Brevet FR2812386A1 — publié le 20020201

GYROMETRE A POUTRES VIBRANTES, A EXCITATION PIEZO- ELECTRIQUE La présente invention concerne des perfectionne- ments apportés aux gyromètres à résonateur mécanique comportant au moins quatre poutres vibrantes parallèles, identiques, qui sont solidaires d'un socle commun et qui possèdent la même fréquence propre, chaque poutre supportant des éléments piézo-électriques d'excitation et de détection de la vibration de la poutre. Un tel gyromètre est décrit dans le document FR-A- 2 692 349. Dans ce gyromètre connu, le résonateur mécanique comporte quatre poutres parallèles qui sont supportées par un socle massif en forme de plaque quadrangulaire (carrée ou rectangulaire notamment), les poutres étant disposées dans les zones d'angle du socle. De tels résonateurs sont fabriqués à partir d'un barreau métallique monolithique parallélépipédique rectangle ayant, en section droite, les dimensions externes du contour entourant les quatre poutres. Ce barreau est ensuite usiné pour former deux fentes longitudinales perpendiculaires l'une à l'autre, qui séparent les quatre poutres du résonateur. Ces fentes doivent être usinées avec une précision extrême, à la fois en direction et en dimension (largeur de fente e0), de manière que les poutres ainsi délimitées soient théoriquement rigoureusement identiques les unes aux autres, en pratique aussi identiques que possible les unes aux autres: tout écart dimensionnel détruit la symétrie du dispositif et induit des vibrations qui sont transmises à l'extérieur, dans la structure de support, et qui perturbent la fiabilité du gyromètre. 2 2812386 A titre d'exemple, dans les gyromètres antérieurs dans lesquels les poutres avaient une longueur de 60 mm, la largeur e0 des fentes à usiner était de l'ordre de 2 mm; dans les gyromètres actuels, la longueur des poutres a été ramenée à 38 mm, et la largeur e0 est de l'ordre de 1 mm; dans les gyromètres futurs, il est souhaitable que la longueur des poutres soit ramenée à environ 15 mm, ce qui conduirait à une valeur de e0 de l'ordre de 0,5 mm avec une précision meilleure que 0,1 Mm. Non seulement les techniques d'usinage mécanique actuelles (fraisage) ne permettent pas de réaliser des fentes de 0,5 mm dans des conditions économiques, mais la tolérance de 0,1 Mm sur toute la longueur de la fente est pratiquement impossible à respecter. La mise en oeuvre de techniques d'usinage différentes (par laser notamment) entraînerait des coûts de fabrication trop élevés. Le gyromètre décrit dans le document précité présente, par ailleurs, un inconvénient inhérent à sa structure. En effet le résonateur mécanique à quatre poutres vibrantes devrait, en théorie, correspondre à un double diapason, c'est-à-dire que deux poutres diagonalement opposées devraient, seules, être couplées du point de vue vibratoire. Or, en raison même du fait que les quatre poutres sont solidaires d'un même socle massif en forme de plaque dont la forme épouse le contour extérieur des quatre poutres, ce socle procure un couplage de toutes les poutres entre elles: autrement dit, on obtient non seulement un couplage (recherché) des poutres deux à deux diagonalement opposées, mais aussi un couplage (parasite, et non souhaité) des poutres deux à deux adjacentes, soit l'équivalent de six diapasons (parmi lesquels quatre sont non souhaités). Il en résulte une très grande difficulté d'équilibrer un tel dispositif, 3 2812386 voire l'impossibilité d'obtenir l'équilibrage parfait qui serait souhaitable (nonobstant les problèmes inhérents aux tolérances de fabrication). Enfin un autre point qui doit être pris en considération est la demande pressante, de la part des utilisateurs, pour des gyromètres de taille aussi réduite que possible, plus faciles à loger dans des espaces restreints et encombrés par ailleurs, tout en faisant en sorte que ces gyromètres soient d'un coût aussi réduit que possible eu égard à l'utilisation (parfois unique) des engins qui doivent en être équipés (obus guidés par exemple). On a déjà oeuvré, jusqu'à présent, dans le sens d'une réduction de dimension du résonateur mécanique, la longueur des poutres vibrantes ayant pu être ramenée de mm à 38 mm. Toutefois une réduction notable de cette longueur est vivement souhaitée, et il est actuellement envisagé des poutres vibrantes d'une longueur de l'ordre de 15 mm. Or, une réduction par deux de la longueur des poutres vibrantes s'accompagne d'un doublement de la fréquence de résonance, ce qui conduirait avec des agencements traditionnels de résonateur (nonobstant les difficultés de fabrication exposées plus haut) à des fréquences de résonance de l'ordre de 14 kHz, ce qui n'est pas admissible. On notera également une difficulté supplémentaire, liée à la structure connue du résonateur mécanique, qui réside dans la proximité (par exemple écart de l'ordre de Hz) des modes de résonance vis-à-vis du mode exploité (par exemple de 7 kHz), qui accroît la difficulté de filtrage du mode exploité. L'invention a donc pour but de proposer un agencement perfectionné du résonateur mécanique qui 4 2812386 permette de constituer un gyromètre qui réponde mieux aux diverses exigences de la pratique, à la fois en écartant des inconvénients des résonateurs actuels et en autorisant la réalisation, dans des conditions économiques acceptables en regard des utilisations prévues, de résonateurs de dimensions réduites. A ces fins, l'invention propose un gyromètre à résonateur mécanique comportant au moins quatre poutres vibrantes parallèles, identiques, qui sont solidaires d'un socle commun et qui possèdent la même fréquence propre, chaque poutre supportant des éléments piézo-électriques d'excitation et de détection de la vibration de la poutre, lequel gyromètre se caractérise, étant agencé conformément à l'invention, en ce que le socle possède une forme en croix et en ce que les poutres sont disposées respectivement aux extrémités des branches de la croix formée par le socle. Un résonateur mécanique ainsi agencé se rapproche sensiblement d'un double diapason, c'est-à-dire d'un résonateur à deux diapasons mutuellement transversaux formés par les paires de poutres deux à deux opposées. La partie commune des deux diapasons est réduite au seul volume d'intersection des deux branches de la croix formée par le socle, et ce seul volume est considérablement plus faible que celui du socle en forme de plaque présent dans les résonateurs actuels. Les deux diapasons se trouvent efficacement découplés l'un vis-à-vis de l'autre et les modes vibratoires interférants sont repoussés d'un ordre (troisième ordre, au lieu du deuxième ordre dans les résonateurs actuels): le dispositif de l'invention se rapproche donc, avec une bonne approximation, d'une structure à deux diapasons mutuellement transversaux. 2812386 Par ailleurs, l'usinage des quatre poutres, qui sont relativement écartées les unes des autres, peut s'opérer dans des conditions plus faciles que pour les dispositifs actuels, de sorte que le coût de fabrication peut s'avérer moins élevé que celui des dispositifs actuels à poutres rapprochées. Compte tenu de la géométrie particulière qu'il est possible de donner à l'agencement des quatre poutres vibrantes, il devient possible d'envisager un raccourcis- sement notable de ces poutres - et en particulier d'abaisser leur longueur jusqu'à une dimension de l'ordre de 15 mm en lieu et place de la longueur de l'ordre de 38 mm des poutres des dispositifs actuels - tout en conservant sensiblement la même fréquence de résonance de l'ordre de 7 kHz. Il devient ainsi possible de réaliser des gyromètres plus petits que les gyromètres présentement connus, comme le souhaitent les utilisateurs pour nombre d'applications; ou bien aussi, en conservant des poutres vibrantes de mêmes dimensions qu'antérieurement, il devient possible d'abaisser la fréquence de résonance (laquelle par exemple peut être abaissée à 4500 Hz), ce qui peut présenter un intérêt dans la conception et le fonctionnement de l'électronique accompagnant le gyromètre. Dans un mode de réalisation simple à usiner et d'un coût réduit, les branches de la croix formée par le socle sont sensiblement perpendiculaires l'une à l'autre et ont des longueurs identiques. De plus il en résulte une plus grande facilité d'équilibrage géométrique de la structure, et donc une plus grande facilité pour l'obtention d'une meilleure efficacité. De préférence aussi, les branches de la croix ont toutes la même largeur qui est sensiblement égale à la 6 2812386 dimension correspondante des poutres. La hauteur des branches de la croix peut être égale à la largeur de ces branches (branches de section sensiblement carrée) ou bien être différente de cette largeur, en lui étant soit supérieure, soit inférieure. Le choix de cette hauteur, qui détermine le choix de l'aire de la section transversale des branches et donc leur inertie, permet de déterminer la valeur de la fréquence de résonance des poutres. Dans le cas o le résonateur mécanique possède un pied de montage par encastrement et qui est solidaire du socle et qui s'étend parallèlement aux poutres, il est souhaitable que la section transversale du pied s'inscrive, au plus, dans la section transversale de croisée des branches de la croix formée par le socle. On peut ainsi obtenir plus facilement un meilleur découplage du pied vis-à-vis des éléments vibrants. Dans un premier mode de réalisation possible, le pied s'étend, par rapport au socle, à l'opposé des poutres, selon un agencement qui est du reste habituel. Toutefois, compte tenu de l'écartement mutuel des poutres vibrantes, il est également envisageable, dans un second mode de réalisation possible, que le pied s'étende, par rapport au socle, du même côté que les poutres et entre celles-ci; la longueur totale du résonateur mécanique correspond alors à la longueur des poutres vibrantes augmentée uniquement de l'épaisseur du socle en croix. On gagne alors une fraction notable de la longueur du dispositif; cette longueur, qui peut être de l'ordre de 15 mm dans les dispositifs à pied saillant qu'il est envisageable de réaliser dans le cadre de l'invention, peut encore être abaissée jusqu'à environ 10 mm dans les dispositifs à pied engagé entre les poutres: dans ces 7 2812386 conditions, il devient possible de concevoir des résonateurs mécaniques à quatre poutres vibrantes qui, encapsulés dans un boîtier, présentent des dimensions hors tout telles que 14 mm de diamètre et 10 mm de hauteur pour une fréquence de résonance de l'ordre de 6 kHz. Dans un exemple de réalisation pratique, et toujours dans le but de simplifier autant que possible l'usinage, il est avantageux que les quatre poutres aient leurs faces latérales parallèles et perpendiculaires aux branches de la croix formée par le socle. On peut alors en outre faire en sorte que les quatre plans des faces externes de respectivement les quatre poutres délimitent, en projection verticale, un carré. Enfin, on prévoit avantageusement que des trous sont percés dans chaque poutre et/ou des évidements sont creusés dans les faces de chaque poutre pour simultanément ajuster la fréquence de résonance de la poutre et équilibrer la poutre de façon à au moins réduire, voire annuler la vibration dans le pied: ce double résultat est, dans le cas du dispositif vibrant conforme à l'invention, obtenu par ce travail de perçage/évidement en raison du bon découplage existant entre les deux diapasons. Au bout du compte, les dispositions conformes à l'invention permettent d'obtenir un gyromètre à résonateur mécanique qui est petit et qui en cela répond parfaitement aux aspirations des utilisateurs; qui est performant et qui peut par exemple présenter une performance de l'ordre de 0,1 /s; qui est robuste et qui peut donc être utilisé dans des conditions difficiles, notamment dans des conditions d'accélération élevées (équipement d'obus guidés par exemple). 8 2812386 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit de certains modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs. Dans cette description, on se réfère au dessin annexé sur lequel: - la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un résonateur mécanique entrant dans la constitution d'un gyromètre conforme à l'invention; - la figure 2 est une vue de dessus du résonateur de la figure 1; - la figure 3 est une vue de dessous du résonateur de la figure 1; - la figure 4 est une vue en coupe du résonateur de la figure 1 avec son pied ancré dans un support; - la figure 5 est une vue en coupe d'un autre mode de réalisation d'un résonateur conforme à l'invention avec son pied ancré dans un support. Les figures 1 à 3 représentent la constitution générale d'un résonateur de gyromètre à poutres vibrantes agencé conformément à l'invention. Sur ces figures, seule est représentée la structure mécanique du résonateur, puisque c'est là que se situent les perfectionnements apportés par l'invention. Pour le reste - éléments piézo- électriques excités pour maintenir chaque poutre en vibration; circuits d'excitation; éléments piézo- électriques de détection des vibrations des poutres; circuit de mesure; boîtier;...-, ces composants n'ont pas été représentés pour simplifier et rendre plus claire la représentation, et on pourra se reporter au document FR-A- 2 692 349 qui décrit et illustre ces éléments, l'homme du métier étant alors en mesure de les transposer dans la structure mécanique du résonateur de l'invention. 9 2812386 De la même manière que le résonateur du document FR-A-2 692 349, le résonateur 1 de l'invention représenté aux figures 1 à 3 comporte au moins quatre pdutres (respectivement 2a, 2b, 2c et 2d) qui sont solidaires, à l'une de leurs extrémités, d'un socle commun 3. Les quatre poutres 2 sont mutuellement parallèles, identiques (et notamment ont la même longueur et la même section en forme et en surface), et ont la même fréquence propre. Le socle 3 supporte également un pied de montage 4 qui s'étend, à partir dudit socle, sensiblement parallèlement aux poutres vibrantes 2. L'ensemble qui vient d'être décrit est monobloc et peut être usiné dans un métal à faible coefficient thermo- élastique, tel celui connu sous le nom d'"elinvar". Dans l'exemple représenté, chaque poutre a une section droite qui est quadrangulaire rectangle, et plus précisément carrée, afin de simplifier le processus d'usinage. Conformément à l'invention, le socle 3, comme on le voit mieux aux figures 2 et 3, est en forme générale de croix, et plus avantageusement, pour respecter la symétrie et obtenir une structure mieux équilibrée, en forme de croix à branches 5 mutuellement perpendiculaires. Les quatre branches (respectivement 5a à 5d) sont toutes de même longueur et supportent à leurs extrémités respectives respectivement les quatre poutres 2a à 2d, qui s'élèvent sensiblement perpendiculairement à ces branches. Dans la conformation illustrée qui est simple à usiner, les quatre branches 5a à 5d du socle 3 possèdent toutes la même largeur E, laquelle est également sensiblement celle des quatre poutres 2a à 2d. Grâce à cet agencement, le dispositif ainsi constitué se rapproche sensiblement d'un double diapason, 2812386 constitué des deux diapasons 2a, 2c et 2b, 2d respecti- vement disposés transversalement (sensiblement perpendiculairement) l'un à l'autre, avec un couplage très réduit (ramené aux modes vibratoires d'ordre 3) entre les poutres adjacentes (c'est-à-dire 2a, 2b; 2b, 2c; 2c, 2d; 2d, 2a). Au surplus le pied 4 est conformé pour présenter une section droite qui est au plus égale à la section de l'intersection des branches de la croix formée par le socle 3. Comme illustré à la figure 3, le pied 4 est un cylindre de révolution dont le diamètre est inférieur à la dimension du côté du carré formé par l'intersection des branches 5a-5d. On obtient ainsi un meilleur découplage du pied 4 vis-à-vis des poutres vibrantes 2a-2d, et on réduit la transmission des vibrations vers le pied 4, et donc vers la structure de support. Bien que de nombreuses conformations géométriques puissent être envisagées pour le dessin des poutres, du socle, et de la combinaison de ceux-ci, la conformation géométriquement la plus simple, et donc la plus facile et la moins onéreuse à usiner, est celle représentée aux figures 1 à 3: les quatre poutres 2a-2d sont de section sensiblement carrée et ont leurs faces latérales parallèles et perpendiculaires aux branches 5a-5d de la croix formée par le socle; de plus les quatre plans des faces externes de respectivement les quatre poutres (c'est-à-dire les quatre plans des faces de bout de respectivement les quatre branches de la croix) délimitent, en projection verticale, un carré. Pour ce qui est des branches 5a-5d de la croix formée par le socle 3, elles peuvent avoir une hauteur égale à leur largeur (section droite carrée), ou bien il 2812386 inférieure ou supérieure à cette largeur: le choix de cette hauteur détermine la masse, et donc l'inertie de la branche, et permet de déterminer la fréquence de résonance. La conformation du dispositif illustré aux figures 1 à 3 présente l'avantage supplémentaire de conférer une latitude de positionnement du pied, en raison de l'écartement mutuel significatif des poutres 2a-2d. A la figure 4, le résonateur 1 est montré en vue de côté en coupe selon la ligne IV-IV de la figure 2 et son pied 4 s'étend, par rapport au socle 3, à l'opposé des poutres 2a-2d, en position coaxiale (centrée) par rapport à celles-ci. En position de montage, le pied 4 est partiellement encastré dans un alésage d'un support sous- jacent 6 sur lequel est ensuite rapporté un boitier protecteur (non montré). Les dispositions mises en oeuvre conformément à l'invention permettent, pour une fréquence de résonance de l'ordre de 6 kHz, d'abaisser la hauteur du dispositif à environ 15 mm, soit globalement une réduction de taille de plus de la moitié par rapport aux dispositifs actuels (environ 38 mm), avec un diamètre d'environ 14 mm. Toutefois, l'espace disponible entre les poutres 2a-2d permet d'envisager une implantation inversée du pied 4, comme illustré à la figure 5: le pied 4 s'étend alors entre les poutres 2a-2d, en position coaxiale (centrée), avec une longueur égale à celle des poutres pour simplifier la fabrication. Dans ce cas, on prévoit un support sus-jacent 7 ayant en section droite une forme générale de T dans la jambe duquel est prévu un alésage pour l'encastrement partiel du pied 4. Dans ces conditions, la hauteur du dispositif illustré à la figure 5 se trouve diminuée, par rapport à la hauteur du dispositif illustré à la figure 4, de la 12 2812386 hauteur du pied 4, soit de l'ordre de 5 mm: on est ainsi en mesure de proposer un dispositif qui, encapsulé dans un boîtier (non montré) lié au support 7, présente un diamètre de l'ordre de 14 mm avec une hauteur d'environ 10 mm, ce qui répond grandement aux aspirations de réductions dimensionnelles extrêmes par les utilisateurs. Dans le résonateur mécanique agencé conformément à l'invention, l'ajustement de la fréquence de résonance de chaque poutre et l'équilibrage entre les poutres (conduisant à une vibration nulle dans le pied) sont, ici, obtenus simultanément par un travail mécanique des poutres (de façon en soi connue: perçage de trous et/ou élimination de matière (creusures ou évidements) dans chaque poutre). Une comparaison d'un résonateur mécanique agencé conformément au document FR-A-2692 349, avec un socle en forme de plaque pleine, avec un résonateur mécanique agencé conformément à l'invention avec un socle en croix, mais ayant par ailleurs des poutres et un pied de forme et de dimensions identiques, conduit aux résultats suivants: a) la fréquence de fonctionnement, qui était auparavant de l'ordre de 7000 Hz, est maintenant abaissée à environ 4500 Hz (ou bien, pour une même fréquence de résonance, les dimensions du dispositif, et notamment la hauteur des poutres vibrantes, sont réduites); le dispositif conforme à l'invention est ainsi plus performant que le dispositif antérieur et il devient possible d'envisager une performance de l'ordre de 0,1 /s; b) le rapport de l'amplitude maximale de vibration de chaque poutre au déplacement maximum mesuré à la base du pied, qui était de 103 à 104 dans le dispositif antérieur, devient supérieur à 106 dans 13 2812386 le dispositif de l'invention: le dispositif de l'invention présente donc un excellent découplage vibratoire entre les poutres vibrantes et le pied, et donc un excellent isolement mécanique de la structure vibrante vis-àvis de la structure de support; c) l'écart de fréquence entre le mode parasite et le mode de fonctionnement passe d'environ 140 Hz à environ 250 Hz (pour une fréquence de fonctionnement d'environ 6 à 7 kHz): cet accroissement de la largeur de bande simplifie l'électronique de filtrage permettant d'isoler la fréquence de fonctionnement; d) le dispositif antérieur est constitué de quatre poutres vibrantes présentant entre elles un fort couplage en raison des liaisons procurées par le socle massif en forme de plaque (ce système étant assimilable à un ensemble de six diapasons), tandis que le dispositif de l'invention est représenté par deux diapasons seulement, faiblement couplés en raison de la forme particulière en croix donnée au socle; e) la sensibilité de l'anisotropie de fréquence aux défauts de réalisation géométrique du résonateur (et notamment des poutres vibrantes) est de l'ordre de l(Hz/pm)-1 pour le dispositif antérieur, alors qu'il devient supérieur à 10(Hz/gm)-1 pour le dispositif de l'invention; autrement dit les tolérances d'usinage du résonateur, et notamment des poutres vibrantes, peuvent être réduites, ce qui conduit à des coûts de fabrication moindres. D'une façon générale, le dispositif agencé conformément à l'invention se révèle fonctionnellement 14 2812386 meilleur et de fabrication plus simple, donc plus économique, que le dispositif antérieur et, sur tous les aspects considérés, il répond mieux aux diverses exigences de la pratique. 2812386 REVENDICATIONS 1. Gyromètre à résonateur mécanique comportant au moins quatre poutres vibrantes (2a-2d) parallèles, identiques, qui sont solidaires d'un socle commun (3) et qui possèdent la même fréquence propre, chaque poutre supportant des éléments piézo-électriques d'excitation et de détection de la vibration de la poutre, caractérisé en ce que le socle (3) possède une forme en croix et en ce que les poutres (2a-2d) sont disposées respectivement aux extrémités des branches (5a-5d) de la croix formée par le socle (3). 2. Gyromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que les branches (5a-5d) de la croix formée par le socle (3) sont sensiblement perpendiculaires l'une à l'autre et ont des longueurs identiques. 3. Gyromètre selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les branches (5a-5d) de la croix ont toutes la même largeur qui est sensiblement égale à la dimension correspondante des poutres (2a-2d). 4. Gyromètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le résonateur mécanique possède un pied (4) de montage par encastrement et qui est solidaire du socle (3) et qui s'étend parallèlement aux poutres (2a-2d), caractérisé en ce que la section transversale du pied (4) s'inscrit, au plus, dans la section transversale de croisée des branches (5a- d) de la croix formée par le socle (3). 5. Gyromètre selon la revendication 4, caractérisé en ce que le pied (4) s'étend, par rapport au socle (3), à l'opposé des poutres (2a-2d). 16 2812386 6. Gyromètre selon la revendication 4, caractérisé en ce que le pied (4) s'étend, par rapport au socle (3), du même côté que les poutres (2a-2d) et entre celles-ci. 7. Gyromètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les quatre poutres (2a-2d) ont leurs faces latérales parallèles et perpendiculaires aux branches (5a-5d) de la croix formée par le socle (3). 8. Gyromètre selon la revendication 7, caractérisé en ce que les quatre plans des faces externes de respectivement les quatre poutres (2a-2d) délimitent, en projection verticale, un carré. 9. Gyromètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que des trous sont percés dans chaque poutre et/ou des évidements sont creusés dans les faces de chaque poutre (2a-2d) pour simultanément ajuster la fréquence de résonance de la poutre et équilibrer la poutre de façon à au moins réduire la vibration dans le pied (4).