Brevet FR2696835A1 — publié le 19940415

GYROMETRE A DETECTION ET EXCITATION COPLANAIRES La présente invention concerne le domaine technique des dispositifs appelés gyromètres destinés à être montés sur un mobile au sens général, tel qu'un avion ou une automobile, afin de déterminer la vitesse angulaire de ce mobile. L'invention vise, plus précisément, les gyromètres autres que ceux du type optique à laser, à savoir les gyromètres mécaniques utilisant l'effet Coriolis. Tel que cela ressort plus précisément de la fig 1, un tel capteur de vitesse angulaire comporte un élément de mesure soumis à une excitation selon un axe x et destiné à subir une rotation selon un axe coplanaire y perpendiculaire à l'axe d'excitation x L'élément de mesure est destiné à être mis en vibration par un système d'excitation approprié, selon un plan contenant les axes d'excitation x et de rotation y Lorsque l'élément de mesure subit une rotation autour de l'axe y, il apparaît la force de Coriolis selon un axe z perpendiculaire au plan (x, y) L'effet de cette force proportionnelle à la rotation subie par l'élément de mesure, est décelé par un système de détection approprié. De nombreux gyromètres utilisent le principe rappelé ci-dessus. Une catégorie connue de gyromètre concerne ceux du type acoustique consistant à mettre en oeuvre une cavité dans laquelle une onde de pression est générée par un haut-parleur L'onde acoustique qui se propage selon l'axe x, entraîne par l'effet Coriolis lors de la rotation de la cavité selon l'axe y, l'apparition d'un gradient de pression selon l'axe z qui est mesuré par une paire de microphones Les inconvénients majeurs de ce type de gyromètre tiennent principalement à sa grande sensibilité aux vibrations sonores parasites, à sa sensibilité thermique et aux difficultés de construction de la cavité. Une autre catégorie connue de gyromètre concerne ceux mettant en oeuvre au moins une poutre de flexion Ce type de gyromètre, décrit par exemple dans le brevet US-A-4 628 734, consiste à faire vibrer une poutre encastrée et à détecter la vibration perpendiculaire induite par la rotation s'établissant selon un axe parallèle à la poutre La détection de cette vibration est effectuée par une poutre colinéaire connectée à la première poutre et présentant une inertie de flexion moindre et, par suite, une sensibilité maximale dans une direction perpendiculaire à la direction de flexion de la première poutre. Ces poutres sont, avantageusement, réalisées en un matériau ferro- électrique et piézoélectrique Afin de maximiser la composante de vitesse de la première poutre, cette dernière est excitée à la première fréquence de résonance de la structure dans le plan (x, y) Lorsque le capteur subit une rotation, la poutre connectée est mise en vibration par l'effet Coriolis dans le plan (y, z) Afin de maximiser la réponse, il est prévu d'assurer par construction, la coïncidence de la première fréquence de résonance dans le plan (y, z) avec la précédente Il en résulte un facteur d'amplification entre les mouvements vibratoires dans les deux plans, égal au facteur de qualité de cette dernière résonance. Cette catégorie de gyromètres, qui utilise un élément de mesure constitué par une poutre vibrante, présente un inconvénient tenant au montage de la poutre et à l'ajustement en coïncidence des fréquences de résonance dans les deux plans perpendiculaires Il convient, en effet, de rappeler que plus le facteur d'amplification est grand, plus la bande passante des résonances est faible Il s'ensuit qu'il est nécessaire de maîtriser parfaitement la géométrie, les interfaces et les propriétés des matériaux constitutifs des poutres pour avoir un recouvrement des bandes passantes. Par ailleurs, le principe de détection impose de maîtriser parfaitement l'orthogonalité entre les deux poutres Un défaut d'orthogonalité se traduit par une contribution parasite du mode vibrant (x, y) sur le mode excité (y, z), ce qui est interprété de manière erronée, comme résultant de l'effet Coriolis La résolution en est d'autant limitée Or, il apparaît difficile, voire impossible, d'effectuer simplement un positionnement orthogonal convenable entre les deux poutres typiquement meilleur que la minute d'angle. La présente invention vise à remédier aux inconvénients énoncés ci- dessus en proposant un gyromètre comportant un système de détection adapté pour permettre d'atteindre une résolution de l'ordre du degré par seconde, tout en autorisant la fabrication du capteur à un coût relativement bas. Pour atteindre cet objectif, le capteur de mesure d'une vitesse angulaire comprend: au moins un élément de mesure soumis à une excitation selon un axe et destiné à subir une rotation selon un axe perpendiculaire à l'axe d'excitation, tel que l'élément de mesure vibre dans un plan contenant lesdits axes, un système d'excitation de l'élément de mesure selon le plan, et un système de détection de l'effet de la force de Coriolis s'établissant selon un axe perpendiculaire au plan et apparaissant lorsque l'élément de mesure subit une rotation selon son axe. Selon l'invention, le système d'excitation du capteur comprend une source de courant alimentant l'élément de mesure, et au moins un couple de pièces d'excitation magnétique ou capacitive comportant des faces actives planes, placées en vis- à-vis de part et d'autre de l'élément de mesure en s'étendant parallèlement entre elles suivant l'axe de rotation, un champ magnétique ou électrique s'établissant entre les faces actives des pièces, en vue d'exciter l'élément de mesure en combinaison avec le courant qui les parcourt. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci- dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation et de mise en oeuvre de l'objet de l'invention. La fig 1 est un schéma illustrant le principe de la détection d'une vitesse angulaire par effet Coriolis. La fig 2 est une vue schématique en perspective illustrant un exemple de réalisation d'un gyromètre conforme à l'invention. La fig 3 est une vue en coupe transversale d'un gyromètre selon l'invention, prise sensiblement selon les lignes m-m II de la fig 2. Les fig 4 et 5 sont des schémas électriques illustrant des variantes de réalisation du système d'excitation du capteur selon l'invention. La fig 6 est une vue schématique en perspective illustrant un exemple de réalisation du gyromètre conforme à l'invention, selon la technique des circuits imprimés électroniques. Tel que cela apparaît plus précisément aux fig 2 et 3, le capteur ou gyromètre 1, selon l'invention, comporte: au moins un élément de mesure 10 soumis à une excitation selon un axe x et destiné à subir une rotation selon un axe y perpendiculaire à l'axe x, de sorte que l'élément de mesure vibre dans le plan contenant les axes (x, y), un système 30 d'excitation de l'élément de mesure 10 selon le plan (x, y), et un système 50 de détection de l'effet de la force de Coriolis s'établissant selon l'axe z perpendiculaire aux axes x et y et apparaissant lorsque l'élément de mesure subit une rotation selon l'axe y. L'élément de mesure 10 peut être constitué par une partie présentant un ou deux axes de symétrie ou, de préférence par une corde vibrante L'élément de mesure 10 est fixé entre deux points 11 et 12 L'élément de mesure est, habituellement, réalisé en un matériau conducteur de l'électricité ou rendu artificiellement comme tel. Selon une caractéristique de l'invention, le capteur selon l'invention comprend un système d'excitation 30 comprenant une source de courant 31 alimentant la élément de mesure 10 par un courant i de nature alternative Le système d'excitation 30 comprend, également, au moins un couple de pièces polaires 32, 33 comportant chacune une face active plane 32 a, 33 a s'étendant parallèlement au plan (x, y) Les faces actives 32 a, 33 a sont placées en vis-à-vis et de part et d'autre des éléments de mesure, en s'étendant parallèlement entre elles Dans l'exemple illustré, les pièces polaires 32 et 33 assurent, entre leur face transversale 32 a et 33 a, l'établissement d'un champ magnétique B créé par un aimant 35. Avantageusement, les pièces polaires 32 et 33, qui sont en contact chacune avec un pôle opposé de l'aimant 35, sont réalisées en un matériau ferromagnétique doux à forte perméabilité Il s'ensuit que par continuité à l'interface, les lignes de champ qui sortent des pièces polaires ont une direction perpendiculaire aux faces planes 32 a, 33 a Les lignes du champ magnétique B sont ainsi parallèles à l'axe z Les lignes du champ magnétique B s'étendent selon l'axe z perpendiculaire à l'élément de mesure 10 qui est parcouru par un courant i, engendrant une vibration de l'élément de mesure 10 dans le plan (x, y) par l'effet de la force de Laplace qui s'exerce selon l'axe x. De préférence, le système d'excitation 30 est placé sensiblement dans la région médiane de l'élément de mesure 10 et sur une certaine étendue, de façon à approprier le premier mode de résonance de l'élément de mesure Avantageusement, pour s'affranchir d'un quelconque défaut de parallélisme entre les faces 32 a et 33 a des pièces polaires, il peut être prévu de placer l'élément de mesure 10, soit dans le plan de symétrie des faces, comme cela ressort plus précisément de la fig 3, soit à proximité de l'une des faces actives des pièces polaires. Il est à noter que dans l'exemple décrit ci-dessus, l'excitation magnétique est obtenue en faisant circuler un courant alternatif i dans l'élément de mesure 10 placé dans un champ magnétique B fixe Bien entendu, il peut être prévu de faire circuler un courant constant i dans l'élément de mesure et de placer ce dernier dans un champ magnétique B alternatif, en vue toujours d'obtenir une vibration de l'élément de mesure par l'effet d'une force de Laplace alternative. Selon une caractéristique de l'invention, il doit être considéré que le champ d'induction B donne la direction selon laquelle s'établit la force de Coriolis. Il en résulte qu'il peut être prévu de mettre en oeuvre des éléments de détection plans placés parallèlement aux faces planes externes des pièces polaires 32, 33 Le système de détection 50 comporte ainsi au moins une, et dans l'exemple illustré, deux armatures 51, 52 dont les faces actives 51 a, 52 a sont placées parallèlement, respectivement, aux faces 32 a et 33 a des pièces polaires Ces armatures permettent de mesurer la variation du champ électrique induite par la vibration de l'élément de mesure, selon l'axe z, sous l'effet de la force de Coriolis due à une rotation selon l'axe y Selon une forme de réalisation avantageuse, les armatures planes 51, 52 sont fixées sur les faces externes planes 32 a, 33 a des pièces polaires par l'intermédiaire de supports 53, 54 assurant une isolation électrique entre les pièces polaires et les armatures De préférence, les supports 53, 54 sont réalisés par des circuits imprimés sur lesquels sont réalisées les armatures 51, 52, et un circuit électronique de mesure non représenté, relié aux armatures. La sélectivité de la détection de l'effet de la force de Coriolis dans le plan (y, z) est ainsi inversement proportionnel au sinus de l'angle de défaut de parallélisme entre les armatures 51, 52 et les faces actives 32 a, 33 a des pièces polaires délivrant le champ magnétique B Bien évidemment, si l'élément de mesure 10 est positionné à proximité de l'une des faces 32 a, 33 a, il est clair que seul ce dernier joue un rôle actif pour la détection L'angle est minimisé en assurant le parallélisme, d'une part, des faces respectives des armatures en choisissant des supports 53, 54 d'épaisseur constante et, d'autre part, des faces actives 32 a, 33 a des pièces polaires, réalisé au cours de l'assemblage Il peut ainsi être obtenu une sélectivité supérieure à IO' permettant une résolution en vitesse de rotation meilleure que le degré par seconde. Le gyromètre décrit ci-dessus présente une excitation magnétique par la force de Laplace et une détection capacitive de l'effet de Coriolis A cet effet, les armatures 51, 52 recueillent des tensions alternatives d'amplitudes complexes respectives V 1 et V 2, à la fréquence de résonance de l'élément de mesure Pour des armatures planes 51, 52, présentant des faces en vis-à-vis de forme rectangulaire, le mode différentiel (V,-V 2)/2 est proportionnel, en petits mouvements, à l'amplitude de la vibration induite par effet Coriolis. De préférence, les armatures 51, 52 présentent chacune un profil variable, par exemple de forme triangulaire ou trapézoïdale, afin de permettre de discriminer les composantes du mouvement vibratoire respectivement parallèle (x, y) et perpendiculaire (y, z) aux pièces polaires, par séparation des potentiels respectivement de mode commun et différentiel, induits sur ces armatures Si les armatures recueillent des tensions alternatives Vl, et V 2, à la fréquence de résonance de l'élément de mesure, le mode différentiel (V 1,-V 2,)/2 est proportionnel à la vibration induite par effet Coriolis dans le plan (y, z), tandis que le mode commun (Vl, + V 2,)/2 est proportionnel à la vibration de l'élément de mesure excité dans le plan (x, y). La sélectivité de la détection de l'effet Coriolis par ce procédé est liée à la qualité d'alignement des deux armatures planes 51, 52 selon les axes x et y Ce défaut d'alignement se traduit par des décalages des points de repos des signaux délivrés en mode commun et en mode différentiel Ces signaux peuvent être ramenés à une valeur nulle par un réglage initial La qualité géométrique de l'alignement de telles armatures doit, néanmoins, être telle que le couplage entre le mode commun et le mode différentiel reste inférieur à i O pour assurer au gyromètre la résolution souhaitée La géométrie des armatures fait que ce couplage n'est que du deuxième ordre vis-à-vis du défaut relatif d'alignement Il en résulte que l'alignement selon l'axe x doit être meilleur que le pourcent de l'écartement entre les armatures. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, l'élément de mesure présente une symétrie de révolution et donc des modes de vibration plans, de fréquences confondues à un ordre donné En particulier, en excitant l'élément de mesure sur sa première fréquence de résonance dans le plan (x, y), la réponse à l'effet de Coriolis s'effectue selon le mode perpendiculaire dans le plan (y, z) également en situation de résonance Dans ces conditions, les rapports d'amplitudes complexes du mode de réponse Xc au mode excité Xe sont tels que: (Xc/ Xe) = Q (O,/'wl) avec: Q: vitesse de rotation selon l'axe y, : pulsation de résonance des modes d'ordre 1 (de l'ordre de 6 1035-), Q: coefficient de qualité de ces modes. La coïncidence des fréquences de résonances assure ainsi avantageusement, par principe même, un gain de sensibilité égal au coefficient de qualité des modes, réglé typiquement autour de 50 Un autre avantage d'utiliser ce rapport pour la mesure réside, par ailleurs, dans le fait qu'il est possible de s'affranchir de la variation thermique du champ d'induction délivré par l'aimant. Pour conserver cet avantage de sensibilité, il convient donc de caler continuellement et, par suite, automatiquement, la fréquence d'excitation sur cette fréquence de résonance, et cela, quelles que soient les causes inévitables de variation de cette fréquence La cause principale de la dérive de cette fréquence est due à la variation thermique des caractéristiques de l'élément de mesure. Une manière d'assurer ce calage consiste à produire le courant variable parcourant l'élément de mesure, à l'aide d'un amplificateur placé dans une boucle de réaction commandée par le signal de vitesse vibratoire de l'élément de mesure. Un signal proportionnel à cette vitesse consiste en la force contreélectro-motrice induite aux bornes du fil, elle-même proportionnelle à la vitesse de variation du flux électromagnétique dans la boucle fermée incluant l'élément de mesure. La fig 4 illustre ce schéma de principe permettant d'obtenir un tel calage de la fréquence d'excitation sur celle de résonance L'une des extrémités de l'élément de mesure 10 est placé à la masse, tandis que l'autre extrémité est reliée à l'entrée positive d'un amplificateur 40, dont l'entrée négative est placée à la masse. La sortie de l'amplificateur 40 est reliée à la borne positive par l'intermédiaire d'une source de courant 31. La fig 5 donne, à titre d'exemple, un schéma permettant de s'affranchir des effets de résistance et de self inductance de l'élément de mesure et d'accroître ainsi la sélectivité dans la boucle, du pic de résonance couplé de l'élément de mesure Selon cet exemple, il est prévu d'utiliser un deuxième élément de mesure , inerte, strictement identique à l'élément de mesure 10 mais non soumis à l'induction magnétique B L'une des extrémités de l'élément de mesure 10 est reliée à la masse et à l'entrée négative d'un amplificateur 45 par l'intermédiaire d'une résistance 46 L'autre extrémité de l'élément de mesure 10 est reliée à l'entrée positive de l'amplificateur 45 L'élément de mesure 10, est connecté par ses extrémités à l'entrée positive de l'amplificateur et à l'extrémité négative de l'amplificateur 45 par une résistance 47 L'amplificateur 45 de commande du courant est relié, par la source de courant 31, au point commun entre la résistance 47 et une extrémité de l'élément de mesure 101. Il est à noter qu'il est possible d'utiliser le signal de mode commun des armatures 51, 52 à profil variable, ou toute autre électrode, pour accéder à la vitesse de vibration de l'élément de mesure, selon le mode d'excitation (x, y) Dans ce cas, le courant induit dans les armatures fournit une image de la vitesse vibratoire Un tel signal peut être utilisé pour commander, de la même façon que décrit précédemment, un amplificateur de courant alimentant l'élément de mesure. La fig 6 illustre une variante préférée de réalisation d'un gyromètre selon l'invention, utilisant la technique des circuits imprimés électroniques en verre époxy Ce gyromètre comporte deux plaques 53, 54 de circuit imprimé sur lesquelles sont photogravées les armatures 51, 52 Les plaques 53, 54 sont séparées, par exemple, par des cales 55 (fig 1) ou, comme illustré à la fig 6, par un cadre périphérique 56 assurant la géométrie de l'entrefer Le cadre 56 est aménagé pour laisser le passage à l'élément de mesure 10 qui s'étend dans l'entrefer délimité entre les deux plaques 53, 54 L'élément de mesure 10 est fixé entre deux pièces support et 61 montées sur les chants des plaques Des pièces polaires 32, 33 sont placées sur les faces externes des plaques 53, 54 au niveau des armatures 51, 52 Les pièces polaires 32, 33 s'étendent sur une surface limitée des plaques, de manière que les circuits électroniques d'excitation et de mesure puissent être réalisés sur les plaques 53, 54, en dehors des pièces polaires 32, 33 Tel que cela ressort de la fig 6, les pièces polaires dépassent latéralement les plaques, afin d'assurer l'interposition d'aimants 35, de part et d'autre des chants des plaques et entre les pièces polaires 32, 33 Le gyromètre décrit ci-dessus est obtenu par un assemblage par l'empilement des plaques et des pièces polaires et par un collage sous presse Un tel assemblage offre l'avantage de permettre de respecter relativement facilement les conditions de parallèlisme entre les pièces polaires et les armatures. Dans la description qui précède, il est à noter que l'excitation est réalisée de manière magnétique, alors que la détection est de nature capacitive Cette détection et cette excitation s'imposent par la taille macroscopique de l'élément de mesure, à savoir, par exemple, 1 à 3 cm, dans la mesure o à cette échelle, les forces magnétiques sont plus importantes que les forces électrostatiques A une échelle millimétrique ou inférieure, il peut être prévu que les armatures 51, 52 produisent un champ d'excitation électrique, tandis que le circuit magnétique comprenant les pièces polaires 32, 33 soit utilisé pour la détection de l'effet de Coriolis apparaissant alors dans le plan (x, y), à l'aide d'une bobine appropriée embrassant le flux variable Le système d'excitation 50 est alors du type capacitif, tandis que le système de détection 30 est du type magnétique. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS: 1 Capteur de mesure d'une vitesse angulaire du type comprenant: au moins un élement de mesure ( 10) soumis à une excitation selon un axe (x ou z) et destiné à subir une rotation selon un axe coplanaire (y) perpendiculaire à l'axe d'excitation (x), de sorte que l'élément de mesure vibre dans un plan contenant lesdits axes, un système d'excitation ( 30 ou 50) de l'élément de mesure selon le plan de vibration, et un système ( 30 ou 50) de détection de l'effet de la force de Coriolis s'établissant selon un axe perpendiculaire au plan de vibration et apparaissant lorsque l'élément de mesure ( 10) subit une rotation selon son axe (y), caractérisé en ce que le système d'excitation ( 30 ou 50) comprend: une source de courant ( 31) alimentant l'élément de mesure conducteur, et au moins un couple de pièces d'excitation magnétique ( 32, 33) ou capacitive ( 51, 52) comportant des faces actives planes respectivement ( 32 a, 33 a ou 51 a, 52 a) placées en vis-à-vis de part et d'autre de l'élément de mesure, en s'étendant parallèlement entre elles suivant l'axe de rotation (y), un champ magnétique (B) ou électrique s'établissant entre les faces actives des pièces, en vue d'exciter l'élément de mesure en combinaison avec le courant qui les parcourt, et en ce que le système de détection ( 30 ou 50) comprend, en combinaison avec les pièces d'excitation magnétique ( 32, 33) ou capacitive ( 51, 52), au moins une pièce de détection respectivement capacitive ( 51, 52) ou magnétique ( 32, 33) montée parallèlement aux pièces d'excitation, afin d'assurer la détection de la variation du champ magnétique ou électrique, en vue d'assurer l'effet de la force de Coriolis appliquée à l'élément de mesure. 2 Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les faces actives ( 32 a, 33 a ou 51 a, 52 a) des pièces d'excitation sont placées de manière que l'élément de mesure ( 10) s'étende dans le plan de symétrie des faces ou à proximité il de l'une des faces actives. 3 Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système d'excitation ( 30) est du type magnétique, de sorte que les pièces d'excitation constituent des pièces polaires ( 32, 33) associées à un aimant ( 35) dont le champ est canalisé entre leurs faces actives ( 32 a, 33 a), tandis que le système de détection ( 50) est du type capacitif, de sorte que la ou les pièces ( 51, 52) forment des armatures de détection faisant partie d'un circuit de détection capacitive du déplacement de l'élément de mesure. 4 Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système d'excitation ( 50) est du type capacitif, de sorte que les pièces d'excitation constituent des armatures ( 51, 52) alimentées électriquement, tandis que le système de détection ( 30) est du type magnétique, de sorte que les pièces de détection constituent des pièces polaires ( 32, 33) faisant partie d'un circuit de détection magnétique du déplacement de l'élément de mesure. 5 Capteur selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la ou les armatures ( 51, 52) sont fixées chacune sur la face active d'une pièce polaire ( 32, 33) en étant isolée électriquement par rapport à cette face. 6 Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les armatures ( 51, 52) sont réalisées par gravure sur un circuit imprimé ( 53, 54) qui assure l'isolation électrique entre les armatures et les pièces polaires ( 32, 33), l'assemblage des circuits imprimés avec une pièce polaire étant obtenu par empilage et collage sous presse, après interposition de moyens de calage entre les circuits imprimés. 7 Capteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque circuit imprimé porte, en dehors des pièces polaires ( 32, 33), les circuits d'excitation et de détection. 8 Capteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque armature de détection ( 51, 52) capacitive présente un profil variable, de manière à discriminer les composantes des mouvements parallèle et perpendiculaire aux pièces polaires ( 32, 33). 9 Capteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le système d'excitation ( 30) comporte une source de courant ( 31) placée dans la boucle de réaction d'un amplificateur ( 40) commandé par un signal représentant la vitesse de vibration de l'élément de mesure pour constituer un oscillateur calé automatiquement sur la fréquence de résonance choisie de l'élément de mesure. Capteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que le système d'excitation ( 30) comporte un amplificateur de commande ( 45) dont l'une de ses entrées est reliée par des résistances ( 46, 47) aux extrémités d'un ensemble formé de l'élément de mesure ( 10) placé en série avec un élément ( 101) identique à l'élément de mesure ( 10), mais non soumis au champ d'excitation, l'une des extrémités de l'ensemble étant connectée à la sortie de l'amplificateur ( 45) par une source de courant ( 31), l'autre entrée de l'amplificateur étant reliée au point commun des éléments de mesure.