Brevet FR2544865A1 — publié le 19841026

- ACCELEROMETRES A SUSPENSION ELECTROSTATIQUE La présente invention concerne les accéléromètres dans lesquels la mesure de l'accélération est déduite de celle des forces nécessaires pour maintenir ou ramener une masse d'épreuve dans une position définie par rapport au corps de l'appareil Elle concerne plus particulièrement les accéléromètres o ces forces sont d'origine électrosta- tique. On connaît pour la demande de brevet FR-A 2511509 du 31 Décembre 1980 un accéléromètres de ce type dans lequel la masse d'épreuve a une structure cruciforme et est formée de trois plaques rectangulaires planes dont les plans sont deux à deux orthogonaux. La demande de brevet N" 83-03257 déposée le 28 Fé- vrier 1983 a décrit une masse d'épreuve comportant des élé- ments de surfaces planes, deux à deux opposés et parallèles, formant trois paires d'éléments de surface, les directions normales à ces éléments correspondant aux axes sensibles de l'accéléromètre triaxial Dans cette demande de brevet, la forme type préconisée pour la masse d'épreuve est un cube. La présente invention concerne essentiellement la for- me de la masse d'épreuve et la définition des systèmes d'é- lectrodes de suspension pour un accéléromètre électrostati- que de navigation inertielle dont la masse d'épreuve doit présenter un rapport surface sur masse élevé. Un objet de l'invention est de simplifier la réalisa- tion de l'accéléromètre par la réduction du nombre de pièces utilisées et par la simplification des formes de celles-ci. Un autre objet de l'invention est d'augmenter la rigi- dité de la masse d'épreuve sans en accroître la masse tout en conservant une surface importante et-obtenir ainsi un meilleur découplage entre les modes propres de vibration -2- de la masse d'épreuve et ceux de la suspension électrostati- que, Un autre objet de l'invention est d'utiliser des sys- tèmes d'électrodes plans déposés (ce qui, outre la sim- plification de réalisation, permet un positionnement précis des électrodes par rapport à la masse d'épreuve); Un autre objet de l'invention est de réduire la sensi- bilité thermique de l'accéléromètre grâce à l'usage de cales adaptées pour le positionnement des électrodes Conformément à l'invention, la masse d'épreuve est constituée par six plaques minces dont la longueur est le double de la largeur a -Ces six plaques sont assemblées de façon à former un cube d'arête a Chacune des plaques dépasse-de part et d'autre du cube central d'une longueur égale à a/2. Les plaques peuvent être soit en matériaux métalliques légers (alliages d'aluminium, béryllium, magnésium, titane), soit en isolants métallisés en surface (silice, céramique). L'assemblage des plaques réalisé soit par collage, soit par soudure ou brasure peut être facilité par l'utilisation d'un cube creux découpé de façon à n'en conserver que les arêtes. L'invention va Etre maintenant décrite en détail en se référant aux dessins annexés dans lesquels: la Fig 1 représente la masse d'épreuve d'un accéléro- mètre de l'art antérieur;- la Fig 2 représente la masse d'épreuve de l'accélé- romètre conforme à l'invention, la Fig 3 représente une autre masse d'épreuve con- forme à l'invention montée autour d'un noyau ayant la forme d'une ossature cubique; les Figs 4 a et 4 b représentent la masse d'épreuve et la cage de l'accéléromètre de l'invention, la Fig 5 représente l'accéléromètre assemblé; la Fig 6 représente une plaque d'électrodes, et la Fig 7 représente le diagramme électrique de 1 'accéléromètre. -3- En se référant à la Fig 1, la masse d'épreuve de l'art antérieur comprend les trois plaques planes identiques 1, 2 et 3 assemblées de façon que les plans des plaques- soient orthogonaux deux à deux. La Fig 2 représente la masse d'épreuve 10 de l'invention. Elle comprend non plus trois plaques mais six plaques 11 à 16, formant trois paires de plaques parallèles et écartées l'une de l'autre dans chaque paire 11 et 12, 13 et 14, 15 et 16 Les plans des paires de plaques sont deux à deux ortho- gonaux Les plaques assemblées forment un cube et les ex- trémités des plaques dépassent les faces de cube et for- ment des ailes 17 Chaque aile 17 a une longueur sensible- ment égale à la moitié du c 8 té a du cube. Dans la Fig 3, on retrouve les plaques 11-16 qui sont fi- xées à une ossature cubique 18 limitée aux arêtes d'un cube, une masse d'épreuve 10 constituée par six plaques en AU 4 G ( 20 x 10 x 0,3 mm) et assemblée par soudure laser a une masse de lg; unemasse d'épreuve 20 constituée de six plaques en silice ( 20 x 9,8 x 0,3 mm) assemblées par collage sur un cube évidé d'arête ( 1 x 1 x 10 mm) a une masse de 1,5 g - L'asservissement des six degrés de liberté de la masse d'épreuve 10 ou 20 nécessite 12 électrodes réparties en 3 systèmes de 2 paires d'électrodes Comme le montrent les Figs 4 a et 4 b chaque système est composé de 2 plaques 21 et 22 portant chacune 2 électrodes 31 et 41 en ce qui concerne la plaque 21 et 32 et 42 en ce qui concerne la plaque 22 et de 2 entretoises 51 et 52 servant de cale d'épaisseur afin de fixer les distances d 1 et d 2 entre électrodes et masse d'épreuve 10 ou 20. Pour les dimensions des masses d'épreuve précédemment indiquées, les dimensions des plaques porte-électrodes se- raient ( 45 x 10 x 5 mm) et celles des cales d'épaisseur ( 11 x 10 x 7 mm) Ces cales d'épaisseur sont, soit dans' le même matériau que la masse d'épreuve, soit dans un -matériau possédant un coefficient de dilatation identique. -4- Les trois systèmes d'électrodes I ( 31, 32, 41, 42), II ( 33, 24, 43, 44) et III ( 35, 36, 45, 46), s'emboîtent les uns dans les autres autour de la masse d'épreuve et sont positionnés perpendicu- lairement les uns par rapport aux autres au moyen d'une piè- ce support 19 (Fig 5). L'ensemble est placé à l'intérieur d'un bottier étanche. Les plaques portant les électrodes sont en matériau isolant (silice, ou alumine) Les différentes métallisations à réaliser correspondent: aux électrodes actives ( 31, 41 Fig 6) qui servent à la fois à la détection capacitive de position et à l'appli- cation des forces électrostatiques de suspension; à la surface 47 en regard de la masse suspendue, com- prenant les butées mécaniques 48 qui empêchent la masse d'épreuve de venir en contact avec les électrodes La surface conductrice 47 est portée au même potentiel que la masse d'épreuve et fait office d'écran afin d'éliminer les attractions électrostatiques parasites dues aux-surfaces con- ductrices autres que les électrodes; à toutes les autres surfaces 49, avec en particulier sur chaque plaque, la face opposée à celle des électrodes. Les surfaces 49 sont portées au potentiel de référence afin de minimiser les effets des capacités parasites sur les dé- tections capacitives. La réalisation des systèmes d'électrodes peut être effectuée de la façon suivante la métallisation est obtenue par dépôt sous vide Les électrodes et les différents conducteurs sont ensuite déli- mités par des rainures usinées par ultra-sons dans la plaque isolante Ces rainures diminuent la capacité parasite en- tre les électrodes 21, 31 et la surface métallisée 47 et évitent la présence de surfaces isolantes au voisinage im- médiat de la masse d'épreuve Les butées mécaniques de très - faible épaisseur (une vingtaine de microns) sont obtenues par sérigraphie. On va décrire en relation avec la Fig 7 le fonctionne- ment de l'accéléromètre, étant entendu que le dispositif de la Fig 7 n'est autre que celui de la Fig 2 de la demande française FR-A-2511509 précitée seule ayant été modifiée la structure de la masse d'épreuve. La Fig 7 représente schématiquement le corps de l'accé- léromètre et la masse d'épreuve 10 On y retrouve les pla- ques 11 et 12 et les électrodes 31, 32, 41, 42 coopérant avec lesdites plaques 11 et 12 Les électrodes 31, 41, 32, 42 sont portées respectivement aux potentiels V 1, V 2, V 3, V 4 par les circuits d'amplification 124 à travers les enroule- ments primaires des quatre transformateurs 131, 132, 133, 134 Une tension continue de polarisation V est appliquée o à la masse d'épreuve par le générateur 125 à travers le fil fin 126 Un générateur 127 permet d'appliquer à la masse d'épreuve, simultanément avec la polarisation VO, une tension alternative VD afin de réaliser la détection de position. Les signaux à la fréquence angulaire w D de la tension de détection de position recueillie par les électrodes 31, 32, 41, 42 à travers les condensateurs C 1, C 2, C 3, C 4 sont appliqués deux par deux, à travers les secondaires des trans- formateurs 131 134 à un amplificateur suivi d'un détecteur synchrone. Le signal proportionnel à (C 1 C 2), obtenu en sortie de l'amplificateur 128 est appliqué au détecteur synchrone 129 qui reçoit la porteuse à la fréquence angulaire WD du généra- teur 127 Le signal proportionnel à (C 3 C 4), obtenu en sortie de l'amplificateur 138 est appliqué au détecteur synchro- ne 139 qui reçoit également la porteuse à la fréquence angu- laire D du générateur 127 Les amplificateurs 128 et 138 délivrent des signaux de sortie proportionnels à cet (C 3 c 4) VD (C 1 -C 2)v D 6 - Les signaux différentiels 512 et 534 fournis respecti- vement par les détecteurs synchrones 129 et 139 sont propor- tionnels à une combinaison linéaire de la translation de la masse d'épreuve selon un axe et de sa rotation autour d'un autre axe En ce qui concerne cette rotation le coefficient -de proportionnalité reliant le signal à l'angle de rotation n'est autre que la distance 2 D joignant les centres de deux électrodes 31 et 41 ou 32 et 42 Ainsi qu'on le voit sur la Fig 4 a, cette distance peut excéder le coté a de 1 'os- sature cubique car les électrodes peuvent se situer par- tiellement sur les ailes 17 des plaques C'est là un avan- tage par rapport à la masse d'épreuve de la demande de bre- vet 83-03257 dans laquelle la masse d'épreuve étant cubique, la quantité 2 D est en plus égale au c Sté a du cube. L'additionneur soustracteur 130 sépare dans les signaux 512 et 534 la composante relative à la translation Sz-et la composante relative à la rotation Si Enfin les réseaux correcteurs 135 et 136 élaborent les signaux d'asservisse- ment V 1 à V 4 Des détails sont donnés dans la demande de brevet français publiée FR-A-2511509 à laquelle on se re- portera. R e v e N d i c a t i ô 'n s. 1 Accéléromètre triaxial électrostatique comprenant une masse d'épreuve ( 10 ou 20) mobile par rapport à un corps d'accéléromètre,reliée électriquement à ce corps par un fil très souple, des électrodes fixées audit corps et formant des capacités par rapport à la masse d'épreuve, des moyens de détecter la position de la masse d'épreuve à l'aide des tensions de mesure appliquées sur lesdites électrodes et des moyens de positionner cette masse d'épreuve grâce à des forces électrostatiques développées à partir de tensions d'asservis- sement appliquées auxdites électrodes, caactti,é en ce que la masse d'épreuve comprend six plaques ( 11-16) planes assem- blées régulièrement de façon à ce que le volume intérieur délimité par ces plaques soit un cube de coté inférieur à la longueur des plaques, cette masse d'épreuve comportant ainsi des éléments de surface plane deux à deux opposés et parallè- les,formant trois paires d'éléments de surface disposés face auxdites électrodes, les trois directions normales à ces éléments de surface définissant les axes sensibles de l'accé- léromètre, cette disposition permettant d'obtenir le rapport surface sur masse de la masse d'épreuve élevé nécessaire au fonctionnement de la suspension électrostatique. 2 Accéléromètre conforme à la revendication 1, catac- téE 46 en ce que les plaques ( 11-16) sont fixées à une ossa- ture cubique ( 18), lesdites plaques dépassant les faces du cube par leurs extrémités formant ailes ( 17). 3 Accéléromètre conforme à la revendication 2, ca-tac- teiti 4 en ce que l'ossature cubique a une longueur d'arête a et que les plaques ont une longueur 2 a et que les ailes ont par suite une partie dépassant l'ossature et de lon- gueur a/2. 4 Accéléromètre conforme à la revendication 1, ca- tactéaa é en ce que les électrodes ont des surfaces égales et sont au nombre de douze réparties en trois groupes de deux paires, les électrodes d'un groupe étant perpendiculaires à l'axe sensible correspondant, les électrodes d'une paire étant coplanaires et faisant face aux électrodes de l'autre paire, chaque paire d'électrodes étant réalisée à partir de métallisations d'une plaque parallélépipédique isolante. Accéléromàtre conforme aux revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les plaques portant les électrodes sont positionnées autour de la masse d'épreuve par des cales d'épaisseur ( 51, 52) présentant des coefficients de dilata- tion identiques à celui de la masse d'épreuve.