Brevet FR2518741A1 — publié le 19830624

La présente invention concerne un gyroscope à laser annulaire comprenant un dispositif pour transmettre une oscillation tournante à un trajet de laser en vue d'empê- cher un effet de verrouillage En particulier, elle se rapporte à un dispositif pour empêcher l'effet de verrouillage. Dans un gyroscope à laser annulaire, deux trains d'ondes lumineuses se propagent dans des directions opposées suivant un trajet de forme triangulaire Tandis qu'un train d'ondes lumineuses se propage dans le sens des aiguilles d'une montre, l'autre train d'ondes lumineuses a une direction opposée de propagation Dans un système de référence à inertie, le train d'ondes lumineuses de propageant dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens contraire et du même mode ont la même fréquence yr Cependant, si on fait tourner le gyroscope à laser annulaire dans un espace à inertie, les trains d'ondes lumineuses se propageant dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens contraire ont alors, en concordance avec la théorie générale de -relativité, la fréquence différentielle suivante V= k_ o ( 1) K 4 F O A o L O Dans ces équations, les termes utilisés ont les significations suivantes AV= fréquence différentielle de sortie Q= vitesse de rotation d'entrée Xi longueur d'onde sous vide de la lumière laser L O longueur optique du résonateur F = surface du résonateur normale à l'axe de rotation du gyroscope. Cette fréquence différentielle A V peut être mesurée comme un signal de sortie au moyen de différentes méthodes par découplage partiel des trains d'ondes lumineuses se propa- t 8741 geant dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens contraire au moyen d'un miroir et cette fréquence différentielle définit alors, en concordance avec l'équation ( 1), la vitesse de rotation d'entrée désirée Q ainsi que l'angle de rotation 21 dans le cas o une méthode de comptage d'impulsions d'in- tégration temporelle est appliquée. De façon idéale, les deux trains d'ondes lumineuses se propageant dans des directions opposées peuvent être considérés comme étant indépendants l'un de l'autre Cependant en pratique, dans chaque gyrosocope à laser annulaire, les trains-d'ondes lumineuses se propageant dans les directions inverses sont couplés l'un avec l'autre par suite d'un échange d'énergie, ce couplage étant essentife 4,ement imputable à la rétro-disper- sion de lumière d'un faisceau lumineux vers l'autre faisceau lumineux sur les miroirs Conformément à la théorie des oscillateurs couplés, la fréquence différentielle de sortie effective est représentée par la relation suivante AV Ko Q V 1 (QUI Q)2 avec QV M= O vr 2 Q (la) A V= O avec L'équation (la) a été représentée graphiquement sur la figure l-des dessins annexés, o la courbe représentée en trait interrompu indique la réponse idéale tandis que la courbe en trait plein indique la réponse effective de la fré- quence différentielle de sortie A V en fonction de la vitesse de rotation d'entrée Q La figure 1 montre que,-pour des vitesses de rotation d'entrée plus petites que ce qu'on appelle le seuil de verrouillage Q L' le gyroscope à laser annulaire ne produit pas à sa sortie un signal t V Les trains d'ondes lumineuses se propageant dans des directions opposées-sont verrouillés entre eux, pour de petites différences de leurs fréquences intrinsèques, avec la même fréquence d'oscillation, c'est-à-dire que leurs fréquences sont synchronisées Cet effet de verrouillage connu conduit aux résultats que, seule- ment pour des vitesses de rotation d'entrée Q dépassant le seuil de verrouillage les fréquences des deux trains -L' d'ondes lumineuses sont découplées et un signal de-sortie 4 V est reçu. Pour empêcher cet effet de verrouillage aux faibles vitesses de rotation d'entrée Q, il est connu, d'après le brevet allemand DE-1 292 899, de transmettre mécaniquement une oscillation angulaire au gyroscope à laser annulaire autour de son axe de rotation d'entrée Le mouvement vibratoire imparti au gyroscope à laser annulaire doit être établi de telle sorte que la vitesse angulaire momentanée Q du gyroscope, et sans que la vitesse de rotation totale dépasse la partie la plus grande du temps de mesure, soit située au-dessus du seuil de verrouillage et dans la partie linéaire de la courbe A v (On) Le décalage du signal dé sortie à V du fait du mouvement oscillatoire doit être corrigé lors de l'évaluation du signal. Le laser connu est suspendu sur des lames élasti- ques et l'ensemble du système est mis en oscillation sinusoïdale à sa fréquence de résonance au moyen d'un moteur;Pour une oscillation régulaire sinusoïdale de fréquence cyclique w= 2 Â 1 V, l'angle de rotation S du gyroscope à laser est représenté par la relation suivante Y) =f -max *sin W t ( 2) En établissant la différentielle par rapport au temps, on définit de la façon suivante la vitesse angulaire momentanée du gyroscope à laser annulaire = f max * W cos W t, ou ( 3) dt max = cos W t avec N max 5 max ( 3 a) La réponse des signaux * et Q représentée sur les figures 2 a et 2 b En référence à ces figures et à l'équa- tion ( 3 a), le temps non-mort pour un quart de la période d'oscillation angulaire est représenté comme suit: 4 = l c ton mort t _= arc cos (QL ( 4) non mort Q max 1. = arc cos( L) $ maxw Puisque le temps total de mesure ttotal est- représenté par T = 1 T, la relation entre le temps non-mort et le temps total de mesure se présente comme suit: V non-mort 2 arc cos Q 5 v t total ? max La relation entre le temps total de mesure et le temps mort est alors défini par l'expression suivante: t V = =tk I(l-V) -1 ( 6) tmort 6 L'équation ( 5) montre que, pour une oscillation angulaire sinusoidale, l'amplitude d'oscillation f max ' et la fréquence d'oscillation cyclique W = 2 t V doivent être rendues aussi grandes que possible pour atteindre un maximum pour le temps non-mort La valeur V* résultant de l'équation ( 6) constitue un coefficient de qualité important pour un gyroscope à laser annulaire. L'invention a en conséquence pour but d'améliorer le coefficient de qualité V* pour un gyroscope à laser annu- laire, c'est-à-dire d'améliorer la relation entre le temps total de mesure et le temps mort Ce problème est résolu en ce que le dispositif transmettant une oscillation angulaire à un trajet de laser pour empêcher un effet de verrouillage comprend un moteur qui est efficacement verrouillé-avec le laser. Le dispositif d'entratnement qui, conformément à l'invention, est effectivement verrouillé avec le gyroscope à laser annulaire, est de préférence un moteur linéaire piezoélectrique Lorsqu'un tel dispositif d'entraînement 251874 i entre en contact avec un support du gyroscope à laser annulaire agencé sous la forme d'un ressort de torsion, et lorsque ce ressort de torsion est sollicité, le gyroscope suit alors le mouvement imposé par le moteur, ce mouvement pouvant diffé- rer de la forme sinusoïdale et l'amplitude d'oscillation ainsi que la fréquence d'oscillation cyclique pouvant atteindre des valeurs maximales. D'après le périodique "Mikrowellen Magazin", volume 5, 1980, page 422, on sait déjà obtenir une sollicita- tion rectangulaire à la place de la forme sinusoïdale en pré- voyant et en commandant en correspondance un miroir magnétique dans le trajet de laser Cependant, ces miroirs magnétiques, de même que des cellules de Faraday pour d'autres raisons, diminuent l'efficacité du gyroscope à laser. D'autres avantages et caractéristiques de l'inven- tion seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est un graphique montrant l'effet de verrouillage, les figures 2 a et 2 b sont des graphiques donnant le temps mort par rapport au temps de mesure dans un mouvement d'oscillation sinusoïdal les figures 3 a et 3 b sont respectivement une- vue en plan et une vue en coupe du gyroscope à laser annulaire conforme à l'invention; les figures 4 a et 4 b représentent deux moteurs- superposés piézoélectriques qui sont utilisables pour produire le mouvement d'oscillation, et les figures 5 a et 5 b sont des graphiques donnant la relation entre le temps mort et le temps de mesure pour un gyroscope à laser annulaire auquel une oscillation est impartie conformément à l'invention. En référence aux figures 3 a et 3 b, le gyroscope à laser annulaire réel se compose d'un bloc 10 de forme trian- gulaire qui est constitué de "zerodur" et dans lequel une ampoule laser est intégrée, avec insertion modulaire réalisée d'une manière connue, ledit gyroscope comprenant un trajet de forme triangulaire pour les ondes lumineuses, ce trajet n'étant cependant pas représenté Dans les parties d'onde du bloc 10 en "zerodur", il est prévu trois miroirs associés à des moyens d'entraînement piezoélectrique et servant de réflecteurs pour équilibrer la longueur du résonateur qui est représenté par les blocs 11, 11 ' et 11 " Sur l'un de ces miroirs, il se produit en outre un découplage des trains d'ondes lumineuses. Le bloc 10 en "zérodur" est maintenu entre des disques 12 et-13 La fixation est assurée dans ce cas dans la zone marginale à l'aide des disques comportant une plus grande épaisseur dans leurs zones marginales Pour obtenir le comportement d'un ressort de torsion, les deux disques sont pourvus d'évidements 15, espacés par des nervures 14 et répartis sur un cercle Les disques sont de préférence formés de métal. Un bloc de montage stationnaire 16 comprend une tige filetée centrale 17 orientée vers le haut Le disque inférieur 13 est engagé par glissement sur la tige filetée par l'intermédiaire d'un trou central et il est fixé sur le bloc de montage 16 au moyen des vis 18 Un gradin 19 prévu sur le bloc de montage 16 empêche un contact entre le disque inférieur 13 et le bloc de montage 16 dans une zone qui s'étend radialement vers l'extérieur à partir des évidements Le disque inférieur 13 comprend au moins un bras 20, s'étendant radialement vers l'extérieur et entraîné par un moteur 21 dans une direction tangentielle en poussée ou en traction Le disque supérieur 12 comprend un trou central fileté à l'aide duquel il-est vissé sur la tige filetée 17 de manière à maintenir le bloc de "zerodur" 10 entre lui et le disque inférieur 13 dans la zone marginale, le bloc de "zerodur" 10 étant engagé par glissement, au moyen d'une ouverture centrale 22, sur la tige filetée 17. En principe, plusieurs moteurs 21, 21 ' et 21 " entraînés en synchronisme pourraient solliciter plusieurs bras 20, 20 ', 20 " s'étendant radialement; cependant on a trouvé qu'un seul moteur linéaire piézoélectrique 21 était suffisant pour produire le mouvement d'oscillation Ainsi le ressort de torsion 12,13-est légèrement sollicité de manière qu'il se produise un mouvement sans à-coups et avec verrouil- lage positif du bloc. Comme moteurs, on utilise des dispositis piezo- électriques d'entraînement empilés transversalement 21, comme indiqué sur les figures 4 a et 4 b Ces dispositifs d'entrai- nement produisent de très grandes forces de déplacement de sorte qu'ils peuvent agir en opposition à des charges élevées sans qu'il se produise une réduction notable du déplacement. En conséquence, lors de l'utilisation des dispositifs d'en- traînement 21, le ressort de torsion 12, 13 peut être dimen- sionné de façon extrêmement compacte de façon qu'on puisse obtenir, grâce à l'orientation du taux d'élasticité par compa- raison à des moteurs oscillants connus, une bien plus grande fréquence de résonance du système et que le système puisse avantageusement fonctionner en dessous de la fréquence de résonance. En renonçant intentionnellement à une augmentation de résonance du fait de la grande force de déplacement du moteur, on peut également obtenir unie amplitude suffisante en dessous de la fréquence de résonance et, a cet égard, un - mouvement d'entraînement différent de la forme sinusoïdale s'est avéré particulièrement avantageux. Conformément à l'invention, un mouvement oscillant de profil triangulaire en dessous de la fréquence de résonance du pendule rotatif est proposé et peut être établi par une incurvation de profil approprié de la tension entraînant le moteur piézoélectrique (pré-programmé ou bien à l'aide d'un circuit de commande) ainsi que par une atténuation, choisie de façon appropriée, du pendule rotatif. En référence aux-figures 5 a et 5 b, on peut se rendre compte qu'avec une telle commande, on obtient une réduction remarquable du temps mort du gyroscope par rapport au comportement connu mis en évidence sur les figures 2 a et 2 b Sur les figures 5 a et 5 b, chaque courbe en trait plein représente la réponse idéale tandis que la courbe en trait interrompu représente la réponse effective de l'angle de rota- tion et de la vitesse de rotation en fonction du temps. Pour empêcher une accumulation d'un signal d'erreur pour une séquence périodique des intervalles de verrouillage et-pour certaines-vitesses de rotation d'entrée, l'oscillation triangulaire peut être avantageusement modulée Ce résultat- peut être obtenu par une modulation de fréquence symétrique, avec distribution stochastique, de -l'oscillation triangulaire ( A 141,1 -1) et/ou par une modulation d'amplitude de l'oscil- lation triangulaire au moyen d'une petite composante d'oscil- lation apparaissant de façon aléatoire - Il est à noter que le temps-mort du gyroscope atteint un minimum si le gyroscope oscille à la fréquence périodique minimale possible de l'oscillation triangulaire -et si, d'autre part, le pendule rotatif mécanique a une fréquence intrinsèque aussi élevée que possible Le temps- mort est alors déterminé par la forme réelle du sommet trian- gulaire, le rayon de courbure de ce sommet n'étant pas aussi grand que le sommet sinusoïdal dans le cas de résonances. Par comparaison aux gyroscopes à laser connus jusqu'à mainte- nant, le facteur de qualité mentionné initialement peut être augmenté d'un degré de l'ordre de deux puissances de dix. Bien qu'une oscillation de forme triangulaire du support de gyroscope endessous de la fréquence de résonance donne des résultats particulièrement bons, il est à noter que, l'oscillation de profil sinusoldal à la fréquence de résonance permet également d'obtenir une amélioration impor- tante par rapport aux gyroscopes connus puisque le moyen piézoélectrique d'entraînement tangentiel est capable-d'agir en opposition à des forces élastiques élevées de sorte que, pour une amplitude d'oscillation ayant approximativement la même grandeur, on obtient une fréquence de résonance bien supérieure. REVENDICATIONS 1 Gyroscope à laser annulaire comprenant un moyen pour transmettre une oscillation angulaire à un trajet-de laser en vue d'empêcher un effet de verrouillage, caracté- risé en ce que ledit moyen comprend un moteur ( 21) verrouillé efficacement avec le laser ( 10). 2 Gyroscope à laser annulaire selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce qu'il est prévu: a) un support ( 12,13) pour le laser ( 10), agencé sous forme d'un ressort de torsion, et b) au moins un moteur linéaire piézoélectrique ( 21) sollicitant tangentiellement le support ( 12,13). 3 Gyroscope à laser annulaire selon la revendica- tion 2, caractérisé par une stimulation du moteur linéaire ( 21) par une oscillation différant du profil sinusoldal et comportant des intervalles d'inversion raccourcis par rapport à l'oscillation de profil sinusoïdal. 4 Gyroscope à laser annulaire selon la reven- dication 2, caractérisé par une sollicitation du support ( 12,13) dans la position de repos du moteur linéaire pïezo- électrique ( 21). Gyroscope à laser annulaire selon la revendica- tin 2, caractérisé en ce que le moteur linéaire piezoélectri- que est agencé sous forme d'un dispositif d'entraînement à empilage ( 21). 6 Gyroscope à laser annulaire selon la revendica- tion 3, caractérisé en ce qu'une oscillation a une forme triangulaire en fonction du temps. 7 Gyroscope à laser annulaire selon la revendi- cation 6, caractérisé en ce que la fréquence de stimulation est choisie inférieure à la fréquence de résonance du gyros- cope monté élastiquement ( 10). 8 Gyroscope à laser annulaire selon la revendi- cation 6, caractérisé par une modulation de fréquence symé- trique avec distribution stochastique, de l'oscillation de forme triangulaire. 9 Gyroscope à laser selon la revendication 6, caractérisé par une modulation d'amplitude de l'oscillation de forme triangulaire au moyen d'une petite composante d'oscillation apparaissant de façon aléatoire.