Brevet FR2752023A1 — publié le 19980206

La présente invention concerne un procédé pour la réalisation et le montage d'une articulation à la cardan plane, notamment un procédé pour le montage d'une articulation de ce type dont un élément forme volant d'inertie, sur un gyroscope mécanique. L'invention concerne également des plaquettes, notamment de silicium, pour la mise en oeuvre de ces procédés. Elle concerne en outre un nouveau type d'articulation à la cardan plane, ainsi qu'un gyroscope mécanique comportant une telle articulation. Comme le comprendra, l'invention trouve une application particulièrement avantageuse, notamment dans la réalisation de gyroscopes mécaniques miniatures comportant un volant d'inertie plan. I1 a déjà été proposé dans FR 2 682 728 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 plaquesupport, la première pièce et la deuxième pièce étant contenues dans un même plan. 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. L'invention propose quant à elle un procédé pour la réalisation et le montage d'une telle articulation à la cardan qui est d'une grande simplicité et qui se prête à des réalisations en série. Ainsi, l'invention propose un procédé pour la réalisation et le montage d'une articulation à la cardan plane comportant d'une part une première pièce plane mobile en rotation autour d'un premier axe par l'intermédiaire d'au moins une charnière plane et flexible reliant ladite première pièce à une plaque-support, et d'autre part 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 plane, la plaque-support, la première et la deuxième pièces étant contenues dans un même plan, l'articulation comportant en outre des butées solidaires de la première ou de la deuxième pièce mobile, qui débordent au droit de la plaque-support pour limiter le débattement relatif entre celle-ci et lesdites pièces mobiles, caractérisé par les différentes opérations suivantes - on réalise une plaquette comportant d'une part une pièce constituée de la plaque-support, de la première et de la deuxième pièces, ainsi que de leurs charnières, et d'autre part un cadre qui entoure ladite pièce et qui est relié à celle-ci par l'intermédiaire de plusieurs membranes fusibles, - on réalise deux plaquettes qui comportent chacune une butée, ainsi qu'un cadre qui entoure cette butée et qui est relié à celle-ci par l'intermédiaire de plusieurs membranes fusibles, - on positionne ces deux plaquettes-butées de part et d'autre de la première plaquette, - on soude les butées à celle des deux pièces mobiles dont elles sont destinées à être solidaires, - on monte l'ensemble ainsi constitué sur l'appareil qui doit recevoir l'articulation, après éventuellement avoir brisé certaines membranes fusibles, en manipulant ledit ensemble par au moins un cadre, - on brise les dernières membranes fusibles et on enlève le (ou les) cadre(s) ainsi libéré(s) par rapport à l'articulation. On notera qu'un tel procédé présente l'avantage de ce que l'articulation est manipulée par les cadres des différentes plaquettes lors de son montage, de sorte qu'aucune contrainte n'est exercée sur l'articulation elle-même lors de cette opération. Ce procédé est avantageusement utilisé pour le montage d'une articulation à volant d'inertie sur un gyroscope mécanique. Dans ce cas notamment, après l'opération de soudure - on brise les membranes fusibles de l'une des deux plaquettes butées, ainsi que les membranes fusibles de la première plaquette, - on positionne l'ensemble ainsi constitué sur l'arbre de rotation du gyroscope en manipulant cet ensemble par les cadres des plaquettes, - on fige l'articulation par rapport à l'arbre de rotation, notamment par collage, - on brise les dernières membranes fusibles et on enlève le (ou les) cadre(s) ainsi libéré(s) par rapport à l'articulation. Dans une variante de mise en oeuvre avantageuse, on rompt les dernières membranes fusibles au moyen d'un couple exercé sur celles-ci par la mise en rotation de l'arbre du gyroscope. L'invention concerne également une plaquette, notamment en silicium, pour la mise en oeuvre de ce procédé, caractérisée en ce qu'elle comporte d'une part une pièce constituée de la plaque-support, de la première et de la deuxième pièces, ainsi que de leurs charnières, et d'autre part un cadre qui entoure ladite pièce et qui est relié à celle-ci par l'intermédiaire de plusieurs membranes fusibles. Avantageusement, le cadre présente des pans susceptibles de servir de zones d'appui pour le positionnement de l'articulation lors du montage de l'ensemble soudé sur l'appareil qui doit recevoir ladite articulation. L'invention concerne également une autre plaquette, notamment en silicium, pour la mise en oeuvre de ce procédé, caractérisée en ce qu'elle comporte une butée, ainsi qu'un cadre qui entoure cette butée et qui est relié à celle-ci par l'intermédiaire de plusieurs membranes fusibles. Dans une variante avantageuse, les membranes fusibles s'étendent dans un plan perpendiculaire au plan de ladite plaquette. Un autre objet de l'invention est une articulation, réalisée et montée notamment selon le procédé précitée, caractérisée en ce que les butées sont solidaires de la deuxième pièce. Préférentiellement, la deuxième pièce est à l'intérieur de la première pièce qui est elle-même à l'intérieur de la plaque support. Un autre objet encore de l'invention est un gyroscope mécanique comportant une telle articulation, dont la plaque support constitue le volant d'inertie dudit gyroscope. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit. Cette description est purement illustrative et non limitative. Elle doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue de dessus d'une articulation à la cardan plane conforme à un mode de réalisation proposé par l'invention - la figure 2 est une vue en coupe de l'articulation de la figure 1 selon l'axe Y-Y' - la figure 3 est une représentation en perspective éclatée de l'ensemble constitué par l'articulation à la cardan plane de la figure 1 et par les butées qui la complètent - les figures 4 et 5 illustrent en vue en coupe et en vue de dessus un assemblage de trois plaquettes de silicium utilisé dans un procédé conforme à un mode de mise en oeuvre possible de l'invention pour la réalisation de l'ensemble illustré sur la figure 3 - les figures 6a et 6b illustrent plusieurs étapes de la réalisation et du montage de l'articulation de la figure 3 sur un axe de gyroscope mécanique - la figure 7 est une représentation schématique en coupe suivant un plan axial d'un gyroscope mécanique conforme à l'invention. La figure 1 montre, en vue de dessus, une articulation à la cardan plane conforme à un mode de réalisation proposé par l'invention. Cette articulation comporte une plaque support 100 - qui dans le cas d'une utilisation dans un gyroscope mécanique forme le volant d'inertie de celui-ci - à l'intérieur de laquelle est articulée 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 ladite plaque 100. A l'intérieur de cette première pièce 110 est articulée une deuxième pièce plane 120, mobile en rotation autour d'un deuxième axe Y'Y sécant et perpendiculaire au premier, par l'intermédiaire de deux deuxièmes charnières respectives 113, 114 planes, flexibles et colinéaires reliant ladite deuxième pièce 120 à ladite première pièce 110. La plaque support 100, la première pièce 110 et la deuxième pièce 120 sont contenues dans un même plan P qui coïncide avec les axes XX' et YY'. Comme on peut le voir sur la figure 1, les pièces 110 et 120 sont symétriques autour d'un troisième axe O perpendiculaire au plan P. 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. Comme on l'aura compris, ladite articulation forme avantageusement une pièce unique 10, et est réalisée dans une plaque en un seul matériau. De ce fait, les problèmes de soudures pour le raccordement des charnières 111, 112, 113 et 114 aux pièces 100, 110, 120 sont éliminés, ce qui est favorable à la réalisation d'articulations de petites dimensions. Cette pièce 10 a été plus particulièrement représentée sur la figure 2 qui est une vue en coupe de ladite pièce selon la ligne Y-Y'. Les charnières 111 à 114 sont réalisées par amincissement dans l'épaisseur de ladite pièce unique 10. Leurs largeur, longueur et épaisseur 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 un mode de réalisation préféré, le matériau constituant l'articulation est du silicium monocristallin. Ce matériau est avantageux pour la réalisation d'articulations planes de très petites dimensions. Lorsqu'elle est réalisée dans ce matériau, la plaque 100 a avantageusement une forme dodécagonale. Sur la figure 3, on a représenté en vue en perspective éclatée, l'articulation illustrée sur les figures 1 et 2 complétée par deux butées 200, 300 destinée à limiter les débattements relatifs de la plaque support 100 et des pièces 110, 120. Ces butées 200, 300 sont également centrées sur l'axe O et s'étendent au droit des pièces 110 et 120 en débordant au droit de la plaque 100. Elles présentent sur leur face en regard de la pièce 10 une surépaisseur 220, 320, qui est sensiblement de même forme et dimensions que la pièce mobile 120 (la surépaisseur 220 n'étant toutefois pas visible sur la figure 3). Ces deux butées 200, 300 sont fixées sur la pièce 120, par exemple par soudage entre ladite pièce 120 et les surépaisseurs 220, 320, ainsi que cela sera décrit plus loin de façon détaillée. Ces deux butées 200, 300 sont également avantageusement en silicium monocristallin et présentent, lorsqu'elles sont réalisées dans ce matériau, une forme dodécagonale. L'articulation illustrée sur la figure 3 est destinée à être utilisée dans un gyroscope mécanique. La pièce mobile intérieure 120 et les butées 200, 300 présentent en leur centre des orifices 121, 201, 301 destinés à recevoir l'arbre de rotation du gyroscope, dont ladite pièce et lesdites butées sont solidaires. D'autres applications que les gyroscopes mécaniques sont bien entendu possibles pour l'articulation à la cardan qui vient d'être décrite. En particulier, de façon similaire à ce qui a été proposé dans le brevet FR-2.682.728 de la demanderesse, auquel on se reportera avantageusement, l'articulation à la cardan de l'invention peut être utilisée comme support orientable pour des composants et notamment pour des miroirs. On va maintenant décrire un procédé de réalisation particulièrement avantageux pour ce type d'articulation. Comme on le comprendra à la lecture de ce qui suint, ce procédé peut également être avantageusement utilisé pour la réalisation d'autres types d'articulations à la cardan plane et notamment pour la réalisation d'articulations du type de celle décrite dans FR 2 682 728. Selon ce procédé, l'articulation est réalisée par gravure et assemblage de trois plaquettes référencées par 1, 2 et 3 qui contiennent respectivement la pièce 10 (plaquette 1) et les butées 200 et 300 (plaquette 2 et 3). Ces plaquettes 1 à 3 ont été représentées selon leurs configurations assemblées sur les figures 4 et 5. Plus précisément, sur la plaquette 1 sont gravés les différents éléments qui constituent la pièce 10, ainsi qu'un cadre 130, qui entoure la plaque 100. Ce cadre 130 présente un contour intérieur et un contour extérieur de forme carrée, le contour intérieur dudit cadre étant à coins coupés, les pans 131 ainsi définis au niveau des coins du cadre 130 servant, ainsi que décrit plus loin, de zones d'appui pour celui-ci lors de la mise en place de l'articulation sur l'axe du gyroscope. La plaque 100 est reliée aux quatre bords du cadre 130 par quatre membranes fusibles 132, qui sont des membranes minces s'étendant dans le plan de la pièce 10. Les deux plaquettes 2 et 3 comportent également chacune un cadre 210, 310 de forme carré qui se superpose au cadre 130 de la plaquette 1. Les quatre côtés de ce cadre 210, 310 sont reliés à la butée 200, 300 par l'intermédiaire de quatre membranes fusibles 211, 311 qui sont des membranes minces qui s'étendent perpendiculairement au plan selon lequel les plaquettes 2 et 3 sétendent. Sur l'une des deux plaquettes (plaquette 2 sur la figure 4), la face de la butée (butée 200) qui est destinée à être opposée à l'articulation 10, est métallisée au voisinage de l'orifice pour le passage de l'arbre de rotation du gyroscope (métallisation référencée par 202 sur la figure 4). Une fois ces différentes plaquettes préparées, les plaquettes 2 et 3 sont positionnées avec précision de part et d'autre de la plaquette 1, de façon que les cadres 130, 210, 310 soient superposés et que les orifices pour le passage de l'arbre de rotation du gyroscope coïncident. La plaquette 1 est alors en contact avec les plaquettes 2 et 3 d'une part au niveau des cadres 130, 210, 310 et d'autre part au niveau des surépaisseurs 220, 320 superposées à la deuxième pièce mobile 120. Les plaquettes 1 à 3 ainsi superposées sont soudées notamment au niveau de la pièce mobile intérieure 120 et des surépaisseurs 220, 320, les cadres 130, 210, 310 pouvant ne pas être soudés. Une fois les plaquettes solidarisées, on brise les membranes fusibles 311 qui relient la butée 300 au cadre 310 et l'on brise sur la plaquette 1 les membranes 132 qui relient le cadre 130 à la pièce 100 (figure 6a). Le cadre 310 tombe alors. Ces membranes fusibles 311 et 132 sont par exemple brisés par sciage. On monte ensuite l'assemblage ainsi constitué sur l'appareil qui doit recevoir l'articulation en le manipulant par les cadres 130, 210. Ainsi, aucune contrainte n'est exercée sur l'articulation elle-même lors du montage, de sorte que les risques de la détériorer lors de cette opération sont considérablement diminués. Notamment, dans le cas d'un montage sur un gyroscope mécanique, l'ensemble est passé sur l'arbre de rotation 500 du gyroscope, la plaque 2 faisant face à l'ouverture par laquelle ledit ensemble introduit dans le corps du gyroscope, la butée 300 faisant quant à elle face au fond du gyroscope. Les pans 131 au niveau des coins du cadre 130 sont utilisés comme zones d'appui pour convenablement positionner l'articulation que constitue la pièce 10 dans la hauteur de l'arbre 500, c'est à dire par rapport aux électrodes du gyroscope. A cet effet il est prévu dans le gyroscope des entretoises sur lesquelles lesdits pans viennent en appui. Etant donné que ces pans 131 se trouvent exactement dans le même plan que la pièce 10, ils permettent à l'opérateur une grande précision dans le positionnement de ladite pièce et notamment du volant d'inertie que constitue la plaque support, par rapport aux électrodes du gyroscope. De ce fait, les performances de celui-ci en sont d'autant améliorées. Une fois la pièce unique 10 en place sur l'arbre de rotation 500, elle est figée par rapport à celui-ci au moyen notamment d'une colle électriquement conductrice dont on remplit les vides entre d'une part ledit arbre 500 et d'autre part la butée 200 et la pièce 10. La butée 300 est également figée par rapport l'arbre 500, mais ce par l'intermédiaire d'une colle non conductrice. Pour faciliter ces collages, les orifices 201, 301 et 121 sont avantageusement de forme carrée. Une fois la pièce unique 10 ainsi figée par rapport à l'arbre 500, on rompt les dernières membranes fusibles (membranes 211) qui relie la butée 200 à son cadre 210 (figure 6b), puis on place l'appareil tête en bas de façon à faire tomber les cadres 130, 210 et les morceaux de membranes fusibles 211. La rupture de ces membranes fusibles se fait par exemple sous l'effet d'un couple exercé par le moteur du gyroscope. On notera que la rupture des membranes 211 par torsion est facilitée par le fait que ces membranes s'étendent perpendiculairement au plan de leur plaquette. Une articulation du type de celle qui vient d'être décrite est avantageusement utilisée dans un gyroscope qui présente une configuration générale du type de celle qui est illustrée sur la figure 7. Le gyroscope illustré sur cette figure 7 présente un corps 400 qui supporte un arbre rotatif 500 par l'intermédiaire dune paire de roulements 410, 420. L'arbre 500 est entraîné en rotation par exemple par un moteur synchrone dont le stator 430 est solidaire du corps 400, et le rotor 510 solidaire en rotation de l'arbre 500. L'arbre 500 entraîne en rotation l'articulation que constitue la pièce 10, dont la plaque support 100 est le volant d'inertie du gyroscope. Il est également prévu des séries d'électrodes (401 à 404) permettant, grâce à des effets électrostatiques, d'appliquer au volant 100 des couples de précession pour le ramener à sa position centrale, et enfin de mesurer les écarts angulaires et axial autour des axes XX' et YY' par rapport à cette position centrale. La configuration des électrodes et leur fonctionnement pour l'application des couples de précession et pour la mesure des écarts angulaires est analogue à ce qui a été décrit dans EP 0 121 483, auquel on pourra avantageusement se référer à cet égard, les moyens sustentateurs étant supprimés, le volant d'inertie 100 n'ayant plus de liberté en translation axiale le long de l'axe O. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la réalisation et le montage d'une articulation à la cardan plane comportant d'une part une première pièce plane mobile en rotation autour d'un premier axe par l'intermédiaire d'au moins une charnière plane et flexible reliant ladite première pièce à une plaque-support, et d'autre part 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 plane, la plaque-support, la première et la deuxième pièces étant contenues dans un même plan, l'articulation comportant en outre des butées solidaires de la première ou de la deuxième pièce mobile, qui débordent au droit de la plaque-support pour limiter le débattement relatif entre celle-ci et lesdites pièces mobiles, caractérisé par les différentes opérations suivantes - on réalise une plaquette comportant d'une part une pièce constituée de la plaque-support, de la première et de la deuxième pièces, ainsi que de leurs charnières, et d'autre part un cadre qui entoure ladite pièce et qui est relié à celle-ci par l'intermédiaire de plusieurs membranes fusibles, - on réalise deux plaquettes qui comportent chacune une butée, ainsi qu'un cadre qui entoure cette butée et qui est relié à celle-ci par l'intermédiaire de plusieurs membranes fusibles, - on positionne ces deux plaquettes-butées de part et d'autre de la première plaquette, - on soude les butées à celle des deux pièces mobiles dont elles sont destinées à être solidaires, - on monte l'ensemble ainsi constitué sur l'appareil qui doit recevoir l'articulation, après éventuellement avoir brisé certaines membranes fusibles, en manipulant ledit ensemble par au moins un cadre, - on brise les dernières membranes fusibles et on enlève le (ou les) cadre(s) ainsi libéré(s) par rapport à ltarticulation. 2. Procédé selon la revendication 1 pour la réalisation et le montage d'une articulation à la cardan plane pour un gyroscope mécanique, la plaque-support de ladite articulation constituant le volant d'inertie dudit gyroscope, caractérisé en ce qu'après l'opération de soudure - on brise les membranes fusibles de l'une des deux plaquettes butées, ainsi que les membranes fusibles de la première plaquette, - on positionne l'ensemble ainsi constitué sur l'arbre de rotation du gyroscope en manipulant cet ensemble par les cadres des plaquettes, - on fige l'articulation par rapport à l'arbre de rotation, notamment par collage, - on brise les dernières membranes fusibles et on enlève le (ou les) cadre(s) ainsi libéré(s) par rapport à l'articulation. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on rompt les dernières membranes fusibles au moyen d'un couple exercé sur celles-ci par la mise en rotation de l'arbre du gyroscope. 4. Plaquette, notamment en silicium, pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comporte d'une part une pièce constituée de la plaque-support, de la première et de la deuxième pièces, ainsi que de leurs charnières, et d'autre part un cadre qui entoure ladite pièce et qui est relié à celle-ci par l'intermédiaire de plusieurs membranes fusibles. 5. Plaquette selon la revendication 4, caractérisée en ce que le cadre présente des pans susceptibles de servir de zones d'appui pour le positionnement de l'articulation lors du montage de l'ensemble soudé sur l'appareil qui doit recevoir ladite articulation. 6. Plaquette, notamment en silicium, pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comporte une butée, ainsi qu'un cadre qui entoure cette butée et qui est relié à celle-ci par l'intermédiaire de plusieurs membranes fusibles. 7. Plaquette selon la revendication 6, caractérisée en ce que les membranes fusibles s'étendent dans un plan perpendiculaire au plan de ladite plaquette. 8. Articulation, réalisée et montée notamment selon le procédé des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les butées sont solidaires de la deuxième pièce. 9. Articulation selon la revendication 8, caractérisée en ce que la deuxième pièce est à l'intérieur de la première pièce qui est elle-même à l'intérieur de la plaque support. 10. Gyroscope mécanique, caractérisé en ce qu'il comporte une articulation selon la revendication 9, dont la plaque support constitue le volant d'inertie dudit gyroscope.