Brevet FR2614412A1 — publié le 19881028

La présente invention concerne une amélioration aux dispositifs destinés à supprimer les rotations parasites du ou des miroirs mobiles des gyromètres à laser, et qui se produisent sous l'effet des accélérations dues à l'activation mécanique ou à certaines vibrations. Cette invention s'applique à tous les gyromètres laser triangulaires ou carrés, monoaxes ou multiaxes. Elle peut o également s'appliquer à tout laser muni d'un asservissement de longueur de cavité par miroir mobile. Le principe de fonctionnement des gyromètres à laser est maintenant bien connu et l'homme de l'art n aura aucune peine à suivre les explications qui vont suivre. Les gyromètres à laser, appelés dans ce qui va suivre gyrolasers, sont généralement constitués : - d'un parcours optique triangulaire ou carré, creusé dans un bloc de matériau isolant et à faible coefficient de dilatation (figure 1). Ledit parcours optique étant délimité par trois ou quatre miroirs et fixés sur le bloc. - d'un milieu amplificateur, permettant de générer dans la cavité optique deux ondes lumineuses tournant l'une dans un sens et l'autre dans l'autre. les interférences entre ces deux ondes vont permettre la mesure de la rotation du gyromètre autour d'un axe perpendiculaire au plan de la cavité optique. - d'un dispositif de mélange des ondes lumineuses, pour créer des franges d'interférence sur un ensemble de cellules photoélectriques. Le défilement desdites franges représentant la rotation angulaire du gyrolaser, sera transformé par lesdites cellules photoélectriques en signaux électriques utilisables. Pour éviter les effets du phénomène bien connu de blocage entre les deux ondes lumineuses circulant dans le parcours optique (zone aveugle), le bloc àptique du gyrolaser est généralement animé d'un mouvement angulaire alternatif de faible amplitude, autour d'un axe généralement perpendiculaire au plan de la cavité optique et qui peut être l'axe de symétrie dudit bloc optique. La fréquence du mouvement alternatif est choisie de telle façon que la vitesse angulaire du bloc optique soit la plus grande partie du temps en dehors de la zone aveugle. Ce mouvement est créé par un dispositif oscillant constitué d'un ensemble élastique généralement placé à l'intérieur et au centre du bloc optique. L'inertie du bloc détermine, avec la raideur de l'ensemble élastique une fréquence d'oscillation qui sera entretenue par un système de moteur piézoélectrique ou électromagnétique, commandé par un circuit électronique adéquat. Ce mouvement d'oscillation, appelé encore activation, entraîne des accélérations sur les différentes parties du bloc optique. Ces accélérations sont d'autant plus importantes que le point considéré est éloigné de l'axe du dispositif et que la fréquence choisie pour l'activation est élevée. Le bloc optique lui-même est assez peu sensible aux déformations que pourraient entraîner ces accélérations. I1 n'en est pas de meme de certains éléments périphériques tels que les miroirs mobiles qui servent à ajuster la longueur de cavité. Ces miroirs sont encore appelés miroirs piézoélectriques parce qu'ils sont généralement mus par un ensemble de céramiques piézoélectriques. Sous l'effet des accélérations alternatives d'activation qui sont bien entendu tangentes aux mouvements de chaque points, ces miroirs piézoélectriques peuvent se déformer et tourner autour d'un axe parallèle à l'axe d'activation. Cette rotation, bien que très faible, nuit aux performances des gyrolasers. Par une conception bien adaptée du miroir piézoélectrique, il peut être possible de diminuer ces rotations parasites, mais il est très difficile de les éliminer complètement. L'invention objet de la demande de brevet Francais enrégistrée sous le nO 87.02090 propose une solution qui élimine complètement les rotations parasites des miroirs mobiles piézoélectriques en les corrigeant par des forces égales et opposées aux forces d'inertie qui créent ces rotations parasites, et ceci à l'aide de moyens élastiques ou de ressorts convenablement tarés, fixés sur la partie du miroir piézoélectrique préférentiellement la plus éloignée du centre de rotation de l'activation, prenant appui sur la structure fixe du gyrolaser ou sur une pièce intermédiaire liée à ladite structure et dont une composante des forces qu'ils exercent agit dans la direction des mouvements que font les miroirs sous l'effet de l'activation. La présente invention a pour objet d'améliorer le dispositif précité d'élimination des rotations parasites des miroirs mobiles piézoélectriques en appliquant les forces de correction fournies par les ressorts directement sur la partie centrale du miroir piézoélectrique, partie à l'une des extrémités de laquelle se trouve placée la partie miroir proprt.'ent dite. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit, en référence aux figures annexées. La figure 1, rappelle le principe de réalisation d'un gyrolaser typique. La figure 2 montre, en vue de dessus, la direction des différentes forces agissant sur le ou les miroirs piézoélectriques et dues aux mouvements d'activation. La figure 3 montre la déformation et la rotation parasite du miroir piézoélectrique sous l'effet des accélérations de l'activation. La figure 4 montre le principe du dispositif d'élimination des rotations parasites objet de la demande de brevet nO 87.02090 précitée et où des ressorts convenablement placés agissent sur le miroir piézoélectrique pour contrer les déformations. La figure 5 montre le principe de réalisation du dispositif d'élimination des rotations parasites de la présente invention. Les figures 6, 7, 8 et 9 montrent deux des réalisations préférées de l'invention où des ressorts en forme de lames agissent sur un prolongement vers l'extérieur de la partie centrale de l'ensemble miroir piézoélectrique. Les figures 9 et 10 montrent un autre mode de réalisation de l'invention utilisant des ressorts en forme de fils. La figure 12 rapelle un autre inconvénient du gyrolaser corrigé par le dispositif de l'invention objet de la demande de brevet 87.02090 précitée et auquel s'applique également la présente invention. Les figures 13 et 14 montrent une réalisation préférée de l'invention qui corrige les deux défauts en utilisant une forme particulière de ressorts agissant également sur la partie centrale de l'ensemble miroir piézoélectrique. Les figures 15 et 16 montrent deux autres réalisations de l'invention appliquées à un ensemble miroir piézoélectrique dont le moteur est solidaire de la membrane extérieure. Tel qu'il est représenté sur la figure 1, le gyromètre laser est constitué d'un bloc optique 1, monté oscillant autour d'un axe 16, gracie à un système de lames élastiques 8 excitées par des céramiques piézoélectriques 9. Un parcours optique triangulaire ou carré est creusé dans le bloc et rempli d'un mélange d'hélium et de néon 3 excité par un courant électrique passant entre une ou plusieurs cathodes 4 et une ou plusieurs anodes 5. Le parcours est fermé par des miroirs 2 et un ou plusieurs miroirs mobiles 10, mus par un ou plusieurs moteurs piézoélectriques 11. Un miroir mobile 10 et un moteur piézoélectrique 11 constituent l'ensemble miroir piézoélectrique dont de nombreuses variantes peuvent exister. Un système de sortie des informations est placé sur l'un des miroirs 2 et est généralement constitué d'au moins un prisme de mélange 6 et d'un ensemble de cellules photoéiectriques 7. La figure 2 représente une partie du bloc optique 1 du gyrolaser et le miroir piézoélectrique. Celui-ci est généralement constitué - d'une partie fixe extérieure 12, généralement cylindrique, mais qui pourrait prendre toute autre forme en restant dans le cadre de l'invention. - d'une partie mobile intérieure 13 maintenue dans la partie fixe par une ou plusieurs membranes fines 14 qui lui permettent de se déplacer suivant son axe de quelques microns. Cette partie mobile porte à son extrémité, située du côté du bloc optique, une partie réfléchissante 15 constituant le miroir proprement dit. - d'un moteur piezoélectrique pour lequel il existe de très nombreuses solution de réalisation. L'une des solutions couramment adoptée consiste à utiliser un bilame piézoélectrique 11 fixé par un ensemble de pièces métalliques sur la partie extérieure 12 déjà décrite. L'ensemble de ces pièces présente une inertie qui s'oppose à l'accélération alternative de l'activation. L'axe de l'activation étant en 16, 'l'accélération alternative est figurée par les flèches 17. Du fait que l'accélération d'activation 17 est en opposition de phase avec le déplacement angulaire 18 de ladite activation, la force d'inertie 19 opposée à l'accélération, sera, elle, en phase avec ledit déplacement. La pièce extérieure 12 n'étant pas infiniment rigide aura tendance à se déformer alternativement et dans le meme sens 18 que le déplacement du bloc optique l. La figure 3 montre, en l'exagérant, la déformation qui se produit et la rotation parasite du miroir. L'amplitude créte du mouvement d'activation est a. Lorsque le bloc optique est déplacé d'un angle a par le mouvement d'activation, l'accélération subie par le bloc et donc par le miroir piézoélectrique est maximum et dirigée suivant la flèche 17. ta force d'inertie 19 entraîne les pièces du miroir piézoélectrique dans le sens de la flèche 19. La pièce extérieure 12 se déforme comme l'indique la figure 3. Les membranes 14 se déforment également comme l'indique la figure et l'ensemble entraîne en rotation la partie centrale 13 qui fera un angle ss avec sa position initiale. Cet angle ss ,qui varie en synchronisme avec l'activation, peut être très gênant pour les performances du gyrolaser. La figure 4 illustre le principe de l'invention qui a fait l'objet de la demande de brevet 87.02090 précitée et qui tend à supprimer la rotation parasite ss. A cet effet, un ou plusieurs ressorts 20 et 21, sont placés entre la partie la plus extérieure de l'ensemble miroir piézoélectrique (généralement le moteur) et la structure fixe 22 de sorte que les ressorts soient alternativement comprimés 20 et étirés 21 par les mouvements de l'activation. De ce fait, les ressorts vont exercer, sur le miroir piézoélectrique, une force en opposition de phase avec le déplacement et donc en opposition avec les forces d'inertie qui tendent à déformer l'ensemble piézoélectrique et à faire tourner le miroir. Si les ressorts sont convenablement calculés et réglés, la force qu'ils exercent peut compenser parfaitement la force d'inertie et annuler la déformation initiale ainsi que la rotation parasite A titre indicatif, si l'on ramène, par un calcul adapté, la masse du miroir piézoélectrique à une masse équivalente m placée au point A, au droit et dans l'axe des ressorts, et si la fréquence de l'activation est f, la raideur totale du ou des ressorts doit autre:: r = m.(2.X.f)2 La figure 5 montre le principe de la présente invention ou les ressorts 20 et 21, au lieu d'agir sur la partie extérieure 23 agissent sur la partie centrale 13 de l'ensemble miroir piézoélectrique, en prenant toujours appui sur la structure fixe 22. Pour ce faire, cette partie centrale 13 est prolongée vers l'extérieur, par exemple par une pièce 30 de préférence en forme de tige emmanchée dans un trou 38 percé dans ladite partie centrale 13 et passant au travers du bilame en céramique piézoélectrique 11 par un trou 40 qui y aura été percé. L'un des intérêts de l'invention réside dans le fait que, si l'on a choisi une épaisseur de la membrane extérieure 39 relativement fine, son élasticité, sous l'effet des ressorts 20 et 21, permettra un déplacement relatif de la partie 13 dans la partie 12, si bien que la force des ressorts pourra être réduite tout en obtenant une compensation parfaite. Dans ce cas, en effet, la partie 12 sera en réalité incomplétement redressée, alors que la figure 5 la montre complètement redressée, mais l'élasticité de la membrane 39 autorisera un redressement complet de la partie 13. A noter que la force des ressorts doit également être réduite du fait de l'effet de bras de levier produit par le déport du point d'appui vers l'extérieur de l'ensemble miroir piézoélectrique. Les figures 6 et 7 explicitent un premier mode de réalisation de l'invention où deux lames 24 en matériau faisant ressort sont fixées sur le socle 25 du gyrolaser par deux vis 26 et appuient sur la pièce 30 emmanchée dans le trou 38 percé dans la partie centrale 13 de l'ensemble miroir piézoélectrique. La cambrure initiale des lames est telle qu'elles resteront en contact avec la pièce 30 pendant tous les mouvements d'activation. Pour plus de clarté dans les dessins, le mécanisme d'activation qui lie le bloc optique 1 au socle 25 et qui provoque l'oscillation dudit bloc optique par rapport audit socle, n'est pas représenté sur les figures 6, 8, 10 et 13. Pour assurer une meilleure définition du point d'appui des ressortis, et comme dans l'invention précitée, on pourra avantageusement réaliser un épaulement, sphérique àu non, 44 autour de l'extrémité de la pièce 30 , comme le montrent les figures 8 et 9. Pour assurer une meilleure définition du point d'appui des ressorts, et comme dans l'invention précitée ceux-ci peuvent également avantageusement être réalisés sous forme de fils 27 tels qu'ils sont montrés sur les figures 10 et 11. Lesdits fils, prenant appui dans deux gorges 26 creusées circulairement ou non sur le pourtour de l'extrémité de la pièce 30, peuvent être simplement enfoncés et collés dans deux trous 29 préalablement percés dans le socle 25 du gyrolaser. La distance séparant les deux trous et la cambrure initiale. des deux fils 27 étant choisis tels qu'ils donnent, une fois le montage terminé, une contrainte initiale aux deux fils suffisante pour les maintenir en pression lorsque l'ensemble piézoélectrique se déplace sous l'effet de l'activation. Les deux fils peuvent bien entendu être fixés par tout autre moyen sans sortir du cadre de l'invention. Les figures 13 et 14 présentent un perfectionnement du dispositif précédent qui permet de pallier un autre défaut du gyrolaser comme dans l'invention précitée. En effet, l'ensemble bloc optique, mécanisme d'activation et socle n'est pas infiniment raide. Il peut présenter une résonnance sous l'effet des vibrations appliquées au socle du gyrolaser et parallèlement à celui-ci. La flèche 31 sur la figure 12 présente ce mouvement de résonnance, autour d'un centre de rotation 35 dont la position dépend de la géométrie des pièces, sous l'effet de l'excitation en vibration 32. Cette résonnance produit, au niveau de l'ensemble piézoélectrique, une accélération alternative 33 dont l'une des composantes34 tend à déformer le miroir piézoélectrique et à désaligner la cavité optique ainsi que l'homme de l'art le comprendra aisément. La réalisation des figures 13 et 14 permet d'introduire une force parallèle à l'accélération 34, égale et opposée aux forces d'inertie de sorte que, là aussi, les déformations peuvent être annulées. Dans cette réalisation, les lames, qui présentent des parties horizontales 37 et verticales 47, au lieu d'être simplement appuyées sur l'extrémité de la pièce 30 qui rallonge la partie centrale 13 de l'ensemble miroir piézoélectrique, sont fixées et préférentiellement collées au point d'appui 36 et présentent, par l'effet des parties horizontales 37, une raideur verticale R calculée pour compenser l'effet des oscillations ci-dessus décrites. Rapppelons que dans l'invention précitée, si F est la fréquence de résonnance transverse, la raideur verticale totale des deux ressorts doit être R = m.(2.X.F)2 Dans la présente invention, la raideur R devra être réduite pour tenir compte de l'élasticité de la membrane extérieure 39 et de l'effet de bras de levier de la pièce 30, ainsi que cela a été dit plus haut. A noter que l'accélération 34 de la figure 12, qui se produit sous de l'effet de la résonnance transverse F, a aussi une composante horizontale 45 qui tend à déplacer axialement la partie centrale 13 et donc à perturber l'asservissement de longueur de cavité. Cet inconvénient peut être également supprimé, et c'est la un autre intérêt de l'invention, si l'on fait en sorte que la raideur R' des ressorts mesurée le long de l'axe du déplacement du miroir mobile soit adapté à ce problème. Si M est la masse équivalente à la partie mobile du miroir piézoelectrique, la raideur totale des deux ressorts dans l'axe de la pièce 30 doit être R' = M.(2.z.F)2 A noter aussi que, pour des vibrations horizontales et parallèles au plan du miroir piézoélectrique, le bloc optique présentera la même résonnance transverse. Dans ce cas, les mouvements du miroir piézoélectrique seront très faibles, et le dispositif de l'invention n'entraînera pas de perturbation. A noter également que le coefficient de dilatation du matériau constituant les ressorts sera préférentiellement choisi égal à celui du matériau constituant le support d'activation. La figure 15 présente un mode de réalisation de l'invention appliqué à un ensemble miroir piézoélectrique dont le moteur est constitué de deux céramiques piézoélectriques circulaires 41, collées de part et d'autre d'une membrane extérieure 42 fine, elle-même fixée sur les parties centrale 13 et extérieure 12 du miroir mobile, par collage ou par tout autre moyen. La tige 30, sur laquelle les ressorts vont appuyer, traverse la membrane et est également emmanchée dans un trou 38 percé dans la partie centrale 13. Ainsi que le montre la figure 16, la tige 30 peut être avantageusement remplacée par une pièce 43 fixée et de préférence collée à l'extérieur 46 de la membrane et dans l'axe de la partie centrale 13. La forme des points d'appui des ressorts sur cette pièce 43, préférentiellement sphérique, et le type des ressorts utilisés peuvent être l'un quelconque de ceux déjà décrits sans sortir du cadre de l'invention. On pourra bien entendu utiliser toutes les combinaisons possibles des solutions précédemment décrites sans sortir du cadre de l'invention. D'une manière générale, on pourra utiliser toute sorte ou disposition de moyens, et notamment des ressorts en forme de spider ou de croisillon , pour appliquer des forces à la partie centrale de l'ensemble piézoélectrique de façon à la redresser sans sortir du cadre de l'invention. R-rVENDTCATIONS. 1. Amélioration au dispositif d'élimination des 'rotations' parasites du ou des miroirs mobiles d'un gyrolaser du type comprenant - un bloc optique (1) monté rotatif sur un support (25) et muni d'au moins un périmètre optique en boucle fermée, à l'intérieur duquel sont engendrées deux ondes laser inverses, - des moyens (6 et 7) permettant d'effectuer un mélange de ces deux ondes en vue d'obtenir un système de franges d'interférences sur des cellules photoélectriques, - des moyens d'activation mécanique (8 et 9) permettant de faire osciller le bloc optique (1) par rapport à son support (25), - au moins un miroir mobile (10) muni de couches réfléchissantes et mû par exemple par un 'moteur piézoélectrique (Il), et dont les rotations parasites produites par les accelérations sont corrigées par des moyens élastiques constitués préférentiellement par des ressorts convenablement tarés (20 et 21), prenant appui sur la structure fixe (22) du gyrolaser, agissant sur l'ensemble miroir piézoélectrique et dont une composante des forces qu'ils exercent agit dans la direction des mouvements que font les miroirs sous l'effet de l'activation, caractérisé en ce que ledit dispositif d'élimination des rotations parasites des miroirs mobiles piézoélectriques applique les forces de correction fournies par les ressorts (21) et (22) directement sur la partie centrale (13) du miroir piézoélectrique, préférentiellement sur une partie rallongée de cette partie-centrale, partie (13) à l'une des extrémités de laquelle se trouve placée la partie miroir proprement dite (15). 2. Dispositif, selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les ressorts sont constitués par des lames (24) en matériau formant ressort, pliées et fixées sur le socle (25) et appuyant sur une pièce (30) de préférence en forme de tige, emmanchée dans un trou (38) percé dans la partie centrale (13) de l'ensemble miroir piézoélectrique et passant au travers d'un trou 40 percé dans le bilame en céramique piézoélectrique (11), la cambrure initiale desdites lames étant telle qu'après le montage, elles resteront en contact avec la pièce (30), quels que soient les mouvements d'activation. 3. Dispositif, selon la revendication 2, caractérisé en ce que la définition du point d'appui des lames formant ressort (24) est constitué par un épaulement (31),préférentiellement sphérique, réalisé autour de l'extrémité de la pièce (30) emmanchée dans la partie centrale (13) de l'ensemble miroir piézoélectrique, épaulement sur lequel lesdites lames viennent appuyer. 4. Dispositif, selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que les ressorts sont réalisés sous forme de fils (27) prenant appui dans des gorges (26) creusées sur le pourtour de l'extrémité de la pièce (30) emmanchée dans la partie centrale (13) de l'ensemble miroir piézoélectrique et sont fixés sur le socle (25) du gyrolaser en s'enfoncant dans des trous (29) prépercés dans ledit socle. L'espacement entre les deux trous et la cambrure initiale des fils (27) étant choisis pour qu'ils donnent une contrainte initiale auxdits fils telle que ceux-ci restent en contact permanent avec la pièce (30), queis que soient les mouvemements d'activation. 5. Dispositif, selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il corrige plusieurs défauts du gyrolaser en utilisant une forme de lames formant ressort telle qu'elles présentent, grâce à leurs branches verticales (47) et horizontales (37), des raideurs dans au moins deux directions, raideurs adaptées aux défauts à corriger, les extrémités des lames étant fixées à l'extrémité de la pièce (30) emmanchée dans la partie centrale (13) de l'ensemble miroir piézoélectrique, et préférentiellement collées sur cette pièce (30), le coefficient de dilatation du matériau dont sont constituées lesdites lames ressorts étant choisi de préférence égal à celui du matériau constituant le support d'activation. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, appliqué à un miroir piézoélectrique dont le moteur est constitué d'une membrane extérieure (42) sur laquelle sont collées deux céramiques piézoélectriques circulaires (41), la membrane étant elle-même préférentiellement collée sur les parties extérieure (12) et centrale (13) du miroir mobile, caractérisé en ce que les ressorts (24) appuient également sur une tige (30) qui traverse la membrane (42) et est emmanchée dans un trou (38) percé dans la partie centrale (13). 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, appliqué à un miroir piézoélectrique dont le moteur est constitué d'une membrane extérieure (42) sur laquelle sont collées deux céramiques piézoélectriques circulaires (41), la membrane étant elle-meme préférentiellement collée sur les parties extérieure (12) et centrale (13) du miroir mobile, caractérisé en ce que les ressorts (24) viennent exercer leurs forces sur une pièce (43) de préférence collée au centre de la membrane exterieure (42), la partie de ladite pièce (43) sur laquelle viennent appuyer les ressorts étant de forme préférentiellement sphérique. 8. Dispositif, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il s'applique à tous laser muni de miroirs mobiles et soumis à des vibrations de résonnances et notamment à tous gyrolasers.