Brevet FR2582803A1 — publié le 19861205

La présente invention concerne les mécanismes de réglage de la longueur du trajet optique dans _un gyroscope à laser en anneau et plus précisément un tel mécanisme mettant en oeuvre la contraction diamétrale des disques piézoélectriques pour le déplacement d'un miroir. La longueur du trajet optique, dans un gyroscope à laser en anneau, doit être réglée avec précision afin que les caractéristiques du gyroscope soient acceptables. La longueur du trajet optique est réglée habituellement à l'aide de dispositifs piézoélectriques qui règlent l'emplacement d'un miroir mobile dans la cavité du gyros- cope à laser en anneau. Dans des configurations connues, des disques piézoélectriques sont empilés et le déplacement du miroir est réalisé par variation de l'épaisseur des disques piézoélectriques. Lorsqu'une tension est appliquée à un tel disque, son épaisseur augmente. L'amplitude et la polarité de la tension appliquée aux disques sont déterminées d'après le signal de sortie du laser afin que le gain et la fréquence du laser restent optimaux. Le mécanisme de réglage de la longueur du trajet optique doit compenser les variations de dimension du bloc compre- nant le gyroscope à laser et des miroirs à la suite par exemple des variations de température ou des insta- bilités à l'intérieur des différents matériaux. Dans un exemple d'application, la distance maximale sur laquelle le miroir doit être réglé est d'environ 2,5 pm. La résolu- tion et la précision nécessaires au déplacement du miroir sont par exemple inférieures à 0,025 pm. Lorsque le miroir se déplace afin que la longueur du trajet optique soit modifiée, il est nécessaire que le plan formé par les faisceaux lasers ne varie prati- quement pas par rapport aux surfaces réfléchissantes du miroir, à l'ouverture placée sur le trajet des faisceaux lasers et aux électrodes du laser car toute variation de l'emplacement de ce plan affecte aussi le gain du laser et les conditions de polarisation du laser. La déformation du bloc du laser sous l'action des accéléra- tions ou des variations thermiques en direction transver- sale au plan du laser provoque des déplacements relatifs du plan. Dans les petits gyroscopes à laser en anneau par exemple, ayant une longueur totale du trajet optique inférieure à 38 cm, le bloc peut être formé avec une rigidité suffisante pour que le plan du laser ne subisse pas de déplacement excessif à la suite des déformations du bloc. Dans ce cas, la cause principale de variation du plan du laser est l'impossibilité du mécanisme de réglage de la longueur du trajet optique, de type piézo- électrique, à déplacer avec précision le miroir uniquement dans le plan des faisceaux lasers. Des conditions de défaut d'uniformité des éléments piézoélectriques et des imprécisions sur les dimensions des éléments du mécanisme provoquent un basculement du r:.iroir lorsqu'il est déplacé afin que la longueur du trajet optique soit réglée, et ce basculement provoque un changement de l'emplacement du plan du laser. La présente invention a donc pour objet le réglage précis de la longueur du trajet optique dans un gyroscope à laser en anneau, avec une réduction au minimum du basculement du miroir. L'invention concerne aussi un tel dispositif de réglage de longueur de trajet optique qui a une confi- guration mécanique simple. Plus précisément, l'invention concerne un méca- nisme de réglage de la longueur du trajet optique compre- nant des disques piézoélectriques. Les disques sont montés dans des organes coniques dont l'un est fixé au centre d'un diaphragme d'un miroir et l'autre est fixé à l'extérieur ou à la surface de référence du miroir. Des électrodes sont fixées de part et d'autre des disques piézoélectriques. Lorsqu'une tension est appliquée aux disques, le diamètre de ceux-ci diminue. La contraction des disques est transformée en un déplacement linéaire voulu, avec amplification mécanique, par déformation des organes coniques. De cette manière, le centre du miroir est tiré en ligne droite dans le plan des faisceaux lasers malgré la rigidité du diaphragme du miroir, le mouvement résultant étant un déplacement du miroir sans basculement. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel: la figure 1 est une coupe schématique d'un mécanisme selon l'invention, illustrant le principe de fonctionnement; et la figure 2 est une élévation en coupe partielle d'un mode de réalisation préféré de l'invention. On cornsidère d'abord, en référence à la figure 1, les principes mis en oeuvre dans le mécanisme selon l'invention. Comme indiqué précédemment, la longueur du trajet optique dans un gyroscope à laser de type annulaire est réglée par positionnement d'une surface d'un miroir, par exemple la surface 10. Comme le savent les hommes du métier, la surface 10 est placée à l'inté- rieur de la cavité du gyroscope à laser en anneau (non représenté) afin que la longueur du trajet optique soit réglée. La surface 10 du miroir fait partie d'un diaphragme 12 portant le miroir. le diaphragme 12 est fixé rigidement à un organe 14 de support. Un organe supérieur conique 16 et un organe inférieur conique 18 sont montés dans l'organe 14 de support. Un disque piézoélectrique ou piézocéramique est disposé entre les organes coniques. Un disque piézocéramique convenable est formé de tftanate-zirconate de plomb ayant un diamètre de 17,5 mm et une épaisseur de 0,5 mm. Un tel disque se contracte diamétralement d'environ pm lorsqu'une tension de 500 V est appliquée suivant l'épaisseur du disque. Il faut noter que la contraction - du disque 20 provoque un déplacement amplifié de la surface 10 du miroir dans la direction X. En particulier, dans le cas d'un disque de rayon R et lorsque les organes coniques16 et 18 ont un tronçon de longueur L, on obtient dX/dR = R/ /L2-R2 car X = L2R2 Il faut noter que l'am- 2582-803 plification dX/dR approche de l'infini lorsque l'angle a approche de zéro. Pour des raisons pratiques de respect des tolérances sur les différents éléments et à cause des limites d'application de contraintes aux matériaux, l'angle a est choisi à une valeur de l'ordre de 10 . Dans un exemple d'application dans lequel R' = 8,75 mm et L = 8,885 mm, l'amplification dX/dR est de 5,7. Ainsi, la variation de la dimension X provoque une variation de la dimension R multipliée par 5,7 environ. Cette amplification mécanique est due à la configuration géomé- trique. En outre, la configuration est moins sujette à des erreurs dues aux accélérations transversales et le miroir se déplace d'une manière très répétitive. Dans le cas théorique d'un ajustement parfait des diffé- rents éléments et d'organes infiniment rigides, le dépla- cement du miroir, lors de l'application d'une tension de 500 V de part et d'autre du disque 20, est de 28,5 pm, c'est-à-dire de 0,057 pm/V. La relation entre la tension appliquée et le déplacement de la surface 10 du miroir est pratiquement linéaire et répétitive. L'amplification mécanique réduit aussi la tension nécessaire appliquée de part et d'autre du disque afin que le fonctionnement soit satisfaisant. Dans le mode de réalisation de la figure 2, deux disques piézocéramiques 30 et 32 sont utilisés. Des électrodes 34 et 36 sont fixées aux disques 30 et 32 res- pectivement. Das filtres 38 et 40 permettent l'application de tension aux disques 30 et 32. Dans ce mode de réalisa- tion, un organe inférieur conique 42 a une partie 44 destinée à être fixée à une saillie 46 de l'ensemble 48 à miroir. Les disques 30 et 32 sont montés dans les organes coniques 42 et 50 avec une charge préalable, par applicationd'une force de pression au centre des organes coniques 42 et 50 lorsque les disques sont introduits. La charge préalable assure un bon ajustement sans glis- sement des différents éléments. Lors du montage final, l'organe conique 42 est soumis à une forcd préalable appli- quée contre la partie 46 du miroir, avec une valeur prédéterminée. ' _ Lors du fonctionnement, lorsquE l'emplacement d'une surface 52 de miroir doit être modifiée afin que la longueur du trajet optique dans un gyroscope à laser en anneau soit réglée, une tension est appliquée entre les électrodes 34 et 36. Comme décrit précédemment, cette tension provoqie une contraction diamétrale des disques piézocéramiques 30 et 32. Etant donné que la configuration géométrique assure une amplification mécanique, cette contraction diamétrale provoque un déplacement de la surface 52 du miroir. Les imprécisions propres à un clément piézocéra- mique ont peu d'importance dans ce mode de réalisation puisque les organes coniques 42 et 50 s'adaptent au rebord externe du disque céramique étan-: donné la charge préalable et l'ajustement par emmanchement à force. En outre, la dilatation thermique du disque est automati- quement compensée et il n'est pas nécessaire d'adapter avec précision les caractéristiques des éléments céramiques à celles d'autres parties de la structure. Cette réalisa- tion est proche de la condition idéale d'application de force entre le centre du miroir et un point fixe de l'organe de support, d'une manière répétitive. Cet arrangement assure le déplacement de la surface 52 du miroir pratiquement sans aucun basculement. Contrairement aux ensembles piézoélectriques connus, l'ensemble selon l'invention est pratiquement insensible aux perturbations dues aux vibrations, aux accélérations et aux chocs car le montage en surplomb est très réduit et les éléments mobiles sont portés par des organes rigides. En particu- lier, les organes coniques 42 et 50 sont choisis afin qu'ils soient suffisamment rigides pcur qu'ils possèdent des fréquences fondamentales de vibrations très élevées. Ainsi, on note que l'invention concerne un appareil permettant un déplacement prEcLs d'une surface de miroir sans basculement simultane. Cet appareil assure 1, 6 une amplification mécanique et le déplacement du miroir est très reproductible. REVENDICATIONS 1. Appareil de réglage de l'emplacement d'un miroir, caractérisé en ce qu'il comprend: un organe de support fixé à la périphérie du miroir, deux organes coniques (42, 50) placés _ dans l'organe de support, l'un des organes coniques étant fixé à une partie centrale du miroir et l'autre à l'organe de support, un dispositif à disque piézoélectrique (30, 32), coopérant diamétralement avec les organes coniques, et un dispositif (34, 36) destinée à appliquer une tension au dispcsitif à disque de manière que la contrac- tion diamétrale du dispositif à disque provoque un dépla- cement linéaire de la surface du miroir. 2. Appareil selon la revendicatLon 1, caractérisé en ce que le dispositif à disque (30, 32) comporte deux disques piézocéramiques. 3. Appareil selon la revendication 2, caracté- risé en ce que les disques piézocframiques (30, 32) sont formés de titanate-zirconate de plomb. 4. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif destiné à appliquer une tension au dispositif à disque comporte des électrodes (34, 36) fixées à ce dispositif à disque. 5. Appareil de réglage de l'emplacement d'un miroir, caractérisé en ce qu'il comprend: un organe de support fixé à la périphérie du miroir, deux organes coniques (42, 50) disposés dans l'organe de support, l'un des organes coniques étant fixé à une partie centrale du miroir et l'autre étant fix6 à l'organe de support, un dispositif (30, 32) à disque piézoélectrique coop6rant diamétralement avec les organes coniques, et un dispositif (34, 36) d'application d'une tension au dispositif à disque de manière que la contraction dia- métrale du dispositif à disque provoque un déplacement linéaire de la surface du miroir, avec use amplification mécanique, et ne provoque pratiquement aucun basculement du miroir.