Brevet FR2573678A1 — publié le 19860530

Résonateur mécanique L'invention se rapporte à un résonateur mécanique, en particulier pour un hacheur de rayons, fonctionnant en résonance, comprenant un bras oscillant mécaniquement rigide représentant une masse solide, un ressort à constante de rappel fixe agissant sur le bras oscillant ainsi qu'un dispositif d'entraînement pour le bras oscillant avec un circuit de contre-réaction positive pour l'auto-excitation à la fréquence de résonance du système masse-ressort constitué par le bras oscillant et le ressort, ainsi qu'un dispositif de mesure pour déterminer la vitesse ou la position du bras oscillant. Un tel résonateur mécanique est mentionné dans la demande antérieure P 34 22 005.4-35 de la demanderesse en liaison avec un procédé et un dispositif pour la production au moyen d'un capteur d'horizon terrestre d'un signal de dérive pour un satellite de la terre se trouvant sur une orbite. Une autre utilisation,connue par la demande de brevet allemand 20 35 314 et se rapportant également à un satellite,pour un tel hacheur de rayons est constituée par un télescope à infrarouge qui fonctionne avec capteursà infrarouge refroidis. Comme ces capteurs ne délivrent que des signaux dans la zone du microvolt et que de faibles signaux de courant continu de ce genre ne peuvent être que difficilement amplifiés, il est nécessaire d'opérer un hachage des signaux qui est avantageusement exécuté par hachage du rayon incident au moyen d'un hacheur de rayons. Ce hachage doit être parfaitement régulier, c'est-à-dire que les temps pendant lesquels le rayonnement tombe sur le détecteur à infrarouge doivent être exactement aussi longs que les phases d'obscurcissement à chaque fois considérées. Un dispositif de basculement à miroir secondaire utilisé à des fins analogues pour un télescope à miroir est par exemple connu par la demande de brevet allemand 32 13 076. En raison de la faible perte de puissance nécessaire pour l'utilisation des satellites. ces hacheurs de rayons fonctionnent en résonance, donc à la fréquence propre d'un système masse-ressort. Z L'objet de l'invention est de mettre au point, en particulier pour un hacheur de rayons, un résonateur mécanique qui satisfasse aux exigences précitées et présente, en outre,une courbe d'oscillation périodique modifiable, en particulier asymétrique. Ce résultat est atteint avec O10 un résonateur mécanique selon l'invention qui comporte au moins un premier système magnétique placé sur le bras oscillant ainsi qu'au moins un deuxième système magnétique coopérant avec le premier système magnétique pour modifier le rapport des temps des deux demi-périodes et/ou la fréquence d'oscillation du bras oscillant. Avec un tel résonateur mécanique, on arrive par exemple à adapter entre elles les phases de clarté et d'obscurcissement d'un hacheur de rayons, ce qui n'est pas possible avec une courbe d'oscillation symétrique en cas de différentes dimensions du diamètre du rayon à occulter et de l'écra n de hachage utilisé à cet effet. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description de modes de réalisation pris comme exemples, mais non limitatifs, et illustrés par le dessin annexé, sur lequel: la figure 1 représente un résonateur mécanique réalisé sous la forme d'un hacheur de rayons; les figures 2a, 2b représentent la courbe d'amplitude de l'écran d'un hacheur de rayons en cas de courbe caractéristique linéaire du ressort; les figures 3a, 3b représentent la courbe d'amplitude de l'é cran du hacheur de rayons en cas de courbe caractéristique du ressort modifiée selon l'invention; la figure 4 représente un autre résonateur mécanique réalisé sous forme de hacheur de rayons; la figure 5 représente un circuit de régulation pour un dispositif d'entraînement d'un résonateur mécanique selon la figure i ou 4; les figures 6a - d représentent la courbe des signaux en quelquespointscaractéristiquesdu circuit de régulation selon la figure 5; la figure 7 représente un dispositif d'entraînement et un capteur d'amplitude combinés pour un résonateur mécanique. Le résonateur mécanique représenté à la figure 1 est réalisé sous la forme d'un hacheur de rayons et comporte à cet effet un bras oscillant 1 mécaniquement rigide sur l'extrémité oscillant librement duquel est disposé un éc r a n 2 et dont la suspension et le dispositif d'en- tralnement sont désignés par 3 et seulement représentés schématiquement. Le hacheur est placé dans le trajet 4 du rayon d'un dispositif optique ou opto-électrique de telle sorte que le diamètre 4du rayon soit complètement découvert pendant une demi-période et complètement recouvert pendant l'autre demi-période. Avec un hacheur de rayons oscillant en résonance avec une oscillation purement sinusoïdale et ayant une amplitude d'oscillation de deux fois le diamètre du rayon, la courbe d'amplitude de l'écran aurait l'allure représentée à la figure 2a. En pareil cas, on part du principe que le ressort prévu dans le dispositif d'entraînement et agissant sur l'axe de rotation présente une courbe caractéristique linéaire selon la figure 2b. Compte tenu des temps aussi longs que possible visés pendant lesquels le traJet du rayon est complètement libre ou complètement fermé et des différentes dimensions qui y sont liées de l'écran du hacheur et du diamètre du rayon, les temps de pleine ouverture avec une pure oscillation sinusoïdale sont toujours plus grands que ceux de la pleine fermeture. Si maintenant,selon l'inventionon place sur le -35 bras oscillant 1 du hacheur de rayons un premier aimant permanent 5 et, sur une partie de boitier se trouvant enfo del'aimant 5 au moment de l'amplitude maximale du bras oscillant, un second aimant 6 de manière que dans la zone de l'amplitude maximale il s'exerce une force de répulsion sur l'aimant 5, cela revient à modifier la courbe caractéristique du ressort selon la figure 3b. Selon la distance et la force des aimants 5 et 6, on peut modifier la zone non linéaire de la courbe caractéristique du ressort lors de la demi-période pendant laquelle le diamètre du rayon est découvert ce qui est schématisé par la courbe caractéristique en tirets du ressort. Une courbe caracté- ristique ainsi modifiée du ressort se répercute sur la courbe de l'oscillation de l'écran du hacheur en ce sens que la demi-période découvrant le diamètre du rayon se trouve raccourciedans le temps. Par un réglage approprié des aimants 5 et 6, on peut arriver à ce que les temps tg pendant lesquels le traJet 4 du rayon est complètement fermé et les temps to pendant lesquels le traJet du rayon est complètement ouvert soient dtégale longueur. Ces temps peuvent par exemple être contr8lés en installant parallèle- ment au plan d'oscillation du hacheur de rayons deux bobines d'induction 7 et 8 devant lesquelles passe le bras oscillant 1 et un autre aimant permanent 9 fixé dessus qui induit alors une impulsion de tension dans les bobines 7 et 8. Les bobines sont positionnées de manière qu'une impulsion de tension soit à chaque fois produite au début et à la fin des phases "ouverte" ou "fermée". En cas d'un petit rapport entre le diamètre du rayon et l'amplitude d'oscillation, il suffit d'une seule bobine disposée de façon appropriée pour déterminer la position du bras oscillant. La courbe des tensions U7 et U8 dans les bobines 7 et 8 est illustrée à la figure 6b et à titre de comparaison, on a représenté encore une fois à la figure 6a la situation décrite à la figure 3a. Une courbe de tension correspondant à la figure 6a est produite par un autre capteur de position prévu dans le dispositif d'entratnement 3, ce signal dit de prélèvement étant utilisé dans un circuit de contre-réaction positive pour l'auto-excitation à la fréquence de résonance. Pour le cas o à la place d'une modification du rapport des temps des deux demi-périodes, on veut modifier la fréquence d'oscillation du bras oscillant, on peut disposer un autre dispositif constitué d'un autre premier système d'aimant et d'un autre second système d'aimant également sur l'autre c8té du bras oscillant, de telle sorte qu'on obtient deux butées magnétiques pour le bras oscillant. On arrive ainsi à ce que l'amplitude des deux c8tés des demi-périodes soit à peu près constante pour une énergie d'entraînement minimale. Par ailleurs, en augmentant l'énergie fournie au dispositif d'entraînement 3, on peut faire varier la fréquence d'oscillation; celle-ci est sensiblement proportionnelle à l'énergie fournie tant que le bras oscillant ne subit aucun arrêt mécanique. De cette façon, on obtient un hacheur fonctionnant en résonance et dont la fréquence d'oscillation peut être modifiée électri- quement de façon simple. - Un montage pour l'excitation à la fréquence de résonance est représenté à la figure 5. Le signal de prélèvement, superposé aux pointes de tension des bobines 7 et 8, des prises 10.1 (voir figure 6c) du hacheur de rayons globalement désigné par 10,est appliqué à un amplificateur à caractéristique passe-bas ll pour l'ampli- fication proprement dite du signal de prélèvement, ainsi qu'à un passehaut 12 pour la sélection des impulsions de tension des bobines 7 et 8. Une telle superposition des signaux émanant des bobines 7 et 8 au signal de prélèvement est avant tout avantageuse lorsque seulement un petit nombre de lignes de mesure soit sont disponibles, soit doivent être utilisées, par exemple pour un fonctionnement de cryostat. Si une telle superposition de signaux n'est pas nécessaire, l'électronique 11, 12 pour la séparation des deux signaux peut être supprimée. Le signal de prélèvement proportionnel à l'amplitude est numérisé dans un comparateur 13. A l'aide de ce signal numérisé du comparateur 13, on détermine dans un sélecteur d'intervallesl4 les deux temps tg et to pour l'état fermé et l'état ouvert. Les signaux apparaissant à la sortie du sélecteur d'intervalledpour tg et to sont représentés à la figure 6d. A partir du signal de prélèvement amplifié apparaissant au niveau de l'amplificateur 11, un détecteur d'amplitude 15 délivre une tension continue DC proportionnelle à l'amplitude du hacheur. Cette tension continue est appliquée en tant que valeur effective à un amplificateur totalisateur 16. La valeur de consigne correspondante de l'amplitude est produite en appliquant les signaux pour tg et to respecti- vement à un passe-bas 17 et 18 et en les transformant en tensions continues DCg et DCo proportionnelles aux temps. Un amplificateur totalisateur consécutif 19 forme la différence &DCgo des deux signaux DCg et DCo. Ce signal différenciel ZDCgo commande un capteur de valeur de consigne 20 des amplitudes du hacheur par l'intermédiaire d'un amplificateur PI 21 de façon que le rapport des temps tg et to atteigne la valeur 1. A cet effet, dans l'ampli- ficateur totalisateur 16,on compare la valeur effective de l'amplitude à la valeur de consigne produite de la façon qui vient d'être décrite. La différence A DC est amplifiée dans un amplificateur PI 22 et modulé rigidement en phase par rapport à l'amplitude du hacheur dans un modulateur 23 à l'aide du signal de prélèvement numérisé. Un excitateur de courant 24 transforme le 3ignal du modulateur en impulsions de courant correspondantes pour le dispositif d'entraînement 10.2 du hacheur, après quoi le circuit de régulation est fermé. La figure 4 représente en vue latérale un hacheur de rayons selon la figure 1, la structure du dispositif d'entratnement étant illustrée ici dans son principe. Au niveau de l'axe de rotation 1.1 du bras oscillant 1 agit un ressort hélicoïdal 3.1 de manière à constituer un système oscillant masse-ressort ayant une fréquence de résonance déterminée. A l'extrémité, opposée à l'écran 2, du bras oscillantlsont disposés deux ancres oscillants 3.2 et 3.3 qui coopèrent avec une bobine de captage de position correspondante 3.4 et une bobine d'entraînement 335. La figure 7 représente un dispositif d'entraînement combiné à un capteur d'amplitude. Iciil suffit d'une seule ancre oscillante 3.6 qui est fixée au bras oscillant non représenté et qui oscille entre deux bobines 3.8 et 3.9 reliées par une culasse 3.7. Entre les bobines 3.8 et 3.9 se trouve un aimant permanent 3.10 au-dessus duquel l'ancre oscillante 3.6 oscille à proximité immédiate. De cette façon, dans les bobines 3.8 et 3.9 montées en série, l'ancre oscillante 3.6 engendrent des impulsions de tension qui peuvent être filtrées en tant que signaux d'amplitude. Les bobines 3.8 et 3.9 servent en même temps de bobines d'en- tra nement pour l'ancre oscillante 3.6. Dans ce cas, les bobines sont avantageusement alimentées par une source de courant variable à courbe de courant rectangulaire. REVENDICATIONS 1. Résonateur mécanique, en particulier pour un hacheur de rayons, fonctionnant en résonanee, comprenant un bras oscillant mécaniquement rigide représentant une masse solide, un ressort à constante de rappel fixe agissant sur le bras oscillant, ainsi qu'un dispositif d'entraînement pour le bras oscillant avec un circuit de contre-réaction positive pour l'auto-excitation à la fréquence de résonance du système masse-ressort constitué par le bras oscillant et le ressort, ainsi qu'un dispositif de mesure pour déterminer la vitesse ou la position du bras oscillant, caractérisé par le fait qu'il comporte au moins un premier système magnétique (5) placé sur le bras oscillant (1) ainsi qu'au moins un deuxième système magnétique (6) coopérant avec le premier système magnétique pour modifier le rapport des temps des deux demi-périodes (tg,to) et/ou la fréquence d'oscillation du bras oscillant. 2. Résonateur mécanique selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte un premier aimant permanent (5) placé sur le bras oscillant (1) ainsi qu'un second aimant permanent ou électro-aimant (6) qui, pendant une demi-période du bras oscillant, produit une force de répulsion agissant sur le premier aimant permanent (5). 3. Résonateur mécanique selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il comporte un autre deuxième aimant permanent ou électro-aimant qui, pendant l'autre demi-période du bras oscillant (1), produit également une force de répulsion agissant sur le premier aimant permanent (5). 4. Résonateur mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que pour déterminer la position du bras oscillant (1) celui-ci porte un aimant permanent (9) et qu'il est prévu deux bobines d'induction (7,8) disposées parallèlement au plan d'oscillation du bras oscillant (1) pour produire conjoin- tement avec l'aimant permanent (9) deux signaux indiquant la position du bras oscillant pendant une période d'oscillation. 5. Résonateur mécanique selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les signaux de position sont appliqués au circuit de contre-réaction positive pour la commande du dispositif d'entraînement en vue de modifier le rapport des temps des deux demi-périodes du bras oscillant.