Brevet FR2498316A1 — publié le 19820723

L'invention a pour objet des perfectionnements aux moteurs piézo- électriques utilisés pour faire entrer en vibration des gyroscopes à anneaux laser. Elle vise plus particulièrement des perfectionnements aux moteurs et aux transducteurs piézo-élec- triques utilisés pour commander de tels moteurs. Les moteurs piézo-électriques sont utilisés depuis long- temps pour faire vibrer des gyroscopes à anneaux laser. Dans un tel moteur, un ou plusieurs transducteurs piézo-électriques sont fixés sur des rayons flexibles servant à relier la jante exté- rieure mobile du gyroscope à un moyeu interne fixe. Les trans- ducteurs sont pilotés par une tension alternative convenable et fléchissent simultanément, ce qui a pour effet de déplacer vers l'avant et vers l'arrière la jante dans un mouvement oscilla- toire. Dans une telle structure connue, les transducteurs sont fixés à une zone soumise à des contraintes importantes au voi- sinage du moyeu sur le rayon au moyen d'une colle qui peut être endommagée lors du fonctionnement du moteur, étant donné les fortes contraintes mises en jeu. En raison également de ces fortes contraintes, il y a lieu d'utiliser des éléments piézo- électriques très fins dans les transducteurs, ce qui rend la structure du moteur coûteuse. Un deuxième inconvénient d'une telle conception est le fait qu'une face du transducteur est nécessairement mise à la masse sur le rayon auquel elle est fixée. Les courants de com- mande des transducteurs, passant à travers la masse, provoquent des tensions d'erreur qui apparaissent dans d'autres circuits qui utilisent la même masse. Dans certains cas, ce problème peut être si aigu qu'il rend nécessaire l'utilisation d'un trans- formateur d'isolement pour assurer la commande du moteur. Un tel transformateur d'isolement est lourd, il est particulière- ment indésirable lorsque le gyroscope à anneaux laser doit être utilisé dans du matériel de navigation pour aéronef. La présente invention propose un moteur piézo-électrique pour entrainement de gyroscopes à anneaux laser qui est à l'abri de ces inconvénients. Selon l'invention, le centre de chaque transducteur piézo- électrique qui constitue un dispositif de commande du moteur est fixé au rayon auquel il est associé en un point de "rayon neutre" d'une façon telle que la partie du transducteur qui est la plus voisine du moyeu et la partie du transducteur qui est la plus voisine de la jante externe mobile du gyroscope sont soumi- ses à des contraintes sensiblement égales et opposées lorsque le rayon et le transducteur fléchissent. La surface externe de l'élément piézoélectrique constituant la partie active du trans- ducteur comporte deux électrodes distinctes, appelées électrodes interne et externe, alors que la face du transducteur fixée au rayon ne comporte qu'une simple électrode dorsale. Les électro- des interne et externe sont pilotées de façon opposée par l'ap- plication de courant alternatif. En commandant ou pilotant les électrodes interne et externe en push-pull au moyen d'une tension alternative, on obtient une commande symétrique et l'électrode dorsale reste un potentiel qui est virtuellement celui de la masse. La tension alternative provoque la flexion des extrémités respectives du transducteur sous forme d'une fixation de défor- mation en forme de S, et il en résulte un mouvement de va-et- vient de la jante externe. Les extrémités de l'élément piézo-électrique sont biseau- tées de façon à réduire l'effet des contraintes aux extrémités de cet élément; on parvient à minimiser de la sorte le bris ou la dégradation de l'élément dans ces régions. La nécessité d'un bon contact électrique entre le rayon et le transducteur étant éliminée, ce transducteur peut être collé au rayon au moyen d'une colle à haute résistance structurelle sur un support. Ainsi, des éléments de transducteurs plus épais peuvent être utilisés et le problème de séparation sous forme de lamellesqui se produisait avec des dispositifs connus se trouve éliminé. Il en résulte une réduction des pertes qui avaient lieu lors de la manipulation des éléments plus fins. Finalement, l'utilisa- tion de l'électrode dorsale maintenue à un potentiel qui est pratiquement celui de la masse a pour résultat une réalisation équilibrée qui élimine les courants de masse et permet l'utili- sation d'amplificateurs push-pull d'un poids réduit à la place des transformateurs d'isolement. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la des- cription qui va suivre et se réfère aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue schématique montrant un moteur d'entraînement piézo-électrique de l'art antérieur; - la figure 2 est une vue en coupe d'une partie de la structure de la figure 1; - la figure 3 est une vue schématique latérale d'un moteur piézo-électrique selon les enseignements de la présente inven- tion; et - la figure 4 est une vue en coupe partielle d'un disposi- tif d'entratnement piezo-électrique selon la présente invention. Les figures 1 et 2 montrent un moteur piézo-électrique de l'art antérieur utilisé pour provoquer la vibration d un gyroscope à anneaux laser. Le gyroscope comporte un moyeu fixe 2 et une jante externe mobile 4 qui est reliée au moyeu 2 par un certain nombre de rayons radiaux 6. Un seul rayon est représenté sur le dessin. L'élément moteur comporte un transducteur piézo-électrique 8 connecté électriquement et mécaniquement au rayon 6 au voisinage du moyeu 2. Le transducteur 8 est commandé par une tension four- nie au moyen de fils 10 et 12 provenant d'un amplificateur 14. Un deuxième transducteur (non représenté) peut être attaché à l'autre face du rayon. Une tension alternative, appliquée à l'en- trée 16 de l'amplificateur 14 est amplifiée et appliquée aux faces opposées du transducteur 8 pour produire la déflexion du rayon 6. Si l'on considère la figure 1, le trajet de retour du courant électrique s'effectue à travers le rayon 6, le moyeu 2 et la masse 12. Le trajet de retour à la masse est partagé, en ce sens qu'il sert de ligne de retour pour d'autres signaux du gyroscope qui ne sont pas celles utilisées pour l'entraînement en vibration. Le courant alternatif qui est appliqué au trans- ducteur 8 provoque l'allongement et la compression de façon alternative. Une telle modification de la longueur du transduc- teur est transmise au rayon, ce qui a pour effet d'en provoquer la déflexion, la déformation du rayon étant représentée sous forme de pointillés 6' à la figure 1. Comme représenté, un transducteur est fixé sur une face d'un rayon. L'homme de l'art comprendra aisément qu'il est pos- sible d'agir sur plus d'un rayon, et qu'il est possible de dis- poser des transducteurs sur les deux faces d'un rayon donné. Comme connu de l'art antérieur, la figure 1 montre l'emplacement habituel du transducteur 8 en une position voisine du moyeu in- terne fixe o le rayon soumis à des contraintes très importantes. Bien que la flexion du rayon ne soit pas, en pratique, si impor- tante que montré sur la figure 1 par les positions représentées en trait plein et en pointillés 6 et 6' respectivement, toutefois il existe un fléchissement sensible du rayon qui est transmis à l'élément transducteur lui-même et qui provoque son fléchisse- ment. De façon à éviter la destruction par flexion du transduc- teur, on est amené à utiliser un transducteur piézo-électrique d'épaisseur très réduite. La figure 2 représente en plus grand détail le mode de fixation connu du transducteur sur le rayon 6. Dans ce cas, l'élément transducteur 8 est représenté comme comportant des électrodes 22 et 24 sur chacune de ses faces longitudinales. Ces électrodes sont réalisées in situ par application à l'élé- ment transducteur par exemple d'une pâte d'argent qui est ensuite soumise à la flamme pour constituer des surfaces conductrices sur l'élément. Une connexion électrique est réalisée entre l'électro- de d'argent interne 22 et le rayon métallique 6 du gyroscope au moyen d'une couche de colle époxy conductrice 18. La colle époxy 18 peut être chargée soit d'aluminium, soit d'argent ou d'or. L'ensemble est complété par couverture du transducteur 8 au moyen d'un revêtement de fermeture 20 qui isole le transducteur de l'atmosphère. Le revêtement externe 20 peut être constitué par du silicone, une résine époxy, une laque ou tout autre produit isolant. Le corps du transducteur 8 peut être réalisé au moyen de tout matériau possédant des propriétés piézo-électriques. Un matériau convenable peut consister en une céramique. Un matériau préféré est un titanate-plomb-zirconium dopé au strontium. La direction de prépolarisation de l'élément transducteur est mon- trée au moyen de la flèche 23. Cette flèche 23 indique également le sens d'application du champ électrique entre les électrodes 22 et 24 pour produire une déformation de l'élément transduc- teur. Les figures 3 et 4 montrent un moteur d'entraînement piézo-électrique fabriqué selon les enseignements de l'invention. Comme indiqué plus haut, le moteur est représenté comme ne com- portant qu'un simple transducteur collé sur une face d'un rayon 6 entre un moyeu fixe 2 d'un gyroscope à anneaux laser et une jante extérieure 4 mobile. L'élémenttransducteur 30 porte main- tenant deux électrodes 32 et 34, séparées l'une de l'autre et disposées sur la face de l'élément 30 la plus éloignée du rayon 6. Les électrodes 32 et 34 sont reliées à un amplificateur 36 par l'intermédiaire de fils de liaison 38 et 40 respectivement. L'amplificateur 36'a une sortie push-pull fournissant une tension alternative aux fils de liaison 38 et 40. Comme indiqué sur la figure 3, les électrodes 32 et 34 sont séparées électriquement par un espace non conducteur 33 prévu au centre du transducteur. L'espace 33 est positionné selon un rayon r mesuré à partir du centre du moyeu 2. Le rayon du moyeu 2 est désigné par a, le rayon de la surface interne de la jante externe mobile 4 est marqué 1. Le rayon r indique la distance entre le centre du moyeu et la zone à faible contrainte du rayon o se trouve posi- tionné l'espace 33. La région à faible contrainte ou point nodal du rayon est disposée au voisinage du centre géométrique dudit rayon. Dans certain cas, le centre géométrique peut être utilisé pour locali- ser l'espacement 33 dans le transducteur d'entraînement. On comprendra aisément que le positionnement précis du point nodal peut être obtenu d'une façon analytique ou graphique en cons- truisant un diagramme des moments appliqués au rayon. La façon dont est réalisé le transducteur est montrée clairement dans la vue en coupe de la figure 4. Dans cette figure, la face du transducteur 31 qui se trouve au voisinage du rayon 6 porte une électrode conductrice unitaire dorsale 36. Deux surfaces d'électrodes conductrices 32 et 34 sont disposées sur la face opposée de l'élément qui se trouve tournée vers l'extérieur. La face de l'élément 30 qui porte l'électrode 36 est de préférence collée au rayon 6 au moyen d'une couche de colle époxy isolante 44. Cette couche de colle, étant donné qu'elle ne doit pas nécessairement être chargée en métal, peut être sensiblement plus forte mécaniquement que la couche époxy conductrice 18 de la figure 2. La couche époxy 44 est de préfé- rence appliquée au rayon 6 sous la forme d'un tampon de nylon ou de fibre de verre imprégnée de résine époxy. Les structures de ce type sont disponibles sous la forme crue ne demandant qu'à être coupées aux ciseaux, appliquées puis cuites sur place de façon à produire la liaison désirée pour relier le rayon 6 et le transducteur 31. Les électrodes 32, 34 et 36 peuvent être réalisées de la même façon que celles représentées aux figures 1 et 2. Un transducteur d'entraînement typique 31 peut consister en une petitelame carrée de faible épaisseur de la même substan- ce que celle qui est utilisée dans l'élément d'entraînement 8 des figures 1 et 2. L'élément 30 peut avoir approximativement mm de côté pour une épaisseur de 0,05 mm. L'espace 33 mesure environ 0,8 mm et l'angle à l'extrémité biseautée 46 est d'envi- ron 150. Pour éviter la détérioration, les bords effilés des extrémités 46 ont été arrondis. L'espace 33 prévu entre les électrodes 32 et 34 a besoin d'avoir une largeur qui à la même valeur que l'épaisseur de l'élément lui-même. Bien qu'on aurait pu s'attendre au fait que pour éviter les risques d'amorçage entre les électrodes 32 et 34, la largeur de l'espace 33 devrait être deux fois l'épais- seur de l'élément 30, on a découvert que cette précaution n'était pas nécessaire. En fait, il s'est avéré avantageux de réaliser l'espace 33 aussi petit que possible étant donné que cela aug- mente la sensibilité de la structure du transducteur piézo- électrique en raison du cisaillement. Ceci est vrai parce que le cisaillement piézo-électrique est provoqué et une déflexion plus grande est appliquée au rayon par l'action du transducteur. De même, on a trouvé intéressant d'appliquer les électrodes 32 et 34 sous la forme d'une électrode unique continue et de réali- ser alors l'espace 33 en attaquant chimiquement la surface pour produire des électrodes séparées ayant sensiblement chacune la même surface. Une autre caractéristique de l'invention est le fait d'avoir prévu des extrémités biseautées 46 à chaque extrémité de l'élément piézo-électrique 30. En biseautant les extrémités de l'élément, on arrive à graduer la contrainte résultant du couplage du dispositif d'actionnement mécanique au rayon 6 aux extrémités du transducteur. Chaque extrémité biseautéea pour effet de distribuer la force de cisaillement dans la colle sur une partie importante de la longueur du cristal si on le compare à la concentration de contraintes qui se produit quand des extré- mités carrées sont utilisées. On a trouvé, en calculant les contraintes dans l'élément au point de concentration de con- traintesàl'un quelconque des coins à angle obtus externes que pour produire une contrainte en dessous de la limite 280 kg/cm' imposée par la résistance du matériau consistant en un cristal de titanate-plombzirconium, tout en minimisant l'épaisseur du cristal, l'angle préféré pour le biseau aux extrémités est d'environ 150. Lors du fonctionnement, l'effet d'appliquer des tensions aux électrodes 32 et 34 est de contraindre de façon opposée les extrémités de l'élément piézo-électrique 30. Etant donné que cet élément a été prépolarisé (comme c'était le cas dans le cristal de l'art antérieur), toute la longueur de l'élément réagit et il en résulte une déformation en forme de S. L'inver- sion de la polarité appliquée comprend l'inversion du sens de la forme du S. L'utilisation d'un courant alternatif, en consé- quence, a pour effet d'agir sur les extrémités du rayon 6 dans un sens et dans l'autre et il en résulte le mouvement de vibra- tion ou de tremblement désiré de la jante externe 4 par rapport au moyeu 2. De même, l'effet d'appliquer des tensions opposées aux électrodes 32 et 34 est de réaliser l'électrode 36, de l'autre côté de l'élément 30 sous la forme d'une masse vir- tuelle. Il en résulte qu'aucune tension provenant du dispositif d'entraînement n'apparait aux bornes de l'époxy isolante 44 entre l'électrode dorsale 36 et le rayon 6. Une réalisation ainsi équilibrée élimine les contacts de masse et permet l'uti- lisation d'amplificateurs push-pull de faible poids à la place des transformateurs d'isolement. Bien que l'invention a été décrite ci-dessus pour un mode de réalisation préféré employant des matériaux particuliers et en particulier, une configuration donnée à titre d'illustration, il est évident que les enseignements de l'invention peuvent être appliqués en utilisant d'autres matériaux et d'autres formes de construction connus dans la technique. REUVNDICATIONS 1. Moteur d'entraînement pour provoquer la vibration d'un gyroscope à anneaux laser comportant un moyeu (2), une jante mobile externe (4), au moins un rayon (6) allongé flexi- ble reliant le moyeu à la jante externe et au moins un trans- ducteur (30) attaché au rayon (6) pour en provoquer la déflexion, caractérisé en ce que le transducteur (30) comporte un élément piézoélectrique ayant une électrode unique (36) sur la face de l'élément qui est attachée au rayon (6) et une paire d'électrodes (32,34) sur la face opposée, une électrode de ladite paire étant disposée plus près du moyeu (2) et l'autre disposée plus près de la jante (4) et il est prévu des moyens (36,38,40) pour appliquer une tension de pilotage à la paire d'électrodes (32,34). 2. Moteur d'entraînement selon la revendication 1, caractérisé en ce que: les deux électrodes sont séparées l'une de l'autre au centre d'action mécanique du transducteur par un espace (33) et l'espace (33) est centré sur une zone de contraintes faibles du rayon (6). 3. Moteur selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les surfaces des extrémités (46) de l'élément piézo-électrique (30) les plus éloignées de l'espace (33) sont biseautées vers le rayon (6). - 4. Moteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les surfaces des extrémités (46) sont biseautées selon un angle d'environ 150 à partir d'une face de l'élément piézo- électrique (30). 5. Moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux électrodes (32,34) sont disposées symétriquement de part et d'autre d'une zone de faibles contrain- tes du rayon (6) et ont sensiblement chacune la même surface. 6. Moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la face du transducteur (30) qui comporte l'électrode unique (36) est fixée au rayon (6) au moyen d'une colle électriquement isolante (44). 7.Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un amplificateur push-pull 249831i (36') est relié à la paire d'électrodes (32,34). 8. Moteur d'entratnement pour faire vibrer un gyroscope à anneaux laser comportant un moyeu (2), une jante externe mobile (4) reliée au moyeu par au moins un rayon flexible (6) et au moins un transducteur piézoélectrique (30) collé sur le rayon (6) pour entrainer la jante mobile (4) en un mouvement oxcillatoire autour du moyeu (2), caractérisé en ce que le transducteur (30) consiste en un élément piézo-électrique ayant des extrémités (46) biseautées. 9. Moteur d'entraînement selon la revendication 8, caractérisé en ce que les surfaces d'extrémité biseautées (46) ont un angle de 150 par rapport à la surface de l'élément piézo-électrique (30). 10. Moteur d'entraînement pour faire vibrer un gyrosco- pe à anneaux laser comportant un moyeu (2), une jante externe mobile (4) reliée audit moyeu par au moins un rayon (6) flexi- ble et au moins un transducteur piézo-électrique (30) collé sur le rayon (6) pour entraîner la jante mobile dans un mouve- ment oscillatoire autour du moyeu (2), caractérisé en ce que le centre d'action mécanique du transducteur se trouve disposé à l'emplacement de faibles contraintes du rayon (6).