Brevet FR2606886A1 — publié le 19880520

L'invention a pour objet un dispositif résonateur à fréquence variable, utilisable notamment en tant que compo- sant d'un oscillateur électrique destiné la mesure de l'accélération à laquelle est soumis un ensemble portant ledit dispositif. Dans le domaine spatial il est quelquefois souhaite pouvoir mesurer une avcél6ration avec une precision extreme. On a proposé d'utiliser à cet effet des accéléromètres ccmprenant un oscillateur électrique dont la fréquence est contrôlée par un résonateur en quartz soumis à l'action d'au moins une masse sismique. Dans un premier accéléromètre de ce type, le résona- teur est constitué par un disque en quartz vibrant en cisaillement d'épaisseur et conformé de maniere que l'énergie de vibration soit localisée au centre du disque, la masse sismique exerçant sur la tranche du disque une compression ou une traction suivant une ligne diametrale du cristal. La qualite de la vibration, et en conséquence la precision de la mesure de frequence, est bonne, la fixation du cristal ntinterférant pas avec la vibration. Mais la variation relative maximale de frequence est limitée, par les caracteristiques mécaniques du cristal, à une valeur de l'ordre de Dans un second accéromètre de ce type, on utilise comme partie vibrante une poutre en quartz encastree à chaque extrémité et vibrant en flexion, la masse sismique creant des forces de compression ou de traction sur les encastrements de la poutre. Si la variation relative maximale de frequence est nettement supérieure à celle du dispositif précédent, les pertes d'energie dues aux encastrements de la poutre ont pour conséquence une qualite relativement méciocre de la vibration. Le dispositif résonatur selon l'invention cumule les avantages des deux dispositifs précédents et présente simultanement une bonne qualité de vibration et une variation relative maximale de sa fréquence de résonane importante. Selon l'invention, l'élément vibrant du résonateur est constitué par une plaquette incurvee, sensiblement en forme de gouttiere, et excitée électriquement de manière à vibrer en flexion parallelement au plan median diametral de la gout tiere, ladite plaquette etant maintenue en des noeuds de vibration. Les moyens d'excitation electrique sont choisis en fonction de la nature du materiau constituant la plaquette. Pour une plaquette incurvee en quartz on utilise une excitation piezo-electrique, tandis que pour une plaquette metallique on adopte, par exemple, une excitation electrostatique ou electromagnetique. Selon l'invention egalement, l'effet de l'accélération est transmis à la plaque par une ou des masses sismiques exerant leur action en des noeuds de vibration. L'invention tire parti du fait que, d'une part, la poutre est libre, ce qui assure une bonne qualite de la vibration et que, d'autre part, l'action d'une masse sismique assure.a la plaque une deformation qui entraine une grande variation de la frequence de resonance. Dans la description qui suit, faite à titre d'exemple, on se refere aux dessins annexes dans lesquels la figure 1 est une vue de face d'une plaque constitutive du résonateur la figure 2 en est une vue par la tranche la figure 3 est une vue perspective d'une poutre plane; la figure 4 est une vue perspective d'une poutre in curvee la figure 5 est une vue en plan du résonateur :: la figure 6 est une vue en coupe selon la ligne 6-6 de la figure 5 la figure 7 est une vue en coupe selon la ligne 7-7 de la figure 5 la figure 8 est une vue perspective du dispositif equipe de ses masses sismiques la figure 9 est une vue schematique d'une plaque en vibration la figure 10.1 est une vue schematique en coupe transversale du dispositif montre sur la figure 8, en l'absence d'acceleration ; la figure 10.2 est une vue analogue à la figure 10.1 mais pour une acceleration dirigee dans un sens determine la figure 10.3 est une vue analogue à la figure 10.2 mais pour une acceleration dirigee dans le sens inverse de cette derniere. Le resonateur à frequence de resonance variable comprend une plaquette incurvee 21 (figures 1 et 2) avantageusement en cristal piezo-electrique, de forme generale rectangulaire, limitee par deux bords longitudinaux rectilignes 22 et 23 et deux bords transversaux courbes 24 et 25, la plaquette ayant ainsi une configuration en gouttiere. La plaquette est definie par deux surfaces cylindriques paralleles, à savoir une surface cylindrique externe 26 et une surface cylindrique interne 27, coaxiales, deux tranches longitudinales 28 et 29 et deux tranches transversales 24 et 25, planes. On determine un axe X3'X'3, perpendiculaire au plan longitudinal de symetrie x1-x2, et par rapport auquel le moment d'inertie d'une section transversale de la plaquette est minimal. Le plan x1-x3 ainsi defini coupe la surface cylindrique equidistante des surfaces 26 et 27 suivant des lignes dl et d2 et on determine sur lesdites lignes les points respectivement P3, P1 et P2, P4 qui sont à une distance des tranches, respectivement 24 et 25, egale à celle des points d'intersection des deformees en vibration, dans un sens et dans l'autre d'une poutre plane ayant la meme longueur L que la plaquette incurvee. On a trace sur la figure 3 representative de la poutre plane les directions x2 et x3 ainsi que la direction perpendiculaire aux precedentes, xl,qui constituent le triedre de référence de la plaquette des figures 1 et 2,et sur la figure 4 le meme triedre de reference, mais dans le cas de la plaquette incurvee. Le maintien de la plaquette 21 se fait (fig. 6) par des aiguilles 311, 312, 313, 314 traversant ladite plaquette en les points P1, P2, P3, P4. Pour l'excitation, la face convexe 26 est revetue de deux électrodes 32 et 33 qui s'étendent sur toute la surface à l'exception d'une bande transversale moyenne 34 limitee par les bords en regard 35 et 36 desdites electrodes. La face interne ou concave 27 est de meme revetue de deux electrodes 37 et 38 qui s'etendent d'un bout à l'autre de ladite face à l'exception d'une partie mediane 39 limitee par les bords en regard 41, 42 desdites électrodes. L'électrode 32 présente un dégagement circulaire 43 pour l'isoler électriquement de l'aiguille 313 et l'élec- trode 37 (fig. 7) presente un degagement circulaire 44 autour de l'extrémité 45 de l'aiguille 314. L'electrode 33 presente un degagement circulaire 46 pour l'isoler electriquement de l'aiguille 312 et l'électrode 38 presente un degagement circulaire 47 pour l'isoler de l'extremite 48 de l'aiguille 311. Les électrodes 32 et 38 sont reliees electriquement l'une à l'autre comme schematise par les conducteurs 51, 52 et il en est de meme des électrodes 33 et 37 comme schema tise par les conducteurs 53 et 54. Les conducteurs communs 55 et 56 mettent le resonateur en relation avec les autres composants de l'oscillateur et permettent l'application de la tension alternative d'excitation. Des aiguilles 311, 312, 313, 314 sont rigidement solidaires des masses sismiques, respectivement 611, 612, 613, 614 (fig. 8). Les masses sismiques sont fixees à l'extremite de lamelles souples, respectivement 621, 622, 623 et 624 qui, en l'absence d'accélération, sont perpendiculaires aux aiguilles. Les extremites opposees desdites lamelles sont encastrees dans des appuis, respectivement 631, 632, 633, 634. Sous l'effet de l'excitation electrique, la plaquette 21 vibre en flexion comme schematise sur la figure 9 pour son mode fondamental entre une position moyenne montree en trait plein et deux positions extrémes montrees en traits pointilles, la vibration presentant deux lignes nodales transversales passant respectivement par les points P1, P2, P3 et P4 avec lesquels coincident les extremites des aiguilles 31. Les lignes nodales delimitent ainsi sur la plaquette une partie centrale 64 et des parties laterales 65 et 66. Pour une acceleration comme montre sur la fleche fl de la figure 10.2, les masses sismiques 61 placees aux extrem tes des lamelles 62 sont sollicitees vers le haut ; elles sollicitent à leur tour la plaquette 21 et incurvent les lamelles 62. Les extremites des aiguilles 31 exercent sur la plaquette des couples comme schematise par les fleches f3 de la figure 10.2 ; ces couples augmentent l'incurvation de la plaquette 21 et ainsi sa raideur. La frequence de resonance de la plaquette en est augmentee, permettant ainsi la me sure de l'accélération, et son sens. Si, au contraire, l'accélération s'exerce vers le bas comme schématisé par la fleche f2 sur la figure 10.3, les extrémités des aiguilles 31 exercent sur la plaquette des couples comme montre par les fleches f4 qui diminuent son incurvation et la valeur du moment d'inertie et ainsi sa raideur. La frequence de résonance en est diminuee, la diminution etant une mesure de la valeur de l'accélération et de son sens. Un tel resonateur, s'il est sensible à une acceleration parallele aux aiguilles, est au contraire tres peu sensible aux accélérations transversales, c'est-à-dire contenues dans le plan x1-x3. La taille de la plaquette dans un bloc de quartz se fait de maniere que l'on puisse exciter piezo-electriquement la vibration de flexion dans le plan xl-x2 Par exemple on taille la plaquette pour que les axes xl, x2, x3 coincident avec les axes de cristallographie X, Y et Z du cristal. La qualite de la vibration de la plaquette, ou poutre, est excellente et assure une bonne definition de l'enregistrement des variations de frequence. Le montage des masses sismiques realise la transformation de l'effort en deformation avec un rendement eleve et ntanmoindrit pas la qualite intrinseque de la vibration. Dans une variante, la plaquette incurvee est metallique et l'excitation est electrostatique ou electromagnetique. REVENDICATIONS 1. Dispositif résonateur comprenant une plaquette équipée d'electrodes pour son excitation et de masses sismiques pour appliquer à la plaquette les forces resultant d'une acceleration à mesurer, caracterise en ce que la plaquette, de forme générale rectangulaire, est, en condition de non-contrainte, à section transversale incurvee, en forme de gouttiere, libre à ses extremites, et en ce que, excitee électriquement en une vibration à la flexion parallelement son plan longitudinal median, elle est maintenue ponctuellement en ses points nodaux de vibration. 2. Dispositif résonateur selon la revendication 1, caracterise en ce qRe les masses sismiques exercent leur action sur les points nodaux de vibration. 3. Dispositif resonateur selon la revendication 1 ou la revendication 2, caracterise en ce que la plaquette est maintenue en quatre points nodaux de vibration. 4. Dispositif resonateur selon la revendication 3, caracterise en ce que la plaquette est maintenue par des aiguilles. 5. Dispositif resonateur selon la revendication 4, caracterise en ce que l'action des masses sismiques sur la plaquette s'exerce par l'intermediaire desdites aiguilles. 6. Dispositif resonateur selon la revendication 1, caracterise en ce que la plaquette est disposee pour que son axe transversal somit parallele à la direction de l'accéléra- tion à mesurer. 7. Dispositif selon la revendication 2, caracterise en ce que chacune des masses sismiques est portee à l'extré- mite d'une lamelle élastique dont Itautre extremite est encastree. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caracterise en ce que la plaquette à section transversale incurvee est constituee en un materiau piezo-electrique. 9. Plaquette entrant dans la constitution d'un réso- nateur selon l'une des revendications 1 à 8. 10. Oscillateur electrique comprenant en tant que réso- nateur un dispositif selon l'une des revendications 1 à 8. 11. Accelerometre comprenant un oscillateur selon la revendication 10.