Brevet FR2702559A1 — publié le 19940916

I Cette invention concerne de façon générale des capteurs de ro- tation, et elle concerne en particulier des capteurs de rotation pour gyroscope à laser en anneau L'invention concerne particulièrement des appareils et des procédés visant à éviter une dégradation de l'inten- sité de la lumière laser qui est occasionnée par une conduction ionique entre un corps de gyroscope à laser en anneau et le plasma de gaz. Un gyroscope à laser en anneau utilise l'effet Sagnac pour me- surer une rotation Deux faisceaux lumineux se propageant en sens con- traire dans un chemin fermé auront des temps de transit qui diffèrent en proportion directe de la vitesse de rotation autour d'un axe perpen- diculaire au plan du chemin Dans un gyroscope à laser en anneau, le chemin fermé est défini par des miroirs qui dirigent les faisceaux lu- mineux de façon qu'ils suivent le chemin Les miroirs doivent être ali- gnés de façon précise pour diriger les faisceaux lumineux de façon qu'ils se propagent en suivant le chemin fermé La surface du miroir ne doit comporter aucune impureté pour produire une intensité de faisceau laser qui donnera un signal utilisable. Le chemin fermé se trouve de façon caractéristique dans une cavité qui est formée dans une structure ou un corps consistant en une matière du type vitrocéramique La vitrocéramique préférée a un coef- ficient de dilatation thermique proche de zéro sur la gamme de tempé- rature de fonctionnement d'un gyroscope à laser en anneau La vitro- céramique préférée pour des applications de laser en anneau est formée par un matériau du type aluminosilicate de lithium On fait le vide dans la cavité et on la remplit ensuite avec un mélange d'hélium et de néon qui est le milieu amplificateur pour le laser. Dans une application caractéristique, on utilise un dispositif de montage pour fixer mécaniquement le corps du gyroscope à laser en anneau sur un châssis ou un bloc de support de système, qui est monté sur le dispositif dont on doit mesurer des rotations Dans certaines applications, on applique une oscillation mécanique au dispositif de montage pour réduire les effets d'erreurs de verrouillage qui se pro- duisent lorsque la vitesse de rotation est proche de zéro Le dispositif de montage est constitué de façon caractéristique par un métal, et il est connecté à la masse au point de vue électrique. Les inventeurs ont observé que des capteurs à gyroscope à laser en anneau présentent de façon caractéristique une diminution notable de l'intensité du faisceau laser au bout d'environ 1 000 heures de fonctionnement à des températures élevées Le processus qui occasionne ce phénomène constitue un mécanisme de limitation de la durée de vie de gyroscopes à laser en anneau fonctionnant à des températures de fonctionnement normales. Un gyroscope à laser en anneau comprend une structure à l'in- térieur de laquelle se trouve un trou ou une cavité de montage cen- traie Le but de la cavité centrale est de permettre de placer un dis- positif de montage entre le corps du gyroscope et un socle ou une struc- ture similaire qui est accouplé' à son tour au dispositif dont on doit mesurer des rotations Un anneau constitué par un matériau électrique- ment isolant est monté à l'intérieur de la cavité centrale, et le dis- positif de montage est placé à l'intérieur de l'anneau L'anneau élec- triquement isolant empêche ainsi une conduction électrique due au mou- vement d'ions dans le corps en aluminosilicate de lithium, entre le dis- positif de montage en métal et le corps du gyroscope Le fait d'éviter une telle conduction a permis d'obtenir un laser en anneau qui ne pré- sente pas le problème de dégradation de l'intensité du faisceau laser qui est inhérente à des structures de gyroscope à laser en anneau an- térieures. On pourra apprécier les buts de la présente invention et par- venir à une compréhension plus complète de sa structure et de son pro- cédé de fonctionnement, en étudiant la description qui suit du mode de réalisation préféré et en se référant aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une vue en plan d'un gyroscope à laser en anneau comportant un anneau isolant monté entre un corps de gyroscope à laser en anneau et un dispositif de montage; la figure 2 est une vue en élévation de face du gyroscope à laser en anneau de la figure 1; la figure 3 est une coupe selon la ligne 3-3 de la figure 1, montrant l'anneau isolant et la paroi latérale du dispositif de montage de la figure I; et la figure 4 illustre graphiquement l'intensité d'un gyroscope à laser en anneau standard et l'intensité d'un gyroscope à laser en an- neau comportant un anneau de montage isolant, en fonction du temps, à des températures élevées. En se référant à la figure 1, on note qu'un gyroscope à laser en anneau 10 comprend un corps 12 qui a une forme générale rectan- gulaire avec des coins chanfreinés, pour former quatre faces de montage 14-17 Un ensemble de miroirs 18-21 sont montés sur les faces de mon- tage respectives 14-17 Une cavité 22 est formée dans le corps 12 pour définir un chemin rectangulaire autour du corps 12, entre les miroirs 18-21 On peut employer d'autres structures pour le gyroscope à laser en anneau 10 En particulier, le gyroscope à laser en anneau peut avoir une configuration triangulaire (non représentée) avec trois miroirs, ou bien il peut avoir plus de quatre miroirs La description de base du gyroscope à laser en anneau 10 est présentée à titre d'exemple et non pour limiter la présente invention à une structure de gyroscope à laser en anneau particulière. Un milieu amplificateur est placé dans la cavité 22 Le milieu amplificateur consiste de façon caractéristique en un mélange d'hélium et de néon qui, lorsqu'il est excité électriquement,produit des faisceaux lumineux 26 et 28 se propageant en sens contraire dans la cavité 22. Une décharge de plasma est confinée à une région 24 de la cavité 22. De l'énergie est fournie au milieu amplificateur par une alimentation (non représentée) qui applique des tensions appropriées à une paire d'anodes 32 et 34 et à une cathode 36. Les miroirs 18 et 19 peuvent être partiellement transparents, pour permettre à une partie des faisceaux lumineux de sortir de la ca- vité en vue du traitement pour déterminer la vitesse de rotation Les miroirs 20 et 21 peuvent généralement être déplacés par des actionneurs appropriés (non représentés), de façon à maintenir la longueur du che- min des faisceaux lumineux dans la cavité 22 à une valeur sélectionnée de façon à obtenir la résonance à une longueur d'onde de la lumière émise par le milieu amplificateur. Le gyroscope à laser en anneau 10 qui est représenté sur la fi- gure 1 comprend un dispositif de montage 46 qui est placé dans un pas- sage central 48 dans le corps 12 Le dispositif de montage 46 doit satisfaire des exigences strictes Le dispositif de montage 46 ne doit transmettre pratiquement aucune contrainte thermique au corps 12, pour éviter un défaut d'alignement de la cavité 22 et des distorsions de la longueur de chemin optique de la cavité 22 pour les faisceaux qui se propagent en sens contraire Le dispositif de montage 46 comprend un ensemble de trous 52 qui sont destinés à recevoir des éléments d'as- semblage, tels que des vis (non représentés), pour accoupler le corps 12 à un bottier (non représenté) Dans une application caractéristique de gyroscope à laser en anneau, le dispositif de montage 46 est con- necté à la masse électrique. En se référant aux figures 1 et 3, on note qu'un anneau de bar- rière 58 est placé entre le dispositif de montage 46 et le corps 12 Le dispositif de montage 46 est constitué de façon caractéristique par un alliage métallique appelé Super Invar Le corps 12 comprend de façon caractéristique des substances qui contiennent des ions qui con- tribuent à la circulation de charges électriques lorsqu'une différence de potentiel appropriée est appliquée au corps 12 L'anneau 58 est formé par un matériau électriquement isolant pour empêcher une circulation de charges entre le dispositif de montage métallique 46 et le corps 12. L'anneau de barrière 58 empêche donc la circulation d'ions dans le corps 12 vers la région de plasma de la cavité Des procédés de l'art anté- rieur pour fixer des dispositifs de montage dans des corps de gyroscope à laser en anneau ont l'inconvénient de permettre une conduction élec- trique entre le corps et le dispositif de montage flexible en métal. L'anneau de barrière 58 peut avoir la forme générale d'un cylin- dre L'anneau de barrière 58 comprend de préférence une paire de sail- lies périphériques 62 et 64 qui sont formées près de ses extrémités. Les bords extérieurs des saillies 62 et 64 viennent en contact avec la paroi du passage 48 L'anneau de barrière 58 et la paroi du passage 48 enferment un vide 66 entre les saillies 62 et 64 Le fait que les points de contact entre le corps 12 et l'anneau de barrière 58 se trouvent sur les saillies 62 et 64 contribue à minimiser la déformation du corps 12 lorsque la température change. Les inventeurs ont observé un problème dans l'utilisation à long terme de capteurs de rotation à gyroscope à laser en anneau, qui consiste en une dégradation systématique de l'intensité du faisceau laser pendant le fonctionnement à des températures élevées Cette dé- gradation de l'intensité du faisceau laser se manifeste dans le cas du fonctionnement d'un gyroscope à laser en anneau à des températures de plus en plus élevées Les caractéristiques de cette dégradation d'in- tensité que ces tests ont fait apparaître sont résumées ci-dessous. Des gyroscopes à laser en anneau présentent une signature d'in- tensité caractéristique lorsqu'on les fait fonctionner à chaud, et elle se manifeste par le fait qu'à la mise en fonction initiale l'intensité s'élève pendant quelques centaines d'heures, après quoi elle diminue. La courbe en trait plein sur la figure 4 montre une courbe d'intensité caractéristique pour un gyroscope à laser en anneau à température élevée. Elle comprend une élévation d'intensité initiale, à relativement court terme, suivie par une diminution à long terme On a observé cette si- gnature dans des tests de durée de vie à 900 C ainsi que dans des tests de durée de vie à d'autres températures. On n'observe pas la signature d'intensité caractéristique pour des structures de laser en anneau qui ne sont pas connectées à la masse électrique On observe la signature d'intensité caractéristique pour des structures de laser en anneau en dehors du cas dans lequel un dis- positif de montage flexible relié à la masse est installé La signature d'intensité dépend de la température A des températures supérieures, le point de changement de sens de variation, auquel l'intensité cesse de s'élever et commence à diminuer, apparaît plus tôt. On a incorporé un mode de réalisation de l'anneau de barrière 58, fabriqué en silice fondue, dans un gyroscope à laser en anneau que l'on a ensuite soumis à un test de durée de vie à chaud La courbe en pointillés sur la figure 4 montre l'intensité normalisée en fonction du temps, à une température de 900 C L'anneau de barrière en silice fondue 58 procure une barrière à résistivité élevée entre le corps 12 et le dispositif de montage 46 relié à la masse, ce qui a pour effet de limiter la migration d'ions mobiles dans le corps 12 Comme on peut le voir, aucune perte d'intensité du faisceau laser ne s'est produite Le test de durée de vie à 90 C d'un laser en anneau avec l'anneau de barrière en silice fondue 58 continue à faire apparaître une intensité légèrement croissante après 6 000 heures. De plus, le courant de fuite mesuré à partir du dispositif de montage flexible vers la masse, lorsque l'anneau de barrière en silice fondue est installé, est inférieur de plus de trois ordres de grandeur à celui que l'on mesure pour des configurations de gyroscope à laser en anneau de type standard. La diminution d'intensité à long terme peut être attribuée à un processus, similaire à la pulvérisation cathodique, qui est occasion- né par la présence de champs électriques dirigés de façon appropriée. Le processus est accéléré par des températures élevées La dégradation d'intensité est donc un processus de contamination assisté par le champ électrique et la température Conformément à ce mécanisme, des champs électriques dirigent vers les cavités d'amplification des ions mobiles (essentiellement des ions lithium et sodium) qui sont présents dans le matériau du corps Il apparaît que cette composition de surface riche en métaux alcalins est susceptible de subir un enlèvement de matière par le plasma Lorsque cette matière est transportée vers les surfaces des miroirs 18 et 19, elle se dépose sur celles-ci et elle entraîne une diminution du facteur de qualité de la cavité. Des preuves expérimentales conduisent à envisager le mécanisme suivant: la signature d'intensité d'un gyroscope à lase en anneau est décrite par une augmentation initiale du gain qui se stabilise ensuite, après quoi les pertes croissantes de la cavité deviennent la cause pré- dominante de changement d'intensité Aussi bien la vitesse d'augmenta- tion du gain que la vitesse d'augmentation des pertes des miroirs sont directement liées à la valeur du courant d'ions mobiles dans le corps du laser, et celle-ci est elle-même commandée par la valeur et la direc- tion des champs électriques et par la température du corps du laser. Ceci est en accord avec un mécanisme dans lequel le matériau de la paroi de la cavité est transporté dans le plasma vers les miroirs 18 et 19 du laser. Certains constituants (par exemple le lithium, le sodium, etc) qui sont utilisés dans diverses formulations d'aluminosilicate de lithium, peuvent subir une migration à travers la masse de l'aluminosilicate de lithium, sous l'influence de champs électriques La migration de ces ions entraînera un appauvrissement en ions dans les parties anodiques de l'aluminosilicate de lithium, et une abondance excessive en ions dans la partie cathodique de ce matériau La migration de ces ions mobiles se poursuivra indéfiniment aussi longtemps qu'il existera une source disponible pour la compensation de charge Le changement dans des ma- tériaux qui est produit par la migration d'ions entraîne des pertes d'intensité du faisceau laser dans le gyroscope à laser en anneau. L'invention réduit et/ou limite la migration d'ions mobiles dans l'aluminosilicate de lithium et sa source de compensation de charge. L'anneau de barrière peut être constitué par n'importe quel matériau diélectrique, tel que de la silice fondue, de l'alumine, du diamant, ou un autre matériau diélectrique qui est intercalé entre une partie ano- dique quelconque de l'aluminosilicate de lithium et la source de com- pensation de charge (par exemple des connexions mécaniques ou élec- triques). L'anneau de barrière peut être fabriqué à partir d'un matériau diélectrique massif et fixé à l'aluminosilicate de lithium ou à la source de compensation de charge, par l'utilisation d'adhésifs ou de techniques de fixation classiques. Les structures et les procédés décrits ici illustrent les prin- cipes de la présente invention L'invention peut être miseen oeuvre sous d'autres formes spécifiques, sans sortir de son cadre ou de ses carac- téristiques essentielles On doit considérer à tous égards que les modes de réalisation décrits sont donnés à titre d'exemples et d'illustrations, et non dans un sens restrictif Par conséquent, ce sont les revendica- tions annexées, plutôt que la description précédente, qui définissent le cadre de l'invention Toutes les modifications aux modes de réalisa- tion décrits ici qui entrent dans le sens et dans la plage d'équivalence des revendications sont englobées dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Appareil pour fixer sur un dispositif de montage ( 46) un gyroscope à laser en anneau ( 10) ayant un corps ( 12) qui est constitué par un matériau contenant des ions mobiles, une cavité de montage ( 48) étant formée à l'intérieur de ce corps ( 12), caractérisé par un anneau de barrière ( 58) formé par un matériau électriquement isolant qui est monté dans la cavité de montage ( 48), entre le corps ( 12) et le dis- positif de montage ( 46), pour empêcher la migration d'ions mobiles dans le corps. 2 L'appareil de la revendication 1, dans consiste en aluminosilicate de lithium et l'anneau en silice fondue. 3 L'appareil de la revendication 1, barrière ( 58) consiste en alumine. 4 L'appareil de la revendication 1, barrière ( 58) consiste en diamant. L'appareil de la revendication 1, barrière ( 58) a la configuration géométrique 6 L'appareil de la revendication 1, lequel le corps ( 12) de barrière consiste dans lequel l'anneau de dans lequel l'anneau de dans d'un dans barrière ( 58) a la configuration géométrique d'un lequel l'anneau de cylindre à paroi mince. lequel l'anneau de cylindre à paroi mince, avec une première saillie périphérique ( 62) formée à la périphérie ex- térieure d'une extrémité du cylindre ( 58) et une seconde saillie péri- phérique ( 64) formée à la périphérie extérieure de l'autre extrémité du cylindre, de façon que des bords extérieurs des première et seconde saillies périphériques ( 62, 64) viennent en contact avec le corps, avec un vide ( 66) formé autour de l'anneau de barrière ( 58), entre la paroi extérieure ( 48) de l'anneau de barrière ( 58) et le corps ( 12). 7 Un procédé pour fixer sur un dispositif de montage ( 46) un gyroscope à laser en anneau ( 10) ayant un corps ( 12) qui est formé par un matériau contenant des ions mobiles, caractérisé par les étapes sui- vantes: on forme une cavité de montage ( 48) dans le corps; on place dans la cavité de montage ( 48) un anneau de barrière ( 58) qui est formé par un matériau électriquement isolant; et on place le dispositif de montage ( 46) à l'intérieur de l'anneau de barrière ( 58), de façon que l'anneau de barrière ( 58) se trouve entre le corps ( 12) et le disposi- tif de montage ( 46), pour empêcher la migration d'ions mobiles dans le corps ( 12). 8 Le procédé de la revendication 7, comprenant l'étape qui consiste à former le corps ( 12) de façon qu'il contienne un matériau consistant en aluminosilicate de lithium, tandis que l'anneau de barrière ( 58) consiste en silice fondue. 9 Le procédé de la revendication 7, comprenant l'étape qui consiste à former l'anneau de barrière ( 58) en alumine. 10 Le procédé de la revendication 7, comprenant l'étape qui consiste à former l'anneau de barrière ( 58) en diamant. 11 Le procédé de la revendication 7, comprenant l'étape qui consiste à former l'anneau de barrière ( 58) sous la forme d'un cylindre à paroi mince. 12 Le procédé de la revendication 7, comprenant les étapes sui- vantes: on forme l'anneau de barrière ( 58) sous la forme d'un cylindre à paroi mince; on forme une première saillie périphérique ( 62) autour de la périphérie extérieure d'une extrémité du cylindre ( 58); et on forme une seconde saillie périphérique ( 64) autour de la périphérie extérieure de l'autre extrémité du cylindre ( 58), de façon que des bords extérieurs des première et seconde saillies périphériques ( 62, 64) vien- nent en contact avec le corps ( 12) et forment un vide autour de l'an- neau de barrière ( 58), entre une partie centrale de la paroi extérieure de l'anneau de barrière et le corps ( 12).