Brevet FR2784181A1 — publié le 20000407

L'invention concerne des gyroscopes à fibre optique et elle a trait plus particulièrement à un composé d'enrobage destiné à l'utilisation et la fabrication de la bobine sensible de fibre optique d'un gyroscope, et un procédé de réalisation d'une bobine sensible enrobée d'un gyroscope à fibre optique. Un gyroscope à fibre interférométrique comprend, en tant que constituants principaux, une source de lumière, deux diviseurs de faisceau, une bobine sensible de fibre optique formée soit d'une fibre à maintien de polarisation (MP), soit d'une fibre à basse biréfringence (télécommunications normales), un polariseur (parfois plus d'un polariseur), et un détecteur pour la lumière provenant d'une source de lumière qui est divisée par un diviseur de faisceau à boucle en ondes se propageant en sens contraire dans la bobine sensible. L'électronique associée mesure la relation de phase entre les deux faisceaux de lumière, en interférence, se propageant en sens contraire, qui émergent des extrémités opposées de la bobine. La différence entre les déphasages subis par les deux faisceaux est proportionnelle à la vitesse de rotation de la plate-forme sur laquelle l'instrument est fixé, par suite de l'effet Sagnac bien connu. Des facteurs ambiants peuvent affecter la différence de déphasage mesurée entre les faisceaux se propageant en sens contraire, introduisant ainsi une erreur, ces facteurs ambiants comprenant des variables telles que la température, des vibrations et des champs magnétiques. En général, ces facteurs sont répartis de façon inégale dans la totalité de la bobine. Ils induisent des variations dans le chemin optique de la lumière que chacune des ondes se propageant en sens contraire rencontre en parcourant la bobine. Les déphasages induits sur les deux ondes sont inégaux, produisant un déphasage indésirable qui ne peut pas être distingué du signal induit par la rotation. Des approches antérieures pour réduire certaines des sensibilités ayant pour origine des facteurs ambiants ont consisté à utiliser un composé d'enrobage pour enrober les enroulements de la bobine sensible à l'intérieur d'une matrice de matière adhésive. Une telle approche est décrite dans le brevet des E.U.A. N 5 321 593, cédé au Cessionnaire de la présente demande, et dans le brevet des E.U.A. N 5 546 482, également cédé au Cessionnaire de la présente demande, les deux descriptions étant incorporées ici à titre de référence. Bien que les approches décrites dans ces brevets aient atténué quelque peu les problèmes de sensibilité résultant des facteurs ambiants indiqués, il subsiste encore des sensibilités indésirables. L'électronique du capteur utilisé avec la bobine sensible de gyroscope à fibre optique pour mesurer la relation de phase entre les deux faisceaux de lumière se propageant en sens contraire dans la bobine génère de la chaleur. La chaleur des circuits électroniques établit des gradients thermiques dans l'ensemble du gyroscope. Lorsque la vitesse de chauffage est constante, la température des constituants varie, mais les gradients thermiques, eux-mêmes, restent constants. Cependant, lorsque la vitesse de chauffage change ou varie comme c'est le cas pendant l'échauffement du gyroscope et parfois au cours de cycles thermiques, ces gradients finissent par varier avec le temps. Ces gradients variant dans le temps, à l'intérieur de la bobine sensible du gyroscope à fibre optique, conduisent à de fausses lectures de l'angle d'inertie, variant avec le temps, pour le gyroscope. Ces fausses lectures limitent la sensibilité du gyroscope et tendent à occulter ses performances. Les inconvénients et des avantages précédents de l'art antérieur sont atténués par la présente invention qui propose un composé d'enrobage pour la fabrication d'une bobine sensible d'un gyroscope à fibre optique qui possède une haute conductibilité thermique due à l'utilisation d'une silicone chargée d'argent qui réduit la sensibilité du gyroscope à des variations de la vitesse de chauffage, améliorant ainsi les performances du gyroscope pendant la mise en température et les cycles thermiques. S L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel: la figure 1 est une vue en perspective d'une bobine sensible pour un gyroscope à fibre optique selon l( l'invention; et la figure 2 est une vue en coupe transversale partielle de la partie représentative des enroulements stratifiés d'une bobine sensible selon l'invention. En référence au dessin, la figure 1 est une vue en perspective d'une bobine sensible 10 conforme à l'invention. La bobine sensible 10 constitue un élément essentiel d'un système de gyroscope à fibre optique. Lors de l'utilisation, elle est fixée rigidement à une plate- forme dont la vitesse de rotation doit être mesurée. La bobine sensible 10 comporte une fibre optique 12 qui est enroulée sur un noyau 14 de support. La bobine 10 sert de guide optique destiné à recevoir deux faisceaux se propageant en sens contraire, émis depuis une source commune (non représentée) de lumière. Le noyau 14 de support comporte des joues extrêmes 18, 19. Le noyau 14 est avantageusement formé d'un composite de carbone ou de toute autre matière ayant des propriétés mécaniques et thermiques similaires, comme décrit dans le brevet Ne 5 321 593 précité, par exemple, comprenant des fibres de carbone tissées telles que la matière disponible dans le commerce auprès de la firme AMACO Corporation sous les noms commerciaux P-25, P-55 ou P-105. Le noyau 14 est formé de ces fibres qui ont été accumulées en tubes ou feuilles de couches de fibres multiples au moyen d'une 3S matrice de liaison constituée, par exemple, d'une matière phénolique. Le noyau 14 peut être formé de tels tubes ou feuilles par un certain nombre de procédés connus comprenant, par exemple, le découpage de tronçons dans ces tubes ou feuilles. En variante, la fibre tissée peut être disposée dans une orientation prédéterminée et suivant des formes prédéterminées dans un colorant et la matière de liaison peut être coulée autour d'elle. Un autre processus utilise un moulage par transfert dans lequel la fibre hachée est mélangée à une matière de moulage par transfert, puis est injectée par transfert ou sous pression dans un moule à transfert. Les fibres sont avantageusement orientées à angles droits à l'intérieur de la matière de la matrice de liaison alignées à la fois longitudinalement et circonférentiellement par rapport à l'axe de rotation 22 du noyau. Cet agencement des fibres a pour but d'assurer que le noyau 14 s'expanse symétriquement, à la fois longitudinalement et radialement, sous l'effet de la température. La figure 2 est une vue en coupe transversale à échelle agrandie d'une partie représentative des enroulements stratifiés de la fibre optique 12. Les enroulements de fibre optique 12 sont enrobés dans une matrice de matière adhésive 16. En général, la présence d'une telle matière adhésive 16 procure un certain nombre d'avantages utiles pour le gyroscope. Ceux-ci comprennent le fait de faciliter la précision de l'enroulement de la bobine, c'est-à-dire que la matière adhésive d'enrobage 16 peut être appliquée et durcie couche par couche afin que des surfaces lisses soient présentées pour le bobinage des couches suivantes. Un tel environnement de bobinage renforce le contrôle de la géométrie de la bobine résultante, y compris des facteurs aussi essentiels que l'écartement entre fibres, le nombre de tours par couche, le nombre de couches par bobine, et il minimise les défauts de bobinage tels que la présence de tours manquants. Un procédé de fabrication apprécié, conforme à l'invention, consiste à enrouler la fibre 12 sur un moyeu 14 qui comporte des joues 18 et 19, une sur chaque côté. Pendant que la bobine 12 est enroulée, un adhésif est distribué sur la couche de fibre, couche par couche, au moyen d'un distributeur du type seringue, par exemple. Après le durcissement, les fibres sont liées entre elles, formant une bobine à masse solide intégrée. Les bobines sont liées de façon permanente à une seule des joues 19, par exemple. L'autre joue peut être enlevée et réutilisée avec chaque nouvel enroulement 18 de la bobine. Bien que l'enrobage de la bobine procure de nombreux avantages, le choix de la matière d'enrobage 16 et son procédé d'application peuvent eux-mêmes affecter notablement les performances du gyroscope. En particulier, le choix de la matière du produit adhésif 16 peut réduite notablement des erreurs dues à des effets de la température. La sensibilité à l'angle d'erreur dans une bobine sensible d'un gyroscope à fibre optique subissant les variations du gradient de température est souvent exprimée en terme de sensibilité de polarisation du gyroscope ou en degrés/heure/( C/min2). La théorie qui explique des angles d'erreur dépendant du temps en relation avec des gradients thermiques variables est connue sous le nom de théorie Tdotdot Shupe. Il s'agit d'une polarisation du type de Shupe variant avec le temps, qui a été proposée pour la première fois par D. M. Shupe dans un article intitulé "Thermally induced non-reciprocity in the fiber- optic interferometer", dans Applied Optics, Vol. 19, pp. 294-295, (1980). La théorie de Tdotdot Shupe semble indiquer que la o30 conductibilité thermique des matières utilisées pour fabriquer la bobine est en relation avec les erreurs dépendantes du temps provoquées par des gradients thermiques changeants. En augmentant la conductibilité thermique de la bobine Tdotdot Shupe, on réduit proportionnellement la sensibilité à des variations de la vitesse de chauffage. La bobine sensible enrobée du gyroscope à fibre optique est constituée principalement de la fibre optique et du composé d'enrobage. La conductibilité thermique de l'ensemble de la bobine est une fonction de ces deux éléments. Étant donné que la fibre optique est achetée et doit être utilisée "telle que reçue", des améliorations portant sur la conductibilité thermique globale de la bobine doivent viser à améliorer le composé d'enrobage. La matière actuellement utilisée est une silicone chargée de carbone qui possède une conductivité thermique, à la température ambiante, d'environ 0,351 watts par mètre Kelvin (W/m. K), donnant environ 0,25 watt/m.K pour l'ensemble de la bobine. Le composé d'enrobage selon l'invention, à savoir une silicone chargée d'argent, possède une conductibilité thermique, à la température ambiante, d'environ 1,4 W/m.K, soit environ 1,2 W/m.K pour la bobine. Ceci constitue une amélioration d'un facteur de 4 de la conductivité thermique. On peut prévoir une réduction correspondante de l'effet Tdotdot Shupe ou de la sensibilité à des variations de la vitesse de chauffage. On évalue en général les performances du gyroscope en le soumettant à des cycles thermiques dans une chambre d'essai et en lisant les angles d'erreur d'inertie directement à l'aide d'un logiciel. A partir des données d'échantillon résultantes, on détermine une valeur quadratique, et on évalue les performances d'ensemble. De cette manière, la sensibilité de différents gyroscopes peut être comparée directement. Des bobines enrobées de la matière chargée d'argent selon l'invention ont été soumises 3() à des cycles thermiques et leurs données ont été comparées à celles d'une matière normale du type silicone chargé de carbone. Les résultats étaient en conformité avec l'accroissement d'un facteur de 4 de la conductivité thermique, indiqué précédemment. z Habituellement, on formule un composé d'enrobage de bobine en choisissant un système de résine convenable avec les charges souhaitées pour conférer la conductivité thermique nécessaire. Des agents de modification sont ajoutés pour une amélioration visant à obtenir des caractéristiques choisies sur mesure, telles que la vitesse de durcissement et l'adhérence. Les charges peuvent être fournies sous diverses formes, telles qu'une poudre fine, des formes granulaires spéciales ou des paillettes. Les charges peuvent être constituées de l'une quelconque d'un certain nombre de matières telles que du diamant, du l0 diamant synthétique, des métaux, des oxydes métalliques et des nitrures. Chaque matière de charge possède ses avantages et ses inconvénients. Un point à considérer est un compromis entre la viscosité de la résine et sa conductivité thermique. L'augmentation de la quantité de la charge peut accroître la conductivité, mais la viscosité résultante peut la rendre inapte à l'application prévue. Un autre problème posé par les charges présentes sur le marché est qu'elles sont souvent fournies avec un revêtement sur la surface de la matière constituant la charge. Ce revêtement fait partie du processus de fabrication et confère la qualité de lubrification nécessaire aux particules pour permettre leur production. Un revêtement convenablement choisi peut améliorer le mouillage et la suspension dans la résine. Le revêtement peut ou non être organique et il peut être soluble dans la résine. La solubilité est importante dans des applications o une conductivité électrique élevée est demandée. Des revêtements qui ne sont pas solubles peuvent affecter la conductivité du produit final. De plus le -o revêtement sur une matière de charge peut parfois affecter le mécanisme de durcissement. Par exemple, des silicones durcies avec du platine sont particulièrement sujettes à une inhibition du durcissement. Le choix du revêtement convenable sur la matière de charge est donc un facteur important dans la détermination de la formulation. Les inventeurs ont obtenu, à la suite d'essais poussés et d'expérimentations empiriques, une formulation pour un composé d'enrobage formé d'une silicone chargée d'argent qui satisfait aux critères très strictes indiqués ci-après. La résine de base, une silicone en deux parties, est avantageusement une résine connue sous la désignation générale électrique RTV 655, avec une partie A en quantité comprise dans la plage d'environ 20 à 25 pour cent en poids. La matière de charge est constituée de paillettes d'argent qui ont une épaisseur d'environ 20 à 22 micromètres, mélangées nominalement dans la matière constituée de la résine de base à raison d'environ 75 à 80 pour cent en poids. En plus de ces constituants principaux, la formulation comprend avantageusement un inhibiteur destiné à abaisser la vitesse de durcissement du composé d'enrobage pour l'adapter à la longueur du processus de fabrication. L'inhibiteur préféré est le tétravinyltétramèthylcyclotétrasiloxane, tel que celui vendu sous le nom commercial "Gelest SIT7900.l",à raison d'environ 0,05% en poids. En plus de l'inhibiteur, un agent de mouillage destiné à favoriser l'adhérence à la fibre et à la joue de la bobine est apprécié. L'agent de mouillage préféré est une silane réactive organo- fonctionnelle, désignée vinyltriméthoxy, telle que celle vendue sous le nom commercial "Dow Q9-6300", à raison d'environ 0,1% en poids. La formulation donne un composé d'enrobage qui est idéalement adapté à une utilisation avec des bobines sensibles pour gyroscopes à fibre optique, pour le but spécifique de réduire la sensibilité du gyroscope à des variations de la vitesse d'échauffement. Pour obtenir des performances optimales à partir du composé d'enrobage, il s'avère préférable de faire durcir partiellement, à la température ambiante, la bobine sensible enrobée du gyroscope à fibre optique. Ensuite, un durcissement complet dans un four à circulation d'air est recommandé. Si le composé durcit au moins partiellement à la température ambiante, les contraintes de la bobine et le risque de fissuration sont réduits lorsqu'on arrive aux températures extrêmes de fonctionnement de la bobine sensible. Une étape finale de durcissement au four est nécessaire pour l'obtention des propriétés optimales du composé d'enrobage d'une manière opportune. Il est apparu qu'un cycle de durcissement de 12 heures à la température ambiante, suivi de 16 heures dans un four à circulation d'air, à 70 C, donne des résultats satisfaisants. La viscosité de la résine chargée et du composé d'enrobage doit être inférieure à 25 Pa.s pendant toute la durée de vie utile. Cette exigence signifie qu'avant l'addition des charges, la résine de base présente probablement une viscosité inférieure à 3 Pa.s. Un accroissement de la concentration de la charge améliore la conductivité thermique. Cependant, la limite supérieure de la viscosité pratique détermine la quantité de charge pouvant être ajoutée. La limite de viscosité pratique est établie par le procédé d'enrobage, la durée de vie utile souhaitée et par des facteurs physiques tels que le mouillage de la fibre. Si la viscosité est trop élevée, la résine risque de ne pas mouiller et revêtir la fibre pendant le bobinage. La vitesse de durcissement de la résine doit être assez basse à la température ambiante pour permettre l'achèvement du processus de bobinage et d'enrobage. La vitesse de durcissement ne doit cependant pas être suffisamment basse pour provoquer la formation de blocs (c'est-à-dire un écoulement en perles), ce qui gênerait les opérations suivantes. Le processus préféré de bobinage et d'enrobage prend environ 4 heures. La viscosité du composé d'enrobage ne doit donc pas dépasser 25 Pa.s après 4 heures. Pendant sa durée de vie utile, le composé d'enrobage doit rester souple jusqu'à des températures descendant à -65 C. A des températures si basses, de nombreux élastomères deviennent durs. Des études ont montré que cette dureté accrue affecte les performances du gyroscope. il est donc apprécié que la résine de base ne présente pas de changement de phase, par exemple une température de transition vitreuse (Tg), jusqu'à la température la plus basse de fonctionnement (-65 C). Des silicones et certains polyuréthanes ont de basses températures de changement de phase. La raison d'une telle température basse de 1 changement de phase est d'éviter l'utilisation d'une matière d'enrobage qui présente de brusques changements de raideur (à savoir une dilatation thermique et un module élastique) avec la température. La matière d'enrobage doit avoir un comportement uniforme pendant les cycles thermiques aussi bien sur la rampe descendante que sur la rampe montante des températures. L'utilisation d'une température de changement de phase au-dessous de la plus basse température de fonctionnement du gyroscope assure un comportement régulier. rUn problème rencontré pendant le procédé de fabrication d'une bobine sensible est que certains composés d'enrobage ne mouillent pas bien la gaine de la fibre. La matière des gaines de fibre optique actuellement utilisée, un époxy acrylé, est généralement très difficile à mouiller. Une base de résine de silicone, bien que souple à de basses températures, ne mouille pas bien les substances acryliques. Pour cette raison, un agent mouillant, tel que l'agent "Dow Corning Q9-6300" doit être ajouté pour favoriser l'adhérence du composé d'enrobage à la fibre o optique et à la joue de la bobine sensible. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent étre apportées à la matière d'enrobage et au procédé de fabrication décrits et représentés sans sortir du cadre de l'invention. il REVENDICATIONS 1. Matière d'enrobage pour une bobine sensible (10) destinée à un gyroscope à fibre optique (12) qui fonctionne dans une plage prédéterminée de températures, la matière d'enrobage (16) étant caractérisée en ce qu'elle comporte une résine de base, et une charge conductrice de la chaleur pour la résine de base. 2. Matière d'enrobage selon la revendication 1, caractérisée en ce que la résine de base comprend une silicone. 3. Matière d'enrobage selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un inhibiteur. 4. Matière d'enrobage selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un agent mouillant. 5. Matière d'enrobage selon la revendication 4, caractérisée en ce que la base de silicone constitue 20 à % en poids de la matière d'enrobage. 6. Matière d'enrobage selon la revendication 1, caractérisée en ce que la charge comprend de l'argent. 7. Matière d'enrobage selon la revendication 6, caractérisée en ce que la charge d'argent constitue 75 à % en poids de la matière d'enrobage. 8. Matière d'enrobage selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'inhibiteur constitue 0,05% en poids de la résine. 9. Matière d'enrobage selon la revendication 8, caractérisée en ce que l'agent mouillant constitue 0,1% en poids de la résine. 10. Matière d'enrobage selon la revendication 2, caractérisée en ce que la charge comprend des paillettes d'argent. 11. Matière d'enrobage selon la revendication 9, caractérisée en ce que les paillettes d'argent ont une épaisseur d'environ 20 à 22 micromètres. 12. Matière d'enrobage selon la revendication 11, caractérisée en ce que les paillettes d'argent constituent à 80% du poids de la matière d'enrobage. 13. Composé d'enrobage selon la revendication 12, caractérisé en ce que la base de silicone constitue 20 à % du poids de la matière d'enrobage. 14. Procédé de fabrication d'une bobine sensible (10) pour un gyroscope à fibre optique (12), qui réduit la sensibilité du gyroscope à des variations de vitesse 1) d'échauffement, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes dans lesquelles on sélectionne une fibre optique continue, on sélectionne une silicone pour l'enrobage de la bobine sensible, ayant une température de changement de phase au-dessous de la température la plus basse de fonctionnement de la bobine sensible, on additionne une matière conductrice de la chaleur à la silicone, on enroule la fibre optique sur une bobine (10) conformément à un motif de bobinage prédéterminé, et on enveloppe la fibre optique sur la bobine avec le mélange 2) sélectionné de charge et de silicone. 15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape dans laquelle on fait durcir à la température ambiante pendant douze heures, la bobine de fibre optique enrobée. 16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape dans laquelle, après un durcissement à la température ambiante, on fait durcir la bobine de fibre optique enrobée à 70 C pendant seize heures. 17. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que la matière chargée comprend une silicone. 18. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que la matière à charge d'argent comprend des paillettes d'argent. 19. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce que les paillettes d'argent ont une épaisseur d'environ à 22 micromètres.