Brevet FR2650895A1 — publié le 19910215

Capteur accélérométrique à poutres vibrant en flexion La présente invention concerne un capteur accélérométrique pouvant être embarqué par exemple en tant qu'accéléromètre dans des missiles ou des satellites pour le guidage de ceux-ci, ou en tant qu'inclinomètre dans une plateforme de forage off shore. Plus particulièrement, le capteur travaille en flexion et comprend une partie-massive fixe, une partie massive mobile et deux poutres ou deux lames vibrantes ayant chacune des extrémités solidaires des parties massives respectivement. Un tel capteur met à profit la grande sensibilité de la fréquence d'une poutre vibrant en flexion, à des forces de compression ou d'extension qui s'exercent longitudinalement à la poutre lorsque la partie massive mobile est soumise à une accélération transversale. Le signal sortant du capteur est fonction d'une fréquence différentielle des deux poutres qui est facilement exploitable pour en déduire la valeur de l'accélération, ou de l'inclinaison d'un plan par rapport au champ de gravité terrestre. Un tel capteur dit cantilever à double résonateur est décrit dans le brevet américain US-A-4479385. Les.parties massives sont constituées par des pavés massifs dont l'un est fixé à une embase. Les poutres sont des plaques rectangulaires en quartz supportant des électrodes appropriées et complètement distinctes et séparables des pavés massifs. Ces poutres forment des entretoises entre les pavés massifs. Chaque poutre a ses extrémités plates fixées à des faces coplanaires des pavés respectivement. Le capteur connu selon le brevet US-A-4 479 385 offre principalement trois inconvénients. Un premier inconvénient de ce capteur connu consiste en une faible sensibilité à l'accélération, typiquement 100 à 300 Hz de variation maximale de fréquence pour des poutres de résonateur ayant une fréquence propre de 40 kHz. La variation relative maximale de fréquence est donc de l'ordre de Af/f = 200/40000 = 0,5 %. -2- Cet inconvénient est dû au fait que la partie mobile est seulement tenue à la partie fixe par deux poutres dont la raideur en flexion est peu élevée. La masse de la partie mobile doit de ce fait être limitée à une faible valeur pour que la fréquence propre du capteur soit supérieure à 2000 Hz selon les recommandations pour les accéléromètres. En outre, les poutres peuvent travailler en torsion en raison d'une raideur relativement faible. Un autre inconvénient du capteur connu, dû également à la faible valeur de la masse mobile, est relatif à la nécessité d'un découplage vibratoire des poutres vibrantes pour que celles-ci vibrent indépendamment l'une de l'autre. Chacune des poutres consiste de préférence en un résonateur de type double diapason. Un troisième inconvénient du capteur connu concerne l'assemblage des divers éléments entre eux, pavés massifs et poutres vibrantes ou poutres de transducteur. Cet assemblage intervient de façon importante dans le prix de revient du capteur d'une part, et par ses qualités, dans les performances du capteur. La présente invention - vise à fournir un -capteur accélérométrique remédiant à des inconvénients de la technique antérieure, et plus particulièrement, évitant tout assemblage de pièces dissociables. A cette fin, un capteur accélérométrique du type défini dans l'entrée en matière est caractérisé en ce que les parties massives et les poutres vibrantes constituent un corps monobloc usiné dans une même plaque de matériau d'épaisseur uniforme. Cette caractéristique permet d'usiner chimiquement le corps monobloc du capteur dans une plaque de matériau solide élastique, par exemple en matériau piézoélectrique tel que du quartz,-et donc de réduire la durée de fabrication et le coût du capteur, mais également.les dimensions du capteur. Le caractère monobloc du corps du capteur confère une excellente définition de la géométrie des différentes parties du capteur, contribuant encore à réduire le coût et améliorer les performances du capteur. De préférence, les parties massives ont dans leur épaisseur un plan médian commun de part et d'autre duquel s'étendent lesdites parties de transducteur. Ces poutres ont des -3- axes longitudinaux parallèles situés dans un plan oblique au plan médian des parties massives. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, le corps monobloc du capteur comprend deux secondes poutres ayant chacune des extrémités solidaires des parties massives et disposées de part et d'autre des poutres vibrantes ou poutres de transducteur, La raideur en flexion des secondes poutres est plus élevée que celle des poutres de transducteur. Dans ces conditions, la partie mobile peut avoir une masse élevée, de l'ordre de 1000 fois la masse d'une poutre simple de transducteur et procure une bonne isolation mécanique entre les vibrations des poutres. En pratique, la variation relative de fréquence des poutres de transducteur est de l'ordre 5 Z pour une accélération de 100 G, le capteur présentant une fréquence propre de 5000 Hz. Cette variation relative de fréquence est donc dix fois supérieure à celle du capteur selon le brevet US-A-4479385. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaitront plus clairement à la lecture de la description suivante de plusieurs réalisations préférées de l'invention en référence aux dessins annexés correspondants dans lesquels: - la Fig. 1 est une vue en perspective du corps d'un capteur selon l'invention, et montre schématiquement des moyens de mesure de fréquence associés; - la Fig. 2 est une vue de côté longitudinal du corps de capteur de la Fig. 1; - la Fig. 3 est une vue en coupe suivant le plan III-III de la Fig. 1; - la Fig. 4 est une vue en perspective d'un autre corps de capteur selon l'invention; et - la Fig. 5 est une vue de face du corps de capteur de la Fig. 4. Comme montré à la Fig. I, le corps d'un capteur CA selon l'invention est réalisé par usinage chimique d'une plaque de matériau piézoélectrique, tel que du quartz, ayant une épaisseur uniforme E. Le corps du capteur CA est donc monobloc. Selon la réalisation illustrée aux Figs. 1 à 3, le corps du capteur CA a la forme générale d'un parallélépipède qui s'étend ici -4- verticalement suivant le sens de la longueur matérialisé par un axe longitudinal central Z'Z. Cet axe Z'Z est contenu dans un plan médian PM de la plaque parallèle aux faces de celles-ci. Selon la réalisation illustrée, l'axe Z'Z constitue un axe de symétrie du capteur. Le capteur CA comprend une partie massive fixe 1 et une partie mobile 2 formées par des pavés parallélépipédiques disposés aux extrémités Iongitudinales du corps du capteur, et ayant donc des épaisseur et largeur égales à celles E et ú du corps. Les hauteurs Hi et H2 des parties 1 et 2 sont généralement différentes, et de préférence Hi BA. Le bloc fixe 1 est fixé à l'embase BA par exemple par collage. La partie 2 constitue la masse d'épreuve du capteur. L'accélération du déplacement de l'engin, ou la position de l'engin dans le champ de gravité terrestre est mesurée au moyen du capteur CA selon que celui-ci est utilisé en accéléromètre ou en inclinomètre. Le corps du capteur CA comprend également deux premières poutres vibrantes identiques 31 et 32' et deux secondes poutres identiques 4 et 4 de section plus grande que les premières, pour i 2 relier les deux parties 1 et 2. Les poutres 31',32 et 41',42 sont disposées sensiblement en croix et s'étendent parallèlement à l'axe Z'Z. Les premières poutres 31 et 32 ont une petite section rectangulaire transversale horizontale définie par une épaisseur e3 et une largeur ú3 prises suivant la largeur 1 et l'épaisseur E du corps du capteur respectivement. La largeur 13 des premières poutres est inférieure à E/2, et les chants longitudinaux des poutres 31 et 32 tournés vers l'extérieur du corps sont copianaires aux grandes faces des pavés 1 et 2 du capteur et donc aux faces de la plaque de matériau. En outre, lorsque le corps est obtenu par usinage chimique, les poutres 31 et 32 sont décalées l'une par rapport à l'autre d'une distance faible 6, c'est-à-dire les axes Z'1Zet Z'2Z2 des premières poutres sont dans un plan oblique au plan PM. Les sections transversales des poutres 31 et 32 en coupe transversale montrée à la Fig. 3 sont distantes de 5/2 par rapport à un plan perpendiculaire au plan PM et passant par l'axe Z'Z. Les poutres 31 et 32 constituent des lames vibrant en flexion par exemple suivant une direction parallèle au plan médian PM. Les vibrations des lames 3 et 3 sont entretenues à leurs résonances propres, au moyen de deux circuits électroniques oscillateurs 51 -et 52 classiques, comme montré à la Fig. 1. L'excitation électrique de chaque lame, par exemple la lame 31, est obtenue par deux électrodes 311 et 312 imprimées sous la forme de deux rubans parallèles, symétriques par rapport au plan médian longitudinal de la lame, et situés à l'extrémité du chant longitudinal externe de la lame qui est contigie à la partie fixe 1. Sur la face correspondante de la partie fixe 1, les électrodes 311,312 de la lame 31 sont terminées par deux plaques 321 et 322, ici carrées, sur lesquelles sont soudés deux fils conducteurs respectifs 331 et 332 connectés à des bornes adéquates du circuit oscillateur 51. Les lames 31 et 32 vibrent ainsi en flexion parallèlement au plan PM. Toutefois, selon d'autres dispositions des électrodes, ces dernières peuvent vibrer transversalement au plan PM. Des sorties des circuits 5 et 5 transmettent deux signaux de i 2 fréquences respectives fl et f2 aux entrées d'un circuit de soustraction de fréquence classique 6 qui délivre un signal ayant la fréquence différentielle f = fl-f2 mesurée par un fréquencemètre 7. Les secondes poutres 4i et 4 s'étendent également -1 2 parallèlement à l'axe Z'Z mais ont des plans médians parallèles au plan PM, et selon les Figs. 1 à 3, confondus avec le plan PM. La largeur ú4 des secondes poutres est inférieure à (ú-(2.e3+6))/2. L'épaisseur e4 des secondes poutres est de préférence nettement inférieure à E. Dans les Figs. 1, 2, 4 et 5, la longueur L3 des premières poutres. 3 et 3 est égale à. la longueur L4 des 1 2 guu. L e secondes poutres 41 et 42, ces longueurs étant ici prises verticalement suivant les hauteurs de pavé HI et H2. En effet, selon d'autres variantes, l'une ou les deux parties 1 et 2 ont un contour de face en T pour L3 L4. Les secondes poutres 4 et 4 constituent des articulations flexibles suivant leur épaisseur lorsque le -6 capteur CA est soumis A une accélération, suivant la direction transversale sensible DS. Le capteur selon l'invention constitue ainsi un capteur mono-axe, suivant la direction sensible DS perpendiculaire au plan PM. Le fonctionnement du capteur est le suivant en référence à la Fig. 2 qui montre les efforts principaux exercés par la masse mobile 2 sur les lames vibrantes 31 et 32 et les articulations 4 et 42, lorsque le capteur CA est soumis à une accélération r appliquée suivant la direction sensible DS. L'une, 31 des lames est soumise A une force d'extension et l'autre lame, 329 à une force de compression. Ces deux forces sont de même intensité T si les deux lames 31 et 32 sont identiques. Pour simplifier la présentation des calculs, les deux lames sont supposées identiques, sachant que le bon fonctionnement d'un capteur selon l'invention s'accommode bien de deux iames différentes, c'est-à- dire d'épaisseurs et/ou de largeurs différentes des lames. Les articulations 4 et 4 subissent d'une part, un moment 1 2 fléchissant C, et d'autre part, un effort tranchant quasiment égal à Mr, M étant la masse de la partie mobile. La raideur en flexion des lames 31 et 32 étant nettement inférieure A celle des articulations 41 et 42' les efforts tranchants et moments fléchissants subis par les lames peuvent être négligés. L'expression des forces T s'obtient en résolvant un système d'équations qui traduit l'équilibre de la masse mobile, ainsi que le comportement mécanique des lames et des articulations. On obtient une intensité de force proportionnelle à l'accélération r T X Mr, o X désigne le coefficient multiplicatif'de Mr.tel que X = E(R2+L)/2d311/(1+2 Ia/(sd2)i - o L = L3 = L4 et d = E-3, - Ia est la somme des moments d'inertie de section des deux articulations 41 et 42, et - s = ú3.e3 est la section d'une lame vibrante 31 32. Les lames sont donc soumises à- des forces T ayant une intensité égale à X fois Mr. Le coefficient multiplicatif X peut -7- facilement atteindre plusieurs unités, même avec des articulations beaucoup plus raides que les lames vibrantes. Les forces d'extension et de compression que subissent les lames 3 et 32 sont la cause de variations de fréquence opposées pour les deux lames Af =+k T i Af2 =-k T, o k est un coefficient dépendant de la section des lames vibrantes et de caractéristiques du matériau piézoélectrique. Les fréquences lU de résonance des deux lames 31 et 32 s'écrivent en fonction de l'accélération r: f = f + k Xr i o f2 = f - k Xr, 2 0o o f est la fréquence de résonance des lames en l'absence o d'accélération. La fréquence f a alors pour expression: f = f - f2 = 2 k XrM Les variations de la fréquence f sont donc représentatives des variations de l'accélération r appliquée au capteur suivant la direction sensible DS. L'intérêt d'opérer des mesures en dépendance de la différence des fréquences f1 et f2 est que d'une part, l'influence des grandeurs d'entrée parasites, telles que principalement la température, est notablement réduite, et d'autre part, la sensibilité du capteur à l'accélération est la somme des sensibilité des deux lames. Il est à noter que la géométrie du capteur CA illustré aux Figs. 1 à 3 est une géométrie préférentielle dont les avantages sont ci-après rapportées par rapport à d'autres variantes de capteur selon l'invention. Le plan médian de chacune des poutres d'articulation 4 et 4 1 2 coïncide de préférence avec le plan médian PM de la plaque, afin d'annuler les effets d'une accélération parallèle à l'axe ZZ'. En effet, dans ce cas d'accélération transverse à la direction sensible DS, les lames vibrantes 31 et 32 subissent des mêmes contraintes résiduelles d'extension ou de compression, et les variations de fréquence Af1 et Af2 sont égales en module et en signe, pour les deux lames. La fréquence différentielle f ne présente donc pas de variation pour une accélération transverse. Il est souhaitable que la raideur en flexion des articulations 41 et 42 soit nettement supérieure à la raideur en flexion des lames 31 et 32. La masse mobile 2 est ainsi bien tenue et le capteur respecte, malgré une masse mobile importante, la spécification habituelle concernant la fréquence propre de capteurs accélérométriques: aucune fréquence de résonance de structure inférieure à 2000 Hz. Une raideur grande des articulations 41 et 42 est particulièrement intéressante, car cela permet de choisir une masse mobile 2 suffisamment importante pour exploiter au maximum la sensibilité des lames vibrantes. Typiquement, la masse de la partie précitée mobile 2 est environ 1000 fois celle d'une poutre simple 3132. Ainsi, il est possible de réaliser un capteur dont la fréquence propre vaut 5000 Hz, et pour lequel chacune des lames vibrantes 31,32 présente une variation -relative de fréquence de 5 % pour une accélération appliquée de 100 G. Selon la réalisation illustrée aux Figs. 1 et 2, le plan contenant les axes médians Z'i Zi et Z' Z des lames 3 et 32 n'est pas perpendiculaire au plan PM. Le décalage 6 entre les deux lames autorise la réalisation du corps du capteur par usinage chimique, et n'est pas préjudiciable au bon fonctionnement du capteur, grace à la présence des articulations 41 et 42. Une autre réalisation d'un capteur CAa selon l'invention est montrée aux Figs. 4 et 5. Le capteur CAa comprend un corps monobloc, en quartz, qui est obtenu par usinage chimique à l'aide de procédés photolithographiques, à partir d'une plaque de quartz dont le plan médian est orthogonal à l'axe cristallographique Z. Le capteur CAa est discorde et comporte une partie fixe -la, une partie mobile 2a, des lames 3a1 et 3a2, et des articulations 4a1 et 4a2 similaires à celles du capteur CA. Par rapport au capteur CA, la partie fixe la comporte deux branches 10a1 et 10a2 en segment discorde longeant les chants longitudinaux de la partie mobile 2a et des articulations 4a1 et 4a2 et s'étendant jusqu'à l'extrémité de la masse mobile 2a.. Des fentes étroites lla1 et 11a2 séparent ainsi les branches de partie fixe 10a et 10a2 et les chants longitudinaux de la partie mobile 2a. Les branches sont perces de quatre trous 12a partie mobile 2a. Les branches sont percées de quatre trous 12a - 9 _ prévus pour le passage de traversées électriques étanches d'une embase de bottier du capteur. La fixation de la partie fixe la sur l'embase est effectuée au voisinage des trous 12a, c'est-à-dire suffisamment loin des lames vibrantes 3aI et 3a2 pour ne pas altérer la qualité de leurs vibrations. Le contour circulaire du corps du capteur CAa procure la compacité nécessaire à son intégration dans un boltier cylindrique de faible encombrement. - 10 - R E V E N D I CAT I 0 N S 1 - Capteur accélérométrique comprenant une partie massive fixe (1), une partie massive mobile (2), et deux poutres vibrant en flexion (31,32) ayant chacune des extrémités solidaires des parties massives respectivement, caractérisé en ce que les parties massives (1,2) et les poutres (31,32) constituent un corps monobloc (CA) usiné dans une même plaque de matériau d'épaisseur uniforme. 2 - Capteur accélérométrique conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les parties massives (1,2) ont dans leur épaisseur (E) un plan médian commun (PM) de part et d'autre duquel O10 s'étendent lesdites poutres vibrantes (31,32). 3 - Capteur accélérométrique conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que les poutres (31,32) ont des largeurs (43) comprises dans les deux demi-épaisseurs (E/2) des parties massives (1,2) respectivement. 4 - Capteur accélérométrique conforme à la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les poutres (31,32) ont 'des axes longitudinaux parallèles (Z'1Z1, Z'2Z2) situés dans un plan oblique au plan médian (PM) des parties massives (1,2). - Capteur accélérométrique conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par des poutres (31'32) identiques. 6 - Capteur accélérométrique conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les poutres (31,32) et la partie fixe (1) ont des côtés coplanaires deux à deux et supportant des paires d'électrodes. 7 - Capteur accélérométrique conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit corps monobloc comprend deux secondes poutres (41,42) ayant chacune-des extrémités solidaires des parties massives (1,2) et disposées de part et d'autre des poutres vibrantes (31,32). 8 - Capteur accélérométrique conforme à la revendication 7, caractérisé par une raideur en flexion des secondes poutres (41,42) plus élevée que celle des poutres vibrantes (31,32). 9 - Capteur accélérométrique conforme à la revendication 7 ou 8, caractérisé par une section transversale (ú4.e4) des secondes - 1l - poutres (41,42) plus grande que celle (ú3.e3) des poutres vibrantes (31,32)- - Capteur accélérométrique conforme à l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que les poutres vibrantes (31',32) ont des grands côtés longitudinaux parall&les entre eux et perpendiculaires à des grands côtés longitudinaux des secondes poutres (41S42). 11 - Capteur accélérométrique conforme à l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé par des secondes poutres (41,42) identiques. 12 - Capteur accélérométrique conforme à la revendication 2 et à l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé en ce que les secondes poutres (41,42) ont un même plan longitudinal médian confondu avec ledit plan médian (PM) des parties massives (1,2). 13 - Capteur accélérométrique conforme à la revendication.12, caractérisé en ce que les secondes poutres (41,42) ont des largeurs (14) comprises dans les demi-largeurs (1/2) des parties massives (1,2) respectivement. 14 - Capteur accélérométrique conforme à l'une quelconque des revendications 7 à 13, caractérisé en ce que la partie fixe (la) comprend des branches (10al,lOa2) longeant des chants longitudinaux des secondes poutres (4al,4a2) et de la partie mobile (2a) et des moyens (12a) pour fixer la partie fixe sur une embase (BA). 15 - Capteur accélérométrique conforme à l'une quelconque des revendications I à 14, caractérisé en ce que le matériau de ladite plaque est piézoélectrique. 16 - Capteur accélèrométrique conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que le corps monobloc est obtenu par usinage chimique de ladite plaque.