Brevet FR2512947A1 — publié le 19830318

La présente invention se rapporte, d'une manière générale, aux gyros- copes et concerne plus particuliërement les dispositifs de suspension des gyroscopes à laser en anneau. En général, un gyroscope à laser en anneau comprend des miroirs dans le centre desquels sont formées des cavités le long desquelles les rayons laser sont réfléchis Or, un rayon qui frappe un miroir donné, n'est qu'imparfaitement réfléchi par celui-ci a cause des imperfections ou des irrégularités normales de sa surface En effet, il se produit un certain degré de diffusion rétrograde ou de rétrodiffusion Ceci a pouar effet de faire dis- paraître la fréquence de battement entre les deux rayons lorsque la rotation inertielle est faible Ce phénomène, connu sous le nom de "accrochage" est connu depuis un certain temps et on y a remédié en imprimant au corps du gyroscope des oscillations angulaires (branlement) Les moyens pour produire ce branlement comprennent généralement un aetionneur piézo-électrique relié a la suspension du gyroscope et qui imprime au corps de celui-ci un mouvement d'oscillation angulaire a la fréquence de résonance mécanique naturelle de la suspension Ce branlement se superpose à la rotation réelle du gyroscope dans l'espace inertiel La technique antérieure propose diverses solutions pour récupérer les données de rotation inertielles débarrassées du branlement, mais ceci ne concerne pas directement la présente invention -. Un certain nombre de systèmes de suspension à torsion ont été imaginés pour monter un gyroscope à laser en anneau de façon qu'il puisse être soumis au branlement C'est ainsi qu'un procédé antérieur dé suspension utilise deux ressorts de torsion en forme tde roue de wagon qui sont précontraints, de sorte que le corps de gyroscope est interposé entre les suspensions Les performances d'un tel ensemble sont loin d'être optimales lorsqu'il est exposé à une gamme étendue de températures Du fait de la désadaptation des coefficient de dilata- tion des matières constituant la suspension et le corps du gyroscope, ainsi que par suite de la friction importante aux interfaces de la suspension et du corps, on se heurte à des problèmes de collage et de dérapage Il en résulte des variations imprévisibles de la longueur du trajet, ainsi que de grandes inclinaisons qui se traduisent par des variations du taux de dérive du gyroscope. De plus, les grandes variations de la longueur du trajet qui résultent d'un tel type de suspension compliquent la réalisation des transducteurs qui règlent la longueur du trajet et qui doivent être utlisés pour compenser ces variations de longueurs du trajet. Une solution technique plus récente propose de monter une suspension de torsion en roue de wagon dans un alésage central qui est réellement formé dans le corps d'un gyroscope à laser en anneau Bien qu'un tel arrangement ait certains avantages, on a constaté que la dilatation de la matière de suspension déformait le corps du gyroscope et que la longueur du trajet variait avec la température De plus, une suspension de torsion en roue de wagon peut avoir pour Onséquence que le corps du gyroscope n'a plus suffisamment de matière pour s'opposer au baseulement sagittal qui résulte des variations thermiques et qui se traduit par des erreurs dans le signal de sortie du gyroscope en question. La présente invention itilise une suspension simple collée dans un alésage cylindrique formé axialement dans la partie centrale du corps d'un gyroscope Les forces de contact entre la suspension et le corps réalisent une condition grâce à laquelle la longueur du trajet reste relativement inchangée lorsque la suspension se dilate ou se contracte dans les limites de la gamme des températures de fonctionnement La suspension de torsion de la présente invention comprend un certain nombre d'ailes espacées angulairement qui présen- tent des fentes radiales pour permettre un mouvement de torsion du gyroscope autour de la suspension Un certain nombre de segments arqués pontent l'espace entre les ailes et la surface en regard de l'alésage et sont collés à cette surface pour fixer la suspension En disposant judicieusement les segments arqués de la suspension dans l'alésage, les effets de la dilatation thermique de cette dernière sont réduits à un minimum, inhibant ainsi les déformations du corps du gyroscope, ainsi que les variations de la longueur-du trajet avec la température De plus, en utilisant une suspension centrale unique, au lieu des suspensions en roue de wagon jumelées décrites ci-dessus, on élimine le collage et le dérapage dans les limites de la gamme de températures de fonction- nement De plus, la structure compacte de la présente suspension assure la présence dans le corps du gyroscope de suffisamment de matière pour augmenter la stabilité sagittale(ou de basculement) du gyroscope A tous ces avantages, comparativement à la technique antérieure, s'ajoute celui d'un prix de revient plus bas du dispositif de la présente invention. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, en référence au dessin annexé, sur lequel: la figure 1 est une vue en coupe d'un gyroscope à laser en anneau de la technique antérieure; la figure 2 A est une vue schématique d'une suspension de gyroscope dans lequel la longueur du trajet augmente avec la température; la figure 2 B est une vue schématique d'une suspension de gyroscope dans laquelle la longueur du trajet diminue quand la température augmente, la figure 2 C est une vue schématique d'une suspension de gyroscope dans lequel la longueur du trajet reste pratiquement inchangée quand la tempéra- ture augmente ou diminue; la figure 3 est une vue en plan d'une suspension de torsion conforme à l'invention pour un gyroscope à laser en anneau; et la figure 4 est une vue en élévation de la présente suspension de torsion. Afin de former une base de discussion pour la présente invention, il convient de se référer à la figure 1 qui illustre un gyroscope à laser et à anneau de la technique antérieure qui a été désigné en son entier par la ré- férence 1 Ce gyroscope comprend un corps triangulaire 10 en verrecéramique. Des cavités tubulaires 6, 7 et 8 s'étendent le long des c 6 tés du triangle et contiennent un mélange de gaz, par exemple, d'hélium et de néon Des cavités 2, 3 et 4 relient les cavités tubulaires, formant ainsi une cavité continue. Un miroir 12, hautement réfléchissant, entoutre le coin supérieur du gyroscope, un miroir similaire 13 entourant sont extrémité inférieure de gauche Un miroir de sortie 14 entoure le coin inférieur de droite du gyroscope Une partie du miroir de sortie 14 est formée par un miroir semiargenté 21 La combinaison de miroirs 14, 21 réfléchit la lumière qui la frappe, tout en permettant à cette lumière de sortir par le coin inférieur de droite du gyroscope. Une première anode 15 est montée sur le corps 10 du gyroscope et com- munique avec la cavité 6 Une seconde anode 16 est montée de la même façon sur le corps 10 du gyroscope Une cathode 17 est montée sur le bord' inférieur du corps 10 du gyroscope et communique avee la cavité correspondante 8 Quand on alimente en énergie électrique les anodes et la cathode, une émission de lumière cohérente se produit dans le mélange d'hélium et de niéon, ce dont résulte des faisceaux laser circulant respectivement dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens contraire à l'intérieur des cavités interconnectées 6, 7 et 8. Une suspension radiale à torsion 18 est montée entre un pilier de support 19 et le corps 10 du gyroscope A cause des imperfections normales de la surface des miroirs 12, i 3 et 14, les faisceaux lumineux qui frappent l'un des miroirs né sont qu'imparfaitement réfléchisvers la cavité adjacente En effet, il se pro- duit une certaine diffusion rétrograde ou rétrodiffusion qui se traduit par la disparition de la fréquence de battements entre les deux faisceaux aux faibles mouvements inertiels de rotation Ce phénomène est connu sous le nom de "effet d'accrochage" Ce problème a été résolu en imprimant au corps 10 du gyroscope des oscillations angulaires (branlement) Les moyens pour produire ce branlement comprennent normalement un actionneur piézoélectrique (non représenté) relié à la suspension 18 et qui imprime au corps 10 un mouvement angulaire d'oscilla- tion à sa fréquence de résnnane mecanique naturelle. Le branlement se suppose au mouvement réel de rotation du gyroscope dans l'espace inertiel En conséquence, il est nécessaire de récupérer les données relatives à la rotation inertielle débarrassées du branlement Un certain nombre de techniques antérieures visent à la récupération des données relatives à la rotation inertielle, mais elles ne concernent pas directement la présente invention. Les points de contact entre une suspension et la surface en regard du corps du gyroscope sont critiques du point de vue des variations de longueur du trajet dues aux changements de la température En se référant à la figure 2 A, on voit trois points de contact a, b et c destinés à transmettre des forces déformantes au corps du gyroscope 1 de façon à déplacer ces miroirs 12 13 et 1 o 14 vers l'extérieur Cet effet indésirable augmente lorsque l'articulation se dilate à la suite d'une température de fonctionnement élevée Le contraire se serait produit dans l'éventualité d'une contraction de la suspension due à des températures de fonctionnement plus basses La figure 2 B illustre la trans- mission des forces déformantes dans le corps du gyroscope en supposant trois points de contact entre celui-ci et la suspension, comme indiquée en ô, b et c. On conçoit, en considérant la figure 2 B, que chacune des forces a, b et c s'est décalée d'environ 600 par rapport à la figure 2 A Le résultat de la distribution des forces représentée sur la figure 2 B est que les miroirs 12, 13 et 14 sont refoulés radialement vers l'intérieur à cause de la tendance des cotés du corps triangulaire du gyroscope de s'incurver vers l'extérieur La r 6 eultante est un raccourcissement de la longueur du trajet lorsque la suspension se dilate Le contraire se produit lorsque la suspension se contracte en réponse à un abais- sement de la température de fonctionnement La figure 2 C illustre une situation dans laquelle la suspension centrale est soumise à des forces plus uniformément distribuées en provenance de la suspension en dilatation du corps du gyroscope. La distribution des forces représentées sur la figure 2 C a pour résultat que la longueur du trajet reste pratiquement inchangée lorsque lasuspension se dilate ou se contracte Ce mode de distribution des forces est réalisé par la présente invention que l'on se propose de décrire maintenant-'en détail. En se référant aux figures 3 et 4, on voit une suspension de torsion conforme à la présente invention placée au centre de l'alésage cylindrique 22 formé au centre du corps 10 d'un gyroscope à laser 1 Comme on le voit, la suspension 20 comprend trois ailes en forme de secteur circulaire 2 h, 26, 28 formées dans un cylindre Ces ailes sont symétriques et sont espacées entre elles de 1200 Entre les surfaces en regard des ailes adjacentes sont inter- posés des segments arqués 30, 32 et 34 formés dans le cylindre et quipontent l'intervalle entre l'alésage 22 et les ailes de la suspension Entre les sur- faces en regard des ailes s'étendent des ouvertures triangulaires 36, 38 et 40. En considérant l'aile 28, on remarque qu'une gorge 41 a été formée dans la paroi cylindrique de chaque aile, créant ainsi au somnet et à la base de la suspension des surfaces pour venir en contact avec l'alésage 22 Des fentes radiales 44 et 48 sont formées dans 1 Ea matière des ailes Ces fentes sont situées immédiatement à l'intérieur de l'interface entre l'aile et l'ou- verture correspondante 40, 36 La formation de ces fentes dans les ailes ren- force l'élasticité de torsion de la suspension pendant les branlements du corps du gyroscope 1, par rapport à la suspension 20. Dans un mode de réalisation préféré, les fentes 44 et 48 sont formées par des électrodes EDM (non representées) qui traversent la matière des ailes, conformément à la technique classique Un trou de guidage 42 est forme dans l'aile, à proximité d'un segment arqué 32 qui permet de placer correctement un outil de guidage EDM Pour maintenir une symétrie équilibrée, un second trou 46 est formé dans chaque aile Ce trou n'a pas d'autre fonction Des ouvertures agrandies, comme indiqué en 50, sont formées dans la région centrale de chaque aile, ce qui permet de fixer celle-ci à une enveloppe de gyroscope (non repré- sentée), d'une manière symétriquement équilibrée. En disposant et en dimensionnant judicieusement les aires de contact des segments arqués 30, 32 et 34, par rapport à l'ale Jsage central 22, on obtient la distribution uniforme des forces discutée en regard de la figure 2 C Quand cette condition est satisfaite, les variations de longueurs du trajet en réponse à une dilatation ou à une contraction de la suspension sous l'effet des change- ments de la température ambiante sont réduites à un minimum. On peut trouver la position optimale de la suspension en modifiant légèrement la position angulaire dans chaque direction, par rapport à celle représentée sur la figure 3 Quand la position optimale ou de "zéro" a été établie, tout déplacement dans une direction angulaire se traduit par un allonge- ment de la longueur du trajet en réponse à une dilatation thermique de la sus- pension, tandis qu'un déplacement de cette dernière dans une direction angulaire opposée, à partir de la position de zéro, a pour résultat de raccourcir la longueur du trajet en réponse à une dilatation thermique de la suspension. Les matières utilisées pour la suspension doivent avoir les propriétés suivantes: elles doivent être isolantes, avoir une faible dilatation thermique et doivent être imperméables à l'hélium Dans un mode de réalisation préféré, la matière utilisée est "l'Invar". Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'exemple de réalisation représenté et décrit, sans sortir pour autant du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Suspension de gyroscope de forme générale cylindrique placée dans un alésage ( 22) formé dans le corps ( 1) du gyroscope, caractérisée en ce qu'elle comprend un certain nombre de segments ( 30, 32, 34) espacés symétrique- ment qui soustendent une aire prédéterterminée pour réaliser -un contact fixe avec l'alésage ( 22). 2 Suspension de gyroscope selon la revendication 1, caractériséeen ce qu 'èlle comprend un certain nombre de sections ( 24, 26, 28) symétriquement espacées fixées aux segments ( 30, 32, 34) et s'étendant radialement par rapport à ceux-ci, les sections ( 24, 26, 28) ayant des fentes longitudinales ( 44) pour permettre un déplacement angulaire ou un mouvement d'oscillation du gyroscope autour de la suspension. 3 Suspension de gyroscope selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend des ouvertures espacées symétriquement ( 36, 38, 40) entre les sections adjacentes ( 24, 26, 28) de la suspension et qui s'étendent radiale- ment du centre de cette dernière. 4 Suspension de gyroscope selon la revendication 1, caractérisée en ce que des ouvertures ( 46) sont prévues dans les sections ( 24, 28) pour fixer la suspension à l'enveloppe du gyroscope. 5 Suspension de gyroscope selon la revendication 2, óaractérisée en ce qu'elle comprend des ouvertures ( 36, 38, 40) espacées symétriquement entre les sections adjacentes ( 24, 26, 28) et qui s'étendent radialement du centre de la suspension. 6 Suspension de gyroscope selon la revendication 5, caractérisée en ce que des ouvertures ( 46) sont formées dans les sections ( 24-28) pour fixer celles-ci à l'enveloppe du gyroscope. 7 Gyroscope à laser en anneau, caractérisé en ce qu'il comprend un corps ( 1) ayant une forme générale triangulaire; un alésage axial ( 22) formé au centre du corps ( 1); une suspension de forme générale cylindrique logée dans le corps ( 1), cette suspension comprenant un certain nombre d'ailes radiales espacées ( 24, 26, 28) pour la fixation au-Corps ( 1) du gyroscope; des fentes ( 44) d'étendant longitudinalement dans les ailes ( 24-28) pour per- mettre au corps ( 1) d'osciller par rapport à la suspension; et un certain nombre de segments arqués ( 30,32, 34), chaque segment pontant deux ailes adjacentes ( 24, 26, 28) et s'étendant radialement vers l'extérieur pour venir en contact avec l'alésage ( 22), les segments ( 30- 34) soustendant des aires de contact prédéterminées avec l'alésage ( 22) et ayant une orientation prédéter- minée par rapport aux sommets du corps triangulaire ( 1). 8 Gyroscope selon la revendication 7, caractérisé en ce que les fentes ( 44) s'étendent radialement et à proximité des bords radiaux des ailes ( 24-28). 9 Gyroscope selon la revendication 8, caract 9 risg en ce qu'une rainure arquée ( 41) est formée dans la paroi cylindrique de chaque aile ( 24, 26, 28), produisant ainsi des aires de contact avec l'alésage aux extrémités opposées de la suspension.