Brevet FR2630551A1 — publié le 19891027

MIROIR PIEZOELECTRIQUE COMPENSE POUR GYROMETRE A LASER. La présente invention concerne un miroir a déplacement piezoélectrique. pour gyromètre a laser, capable de compenser les dilatations du gyromètre laser sur lequel il est monté, d'une réalisation tres simple et d'une trés grande stabilité angulaire. Elle s'applique å tous les gyrometres à laser, triangulaires ou carres, monoaxes ou multiaxes. Les gyrometres a laser, appelés dans ce qui va suivre gyrolasers. comportent seneralement - un bloc optique, en matériau isolant et a faible coefficient de dilatation. dans lequel est amenagé un parcours optique, le plus souvent triangulaire ou carre, dermite ' par trois ou quatre miroirs. l ensemble constituant une cavité optique résonnante, - un milieu amplificateur generant, dans la cavite optique, deux ondes lumineuses tournant en sens inverse. l'une de l'autre. les interférences entre ces deux ondes permettant la mesure de la rotation du gyromètre autour d'un axe perpendiculaIre au plan du parcours optique, - un dispositif de mélange des ondes lumineuses, pour creer des franges d'interferences sur un ensemble de cellules photoélectriques, le défilement desdites franges représentant la rotation angulaire du gyrolaser, et étant transformé par lesdites cellules photoélectriques en signaux électriques utilisables, - des moyens d'activation mécanique permettant de faire osciller le bloc optique par rapport a son support pour éviter les effets bien connus de blocage entre les deux ondes lumineuses, - des moyens d'asservissement de la longueur de cavité agencés de telle sorte que la freouence de resonnance de la cavité optique corresponde à celle pour laquelle le gain du milieu amplificateur de lumière est maxlmum. Les moyens d'asservissement de la longueur de cavité comprennent géneralement eux-memes un ou plusieurs miroirs mobiles. dits miroirs plezoelectríques, des circuits électroniques et une ou plusieurs cellules photoélectrlques qui mesurent l'intensité des ondes lumineuses du gyrolaser. Les miroirs piézoélectriques doivent presenter de caracteristlques souvent inconciliables. Ils doivent notamment - être aussi legers et indéformables que possible pour être insensibles aux vibrations, - etre insensibles aux contraintes thermiques. - être montes sans leu entre les piéces qui les composent, ce qui nécessite de leur imposer des contralntes initiales ou de réaliser des ensembles entierement collés, - être exempts de tout risque de fluage, notamment des colles, pour que, lors du vieillissement, la longueur de cavité ne soit pas modifiée, - avoir une dynamique suffisante pour compenser les variations de longueur de la cavité optique dans tout le domaine de température ou le gyrolaser est appelé a fonctionner, - pouvoir être fixés par adhérences moléculaires. En outre, la position angulaire du miroir doit rester parfaitement stable, et ceci, quelles que soient les conditions d'environnement. La solution la plus souvent utilisée pour réaliser le miroir piézoélectrique, consiste & placer un ensemble de couches réfléchissantes A l'extrémité d'un petit cylindre plein suspendu entre deux membranes paralleles entre elles et perpendiculaires a l'axe dudit cylindre, b fixer les membranes a l'intérieur d'un cylindre creux et à pousser ou tirer à l'autre extrémité du petit cylindre à l'aide d'un bilame plezoélectrlque fixé sur le cylindre creux. De nombreuses variantes de cette solution ont également ete proposes, mais aucune ne satisfait pleinement aux conditions exposées ci-dessus, soit parce que leur sensibilité thermique est trop grande, soit parce que, si leur dynamique est suffisante, le fluage dans le temps des pieces et des collasses est trop important du fait des contraintes auxquelles ils sont soumis en permanence, soit encore parce qu'elles sont trop encombrantes ou trop sensibles aux vibrations La présente invention apporte une solution aui, tout en n'ayant qu'un seul collaae, compense les variations de dimension du gyrolaser en temperature et permet d'assurer la dynamique et la stabilité necessaires. Cette solution presente en outre l'avantage d'être tres économique et d'une ms en oeuvre extremement simple. L'invention concerne donc un miroir mobile piezoéiectrique compense pour laser et pour gyrolaser du type susdit, caracterise en ce qu' il comporte un moteur piézoélectrique compose d'un seul élément plezoelectrlque, de préference une céramique piezoélectrique. preférentiellement réalisé sous forme d'une couronne, fixé a l'extérieur dune membrane, et en ce que ladite membrane est préférentiellement solidaire d'une partie extérieure fixe dudit miroir mobile et d'une partie intérieure mobile dudit miroir mobile.. Des modes de réalisation de l'invention seront décrits ciaprès, à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins annexés dans lesquels La figure 1 est une vue de dessus d'un gyrolaser auquel s'applique l'invention, La figure 2 est une vue en coupe axiale d'un miroir mobile piézoélectrique selon l'art anterieur, La figure 3 est une vue en coupe axiale d'un premier mode de réalisation du mirolr mobile piézoélectrique compensé selon l'invention, La figure 4 est une vue en coupe axiale d'une premiere variante du miroir mobile compensé selon l'invention, La figure 5 est une vue en coupe axiale d'une seconde variante du miroir mobile selon l'invention, La figure 6 est une vue exterieure, selon l'axe, d'une troisieme variante du miroir mobile de la figure 3, La figure 7 est une vue exterieure. selon ~axe. dune variante du miroir mobile de la figure 6, et La figure B est une vue en coupe axiale d'une quatrieme variante du miroir mobile selon l'invention. Comme précédemment mentionné. et ainsi que le montre la figure 1, un gyrolaser comprend notamment - un bloc optique 1, réalisé dans un matériau isolant et étanche à l'hélium, généralement une céramique vitrifiée du genre "zérodur", dans lequel sont percés des conduits 2, fermés par des miroirs 3 dont un au moins est mobile et qui forment avec lesdits conduits 2 un parcours optique, triangulaire dans le cas de la figure 1, mais qui peut prendre toute autre forme, un même bloc optique pouvant comporter plusieurs parcours optiques. Un tel parcours optique forme une cavité optique résonnante. - des miroirs 3 dont l'un au moins est mobile dans une direction perpendiculaire à son plan. Ces miroirs sont généralement composés d'un substrat poli sur lequel est déposé un empilement de couches multidiélectriques pour constituer la partie réfléchissante du miroir lui-même. - un systeme de sortie des informations placé.sur l'un des miroirs 3 et comportant au moins un prisme de mélange 6 et un ensemble de cellules photoélectriques 7, ledit miroir étant légerement transmettant, c'est-a-dire pouvant laisser passer une partie de la lumiere qu'il doit réfléchir. - une ou deux cathodes 4 fixees sur le bloc optique - une ou deux anodes 5 également fixes sur le bloc optique 1. Ces cathodes et anodes constituent les électrodes du gyrolaser et sont reliees aux conduits 2 par des conduits de raccordements 7. Le bloc optique 1 est rempli d'un mélange gazeux genéralement a base d'helium et de néon. Un courant électrique passant entre les électrodes excite ce mélange gazeux et crée un plasma dans les conduits de raccordement 7 et dans les conduits 2, plasma qui, en amplifiant la lumière, génère par effet laser, deux ondes lumineuses tournant en sens inverse dans la cavité optique. Ce bloc optique 1 est monté oscillant autour d'un axe 8 grâce à une roue d'activation. Celle-ci est composée, par exemple, d'une couronne extérieure 9, d'un moyeu central 10 et de lames élastiques 11 sur lesquelles sont collées des céramiques piézoélectriques 12. La figure 2 montre en vue en coupe axiale un miroir mobile piézoélectrique selon l'art antérieur. Il comprend généralement : - une partie fixe extérieure 13 généralement cylindrique, creuse et dont une extrémité 14 est fixée le plus souvent par adhérence moléculaire au bloc optique 1. - une partie mobile intérieure 15, elle aussi géneralement cylindrique, ayant un axe 17, maintenue dans la partie fixe 13 par une ou plusieurs membranes fines 16 qui lui permettent de se déplacer, suivant son axe 17, de quelques microns. Cette partie mobile porte à l'une de ses extrémités 18, située du même côté que l'extremite 14 de la partie extérieure 13, le plus souvent dans le meme plan que ladite extrémite 14, une partie réfléchissante i9 constituant le mirolr proprement dit et généralement realisee sous forme d'un empilement de couches dites multidiélectriques. - un moteur piézoélectrique qui vient pousser ou tirer sur la partie centrale 15, généralement à l'autre extrémité 2C de ladite partie centrale 15. L'une des solutions couramment adoptée pour réaliser ce moteur piezoèlectriou- consiste à utiliser un bilame piézoélectrique 21 fixé à la partie extérieure 13 par un ensemble de pieces le plus souvent métalliques 22 et généralement collées sur ladite partie extérieure 13, ces pièces métalliques 22 assurant une contrainte initiale au bilame pour éviter les 3eux, et imposant donc des contraintes a l'ensemble des pieces. Le bilame 21 et les pièces métalliques 22, créent, lors des variations de température, des variations de contraintes dans l'ensemble des pièces qui peuvent entraîner des fluages et sont une cause d'instabilité, aussi bien pour la longueur de la cavité, que pour la position angulaire du. miroir. La figure 3 illustre un premier mode de réalisation d'un miroir mobile piézoélectrique selon l'invention et dont le principe consiste å faire un moteur piézoélectrique dont la dynamique prézoelectrique soit réduite, mais dont la sensibilité thermique soit telle qu'elle compense les variations de dimensions de la cavité optique en température. Pour arriver à ce resultat, un miroir mobile piezoélectrique selon l'invention comprend - une partie fixe extérieure 13 de préférence cylindrique et creuse, ayant un axe 17 et deu > extrémites 4 et 23, l'extrémité 14, servant à la fixation sur le bloc optique 1, étant sensiblement parallèle et perpendiculaire a l'axe 17, l'extrémité 23 étant fermée par une membrane 24 qui présente une surface extérieure 27 et une surface intérieure 38 de préférence planes et perpendiculaires à l'axe 17. - une partie mobile interne 15, de préférence cylindrique, de même axe 17 que la partie extérleure 13 et dont une extrémité 18, sensiblement copianaire avec l'extrémité 14 susdecrite, torte un ensemble de couches multidiéiectriaues formant miroIr 19, l'autre extrémité 20 étant solidaire de la membrane 24. - une seconde membrane 16 également perpendiculaire à l'axe 17, située å proximité de l'extrémité 18 de la partie mobile interne 15, relie ladite partie 15 à la partie fixe extérieure 13 et la maintient ainsi centrée sur l'axe .7. - un élément piézoélectrique, de préférence une céramique piézoélectrique 25, en forme de disque ou préférentiellement de couronne comportant un bord extérieur 34 et un bord intérieur 5, collée centrée sur la face 27 de la membrane 24, polarisée et métallisée pour présenter, sous l'effet d'une excitation électrique, une variation de dimension radiale. Le diamètre intérieur 35 est de préférence choisi égal ou légèrement inférieur au diamètre de la partie intérleure 15. Le diamètre du bord extérieur 34 est choisi pour être de préférence en regard d'un cercle situé à mi-distance entre la partie fixe extérieure 13 et la partie intérieure mobile 15. L'ensemble comprenant la partie externe 13, la partie interne 15 et les membranes 16 et 24, peut être réalisé sous forme de deux pièces 28 et 29 comprenant chacune la moitie de chacune desdites parties interne 15 et externe i3 et, l'une, la membrane 16, l'autre la membrane 24, les deux pièces 28 et 29 étant réunies au montage par une adhérence moléculaire 40 par exemple. Le plan de ladite adhérence moléculaire 40 peut se situer a n importe quel endroit situé entre les deux membranes 16 et 24 et éventuellement dans le même plan que celui de l'une des surfaces de l'une desdites membranes 16 ou 24, la surface 38 de la membrane 24 par exemple, ainsi que le montre la figure 8. Ainsi décrit, le miroir mobile plezoélectrlque de la figure 3 fonctionne comme suit Sous l'effet d'une augmentation de température du gyrolaser, le bloc optique 1, dont le coefficient de dilatation est genéralement négatif, se contracte et la longueur de la cavité optique à tendance à diminuer. Dans le même temps, la céramique 25 tend à se dilater et donc a imposer à la membrane 24 une contrainte dépendant de la température et qui tend à la déformer en lui donnant une convexité tournée vers l'extérieur, entraînant de ce fait un deplacement de la partie interne 15 et du miroir 19 vers l'extérieur de la cavité optique. Ceci aura pour résultat d'augmenter la longueur de ladite cavite optique et de compenser la diminution susdécrite. Les epalsseurs des membranes 24 et 16 et de la céramique 25 sont choisies, en tenant compte des diamètres des bords 34 et 35 de ladite céramique, de façon à compenser aussi exactement que possible la dilatation du bloc optique. Sous l'effet d'une excitation électrique, la céramique 25 tend également à se dilater ou a se contracter, entraînant de la même façon la partie interne 15 vers l'extérieur ou vers l'intérieur du bloc optique pour effectuer l'asservissement de longueur de cavité. Du fait de la compensatlon thermique dêla décrite, la dynamique piézoelectrique nécessaire pour corriger les variations résiduelles de longueur de cavité est beaucoup plus faible que dans le cas des systèmes anterieurs. La céramique 25, bien que seule et de faible diamètre est alors tout-a-fait suffisante. La figure 4 illustre une variante ou la céramique 25 est reallsee en forme de dIsque plein. Dans le cas ou le coefficient de température du matériau, constituant le corps du laser a compenser, est positif, les dimensions de la céramique 25 sont choisies. ainsi que le montre la figure 5, pour assurer un mouvement de la partie intérieure mobile 15 vers l'intérieur du laser lorsque la température augmente. Dans -ce cas, le diamètre du bord intérieur 35 de la céramique 25 est de préférence égal à celui du cercle situe å mi-distance entre la partie fixe extérieure 13 et la partie mobile-lntérieure 15 d'une part. Le diamètre du bord extérieur de la céramique est lui choisi, d'autre part, égal ou légèrement supérieur au diamètre interne de la partie extérieure 13. Les dispositions des figures 3 et 5 doivent naturellement être inversée si le coefficient de température du matériau piézoélectrique choisi est négatif. Un miroir piezoélectrique réalisé selon l'invention permet également d'effectuer des corrections angulaires selon le principe décrit dans la demande de brevet Français n" 8702091. La figure 6 illustre un mode de réalisation du miroir mobile piezoelectrique selon l'invention et qui permet d'effectuer ces corrections. Dans ce cas, la ceramique piézoélectrique 25 a au moins une métallisation divisée en au moins deux et de préférence quatre secteurs. par exemple, 30, 3, 32 et 33. Une excitation électrique différentielle de ces secteurs entraîne une déflexion angulaire de la partie mobile interne 15 par rapport a l'axe 17 de la partie extérieure 3 et permet de corriger desmésalignements de la cavité optique du gyrolaser. Dans le cas ou la correction angulaire ne doit être faite que dans une seule direction, la métallisation est faite sous forme de deux secteur 36 et 37 séparés par une ligne 39 aini que le montre la figure 7. Ladite ligne 39 étant parallèle à l'axe de rotation des corrections angulaires à effectuer, REVENDICATIONS 1. Miroir mobile piézoélectrique compensé pour gyromètre à laser du type comprenant - un bloc optique (1) comportant au moins une cavité optique, à l'intérieur de laquelle sont engendrées, grâce à un milieu amplificateur, deux ondes laser inverses; - au moins un miroir mobile à moteur piézoélectrique, - un dispositif de mélange des ondes lumineuses; - des moyens d'activation mécanique; - des moyens d'asservissement de la longueur de cavlté;; caractérisé en ce qu il comporte un moteur piézoélectrique composé d'un seul element piezoélectrique, de préférence une céramique piezoélectrique (25), preférentiellement réalIsé sous forme d'une couronne, fixé à l'extérieur d'une membrane (24), et en ce que ladite membrane (24) est preferentiellement solidaire d'une partie exterieure fixe (13) dudit miroir mobile et d'une partie intérieure mobile dudit miroir mobile. 2. Miroir mobile piézoélectrique compensé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément piezoelectrique est une céramique piézoélectrique, dont un bord extérieur (34) est situé sensiblement en regard de la mi-distance entre la partie fixe extérieure (13) et la partie intérieure mobile (15) dudit miroi mobile. 3. Miroir mobile piezoélectrlque compensé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément piézoélectrique est une céramique piézoélectrique, dont un bord intérieur (35) a un diamètre sensiblement égal et de préférence inférieur à celui de la partie intérieure mobile (15) dudit miroir mobile. 4. Miroir mobile piézoélectrique compensé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément piézoélectrique est une céramique piézoélectrique, réalisée sous forme de disque plein et dont un bord extérieur (34) est situé sensiblement en regard de la mi-distance entre ia partie fixe exterieure (13) et la partie intérieure mobile (15) dudit miroir mobile. 5. Miroir mobile piezoelectrique compensé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément pièzoélectique est une céramique piézoélectrique, dont un bord interleur (34) est situe sensiblement en regard de la mi-distance entre la partie fixe extérieure (13) et la partie Intérieure mobile (15) dudit miroir mobile. 6. Miroir mobile piezoeiectrique compensé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément piézoélectrique est une céramique plezoélectrlque, dont un bord extérieur (34) a un diamètre sensiblement égal et de preférence supérieur au diamètre interne de la partie extérieure fixe (13) dudit miroir mobile. 7. Miroir mobile piezoélectrique compensé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément piezoélectrique est une céramique piézoélectrique. dont l'une au moins des métallisation est séparée en au moins deux et de préférencé en quatre secteurs.