Brevet FR2657169A1 — publié le 19910719

L'invention concerne des accéléromètres secs du type à masse pendulaire utilisés dans des systèmes de navigation inertiels L'invention concerne plus parti- culièrement un ensemble à accéléromètre intégré. Les accéléromètres secs à boucle fermée, du type à masse pendulaire à charnière, ont sensiblement remplacé les accéléromètres flottants dans les systèmes inertiels embarqués modernes de navigation en raison du plus faible volume, du plus faible poids et de la construc- tion simplifiée qu'ils offrent Fonctionnellement, un type commun d'accéléromètres secs à axe unique comprend une masse pendulaire qui est suspendue à l'intérieur d'un boîtier au moyen de charnières du type à flexion Lors- qu'elle est soumise à une accélération, la masse pivote ou tourne sur l'axe de la charnière afin d'obturer l'émission d'une diode électroluminescente placée classiquement à proximité immédiate de l'extrémité libre ou non pivotante de la masse Ceci est détecté par un circuit photo- détecteur Le circuit photodétecteur produit un signal de sortie qui est proportionnel à l'accélération détectée Ce signal est amplifié et le courant résultant est appliqué à une bobine-couple qui est montée sur la masse pendulaire. La bobine réagit avec un aimant permanent qui est fixé au boîtier afin de ramener la masse dans une position sensiblement neutre (zéro) Le courant du couple de rappel donne donc une mesure de l'accélération d'entrée. Bien que l'agencement ci-dessus d'un accéléro- mètre sec puisse présenter un excellent comportement sous un volume relativement réduit, sa fabrication exige un assemblage et un réglage manuels intenses, ce qui a pour résultat un coût élevé La conception classique comprend de très petites pièces qui sont fixées par collage du type époxy ou par soudage au cours de processus qui exigent du personnel hautement expérimenté et habile Les liaisons par collage époxy qui relient la masse pendulaire au boîtier tendent "à fluer" avec le temps, entraînant un défaut d'alignement critique pouvant limiter, en fait, la durée de vie de l'instrument car celui-ci peut acquérir une sensibilité indésirable à des accélérations hors-axe. Les inconvénients ci-dessus, ainsi que d'autres inconvénients de l'art antérieur, sont abordés et surmontés par la présente invention qui propose un ensemble intégré pour un accéléromètre sec du type à masse pendulaire. L'ensemble comprend une embase plane de support ayant une ouverture au centre et un élément pendulaire comprenant deux bras Deux charnières flexibles espacées, ayant chacune une première extrémité reliée à l'embase de support et une seconde extrémité reliée à l'un des bras, supportent de façon pivotante l'élément pendulaire à l'intérieur de l'ouverture. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels les mêmes références numériques désignent les mêmes éléments sur les différentes figures: la figure 1 est une vue en perspective éclatée d'un ensemble à accéléromètre sec commun à boucle fermée selon l'art antérieur; la figure 2 est une vue en plan de dessus d'un ensemble à accéléromètre selon l'invention; et la figure 3 est une vue en coupe partielle à échelle agrandie suivant la ligne 3-3 de la figure 2, montrant d'autres détails concernant les joints soudés selon l'invention. La figure 1 est une vue en perspective éclatée d'un ensemble à accéléromètre sec commun 10 de l'art antérieur L'électronique de commande de l'accéléromètre (non représentée) comprend des circuits destinés à exciter une diode électroluminescente, amplifier et conditionner les signaux de sortie d'un photodétecteur, générer un courant de couple de rappel et analogue Les détails, l'agencement et la conception de ces circuits de commande sont bien connus dans la technique Comme on peut le voir, l'ensemble 10 comprend un assemblage complexe de nombreuses pièces exigeant un usinage et un assemblage précis. L'ensemble 10 comprend un bâti 12 de support et un couvercle 14, réalisés chacun de préférence en un métal convenable tel que de l'acier magnétiquement doux Le bâti 14 analogue à un bloc comprend une partie rectangulaire évidée à sa surface intérieure, dans laquelle des entre- toises rectangulaires 18, 20 sont fixées comme représenté. Des charnières 22 et 24 de forme en "L", en acier à ressort ou en une matière analogue, sont fixées, respec- tivement, aux entretoises 18 et 20 Un côté de chacune des charnières 22 et 24 présente une encoche 26 et 28, respectivement, pour faciliter la flexion Des entretoises rectangulaires 30 et 32 sont fixées aux surfaces opposées de chacune des charnières 22 et 24 et prennent entre elles les encoches 26 et 28. Une masse pendulaire 34 est fixée aux entre- toises 30,32 La masse 34 peut tourner librement sur un axe qui relie les encoches 26 et 28 des charnières Les entretoises 18, 20, 30 et 32 sont formées en une matière isolante, afin d'étabir une isolation électriqueentre le bâti 12, les charnières 22, 24 et la masse 34 Ainsi qu'on peut le voir, les charnières 22 et 24 agissent à la manière de conducteurs électriques qui fournissent du courant à une bobine de rappel par couple. Les entretoises 18 et 20, les charnières 22 et 24, les entretoises 30 et 32 et la masse 34 sont de préférence fixées, comme représenté, par un adhésif du type époxy ou analogue, nécessitant un gabarit de support, commandé manuellement, pour établir l'alignement précis critique de la masse 34 avec l'axe d'entrée 36 de l'accé- léromètre Lors de ce processus d'assemblage de précision, les charnières 22 et 24 sont aisément pliées, ce qui nécessite un démontage minutieux suivi d'un remontage avec une charnière de remplacement Des défauts d'alignement apparaissant lors de telles opérations peuvent être compensés par l'électronique de commande Cependant, cette compensation n'apporte qu'une solution provisoire Avec le temps, l'adhésif qui fixe les entretoises et les charnières de l'ensemble de l'art antérieur tend à fluer, entraînant progressivement un défaut d'alignement de la masse pendulaire 34. La masse 34 comprend une jambe 38 de forme globalement triangulaire, une bobine-couple ronde 40 et une palette écran rectangulaire 42 de masquage La jambe 38 et l'écran 42 sont en une matière non magnétique telle que de l'aluminium L'écran 42 présente une ouverture centrale allongée 44 dont le but est décrit ci-dessous La bobine 40 (isolée de la jambe par une entretoise non conductrice) et l'écran 42 sont fixés à la jambe 38 par un adhésif du type époxy ou analogue et comprennent deux conducteurs électri- ques (non représentés) Chacun de ces conducteurs est connecté par un fil (non représenté) à l'extrémité pivotante de l'une des charnières 22 et 24 L'extrémité opposée de chacune des charnières 22 et 24 est connectée par un fil (non représenté) à une extrémité d'un-panneau à bornes 46, 48, qui est fixée au bâti 12 et qui, elle-même, est connectée électriquement à l'électronique de commande de l'accéléromètre Toutes les connexions électriques nécessitent un soudage manuel et les résidus de flux qui en résultent doivent être éliminés avec soin pour empêcher une contamination pouvant être catastrophique de l'ensemble 10 de l'art antérieur. Une cavité relativement grande 50, globalement circulaire, est prévue dans le bâti 12 en face de la bobine Un aimant permanent 52 comportant une pièce polaire cylindrique 54 en fer doux est dimensionné et logé à l'intérieur de la cavité 50 afin qu'un espace annulaire ouvert soit établi entre la circonférence de la pièce polaire 54 et la surface intérieure de la cavité 50. L'espace résultant minimise la fuite du flux magnétique dans le trajet de retour en fer doux du bâti 12 Un alésage circulaire 56 du couvercle 14 est prévu pour le soudage d'une pièce rapportée non magnétique 58 dans cet alésage. La pièce rapportée 58 facilite en outre les interactions magnétiques en minimisant les fuites de flux. Une ouverture semi-cylindrique 60 est prévue pour recevoir une diode électroluminescente 62 La diode 62 est isolée électriquement du bâti 12 par un manchon semi- cylindrique 64 en matière non conductrice logé dans l'ouverture 60 Une cavité 66 de forme irrégulière, conçue pour recevoir un photodétecteur 68 et un bloc 70 de soutien, est située en face de la diode 62 à l'intérieur du bâti 12 Une fois assemblée, l'écran de masquage 42 de la masse pendulaire 34 est placé entre la diode 62 et le photodétecteur 68 La diode 62, le manchon 64, le photo- détecteur 68 et le bloc 70 sont fixés par l'application manuelle d'un adhésif approprié tel qu'un adhésif du type époxy Un tel procédé exige en outre l'utilisation habile d'un gabarit de réglage de position Les fils conducteurs (non représentés) qui connectent la diode 62 à des pla- quettes à bornes 72, 74 et ceux qui connectent le photo- détecteur 68 à des plaquettes à bornes 76, 78 sont soudés manuellement en position par des techniciens expérimentés. Une butée 80 d'arrêt, vissée dans un trou 82 de l'aimant 52 et de la pièce polaire 54, et une butée 84 d'arrêt, vissée dans un trou 86 de la pièce rapportée 58, assurent une protection contre des forces excessives d'accélération Les butées 80 et 84 peuvent être ajustées de façon que l'extrémité libre de la masse 34 ne puisse entrer en contact ni avec le bâti 12 ni avec le couvercle 14 Tous les réglages destinés à empêcher une détérioration de l'ensemble exigent des opérations manuelles précises Ce n'est qu'après que toutes les pièces ont été assemblées et que les réglages nécessaires ont été réalisés que le couvercle 14 peut être soudé sur le bâti 12. En fonctionnement, l'ouverture allongée 44 de l'écran 42 "transmet" (obture) un faisceau de lumière émis par la diode 62 vers le photodétecteur 68 Lorsque la masse pendulaire 34 est déviée le long de l'axe sensible 36 en réponse à une force d'accélération, l'écran 42 inter- rompt ou arrête ce faisceau par rapport au photodétecteur 68 Des transistors situés dans le photodétecteur 68 réagissent à la quantité de lumière détectée Les courants résultants sont traités par l'électronique de commande de 1 'accéléromètre et un courant de rappel est appliqué à la bobine 40 Comme cela est bien connu dans la technique, l'action coopérante de la bobine 40 et de l'aimant 52 intervient de façon à rappeler la masse 34 vers sa position zéro L'amplitude du courant demandé pour le rappel de la masse 34 donne une mesure de l'accélération d'entrée. On voit donc que l'ensemble à accéléromètre connu conforme à l'art antérieur exige non seulement de nombreux éléments usinés avec précision, mais en outre des opérations étendues d'assemblage manuel, suivies de réglages complexes En outre, l'instrument se dégrade avec le temps en raison du fluage de l'adhésif du type époxy, ce qui a pour résultat une perte de précision et il peut en résulter une défaillance du dispositif par la séparation de pièces essentielles. La figure 2 est une vue en plan de dessus d'un ensemble à accéléromètre intégré 88 conforme à l'invention. L'ensemble 88 selon l'invention peut exécuter toutes les fonctions de l'ensemble de l'art antérieur de la figure précédente Ainsi qu'il ressort d'une description de son procédé de fabrication, l'ensemble 88 peut être formé parmi un grand nombre d'ensembles à accéléromètre intégré qui peuvent être testés simultanément par un appareil automa- tique de test. L'ensemble 88 comprend une plaque rectangulaire en matière convenable, telle que de l'oxyde d'aluminium fritté, qui supporte les éléments de 1 'accéléromètre et établit une isolation électrique pour ces éléments Les trous 92 de la plaque 90 permettent sa fixation à un boîtier qui peut également maintenir l'aimant permanent de l'accéléromètre. Des conducteurs métalliques 94 et 96 sont formés sur la surface supérieure de la plaque 90, tandis que des conducteurs 98, 100 et 102, 104 peuvent être formés sur sa surface opposée Ces conducteurs établissent une connexion électrique entre les pièces de l'ensemble et une électronique de commande classique d'accéléromètre Par conséquent, la nécessité de fils conducteurs distincts, et les problèmes qui en résultent dans l'ensemble illustré de l'art antérieur, sont éliminés Des procédés représentatifs de réalisation des conducteurs 94, 96, 98, 100, 102 et 104 comprennent la sérigraphie avec une encre à l'or (suivie d'une cuisson), un revêtement par dépôt de cuivre sans courant, et des procédés de photogravure et d'attaque chimique. Les trous 106 sont ménagés à proximité des extrémités des pistes ou trajets conducteurs précités. Chacun des trous 106 est rempli d'un métal tel que du cuivre par des procédés tels que l'électrodéposition, la sérigraphie (suivie d'une cuisson) et analogue L'électro- déposition consiste à placer une plaque d'électrode sur un premier côté de la plaque 90 et à exposer l'autre côté à une solution de dépôt de cuivre Les trous 106 constituent des ancrages métalliques pleins pour des connexions ultérieures de pièces Les connexions résultantes sont ainsi protégées de tout décollement. Une ouverture 108 de forme irrégulière est ménagée dans la zone centrale de la plaque 90 Une diode et un photodétecteur 112 sont fixés à la plaque 90 au moyen d'une matière du type époxy ou de toute autre matière convenable et sont disposés dans l'ouverture 108 A la différence de l'assemblage complexe dans trois dimensions exigé par l'art antérieur tel que représenté par la figure précédente, la configuration sensiblement plane de l'ensemble 88 de l'invention permet d'une façon générale un positionnement précis et direct des pièces nécessaires au moyen d'un équipement (ou d'un outillage) programmable efficace et connu. La diode 110 comprend des conducteurs électri- ques Chaque conducteur (non représenté) est fixé à l'un des conducteurs 98, 100 par liaison ou soudage automatisé de fil, par ultrasons ou thermocompression Similairement, les conducteurs (non représentés) du photodétecteur 112 sont liés ou soudés aux conducteurs 102, 104 Ces procédés de liaison peuvent remplacer le soudage manuel et l'enlève- ment des résidus de flux, demandant du temps et de l'argent, effectués dans l'accéléromètre de l'art antérieur décrit ci-dessus. Une masse pendulaire 114, comprenant une jambe 116, une bobine-couple circulaire 118 et une palette écran rectangulaire et plate 120 présentant une ouverture centrale allongée (non représentée), est également positionnée à l'intérieur de l'ouverture 108 de forme irrégulière La jambe 116, de préférence formée de la même matière que la plaque 90, comprend des bras 122, 124 orientés radialement Une ouverture allongée 126 est située à l'extrémité opposée de la jambe 116 pour la fixation de la palette 120. Des conducteurs métalliques 128 et 130 sont formés sur les bras 122 et 124, respectivement, de la jambe 116 Les conducteurs 128, 130 et la jambe 116 peuvent avoir des coefficients de dilatation thermique différents. Cependant, ces différences, qui pourraient autrement résulter de la flexion de la jambe 116 et entraîner des mesures imprécises, sont compensées par la formation de conducteurs métalliques identiques sur les surfaces opposées des bras 122 et 124 Ces conducteurs sont formés de la même manière que les conducteurs 94, 96, 98, 100, 102 et 104 Des trous 132 proches des extrémités des trajets conducteurs sont remplis de cuivre (comme décrit ci-dessus pour les trous 106), afin de constituer des ancrages solides pour des connexions de pièces ultérieures. La bobine-couple 118 repose sur des entretoises 134, 136 en matière non conductrice, avantageusement céramique, qui établit une isolation électrique par rapport aux conducteurs électriques 128, 130 et permet un mouvement de la masse 114 sans contact entre la bobine 106 et la plaque 90 La bobine 106, la palette 120 et les entretoises 134, 136 sont positionnées et fixées mécaniquement par un adhésif approprié tel que du type époxy La bobine 106 comprend des conducteurs électriques 138, 140 qui sont reliés aux conducteurs 128, 130, respectivement, par le procédé de liaison de fil mentionné ci-dessus ou par soudage. Des charnières métalliques 142 et 144, présentant chacune une encoche centrale 146, 148, respec- tivement, supportent la masse pendulaire 114 afin qu'elle puisse effectuer une déviation angulaire par rapport à la plaque 90 Les charnières 142, 144 de forme irrégulière sont avantageusement formées en acier à ressort Une extrémité de la charnière 142 est reliée à la plaque 90 au- dessus du conducteur 96, tandis que l'autre extrémité est reliée au bras 122 de la jambe 116 qui s'étend au-dessus du conducteur 128 De la même manière, une extrémité de la charnière 134 est reliée à la plaque 90 audessus du conducteur 94, tandis que l'autre extrémité est reliée au bras 124 de la jambe 116 s'étendant au-dessus du conducteur 130 Les charnières 142, 144 peuvent être fixées automati- quement, comme représenté, par un procédé de soudage approprié tel que du type à laser ou à décharge capacitive. Les trous 106 et 132 situés au-dessous des points de soudure respectifs empêchent les charnières de se détacher de la plaque 90. Des entretoises 150 et 152 de butée d'arrêt, formées en même temps et de la même manière que les conducteurs métalliques décrits ci-dessus, sont disposées sur la surface de la plaque 90, aux bords de l'ouverture 124 Des entretoises de butée d'arrêt sont formées aux emplacements correspondants sur la surface opposée de la plaque 90 Des trous 154, remplis de cuivre (pour l'ancrage de pièces décrites ci-dessous), sont ménagés au-dessous des entretoises 150 et 152 comme représenté Après la formation initiale, les profondeurs des entretoises sont augmentées par électrodéposition de cuivre Dans une forme de réalisation effective, l'épaisseur des entretoises de butée d'arrêt était de 0,013 mm. Une butée rectangulaire d'arrêt 156 en métal approprié, tel que de l'acier à ressort, est soudée sur la surface de la plaque 90 en même temps que la mise en place des charnières 142, 144 Une extrémité de la butée d'arrêt 156 est soudée à l'entretoise 150, tandis que l'autre extrémité est soudée à l'entretoise 152 afin que la butée 156 traverse l'ouverture 108 Une fois soudée en position, la butée d'arrêt 156 ne nécessite aucun réglage supplémen- taire De façon similaire, une butée d'arrêt est soudée à l'emplacement correspondant sur la surface opposée de la plaque 90. Fonctionnellement, la butée d'arrêt 156 se comporte de la même manière que dans l'art antérieur. Autrement dit, le mouvement de la jambe 116 est limité par son entrée en contact avec la butée d'arrêt 156. La figure 3 est une vue en coupe partielle à échelle agrandie suivant la ligne 3-3 de la figure 2 il illustrant des joints soudés typiques de l'invention Les joints soudés fixent les charnières et les butées d'arrêt à la plaque 90 Un plot 158 de soudure est formé à chaque joint soudé Comme on peut le voir, les plots 158 pénètrent dans les trous 154 remplis de cuivre et réalisent donc des encoches solides pour les soudures Les soudures ne peuvent donc pas se détacher de la plaque 90 lorsque l'ensemble est soumis à des forces de vibration ambiantes normales, ce qui accroit la fiabilité de l'ensemble sensible. Le procédé discontinu pour former un grand nombre d'ensembles à accéléromètre comprend l'application d'un certain nombre d'étapes de traitement à une pièce relativement grande en matière non conductrice Par exemple, une forme de réalisation a utilisé une pièce de céramique carrée de 114 mm de côté pour former quarante plaques d'ensembles ( 12,7 par 20, 3 mm) Les surfaces de la matière sont rectifiées de façon à être parallèles par des procédés classiques, jusqu'à une épaisseur comprise entre 0,25 et 0,75 mm Ensuite, les bords extérieurs des plaques (des ensembles) sont rainurés au laser pour être ensuite séparés Après cette définition des plaques individuelles des ensembles, chaque plaque est découpée et percée au laser pour former l'ouverture centrale, la jambe et les trous d'ancrage Des parties des bords de la jambe sont laissées reliées à la plaque jusqu'à ce que l'assemblage final et un test préliminaire soient achevés De cette manière, la jambe et les charnières sont protégées de toute détérioration pendant l'assemblage de l'ensemble En variante, la plaque peut être moulée à l'état cru, puis cuite, moulée par injection, ou formée en verre photo- sensible, tel que celui couramment disponible auprès de la firme Corning sous les marques commerciales "IFOTOFORM" ou "FOTOCERAM", qui peut être gravée plutôt que découpée au laser Après que les trous d'ancrage ont été remplis de cuivre, la plaque est aplanie par rodage Les conducteurs et les entretoises sont ensuite formés sur la plaque comme décrit ci-dessus et les profondeurs des entretoises sont augmentées par électrodéposition de cuivre Puis la diode, le photodétecteur, la bobine et les entretoises, ainsi que la palette, sont fixés par un adhésif approprié et les composants électriques sont connectés aux conducteurs. Enfin, les charnières et les butées d'arrêt sont soudées. On a donc proposé un ensemble à accéléromètre compact et intégré En utilisant les indications de l'invention, on peut aisément fabriquer un grand nombre d'ensembles de haute fiabilité, à un coût réduit De nombreux ensembles peuvent être testés simultanément sur le substrat commun L'ensemble utilise au maximum l'avantage d'une machine programmable efficace pour minimiser le degré d'effort manuel et donc le temps de main-d'oeuvre demandés. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'ensemble décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Ensemble intégré pour un accéléromètre sec, caractérisé en ce qu'il comporte une embase plane ( 90) de support présentant une ouverture ( 108) en son centre, un élément pendulaire ( 114) comprenant deux bras ( 122, 124), et deux charnières flexibles et espacées ( 142, 144), une première extrémité de chacune des charnières étant fixée à l'embase de support et une seconde extrémité de chacune des charnières étant fixée à l'un des bras afin que l'élément pendulaire soit supporté de façon pivotante à l'intérieur de ladite ouverture. 2 Ensemble intégré selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre deux butées d'arrêt ( 156) fixées sur des côtés opposés de l'embase de support pour limiter le mouvement de l'élément pendulaire. 3 Ensemble intégré selon la revendication 2, caractérisé en ce que les charnières sont soudées à l'embase de support et aux bras de l'élément pendulaire. 4 Ensemble intégré selon la revendication 3, caractérisé en ce que les butées d'arrêt sont soudées à l'embase de support. Ensemble intégré selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre -plusieurs ouvertures ( 154) remplies de métal, situées dans l'embase de support pour ancrer lesdites soudures des charnières et des butées d'arrêt, et plusieurs ouvertures ( 132) remplies de métal, situées dans l'élément pendulaire pour l'ancrage des soudures des charnières. 6 Ensemble intégré selon la revendication 5, caractérisé en ce que les ouvertures sont remplies de cuivre. 7 Ensemble intégré selon la revendication 6, caractérisé en ce que la plaque et l'élément pendulaire sont réalisés en oxyde d'aluminium fritté. 8 Ensemble intégré selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'élément pendulaire comporte en outre une bobine-couple ( 118) et des conducteurs métalli- ques ( 128, 130) déposés sur la surface des bras de l'élément pendulaire, les conducteurs étant en liaison électrique avec ladite bobine. 9 Ensemble intégré selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une diode électroluminescente ( 110) montée dans l'embase, un photodétecteur ( 112) monté dans l'embase et espacé de la diode, et l'élément pendulaire comprend une palette écran ( 120) disposée entre la diode et le photodétecteur pour interrompre un faisceau provenant de la diode. Ensemble intégré selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'embase de support comporte en outre des conducteurs métalliques ( 98, 100, 102, 104) à ses surfaces opposées, en connexion électrique avec la bobine, la diode et le photodétecteur. 11 Ensemble intégré selon la revendication 10, caractérisé en ce que les conducteurs métalliques de l'élément pendulaire et les conducteurs métalliques de l'embase sont réalisés en cuivre.