Brevet FR2795519A1 — publié le 20001229

La présente invention concerne les eppaxe@ls poux mesurer les accélérations et, plus particulière ment, elle-concerne les accéléromètres compensateurs dont l'élément mobile sensible aux accélérations est maintenu dans la position neutre au moyen d'un système de contre-réaction. Dans l'art antérieur, on connait un accélé- romètre (cf., par exemple, le brevet U$ 3702073) com portant un corps comprenant un élément sensible et deux systèmes magnétiques du capteur électromagnétique de couple,- Le bloc-pendule de l'accéléromètre est réa lisé en une plaque unique de quartz fondu et comporte une partie mobile réalisée sous .orme de pale associée à un cadre d'appui fixe au moyen de deux barrettes élastiques amincies situées dans des plans parallèles. Chaque face de pale présente un revêtement métallique formant un condensateur ensemble avec 1a surfac inter ne du système magnétique sur chaque face de pale. Le jeu du capteur capacitif (qui est en même temps un jeu de l'amortisseur â gaz) est formé à l'aide de trois saillies de hauteurs égales ménagées de deux côtés du cadre d'appui. Il est connu que, sans affecter la précision de l'accéléromètre, l'utilisation du silicium monocris- tallin assure un avantage technologique tout en permet tant d'économiser la main d'oeuvre et, par conséquence, de diminuer le cont de l'accéléromètre. L'accéléromètre cité présente un inconvénient considérable qui consiste dans l'impossibilité d'utili ser le silicium monocristallin au lieu du quartz fondu pour réaliser le bloc-pendule. En effeti il est possi ble d'utiliser le bloc-pendule en silicium dans ladite structure, le silicium n'étant pas un isolant et néces sitant une-oxydation pour former la couche d'isolation. L'oxydation ne permettant pas d'obtenir une épaisseur considérable de la couché isolante, de grandes capaci tés apparaissent entre@les électrodes réalisés sur la surface oxydée du silicium et le corps du bloc-pendule en shuntant lep capacités de travail du capteur angu laire et empêchant d'assurer un fonctionnement normal de l'accéléromètre. L'art antérieur le plus proché de l'accélé- romètre proposé est représenté par l'appareil décrit dans 1e certificat d'auteur de l'URSS N 1679395. Ledit accéléromètre comporte également un corps, un élément sensible et deux systèmes magnéti ques du capteur électromagnétique de couple. Le bloc- pendule comporte une pale, un cadre d'appui présentant des saillies et deux barrettes élastiques situées dans des plans parallèles. Tous ces éléments sont réa lisés en une plaque unique de silicium monocristallin. La pale du bloc-pendule forme une électrode mobile du capteur angulaire différentiel et les élec trodes fixes sont réalisées sur des bagues isolantes intermédiaires. Les bagues isolantes intermédiaires sont disposées entre le bloc-pendule et les surfaces d'extrémités des systèmes magnétiques du capteur élec tromagnétique de couple. Ladite structure permet d'utiliser un bloc- pendule en silicium. Cependant, la disposition des bagues isolan tes entre le bloc-pendule et les systèmes magnétiques du capteur de couple augmente les dimensions de l'accé- léromètre vers son axe de sensibilité et diminue sa fiabilité, les bobines fixées sur la pale nécessitant d'être éloignées considérablement par rapport au cen tre de gravité .du pendule. Par ailleurs, la disposition traditionnelle des barrettes élastiques dans le bloc-pendule ne per met pas de réduire les dimensions de l'accéléromètre dans la direction perpendiculaire à l'axe de sensibi lité de l'accéléromètre. Des moyens de protection anti-chôc sont ab sents dans les directions perpendiculaires à l'axe de sensibilité de l'accéléromètre. La présente invention a pour objectif de réaliser un accéléromètre compensateur à pendule assu rant une hauteprécision de mesure du vecteur d'accé lération et permettant de garder ou réduire les dimen sions et d'augmenter la résistance aux vibrations par rapport aux accéléromètres connus. L'objectif visé est atteint grAce au fait que dans un accéléromètre compensateur à pendule qui. comporte un corps abritant un bloc-pendule réalisé en une plaque unique de silicium monocristallin et cons titué d'une pale mobile à suspension élastique et d'un cadre d'appui présentant des saillies de posi tionnement sur ses deux ci5tés, deux moyens d'isola tion électriques fixés sur les saillies de part et d'autre du cadre d'appui, et deux systèmes magnéti ques comportant chacun un noyau magnétique, un aimant permanent et une pièce polaire et étant fixé sur le moyen d'isolation électrique respectif, deux bobines de capteur de couple avec leurs sorties, chacune des bobines étant disposée dans le jeu du noyau magnéti que respectif et étant fixée sur la face respective de la pale mobile selon l'invention, la suspension élastique comporte au moins deux éléments élastiques disposés selon un angle de 90 l'un par rapport à l'autre de façon symétrique par rapport à l'axe de symétrie du bloc-pendule, chacun des moyens d'isolation électrique étant réalisé sous forme d'une douille emmanchée sur la surface latérale externe du noyau magnétiquef et le cadre d'appui du bloc-pendule s'appuyant par ses saillies disposées de deux côtés sur les extrémités des douilles formant des plans communs avec les fa ces de noyaux magnétiques orientés vers le bloc-pen- dule, l'accéléromètre comportant en outre un moyen poux immobiliser les systèmes magnétiques par rapport au bloc-pendule, ledit moyen étant disposé sur le bloc pendule et sur chacun des moyens d'isolation électri que. De préférence, l'accéléromètre comporte un moyen d'arrêt_fixé dans le corps et destiné à iMmobi- liser le bloc-pendule par rapport au corps, un des moyens d'isolation électrique étant solidairement associé audit moyen d'arrêt. Avantageusement; le moyen d'immobilisation des systèmes magnétiques comporte une douille d'assem blage dont la surface cylindrique interne est en con tact avec la surface cylindrique externe de chacun des moyens d'isolation électrique, et une bague de ver rouillage dont la surface cylindrique externe est en contact avec la surface cylindrique interne de 1a douille d'assemblage, lesdits moyens d'isolation élec trique et le bloc-pendule étant serrés entre un épau lement ménagé sur la surface cylindrique externe de la douille d'assemblage d'une part et la bague de ver rouillage d'autre part, et deux bagues fixées des deux côtés du cadre d'appui coaxialement avec les bobines, chacune de ces bagues encerclant la douille isolante respective, une desdites bagues étant assemblée à la douille correspondante sans jeu, et l'autre bague étant montée sur la douille correspondante avec un jeu. De préférence, la douille d'assemblage et la bague de verrouillage sont fabriquées en un matériau conducteur, l'accéléromètre comportant deux plaques isolantes métallisées d'un côté, chacune desdites plaques étant fixée par sa .face isolante-sur la sur face d'extrémité externe du noyau magnétique corres pondant et les surfaces métallisées dep plaques étant connectées électriquement à la douille@d'assemblage et à la bague d'arret pour former un écran électro statique. Avantageusement, le sommet de l'angle de 90 entre deux éléments élastiques se-trouve sur la pale. De préférence, le sommet de l'angle de 90 entre deux éléments élastiques se trouve sur le cadre d'appui. Dans le mode de réalisation préférentiel, l'accéléromètre comporte deux éléments élastiques complémentaires, les quatre éléments élastiques de la suspension élastique formant un carré. De préférence, pour éliminer les tensions mécaniques dans la suspension élastique une fente est ménagée dans le cadre d'appui à gauche ou à droite de l'axe de symétrie du bloc-pendule entre le point de fixation de la suspension élastique et la saillie la plus voisine. Avantageusement, les deux bagues sont réa lisées en un matériau choisi dans le groupe constitué du silicium, du quartz, du verre, du sital et de ma tériaux dont le coefficient de dilatation thermique est proche de celui du silicium. De préférence également, les bobines sont fixées sur la pale au moyen de deux rondelles inter médiaires présentant un orifice central cylindrique, et les pièces polaires présentent des saillies cen trales cylindriques orientées vers le bloc-pendule, le jeu entre la surface cylindrique d'une des sail lies et la surface cylindrique de l'orifice central de la rondelle intermédiaire respective étant très nettement inférieur au jeu ménagé entre les bobines et les systèmes magnétiques. Avantageusement, les rondelles intermédiai res pour la eixation des bobines de capteur de couple sont réalisées en un matériau isolant et comportent des plaques de contact pour être connectées aux sor ties des bobines de capteur de couple. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description d'un mode de réalisation particu lier avec références aux dessins annexés sur les quels la Figure 1 est une représentation de l'accéléro- mètre compensateur à pendule (en coupe longitudinale) selon l'invention ; la Figure 2 est une représentation partielle du bloc-pendule selon l'invention ; la Figure 3 représente le moyen d'immobilisation des systèmes magnétiques selon l'invention ; la Figure 4 est une représentation partielle du bloc-pendule selon l'invention ; la Figure 5 représente la douille d'assemblage et la bague de verrouillage selon l'invention ; la Figure 6 illustre un autre mode de réalisation du bloc-pendule (représenté partiellement) selon l'in vention ; la Figure 7 illustre un autre mode de réalisation du bloc-pendule (représenté partiellement) selon l'in vention ; la Figure 8 illustre un autre mode de réalisation du bloc-pendule (représenté partiellement) selon l'in vention ; la Figure 9 est une représentation des pièces po laires du système magnétique selon l'invention ; la Figure 10 est une représentation de la rondelle intermédiaire entre la pale du bloc-pendule et la bo- bine de capteur de couple selon l'invention, L'accéléromètre compensateur à pendule com porte un corps. 1 (Fig. 1) abritant un bloc-pendule 2 réalisé en une plaque unique de sil@,czum monocristal- lin. Le bloc 2 comporte une pale mobile *3 à suSpen- sion élastique 4 et un cadre d'appui 5 présentant des saillies de positionneMent 6 de deux côtés du cadre d'appui 5. Deux moyens d'isolation électrique 7, 8 sont montés des deux côtés du cadre d'appui; 5 sur les sail lies 6. L'accéléromètre comporte deux systèmes magné tiques 9, 10 chacun desquels comprenant un noyau magné tique 11, 12, un aimant permanent 13, 14 et une pièce polaire 15, 16 respectivement, Chaque hoyau magnétique 11, 12 est constitué de deux éléments 17, 18 et 19, 20 respectivement. Le système magnétique 9 est fixé sur le moyen d'isolation électrique 7 correspondant, et le système magnétique 10 est fixé sur le moyen d'isola tion électrique 8. Le bloc-pendule 2 et les noyaux ma gnétiques 11, 12 sont connectés électriquement à la sortie d'un servo-amplificateur (non représenté sur la Fig. 1). Deux bobines 21, 22 du capteur de couple sont disposées dans les jeux des noyaux magnétiques respectifs 9, 10 et sont fixées sur les faces respec tives de la pale mobile 3. La suspension électrique 4 (Fig. 2) comporte au moins deux éléments élastiques 23 disposés selon un angle de 90 l'un par rapport à. l'autre et symétrique ment par rapport à. l'axe de symétrie y-y du bloc-pen- dule 2_ Chaque moyen d'isolation électrique 7, 8 (Fig. 1) est réalisé sous ,forme d'une douille s'emman- chant sur les surfaces latérales externes des éléments 17, 19 des noyaux magnétiques. 11, 12 des systèmes ma- gnétiques 9, 10. Par les saillies 6 disposées sur ses deux côtés le cadre d'appui 5 s'appuie sur les extré mités des douilles formant des plans communs avec les extrémités de noyaux magnétique s;,ll, 12 orientées vers le bloc-pendule. L'accéléromètre comporte en outre un moyen 24 pour immobiliser les systèmes magnétiques 9, 10 par rapport au bloc-pendule 2, ledit moyen étant dis posé sur le bloc-pendule et sur chacun des moyens d'isolation électrique 7, 8. L'accéléromètre comporte également un moyen d'arrêt 25 monté dans le corps 1 et destiné à immobi liser le bloc-pendule 2 par rapport au corps 1, le moyen d'isolation électrique 8 étant associé solidai rement au moyen d'arrêt 25. Le moyen 24 (Fig. 3) pour immobiliser les systèmes magnétiques par rapport au bloc-pendule com porte une douille d'assemblage 26 dont la surface cy lindrique interne est en contact avec la surface cy lindrique externe de chacun des moyens d'isolation électrique 7, 8, et une bague de verrouillage 27 dont la surface cylindrique externe est en contact avec la surface cylindrique interne de la douille d'assemblage 26. Les moyens d'isolation électrique 7, 8 et le bloc- pendule 2 sont serrés entre un épaulement 28 ménagé sur la surface cylindrique interne de la douille d'as semblage 26 et la bague de verrouillage 27. Deux bagues 29, 30 sont fixées des deux cô tés du cadre d'appui 5 coaxialement avec les bobines 21, 22 respectivement (les bobines ne sont pas repré sentées sur la Figure 3). Chacune des bagues 29, 30 s'emboue sur une douille isolante respective 7, 8r la bague 30 étant fixée sur la douille 8 sans jeu et la bague 29 étant montée sur la douille 7 avec un jeu. Chacune des bagues 29, 30 est en contact avec les saillies 6 sur le cadre 5 (Fig, 4), La douille d'assemblage 26 (Fig, 5) et la bague de verrouillage 27 sont fabriquées en matériau conducteur. L'accéléromètre comporte en outre deux pla ques isolantes 31, 32 ayant leurs surfaces métallisées d'un côté, chacune des plaques isolantes 31, 32 étant fixée par la surface isolante sur la surface d'extré mité externe du noyau magnétique respectif 9, 10 (non- représentés sur la Figure 5). Les surfaces métallisées sont connectées électriquement au moyen des conduc teurs 33, 34 à la douille d'assemblage 26 et à la ba gue de verrouillage 27 pour former un écran électro statique. Le sommet de l'angle de 90 entre deux élé ments élastiques 23 se trouve sur la pâle 3, Selon une autre variante de réalisation le sommet de l'angle de 90 entre deux éléments élastiques 23 (Fig. 6) peut se trouver sur le cadre d'appui 5. Selon un autre mode de réalisation, la sus pension élastique 4 (Fig. 7) comporte deux éléments élastiques complémentaires 35, les quatre éléments élastiques 23, 35 de la suspension élastiques 4 for mant un carré. Pour éliminer les tensions mécaniques dans la suspension élastique 4 une fente 36 est ménagée dans le cadre d'appui 5 (Fig. $) à droite ou à gauche de l'axe de symétrie y-y du bloc-pendule 2 à un en droit situé entre la .fixation de la suspension élasti que 3 avec les éléments élastiques 23 au cadre d'appui 5 et la saillie Voisine 6. Dans la variante décrite, ladite fente est réalisée du côté gauché. Les deux bagues 29, -30 (Fig. 4? sont fabri quées en un matériau choisi dans le groupe constitué du silicium, du quartz, du verre, du sital et d'un matériau dont le@coefficient de dilatation thermique est proche de celui du silicium. La bobine 22 (Fig. 9) est fixée sur la pale 3 au moyen d'une rondelle intermédiaire 37 présentant un orifice cylindrique central 38. La pièce polaire 16 du système magnétique 10 présente une saillie cy lindrique centrale 39 orientée vers ,le bloc-pendule 2 et emboîtée avec un jeu dans l'orifice central 38 de la rondelle intermédiaire 37. La bobine 21 est fixée sur la pale 3 au moyen d'une rondelle interzmédiaire 40 présentant un orifice cylindrique central 41 , La pièce polaire 15 du système magnétique 9 présente une saillie cylindrique centrale 42 p'embo@tant avec un jeu dans l'orifice-central 41 de la rondelle inter médiaire 40. Le jeu entre la surface cylindrique de la saillie 39 et la surface cylindrique de l'orifice central 38 de la rondelle intermédiaire 37 est réalisé de manière à être très nettement inférieur au jeu mé nagé entre la surface cylindrique externe de la bobine 22 et l'élément 19 du noyau magnétique 12, Les rondelles intermédiaires 37, 40 (Fig. 10) pour fixer les bobines de capteur de couple sont fabriquées en un matériau isolant et présentent des plaques de contact 43, 44 pour connecter les sorties des bobines du capteur de couple. Les bobines 21, 22 du capteur de couple sont connectées en série et sont liées électriquement à la sortie du servo-amplificateur de l'a,ccéléxomètre. L'accéléromètre comporte un carter 45 (Fig. 1) Le fonctionnement de I'accéléromètre coqgpen- sateur à pendule s'effectue comme suit. A l'apparition de l'accélération "a" suivant l'axe de mesure x-x (Fig. 1), l'élément sensible de l'accéléromètre constitué par 1â pale mobile 3 et les éléments de structure de cette dernière déyle sous l'effet du couple d'inertie mla p oî# : m est la masse de l'élément sensible, 1 est la distance entre le centre des masses de l'élément sensible -et l'axe de suspen sion z=z, a est l'accélération suivant l'axe x-x, Le déplacement angulaire de l'élément sen sible modifie les grandeurs de capacité électrique du capteur capacitif différentiel de déplacement, la pale 3 du bloc-pendule constituant l'électrode mobile et les électrodes fixes étant constituées par les surfaces annulaires des noyaux métalliques isolés 11 et 12 situés en regard de la pale. Le changement des capacités du capteur de déplacement est transformé par le servo-amplificateur de l'accéléromètre en courant continu arrivant aux bobines 21 et 22 du capteur de couple. En passant par les bobines du capteur de couple, le courant crée un couple compensateur qui produit un effet sur l'élément sensible en le ramenant dans sa position initiale. Le courant continu dans les bobines du capteur de couple constitue un signal de sortie de l'accéléromètre, L'accéléromètre compensateur à pendule pro posé est caractérisé par une haute précision de mesu re du vecteur d'accélération et permet de gardez ou de diminuer les dimensions et d'augmenter la résis tance aux vibrations par rapport aux accéléromètres connus. REVENDICATIONS 1. Accéléromètre comperisateür à pendule qui comporte un corps (1) abritant un bloc-pendule (2) réalisé en une plaque unique de silicium monocristal- lin et constitué d'une pale Mobile (3).à suspension élastique et d'un cadre d'appui (5) présentant des saillies de positionnement (6) sur ses deux côtés, deux moyens d'isolation électrique (7, 8) fixés sur les saillies (6) de part et d'autre du cadre d'appui, (5) et deux systèmes magnétiques (9r 10).comportant chacun un noyau magnétique (11, 12?, un aimant perma nent (13, 14) et une pièce polaire (15, 16) et étant fixé sur 1e moyen d'isolation électrique (7, 8) res pectif, deux bobines (21, 22) de capteur de couple avec leurs sorties, chacune des bobines (21, 22) étant disposée dans le jeu du noyau magnétique (9, 10) respectif et étant fixée sur la .face respective de la pale mobile (3), caractérisé en ce que la suspension élastique (4) comporte au moins deux éléments élasti ques (23) disposés selon un angle de 90 l'un par rapport à l'autre de façon symétrique par rapport à l'axe de symétrie (y-y) du bloc-pendule (2), chacun des moyens d'isolation électrique (7, 8) étant réalisé sous forme d'une douille emmanchée sur la surface latérale externe du noyau magnétique (11, 12) et le cadre d'appui. (5) du bloc-pendule (2) s'ap puyant par ses saillies (6) disposées de deux côtés sur les extrémités des douilles formant des plans communs avec les faces de noyaux magnétiques (11, 12) orientées vers le bloc-pendule (2), l'accéléromètre comportant en outre un .moyen (24) pour immobiliser les systèmes magnétiques (9, 10) par rapport au bloc-pendule (2), ledit moyen étant dispo sé sur le bloc-pendule (2) et sur chacun des moyens d'isolation électrique (7, 8), 2. Accéléromètre selon la reyendIcation 1, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen d'arrêt (25) fixé dans le corps (1) et destiné à immobiliser le bloc-peridule (2) par rapport au corps (1) , un des moyens d'isolation électrique (8) étant associé soli dairement au moyen d'arrêt (25). 3. Accéléromètre selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le moyen (24@ pour Immo biliser les systèmes magnétiques (9, 10) par rapport au bloc-pendule (2) comporte une douille d'assemblage (26) dont la surface cylindrique interne est en con tact avec la surface cylindrique externe de chacun des moyens d'isolation électrique (7, 8) et une bague de verrouillage (17) dont la surface cylindrique externe est en contact avec la surface cylindrique interne de la douille d'assemblage (26), les moyens d'isolation électrique (7, 8) et le bloc-pendule (2) étant serrés entre un épaulement (28) ménagé sur la surface cylindrique interne de la douille d'assemblage (26) d'une part et la bague de verrouillage (27) d'au tre part, et deux bagues (29,30) .fixées des deux cô tés du cadre d'appui (5) coaxialement avec les bobines (21, 22) chacune des bagues (29, 30) s'emboîtant sur la douille isolante (7, 8) respective, une (30) des bagues étant montée sur la douille (8) correspondante sans jeu, et la, deuxième bague (29) étant assemblée à_ la douille (7) correspondante avec un jeu. 4. Accéléromètre selon la revendication 3, caractérisé en ce que la douille d'assemblage (26) et la bague de verrouillage (27) sont fabriquées en un matériau conducteur, l'accélérateur comportant deux plaques isolantes (31, 32) ayant leurs surfaces métal lisées d'un côté, chacune des plaques isolantes (31, 32) étant fixée par son côté isolé sur 1a, surface d'extrémité externe du noyau magnétique (9, 10) cor- respondant, et les surfaces métallisées étant connec tées électriquement à la douille d'assemblage (26) et à la bague de verrouillage (27) pour ,former un écran électrostatique. 5. Accéléromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le sommet de l'angle de 90 en tre deux éléments élastiques (23) se -trouve sur la pale (3). 6. Accéléromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le sommet de l'angle de 90 en tre deux éléments élastiques (23) se trouve sur le cadre d'appui. (5). 7. Accéléromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte deux éléments élas tiques complémentaires, les quatre éléments élasti ques (23, 35) de la suspension élastique ,formant un carré. 8. Accéléromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour éliminer les tensions mécaniques dans la suspension élastique (4), une fente (36) est réalisée à droite ou â gauche de l'axe de symétrie (y-y) du bloc-pendule (2) entre le point de fixation de la suspension élastique (3) et la saillie (6) la plus voisine. 9. Accéléromètre selon la revendication 3, caractérisé en ce que les deux bagues (29, 30) sont fabriquées en un matériau choisi, dans le groupe constitué du silicium, du quartz, du verref du sital et d'un matériau dont le coefficient de dilatation thermique est proche de celui, du silicium. 10. Accéléromètre selon la revendication 1, caractérisé en; ce-que les bobines (21 , 22)sont fixées sur la pale (3) au moyen de deux rondelles Intermé diaires (37, 40) présentant un orifice cylindrique central (38, 41) chacune, et en ce que les pièces polaires (15, 16) des systèmes magnétiques (9, 10j présentent des saillies cylindriques centrales (39, 42) orientées Vers le bloc-pendule (2), lesdites saillies (39, 42) s'embouant avec un jeu dans les orifices centraux (38, 41) des rondelles intermé-, diacres (3-7,40), le jeu entre la surface cylindri7 que d'une (39 ) des saillies et la surface cylindri que de l'orifice central (38 ) de la rondelle inter médiaire (37) respective étant très nettement infé- rieur au jeu ménagé entre les bobines (21, 22) et les systèmes magnétiques (9, 10). 11. Accéléromètre selon la x7eyendication 10, caractérisé en ce que les rondelles interTgédiai- res (37, 40) pour fixer les bobines de capteur de couple sont réalisées en un matériau isolant et présentent des plaques de contact (43, 44) pour la connection des sorties des bobines du capteur de couple.