Brevet FR2684759A1 — publié le 19930611

GYROMETRE VIBRANT PIEZO-ELECTRIQUE La présente invention concerne les gyromètres, c'est-à-dire des appareils destinés à mesurer une vitesse de rotation autour d'un axe sensible. Le besoin se fait sentir à l'heure actuelle d'un gyromètre à organe détecteur lié à la structure dont la vitesse de rotation est à mesurer, ayant un encombrement faible, réalisable en série à bas prix, et capable de fournir des mesures significatives dans une plage de vitesse importante, résistant à des accélérations brutales. Parmi les domaines potentiels d'application de tels gyromètres, on peut notamment citer la réalisation de centrales de navigation pour véhicule automobile, le gyromètre permettant d'effectuer une navigation à court terme en coopération avec un accéléromètre, tandis que des moyens supplémentaires, tels qu'une vanne de flux, permettent la navigation à long terme. On a déjà proposé des gyromètres vibrants piézoélectriques dont l'organe détecteur est constitué par une plaque sensiblement plane présentant une symétrie au moins d'ordre 8 (pouvant présenter la forme d'un octogone, d'un polygone d'ordre plus élevé ou d'un cercle) par rapport à un axe sensible perpendiculaire à son plan, constituée, au moins en majeure partie (et avantageusement complètement), de matériau piézo-électrique et dont les deux grandes faces portent à la fois des électrodes d'excitation de la plaque à la résonance réparties régulièrement autour de l'axe et des électrodes de détection des vibrations de la plaque, situées dans le même plan que les électrodes d'excitation et placées de façon à détecter les contraintes provoquées par le champ moteur dû aux électrodes d'excitation et par les forces de Coriolis lorsque la plaque tourne autour de l'axe sensible, constitué par l'axe de la plaque. On a déjà proposé de nombreux gyromètres de ce type. Une constitution de principe qu'on peut considérer comme représentative est montrée en figure 1. L'organe détecteur 10 se compose d'une plaque mince en matériau piezo-électrique (par exemple en niobate de lithium ou en zirconate-titanate de plomb) polarisée perpendiculairement à ses grandes faces et liée à la structure dont la vitesse de rotation est à mesurer. Cette plaque est revêtue sur une grande face, située à l'arrière sur la figure 1 et donc non visible, d'une couche mince de matériau conducteur portée à un potentiel constant, généralement à la masse. La face avant porte plusieurs jeux d'électrodes. Ces électrodes sont soit des électrodes d'excitation (symbole E) soit des électrodes de détection (symbole D). Les électrodes de détection se rapportent soit au champ moteur créé par les électrodes d'excitation (indice M), soit au champ de Coriolis (indice C). Les électrodes suivies du signe - sont en opposition de phase par rapport à celles portant le même symbole suivi du signe +, pour le champ désigné par le symbole. Dans le cas illustré en figure 1, la disposition choisie pour les électrodes d'excitation E vise à assurer une excitation symétrique selon des axes orthogonaux X et Y, mais antisymétrique suivant les axes A à 45". Pour cela des électrodes motrices d'excitation EM+ et EM+ sont disposées le long de l'axe X et alimentées par un signal élaboré par un circuit amplificateur-oscillateur à partir d'un signal prélevé sur les électrodes DM, alignées suivant l'axe Y, de façon à exciter un mode résonant de vibration.. La mesure est effectuée en prélevant un signal sur des électrodes de détection Dc alignées suivant un axe A. Un tel gyromètre est décrit par exemple dans l'article "The theory of a piezo-electric disk gyroscope" de J.S Burdess et collègues, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, volume AES-22, n" 4, juillet 1986, page 410. Le circuit d'excitation décrit dans cet article est prévu pour que la plaque vibre suivant un mode radial tel que les déformations de la plaque lors de ses vibrations en résonance l'amènent à prendre des formes extrêmes elliptiques montrées en tirets (avec une amplitude très exagérée pour plus de clarté) sur la figure 1. On pourrait, à partir de cette conception de base, concevoir des modes de vibrations d'ordre plus élevés, comprenant, au lieu de deux lobes radiaux, quatre lobes, six lobes ou même davantage. Pour cela, il est nécessaire de placer, dans la boucle comprenant des moyens ampli fi- cateurs-oscillateurs, un filtre à fronts raides, correspondant à la fréquence du mode de vibrations à lobes radiaux que l'on veut réaliser. La ligne en tirets de la figure 2 montre les rapports entre la fréquence des différents modes radiaux et la fréquence de base fO de la plaque, qui correspond à une contraction et une dilatation alternées conservant la forme circulaire.Le mode obtenu avec la disposition d'électrodes montré en figure 1 et mentionné dans l'article ci-dessus est celui à deux lobes, pour lequel la fréquence de résonance est 0,68 fO. L'étude du fonctionnement d'un gyromètre du genre montré en figure 1, excité de façon à présenter une résonance à lobes radiaux, fait apparaître des inconvénients graves. Pour les montrer, il peut être utile de rappeler les principes de fonctionnement d'un gyromètre vibrant dont l'organe détecteur est une plaque plane vibrant dans son plan, pouvant avoir une périphérie circulaire ou une symétrie de révolution d'ordre 8 ou multiple de huit. On trouvera également une description d'un tel fonctionnement dans le document EP-A-O 307 321. La plaque vibrante d'un tel gyromètre constitue un double résonnateur vibrant dans son plan sous l'action du champ à variation sînusoidale créé par les électrodes EM dans le cas de la figure 1. Le résonateur "récepteur" est excité, par couplage dû à l'accélération de Coriolis en cas de rotation autour de l'axe sensible Z et donne naissance à une vibration symétrique par rapport à des axes A qui sont les axes d'anti-symétrie du champ moteur. Cela signifie que, dans le cas de la figure 1, le champ d'accélération de Coriolis sera symétrique par rapport à des axes A et antisymétrique par rapport aux axes X et Y.Si on désigne par Wr la pulsation de résonance excitée à l'aide des électrodes EM, par n la vitesse de rotation (n ne variant que lentement comparé à w), l'accélération de Coriolis se traduit, pour un point quelconque M du secteur angulaire compris entre un axe de symétrie et un axe d'anti-symétrie du champ moteur par une accélération de la forme &gamma; 2 (M,t) = 2 # # V (M,t) Dans le cas d'un mode radial de vibration, (conduisant à des déformations du genre montré en figure 1 en l'absence d'accélération de Coriolis), le mode induit par les accélérations de Coriolis est du même type que le mode moteur, mais décalé de a = 45 . Le courant i provenant d'une des électrodes du genre montré en figure 1 peut être calculé et il apparait qu'il est de la forme i = où A est une constante qui dépend des caractéristiques mécaniques et piézo-electriques de la plaque 12 tandis que J est une intégrale, sur toute la surface S de l'électrode, de la forme f I (611 + 422) dS où les 8 désignent les déformations relatives au point courant M. L'application de cette formule à des électrodes du genre montré en figure 1 montre que les électrodes DM, alignées suivant un axe de symétrie du champ moteur, sont effectivement insensibles au champ de Coriolis Uc = 2Qn/ et sont sensibles au champ moteur. Réciproquement, il apparait que les électrodes Dc, alignées suivant un axe d'antisymétrie du champ moteur, sont insensibles à ce dernier. Mais cette même analyse montre encore que l'intégrale J est nulle au premier ordre pour le mode radial de déformation en ellipse, car k22 = - i 11 en tout point courant M. En conséquence, l'information obtenue sur le champ de Coriolis par détection à partir des électrodes DC ne provient que de phénomènes du second ordre. La présente invention vise notamment à fournir un gyromètre du type ci-dessus défini, répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il permet de réaliser un mode de vibration plus stable et plus significatif. Dans ce but, l'invention propose un gyromètre caractérisé par un circuit d'alimentation des électrodes d'excitation de la plaque à la résonance qui est prévu pour donner à la plaque une résonance à lobes tangentiels. Ce résultat peut aisément être atteint du fait que la fréquence de résonance pour le mode tangentiel à deux lobes est pratiquement double de la fréquence de résonance pour le mode radial. I1 suffit en conséquence de prévoir, dans le circuit d'excitation, au moins un composant assurant un filtrage passe-haut. A titre d'exemple, on peut indiquer que la fréquence de résonance pour un mode radial à deux lobes (déformation en ellipse) est égale à 0,68 f0, où fO est la fréquence du mode en expansion et contraction sans changement de forme, tandis que la fréquence du mode tangentiel correspondant est égale à 1,23 fO. C'est ce mode qui tendra spontanément à s'établir dans le cas d'électrodes d'excitation alimentées en phase et alignées suivant un axe X.C'est ce même mode qui sera renforcé dans le cas où on alimente, en opposition de phase avec les premières électrodes d'excitation, un second jeu d'électrodes alignées suivant une direction Y à 90" de l'axe d'alignement des premières électrodes d'excitation. L'invention propose également un certain nombre de dispositions secondaires, avantageusement utilisables en liaison avec les précédentes, mais pouvant l'être indépendamment. En particulier, pour limiter le couplage parasite entre électrodes d'excitation et électrodes de détection, l'invention propose de disposer des électrodes de garde autour des électrodes de détection. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, et de la comparaison qui en est faite avec un gyromètre de type connu. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la figure 1 est un schéma de principe montrant une disposition possible d'électrodes d'excitation et de détection sur la plaque vibrante d'un gyromètre selon l'art antérieur ;; - la figure 2 donne le rapport entre les fréquences des divers modes de vibration et la fréquence fO du mode radial fondamental (cercle se déformant en restant un cercle) en fonction de l'ordre du mode - la figure 3 montre une distribution possible d'électrodes d'excitation et de détection sur la plaque piézo-électrique d'un gyromètre selon l'invention - la figure 4 montre une construction possible d'un circuit de mesure pouvant être associé à la disposition d'électrodes de la figure 3 - la figure 5 montre un mode de montage possible de la plaque de détection de la figure 3 ; - la figure 6 montre un mode de vibration en l'absence de rotation. L'organe détecteur pour gyromètre montré en figure 3 est constitué par une plaque 12 de section circulaire, en matériau piézo-électrique, liée à la structure, dont la vitesse de rotation est à mesurer, en une ou des régions qui constituent des noeuds du mode de vibration que donnent à la plaque les électrodes qu'elle porte et le circuit associé. En particulier, on peut adopter un mode de fixation central du genre montré en figure 5. L'organe support de la plaque mince 12 est constitué par une embase 14 en matériau à faible coefficient de dilatation, par exemple en "Invar", ayant un prolongement tubulaire central 16 qui s'engage dans un trou central de la plaque 12 et peut être collé à cette dernière.Cette disposition permet en particulier d'effectuer les liaisons, entre les électrodes qui seront décrites plus loin et une plaquette 18 portant le circuit d'excitation et de détection, par des fils 20 passant dans l'axe. La plaque 12 est revêtue sur la face arrière (tournée vers le support 14 dans le cas de la figure 5) d'une couche mince de matériau conducteur. Elle peut être continue, ce qui constitue une solution simple. La couche mince peut également être fractionnée de façon à reproduire la géométrie des électrodes portées par la face avant, pour assurer une symétrie mécanique et une symétrie des lignes de force des champs électriques, favorables à la réduction des modes parasites. Dans ce cas, les diverses fractions seront généralement toutes portées au même potentiel de masse. Les électrodes d'excitation du champ moteur sont prévues, dans le cas montré en figure 3, pour donner à la plaque un mode de vibration à deux modes tangentiels dont la fréquence est égale à 1,23 fO = 1,23 Np/D, comme cela apparait sur la ligne en traits pleins de la figure 2. Dans cette formule, Np désigne la constante de fréquence radiale d'un disque de diamêtre D, de sorte que la fréquence f0 de résonance radiale (cercle se déformant par dilatation et contraction globale) est égale à Np/D. Le disque montré en figure 3 comprend des électrodes d'excitation du champ moteur EM alignées suivant la direction X. Pour équilibrer le système vibrant, tout en respectant l'antisymétrie de l'excitation par rapport aux axes A placés à 45" par rapport aux axes X et Y du champ moteur, la plaque 12 porte deux électrodes d'excitation EM excitées en opposition de phase par rapport aux électrodes EM+. On réalise donc une excitation équilibrée qu'on peut qualifier de push-pull. Cette utilisation des électrodes placées à 90 des électrodes EM+ écarte la possibilité d'utiliser une boucle d'oscillation du genre montré en figure 1, puisqu'il n' existe plus d'électrodes DM. De telles électrodes peuvent être ajoutées à l'intérieur ou l'extérieur des électrodes EM+ dans le sens radial. La disposition d'électrodes décrite ci-dessus provoque la vibration de la plaque de façon antisymétrique suivant la direction A à 45" des axes X et Y (axes de symétrie du champ moteur). La plaque 12 porte deux jeux d'électrodes de détection du champ de Coriolis Dc+ et Dc-, alignées suivant deux axes à 45" permettant de mesurer l'amplitude des contraintes induites par les forces de Coriolis et proportionnelles à la vitesse de rotation de la plaque autour de l'axe Z perpendiculaire à son plan et qui constitue donc l'axe sensible. Les électrodes représentées sont de forme générale triangulaire, de même surface, prolongées vers l'intérieur par des plots facilitant la soudure de fils de raccordement avec le circuit de mesure. D'autres formes pourraient être utilisées. Comme on l'a indiqué plus haut, la présence d'éiectrodes d'excitation du champ moteur suivant les deux directions X et Y ne permet pas d'utiliser une boucle d'asservissement à la résonance et de stabilisation d'amplitude du genre montré en figure 1. Pour permettre la détection sans prévoir des électrodes comparables aux électrodes DM de la figure 1, chaque électrode de détection du champ de Coriolis peut être séparée en deux parties symétriques par rapport aux directions A, à 45" des axes X et Y. Comme on l'a vu plus haut, la somme des courants reçue par deux moitiés, par exemple DCî+ et DC2+ n'est sensible qu'au champ de Coriolis.En revanche, la différence n'est sensible qu'au champ moteur et permettra de fournir un signal d'entrée à une boucle d'asservissement qui maintient le champ moteur à une amplitude constante de façon que les sommes des signaux fournies par les électrodes DC fournissent une représentation directe de la vitesse de rotation n. Il peut exister un couplage capacitif parasite entre les électrodes d'excitation et les électrodes de détection, que la disposition des électrodes soit celle montrée en figure 3 ou une autre disposition, notamment l'une de celles déjà connues. L'invention propose, à titre secondaire, pour éliminer ou du moins réduire de façon très notable ce couplage, d'entourer chaque électrode de détection d'une électrode de garde placée à la masse. Dans le cas particulier montré en figure 3, toutes ces électrodes de garde sont regroupées sous forme de pistes radiales métallisées 22 réparties à intervalles angulaires réguliers, placées chacune entre deux électrodes de mesure ou d'excitation successives. Toutes les pistes 22 sont reliées entre elles par une piste circulaire centrale 24 qui peut facilement être mise à la masse par un fil passant par le trou central de la plaque. La disposition qui vient d'être décrite fournit un gain de performance notable par rapport à la disposition classique d'électrodes, les signaux SM de détection du champ moteur et Sc de détection du champ de Coriolis résultant de la sommation de courants provenant de plages individuelles où ne se présente pas le problème de déformations se contrecarrant l'une l'autre pour fournir le courant de sortie. Au surplus, la présence d'un anneau de garde dans un mode avantageux de réalisation permet de supprimer les couplages parasites et l'excitation de type push-pull garantit une symétrie de fonctionnement. Le circuit d'excitation et de mesure associé à la plaque 12 peut avoir la constitution montrée en figure 4. Les signaux de tension prélevés sur les électrodes DCltt DC1 DC2+ et DC2 sont appliqués chacun à un préamplificateur d'entrée 24. Les signaux amplifiés sont appliqués aux entrées d'amplificateurs opérationnels différentiels 26 et 28 montés de telle façon que l'amplificateur 26 fournisse la somme des signaux provenant de Dol + et Du2 +, moins la somme des signaux provenant de DC2 et DC1 , En conséquence, la sortie de l'amplificateur 26 est représentative du champ moteur. Cette sortie alimente une boucle d'excitation à la résonance et de stabilisation de puissance, comprenant un amplificateur prévu pour maintenir le courant représentatif du champ moteur à une valeur de consigne.Cet amplificateur 30 attaque les électrodes EM par l'intermédiaire d'un amplificateur inverseur et les électrodes EM+ par l'intermédiaire d'un second amplicateur opérationnel identique au premier. La bande passante d'au moins un des étages du circuit doit être prévue pour favoriser la fréquence du mode à exciter, ici le mode à deux lobes tangentiels conduisant, en l'absence de rotation, à des déformations du genre montré en figure 6. Le second amplificateur différentiel 28 fournit un signal qui, après démodulation a une valeur représentative de l'amplitude des vibrations dues au champ de Coriolis. Ce second amplificateur 28 est monté de façon que sa sortie soit représentative de la somme des courants fournies par DCl+ et DC2- I moins la somme des courants fournies par DCl et DC2+. Le circuit peut être complété par des moyens d'asservissement du genre décrit dans le document EP-A-O 307 321 déjà mentionné, permettant de maintenir à une valeur constante la vibration de la plaque. REVENDICATIONS 1. Gyromètre vibrant piézo-électrique dont l'organe détecteur (10) est constitué par une plaque (12) sensiblement plane constituant une symétrie au moins d'ordre 8 constituée au moins en majeure partie de matériau piézoélectrique et dont les deux grandes faces portent à la fois des électrodes (EM) d'excitation de la plaque à la résonance, réparties régulièrement autour de l'axe de la plaque, et des électrodes (DC) de détection des vibrations de la plaque, situées dans le meme plan que les électrodes d'excitation et placées de façon à détecter les contraintes provoquées par le champ moteur dues aux électrodes d'excitation (EM) et par le champ de Coriolis lorsque la plaque tourne autour de l'axe sensible, constitué par son axe, caractérisé par un circuit d'alimentation des électrodes (EM) d'excitation de la plaque à la résonance qui est prévu pour donner à la plaque (12) une résonance à lobes tangentiels. 2. Gyromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que les électrodes d'excitation comprennent des couples d'électrodes (EM+) excitées en opposition de phase par rapport à d'autres couples d'électrodes (EM-) equidistantes des premières électrodes et disposées entre elles. 3. Gyromètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'un des couples est placé selon un premier axe (X) tandis que l'autre couple est placé suivant un axe (Y) orthogonal au premier, de façon à provoquer un mode de vibration à deux lobes tangentiels. 4. Gyromètre selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le circuit d'excitation comporte au moins un composant de filtrage passe-haut. 5. Gyromètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par des électrodes de garde (22, 24) entourant les électrodes de détection (DC). 6. Gyromètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que les électrodes de détection alignées par couple suivant les axes d'antisymétrie du champ moteur sont fractionnées en deux parties placées chacune d'un côté du champ moteur, et en ce que le champ de Coriolis est mesuré en additionnant les courants fournis par les deux parties tandis que le champ moteur est mesuré en faisant la différence des courants fournis par les deux parties.