Brevet FR2798731A1 — publié le 20010323

SITUATION DE L'INVENTION PAR RAPPORT A LA TECHNIQUE ANTERIEURE 1. Domaine de l'invention La présente invention concerne un gyroscope vibrant et, plus particulièrement, un gyroscope vibrant piezoélectrique. 2. Description de la technique antérieure Au titre des gyroscopes vibrants piézoélectriques, il existe de façon générale un type dans lequel l'excitateur vibrations, qu'on appellera vibrateur, est constitué d'une lame vibrante et un type dans lequel le vibrateur est constitué d'une fourchette vibrante, ou diapason. plus, parmi les vibrateurs destinés à être utilisés dans les gyroscopes vibrants piézoélectriques, il existe un type dans lequel le vibrateur lui-même est fait d'une matière céramique piézoélectrique, sur lequel des pellicules formant des électrodes, qui constituent un élément de détection, et un élément d'excitation sont formés, et un type dans lequel le vibrateur est fait d'une matière constituant un élément qui produit des vibrations mécaniques, par exemple un métal élastique, sur lequel des éléments piézoélectriques constituant un élément détection et un élément d'excitation sont formés. Dans ces gyroscopes vibrants déplacement de flexion d'un vibrateur dû à la force de Coriolis produite au moment où une vitesse angulaire de rotation est appliquée au vibrateur est changée un signal électrique au moyen d'un matériau piézoélectrique, et un signal sortie électrique proportionnel à la vitesse angulaire de rotation est obtenu ' un circuit de détection. Un exemple classique d'un circuit de traitement de signaux servant à traiter des signaux de détection délivrés par un vibrateur dans ces gyroscopes vibrants va être expliqué en relation avec figure 3. Sur la figure 3, le numéro de référence 1 représente un vibrateur. Le vibrateur 1 est doté d'un corps vibrant 2, deux éléments de détection 3a et 3b et un élément d'excitation 3c. Les deux éléments de détection 3a et 3b sont connectés aux étages d'entrée d'amplificateurs tampons 4a et 4b par l'intermédiaire de fils métalliques 7a et 7b respectifs. De plus, les fils métalliques 7a et 7b sont respectivement connectés à une tension référence V,f par l'intermédiaire de résistances de charge RL. Le signal de sortie de l'amplificateur tampon 4a est appliqué à l'entrée d'un additionneur 5 et circuit différentiel 6, et, de la même m *ère, le signal de sortie du tampon amplificateur 4b est appliqué à l'entrée de ani signal l'additionneur 5 et du circuit différentiel Ensuite, le signal de sortie de l'additionneur 5 est renvoyé sur circuit d'excitation 11, et le signal de sortie, faisant fonction d'un signal de détection de vitesse angulaire, venant du circuit différentiel 6 est délivré à l'étage suivant, lequel constitue un circuit de traitement du signal de détection. Le gyroscope vibrant classique qui vient d'être décrit pose les problèmes suivants. Ainsi, dans le circuit traitement du signal de détection du gyroscope vibrant classique, des capacités parasites Csa et Csb sont respectivement produits entre les fils métalliques 7a et connectés au vibrateur 1 et la terre, (ou à une tension de référence). Alors que ces capacités parasites Csa et Csb n'ont pas un effet très gênant lorsque le vibrateur 1 présente une grande taille et que le signal électrique obtenu par l'effet piézoélectrique est grand, il se trouve que, avec la miniaturisation du vibrateur 1 qui est intervenue ces dernières années, la capacité des éléments piézoélectriques faisant fonction d'un élément de détection a été diminuée, si bien que l'effet des capacités parasites ci-dessus indiquées a cessé d'être négligeable, et ceci a provoqué des variations du niveau et de la phase des signaux de sortie des deux éléments de détection 3a et 3b. Il est possible de supprimer ces variations en rendant égales les capacités parasites Csa et Csb, mais, pour les rendre égales, il faut que les fils métalliques 7a et 7b reliant deux éléments de détection 3a et 3b et les amplificateurs tampons 4a et 4b soient formés de façon à avoir la même longueur et la même largeur et à être symetrique l'un par rapport à l'autre. Toutefois, pour former des fils métalliques satisfaisant les conditions ci-dessus indiquées, il faut imposer de nombreuses nouvelles restrictions sur la conception des fils métalliques, et ces restrictions deviennent la cause principale qui empêche la miniaturisation carte de circuit. De plus, lorsqu'on place dans une unité de gyroscope vibrant la carte de circuit dans laquelle a été formee une configuration de circuit qui satisfait les conditions ci-dessus, de nouvelles capacités parasites qui sont produites entre la configuration de circuits et d'autres éléments, tels que le cas de l'unité excluant le circuit, affectent le circuit. De plus, lorsque conditions opératoires (température, humidité, etc.) de l'unité de gyroscope vibrant varient, les capacités parasites varient, ce qui introduit les variations dans niveau et la phase des signaux de sortie du vibrateur. RESUME DE L'INVENTION C'est donc un but de l'invention de produire un gyroscope vibrant dans lequel problèmes ci-dessus mentionnés ont été résolus, l'apparition de problèmes dus à la capacité parasite et aux variations de la capacité parasite a été supprimee, et la stabilisation des signaux de sortie a été rendue possible. L'invention réduit les variations des caractéristiques d'un gyroscope vibrant en appliquant une technique de "blindage excité" à la structure circuit et en supprimant la production elle-même de la capacité parasite. Le gyroscope vibrant comprend : un vibrateur qui possède une pluralite d'éléments de détection et un élément d'excitation ; plusieurs amplifi cateurs servant à amplifier les signaux de détection venant des elements de détection respectifs ; plusieurs fils métalliques respectivement connectes entre les différents éléments de détection et les différents amplificateurs et qui sont blindés au moyen d'un potentiel électrique basé sur le signal de sortie des amplificateurs. Selon l'invention, même s'il existe une différence de câblage entre les divers moyens de connexion, les capacités parasites existant sur les étages d'entrée des amplificateurs deviennent nulles. Par conséquent, divers problemes liés à l'existence des capacités parasites peuvent être résolus. Par exemple, en ce qui concerne la conception des circuits, tracé des circuits et la structure conceptuelle prenant en considération la production de différences dans les capacités parasites deviennent inutiles et, par consequent, la liberté conception s'accroît et la miniaturisation du gyroscope vibrant devient possible. Même si les conditions ambiantes varient, les différences capacités parasites ne sont pas modifiées et, par conséquent, la variation des signaux de sortie vibrateur n'est produite que par la variation des caractéristiques propres du vibrateur. Par conséquent, l'effet des conditions ambiantes sur le signal de sortie gyroscope vibrant diminue et, puisque les variations du signal de sortie sont dues aux caractéristiques propres du vibrateur, les corrections à apporter à d'autres circuits deviennent aisées et on peut obtenir un signal de sortie plus stable et plus fiable pour le gyroscope vibrant. De plus, le signal de sortie du moyen d'addition est rendu presque identique en ce qui concerne l'amplitude à celui de chacun des moyens sortie, et, par conséquent, il devient possible de protéger le moyen de connexion contre les capacités parasites par un blindage excité utilisant le signal de sortie moyen d'addition. Ceci rend inutile l'utilisation du signal de sortie de chacun des amplificateurs. De ce fait, lorsqu'on réalise le circuit sous forme d'un circuit intégré, on peut diminuer le nombre des broches et, en outre, puisque la configuration de circuit de chacun des blindages excités est au meure potentiel, la liberté de conception des configurations de circuit augmente, la taille du gyroscope vibrant diminue, ainsi que le coût de conception ce gyroscope vibrant. DESCRIPTION SUCCINTE DES DESSINS La description suivante, conçue à titre d'illustration l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages ; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels figure 1 représente la structure de circuit d'un gyroscope vibrant selon un premier mode de réalisation de la présente invention ; figure 2 représente la structure de circuit d'un gyroscope vibrant selon un deuxième mode de réalisation de la présente invention ; et figure 3 représente la structure de circuit d'un gyroscope vibrant classique. DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTION notera qu'un élément structurel cité dans l'exemple classique présenté ci-dessus est désigné, dans les modes de réalisation, par même numéro de référence. Comme on peut le voir sur la figure 1, le gyroscope vibrant selon le premier mode de réalisation comporte un vibrateur 1. Le vibrateur 1 est doté d'un corps vibrant 2, de deux éléments de détection 3a et 3b d'un élément d'excitation L'élément d'excitation 3c est connecté à un circuit d'excitation 11, et le corps vibrant 2 vibre sous l'action du signal d'excitation venant de l'élément d'excitation 3a. Comme décrit ci-dessus, le vibrateur 1 peut être du type à lame vibrante ou du type à diapason, et le matériau du corps vibrant peut être tout matériau produisant des vibrations mécaniques, comme par exemple un matériau métallique élastique permanent du type élinvar, ou autres, un matériau céramique piézoélectrique contenant du titanate de plomb, ou autres, au titre de ses constituants principaux. Ici, lorsque le corps vibrant 2 est constitué d'un matériau métallique, on utilise pour les éléments de détection 3a et 3b des éléments piézoélectriques en forme de plaques qui sont polarisés dans la direction de l'épaisseur, et, lorsque le corps vibrant 2 est constitué d'un matériau céramique piézoélectrique, on utilise des électrodes pour les éléments de détection 3a et 3b. Les deux éléments de détection 3a et 3b sont respectivement connectes aux étages d'entrée d'amplificateurs tampons 4a et 4b par l'intermédiaire de fils métalliques 7a et 7b. De plus, les fils métalliques 7a et 7b sont connectés à tension de référence Ver par l'intermédiaire de résistances de charge RL. Le signal de sortie de l'amplificateur tampon 4a est appliqué à l'entrée d'un additionneur 5 faisant fonction d'un moyen d'addition et à un circuit différentiel 6, et, de la même façon, le signal de sortie de l'amplificateur tampon 4b est appliqué à l'entrée de l'additionneur 5 et du circuit différentiel 6. Ensuite, le signal de sortie de l'additionneur 5 est renvoyé en réaction au circuit d'excitation 11, et le signal de sortie circuit différentiel 6, faisant fonction d'un signal de détection de vitesse angulaire, est délivré à l'étage suivant d'un circuit de traitement du signal détection (non représenté). Dans la structure du circuit, on a utilisé une technique de blindage excité pour empêcher les capacités parasites produites entre les fils métalliques et 7b connectés au vibrateur 1 et à la tension de référence. On explique ceci dans ce qui suit. La technique du blindage excité doit être employée au titre d'électrode de garde pour améliorer la stabilité d'entrée des amplificateurs, comme un amplificateur opérationnel ayant une impédance d'entrée élevée. Cette technique empêche qu'une capacité parasite et un courant de fuite ne soient produits entre la partie d'entrée dans l'amplificateur et la tension d'entrée dans son voisinage. Comme représenté sur la figure 1, dans la structure de circuit d'un gyroscope vibrant selon l'invention, le signal de sortie de l'additionneur 5, dans lequel signaux venant des deux éléments de détection 3a et 3b sont ajoutés, est u t1 'lisé comme source de sional C d'excitation du blindage excité. Non seulement l'additionneur 5 ajoute les signaux de sortie venant des deux éléments de détection 3a et mais aussi il délivre un signal additionné ayant presque la même amplitude que le signal de sortie délivré par chacun des deux éléments de détection 3a et 3b du fait que l'additionneur présente un facteur d'amplification 1/2. Les fils conducteurs 7a et 7b sont dotés de blindages 8a et 8b de façon que les blindages 8a et 8b entourent respectivement les fils conducteurs 7a et Les fils conducteurs 7a et 7b et les blindages 8a et 8b peuvent être des câbles coaxiaux dans lesquels les conducteurs centraux, constitués par fils métalliques 7a 7b, sont entourés coaxialement par d'autres conducteurs, qui sont les blindages 8a et 8b, respectivement. Selon une autre possibilite, des premières configurations de câblage conductrices qui sont les fils conducteurs 7a et 7b, sont prévues sur une carte de circuit et des deuxièmes configurations de câblage conductrices, qui sont les blindages 8a et 8b, peuvent être disposées sur la carte de circuit de façon à être entourées par les autres configurations de câblage conductrices. Dans ce cas, les deuxièmes configurations de câblage conductrices faisant fonction des blindages 8a et 8b peuvent être placées sur même carte de circuit et, ou bien, empilées de façon à s'intercaler avec les premières configurations de câblage conductrices au moyen d'une technique multicouche. Les blindages 8a et 8b sont connectés à la sortie de l'additionneur 5 via un convertisseur d'impédance 10. Le convertisseur d'impédance 0 possède une impedance d'entrée élevée et une impédance de sortie faible ; un amplificateur opérationnel constitue l'un des dispositifs bien connu pour fonctionner comme convertisseur d'impédance. Avec la structure ci-dessus expliquée, les blindages 8a et 8b sont polarisés ou excités au moyen d'un potentiel électrique qui identique au potentiel électrique des signaux de détection transmis via les fils conducteurs 7a et 7b. ce fait, l'environnement des fils conducteurs 7a et 7b . maintenu à un potentiel électrique qui est le même que celui des signaux de détection transmis via fils métalliques 7a et 7b, ce qui empêche qu'une capacité parasite ne soit produite. On va maintenant expliquer, en liaison avec la figure 2, un gyroscope vibrant selon le deuxième mode de réalisation de l'invention. Les éléments structuraux identiques à ceux intervenant dans le gyroscope vibrant du premier mode de réalisation de la figure 1 reçoivent les mêmes numéros de référence, et on omet d'en donner des explications. Dans le circuit de la figure 2, chacun des étages de sortie des amplificateurs tampons 4a et 4b devient une source d'excitation pour les blindages excités, et les blindages excités 8a et 8b sont respectivement connectés à la sortie des amplificateurs tampons 4a et 4b via les convertisseurs d'impédance 10. Avec cette structure, par comparaison au cas du premier mode de réalisation, le circuit devient plus complexe, puisque le nombre des sources d'excitation augmente et passe à deux, mais la capacité parasite est supprimée comme dans le premier mode de réalisation. On comprendra en outre que le gyroscope vibrant selon l'invention n'est pas limité aux modes de réalisation ci- dessus présentés et que, par exemple, la structure de circuit des blindages excites 8a et 8b n'est pas limitée à celle présentée dans les modes de réalisation ci-dessus. En outre, dans un gyroscope vibrant servant à détecter des vitesses angulaires multiaxe, où deux ou plus de deux éléments de détection sont prévus, on réalise des blindages excités en fonction de la pluralité des éléments détection, et, plus particulièrement, lorsque l'on forme le signal de sortie 'additionneur, les sources d'excitation des blindages excités, le facteur d'amplification de l'additionneur peut être donné par 1/(nombre de signaux devant etre additionnés dans l'additionneur). Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir dispositifs dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de 'invention. REVENDICATIONS 1. Gyroscope vibrant, caractérisé en ce qu'il comprend un vibrateur (1) possédant une pluralité d'éléments de détection 3b) et un élément d'excitation (3c) ; pluralité d'amplificateurs (4a, 4b) servant à amplifier les signaux de détection venant des éléments de détection respectifs ; et pluralité de fils conducteurs (7a, 7b) respectivement connectes entre la pluralité d'éléments de détection (3a, 3b) et la pluralité d'amplificateurs (4a, 4b), où la pluralité de fils conducteurs est blindée (8a, 8b) au moyen potentiel électrique basé sur le signal de sortie des amplificateurs. 2. Gyroscope vibrant, caractérisé en ce qu'il comprend un vibrateur (1) possédant une pluralité d'éléments de détection 3b) et un élément d'excitation (3c) ; pluralité d'amplificateurs (4a, 4b) servant à amplifier les signaux de détection venant des éléments de détection respectifs ; pluralité de fils conducteurs (7a, 7b) respectivement connectes entre la pluralité d'éléments de détection et la pluralité d'amplificateurs ; et additionneur (5) servant à additionner les signaux de sortie de pluralité d'amplificateurs, où la pluralité de fils conducteurs est blindée (8a, au moyen d'un potentiel électrique basé sur le signal de sortie de l'additionneur. 3. Gyroscope vibrant selon la revendication 2, caractérisé en ce l'additionneur (5) amplifie les signaux de sortie additionnés avec un facteur d'amplification valant 1/(nombre de signaux de sortie additionnés). 4. Gyroscope vibrant selon la revendication 1, caractérisé en ce vibrateur (1) un vibrateur piézoélectrique. 5. Gyroscope vibrant selon la revendication 2, caractérisé en ce vibrateur (1) un vibrateur piézoélectrique. 6. Gyroscope vibrant, caractérisé en ce qu'il comprend un vibrateur (1) possédant une pluralité d'éléments de détection 3b) et un élément d'excitation (3c) ; pluralité d'amplificateurs (4a, 4b) servant à amplifier les signaux de détection venant des éléments de détection respectifs ; et pluralité de fils conducteurs (7a, 7b) respectivement connectes entre la pluralité d'éléments de détection et la pluralité d'amplificateurs, où la pluralité de fils conducteurs possède des blindages respectifs (8a, entourant fils conducteurs, chacun des blindages étant connecté à un potentiel électrique basé sur le signal de sortie des amplificateurs. Gyroscope vibrant, caractérisé en ce qu'il comprend un vibrateur (1) possédant une pluralité d'éléments de détection 3b) et un elément d'excitation (3c) ; pluralité d'amplificateurs (4a, 4b) servant à amplifier les signaux de détection venant des éléments de détection respectifs ; pluralité de fils conducteurs (7a, 7b) respectivement connectes entre la pluralité d'éléments de détection et la pluralité d'amplificateurs ; et additionneur servant à additionner les signaux de sortie pluralité d'amplificateurs, où la pluralité de fils conducteurs possède des blindages respectifs (8a, 8b) entourant les fils conducteurs, chacun des blindages etant connecté a un potentiel électrique basé sur le signal de sortie de l'additionneur. 8. Gyroscope vibrant selon la revendication 2, caractérisé en ce l'additionneur (5) amplifie les signaux de sortie additionnés avec un facteur d'amplification valant 1/(nombre de signaux de sortie additionnés).