Brevet FR2741150A1 — publié le 19970516

La présente invention est relative à un gyromètre à oscillateur mécanique. Le gyromètre proposé par l'invention permet en particulier la mesure simultanée de deux composantes de vitesse de rotation. De nombreux gyromètres à oscillateurs mécaniques de type diapason sont déjà connus. I1 a notamment été proposé, par exemple dans les demandes de brevet EP 298 551, EP 309 963 et EP 318 972. des gyromètres dont les oscillateurs mécaniques sont en H et sont constitués de deux diapasons en U dont les jambages s'étendent de façon opposée et sont reliés par un élément central. Les branches de ces oscillateurs mécaniques en H sont excitées selon un mode vibratoire primaire dans le plan selon lequel ces oscillateurs s'étendent, les vibrations qui sont engendrées par l'effet Coriolis et que l'on mesure étant perpendiculaires au plan des oscillateurs. Ces oscillateurs en H ne permettent la mesure que d'une seule composante de vitesse angulaire. D'autres structures d'oscillateurs mécaniques à branches vibrantes ont été proposées. On connaît notamment des oscillateurs mécaniques comportant quatre bras vibrants répartis en carré et s'étendant parallèlement à partir d'un socle commun, d'un même côté de celui-ci. Ces oscillateurs ne permettent également la mesure que d'une seule composante de vitesse angulaire. En outre, la stabilité de leurs performances n'est pas pleinement satisfaisante pour certaines applications. Un but de l'invention est donc de proposer un dispositif à oscillateur mécanique permettant la mesure de deux composantes de vitesse de rotation. Un autre but est de proposer une structure d'oscillateur présentant une excellente stabilité des performances. L'invention propose quant à elle un gyromètre comportant un oscillateur mécanique présentant une pluralité de bras s'étendant de façon coplanaire à partir d'un élément commun, des moyens pour l'excitation des bras de cet oscillateur selon un mode primaire de vibrations en flexion, des moyens pour la détection de vibrations secondaires en flexion engendrées par effet Coriolis sur les bras de cet oscillateur, caractérisé en ce que les moyens d'excitation excitent lesdits bras selon des vibrations perpendiculaires au plan de l'oscillateur, les moyens de détection mesurant les vibrations desdits bras dans le plan de l'oscillateur, des moyens de traitement recevant les signaux de mesure en sortie des moyens de détection et déterminant en fonction de ces mesures les composantes, dans le plan de l'oscillateur, de la vitesse de rotation. Avec un tel gyromètre, les vibrations secondaires engendrées par effet Coriolis dans le plan de l'oscillateur sont dans le domaine normal d'utilisation des fonctions linéaires des composantes dans ce plan de la vitesse de rotation et il est possible de restituer ces composantes à partir de la mesure de ces vibrations secondaires. Avantageusement, l'oscillateur mécanique est monolithique et est en un matériau monocristallin intrinsèquement piézoélectrique. Cette structure rend le gyromètre proposé par l'invention particulièrement stable en performances. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit. Cette description est purement illustrative et non limitative. Elle pourra être lue en regard des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue en perspective de l'oscillateur mécanique d'un gyromètre conforme à un mode de réalisation possible de l'invention - la figure 2 est une vue en perspective avec arraché d'un gyromètre comprenant un oscillateur du type de celui de la figure 1 - les figures 3 et 4 sont des représentations schématiques en coupe illustrant deux autres variantes de réalisation possibles pour le gyromètre proposé par l'invention - la figure 5 illustre la décomposition des vibrations primaires et secondaires sur les différents bras de l'oscillateur - la figure 6 est un exemple de montage électrique pour le traitement des mesures des vibrations secondaires. L'oscillateur 1 illustré sur les figures 1 et 2 comprend une pluralité de bras 2 coplanaires s'étendant à partir d'un élément commun 3. Dans les différents exemples qui seront décrits dans la suite du présent texte, l'élément commun 3 est un noyau central autour duquel les bras 2 s'étendent radialement en étoile. D'autres géométries pourraient bien entendu être envisagées. Les bras 2 sont excités en flexion par effet piézoélectrique selon un mode vibratoire de résonance perpendiculaire au plan général selon lequel lesdits bras 2 s'étendent (vibration primaire). Une rotation selon un axe situé dans le plan des bras 2 de l'oscillateur 1 engendre sur ces bras 2, par effet Coriolis, une vibration en flexion (dite secondaire) dans le plan desdits bras 2. Cette vibration est également mesurée par effet piézoélectrique, les mesures ainsi relevées étant traitées de façon à fournir les deux composantes de vitesse de rotation recherchées. Dans un mode de réalisation avantageux, l'oscillateur 1 présente une structure monolithique et est en un matériau monocristallin intrinsèquement piézoélectrique, par exemple en quartz. Bien entendu, tout autre matériau piézoélectrique conviendrait, par exemple une céramique piézoélectrique. En variante encore, l'oscillateur peut être une pièce en métal sur laquelle sont rapportés des éléments piézoélectriques. Le quartz et de façon plus générale tous les matériaux monocristallins présentent toutefois l'avantage d'être très stables dans le temps et en fonction de la température. Dans le cas du quartz, la structure en étoile préférentiellement est découpée par attaque chimique d'une plaque mince de quartz (ou tout autre procédé approprié). Les bras 2 sont avantageusement au nombre de six, deux bras 2 voisins étant angulairement espacés de 600. Une telle structure à six bras en étoile permet en effet un équilibrage des forces d'inertie primaires et secondaires. Les moyens d'excitation sont constitués par des paires d'électrodes 4 déposées sur les bras 2, ainsi que par des moyens pour appliquer à ces électrodes 4 des tensions de commande destinées à induire les vibrations primaires desdits bras 2. De même, les moyens pour la mesure des vibrations secondaires comprennent des électrodes 5 déposées sur les bras 2, ainsi que des moyens pour recueillir la tension piézoélectrique produite sur ces électrodes 5 par les vibrations secondaires engendrées sur les bras 2. Les électrodes 4 et 5 sont réalisées par métallisation totale ou partielle des faces des bras 2 selon des géométries de dépôt permettant l'excitation et la détection souhaitées. Comme on l'aura compris, la représentation des électrodes 4 et 5 sur les figures est purement schématique. Les bras 2 sont tous identiques aux imperfections de réalisation près. De façon que les fréquences propres de flexion soient sensiblement les mêmes pour les vibrations primaires et secondaires, ces bras 2 présentent une section de forme voisine du carré qui tient compte des raideurs d'encastrement différentes ainsi que des corrections d'anisotropie. Le noyau central 3 est par exemple un disque. D'autres formes, notamment des formes polygonales, conviendraient également. L'oscillateur 1 est fixé à l'intérieur d'un boîtier 7 qui, selon l'application à laquelle le gyromètre est destiné, peut être rempli d'un gaz inerte sous une certaine pression. Dans la variante de réalisation illustrée sur les figures 1 et 2, l'oscillateur 1 est fixé sur le boîtier 7 par l'intermédiaire d'un axe 8 fixé sur le fond du boîtier 7. Le noyau central 3 est fixé sur cet axe 8, qui constitue ainsi un pied de fixation dont le noyau central 3 est rigidement solidaire. D'autres modes de fixation sont bien entendu envisageables. On a représenté schématiquement sur la figure 3 un mode de réalisation dans lequel le noyau central 3 est pincé entre deux couches 9a, 9b élastiquement déformables portées l'une par une rondelle 10a fixée sur la partie supérieure du boîtier 7 (demi boîtier supérieur 7a), l'autre par une rondelle 10b portée par le fond du boîtier 7 (demi boîtier inférieur 7b). Les couches 9a, 9b sont par exemple des couches mince en un élastomère, ou en une résine polymère. Cette structure permet de découpler l'oscillateur 1 par rapport au boîtier 7. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 4, l'oscillateur 1 est d'une pièce avec un pied de fixation 11 qui traverse le fond du boîtier 7 et est directement fixé sur le mobile M. On se réfère maintenant à la figure 5 sur laquelle on a représenté schématiquement par leurs axes I à VI les six bras de l'oscillateur 1. On a également porté sur cette figure 5 ainsi que sur la figure 1 les axes Ox, Oy, Oz d'un référentiel lié au mobile M. Pour simplifier la présentation, l'axe Oy a été choisi confondu avec les axes I et IV. Bien entendu, les axes sur lesquels on cherche à déterminer les composantes de la vitesse de rotation peuvent être différents de ceux illustrés sur les figures. Les vibrations d'excitation des différents bras 2 ont été symbolisées sur la figure 5 par des grandes flèches. Les bras 2 sont excités à leur fréquence propre de flexion. Les électrodes d'excitation 4 sont à cet effet commandées par des tensions sinusoïdales qui sont toutes de même fréquence. De façon générale, lorsque le nombre de bras 2 de l'oscillateur 1 est pair et est supérieur ou égal à six, ces bras sont excités de façon que deux bras adjacents vibrent en opposition de phase. Ce mode de vibration permet en effet de conférer à la structure une grande insensibilité aux contraintes extérieures sur son noyau central. Les tensions sinusoïdales sont par exemple délivrées par une même source S (voir figure 6). Sous l'effet d'une vitesse de rotation Q quelconque, les composantes Qx et Dy de la vitesse de rotation Q sur les axes Ox et Oy génèrent respectivement par effet Coriolis dans chacun des bras des vibrations secondaires Sx et Sy. Les composantes Sx engendrées par la composante Qx sont parallèles à Oy. Les composantes Sy engendrées par la composante Qy sont parallèles à Ox. Par contre, étant donné que les vibrations primaires des bras 2 sont parallèles à l'axe Oz, la composante Qz de la vitesse de rotation Q sur l'axe Oz n'introduit aucun effet dû aux forces de Coriolis. On constate sur la figure 5 que les vibrations Sx sont deux à deux directement opposées, tandis que les vibrations Sy forment trois couples dont l'un s'oppose aux deux autres. Les vibrations secondaires engendrent par effet piézoélectrique aux bornes des électrodes 5 des différents bras 2 des tensions U1 à U6 représentatives des composantes Qx et Qy. Ces tensions sont traitées, par exemple par des moyens de traitement T représentés schématiquement sur la figure 6, pour fournir les valeurs des composantes Qx et Qy. Les moyens de traitement T comportent en particulier trois amplificateurs opérationnels 11 recevant chacun en entrée la différence entre la tension U1 à U6 relevée sur l'un des bras 2 et la tension relevée sur le bras diamétralement opposé. Les sorties de ces amplificateurs 11 sont démodulées (démodulateurs 12) et filtrées (filtres 13), de façon à fournir des tensions M1, M2 et M3 continues Les composantes Sx, Sy des vibrations secondaires sont des fonctions quasi linéaires des composantes de vitesse Qx, Qy. Par conséquent, pour déterminer les composantes dans le plan de l'oscillateur 1 de la vitesse de rotation, les moyens de traitement T réalisent une combinaison linéaire sur les mesures M1, M2 et M3 en sortie des moyens de détection (sortie des filtres 13). Les trois mesures M1, M2 et M3 ainsi obtenues sont telles que M3 - M2 Qx ~~~~~~~~ = (a) K 3 M1 = = (b) K M1 + M2 + M3 = 0 (c) où K est un facteur d'échelle propre au capteur. On utilise les égalités (a) et (b) pour déterminer les deux composantes Qx et Qy. L'égalité (c) permet un contrôle permanent du bon fonctionnement du gyromètre. Les moyens de traitement T comportent par conséquent des moyens de sommation et de multiplication référencés par 14 dans leur ensemble pour la combinaison linéaire des mesures M1, M2 et M3. Les sorties de ces moyens 14 fournissent des tensions VQX , et VQY correspondant aux deux composantes de vitesse Qx et Cy. Elles fournissent en outre une tension Ve correspondant à la somme des mesures M1, M2, M3. Cette tension VE est envoyée sur l'entrée d'un comparateur 15 qui fournit un signal d'erreur Ve lorsque cette tension VE est supérieure à un seuil donné. De façon avantageuse, au moins une partie des moyens de traitement qui viennent d'être décrits est disposée avec l'oscillateur 1 dans le boîtier 7. A titre d'exemple de dimensionnement, les bras peuvent avoir une longueur de 5 mm et une section droite sensiblement carrée dont les côtés seront voisin de 0,4 mm. Le noyau central de la structure en étoile est de 5 mm de diamètre extérieure. Lors de la réalisation, la précision de dimensionnement sera de l'ordre de 10 pm, mais l'identité des six bras sera réalisée à 1 pm près ou moins. Avec ces dimensions, les caractéristiques de fonctionnement d'un oscillateur en quartz sont les suivantes - fréquence propre des bras en flexion : 14 kHz - bande passante supérieure à 50 Hz - tension d'excitation : 20 Volts - facteur d'échelle K de l'ordre de 1 mV.s/degré. REVENDICATIONS 1. Gyromètre comportant un oscillateur mécanique (1) présentant une pluralité de bras (2) s'étendant de façon coplanaire à partir d'un élément commun (3), des moyens (4) pour l'excitation des bras (2) de cet oscillateur (1) selon un mode primaire de vibrations en flexion, des moyens (5, 12, 13) pour la détection de vibrations secondaires en flexion engendrées par effet Coriolis sur les bras (2) de cet oscillateur (1), caractérisé en ce que les moyens d'excitation (4) excitent lesdits bras (2) selon des vibrations perpendiculaires au plan de l'oscillateur (1), les moyens de détection (5) mesurant les vibrations desdits bras (2) dans le plan de l'oscillateur (1), des moyens de traitement (T) recevant les signaux de mesure (M1, M2, M3) en sortie des moyens de détection (5) et déterminant en fonction de ces mesures les composantes (x, Qy) dans le plan de l'oscillateur (1), de la vitesse de rotation (Q) de l'oscillateur (1). 2. Gyromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'oscillateur mécanique (1) est monolithique et est en un matériau monocristallin intrinsèquement piézoélectrique. 3. Gyromètre selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les bras (2) de l'oscillateur (1) s'étendent radialement à partir de l'élément commun. 4. Gyromètre selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'élément commun (3) est un noyau central autour duquel les bras (2) sont répartis régulièrement, l'oscillateur (1) ayant une structure en étoile. 5. Gyromètre selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que l'oscillateur comporte un nombre de bras (2) pair au moins égal à six, deux bras (2) adjacents étant excités de façon qu'ils vibrent en opposition de phase. 6. Gyromètre selon les revendications 2 et 4 ou 5, prises en combinaison, caractérisé en ce que l'oscillateur (1) est en quartz, le nombre de bras (2) étant de six. 7. Gyromètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de traitement (T) comportent des moyens pour réaliser des opérations sur les mesures (M1, M2, M3) en sortie des moyens de détection (5), dont le résultat correspond aux composantes (Qx, Qy) de la vitesse de rotation (Q) dans le plan de l'oscillateur (1). 8. Gyromètre selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de traitement comportent des moyens pour sommer les mesures (M1, M2, M3) en sortie des moyens de détection (5, 12, 13) et traiter la somme ainsi obtenue pour délivrer un signal (Ve) de contrôle du fonctionnement du gyromètre. 9. Gyromètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un pied de fixation dont l'élément commun (3) est rigidement solidaire, ce pied permettant la fixation de l'oscillateur mécanique (1) sur un mobile (M). 10. Gyromètre selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'élément commun est pincé entre deux couches en un matériau élastiquement déformable. 11. Gyromètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les bras (2) sont de section sensiblement carrée. 12. Gyromètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un boîtier (7) dans lequel l'oscillateur (1) est disposé avec au moins une partie des moyens de traitement (T).