Brevet FR2682728A1 — publié le 19930423

La présente invention concerne une articulation à la cardan plane réalisée à partir d'une plaque de faible épaisseur. Elle concerne également un procédé de réalisation de ladite articulation, ainsi qu'un gyroscope mécanique et un support orientable comportant cette articulation. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, notamment dans la réalisation de gyroscopes mécaniques miniatures comportant un volant d'inertie plan. Actuellement, on connaît de l'état de la technique, un gyroscope mécanique constitué d'un volant d'inertie plat relié à un arbre de transmission par une membrane mince et souple qui, en se déformant dans un plan perpendiculaire à cet arbre, permet un couplage faible entre le mouvement rotatif du volant d'inertie et le mouvement angulaire éventuel de l'arbre de transmission autour de n'importe quel axe géométrique transversal à l'axe de rotation du volant, cet axe géométrique étant contenu dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation. Toutefois, cette membrane souple présente l'inconvénient de se déformer également suivant la direction de l'axe de rotation du volant et d'introduire un mouvement parasite au mouvement rotatif du volant en changeant la direction du moment cinétique dudit volant d'inertie. Ledit moment cinétique n'étant plus fixe en direction, on peut observer une précession du volant d'inertie, ce qui est néfaste lorsqu'on utilise ce type de gyroscope pour le guidage d'aéronef par exemple. Aussi, le problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est de proposer une articulation plane formant par exemple la liaison entre un volant d'inertie plan d'un gyroscope et son arbre de transmission, et qui ne présenterait pas les inconvénients précités de l'articulation à membrane tout en conservant un découplage suffisant entre le mouvement rotatif du volant d'inertie et les mouvements parasites angulaires éventuels de l'arbre de transmission autour d'axes géométriques transversaux à l'axe de rotation dudit volant. La solution au problème technique posé consiste, selon la présente invention, en une articulation à la cardan plane constituée, d'une part, d'une première pièce plane mobile en rotation autour d'un premier axe par l'intermédiaire d'au moins une première charnière plane et flexible reliant ladite première pièce à une plaque-support et, d'autre part, d'au moins une deuxième pièce plane mobile en rotation autour d'un deuxième axe, sécant au premier, par l'intermédiaire d'une deuxième charnière plane et flexible reliant ladite deuxième pièce plane à ladite première pièce, la plaque-support, la première pièce et la deuxième pièce étant contenues dans un même plan P. Ainsi les charnières, reliant les première et deuxième pièces de l'articulation selon la présente invention, présentent, d'une part, une flexibilité suffisante pour articuler lesdites première et deuxième pièces autour de deux axes contenus dans le même plan P, et, d'autre part, une rigidité suffisante suivant un troisième axe perpendiculaire audit plan P pour minimiser les déplacements desdites première et deuxième pièces suivant ledit troisième axe. Afin d'augmenter encore cette rigidité axiale et obtenir une articulation comportant une répartition des masses homogène particulièrement souhaitable pour l'application à un gyroscope, il est prévu que ladite articulation est caractérisée en ce que la première pièce plane est symétrique autour d'un troisième axe perpendiculaire audit plan P, et reliée à la plaque-support par l'intermédiaire de deux premières charnières planes, flexibles, colinéaires et symétriques par rapport audit troisième axe, et en ce que ladite articulation comporte au moins une paire de deuxièmes pièces symétriques par rapport audit troisième axe et dont les deuxièmes charnières planes et flexibles respectives sont colinéaires et symétriques par rapport au troisième axe. Dans un mode de réalisation de l'articulation plane conforme à l'invention, ladite articulation forme une pièce unique dans un même matériau. De ce fait, les problèmes liés aux soudures pour le raccordement des charnières aux différentes pièces de ladite articulation sont éliminés, ce qui est appréciable pour réaliser une telle articulation miniature. En effet, il est connu que les zones soudées sont très fragiles et, de plus, il est très difficile de réaliser une soudure correcte sur des pièces de petites dimensions. Dans une variante préférée du mode de réalisation de l'articulation plane selon la présente invention, le matériau constituant ladite articulation est du silicium monocristallin. Ce matériau est particulièrement recommandé pour la réalisation d'articulations miniatures selon l'invention car il permet d'appliquer à la micromécanique les techniques connues de la microélectronique telles que masquage et photogravure. Toutefois, le silicium monocristallin présente l'inconvénient d'être un matériau qui ne se déforme pas de manière plastique. I1 passe en effet directement de la déformation élastique à la rupture dite rupture fragile. Aussi il y a avantage à ce que l'articulation à la cardan plane selon l'invention soit munie de moyens de butée destinés à limiter le débattement à l'amplitude désirée pour ladite articulation. Ainsi, lorsque l'articulation conforme à la présente invention est réalisée en silicium monocristallin, l'amplitude du débattement est limitée par les butées de telle façon que le silicium monocristallin se déforme uniquement de manière élastique et de ce fait la rupture de ladite articulation est évitée. Dans un procédé pour la réalisation d'une articulation à la cardan plane selon la présente invention, ladite articulation formant une pièce unique dans un même matériau est obtenue en effectuant les opérations suivantes - usinage d'empreintes correspondant auxdites première et deuxième charnières dans l'épaisseur de ladite pièce unique, - découpe des première et deuxième pièces planes dans une plaque de faible épaisseur formant ladite pièce unique. De manière classique, la découpe est effectuée par laser ou électroérosion à fil et l'usinage est réalisé par rodage ou défonçage par électroérosion. Lorsque l'articulation plane conforme à l'invention est une pièce unique en silicium monocristallin, le procédé de réalisation de ladite articulation est caractérisé en ce que ladite découpe des première et deuxième pièces planes est réalisée par attaque chimique ou ionique d'une plaque-support en silicium monocristallin et en ce que ledit usinage desdites empreintes est réalisé par attaque chimique contrôlée dans l'épaisseur de ladite plaque-support. Il est alors possible de mettre en oeuvre un procédé pour la réalisation d'une pluralité d'articulations planes selon l'invention, formant des pièces uniques de silicium monocristallin, en effectuant sur une plaque de silicium monocristallin une pluralité d'opérations de découpe simultanées des première et deuxième pièces planes, une pluralité d'opérations d'usinage simultanées des charnières respectives et une pluralité d'opération de découpe des plaques-supports. A titre d'exemple non limitatif, il est possible d'obtenir dans une tranche de silicium monocristallin de 10 cm de diamètre et d'épaisseur comprise entre 200 et 400 pm, une trentaine d'articulations planes conformes à la présente invention. Une application principale de l'articulation à la cardan plane selon l'invention est la réalisation d'un gyroscope mécanique de petites dimensions à volant d'inertie plat. Dans ce but, ledit volant d'inertie plat forme plaque-support pour une articulation à la cardan plane selon l'invention, ladite articulation étant reliée à un arbre de transmission en rotation dont l'axe est confondu avec ledit troisième axe par l'intermédiaire de deux organes de liaison rigides fixés auxdites deuxièmes pièces planes de l'articulation. Dans un mode de réalisation particulier, le gyroscope de l'invention comporte également un système de butées constitué, d'une part, des deux organes de liaison qui sont formés, d'un premier disque, débordant sur le volant et fixé par des premières cales sur les deuxièmes pièces planes de ladite articulation et, d'autre part, d'un deuxième disque, symétrique dudit premier disque par rapport au volant, fixé sur lesdites deuxièmes pièces planes par des deuxièmes cales, l'épaisseur des premières et deuxièmes cales étant ajustée en fonction du débattement désiré pour l'articulation. Une deuxième application de l'articulation à la cardan plane selon l'invention, concerne la réalisation d'un support orientable pour composants. Ledit support comporte une plaque formant plaque-support pour une articulation plane conformément à l'invention, ladite articulation étant reliée auxdits composants par deux organes de liaison rigides fixés auxdites deuxièmes pièces planes de l'articulation. Ainsi, le support orientable de l'invention peut, par exemple, être utilisé pour orienter des composants optiques, tels que des miroirs dans tout dispositif exigeant une grande stabilité desdits composants tout en permettant un asservissement de leur orientation. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. La figure 1 est une vue de dessus d'une articulation à la cardan plane selon l'invention. La figure 2 est une vue de détail en perspective d'une charnière mise en oeuvre dans l'articulation plane montrée à la figure 1. La figure 3a est une vue en coupe selon le plan P1 de l'articulation de la figure 1. La figure 3b est une vue en coupe selon le plan P2 de l'articulation de la figure 1. La figure 4 est une vue de côté en coupe d'un gyroscope mécanique à volant d'inertie plat comportant une articulation plane selon l'invention. La figure 5 est une vue de côté en coupe d'un support orientable pour composants comportant une articulation plane selon l'invention. La figure I montre, en vue de dessus, une articulation à la cardan plane destinée, par exemple, à un gyroscope mécanique comportant un volant d'inertie plat. Cette articulation est constituée, d'une part, d'une première pièce plane 110 mobile en rotation autour d'un premier axe X'X par l'intermédiaire de deux premières charnières 111, 112 planes, flexibles et colinéaires reliant ladite première pièce 110 à une plaque-support 100 et, d'autre part, d'une paire de deuxièmes pièces planes 120, 130 mobiles en rotation autour d'un deuxième axe Y'Y sécant au premier, par l'intermédiaire de deux deuxièmes charnières respectives 113, 114 planes, flexibles et colinéaires reliant lesdites deuxièmes pièces 120, 130 à ladite première pièce 110. La plaque-support 100, la première pièce 110 et la paire de deuxièmes pièces 120, 130 sont contenues dans un même plan P. Comme on peut le voir sur la figure t, la première pièce 110 est symétrique autour d'un troisième axe O perpendiculaire au plan P. Les deuxièmes pièces 120, 130 sont également symétriques par rapport à l'axe 0. Les charnières 111, 112 sont colinéaires à l'axe X'X et symétriques par rapport à l'axe O. De même, les charnières 113, 114 sont colinéaires à l'axe Y'Y et symétriques par rapport à l'axe O. La symétrie de l'articulation plane selon la présente invention, observée sur la figure 1, est favorable pour une application à un gyroscope mécanique car elle permet une répartition massique homogène et de ce fait évite un déséquilibrage éventuel dudit gyroscope au cours de son mouvement de rotation. Dans le mode de réalisation particulier de l'articulation de l'invention, représentée sur la figure 1, ladite articulation forme une pièce unique 10 dans un même matériau. De ce fait, les problèmes de soudures pour le raccordement des charnières 111, 112, 113 et 114 aux pièces 100, 110, 120, 130 sont éliminés, ce qui est favorable à la réalisation d'articulations de petites dimensions. La figure 2 montre en perspective un exemple de charnière mise en oeuvre dans l'articulation de la figure 1, réalisée par amincissement dans l'épaisseur de ladite pièce unique 10. La largeur 1, la longueur L et l'épaisseur e de ladite charnière sont déterminées de façon à optimiser, d'une part, une rigidité angulaire faible autour des axes X'X et Y'Y et, d'autre part, une rigidité rectiligne élevée suivant les axes X'X, Y'Y et suivant l'axe O. Dans une variante préférée du mode de réalisation de l'articulation plane conforme à la présente invention, le matériau constituant ladite articulation est du silicium monocristallin. Ce matériau est avantageux pour la réalisation d'articulations planes de très petites dimensions car il permet l'application des techniques connues de la microélectronique telles que l'usinage chimique. Cette dernière technique présente l'avantage d'être très précise et n'introduit pas de contraintes dans ledit matériau, permettant ainsi la réalisation de très faibles amincissements. Toutefois, le silicium monocristallin présente l'inconvénient de passer directement de la déformation élastique à la rupture brusque. Il est donc nécessaire, pour utiliser le silicium monocristallin comme matériau constituant une articulation selon l'invention, de munir ladite articulation de butées permettant de limiter son débattement et d'éviter la rupture brutale des charnières. Les figures 3a et 3b montrent respectivement une vue en coupe selon le plan P1 et le plan P2 de l'articulation de la figure 1. On observe sur les deux figures précitées les butées 200, 300 débordant sur la plaque-support 100 et fixées aux deuxièmes pièces 120 et 130 par des cales 210, 220 et 310, 320 dont l'épaisseur limite le débattement de ladite articulation. Les deux butées 200, 300 sont symétriques par rapport à ladite plaque-support 100. Par cales, on entend soit des pièces rapportées, soit des surépaisseurs réalisées sur le substrat de silicium par exemple. Un procédé de réalisation de l'articulation à la cardan plane montrée aux figures 1 et 2 comporte les opérations suivantes - Usinage d'empreintes 601, 602 correspondant aux charnières 111, 112, 113, 114 dans l'épaisseur de ladite pièce unique 10. Lorsque le matériau de ladite pièce unique 10 est du silicium monocristallin, l'usinage des charnières peut être réalisé par attaque chimique contrôlée utilisant des masques appropriés. On peut alors atteindre une épaisseur de charnière d'une vingtaine de micromètres, - Découpe des pièces 100, 110, 120, 130 dans une plaque de faible épaisseur formant ladite pièce unique 10. Cette découpe peut être réalisée par laser, par électroérosion à fil ou par attaque chimique ou ionique si le matériau constituant ladite pièce unique 10 est, par exemple, du silicium monocristallin. Le procédé présenté ci-dessus pour la réalisation d'une articulation unique permet avantageusement d'obtenir un procédé pour la réalisation d'une pluralité d'articulations selon l'invention, en effectuant sur une plaque de silicium monocristallin une pluralité d'opérations de découpe par attaque chimique ou ionique simultanée des pièces 110, 120, 130, une pluralité d'opérations d'usinage par attaque chimique contrôlée des charnières lit, 112, 113,114 et une pluralité d'opérations de découpe des plaques-supports 100. La figure 4 montre une application de l'articulation selon la présente invention à la réalisation d'un gyroscope mécanique comportant un volant d'inertie plan 100 formant plaque-support pour une articulation du type de celle montrée à la figure 1, ladite articulation étant reliée à un arbre de transmission A par l'intermédiaire de deux organes 200, 300 de liaison fixés aux deuxièmes pièces planes 120, 130. Ce type d'articulation permet de réaliser dans un volume extrêmement plat une liaison adéquate, pour les gyroscopes, entre l'arbre de transmission et le volant d'inertie, ladite liaison comportant des raideurs rectilignes élevées et une raideur angulaire faible autour des axes transversaux. Les deux organes 200, 300 de liaison sont des disques débordant sur le volant d'inertie 100, symétriques par rapport audit volant et fixés par des cales 210, 220 et 310, 320 sur les deuxièmes pièces 120, 130, l'épaisseur desdites cales étant ajustée en fonction du débattement désiré pour l'articulation. Une deuxième application de l'articulation selon l'invention concerne la réalisation d'un support orientable pour composants, comme l'illustre la figure 5. Dans cette application particulière, ledit support comporte une plaque 100 formant plaque-support pour une articulation analogue à celle montrée à la figure 1, ladite articulation étant reliée aux composants M1 et M2 par deux organes de liaison 200, 300 fixés aux deuxièmes pièces planes 120 et 130 de l'articulation. La plaque-support étant fixée sur deux supports 400, 500, les deux composants M1, M2 peuvent être orientés par exemple autour de l'axe X'X par l'intermédiaire des charnières 112, 114. Les deux organes 200, 300 de liaison sont des éléments plans, débordant sur la plaque-support 100, symétriques par rapport à ladite plaque-support et fixés par des cales 210, 220, 310, 320 sur les deuxièmes pièces. A titre d'exemple non limitatif, les composants M1 et M2 sont des miroirs et de ce fait ledit support orientable peut trouver une utilisation dans tout dispositif optique exigeant un positionnement angulaire précis autour de deux axes perpendiculaires. Pour cela, le dispositif montré sur la figure 5 peut être amélioré en associant à l'articulation selon l'invention un système de commande en position angulaire qui utilise un ensemble d'électrodes pour pouvoir générer des forces électrostatiques et détecter par mesure capacitive la position relative de la plaque-support par rapport aux deux organes de liaisons. REVENDICATIONS 1. Articulation à la cardan plane réalisée à partir d'une plaque de faible épaisseur, caractérisée en ce qu'elle est constituée, d'une part, d'une première pièce plane (110) mobile en rotation autour d'un premier axe (XX') par l'intermédiaire d'au moins une première charnière (111, 112) plane et flexible reliant ladite première pièce à une plaque-support et, d'autre part, d'au moins une deuxième pièce (120, 130) plane mobile en rotation autour d'un deuxième axe (YY'), sécant au premier, par l'intermédiaire d'une deuxième charnière (113, 114) plane et flexible reliant ladite deuxième pièce plane (120, 130) à ladite première pièce (110), la plaque-support (100), la première pièce (110) et la deuxième pièce (120, 130) étant contenues dans un même plan P. 2. Articulation à la cardan plane selon la revendication 1, caractérisée en ce que, la première pièce plane (110) est symétrique autour d'un troisième axe (O) perpendiculaire audit plan P, et reliée à la plaque-support (100) par l'intermédiaire de deux premières charnières (111, 112) planes, flexibles, colinéaires et symétriques par rapport audit troisième axe (O), et en ce que ladite articulation comporte au moins une paire de deuxièmes pièces (120, 130) symétriques par rapport audit troisième axe (O) et dont les deuxièmes charnières (113, 114) planes et flexibles respectives sont colinéaires et symétriques par rapport au troisième axe (O). 3. Articulation à la cardan plane selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle forme une pièce unique (10) dans un même matériau. 4. Articulation à la cardan plane selon la revendication 3, caractérisée en ce que ledit matériau est du silicium monocristallin. 5. Articulation à la cardan plane selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle est munie de moyens de butée (200, 300) destinés à limiter le débattement à l'amplitude désirée pour ladite articulation. 6. Procédé pour la réalisation d'une articulation à la cardan plane selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il comporte les opérations suivantes - usinage d'empreintes (601, 602) correspondant auxdites première (111, 112) et deuxième (113, 114) charnières dans l'épaisseur de ladite pièce unique (10), - découpe des première (110) et deuxième (120, 130) pièces planes dans une plaque de faible épaisseur formant ladite pièce unique (10). 7. Procédé selon la revendication 6 pour la réalisation d'une articulation à la cardan plane selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite découpe des première (110) et deuxième (120, 130) pièces planes est réalisée par attaque chimique ou ionique d'une plaque-support (100) en silicium monocristallin, et en ce que ledit usinage desdites empreintes (601, 602) est réalisé par attaque chimique contrôlée dans l'épaisseur de ladite plaque-support (100). 8. Procédé pour la réalisation d'une pluralité d'articulations à la cardan plane selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il consiste à effectuer sur une plaque de silicium monocristallin une pluralité d'opérations de découpe simultanées des premières (110) et deuxièmes (120, 130) pièces planes, une pluralité d'opérations d'usinage simultanées des charnières (111, 112, 113, 114) respectives et une pluralité d'opérations de découpe des plaques-supports (100). 9. Gyroscope mécanique, caractérisé en ce qu'il comporte un volant d'inertie plan formant plaque-support (100) pour une articulation à la cardan plane selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, ladite articulation étant reliée à un arbre de transmission (A) en rotation dont l'axe est confondu avec ledit troisième axe (O) par l'intermédiaire de deux organes de liaison rigides fixés auxdites deuxièmes pièces planes (120, 130). 10. Gyroscope mécanique selon la revendication 9, caractérisé en ce que les deux organes de liaison sont formés par un premier disque (200), débordant sur le volant et fixé par des premières cales (210, 220) sur les deuxièmes pièces planes. 11. Gyroscope mécanique selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte un deuxième disque (300), symétrique dudit premier disque (200) par rapport au volant (100) fixé sur lesdites deuxièmes pièces (120, 130) planes par des deuxièmes cales (310, 320), l'épaisseur des premières (210, 220) et deuxièmes (310, 320) cales étant ajustée en fonction du débattement désiré pour l'articulation. 12. Support orientable pour composant, caractérisé en ce qu il comporte une plaque (100) formant plaque-support pour une articulation à la cardan selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, ladite articulation étant reliée audit composant (M1, M2) par deux organes de liaison rigides fixés auxdites deuxièmes pièces planes (120, 130). 13. Support orientable selon la revendication 12, caractérisé en ce que les deux organes de liaison sont formés par un premier élément (200) plat, débordant sur ladite plaque-support et fixé par des premières cales (210, 220) sur les deuxièmes pièces planes (120, 130). 14. Support orientable selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comporte un deuxième élément (300) plat, symétrique audit premier élément (200) par rapport à la plaque-support, fixé sur lesdites deuxièmes pièces (120, 130) planes par des deuxièmes cales (310, 320), l'épaisseur des premières (210, 220) et deuxièmes (310, 320) cales étant ajustée en fonction du débattement désiré pour l'articulation.