaire et plane 22 de laquelle s'élèvent des parois latérales 24 qui forment une cavité fermée hermétiquement par un couvercle rectangulaire (non représenté). La base rectangulaire 22 présente une ouverture 32 entourée d'une collerette 34 de montage de forme torique. Une première plaque 36 de flexion, comprenant les premier et deuxième systèmes 14 et 18 de ressorts, respectivement, est montée sur la collerette 34. 6. La plaque 36 de flexion comprend une première bague torique médiane 38 de montage qui est disposée coaxialement à la collerette 34 et qui est fixée à cette dernière par plusieurs vis 40, de manière que la bague médiane 38 soit solidarisée au boîtier 12. Le premier système 14 de ressorts comprend quatre éléments 42, 44, 46 et 48 de flexion à ressorts, orientés radialement vers l'intérieur et reliant la première bague torique médiane 38 à un moyeu intérieur 50 de montage qui est fixé au gyroscope 10. La première bague torique médiane est également reliée à une bague torique extérieure 51 par le deuxième système 18 de ressorts constitué de quatre éléments 52, 54, 56 et 58 à ressorts qui rayonnent de la première bague torique 38 vers l'extérieur, en direction de la bague torique extérieure segmentée 51. Cette bague extérieure 51 fait partie du contrepoids 16, comme décrit ci- après. Une seconde plaque 60 de flexion, montée sur la première plaque 36 de flexion, comporte une bague torique extérieure 61 qui est coaxiale à la bague torique extérieure 51 de la première plaque de flexion. La bague torique extérieure 61 est reliée par le troisième système 20 de ressorts, constitué d'éléments 62, 64, 66 et 68 de flexion à ressorts, orientés radialement vers l'intérieur, à un moyeu intérieur 70 qui est disposé coaxialement au moyeu intérieur 50 de la première plaque 36 de flexion. La bague torique extérieure 61 de la seconde plaque 60 de flexion forme la seconde masse du contrepoids 16. Cette bague 61 est reliée à la bague torique extérieure 51 par plusieurs vis 63. Les plaques 36 et 60 de flexion présentent des ouvertures centrales 74 et 75, respectivement, dans lesquelles passe un goujon 76 qui fait saillie de la surface inférieure d'un plateau 78 de montage du gyroscope. L'extrémité extérieure du goujon 76 est filetée de manière à recevoir un écrou hexagonal 80 qui, en association avec- les vis 63 et 72, solidarise les première et seconde plaques 36 et de flexion en un ensemble en suspension. Le gyroscope 10, monté sur le plateau 78 de montage, par exemple au moyen de vis 82, peut comporter un - 2479632 7. corps 84 qui présente quatre canaux pression atmosphérique étant d'environ 100 000 Pa. La figure 2 montre en plan un élément typique de flexion à ressort, par exemple l'élément 58. Un élément 86 à cristal piézoélectrique est fixé sur une surface latérale plane et large de l'âme flexible mince constituant l'élément 58 à ressort. Il est évident que l'élément piézoélectrique 86 peut être fixé par la mise en oeuvre de l'une quelconque des techniques bien connues de liaison et que des fils conducteurs (non représentés) partent de cet élément. Un élément résistif 88, par exemple une jauge de contrainte, est fixé, par exemple par liaison, sur la face opposée de l'élément 58 à ressort. De même que précédemment, les fils conducteurs ne sont pas représentés. Dans la forme préférée de réalisation, la jauge de contrainte est une jauge de contrainte linéaire positive. Enfin, un élément résistif 90 sensible à la température est fixé à la bague torique médiane 38. L'élément sensible à la température peut être une thermistance à coefficient de température négatif, positif ou nul, qui est fixée par liaison, ou bien une seconde jauge de contrainte. Dans la forme préférée de réalisation, l'élément sensible à la température est une jauge de contrainte linéaire positive réalisée dans la même matière que l'élément résistif 88. La commande à transducteur piézoélectrique comprenant l'élément piézoélectrique 86, l'élément résistif 88 et le second élément résistif 90 peut être fixée au premier système 14 de ressorts ou au second système 18 de ressorts. Il est évident que le système particulier de ressorts sur lequel la commande à transducteur est montée n'a que peu d'importance. Cependant, il convient de noter que chacun des ressorts 52, 54, 56 et 58 de flexion, par exemple, demande un élément de commande piézoélectrique, alors qu'un seul ressort tel que le ressort 54 montré sur la figure 1, demande un élément résistif 88. En outre, un seul élément 90 sensible à 8. 2479632 la température est nécessaire, car chaque âme doit être commandée par un élément 86 de commande alors qu'un seul élément 88 de réaction est nécessaire. En fait, si l'on utilise quatre éléments de réaction, il risque d'apparaître une anomalie pouvant nuire au dispositif de commande. Bien que l'élément résistif 90 sensible à la température puisse être monté n'importe o, il est souhaitable de le monter sur le bâti principal ou, dans la forme de réalisation représentée, sur la bague torique 38 qui est reliée au boîtier 12. Grâce à cette disposition, l'élément résistif sensible à la température n'est pas soumis aux contraintes provoquées par l'entraînement des éléments de flexion à ressorts. La figure 3 montre que le déplacement de l'élément piézoélectrique 86, indiqué en 0, ne suit pas une courbe rectiligne par rapport à la température T, indiquée en abscisses. Dans la forme préférée de réalisation, la résistance de sortie de l'élément résistif 88, à savoir la résistance R1, a tendance à croître avec la température, alors que la résistance de sortie R2 de l'élément 90 sensible à la température tend également à croître avec la température. Le rapport de ces deux signaux est donc constant et constitue une fonction linéaire par rapport à la température, comme indiqué en R1/R. La figure 4 est un schéma d'un circuit typique dans lequel la commande à transducteur piézoélectrique selon l'invention peut être utilisée. Un signal de commande, se présentant sous la forme d'un signal de courant alternatif, est produit par un générateur 92 d'ondes sinusoïdales et est appliqué à un circuit modulateur 94 dont la sortie est reliée à l'entrée positive d'un amplificateur 96 de puissance comportant une seconde entrée négative reliée à la masse et dont la sortie est reliée à une première borne de chaque transducteur piézoélectrique 86. Comme montré sur la figure 4, tout nombre "N" de transducteurs peut être utilisé pour la commande du mécanisme de tremblement, suivant le nombre de ressorts compris dans le système souhaité. L'élément résistif 88 placé sur la face opposée de l'âme 58 est relié au transducteur piézoélectrique 86 par une liaison mécanique 9. formée par l'âme, comme représenté par le trait pointillé 58'. Alors qu'une borne de l'élément résistif 8.8 est reliée à la masse, sa seconde borne est reliée à l'entrée positive d'un amplificateur 98 asservi à la température. L'entrée positive est également reliée par le second élément résistif 90, sensible à la température, à une source de potentiel de référence 100. Le potentiel de référence 100 est appliqué par l'intermédiaire d'une résistance 102 à l'entrée négative de l'amplificateur 98. L'entrée négative est elle-même reliée par l'intermédiaire d'une résistance 104 à la sortie de l'amplificateur 98 qui est connectée par une résistance 106 à l'entrée négative d'un amplificateur 108 d'amplitude. L'entrée positive de cet amplificateur 108 est reliée à la masse afin de compléter le circuit d'entrée en pont qui comprend l'élément résistif 88, l'élément 90 sensible à la température et les résistances 102, 104 et 106. Une résistance de réaction est montée entre l'entrée négative de l'amplificateur 108 d'amplitude et sa sortie qui, elle-même, est reliée par un élément résistif 112 à la source d'un commutateur 114 constitué d'un transistor à effet de champ. Le drain de ce commutateur est relié à l'entrée négative d'un amplificateur 116 qui est conçu de manière à se comporter comme un convertisseur alternatif/continu. L'entrée positive de l'amplificateur 116 est reliée à la masse et sa sortie est reliée par un condensateur 118 de réaction au drain du commutateur 114 à transistor à effet de champ, alors qu'une résistance 120 de réaction relie la sortie de l'amplificateur 116 à la source du commutateur 114. La sortie de l'amplificateur 116 est également reliée à l'entrée positive d'un amplificateur-comparateur 122 dont l'entrée négative est reliée au curseur d'un potentiomètre 124. Les bornes fixes du potentiomètre 124 sont connectées à une source de courant continu 126. La sortie du comparateur 122 est reliée au modulateur 94 afin de compléter la boucle de contre-réaction. La sortie du générateur 92 d'ondes sinusoïdales est reliée à un générateur 128 d'ondes carrées, puis à la grille du commutateur 114 à transistor à effet de champ, afin de compléter le circuit. Lors de l'utilisation, le signal de courant continu provenant du comparateur 122 est modulé par le signal de courant alternatif provenant du générateur 92 d'ondes sinusoïdales dans le modulateur 94. Le signal modulé est appliqué à l'amplificateur 96 de puissance, puis aux cristaux des transducteurs piézoélectriques 86. La tension aux bornes des cristaux 86 provoque une flexion du ressort 58 qui est détectée par la jauge de contrainte 88 afin de faire varier la tension appliquée à l'amplificateur 98 asservi à la température. Il apparaît que les résistances 102 et 104 sont montées en pont avec les éléments résistifs 88 et 90. Dans le cas d'une flexion nulle de l'élément résistif 88, le potentiel appliqué à l'entrée positive de l'amplificateur 98 reste constant. Lorsque la température varie, l'effet de cette température sur l'élément résistif 88 est contrebalancé par l'effet de la même température sur l'élément 90 sensible à la température. Comme montré sur la figure 3, le rapport des deux résistances reste constant, de sorte que le potentiel appliqué à l'entrée positive de l'amplificateur 98 n'est pas modifié par la température. Le signal de sortie de l'amplificateur asservi à la température est transmis par l'amplificateur 108 d'amplitude et appliqué à la source du commutateur 114 à transistor à effet de champ. Ce commutateur est commandé à la même fréquence que le modulateur 94 par l'intermédiaire du générateur 128 d'ondes carrées, afin d'appliquer un signal au convertisseur alternatif/continu 116. Ce signal est ensuite appliqué au comparateur 122 dans lequel il est comparé à une valeur continue de référence établie par le potentiomètre 124. Le signal de sortie du comparateur 122 s'élève lorsque le signal de contre-réaction appliqué à son entrée positive descend au-dessous d'un niveau prédéterminé. Inversement, le signal de sortie diminue lorsque le signal de contre-réaction appliqué à l'entrée positive s'élève au-dessus d'un niveau prédéterminé. Grâce à ce circuit, l'élément résistif 88 suit le signal de sortie des cristaux piézoélectriques 86 indépendamment de la température, du fait de l'élément 90 sensible à la température. Le niveau du signal de sortie des 10. cristaux piézoélectriques 86 est insensible aux défauts de fabrication grâce au réglage que le potentiomètre 126 permet. Par conséquent, la boucle de réaction constitue un circuit qui règle avec précision l'amplitude du déplacement provoqué par les cristaux piézoélectriques 86 et qui est indépendant de la température et des variations apparaissant dans la matière utilisée pour la réalisation des cristaux. Comme décrit précédemment, le nombre d'éléments piézoélectriques peut varier selon le nombre de ressorts de flexion utilisés. En outre, il est inutile d'utiliser une jauge 90 de contrainte à variation positive pour caractériser le signal de sortie de l'élément résistif 88, comme montré sur la figure 3. Une thermistance à variation négative peut être utilisée à la place. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à la commande décrite et représentée sans sortir du cadre de l'invention. 1i1. 12. REVENDICATIONS 1. - Commande à transducteurs piézoélectriques à compensation de température, caractérisée en ce qu'elle comporte un élément (58) de flexion monté entre une masse fixe (38) et une masse piézoélectrique et dudit élément de flexion. 2. - Commande selon la revendication 1, carac- térisée en ce que l'élément piézoélectrique est un cristal, en ce que l'élément résistif est une jauge de contrainte, en ce que l'élément sensible à la température est une seconde jauge de contrainte et en ce que la boucle de réaction est une boucle de contre-réaction. 3. - Commande selon la revendication 1, carac- térisée en ce que l'élément de flexion est une âme mince et plate (58) reliant la masse fixe à ladite masse à mener afin de communiquer à cette dernière un mouvement oscillant, l'élément piézoélectrique étant fixé à une surface plane d'un premier côté de l'élément de flexion, l'élément résistif étant fixé à une surface plane du côté opposé de l'élément de flexion et l'élément sensible à la température étant fixé à la masse fixe. 4. - Commande selon la revendication 1, carac- térisée en ce que plusieurs éléments de flexion (52, 54, 56, 58) relient la masse fixe à la masse menée, un élément piézoélectrique correspondant (86) étant fixé à chaque élément de flexion, un élément résistif correspondant (88) étant fixé à un seul desdits éléments de flexion et un seul élément (90) sensible à la température étant fixé à ladite masse fixe (38). 5. - Commande selon la revendication 1, carac- térisée en ce que l'élément résistif et l'élément sensible à la température sont montés en pont dans ladite boucle de réaction afin de produire un signal uniforme de réaction, restant constant avec la température. 6. - Commande selon la revendication 1, carac- térisée en ce qu'elle comporte une source (92) de courant alternatif, le signal de réaction étant un signal alternatif, un convertisseur alternatif/continu (116) monté dans la boucle de réaction afin de produire un signal continu de réaction, un amplificateur-comparateur (122) monté dans la boucle de réaction afin de comparer le signal continu de réaction au signal de référence et de produire un signal de correction, et un élément (94) de modulation monté dans la boucle de réaction et commandé par le signal alternatif, ledit signal de correction étant modulé par ce signal alternatif et appliqué à l'amplificateur de puissance. 7. - Commande à transducteurs piézoélectriques et à compensation de température, destinée à un gyroscope à laser en anneau, caractérisée en ce qu'elle comporte un système de suspension, destiné à faire trembler le gyroscope (10) à laser en anneau, un dispositif de commande comprenant des éléments piézoélectriques (86) destinés à commander le système de suspension, des éléments résistifs (88) dont la résistance varie avec la commande du système de suspension, des éléments (90) sensibles à la température, dont la résistance varie, avec la température, un dispositif destiné à produire un signal de réaction et comprenant lesdits éléments résistifs et lesdits éléments sensibles à la température, et des éléments reliant le dispositif produisant un signal de réaction au dispositif de commande afin que les éléments piézoélectriques soient 13. commandés sous l'influence du signal de réaction dont l'amplitude est établie par les éléments résistifs et réglée en fonction de la température par lesdits éléments sensibles à la température. 8. - Commande selon la revendication 7, carac- térisée en ce que les éléments résistifs et les éléments sensibles à la température sont montés dans un circuit en pont faisant partie dudit dispositif destiné à produire un signal de réaction, ce dispositif comprenant en outre un élément 1124) destiné à produire un signal de référence et lesdits éléments qui relient le dispositif de production d'un signal de réaction au dispositif de commande comprenant un circuit comparateur (122) qui compare le signal de réaction au signal de référence afin de piloter le dispositif de commande. 9. - Commande selon la revendication 8, carac- térisée en ce que ledit système de suspension comprend plusieurs âmes plates et minces (58) reliant une masse. fixe (38) à une masse menée (51), le dispositif de commande comprenant plusieurs éléments piézoélectriques (86) fixés chacun à l'une desdites âmes minces et plates, les éléments résistifs comprenant chacun une jauge de contrainte les éléments piézoélectriques. 14.