Brevet FR2525343A1 — publié le 19831021

La présente invention se rapporte, d'une manière générale, aux gyroscopes à laser en anneau et concerne plus particulièrement un gyroscope monolithique à laser en anneau à trois axes. Jusqu'à présent, des gyroscopes à laser en anneau séparés ont été utilisés pour obtenir des informations de rotation par inertie suivant des coordonnées fixes du corps Le principal inconvénient de la solution consistant à utiliser trois gyroscopes séparés, montés suivant des axes orthogonaux, est la complexité et l'encombrement. Le brevet américain no 3 503 688 décrit un gyroscope à laser en anneau monolithique o les trois axes sont usinés dans un bloc de quartz Ce gyroscope utilise une configuration triangulaire avec un total de neuf miroirs réfléchissants Chaque gyroscope individuel utilise ainsi trois miroirs Le plasma et le remplissage de gaz est commun aux trois gyroscopes Cette struc- ture monolithique est beaucoup moins volumineuse, mais reste encore relative- ment compliquée dans sa construction, du fait du grand nombre de miroirs uti- lisés. La présente invention décrit un gyroscope à laser en anneau à trois axes ayant une structure monolithique Le but principal de ce dispositif est de constituer un moyen simple, sû r et peu coûteux pour détecter par inertie une rotation autour de trois axes mutuellement perpendiculaires La présente invention n'utilise que six miroirs au lieu des neuf miroirs nécessaires dans le dispositif du brevet précité. De plus, l'invention n'utilise qu'un seul corps monolithique au lieu des trois généralement utilisés Avec l'invention, un seul mécanisme de vibra- tion ou de "branlement" suffit, alors qu'il en faut généralement trois pour les gyroscopes à laser en anneau séparés Ainsi, le volume occupé par la struc- ture selon l'invention est sensiblement plus petit que celui qui aurait été nécessaire avec trois gyroscopes séparés De par sa nature, la présente inven- tion représente un dispositif plus stable du point de vue mécanique que celui pouvant être réalisé en utilisant des gyroscopes à laser individuels. Les avantages qui découlent de la présente invention sont rendus pos- siblespar l'utilisation de six miroirs interconnectés par des perçages formant des cavités optiques Chaque cavité renferme quatre miroirs et les perçages interconnectant les miroirs sont dans une relation coplanaire Trois plans mutuellement orthogonaux intersectent les miroirs, de sorte que chaque miroir est situé dans deux des trois plans Chaque plan comprend des segments ortho- gonaux d'une trajectoire de faisceaux carrée En conséquence, trois trajectoires de faisceaux orthogonales ou perpendiculaires, ayant chacune une configuration carrée, détectent les mouvements des trois axes du gyroscope. 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 représentation schématique d'un gyroscope à laser en anneau monolithique à trois axes conforme à l'invention; et la figure 2 est une perspective schématique éclatée de ce gyros- cope, montrant les anodes, les cathodes et les ressorts de suspension. En se référant à la figure 1, on voit une illustration schématique de l'invention Dans le gyroscope qui en fait l'objet, des miroirs 1-6 sont respectivement placés au centre de chaque face d'un cube Ce cube a été usiné de manière qu'un perçage de petit diamètre relie les miroirs voisins, comme représenté Une cavité optique fermée est délimitée entre quatre miroirs placés dans un même plan et qui sont interconnectés par des perçages Au total, trois cavités optiques sont formées entre les miroirs, de la manière suivante 2, 5, 4, 6; 1, 5, 3, 6; et 1, 2, 3, 4 La cavité délimitée par ces perçages est remplie avec un mélange d'hélium et de néon dans lequel se produit l'effet laser en réponse à une excitation électrique qui sera précisée par la suite. Dans la structure représentée sur la figure 1, il y a trois trajec- toires de faisceaux mutuellement perpendiculaires, dont chacun sert à détec- ter une rotation angulaire autour d'un axe différent Ces trajectoires de faisceaux peuvent être délimitées par les cavités optiques mentionnées plus haut entre les miroirs 2, 5, 4 et 6; 1, 5, 3 et 6; et 1, 2, 3 et 4 La figure 1 illustre le fait que chaque miroir est incorporé dans la trajectoire du faisceau de deux plans perpendiculaires ou orthogonaux En d'autres termes, chaque miroir est utilisé pour deux gyroscopes orthogonaux respectivement associés à deux axes différents. Des calculs préliminaires indiquent qu'il est préférable que trois miroirs soient plats et que les trois restants soient sphériques En variante, les six miroirs pourraient tous être sphériques Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, tous les miroirs ont un rayon de courbure relativement long généralement de 1 à 10 mètres. En continuant à se référer à la figure 1, on remarque que les perçages entre les miroirs définissent des segments des trajectoires de faisceaux le long desquels cheminent les rayons laser Comme il est d'usage dans les gyros- copes à laser en anneau, chaque gyroscope comporte un rayon laser se propageant dans des directions opposées Toutes différences de fréquences dans ces deux faisceaux lumineux représentent une rotation inertielle Pour éviter les dif- ficultés qui résultent du problème bien connu "d'accrochage", on déplace le laser légèrement autour d'un axe qui est commun aux trois gyroscopes Ce dé- placement qui est une vibration angulaire imposée au corps des gyroscopes est un moyen universellement adopté pour éviter cet effet d'accrochage L'axe de déplacement de la structure représentée sur la figure 1 s'étend entre les références numériques 7 et 8. En se référant à la figure 2, on voit comment peut être arrangéeune suspension à ressort pour un tel déplacement Les deux ressorts 10 et 11 sup- portent le gyroscope à laser en anneau suivant l'axe 7, 8 Ces ressorts sont bien connus dans la technique et comportent un détecteur piézo-électrique et un moteur qui est relié à un servo-amplificateur pour faire vibrer le cube autour de l'axe 7, 8 Les composants de la suspension de vibration sont uni- versellement connus dans la technique et pour cette raison, ne seront pas dé- crits davantage ici Chaque section de gyroscope de l'invention, correspondant à l'un des trois trajets des faisceaux, détecte une grande partie de la rota- tion angulaire autour de l'axe 7, 8 à un degré suffisant pour éviter l'effet d'accrochage. Le perçage 12 est coaxial à l'axe 7, 8 Des cathodes 13 et 14 sont fixées aux faces correspondantes du corps du cube dans l'alignement des ouver- tures du perçage 12 En variante, une seule cathode pourrait être logée à l'intérieur du perçage 12 Chacun des ressorts de branlement 10 et 11 peut présenter une ouverture annulaire centrale 10 a et lia destinée à faciliter sa fixation au corps du cube Les bords extérieurs des ressorts 10 et 11 sont fixes pendant que le gyroscope monolithique est soumis à son mouvement de vibration ou de branlement. De courts perçages 15, 16 et 17 permettent au perçage 12 et aux cathodes 13, 14 de communiquer avec chacune des trois trajectoires de faisceaux. Des lignes doubles ont été utilisées sur la figure 2 pour indiquer les trajec- toires des plasmas qui sont symétriques par rapport aux perçages 15, 16 et 17 des cathodes. Les anodes du gyroscope à laser monolithique sont désignées par les références numériques 18-23 Les sections de trajectoires dans lesquelles les anodes sont placées sont, de préférence, symétriques à la fois aux cathodes (comme il a été indiqué) et à la forme du mode de laser En d'autres termes, la polarisation induite par le courant de Langmuir ne peut pas être équilibrée. Cette exigence est facilitée par l'utilisation de six miroirs ayantle même rayon. Chacune des trois trajectoires de faisceau du gyroscope monolithique doit être tenue à une longueur constante pour assurer un fonctionnement correct comme c'est le cas dans les gyroscopes à laser en anneau classiques Ceci est réalisé de deux manières: premièrement, le corps du gyroscope est fabriqué dans une matière à faible coefficient de dilatation, telle que le "Cervit" ou "Zerodur" Deuxièmement, on s'arrange pour que les trois miroirs 2, 3 et 5 soient mobiles, permettant ainsi d'ajuster la longueur du trajet de chaque faisceau en accord avec les principes bien connus établis par la technique antérieure Ceci va être expliqué en regard de la représentation schématique simplifiée de la figure 2 Par exemple, quand on désire raccourcir le trajet du faisceau entre les miroirs 2, 5, 4 et 6, on pousse vers l'intérieur les miroirs 2 et 5 d'une quantité élémentaire 8, en déplaçant en même temps vers l'extérieur le miroir 3 D'une manière analogue, les autres faisceaux exté- rieurs peuvent être ajustés individuellement de façon que la longueur de chacun d'eux reste constante, en dépit des variations de la température, de l'accélé- ration, etc. Pendant le fonctionnement du gyroscope à laser en anneau, chacune des trois trajectoires de faisceaux 2, 5, 4, 6; 1, 5, 3, 6; et 1, 2, 3, 4 est encerclée par deux faisceaux contrarotatifs La fréquence de battement entre ces faisceaux peut être mesurée avec un combinateur de faisceaux classique attaché respectivement aux miroirs b, 6 et 1, comme indiqué sur la figure 2. Le courant de plasma circulant dans chacun des lasers en anneau peut être réglé individuellement en modifiant les niveaux de la tension des anodes 18-23, exactement comme on le fait dans un gyroscope à laser en anneau classi- que simple. Grâce à la présente invention, un perfectionnement peut être apporté à l'état de la technique antérieure Peu de composants sont nécessaires, ce dont résulte un ensemble moins compliqué, moins coûteux et plus faible L'in- vention permet de réaliser un ensemble extrêmement compact du fait que l'es- pace est partagé simultanément entre les trois trajectoires de faisceaux Le cube du gyroscope à laser en anneau est, du point de vue mécanique, plus stable que trois gyroscopes individuels, dont chacun est affecté à un axe différent. Même si l'on compare le gyroscope monolithique de la présente inven- tion à celui du brevet cité plus haut, on voit que la présente invention assure une meilleure utilisation de l'espace disponible du fait de l'utilisation de cavités carrées au lieu de cavités triangulaires La présente configuration réduit aussi à un minimum le nombre des miroirs nécessaires. 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 Gyroscope à laser en anneau monolithique pour détecter les mouve- ments de rotation inertiels suivant trois axes, caractérisé en ce qu'il com- prend: un corps tridimensionnel des miroirs( 1-6)placés sur les faces de ce corps et disposés symétriquement les uns par rapport aux autres; des perçages ( 15, 16, 17) renfermant un gaz à effet laser et reliant chaque miroir ( 1-6) à un nombre prédéterminée d'autres miroirs ( 6-1) afin de former des cavités optiques, chaque cavité ayant des miroirs ( 1-6) espacés reliés à celle-ci, ce dont résulte trois plans mutuellement orthogonaux inter- sectant les miroirs, chaque plan incluant une cavité optique orthogonale ou perpendiculaire aux autres cavités optiques; des moyens ( 10, 11) pour suspendre ledit corps; et des moyens ( 13, 14) pour détecter les différences de fréquences des faisceaux laser contrarotatifs circulant dans chacune des cavités, chacune de ces différences de fréquences correspondant à une rotation inertielle du corps autour d'un axe perpendiculaire au plan d'une cavité optique correspon- dante. 2 Gyroscope à laser selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend, au moins une cathode ( 13, 14) et un certain nombre ( 1823) d'anodes fixées au corps; et des perçages ( 15, 16, 17), formés dans le corps, pour transmettre de l'énergie électrique entre les cathodes et les anodes. 3 Cyroscope à laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que son corps a la forme d'un cube et en ce que les moyens de suspension sont des ressorts ( 10,11) reliés à ce corps afin de permettre de faire osciller ou de "branler" celui-ci autour d'un axe s'étendant en diagonale à travers le corps du cube. 4 Cyroscope à laser selon la revendication 2, caractérisé en ce que son corps a la forme d'un cube et en ce que les moyens de suspension ( 10,11) sont des ressorts reliés à ce corps pour permettre de faire osciller ou de "branler" celui-ci autour d'un axe s'étendant en diagonale à travers ledit corps. Gyroscope à laser en anneau monolithique pour détecter une rotation inertielle autour de trois axes caractérisé en ce qu'il comprend un corps cubique un miroir ( 1-6) placé au centre de chaque face du cube des perçages formés ( 15, 16, 17) à l'intérieur dudit corps entre chaque miroir ( 1-6), chaque groupe de quatre miroirs formant une cavité opti- que contenant un gaz à effet laser; trois plans mutuellement orthogonaux passant par les miroirs ( 1-6), chaque plan incluant une cavité optique entourant une trajectoire de faisceaux orthogonale ou perpendiculaire aux autres trajectoires de faisceaux; un perçage ( 12) rempli avec un gaz à effet laser situé dans le corps coaxialement à une diagonale passant par ce corps; au moins une cathode ( 13, 14) fixée au corps et s'étendant à l'exté- rieur d'un point terminal du perçage en diagonale ( 12); des ressorts ( 10,11) fixés au corps et recevant concentriquement les cathodes ( 13, 14) afin de permettre de faire osciller ou "branler" le corps; un certain nombre d'anodes ( 18-23) placées dans chaque trajectoire de faisceau; des perçages ( 15, 16, 17) raccourcis remplis avec un gaz à effet laser et reliant le perçage en diagonale ( 12) à chacune des trajectoires de faisceaux afin de transmettre l'énergie électrique des cathodes ( 13, 14) aux anodes ( 18, 23) et des moyens de combinaison de faisceaux communiquant optiquement avec chaque trajectoire de faisceau afin de mesurer la fréquence de battement entre les faisceaux contrarotatifs de chaque trajectoire.