Brevet FR2658612A1 — publié le 19910823

I L'invention concerne un procédé et un dispositif pour déterminer la vitesse de rotation d'un mobile autour d'un axe et l'application du dispositif comme gyromètre ou accéléromètre. Selon l'invention, pour déterminer la vitesse de rotation d'un mobile autour d'un axe, on fixe au mobile une extrémité d'une lame (dite lame réceptrice) disposée en sorte que le dit axe se trouve être parallèle au plan moyen de la lame et perpendiculaire à la fibre moyenne de la lame, on crée une vibration dirigée perpendiculairement au dit plan, on applique cette vibration à une masse, dite noyau, fixée à l'autre extrémité de ladite lame et on utilise l'effet piézoélectrique pour obtenir une tension proportionnelle à la vibration longitudinale de cette lame, ladite tension étant représentative de la vitesse de rotation du mobile autour du dit axe. De préférence, on utilise comme lame réceptrice une lame en matériau piézoélectrique et on métallise les grandes faces de cette lame pour recueillir la tension produite par l'effet piézoélectrique en consé- quence de la vibration de la lame. De préférence, également, on utilise l'effet piézoélectrique pour créer ladite vibration. De façon typique, pour créer ladite vibration, on utilise des lames en matériau piézoélectrique (dites lames motrices) dont on fixe une extrémité au mobile et dont on fixe l'autre extrémité audit noyau auquel est fixée également ladite autre extrémité de la lame réceptrice, les lames étant disposées en sorte que leurs plans moyens se coupent sur une droite parallèle audit axe et le dit noyau étant disposé en sorte que son centre de masse se trouve sur ledit axe, et on applique des tensions électriques alternatives aux grandes faces des dites lames motrices de façon à faire vibrer ces lames. Dans des modes de réalisation préférés, le procédé de l'invention présente encore une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: on métallise les grandes faces desdites lames motrices pour appliquer des tensions électriques auxdites lames; on utilise deux lames motrices disposées en sorte que leurs plans moyens forment un dièdre dans le plan bissecteur duquel se trouve le plan moyen de la lame réceptrice et on applique à ces deux lames motrices des tensions sinusoïdales de signes opposés mais de même fréquence. on introduit une différence de tension entre les tensions appliquées aux lames motrices pour obtenir une composante de vibration dirigée dans la direction de la lame réceptrice. on règle préférablement la fréquence de l'excitation électrique en sorte qu'elle soit aussi voisine que possible de la fréquence naturelle des vibrations dudit noyau dans la direction de la lame réceptrice. Un dispositif conforme à l'invention pour déterminer la vitesse de rotation d'un mobile autour d'un axe, qui comprend une couronne de révolution fixée au mobile en sorte que ladite couronne soit axée parallèlement audit axe, un noyau placé dans la couronne en sorte que son centre de masse se trouve sur le dit axe, au moins une pièce (dite réceptrice) en matériau piézoélectrique et au moins deux autres pièces (dites motrices) en matériau piézoélectrique, ces trois pièces ayant une extrémité fixée à la couronne et une autre extrémité fixée au noyau, ces trois pièces étant disposées en sorte que leurs plans moyens se coupent sur le dit axe, des moyens pour appliquer aux pièces motrices des tensions électriques de façon à faire vibrer les pièces par effet piézoélectrique et des moyens pour recueillir par effet piézoélectrique la tension électrique produite sur la pièce réceptrice par la vibration induite dans cette pièce par rotation du mobile. Dans des modes de réalisation préférés, ce dispositif comporte encore une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: la pièce réceptrice est en forme de lame et la tension produite est recueillie entre les grandes faces de la lame qui sont métallisées; les pièces motrices sont en forme de lame et les tensions appliquées sont appliquées entre les grandes faces des lames qui sont métallisées; les lames motrices sont identiques, la lame réceptrice étant identique aux lames motrices ou différente; la dimension des lames parallèlement au dit axe est au moins deux fois la dimension des lames dans la direction de la couronne. la lame réceptrice est disposée en sorte que son plan moyen se trouve dans le plan bissecteur du dièdre formé par les plans moyens de deux lames motrices; ledit dièdre forme un angle compris entre 40 et 140 q le matériau piézoélectrique est du quartz et l'angle du dièdre est de 1200, les trois lames étant perpendiculaires à chacun des trois axes électriques du quartz; des moyens sont prévus pour appliquer aux grandes faces des lames motrices des tensions sinusoïdales de signes opposés mais de même fréquence; des moyens sont prévus pour introduire une différence de tension entre les tensions appliquées aux lames motrices le noyau est de forme cylindrique; la couronne, le noyau et les lames sont faites d'un même matériau piézoélectrique; la couronne, le noyau et les lames sont obtenus par façonnage d'une même masse en matériau piézoélectrique; la couronne est fixée à un boîtier solidaire du mobile la couronne est frettée dans le boîtier; le matériau du boîtier a le même coefficient de dilatation thermique que le matériau piézoélectrique; le boîtier est rempli d'un gaz plus ou moins lourd que l'air les faces supérieure et inférieure du noyau sont partiellement métallisées et sont en présence d'un champ magnétique réglable, notamment grâce à un aimant permanent plus ou moins voisin de ces faces métallisées. L'invention sera encore expliquée ci-après en référence aux figures du dessin joint sur lequel: la figure 1 est un schéma de principe de l'élément essentiel d'un gyromètre piézo-électrique à trois lames conforme à l'invention; la figure 2 est un schéma de réalisation de cet élément, en vue de dessus; la figure 3 est une coupe de l'élément de la figure 2 par le plan bb de la figure 2, et la figure 4 est un schéma simplifié du circuit d'alimentation électrique de l'élément. L'élément essentiel du gyromètre représenté sur les figures 1 à 3 est une pièce monolithique de céramique piézoélectrique frettée dans un boîtier métallique de même coefficient de dilatation thermique que la ceramique. Cette céramique comprend a) un noyau central 1 de masse M b) une couronne extérieure 2 frettée dans le boîtier B; c) trois lames radiales L 1, L 2, L 3 liant noyau et couronne et dont les grandes faces sont métallisées (métallisation schématisée en m). Les plans moyens des trois lames s'intersectent selon un axe z'z qui est l'axe de rotation du gyromètre et qui est perpendiculaire aux directions x'x et y'y représentées sur la figure 1. Seules les trois lames sont polarisées et sont piézoélectriques. Fonctionnement du gyromètre idéal - Selon l'invention, les deux lames L 2 et L 1 (lames motrices) sont attaquées par des tensions U et -U sinusoïdales de fréquence identique à la fréquence propre de la masse M dans la direction y'y de la lame L 1. Quand l'une de ces deux lames travaille en compression, l'autre est en extension, et il en résulte, dans la direction x'x une vibration dite primaire, perpendiculaire à la troisième lame L Sous l'effet d'une rotation Sz autour de l'axe z'z du gyromètre, une vibration secondaire apparaît dans la direction y'y; cette vibration secondaire engendre aux bornes de la lame L 1 (lame réceptrice) une tension U 1 qui est la grandeur gyrométrique. Le fonctionnement idéal est perturbé principalement par a) la non identité des lames L 2 et L 3 due aux imperfections de la réalisation b) la raideur finie dans la direction z, d'o il résulte une participation des composantes Sx et 52 y à la vibration secondaire. Selon l'invention, le premier défaut est combattu efficacement en excitant les lames L 2 et L 3 par des tensions U 2 = U + u U 3 = -U + u o u est une tension correctrice qui dépend principalement du couplage croisé entre les vibrations primaire et secondaire; le réglage de cette tension en grandeur et phase est finement contrôlé par la tension U 1 aux bornes de la lame L 1 qui doit être nulle en l'absence de rotation d'entraînement Le deuxième défaut est limité en donnant à la hauteur h des lames une plus grande valeur qu'à leur longueur 1. Une autre disposition avantageuse consiste à donner à la lame L 1 une épaisseur supérieure à celle des lames L 2 et L 3, ce qui présente deux avantages (résolution améliorée et linéarité quasi parfaite) et un inconvénient (tension excitatrice notablement augmentée). Exemple - Les figures 2 et 3 illustrent un exemple de réalisation o couronne, lames et noyau forment un ensemble monolithique en céramique piézoélec- trique P 169 de la société "Quartz et Silice". Dimensions nominales caractéristiques: Lame L épaisseur 0,4 mm Lames L 2 et L 3 épaisseur 0,67 mm hauteur 8 mm hauteur 8 mm longueur 4 mm longueur 4 mm Noyau central hauteur: 8 mm diamètre: 12 mm Précision de la réalisation: 1/100 e mm. Pour ce gyromètre, le calcul permet de prévoir les caractéristiques de fonctionnement suivantes 1) Fréquences: Fréquence naturelle dans la direction de la lame L f: y = 24,4 K Hz Fréquence naturelle dans la direction normale de la lame L 1:fx = 0,8 fy Fréquence excitatrice: f = f y. 2) Amplitude de la vibration primaire xo xo = 0,4 pm pour une contrainte mécanique de I d N/mm 2. 3) Résolution de la mesure gyrométrique Avec un voltmètre de résolution 5 m V, une amplification de 104 et une constante de temps de 0,01 s, la résolution gyrométrique est de 0,33 o/R (degré par heure) Tensions excitatrices U = 200 Vet u = 30-V Défaut de linéarité inférieur à un millième REVENDICATIONS 1 Procédé pour déterminer la vitesse de rotation d'un mobile autour d'un axe (z'z), dans lequel on fixe au mobile une extrémité d'une lame (L 1) (dite lame réceptrice) disposée en sorte que le dit axe se trouve être parallèle au plan moyen de la lame et perpendiculaire à la fibre moyenne de la lame, on crée une vibration dirigée perpendiculairement au dit plan, on applique cette vibration à une masse (M), dite noyau, fixée à l'autre extrémité de ladite lame et on utilise l'effet piézoélectrique pour obtenir une tension (u) proportionnelle à la vibration longitudinale de cette lame, ladite tension étant représentative de la vitesse de rotation du mobile autour du dit axe (z'z). 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise comme lame réceptrice (L 1) une lame en matériau piézoélectrique et en ce qu'on métallise (m) les grandes faces de cette lame pour recueillir la tension (u 1) produite par l'effet piézoélectrique en conséquence de la vibration de la lame. 3 Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on utilise l'effet piézoélectrique pour créer ladite vibration. 4 Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que pour créer ladite vibration, on utilise des lames (L 2,L 3) en matériau piézoélectrique (dites lames motrices) dont on fixe une extrémité au mobile et dont on fixe l'autre extrémité audit noyau (M) auquel est fixée également ladite autre extrémité de la lame réceptrice (L 1), les lames étant disposées en sorte que leurs plans moyens se coupent sur une droite parallèle audit axe (z'z) et le dit noyau étant disposé en sorte que son centre de masse se trouve sur ledit axe, et on applique des tensions électriques alternatives aux grandes faces des dites lames motrices de façon à faire vibrer ces lames. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on métallise (m) les grandes faces desdites lames motrices (L 2,L 3) pour appliquer des tensions électriques auxdites lames. 6 Procédé selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu'on utilise deux lames motrices disposées en sorte que leurs plans moyens forment un dièdre dans le plan bissecteur duquel se trouve le plan moyen de la lame réceptrice et on applique à ces deux lames motrices des tensions sinusoïdales (U,-U) de signes opposés mais de même fréquence. 7 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on introduit une différence de tension (u) entre les tensions appliquées aux lames motrices pour obtenir une composante de vibration dirigée dans la direction de la lame réceptrice. 8 Procédé selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce qu'on règle la fréquence de l'excitation électrique en sorte qu'elle soit aussi voisine que possible de la fréquence naturelle des vibrations dudit noyau (M) dans la direction de la lame réceptrice (L 1). 9 Dispositif pour déterminer la vitesse de rotation d'un mobile autour d'un axe, qui comprend une couronne de révolution ( 2) fixée au mobile (B) en sorte que ladite couronne soit axée parallèlement audit axe (z'z), un noyau (M) placé dans la couronne en sorte que son centre de masse se trouve sur le dit axe, au moins une pièce (L 1) (dite réceptrice) en matériau piézoélectrique et au moins deux autres pièces (L 2,L 3) (dites motrices) en matériau piézoélectrique, ces trois pièces ayant une extrémité fixée à la couronne ( 2) et une autre extrémité fixée au noyau (M), ces trois pièces étant disposées en sorte que leurs plans moyens se coupent sur le dit axe, des moyens pour appliquer aux pièces motrices des tensions électriques de façon à faire vibrer les pièces par effet piézoélectrique et des moyens pour recueillir par effet piézoélectrique la tension électrique (u 1) produite sur la pièce réceptrice par la vibration induite dans cette pièce par rotation du mobile. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite pièce réceptrice (L 1) est en forme de lame et en ce que ladite tension produite est recueillie entre les grandes faces de la lame qui sont métallisées (m). 11 Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que lesdites pièces motrices sont en forme de lame et en ce que lesdites tensions appliquées sont appliquées entre les grandes faces des lames (L 1,L 2) qui sont métallisées (m). 12 Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que les lames motrices (L 2,L 3) sont identiques, la lame réceptrice (L 1) étant identique aux lames motrices ou différente. 13 Dispositif selon la revendication Il ou 12, caractérisé en ce que la dimension (h) des lames parallèlement au dit axe est au moins deux fois la dimension ( 1) des lames dans la direction de la couronne. 14 Dispositif selon l'une des revendications 11 à 13, caractérisé en ce que la lame réceptrice (L 1) est disposée en sorte que son plan moyen se trouve dans le plan bissecteur du dièdre formé par les plans moyens de deux lames motrices (L 2,L 3). Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que ledit dièdre forme un angle compris entre 40 et 1400. 16 Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que le matériau piézoélectrique est du quartz et l'angle du dièdre est de 1200, les trois lames étant perpendiculaires à chacun des trois axes électriques du quartz. 17 Dispositif selon l'une des revendications 11 à 16, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour appliquer aux grandes faces des lames motrices des tensions sinusoïdales (U,-U) de signes opposés mais de même fréquence. 18 Dispositif selon la revendication 17, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour introduire une différence de tension (u) entre les tensions appliquées aux lames motrices. 19 Dispositif selon l'une des revendications 9 à 18, caractérisé en ce que ledit noyau (M) est de forme cylindrique. Dispositif selon l'une des revendications 11 à 19, caractérisé en ce que ladite couronne ( 2), ledit noyau (M) et lesdites lames (L 1,L 2,L 3) sont faites d'un même matériau piézoélectrique. 21 Dispositif selon la revendication 20, caractérisé en ce que ladite couronne, ledit noyau et lesdites lames sont obtenus par façonnage d'une masse monolithique en matériau piézoélectrique. 22 Dispositif selon l'une des revendications 9 à 21, caractérisé en ce que ladite couronne ( 2) est fixée à un boîtier (B) solidaire du mobile. 23 Dispositif selon la revendication 22, caractérisé en ce que ladite couronne ( 2) est frettée dans le boîtier (B). 24 Dispositif selon la revendication 22 ou 23, caractérisé en ce que ledit boîtier (B) est rempli d'un gaz plus ou moins lourd que l'air. Dispositif selon la revendication 24, caractérisé en ce que ledit boîtier est en un matériau de même dilatation thermique que le matériau de la couronne. 26 Dispositif selon l'une des revendications 9 à 25, caractérisé en ce que les faces supérieure et inférieure du noyau sont partiellement métallisées et que des moyens sont prévus pour les mettre en présence d'un champ magnétique réglable. 27 Application d'un dispositif selon l'une des revendications 9 à 26 comme gyromètre. 28 Application d'un dispositif selon l'une des revendications 9 à 26 comme accéléromètre, le dispositif comportant alors des moyens pour déterminer les tensions continues apparaissant entre les grandes faces des lames sous l'effet de l'accélération, ces tensions étant représentatives des composantes de l'accélération selon deux directions perpendiculaires entre elles et orthogonales au dit axe.