Brevet FR2596152A1 — publié le 19870925

Transducteur de force à barreau vibrant et procédé pour empêcher des pertes d'énergie à partir du barreau vibrant dans un tel dispositif. La présente invention concerne d'une manière générale des résonateurs à barreau vibrant et plus particulièrement le système d'isolation d'un résonateur à barreau vibrant.. Un résonateur à barreau vibrant est utilisé dans un accéléromètre à barreau vibrant pour la mesure de l'accélération d'un avion ou bien est destiné à être utilisé dans 10 des applications pour des missiles. Un barreau vibrant possède une structure qui présente certaines propriétés caractéristiques semblables à celles d'un ressort en ce que, si une traction est appliquée au barreau vibrant, la fréquence de vibration augmente. Inversement, si une com15 pression est appliquée au barreau vibrant, la fréquence de vibration diminue en réponse à la force appliquée. C'est pourquoi, lorsqu'on utilise un résonateur à barreau vibrant, on peut obtenir un signal de sortie qui est représentatif de la force appliquée au résonateur à barreau vibrant. Etant donné qu'on peut le mesurer sous une forme numérique, ce signal de sortie peut être aisément transmis au moyen d'une liaison par interface aux ordinateurs numériques actuels. De même à partir de cette mesure, on peut avoir aisément une certitude de la vitesse d'un véhicule et de la 25 distance que le véhicule a parcourue. Cependant afin d'obtenir une détermination précise de la force, il est souhaitable que la fréquence de vibration du barreau vibrant soit une représentation réelle et précise de la contrainte axiale qui lui est appliquée. Toutefois, étant donné que le barreau vibrant est raccordé à des moyens de support, il existe toujours une certaine perte d'énergie due au fait que les moyens de montage doivent résister aux forces et aux couples produits par le barreauvibrant. Ceci entraîne une réduction du facteir 35 Q du résonateur, c'est-à-dire du rapport de l'énergie totale pour chaque cycle à 1' énergie perdue pour ce cycle. Et une réduction de Q signifie une altération de la stabilité en fréquence du résonateur. Par conséquent, afin de limiter les perte d'énergie dans le résonateur, il faut conserver une valeur élevée pour le facteur Q. Un système de montage ou de support isolant de l'art antérieur pour un résonateur est décrit dans le brevet US N 3 470 400 attribué à Weisbord. Conformément à ce brevet Weisbord, pour supprimer la perte d'énergie, il faut disposer 10 le centre de gravité de la masse isolante, qui est fixée au barreau vibrant, en un emplacement très précis passant par l'axe longitudinal du barreau vibrant. Ce brevet Weisbord enseigne que les réactions axiales peuvent être annihilées, grâce à ce positionnement. Cependant les critères indiqués 15 par Weisbord sont souvent difficiles à atteindre. Par exemple s'il est souhaitable de déplacer le centre de gravité de la masse isolante par rapport à ce qui a été prescrit par Weisbord pour l'amener en un emplacement qui est plus décalé à l'extérieur du barreau vibrant, il faut ajouter un poids 20 additionnel à la masse isolante, ce qui pose différents types de problèmes liés au fait que la structure ne correspond plus aux critères fixés. La présente invention permet de résoudre avec succès les problèmes mentionnés ci-dessus par le fait qu'au lieu de 25 prendre en compte le centre de gravité de la masse isolante, on envisage la mise en place des ressorts isolants qui sont utilisés pour raccorder la masse isolante aux moyens de montage. C'est pourquoi on obtient une plus grande souplesse du point de vue de la géométrie de conception du système 30 isolant d'un résonateur. En outre grâce à la mise en oeuvre de la présente invention en liaison avec les enseignements de Weisbord, il est possible d'obtenir une conception d'un système isolant pour un résonateur, qui supprime les résonances indésirables 35 au voisinage de la fréquence fondamentale du barreau vi- brant. D'une manière plus précise, l'invention concerne, selon un premier aspect, un appareil comprenant - un organe apte à vibrer dans un plan passant par l'axe longitudinal, - des moyens raccordés à cet organe pour maintenir la vibration dudit organe à une fréquence caractéristique, - une masse isolante fixée à chaque extrémité de l'organe vibrant et comprenant une base s'étendant transversalement dans les deux directions, par rapport à l'axe longitudinal, - un support d'extrémité monté à distance et parallèlement à la base de chaque masse isolante, et - un couple de ressorts isolants distants et non parallèles reliant chaque masse isolante au support d'extrémité correspondant et qui sont disposés chacun perpendiculairement à un 15 lieu de déplacement situé approximativement au niveau de la base de la masse isolante, le lieu de déplacement intersectant la zone de jonction de la base o le ressort isolant est accouplé à la masse isolante, et étant représentatif de la direction du mouvement desréactions de force et demoment 20 produites au pied de l'organe vibrant, ce qui permet de supprimer de façon substantielle des pertes d'énergie provenant de l'organe vibrant. Selon un autre aspect 1' invention concerne un procédé pour empêcher des pertes d'énergie à partir de l'organe vibrant dans un appareil du type indiqué plus haut, caractérisé en ce qu'il consiste à - interposer entre chaque masse isolante et le support d'extrémité correspondant un couple de ressorts isolants distants et non parallèles servant à accoupler la masse iso30 lante au support d'.extrémité correspondant, et - positionner chaque ressort isolant perpendiculairement à un lieu de déplacement situé dans la masse isolante, ce lieu de déplacement intersectant la zone de jonction o le ressort 35 isolant est accouplé à la masse isolante et étant représenta- tif de la direction de déplacement des réactions de force et de momeht, produites au niveau du pied de l'organe vibrant, ce qui empêche des pertes d'énergie à -partir dudit organe vibrant: D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci-après prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels: les figures lA et lB montrent des structures d'un résonateur de l'art antérieur, telles qu'indiquées dans le 10 brevet Weisbord, la figure 2 représente un schéma étendu en trois éléments de la structure représentée sur la figure lA; la figure 3 est une vue qui illustre uniquement les réactions principales dans le diagramme en trois éléments de 15 la figure 2; la figure 4 représente l'application de réactions au centre de gravité de la structure représentée sur la figure 3; la figure 5 représente une masse isolante à laquelle 20 est ajoutée une partie saillante; la figure 6 représente un système vibrant masse isolante-barreau; la figure 7 représente des réactions de force et de moment au pied du barreau vibrant; la figure 8 représente les lieux de déplacements dans une masse isolante; la figure 9 représente un système isolant conforme à la présente invention; la figure 10 représente un type de résonateur à cadre en A, complètement accordé; et la figure 11 montre une autre forme de réalisation du système isolant conforme à la présente invention. Ci-après on va donner une description détaillée de la présente invention. En se référant à la figure 1, on y voit représentée une structure à barreau vibrant telle que décrite dans le brevet Weisbord mentionné plus haut. Pour conserver la clarté du dessin, on a représenté la moitié de la structure repérée par 2. En particulier un barreau vibrant 4 est 5 raccordé à une masse isolante 6 qui comporte deux branches 6a et 6b entourant un barreau vibrant 4. La structure 2 comporte en outre un support d'extrémité 8 et un couple de ressorts isolants parallèles 10 et 12. La masse isolante 6 est accouplée, au niveau de la base 14 aux couples de res10 sorts isolants parallèles, qui sont à leur tour raccordés au support d'extrémité 8. Comme cela est mentionné dans le brevet Weisbord, le but de la configuration géométrique telle que représentée sur la figure lA est de maintenir aussi élevée que possible la valeur du facteur Q afin que 15 les forces de réaction du barreau vibrant, c'est-à-dire le moment de flexion M et la réaction de cisaillement- Y, qui sontr produites au niveau du pied du barreau vibrant, désigné par 16, ne soient pas transmises au support d'extrémité 8. En d'autres termes, les ressorts isolants et la masse 20 isolante sont utilisés pour empêcher des pertes d'énergie à partir du barreau vibrant. Naturellement il faut noter- que le barreau 4 est mis en vibrations par un circuit oscillant électronique qui est connu de façon classique et par consequent n'est pas représenté. Par conception, la combinaison de la masse isolante 6 et des ressorts isolants 10 et 12 posséderaient une fréquence naturelle très faible c'està-dire par rapport à la fréquence du barreau vibrant. Par exemple le barreau vibrant vibre de façon typique à une fréquence de 40 kHz, tandis que 30 la fréquence naturelle du système isolant du résonateur est de seulement environ 5-6 kHz. La différence entre les fréquences du barreau vibrant et du système isolant contribue à réduire la réaction de cisaillement au niveau du pied 6 du barreau vibrant 4. Cependant, en plus de la réaction de 35 cisaillement, au niveau du pied 16 se trouve produite une réaction de moment M, qui est une réaction angulaire qui tend à induire dans la masse isolante 6 un moment angulaire, auquel s'opposent des forces axiales produites dans les ressorts isolants 10 et 12. Sur la figure lB, la structure du résonateur, qui est représentée sur la figure lA et qui se trouve dans la position de repos, est représentée comme étant fléchie au maximum. La figure 2 montre un diagramme étendu en trois 10 éléments, qui montre l'ensemble des réactions de moment, de cisaillemement et de force présentes dans la structure de la figure lB. Les moments sont désignés par L, les réactions de cisaillement sont désignées par V et les réactions axiales sont désignées par F. Comme cela est représenté, le centre 15 de gravité C.G. et le pied du barreau sont séparés par une distance r. Etant donné que la figure 2 montre uniquement la moitié d'une structure du résonateur, la longueur du barreau vibrant 4 est désignée par LB/2. Moyennant les hypothèses consistant en ce que les réactions de cisaillement et de 20 moment des ressorts isolants 10 et 12 sont faibles au point d'être négligeables par rapport aux réactions d'inertie de la masse isolante à la fréquence du barreau, la réaction axiale du barreau vibrant 4 est négligeable et les réactions axiales des ressorts isolants 10 et 12 sont également faibles 25 au point d'être négligeables et la masse isolantre 6 de la figure 2 peut être réduite à celle représentée sur la figure 3. En ramenant toutes les réactions au centre de gravité C.G de la masse isolante 6, on peut encore réduire la 30 structure de la figure 3 à celle représentée sur la figure 4, sur laquelle on a représenté un moment net MB-rVB. En posant MM-rVB= 0 et en utilisant la relation de MB et VB conformément au fascicule du brevet Weisbord, on peut voir que l'on a r=0,215 LB. C'est la condition d'un accord parfait pour la structure du barreau représenté sur la figure 1. A partir de là il est évident que le brevet Weisbord enseigne que le centre de gravité de la masse isolante doit être placé en un emplacement très spécifique de manière à fournir un système isolant qui utilise les réactions d'iner5 tie pour annihiler des réactions de moment produites au niveau de la base d'un barreau vibrant. Cependant les critères, qui ont été fixés par Weisbord sont difficiles à satisfaire. Par exemple s'il est souhaitable de déplacer le centre de gravitré C.G. à l'exté10 rieur, à une distance X qui dépasse la limite proposée par Weisbord (L/6 à L/4), il est nécessaire d'ajouter à la masse isolante 6 une partie saillante importante 20, voir la figure 5. Le fait d'ajouter cette partie saillante 20 entraîne l'adjonction d'un poids additionnel à la masse isolante. 15 Ce poids additionnel pose des problèmes différents par exemple le fait que la masse isolante elle-même peut avoir une fréquence qui devient proche de la fréquence du barreau vibrant, ce qui intensifie la réaction de cisaillement. De même s'il existe un désaccord dû à un déplacement linéaire 20 de la masse isolante ou au déplacement angulaire de la masse isolante, il existe une certaine transmission des réactions de moment et de cisaillement du pied du barreau au support. Par exemple si le système isolant n'est pas parfaitement raccordé, c'està-dire si l'on a MB=rVB, la masse isolante 25 tendrait à tourner et provoque de ce fait l'apparition d'une réaction axiale Fs au ressort isolant, voir figure 2. On peut voir que la réaction de moment résuitant MR du support d'extrémité est le résultat à la fois d'une réaction du ressort isolant et d'une réaction d'inertie conformément à 30 l'équation classique de transmissibilité. Un système masse-isolante-barreau vibrant désaccordé, dans lequel on a un déplacement angulaire I et un déplacement linéaire YI, est représenté sur la figure 6. Comme cela a été indiqué précédemment, le déplacement linéaire YI peut 35 être compensé au moyen des enseignements fournis par Weisbord. Cependant le déplacement angulaire SI pose un problème. Mais, en raison des déplacements linéaire et angulaire combinés, les points formant noeuds 22 et 24 sont formés sur l'axe longitudinal du système masse isolante-barreau vibrant. 5 On peut aisément voir que la structure de la figure 6 peut être étendue sous la forme du diagramme en trois éléments de la figure 7, sur lequel on a représenté les réactions de moment et de cisaillement ainsi que la distance dN entre le centre de gravité C.G. de la masse isolante et le noeud, 10 dans ce cas 22. Pour conserver la clarté du dessin, on a représenté sur la figure 7 uniquement la moitié de la structure de la figure 6. En utilisant les équations de base pour les déplacements linéaire et angulaire, en liaison avec la figure 6, 15 on peut voir que les relations suivantes représentent respectivement le déplacement linéaire YI et le déplacement angulaire SI. VB -Yi = B (1) I M W( -I = Mb -rVB (2) MIR? Wg o: VB = réaction de cisaillement de la masse du barreau vibrant M = masse de la masse isolante WB = fréquence naturelle du barreau vibrant. Sur les figures 6 et 7 on peut voir que la relation entre BN, YI et GI est la suivante: YI dN = (3) N Q1 Après introduction des relations 1 et 2 dans 3, la relation, qui représente la distance entre un noeud et le centre de gravité de la masse isolante, est la suivante: RE2 d (4) 3N MB (-- r) vB Il faut noter dès à présent que, si l'on a MBVB= r, alors on a d = o. C'est la condition de Weisbord pour N l'accord parfait, selon laquelle deux ressorts isolants sont disposés parallèlement l'un à l'autre. En se référant maintenant à la figure 8, on y voit représentés, dans la masse isolante 26, des points A et B auxquels des ressorts isolants sont fixés. Par suite des déplacements linéaireet angulaire combinés, on obtient des lieux respectifs de points, représentés sous la forme de 10 traits 28 et 30, qui passent respectivement par les points A et B. Comme cela est représenté, ces traits font un angle par rapport aux axes X et Y. Il faut noter que la masse isolante 26 serait orientée dans la position telle que représentée par la masse isolante 26b représentée par une 15 ligne formée de tirets, si la masse isolante était parfaitement accordée comme c'était le cas dans la structure Weisbord. Il faut en outre noter que si la masse isolante 26 est orientée dans la position telle qu'indiquée par lamasse isolante 26b, alors les lieux 28 et 30 sont orientés dans la 20 direction Y, par rapport aux axes X et Y. En se référant maintenant à la masse isolante 26 positionnée comme représenté par la ligne en trait plein, on peut aisément voir que les lieux 28 et 30 sont disposés de telle sorte que si l'on trace des droites imaginaires 28i et 30i à partir des points 25 correspondants A et B jusqu'au noeud 32, les lieux de déplacement 28 et 30 sont orientés perpendiculairement au noeud 32. En appliquant l'idée selon laquelle, si les ressorts isolants étaient accouplés à la masse isolante au 30 niveau de la jonction repérée par les points A et B de manière qu'ils s'intersectent au niveau d'un noeud qui a été préalablement déterminé par les relations mentionnées plus haut, on peut voir aisément que les ressorts isolantsseraient amenés à se déplacer dans leur direction de compliance 35 maximale; c'est-à-dire que si les ressorts isolants sont accouplés à la masse isolante 26 au niveau des points A et B de manière' que la déviation provoque la réaction minimale, l'axe des ressorts isolants est perpendiculaire a une direction de déplacement et passe au niveau du noeud. Par 5 conséquent les angles des ressorts isolants doivent être choisis de manière que les axes respectifs des ressorts isolants soient perpendiculaires aux lieux correspondants de déplacement aux points A et B. Cette disposition en oblique des ressorts isolants à partir de la masse isolante est 10 illustrée sur la figure 9. En considérant uniquement la partie de gauche de la structure de la figure 9, on voit que la masse isolante 40 est accoupléeà un ressort d'extrémité 38 au moyen de ressorts isolants 34 et 36. Comme représenté, les axes des ressorts 15 isolants 36 et 36, qui sont représentés respectivement par des droites formées de tirets 34i et 36i, s'intersedtent au niveau du noeud 32. En outre ces axes 34i et 36i sont perpendiculaires aux lieux respectifs de déplacement 28 et 30. Naturellement on notera que les ressorts isolants sont 20 décalés d'un angle GA par rapport à l'axe longitudinal du barreau vibrant, comme cela est illustré en référence aux ressorts isolants 34. Bien que le noeud 32 soit représenté comme étant situé dans le support d'extrémité 38 dans la structure de la figure 9, on notera que le noeud, au niveau 25 duquel lesaxesdes ressorts isolants s'intersectent, ne doit pas nécessairement se situer à l'intérieur des supports d'extrémité. Par exemple comme cela est représenté sur la figure 10, le neoud 42 est situé à l'extérieur des supports d'extrémité 44. Cecis est dû au fait que la structure de la figure 10 possède une géométrie différente de celle représentée sur la figure 9. Par conséquent les lieux de déplacement 46 et 48 de la structure de la figure 10, que l'on désignera sous le nom de résonateurs à cadre en A, sont situés en des emplacements différents sur la masse isolante 50. Par consé35 quent, même si les axes des ressortS isolants 52 et 54 sont ill perpendiculaires respectivement aux lieux -de déplacement 46 et 48, ils-s'intersectent au niveau du noeud 42 situé en un point à l'extérieur du support d'extrémité 44. Il s'ensuit nécessairement que l'angle 0A du résonateur à cadre en A est 5 inférieur à celui du même résonateur pour la structure représentée sur la figure 9. On notera également qu'au lieu d'être situé par exemple à gauche du support d'extrémité 44, le noeud peut être en réalit situé à droite de ce support. Ceci est illustré sur la figure 11. Comme cela est représenté, la figure 11 montre un autre type de système isolant pour un résonateur à barreau vibrant. Comme représenté, les axes 56i et 58i des ressorts isolants respectifs 56 et 58 s'intersectent au niveau du noeud 64 en une position qui est située à l'intérieur de la 15 masse isolante 62. Ceci est dû au fait que la géométrie de la masse isolante 62 est tout-à-fait différente de celle des figures précédentes. Par conséquent, au lieu de se recouper en un noeud situé à gauche de la base 64 du support de l'extrémité 60, les axes des ressorts isolants s'intersectent 20 au niveau d'un noeud situé à droite de la base 66 de la masse isolante 62. Par conséquent il faut noter que les ressorts isolants peuvent être disposés obliquement dans les deux directions, c'est-à-dire de manière à faire saillie obliquement en direction du support d'extrémité ou à faire 25 saillie obliquement en direction de la masse isolante. Bien que la présente invention décrive un nouveau modèle d'isolant et un nouveau procédé pour réaliser ce modèle, il faut insister sur le fasit qu'il est possible de réaliser une combinaison de la présente invention avec ce 30 qui a été décrit par Weisbord. Par exemple il peut être beaucoup plus aisé, au cours d'un procédé de fabrication de régler à la fois la position du centre de gravité d'une masse isolante et l'angle des ressorts isolants, plutôt que de régler uniquement l'un de ces deux éléments. Bien que l'on ait décrit ici une forme de réalisation de l'invention à des fins d'explication, de nombreuses modifications, changements, variantes substitution et équivalents, en totalité ou en partie apparaîtront à l'évidence aux spécialistes de la technique à laquelle s'applique l'invention. REVENDICATIONS 1. Appareil, notamment du type résonateur à barreau vibrant, caractérisé en ce qu'il comporte: - un organe (4) apte à vibrer dans un plan passant par 5l'axe longitudinal, - des moyens raccordés à cet organe de manière à en maintenir la vibration à une fréquence caractéristique, - une masse isolante (40; 62) fixée à chaque extrémité dudit organe et comprenant une base s'étendant transversalement, 10 dans les deux directions, par rapport à l'axe longitudinal, - un support d'extrémité (38;60) disposé parallèlement et à distance de la base de chaque masse isolante, et - un couple de ressorts isolants (34,36; 56,58) accouplant chaque masse isolante au support d'extrémité correspondant 15 et étant disposés chacun perpendiculairement à un lieu de déplacement situé approximativement au niveau de la base de la masse isolante, ce lieu de déplacement intersectant la zone de jonction de la base, o le ressort isolant est accouplé à la masse isolante,et étant représentatif de la 20 direction de déplacement des réactions de force et de moment produites au niveau du pied de l'organe vibrant, ce qui permet de supprimer de façon substantielle des pertes d'énergie à partir de l'organe vibrant. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en 25 ce que chacun desdits ressorts isolants (34,36) distants et non parallèles entre eux s'étend obliquement en direction de l'axe longitudinal, à partir de la base de la masse isolante (40; 62) en direction du support d'extrémité correspondant (38;60), les axes respectifs des ressorts isolants s'inter30 sectant au niveau d'un noeud (32) situé dans une direction s'écartant de l'organe vibrant et de la zone de jonction o les ressorts sont accouplés à la base. 3.Appareil selon la revendication 1, caractérisé ence que chacun desdits ressorts isolants (56,58) distants et 35 non parallèles entre eux s'étend obliquement en direction de l'axe longitudinal à partir du support d'extrémité correspondant (60) en direction de la base de la masse isolante (62), les axes des ressorts isolants s'intersectant au niveau d'un noeud écarté de la zone de jonction avec la masse isolante, au niveau de laquelle les ressorts sont accouplés. 4. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'organe est un barreau. 5. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'organe est un barreau. 6. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est constitué en un matériau piézoélectrique. 7. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est réalisé en quartz. 8. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en 15 ce qu'il est réalisé en un métal. 9. Procédé pour empêcher des pertes d'énergie à partir de l'organe vibrant (4) dans un appareil comprenant un organe vibrant, une masse isolante (40;62) fixée à chaque extrémité de l'organe vibrant et un support d'extrémité 20 (38;60) disposé en étant écarté de chaque masse isolante, caractérisé en ce qu'il consiste à: - interposer entre chaque masse isolante (40;62) et le support d'extrémité correspondant (38;60) un couple de ressorts isolants (34,36;56,58) distants et non parallèles 25 entre eux et servant à accoupler la masse isolante à l'organe de support correspondant, et - positionner chaque ressort isolant perpendiculairement à un lieu de déplacement situé dans la masse isolante, ce lieu de déplacement intersectant la zone de jonction 30 o le ressort isolant est accouplé à la masse isolante et étant représentatif de la direction de déplacement des réactions de force et de moment produites au niveau du pied de l'organe vibrant, ce qui permet d'empêcher des pertes d'énergie à partir de l'organe vibrant. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la phase opératoire de positionnement inclut en outre: - le montage de chaque ressort isolant (36,34) de manière qu'il s'étende obliquement à partir de la base de la masse 5 isolante (40) jusqu'au support d'extrémité (38) correspondant, et - l'inclinaison des axes des ressorts isolants en direction de l'axe longitudinal de l'organe vibrant de manière qu'ils s'intersectent au niveau d'un noeud (32) situé dans une 10 direction s'écartant de l'organe vibrant et des zones de jonction de la masse isolante, o les ressorts isolants sont accouplés. ll.Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la phase opératoire de positionnement inclut en 15 outre: - le montage de chaque ressort isolant (56,58) de manière qu'il s'étende obliquement à partir du support d'extrémité correspondant (60) en direction de la masse isolante (62), - l'inclinaison des axes des ressorts isolants en direction 20 de l'axe longitudinal de l'organe vibrant, pour qu'ils s'intersectent en un noeud écarté des zones de jonction de la masse isolante, o les ressorts sont accouplés.