Brevet FR2543673A1 — publié le 19841005

La présente invention concerne un appareil gyroscopique ou gyrométrique à suspension souple. Dans les appareils de ce type, un volant est entraîné en rotation par un arbre rotatif auquel il est relié par un joint tournant Sous l'effet des couples gyroscopiques, le volant est susceptible d'osciller selon deux degrés de liberté autour d'une position centrale dans laquelle son axe est confondu avec l'axe de l'arbre rotatif. Lorsque l'on souhaite que cet appareil fonc- tionne en gyromètre, il est en outre prévu des moyens de rappel du volant propres à exercer sur celui-ci un couple de précession tendant à le ramener vers sa position centrale (dans la suite de la description, ces moyens seront dé- signés "moteurs de précession") Ces moteurs de précession peuvent être des électro-aimants fixes exerçant une force d'attraction sur le rotor, réagissant à un signal de détection de l'inclinaison de l'axe du volant selon ses deux degrés de liberté Un gyromètre de ce type est par exemple décrit dans le FR-2 394 060, au nom de la Demanderesse. Plus précisément, le joint tournant est géné- ralement constitué par un joint de Hooke comportant quatre barres de torsion perpendiculaires entre elles réunies par un anneau central, de manière à permettre au volant d'incliner son axe selon les deux degrés de liberté d'oscillation L'anneau central du joint de Hooke agit alors en volant d'inertie intermédiaire, et la valeur de son inertie est choisie de manière à compenser exactement, à la vitesse de rotation du volant, la raideur des barres de torsion On peut ainsi déterminer les paramètres de la suspension de façon que, à sa vitesse nominale de rotation, le volant ne subisse aucun couple de rappel du fait de la suspension. On combine ainsi, à la fonction purement méca- nique de retenue radiale et d'entraînement en rotation du volant par le joint, une fonction dynamique de compensation de raideur de la suspension. Une telle structure, connue sous le nom de "gyromètre (ou gyroscope) à suspension élastique compensée", ou "gyromètre accordé", a pour avantage une grande sim- plicité, impliquant un faible coût, une mise en oeuvre immédiate et une mise au point très facile: le réglage de la compensation se réduit en effet à un ajustage du moment d'inertie du volant intermédiaire, aisé à effectuer par les techniques classiques d'équilibrage de pièces tournantes. La miniaturisation de ces gyromètres accordés est cependant limitée par l'impossibilité de réduire les inerties à des valeurs très faibles On se heurte en effet à des impératifs contradictoires d'une part de robustesse mécanique suffisante du joint tournant pour assurer la retenue radiale du volant (compte tenu des vitesses de rotation très élevées, généralement de l'ordre de 400 tours/ seconde) et pour le supporter axialement (même en présence d'accélérations importantes), et d'autre part de constante de raideur suffisamment faible, celle-ci devant diminuer en même temps que l'on réduit la masse du volant. La recherche d'un compromis entre ces contraintes purement mécaniques d'une part et de comportement dynamique d'autre part a jusqu'à présent limité le degré de miniatu- risation des gyromètres de ce type. Un des buts de l'invention est de proposer une structure de gyromètre à suspension élastique qui permette de s'affranchir de ce dilemme et autorise une réduction des inerties suffisante pour permettre une réduction im- portante des dimensions de l'appareil. Pour cela, dans l'appareil de l'invention, le volant est libre selon un degré de liberté de translation axiale, et il est prévu des moyens sustentateurs du volant propres à exercer sur celui-ci une force dirigée axialement, ces moyens étant des moyens électrostatiques ou électromagnétiques asservis à des moyens de détection de la position axiale du volant, de manière à maintenir celui-ci en une position axiale prédéterminée. De cette manière, on découple l'entraînement en rotation et la retenue radiale qui restent assurés d'une manière classique d'avec la sustentation axiale du volant réaliséepar des moyens asservis Du fait de ce découplage, il est possible de réduire considérablement la raideur du joint Pour cette raison, le gyromètre (ou gyroscope) n'a plus à être accordé, et le besoin d'une compensation par inertie disparaît. Lorsque l'on souhaite utiliser l'appareil en gyromètre, celui-ci peut comporter également des moyens de rappel du volant propres à exercer sur ce dernier un couple de précession tendant à le ramener vers sa position cen- trale, ces moyens étant asservis à des moyens de détection des écarts angulaires du volant par rapport à sa position centrale On peut alors appliquer au volant, outre une force axiale assurant la portance (par les moyens de sustentation), un couple de précession asservissant le volant à sa position centrale. Avantageusement, les moyens de rappel comportent, pour chaque degré de liberté d'oscillation, au moins deux paires d'électrodes disposées de part et d'autre du volant et fixes par rapport au corps de l'appareil, électrique- ment polarisées de manière à électriser par influence au moins une partie du volant pour exercer sur celui- ci un couple de précession, les électrodes disposées d'un même côté du volant étant toutes situées dans un même plan, et les électrodes diamétralement opposées de part et d'autre du volant recevant des tensions de même valeur et de signe opposé, de manière à conserver à la partie électrisée du volant une charge globale sensiblement nulle. Cette dernière caractéristique minimise la variation de charge du volant, aucune évacuation des charges n'étant nécessaire (aux pertes statiques près) lors d'un changement de position du volant La puissance nécessaire à l'alimentation est réduite d'autant, ainsi que les pertes par effet Joule; ces avantages sont déterminants dans l'optique d'une miniaturisation poussée de l'appareil. Les moyens sustentateurs comportent de pré- férence au moins une paire d'électrodes disposées-de part et d'autre du volant et fixes par rapport au corps de l'appareil, électriquement polarisées de manière à électriser par influence au moins une partie du volant, pour exercer sur celui-ci la force dirigée axialement permettant sa sustentation. Avantageusement, les moyens sustentateurs comportent au moins deux paires d'électrodes, les élec- trodes disposées d'un même côté du volant étant toutes situées dans un même plan et recevant des tensions de même valeur et de signe opposé, de manière à conserver à la partie électrisée du volant une charge globale sensiblement nulle. De préférence, les paires d'électrodes sont communes aux moyens sustentateurs et aux moyens de rappel, l'appareil comportant en outre des moyens de commutation des électrodes à des signaux issus alternativement des moyens sustentateurs et des moyens de rappel Les mêmes électrodes servent ainsi à la fois à la sustentation (application d'une force axiale) et à l'asservissement gyrométrique (application des couples de précession). Ces électrodes peuvent également assurer une troisième fonction de détection de position angulaire ou axiale (ou l'une et l'autre), si l'on prévoit que les moyens de détection de l'écart angulaire du volant par rapport à sa position centrale sont des moyens de mesure de la capacité existante entre une partie conductrice du volant et au moins l'une des électrodes fixes de l'appa- reil. Il est alors avantageux que les moyens susten- tateurs comprennent des moyens de mesure de la force appliquée au volant, aptes à délivrer un signal accélé- rométrique représentatif de l'accélération du corps de l'appareil dans la direction axiale Si l'on connaît avec précision (par exemple après étalonnage) les caractéris- tiques mécaniques (raideur, inertie) de l'ensemble joint tournant-volant, la détermination de la force de susten- tation du volant, ou de la position axiale de celui-ci, à laquelle cette force est asservie, permet de déduire de façon connue en soi l'accélération du corps de l'appareil dans la direction axiale - Sans organe mécanique supplémentaire, on dispose ainsi en un seul appareil d'un gyro-accéléromètre, confi- guration très avantageuse pour une utilisation sur plate- forme stabilisée, mais également et surtout dans des systèmes liés (technique dite "strap-down") de très faible encombrement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-dessous, faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue schématique, en coupe suivant un plan axial, d'un gyromètre selon l'invention; la figure 2 est une vue en plan de la couronne d'électrodesde l'appareil de la figure 1; la figure 3 est une vue en plan du volant d'inertie de l'appareil de la figure 1; la figure 4 est une coupe par un plan axial, selon la ligne IV-IV de la figure 3, de ce même volant d'inertie. Sur la figure 1, le corps 100 de l'appareil supporte un arbre rotatif 200 par l'intermédiaire d'une paire de roulements 110, 120 L'arbre 200 est entraîné en rotation par exemple par un moteur synchrone dont le stator 130 est solidaire du corps 100, et le rotor 210- solidaire en rotation de l'arbre 200. L'arbre 200 entraîne en rotation un équipage tournant 220 formé d'un volant d'inertie 221, d'un joint tournant 222 et d'un moyeu 223 Cet équipage tournant sera décrit plus en détail par la suite, en référence aux figures 3 et 4. Il.est également prévu des séries d'électrodes ( 101 à 104 sur la figure 1) permettant, grâce à des effets électrostatiques, d'appliquer au volant 221 une force axiale de sustentation, de lui appliquer des couples de précession pour le ramener à sa position centrale, et enfin de mesurer les écarts angulaires et axial par rapport à cette position centrale. Pour cela, les électrodes qui sont fixes par rapport au corps de l'appareil sont constituées par deux couronnes situées de part et d'autre du volant. Chacune de ces deux couronnes est divisée en quatre secteurs égaux isolés électriquement: la figure 2 montre par exemple la couronne supérieure, avec ses quatre secteurs 101, 102 et 101 ' et 102 ' séparés par des inter- valles isolants 140 La géométrie représentée des secteurs (portions de couronne circulaire et intervalles étroits) n'est pas la seule possible; elle est cependant la plus avantageuse compte tenu de la forme annulaire du volant d'inertie 221. Surchacune des électrodes peut être appliquée une tension faisant naître une force d'attraction du volant. Le volant étant électrisé par influence, la force qui apparaît est toujours une force d'attraction, quel que soit le signe de la tension. En premier lieu, ce système de forces électro- statiques permet d'assurer la fonction de sustentation du volant par application d'une force axiale sur celui-ci. L'application d'une tension positive sur l'électrode 101 et négative sur l'électrode 102 va exercer sur le volant une force axiale dirigée vers le haut de la figure Pour que la force soit dirigée vers le bas de la figure, ces mêmes tensions devront être appliquées aux électrodes 103 et 104, respectivement. Cette manière d'appliquer les tensions aux électrodes (tension positive sur l'électrode 101 et négative sur l'électrode 102, ou l'inverse) et plus avantageuse que celle qui consisterait à appliquer des tensions de imêm signe à l'une et l'autre électrode: en effet, dans ce dernier cas, chaque fois que le volant s'écarterait de sa position centrale, une variation de sa charge globale se pro- duirait, ce qui en nécessiterait une évacuation et donc la circulation d'un courant et des pertes énergétiques. Au contraire, dans la configuration proposée, les seuls déplacements de charges ont lieu d'une région à l'autre du volant, la charge de celui-ci restant globalement nulle. En second lieu, les électrodes permettent d'appliquer au volant d'inertie les couples de précession nécessaires pour le ramener à sa position centrale Compte tenu des deux degrés de liberté de pivotement du volant, il est nécessaire d'appliquer des couples selon deux axes perpendiculaires C'est pourquoi il est prévu sur chacune des couronnes quatre secteurs tels que 101, 102 et 101 ', 102 ' identiques deux à deux et décalés de 900 Les élec- trodes 101 et 102, en combinaison avec les électrodes 103 et 104 disposées identiquement de l'autre côté du volant, permettent d'appliquer un couple orienté suivant la direc- tion Y'Y Par la suite, on décrira seulement la manière dont ce couple est appliqué, le couple dirigé suivant X'X étant appliqué de la même manière par les électrodes 101 ', 102 '. Lorsqu'on souhaite exercer un couple de pré- cession dirigé dans le sens des aiguilles d'une montre sur la figure 1, on applique une tension positive à l'élec- trode 102 et une tension négative à l'électrode 103 dia- métralement opposée (comme il a été expliqué à propos de la sustentation, il est préférable d'appliquer aux électrodes 102 et 103 deux tensions de signe opposé et de même valeur, ce qui permet de conserver au volant une charge globalement nulle en toute circonstance; il serait également possible d'appliquer aux électrodes 102 et 103 deux tensions de même signe et de même valeur, ce qui aurait le même effet mais nécessiterait l'évacuation de charges chaque fois que le volant s'écarterait de sa position d'équilibre). Un couple de sens inverse sera obtenu en appliquant aux électrodes 101 et 104 deux tensions de même valeur et avantageusement de signe opposé. En troisième lieu, les électrodes permettent une détection de la position du volant par mesure capacitive entre le volant, qui constitue une électrode mobile, et au moins l'une des électrodes fixes liées au corps de l'appareil En déterminant ainsi de manière connue en soi les capacités correspondant aux différentes élec- trodes, on peut obtenir des signaux représentatifs de la position axiale et de la position angulaire du volant, ces signaux étant directement utilisables respectivement pour asservir les moyens sustentateurs et pour assurer le bouclage gyrométrique. On notera que, pour permettre cette mesure capacitive, le volant d'inertie 221, le joint tournant 222, le moyeu 223 et l'arbre 200 doivent être conducteurs et électriquement reliés ensemble ainsi qu'à une borne fixe de l'appareil, par exemple par un contact tournant 140 En ce qui concerne les fonctions de sustentation et d'application des couples de précession, cette liaison est également souhaitable pour maintenir le volant à un potentiel constant, par exemple par mise à la masse. Les figures 3 et 4 montrent plus précisément la structure de l'équipage tournant 220. Comme on l'a vu précédemment, les électrodes permettent de soutenir le volant suivant l'axe de rotation de l'ensemble; le joint tournant va donc avoir pour seuls rôles le maintien radial du volant et son entraînement en rotation Le gyromètre n'étant plus un gyromètre accordé, la raideur du joint peut être choisie aussi faible que possible en torsion, tout en offrant une résistance suffi- sante à l'encontre des efforts exercés dans le plan du volant (par exemple en présence d'une accélération impor- tante du corps de l'appareil en direction radiale). Il est ainsi possible de choisir pour le joint 222 une simple membrane métallique très mince (sur la figure 4, l'épaisseur du joint a été volontairement exagérée), par exemple en alliage d'aluminium Pour dimi- nuer la raideur en torsion de la membrane, il est possible de pratiquer sur celle-ci des ajours 224, par exemple quatre ajours laissant subsister quatre branches 225 reliant le moyeu 223 et le volant 221. REVENDICATIONS 1 Un appareil gyroscopique ou gyrométrique à suspension souple, comprenant un volant ( 220) suscep- tible d'osciller selon deux degrés de liberté autour d'une position centrale dans laquelle l'axe du volant est confondu avec l'axe d'un arbre rotatif ( 200), ce volant étant relié à l'arbre rotatif par un joint tournant ( 222) assurant la retenue radiale et l'entraînement en rotation du volant par rapport au corps ( 100) de l'appareil, caractérisé en ce que le volant est également libre selon un degré de liberté de translation axiale, et en ce qu'il est prévu des moyens sustentateurs du volant propres à exercer sur celui-ci une force dirigée axialement, ces moyens étant des moyens électrostatiques ou électro- magnétiques asservis à des moyens de détection de la posi- tion axiale du volant, de manière à maintenir celui-ci en une position axiale prédéterminée. 2 Un appareil selon la revendication 1 l caractérisé en ce qu'il comporte également des moyens de rappel du volant propres à exercer sur celui-ci un couple de précession tendant à le ramener vers sa position centrale, asservis à des moyens de détection des écarts angulaires du volant par rapport à sa position centrale. 3 Un appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de rappel comportent, pour chaque degré de liberté d'oscillation, au moins deux paires d'électrodes ( 101, 103; 102, 104)disposées de part et d'autre du volant et fixes par rapport au corps de l'appareil, électriquement polarisées de manière-à élec- triser par influence au moins une partie ( 221) du volant pour exercer sur celui-ci un couple de précession, les élec- trodes disposées d'un même côté du volant étant toutes situées dans un même plan, et les électrodes diamétrale- ment opposées de part et d'autre du volant recevant des tensions de même valeur et de signe opposé, de manière à conserver à la partie électrisée du volant une charge globale sensiblement nulle. 4 Un appareil selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens sustentateurs comportent au moins une paire d 'électrodes disposées de part et d'autre du volant et fixes par rapport au corps de l'appareil, électriquement polarisées de manière à électriser par influence au moins une partie ( 221) du volant, pour exercer sur celui-ci la force dirigée axiale- ment permettant sa sustentation. Un appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens sustentateurs comportent au moins deux paires d'électrodes ( 101, 103; 102, 104), les électrodes disposées d'un même côté du volant étant toutes situées dans un même plan et recevant des tensions de même valeur et de signe opposé, de manière à conserver à la partie électrisée du volant une charge globale sensiblement nulle. 6 Un appareil selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les paires d'électrodes sont communes aux moyens sustentateurs et aux moyens de rappel, l'appareil comportant en outre des moyens de commutation des électrodes à des signaux issus alternativement des moyens sustentateurs et des moyens de rappel. 7 Un appareil selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que les moyens de détection de la position axiale du volant et les moyens de détection de l'écart angulaire du volant par rapport à sa position centrale sont des moyens de mesure de la capacité existante entre une partie conductrice du volant et au moins l'une des électrodes fixes de l'appareil. 8 Un appareil selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le joint tournant comprend un élément plat ( 222) d'épaisseur sensiblement constante reliant un moyeu ( 223) d'entraînement solidaire de l'arbre rotatif ( 200) au volant ( 221), ce dernier ayant une forme annulaire, ces éléments étant conducteurs et électrique- ment reliés ensemble ainsi qu'a une borne fixe de l'appareil par un contact tournant ( 140) sur l'arbre rotatif. 9 Un appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'élément plat ( 222) du joint tournant est ajouré ( 224) de façon symétrique par rapport à son centre. Un appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens sustentateurs sont en outre des moyens de mesure de la force appliquée au volant, aptes à délivrer un signal accélérométrique représentatif de l'accélération du corps de l'appareil dans la direction axiale.