Brevet FR2582401A1 — publié le 19861128

-- I -- La présente invention concerne un corps rotatif à distribution massique non uniforme, et un procédé pour réaliser un tel corps. Elle concerne en particulier, mais non exclusivement, la fabrication d'un rotor à masse désé- quilibrée pour un gyroscope à suspension électrostatique. La technique pourrait être aussi bien utilisée pour l'équi- librage précis d'un corps rotatif. Il y a beaucoup d'exemples o l'équilibrage ou le déséquilibrage délibéré d'un corps rotatif peut être effectué sans trop de difficultés. Les techniques habituellement utilisées mettent en oeuvre l'ajout de matière au corps ou le retrait de matière de ce corps en certains points choisis. Pour obtenir une grande pré- cision, on retire habituellement de la matière, par exemple en perçant de la matière sur le bord d'un rotor de gyroscope. Cependant, la précision de cette technique dépend de beau- coup de facteurs, parmi lesquels la taille du rotor, et de la précision avec laquelle l'opération de perçage est commandée. Le rotor d'un gyroscope à suspension électrosta- tique pose un problème particulier. Dans un tel gyroscope le rotor est une sphère creuse ou pleine, soutenue par des champs électriques. La sphère est située dans une enceinte sous vide, avec un très petit espace entre le rotor et l'enceinte. L'enceinte est en matériau isolant, mais elle contient un certain nombre de paires d'électrodes sur sa face interne. C'est le champ électrique produit entre ces électrodes et le rotor qui permet la suspension du rotor. Le rotor est mis en rotation par des champs magnétiques engendrés par des bobines, habituellement extérieures à l'enceinte sous vide. Du fait de la suspension électrostatique et de l'enceinte sous vide, le rotor est soumis à une trainée très faible, et une fois qu'il a atteint la vitesse de rotation désirée, on peut couper le champ tournant. Par suite, l'axe de rotation du rotor - 2 - tend à rester fixe dans l'espace inertiel, même si l'en- ceinte tourne. Ainsi, pour utiliser l'instrument pour mesurer une rotation, il faut avoir des moyens de détermina- tion de l'angle entre l'axe de rotation et l'axe de l'en- ceinte. Une technique pour réaliser ceci demande une petite modification de la distribution massique du rotor, entrainant la séparation de son centre de gravité et de son centre géométrique. Pourvu que le système de commande de la suspension réagisse lentement par rapport à la pério- de de rotation du rotor, le rotor tournera autour de son centre de gravité, et non de son centre géométrique, provo- quant une variation sinusoidale de l'espace entre le rotor et un point quelconque de l'enceinte, à la fréquence de rotation du rotor, et avec une amplitude et une phase dépendant de l'angle entre l'axe de rotation et l'axe de l'enceinte. Si le système de suspension est muni d'un schéma de circuit adéquat, cette fréquence peut être détec- tée pour chaque paire d'électrodes de l'enceinte et on peut en déduire l'angle de l'axe de rotation. Pour que cette technique réussisse, il faut que l'axe de rotation du rotor, tel qu'il serait vu par un observateur imaginaire sur le rotor, soit stable. En général, lorsqu'un tel rotor est mis en rotation, il ne tourne pas d'abord autour d'un axe stable. En fait, le seul axe vraiment stable est l'axe de plus grande iner- tie. Il est préférable que la distribution massique du rotor soit telle que l'axe de plus grande inertie soit perpendiculaire à la ligne joignant le centre de gravité et le centre géométrique, et telle qu'il soit possible, avec des champs extérieurs, d'amener l'axe de rotation à coincider avec l'axe de plus grande inertie. On connaît plusieurs technique pour produire ce changement de la distribution massique. L'une consiste à former une ou plusieurs zones plates sur la surface - 3 - du rotor tandis qu'une autre consiste à former un revête- ment mince sur certaines parties de la surface, par pla- cage ou autres techniques. Ces techniques sont difficiles à mettre en oeuvre, en particulier parce qu'une très grande précision dimensionnelle est nécessaire pour un rotor de taille ordinaire. De plus, les rotors sont en général en béryllium, en raison de son grand rapport rigidité/den- sité. Cependant, le béryllium est un matériau dangereux à usiner, et ceci complique les problèmes. Une autre tech- nique encore consiste à former une billette de béryllium avec un ou plusieurs fils en matériau plus lourd incorporés dans celles-ci. La billette est extrudée en une tige et le rotor sphérique est usiné à partir d'un morceau de cette tige. Ceci est de toute évidence une technique com- plexe et coûteuse. L'un des buts de l'invention est de proposer un corps rotatif dans lequel la distribution massique du corps a été ajustée en utilisant une technique non affectée par les problèmes mentionnés ci-dessus. Un autre but de l'invention est de proposer un procédé de fabrication d'un tel corps rotatif. Selon la présente invention, il est proposé un corps rotatif à distribution massique non uniforme, dans lequel la densité d'au moins une région de sa surface a été augmentée par l'implantation dans cette région d'ions d'un matériau élémentaire approprié de façon à produire une modification désirée de la distribution massique du corps. Toujours selon l'invention, il est proposé un procédé de fabrication d'un corps rotatif à distribution massique non uniforme qui comprend une augmentation de la densité d'au moins une région de la surface du corps par implantation dans cette région de la surface d'ions d'un matériau élémentaire approprié, de façon à produire une modification désirée de la distribution massique du corps. - 4 - On va maintenant décrire l'invention en référence aux dessins annexés, qui concernent un rotor de gyroscope à suspension électrostatique. Les figures 1 et 2 sont des vues en élévation perpendiculaire d'un rotor montrant les zones implantées. Aux figures 1 et 2, le rotor 10 d'un gyroscope à suspension électrostatique comprend une sphère creuse ou pleine en béryllium soutenue dans une enceinte sous vide (non représentée) par des champs électriques. L'en- ceinte comprend un certain nombre d'électrodes pour pro- duire les champs électriques et pour détecter des mouvements de la sphère dus à son déséquilibre. Des bobines produisent des champs magnétiques qui font tourner le rotor autour de son axe de rotation 11. La modification de la distribution massique qui provoque la séparation entre le centre de gravité de la sphère et son centre géométrique s'obtient en implan- tant des ions d'argent dans des régions bien définies de sa surface. Ces régions, référencées 12 et 13, sont hachurées sur les figures 1 et 2. Le motif particulier d'implantation dépend de la relation que l'on désire entre le centre de gravité, le centre géométrique et les axes principaux d'inertie du corps. Le processus d'implantation des ions consiste à diriger un faisceau d'ions à haute énergie sur la surface du corps. Les ions pénètrent à une très petite profondeur dans la surface du corps et y sont retenus, augmentant la densité de cette partie de la surface. Seule une très faible augmentation de la densité est possible par ce moyen, car le faisceau d'ions incident peut éroder la surface, en arrachant des atomes superficiels du corps. Les ions implantés précédemment sont également vulnérables à l'arrachage, et ceci signifie qu'il existe une limite au nombre d'ions que l'on peut implanter. Pour obtenir le plus grand changement de densité possible par cette technique, il faut évaluer la masse des ions implantés et le nombre d'ions que l'on peut implanter par unité 2582401D -5 de surface avant d'atteindre la limite d'arrachage. Ceci est la raison du choix des ions d'argent pour l'implan- tation dans un corps en béryllium. Le processus d'implantation d'ions est connu dépuis longtemps et est utilisé pour le dopage des maté- riaux semiconducteurs. Il est mis en oeuvre dans une chambre sous vide, et demande la production d'un faisceau d'élec- trons à partir d'une source d'électrons. Le faisceau d'élec- trons est utilisé pour bombarder un gaz ou une vapeur contenant le matériau élémentaire à ioniser, et les ions produits sont accélérés et utilisés pour bombarder la cible, dans ce cas le corps rotatif. L'implantation d'un corps sur toute une région exige que le corps soit mobile par rapport au faisceau. Dans certains équipements il est possible de faire un balayage électrostatique du fais- ceau d'ions dans une direction au moins. Une variante consiste à faire bouger le corps formant la-cible, ou à utiliser les deux techniques. Dans le cas de la sphère illustrée aux figures 1 et 2 le procédé préféré consiste à faire balayer le faisceau dans un plan et à faire tourner le corps dans un plan orthogonal. Un masque peut être utilisé pour définir les régions à exposer au faisceau d'ions, à moins que la commande de la position du point d'impact du faisceau sur le corps soit suffisamment précise pour qu'on puisse se passer d'un masque. Bien que la description ci-dessus concerne un rotor pour gyroscope à suspension électrostatique, la même invention peut être utilisé pour modifier la distri- bution massique d'autres corps rotatifs. Le corps peut ne pas être conçu pour un support électrostatique, et peut être de forme quelconque. La même invention peut également être utilisée pour obtenir un équilibrage parfait plutôt qu'un déséquilibre délibéré. Il est évident que les écarts possibles entre le centre de gravité du corps et son centre géométrique sont par principe très petits, de même que les modifications aux axes principaux d'inertie, et c'est cet aspect qui limitera les applications de l'inven- tion. - 6 - REVENDICATIONS 1. Corps rotatif à distribution massique non uniforme, caractérisé en ce que la densité d'au moins une région (12, 13) de sa surface a été augmentée par l'implantation dans cette région d'ions d'un matériau élémentaire approprié, de façon à produire une modification désirée de la distribution massique du corps. 2. Corps conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le corps forme le rotor sphérique (10) d'un gyroscope à suspension électrostatique. 3. Corps conforme à la revendication 2, caractéri- sé en ce que le corps est en béryllium. 4. Corps conforme à l'une des revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le matériau élémentaire est de l'argent. 5. Procédé de fabrication d'un corps rotatif à distribution massique non uniforme, caractérisé en ce que'il inclut l'augmentation de la densité d'au moins une région de la surface du corps par implantation dadns cette région de la surface d'ions d'un matériau élémentaire approprié, de façon à produire une modification désirée de la distribution massique du corps. 6. Procédé conforme à la revendication 5, carac- térisé par les étapes consistant à diriger un faisceau d'ions dudit matériau élémentaire vers la surface du corps, et à produire un mouvement relatif entre la région d'impact du faisceau et le corps de sorte que l'implantation d'ions se produise sur la région désirée de la surface du corps.