Brevet FR2510336A1 — publié le 19830128

L'invention concerne un transducteur piézoélectrique, et plus particulièrement un transducteur qui parvient à une meilleure compensation thermique par l'utilisation d'un cristal piézoélectrique en commun pour la commande du transducteur et pour la détection de sa position. Le transducteur piézoélectrique à élément de com- mande et élément de détection incorporés possède une appli- cation particulière dans un gyroscope à laser à anneau pour le réglage de la longueur de la cavité du gyroscope. Le principe de base d'un gyroscope à laser à anneau est que deux ondes lumineuses, parcourant le même circuit en sens opposés, subissent des décalages de fréquence lors- que le circuit est tourné Les décalages de fréquence sont de sens opposés pour produire des différences de fréquence optique entre les deux ondes Les deux fréquences interagissent sur un photodétecteur commun, donnant naissance à une fré- quence de battement qui est directement proportionnelle à la vitesse de rotation angulaire. La cavité du laser est souvent réalisée dans un corps en quartz dans lequel sont découpées un certain nombre d'ou- vertures Ces ouvertures forment les canaux intérieurs qui constituent la cavité du laser à anneau Chaque coin de la cavité, formé par l'intersection des canaux, comporte un miroir réfléchis- sant qui renvoie d'un canal au suivant les deux ondes lumineuses se propageant à contre-sens. Pour faire fonctionner convenablement le laser à anneau, il est important que l'amplitude des deux ondes lumineuses circulant en sens opposé et constituant le gyroscope soit sensiblement la même L'intermodulation caractéristique des deux ondes lumineuses est la forme classique de la modulation d'amplitude, les maxima apparais- sant au moment o les composantes instantanées en phase s'ajoutent, et les minima apparaissant lorsque ces compo- santessont en opposition de phase Si l'un des deux signaux constitués par les ondes lumineuses est notablement supérieur à l'autre, le signal de battement ne tombe pas à zéro. On peut parvenir à une action convenable du gyros- cope à laser à anneau en détectant les points minimaux du signal de battement puis en déterminant si ces points sont réellement à zéro Si les points minimaux ne sont pas à zéro, la longueur de la cavité du laser est ajustée de manière que les points minimaux soient rapprochés du zéro Pour ajuster la longueur de la cavité du laser, un transducteur piézoélectrique est fi xé à l'un des miroirs du laser Un circuit de commande de cavité agit sur le tranducteur piézo- électrique et, dans l'art antérieur, reçoit son signal d'entrée sous la forme du signal de sortie du lasercomme décrit, par exemple, dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique no 4 123 162. L'invention a pour objet de suivre le positionne- ment des miroirs d'angle d'un laser à anneau L'invention a pour autre objet un transducteur piézoélectrique conçu pour générer son propre signal de réaction afin d'indiquer la position de ce transducteur L'invention a pour autre objet de produire à la fois des signaux de commande et de détection à partir d'un ensemble symétrique à transducteur piézoélectrique La symétrie réduit l'erreur dÉe à la défor- mation thermique qui est inhérente à des détecteurs fixés séparément tels qu'une pastille piézoélectrique, une jauge de contrainte, un dispositif électromagnétique ou un capteur capa- citif. Un transducteur piézoélectrique est constitué d'une mince membrane métallique comportant un disque piézoélectri- que monté sur une surface ou intercalée étroitement entre deux disques piézoélectriques Les disques sont recouverts d'une revêtement métallique Le premier disque piézoélec- trique, le cas échéant, supporte la membrane métallique Le revêtement métallique du premier disque forme une première électrode tandis que le revêtement métallique du second disque piézoélectrique est divisé symétriquement pour former des deuxième et troisième électrodes Les disques piézo- électriques seront appelés ci-après cristaux Le deuxième cristal, recouvert par deux zones séparées de matière conduc- trice, constitue deux cristaux en une seule pièce La partie de la pièce cristalline située sous la deuxième électrode peut être utilisée soit comme cristal de commande, soit comme cristal de détection, et la partie de la pièce cristalline située sous la troisième électrode peut être également utilisée soit comme élément de détection, soit comme élément de commande La partie du cristal réellement utilisée pour la commande ou pour la détection dépend de la structure interne du cristal La zone de déformation maximale et habi- tuellement de contrainte maximale de la structure d'une pièce cristalline constitue la partie préférée pour le détecteur. Le dessin du transducteur doit être-symétrique, car la symétrie tend à éliminer la déformation thermique inhéren- te à un détecteur fixé séparément En outre, en utilisant la même structure cristalline pour l'élément de commande et l'élément de détection, un contrôle direct de l'élément de commande par l'élément de détection, sans accessoires inter- médiaires tels que des éléments mécaniques ou des couches d'adhésif, élimine de nombreux éléments pouvant engendrer des erreurs par suite de tolérances de fabrication, d'erreurs d'assemblage, de défauts d'alignement ou de déformations thermiques. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples, nullement limita- tifs et sur lesquels: la figure l est une vue de dessus, partielle, d'un gyroscope typique à laser à anneau dans lequel le trans- ducteur selon l'invention peut être utilisé; la figure 2 est une courbe suivant la ligne 2-2 -de la figure 1, montrant le transducteur piézoélectrique selon l'invention; la figure 3 est une vue en plan d'un transducteur piézoélectrique utilisé dans le dispositif selon l'invention; la figure 4 est une coupe transversale du trans- ducteur de la figure 3; la figure 5 est une vue en plan d'une variante de transducteur piézoélectrique pouvant être utilisée; la figure 6 est une coupe transversale du trans- ducteur de la figure 5; la figure 7 est une vue en plan d'une autre variante de transducteur piézoélectrique pouvant être utilisée confor- mément à l'invention; la figure 8 est une coupe transversale du trans- ducteur de la figure 7; et la figure 9 est une coupe transversale montrant la connexion électrique du transducteur représenté sur les figures 1 à 4. La figure 1 représente un gyroscope typique 10 à laser à anneau réalisé dans un corps 12, par exemple en quartz ou en matière à dilatation extrêmement faible, par exemple du silicate de titane Le corps 12 du laser est réalisé de manière à présenter quatre canaux 14 qui sont dispo- sés pour former un circuit rectangulaire fermé D'autres configurations telles qu'un triangle ou autre polygone sont connues En outre, il n'est pas nécessaire que le laser soit plan Les canaux 14 sont scellés pour retenir un mélange gazeux comprenant généralement environ 90 % d'hélium et % de néon sous un vide d'environ 400 Pa On sait que la pression atmosphérique est d' environ 100 000 Pa. Le corps 12 comporte généralement deux cathôdes 16 et 18 et deux anodes 20 et 22 qui peuvent être fixées à ce corps d'une manière connue de l'homme de l'art D'autres moyens d'excitation sont connus; par exemple,il est courant d'utiliser une cathode unique Des décharges-gazeuses sont réalisées dans le canal 14, entre la cathode 16 et l'anode 20, et entre la cathode 18 et l'anode 22 Un getter 24 peut être prévu pour absorber les impuretés présentes dans le gaz contenu dans le canal 14 Des miroirs 28, 30, 32 et 34 sont placés aux quatre coins du circuit optique du laser formé à l'intérieur du canal 14 du gyroscope 10 à laser à anneau Le miroir 28 est monté sur un dispositif 36 de photodétection Ce dispositif 36 produit le signal de fré- quence de battement généré par les faisceaux laser se pro- pageant en sens opposés, ce signal constituant une mesure de la vitesse angulaire du gyroscope 10 à laser à anneau autour de son axe sensible. Le miroir 34 est monté sur un transducteur piézo- électrique 38 qui commande la position de la cavité 14 du miroir 34 pour déterminer la longueur du laser à anneau du gyroscope Le transducteur piézoélectrique 38 est représenté plus en détail sur la figure 2 Le transducteur 38 comporte généralement un boîtier 40 constitué d'un élément métallique en forme de coupelle mince dont la surface du fond forme un diaphragme flexible 42 qui est monté contre le corps 12 en quartz et scellé à ce dernier au moyen d'une liaison convenable La surface du diaphragme 42 qui porte contre les canaux intérieurs du corps 12 en quartz supporte le miroir 34 Une colonne 44, utilisée pour commander le diaphragme 42, fait saillie du centre de ce dernier Le boîtier en forme de coupelle est fermé par un boîtier 48 de trans- ducteur dont un rebord extérieur 49, de forme toroidale, comporte, par exemple, huit doigts 50 sollicités par des ressorts et s'étendant audessus de la surface extérieure de la coupelle 40, cinq seulement de ces doigts étant repré- sentés sur la figure 2 Les doigts à ressorts présentent une surface courbe 51 qui est appliquée étroitement contre la surface extérieure de la coupelle 40 et fixée à cette dernière, par exemple par collage Le rebord toroldal extérieur 49 du bottier 48 est relié à un moyeu central 52 par une mince membrane flexible 54 Des cristaux piézo- électriques 56 et 58, en forme de disques, sont montés respectivement sur les surfaces intérieure et extérieure de la membrane 54. Dans la forme préférée de réalisation de l'invention, il n'est pas nécessaire d'utiliser le disque piézoélectrique intérieur 56 En variante, ce disque peut être utilisé uni- quement comme raidisseur Comme mieux montré sur les figures 3 et 4, une structure discorde piézoélectrique 58 est recou- verte d'un revêtement métallique 59 pour former deux électro- des concentriques sur la surface du disque Le revêtement 59 est interrompu par une entaille toroidale 60 qui forme les électrodes concentriques intérieure et extérieure 62 et 64 La coupure du revêtement métallique 59 peut être réalisée par plusieurs procédés comprenant le masquage des zones souhaitées du revêtement métallique 59 et l'abrasion des zones non masquées, que l'on souhaite éliminer pour former l'anneau toroidal 60. Un goujon 66 est vissé dans le centre du moyeu 52 pour porter contre la colonne 44 de la coupelle 40 à dia- phragme Le goujon fileté 66 est réglé jusqu'à ce qu'il porte fermement contre la surface intérieure de la colonne 44 Lorsqu'un potentiel électrique est appliqué aux bornes du cristal piézoélectrique 58, ce dernier prend une forme convexe, lorsqu'il est considéré depuis le côté gauche de la figure 2, afin de supprimer tout déplacement préalable du diaphragme 42 par le goujon 66 Ceci permet au miroir 34 d'être déplacé et donc de régler la longueur du canal 14 constituant la cavité du laser. Comme montré sur la figure 9, le cristal 58 peut être relié à un potentiel électrique par connexion de la membrane 54 à un potentiel commun, par exemple, une masse du système, et par connexion de l'électrode extérieure 64 entre le potentiel commun et une source 68 de potentiel réglable L'électrode intérieure 62 est ensuite connectée du potentiel commun de la membrane 54 à un détecteur 70 de tension. Dans le cas o deux cristaux sont utilisés comme montré sur la figure 2, le potentiel commun peut être appli- qué à un revêtement métallique recouvrant toute la surface du premier cristal 56 Dans cette configuration, le cristal 56 est commandé pour prendre une forme concave tandis que le cristal 58 est commandé pour prendre une forme convexe, comme vu depuis le côté gauche de la figure 2. Comme montré sur les figures 3, 4 et 9, le capteur représenté par le détecteur 70 de tension est de préférence connecté à l'électrode intérieure 62 qui est disposée sur la partie du cristal 58 subissant la déformation maximale. L'expérience a montré qu'un cristal piézoélectrique annu- laire de faible diamètre intérieur est soumis à des contrain- tes et déformations maximales à son diamètre intérieur ou à proximité de ce diamètre intérieur. Cependant, lorsque le diamètre intérieur d'un cristal piézoélectrique annulaire augmente, il existe certains cas dans lesquels le capteur est soumis à des contraintes et déformations maximales à proximité de son diamètre extérieur. L'électrode extérieure 64 doit alors être utilisée comme capteur Comme représenté sur les figures 5 et 6, on peut prévoir une membrane 72 présentant une ouverture 74 de grand diamètre intérieur, et au moins une surface dans la- quelle un cristal piézoélectrique 76 est monté Le cristal est recouvert d'un revêtement métallique 78 qui est interrom- pu par une entaille toroïdale 80 pour former une électrode intérieure 82 et une électrode extérieure 84 L'électrode intérieure 82 peut ensuite être connectée à une source de potentiel réglable, par exemple la source 68 de potentiel continu réglable, pour commander le cristal 76 L'électrode extérieure 84 produit alors une tension qui peut être mesurée par le détecteur 70 de tension pour produire un signal de réaction utilisable. Dans certaines utilisations de l'invention n'impli- quant pas un réglage de la longueur de la cavité, on souhaite mesurer la flexion d'un barreau Par exemple, un mince bar- reau métallique allongé est utilisé dans un système à res- sort qui fait osciller mécaniquement un gyroscope à laser à anneau autour de son axe d'entrée Comme montré sur les figures 7 et 8, un tel système de commande peut comprendre un ressort 86 de flexion en forme de barreau contre lequel est monté un cristal piézoélectrique 88 à profil en quadri- latère qui, dans la forme de réalisation représentée, est un profil rectangulaire La surface du cristal 88 est recouver- te d'un revêtement métallique 90 qui est interrompu par une entaille 92, à peu près perpendiculaire à l'axe longitudinal du cristal 88, pour former une électrode principale 94 et une électrode secondaire 96 L'électrode secondaire 96 est de préférence disposée à une extrémité du cristal 88 qui est placée à proximité immédiate d'un point de déformation maximale du ressort 86 L'électrode 96 agit comme électrode de détection pour générer un signal de détection devant être appliqué à un détecteur 70 de tension. L'électrode principale 94 peut alors être connectée à une source de potentiel variable 68 pour contracter ou dilater le cristal 88 et commander le ressort 86. Bien que la figure 9 représente une source 68 de tension de commande et un dispositif 70 de détection et de mesure de tension indépendants l'un de l'autre, il est évident qu'un servo-amplificateur typique (non représenté) peut être utilisé pour commander la source 68 et que la tension mesurée en 70 peut être la tension de réaction délivrée à ce servo-amplificateur. Bien que le transducteur piézoélectrique selon l'invention ait été décrit dans une application à un gyros- cope à laser à anneau, il est évident que des transducteurs similaires peuvent être utilisés dans de nombreux dispo- sitifs En outre, la configuration de la forme préférée de réalisation de l'invention telle que représentée peut être modifiée en de nombreux points, comprenant une variante ayant un plus grand diamètre intérieur, un profil en qua- drilatère ou un profil rectangulaire Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au trans- ducteur décrit et représenté sans sortir du cadre de l'in- vention. REVENDICATIONS 1 Transducteur piézoélectrique, caractérisé en ce qu'il comporte un élément flexible ( 42), un cristal piézoélectrique ( 58) monté sur une surface de cet élément flexible, des première et seconde électrodes métalliques ( 64, 62) placées en contact avec une première surface du cristal piézoélectrique, une troisième électrode métalli- que en contact avec la seconde surface du cristal piézo- électrique, un dispositif ( 68) à tension de commande monté entre les première et troisième électrodes, et un dispo- sitif ( 70) de détection monté entre les deuxième et troi- sième électrodes, de manière que le cristal piézoélectrique produise à la fois une force commandant un déplacement de l'élément flexible et des signaux de détection du dépla- cement de l'élément flexible. 2 Transducteur piézoélectrique exempt de défor- mations thermiques, destiné à déplacer une membrane ( 54), caractérisé en ce qu'il comporte un boîtier ( 40) destiné au montage de la membrane, un cristal piézoélectrique ( 58) monté sur une surface de la membrane, un revêtement ( 59) de matière métallique appliqué sur le cristal piézoélectrique pour former sur ce dernier une électrode, ledit revêtement de matière métallique appliqué sur le cristal piézoélectrique étant interrompu pour former sur ledit cristal des première et seconde électrodes ( 64, 62), des moyens reliant élec- triquement la membrane à un potentiel commun, un dispositif ( 68) de commande étant connecté à la première électrode ( 64) du cristal et audit potentiel commun, et un dispositif ( 70) de détection étant connecté à la seconde électrode ( 62) du cristal et au potentiel commun, afin que le cristal piézo- électrique produise à la fois une commande de déplacement et des signaux de détection, avec une déformation thermique réduite entre lesdits signaux grâce à une utilisation com- mune du cristal. 3 Transducteur piézoélectrique selon la revendi- cation 2, caractérisé en ce que le cristal présente un profil en quadrilatère et en ce que les première et seconde électrodes ( 94, 96) sont formées par une ligne droite ( 92) coupant le revêtement métallique ( 90) appliqué sur ledit cristal à profil en quadrilatère. 4 Transducteur piézoélectrique selon la reven- dication 2, caractérisé en ce que le cristal ( 58 ou 76) présente un profil circulaire et en ce que lesdites première et seconde électrodes sont formées par un diamètre intérieur coupant le revêtement métallique appliqué sur ledit cristal à profil circulaire. Transducteur piézoélectrique selon la reven- dication 4, caractérisé en ce que la zone de surface située à l'intérieur de la coupure ( 60) du diamètre intérieur du profil circulaire forme ladite seconde électrode ( 62) à la- quelle ledit dispositif ( 70) de détection est relié. 6 Transducteur piézoélectrique selon la revendi- cation 4, caractérisé en ce que la zone de la surface située à l'extérieur de la coupure ( 80) dudit diamètre intérieur du profil circulaire forme ladite seconde électrode ( 84) à laquelle est relié le dispositif ( 70) de détection. 7 Transducteur piézoélectrique selon la revendi- cation 4, caractérisé en ce que le profil des première et seconde électrodes est symétrique pour éviter tout dépla- cement asymétrique dudit transducteur. 8 Transducteur piézoélectrique selon l'une quel- conque des revendications 3, 4, 5 et 6, caractérisé en ce que le dispositif de détection est connecté à l'électrode sur la surface du cristal piézoélectrique subissant la déformation maximale 9 Transducteur piézoélectrique selon la revendi- cation 2, caractérisé en ce que ladite membrane est fixée à un miroir ( 34) actionné par le dispositif de commande qui est monté entre ladite membrane et la première élec- trode, dont le déplacement commandé est détecté par le dispositif de détection qui est monté entre ladite membrane et la seconde électrode. 10 Transducteur piézoélectrique selon la revendi- cation 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre n second cristal piézoélectrique ( 56) connecté à la surface de la membrane opposée à celle du premier cristal piézo- électrique cité, un revêtement de matière métallique appli- qué sur le second cristal piézoélectrique pour former une troisième électrode, le revêtement du second cristal étant relié audit potentiel commun à la place de ladite membrane. 11 Transducteur piézoélectrique pour la commande d'un miroir ( 34) dans une direction perpendiculaire au plan de ce miroir, avec une déformation thermique réduite, carac- térisé en ce qu'il comporte un boîtier ( 40) destiné au mon- tage du miroir, une membrane ( 54) montée à l'intérieur du boîtier et dont le plan est parallèle à celui du miroir, un cristal piézoélectrique ( 58) en forme de disque monté sur une surface de la membrane, un revêtement ( 59) de matière métal- lique appliqué sur le cristal piézoélectrique pour former une électrode sur ledit cristal, ledit revêtement de matière métallique appliqué sur le cristal piézoélectrique étant coupé pour former une première électrode ( 64) de diamètre extérieur et une seconde électrode ( 62) de diamètre inté- rieur sur le cristal, des moyens reliant électriquement la membrane à un potentiel commun, un dispositif ( 68) de com- mande connecté à ladite première électrode appliquée sur le cristal et au potentiel commun appliqué à ladite mem- brane, et un dispositif ( 70) de détection connecté à ladite seconde électrode appliquée sur le cristal et audit poten- tiel commun appliqué à la membrane, de manière que le cris- tal piézoélectrique produise à la fois une commande de déplacement et des signaux de détection ayant entre eux une distorsion thermique réduite grâce à une utilisation commune du cristal. 12 Transducteur piézoélectrique selon la reven- dication 11, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un second cristal piézoélectrique ( 56) relié à la surface de la membrane opposée à celle dudit premier cristal cité, un revêtement métallique appliqué sur le second cristal pour former une troisième électrode et relié audit poten- tiel commun, à la place de ladite membrane.