Brevet FR2953011A1 — publié le 20110527

Gyromètre à structure vibrante à au moins un diapason L'invention porte sur un gyromètre à structure vibrante à au moins un diapason, réalisé par micro-usinage dans une plaque mince. Il est connu des gyromètres à diapason comme illustré sur la figure 1. Deux ensembles inertiels mobiles EIMI et EIM2 forment un diapason, sont suspendus sur un cadre rigide CR, et possèdent deux degrés de liberté selon les axes x et y respectivement nommés axe d'excitation et axe de détection. Les ensembles inertiels mobiles EIMI, EIM2 sont reliés au cadre rigide CR par des éléments de raideur Kxl et Kx2 dans la direction d'excitation x et par des éléments de raideurs Kyl et Ky2 dans la direction de détection y. Chaque ensemble inertiel mobile EIMI, EIM2 comprend une ou plusieurs masses. Les deux ensembles inertiels mobiles EIMI et EIM2 sont mécaniquement couplés entre eux par un ensemble de couplage de raideur kcx selon la direction x d'excitation et de raideur kq selon la direction y de détection. Un tel gyromètre est, par exemple, décrit dans le document W02004/042324 (Thalès). Un tel gyromètre présente 2 modes de vibration utiles : - un mode de fréquence fx dans lequel les deux ensembles inertiels mobiles EIMI et EIM2 vibrent en opposition de phase selon l'axe x d'excitation, ce mode est nommé mode d'excitation ; et un mode de fréquence fy dans lequel les deux ensembles inertiels mobiles EIMI et EIM2 vibrent en opposition de phase selon l'axe y de détection, ce mode est nommé mode de détection. Comme illustré sur la figure 2, les deux ensembles inertiels mobiles EIMI et EIM2 sont excités sur le mode de résonance d'excitation, mode selon lequel ils vibrent en opposition de phase selon la direction de l'axe x. Une boucle d'asservissement, non représentée sur la figure, permet de maintenir la fréquence d'excitation à la fréquence de résonance fx du mode d'excitation ainsi que de maintenir l'amplitude de ce mouvement constante. En présence d'une vitesse de rotation 12, dirigée selon un troisième axe z tel que le repère (y, x, z) est direct, les forces de Coriolis provoquent un couplage entre le résonateur d'excitation et le résonateur de détection engendrant un mouvement vibratoire de chacun des deux ensembles inertiels mobiles EIMI et EIM2 selon l'axe y de détection, comme illustré sur la figure 3. Chaque ensemble inertiel mobile EIMI, EIM2 comprend plusieurs masses, par exemple deux, l'une intervenant dans le résonateur d'excitation, mais les deux intervenant dans le résonateur de détection. En d'autres termes, de manière simplifiée, le résonateur de détection comprend les deux ensembles inertiels mobiles EIMI, EIM2 et les éléments de raideurs selon l'axe y de détection, et le résonateur d'excitation comprend les deux ensembles inertiels mobiles EIMI, EIM2 et les éléments de raideurs selon l'axe x d'excitation. Les mouvements des deux ensembles inertiels mobiles EIMI et EIM2 selon l'axe y de détection sont en opposition de phase et le mouvement utile peut être défini par la demi-différence des mouvements de détection y, et y2 de chaque ensemble inertiel mobile. Ce mouvement est dorénavant nommé mouvement différentiel de détection yd;ff. On peut le définir par yde = y` 2 ya . Ce mouvement est également de fréquence de résonance fX selon l'axe x d'excitation. L'amplitude de ce mouvement différentiel de détection est proportionnelle à la vitesse de rotation. Pour des gyromètres à diapason fonctionnant en boucle ouverte, on mesure directement l'amplitude du mouvement de détection yd;ff pour obtenir une information de vitesse de rotation. Pour des gyromètres fonctionnant en boucle fermée, le mouvement de détection différentiel Ydiff est asservi à zéro par balance de force électrostatique selon l'axe y de détection. L'information de sortie du gyromètre est alors donnée par la tension de contre-réaction différentielle nécessaire à l'annulation du déplacement. Le schéma classique d'un tel asservissement est, par exemple illustré et décrit dans le brevet européen EP 1 579 176 BI (Thalès). Il est bien connu de l'homme de l'art que les imperfections de réalisation d'un gyromètre conduisent à des erreurs sur les informations délivrées en sortie du gyromètre. La plupart de ces imperfections doivent être compensées par un équilibrage du gyromètre par un équilibrage du gyromètre. II est connu de réaliser cette compensation en enlevant localement de la matière, par exemple par ablation au laser, de manière à modifier la répartition de masse ou de raideur. Cette méthode est généralement coûteuse à mettre en oeuvre sur un gyromètre micro-usiné dans une plaque mince de silicium, dont les mouvements de détection et d'excitation sont situés dans le plan du substrat. Sur les gyromètres micro-usinés en silicium, la compensation peut être réalisée de manière électrique, à partir de forces électrostatiques contrôlables par des tensions électriques commandées. De tels gyromètres disposent généralement de moyens électrostatiques, notamment des électrodes commandées, capables de compenser deux types de défauts : - le couplage mécanique entre le mode d'excitation et le mode de détection, à 'origine du biais dit en quadrature, et l'écart de fréquences entre mode d'excitation et le mode de détection. Un exemple de réalisation de compensation du biais en quadrature d'un gyromètre vibrant micro-usiné planaire dont les mouvements d'excitation et de détection sont linéaires et situés dans le plan du substrat, est décrit dans la demande de brevet WO 2007/068649 (Thalès). Toutefois, de telles compensations ne permettent pas de compenser les effets des dissymétries de masse et de raideur entre les deux branches du diapason. Or, un gyromètre à diapason dont les deux branches sont dissymétriques est sensible aux accélérations linéaires. En effet si les branches du diapason sont parfaitement symétriques, les mouvements de chaque ensemble inertiel mobile d'une branche du diapason provoqué par les accélérations linéaires restent parfaitement symétriques. Du fait de l'architecture différentielle du gyromètre à diapason, ce mouvement n'a pas d'effet détectable et ne peut donc pas perturber la sortie du gyromètre. En revanche, en présence de dissymétries de masse ou de raideur entre les deux ensembles inertiels mobiles des branches du diapason, les accélérations linéaires selon l'axe y de détection provoquent alors des mouvements non symétriques selon l'axe y de détection des deux ensembles inertiels mobiles. L'effet de ces mouvements dissymétriques est alors détectable et amène une perturbation du signal de sortie du gyromètre. Cette perturbation peut se traduire par une sensibilité de la sortie du gyromètre aux accélérations statiques ou aux accélérations dynamiques selon l'axe y de détection. L'information S délivrée en sortie du gyromètre, exprimée en 5 degrés/heure (deg/h ou °/h) peut être mise sous la forme de la relation suivante : S=So+cyyy dans laquelle : So représente le signal de sortie du gyromètre en l'absence d'accélération, 10 en deg.h-1, yy représente une accélération linéaire statique ou dynamique selon l'axe y de détection, en G, G étant égal à 9.81 m.s 2, cy représente la sensibilité de la sortie S à l'accélération yy , en deg.h"'.G"', et 15 cy =a& +b&ny , a étant un coefficient de sensibilité, en deg.h-'.G"'.N.m 1 pouvant éventuellement varier en fonction de la fréquence de l'accélération, b étant un coefficient de sensibilité, en deg.h-1.G"1.kg"' pouvant éventuellement varier en fonction de la fréquence de l'accélération, 20 &n = mlùm2 représentant l'écart de masses entre les deux branches du diapason, en kg et bk =k1ùk2 représentant l'écart de raideurs entre les deux branches du diapason, en N.m-l. La réduction de la sensibilité aux vibrations ou aux accélérations 25 linéaires selon l'axe y de détection, peut être obtenue par équilibrage des deux branches du diapason. Sur certains gyromètres à diapason métallique ou en quartz, cet équilibrage est réalisé par une ablation locale de matière consistant à créer une dissymétrie de masse ou de raideur opposée aux dissymétries initiales 30 du diapason. Cette méthode est généralement coûteuse et difficile à mettre en oeuvre sur des gyromètres micro-usinés en silicium de petite taille. II est également possible d'utiliser des forces électrostatiques commandées permettant de créer une dissymétrie de raideur électrostatique contrôlée par un signal électrique qui s'oppose aux dissymétries initiales. De telles méthodes sont appliquées sur les gyromètres à coques vibrantes ou à anneau vibrant. Un but de l'invention est de compenser des dissymétries de masses ou de raideur du résonateur de détection ou diapason d'un gyromètre à diapason silicium, à coût réduit, et avec une précision améliorée. Selon un aspect de l'invention, il est proposé un gyromètre à structure vibrante à au moins un diapason, réalisé par micro-usinage dans une plaque mince, ledit diapason comprenant une paire d'ensembles inertiels mobiles reliés par un ensemble de couplage, un ensemble inertiel mobile ~o étant muni de premiers éléments de raideur essentiellement déformables dans le plan de la plaque selon un axe x d'excitation et de deuxièmes éléments de raideur essentiellement déformables dans le plan de la plaque selon un axe y de détection sensiblement perpendiculaire à l'axe x. Le gyromètre comprend, en outre, pour le diapason, deux premières électrodes 15 commandées d'excitation électrostatique selon l'axe x d'excitation respectivement associées aux deux ensembles inertiels mobiles, deux deuxièmes électrodes commandées de détection capacitive du mouvement d'excitation selon l'axe x d'excitation respectivement associées aux deux ensembles inertiels mobiles, et deux troisièmes électrodes commandées de 20 détection capacitive du mouvement d'excitation selon l'axe y de détection respectivement associées aux deux ensembles inertiels mobiles. Lorsque le mouvement de détection est asservi par balance de force électrostatique, le gyromètre comprend deux électrodes commandées permettant d'appliquer la force électrostatique de contre-réaction nécessaire à l'asservissement du 25 mouvement de détection. Le gyromètre comprend également : deux quatrièmes électrodes commandées d'équilibrage du résonateur de détection et d'ajustement électrostatique de la fréquence du résonateur de détection selon l'axe y de détection respectivement associées aux deux 30 ensembles inertiels mobiles dudit diapason, et des moyens de commande adaptés pour appliquer deux tensions électriques VI et V2 continues respectives auxdites deux quatrièmes électrodes vérifiant vérifiant simultanément les relations : 2 2 (fi, _ initiale ù / y _ finale - /if et V2 _V2 _ Cy_initiale i 2 ù a2 dans lesquelles : fy_initiaie représente la fréquence de résonance initiale, lorsque les tensions électriques VI et V2 sont nulles, du mode de détection selon l'axe y de détection, en Hz, fy_finale représente la fréquence de résonance finale du mode de détection selon l'axe y de détection à ajuster, en Hz, et pf représente un coefficient de sensibilité de la fréquence du mode détection au carré de la tension électrique appliquée sur lesdites quatrièmes électrodes (9, 9'), en Hz.V-2, cy_iniue représente la sensibilité initiale du gyromètre, lorsque les deux tensions électriques VI et V2 sont nulles, aux accélérations linéaires selon l'axe y de détection en deg.h-I.G"1, a représente un coefficient caractérisant l'influence d'un écart de raideur entre les deux branches du diapason sur la sensibilité du gyromètre aux accélérations linéaires selon l'axe y, en deg.h-I.G"'.N-'.m, pouvant éventuellement varier en fonction de la fréquence de l'accélération, 2f représente un coefficient de raideur électrostatique dépendant desdites quatrièmes électrodes (9, 9') en N.m"1.V"2, VI et V2 sont exprimées en Volts, et G vaut 9,81 m.s 2. Un tel gyromètre est ainsi, à coût réduit, compensé, de manière à limiter fortement, voire annuler les dissymétries de masses ou de raideur du 25 diapason ou des diapasons. En outre, la précision est ainsi encore améliorée, car l'ajustement de l'écart de fréquences entre le mode de détection et d'excitation permet de mieux maîtriser le couplage gyrométrique entre le mode de détection et le mode d'excitation et de s'affranchir ainsi des dispersions occasionnées par 30 certains défauts de fabrication sur ce couplage. Le mouvement de détection du résonateur de détection peut être annulé par asservissement par balance de forces électrostatique, ladite fréquence de résonance finale fy_finale est alors égale à la fréquence fX du mode d'excitation selon l'axe x d'excitation, et l'égalisation des deux fréquences peut être atteinte soit en utilisant une boucle de rétroaction pour commander lesdites cinquième électrodes, soit par une commande en boucle ouverte desdites cinquième électrodes. Dans un autre mode de réalisation, dans lequel le mouvement de détection du résonateur de détection est en boucle ouverte, ladite fréquence de résonance finale fy_finale est égale à somme de la fréquence fx du mode du mode d'excitation selon l'axe x d'excitation et d'un écart de fréquence iXff prédéterminé. L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes de réalisation décrits à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : les figures 1, 2 et 3 illustrent schématiquement un gyromètre à diapason et son fonctionnement, de l'état de la technique ; et la figure 4 illustre un mode de réalisation d'un gyromètre à structure vibrante à au moins un diapason, réalisé par micro-usinage dans une plaque mince, selon un aspect de l'invention. Sur les différentes figures, les éléments ayant des références 20 identiques sont similaires. Sur la figure 4 est représenté schématiquement un gyromètre à structure vibrante à un diapason, réalisé par micro-usinage dans une plaque mince. Bien entendu, l'invention s'applique également à un gyromètre à 25 structure vibrante, réalisé par micro-usinage dans une plaque mince, comprenant un nombre quelconque de diapasons. Deux ensembles inertiels mobiles EIMI et EIM2 reliés par un ensemble de couplage 1 forment un diapason, et sont suspendus sur un cadre rigide CR. Les deux ensembles inertiels mobiles EIMI et EIM2 30 possèdent deux degrés de liberté selon les axes x et y respectivement nommés axe d'excitation et axe de détection. Les axes x d'excitation et y de détection sont sensiblement orthogonaux. Un ensemble inertiel mobile est, par exemple, tel que décrit dans la demande de brevet W02004/042324 (Thalès). Chaque ensemble inertiel mobile EIMI, EIM2 est respectivement muni de premiers éléments de raideur 2, 2' essentiellement déformables dans le plan de la plaque selon l'axe x d'excitation. En outre, chaque ensemble inertiel mobile EIMI, EIM2 est respectivement muni de deuxièmes éléments de raideur 3, 3' essentiellement déformables dans le plan de la plaque selon l'axe y de détection. De manière classique, le gyromètre comprend une unité de commande électronique UCE, et deux premières électrodes commandées 4, 4' d'excitation électrostatique selon l'axe x d'excitation respectivement associées aux deux ensembles inertiels mobiles EIMI, EIM2. Deux deuxièmes électrodes commandées 5, 5' de détection capacitive du mouvement d'excitation selon l'axe x d'excitation sont respectivement associées aux deux ensembles inertiels mobiles EIMI, EIM2. De plus, deux troisièmes électrodes commandées 6, 6' de détection capacitive du mouvement d'excitation selon l'axe y_de détection sont respectivement associées aux deux ensembles inertiels mobiles EIMI, EIM2. Lorsque le mouvement de détection est asservi par balance de force électrostatique le gyromètre comprend deux électrodes 7 et 7' associées aux deux ensembles mobiles EIMI et EIM2 et permettant d'appliquer la force électrostatique de contre-réaction nécessaire à l'asservissement du mouvement de détection. Deux électrodes additionnelles optionnelles commandées 8, 8' peuvent servir à compenser le biais en quadrature. Le gyromètre comprend également deux quatrièmes électrodes commandées 9, 9' d'équilibrage du résonateur de détection et d'ajustement électrostatique de la fréquence du résonateur de détection selon l'axe y de détection respectivement associées aux deux ensembles inertiels mobiles (EIMI, EIM2) dudit diapason. Une unité de commande électronique UCE gère le fonctionnement du gyromètre. L'unité de commande électronique UCE est adaptée pour appliquer deux tensions électriques VI et V2 continues respectives auxdites deuxl quatrièmes électrodes 9, 9' vérifiant la relation v2 +v2 = 2 (fy-initiale .fy_ finale / /if dans laquelle : fy_initiaie représente la fréquence de résonance initiale, lorsque les tensions électriques VI et V2 sont nulles, du mode de détection selon l'axe y de détection, en Hz, fy_t;naie représente la fréquence de résonance finale du mode de détection selon l'axe y de détection à ajuster, en Hz, et pt représente un coefficient de sensibilité de la fréquence du mode détection au carré de la tension électrique appliquée sur lesdites quatrièmes électrodes, en Hz.V-2. En effet, en appliquant des tensions électriques VI et V2 sur chacune des deux quatrièmes électrodes d'équilibrage 9 et 9', des raideurs électrostatiques négatives ke11 et ke12, en N.m 1, selon l'axe y de détection, sont crées sur chacune des deux branches EIMI et EIM2 du diapason : ken = -2.Vi2, et ken = -22VV À représentant un coefficient qui caractérise la proportionnalité entre la raideur électrostatique et le carré de la tension électrique appliquée sur les quatrièmes électrodes 9, 9', en N.m"'.V-2. Ces variations de raideurs ont pour effet de créer un écart de raideurs Ale entre les deux branches EIMI et EIM2 du diapason, proportionnellement à la différence des carrés des tensions VI et V2 appliquées, Mk vérifiant la relation suivante : tek = -2(~2 ù V2 Ces variations de raideur ont aussi pour effet de diminuer la fréquence de résonance du mode de détection selon l'axe y de détection proportionnellement à la somme des carrés des tensions appliquées, selon la relation suivante : fy _ finale = f y _ initiale 2f (V 2 + V2 ) Aussi, pour atteindre la valeur finale ou souhaitée fy_fnaie de la fréquence de résonance du mode de détection selon l'axe y de détection, les tensions électriques VI et V2 à appliquer aux quatrièmes électrodes 9, 9' doivent respecter la relation suivante : v2 + V 2ù 2 (f y initiale ù fy_ finale ) 1 2 ù f Pour que {le trim ou ajustement de fréquence soit possible, le terme ({y_initiale ùJ y_ finale) doit toujours être positif. Cela est obtenu par un dimensionnement du gyromètre qui garantit que l'écart de fréquence ( y_initiale ù fy_ finale reste toujours positif, ceci malgré les dispersions de réalisation. L'écart de raideur Ale entre les deux branches EIMI et EIM2 du diapason, a pour effet de créer une sensibilité Sy du gyromètre aux accélérations linéaires selon l'axe y de détection, vérifiant la relation s7 = a2,(V2 ù V2 )yy , et pouvant se soustraire à la sortie initiale S valant Cy_initiale'/ y ' Ainsi, on obtient une sortie S vérifiant la relation suivante: S = Cy_initiale'yy-a/l(V,2 -V22 ) y La sortie S peut ainsi être annulée en ajustant les tensions V1 et V2 de telle sorte que la condition suivante soit remplie : V 2 ù V2 = Cyitale (équation 1) aÂ Le terme Cy initiale qui représente la sensibilité initiale du gyromètre à l'accélération peut être mesuré par exemple lors de la calibration du gyromètre. La différence des carrés des tensions électriques V1 et V2 permet à l'unité de commande électronique UCE de contrôler la sensibilité du gyromètre aux vibrations et la somme des carrés des tensions électriques V1 et V2 permet à cette unité de commande électronique UCE de contrôler la fréquence du mode de détection. Par exemple, on peut considérer que les tensions électriques 25 maximales applicables sur les quatrièmes électrodes 9, 9' sont de 20 V, et que les coefficients a, Àf, et P f réalisent les conditions suivantes : a2fe--e 0.5 °/h/g/V2,et 2 /IF - 0.79 Hz /V Les tensions électriques V1 et V2, nécessaires pour des valeurs 3o déterminées de Cy_initiale et de fy_initiale fy_ finale , vérifient alors les relations suivantes{ : V 2 = 1 / y _ initiale ù J'y y finale + Cr_ initiale 1 2 0.79 0.5 ( fy_initiale V 2 _ ù fy _finale _ Cy initiale 2 2` 0.79 0.5 Les tensions électriques VI et V2 sont comprises entre 0 V et 20 V. fy_initiale ù fy_ finale est toujours positif. En revanche, cy initiale peut être positif ou négatif. En supposant Cy_initiaie positif, les deux conditions suivantes doivent alors être respectées : 1 fy_initiale ù fy_ finale + Cy_initiale j ≤ 202 2 0.79 0.5 fy_initiale ùfy_finale Cy_initiale i0 2 \ 0'79 0.5 i ou encore : 0.79 Cy_initiale REVENDICATIONS1. Gyromètre à structure vibrante à au moins un diapason, réalisé par micro-usinage dans une plaque mince, ledit diapason comprenant une paire d'ensembles inertiels mobiles (EIMI, EIM2) reliés par un ensemble de couplage (1), un ensemble inertiel mobile (EIMI, EIM2) étant muni de premiers éléments de raideur (2, 2') essentiellement déformables dans le plan de la plaque selon un axe x d'excitation et de deuxièmes éléments de raideur (3, 3') essentiellement déformables dans le plan de la plaque selon un axe y de détection sensiblement perpendiculaire à l'axe x, le gyromètre comprenant, en outre, pour le diapason, deux premières électrodes commandées (4, 4') d'excitation électrostatique selon l'axe x d'excitation respectivement associées aux deux ensembles inertiels mobiles (EIMI, EIM2), deux deuxièmes électrodes commandées (5, 5') de détection capacitive du mouvement d'excitation selon l'axe x d'excitation respectivement associées aux deux ensembles inertiels mobiles (EIMI, EIM2), et deux troisièmes électrodes commandées (6, 6') de détection capacitive du mouvement d'excitation selon l'axe y de détection respectivement associées aux deux ensembles inertiels mobiles (EIMI, EIM2), caractérisé en ce qu'il comprend : deux quatrièmes électrodes commandées (9, 9') d'équilibrage du résonateur de détection et d'ajustement électrostatique de la fréquence du résonateur de détection selon l'axe y de détection respectivement associées aux deux ensembles inertiels mobiles (EIMI, EIM2) dudit diapason, et des moyens de commande (UCE) adaptés pour appliquer deux tensions électriques VI et V2 continues respectives auxdites deux quatrièmes électrodes ({ (9, 9'){ vérifiant simultanément les relations : v 2 + v2 _ 2 y _ initiale ù / Y _ finale) et v 2 ù V 2 = Cy _initiale i /if 2 a2f dans lesquelles : fy_initiaie représente la fréquence de résonance initiale, lorsque les tensions électriques VI et V2 sont nulles, du mode de détection selon l'axe y de détection, en Hz,fy_finale représente la fréquence de résonance finale du mode de détection selon l'axe y de détection à ajuster, en Hz, et laf représente un coefficient de sensibilité de la fréquence du mode détection au carré de la tension électrique appliquée sur lesdites quatrièmes électrodes (9, 9'), en Hz.V"2, cy_intaale.`' représente la sensibilité initiale du gyromètre, lorsque les deux tensions électriques VI et V2 sont nulles, aux accélérations linéaires selon l'axe y de détection en deg.h"'.G-', a représente un coefficient caractérisant l'influence d'un écart de raideur entre les deux branches du diapason sur la sensibilité du gyromètre aux accélérations linéaires selon l'axe y, en deg.h-'.G-'.N"'.m, pouvant éventuellement varier en fonction de la fréquence de l'accélération, /.f représente un coefficient de raideur électrostatique dépendant desdites quatrièmes électrodes (9, 9') en N.m"1.V-2, VI et V2 sont exprimées en Volts, et G vaut 9,81 m.s-2. 2. Gyromètre selon la revendication 1, dans lequel, lesdits moyens de commande commandant lesdites cinquièmes électrodes (9, 9') en boucle ouverte, ladite fréquence de résonance finale fy_finale est égale à la fréquence fx du mode du mode d'excitation selon l'axe x d'excitation. 3. Gyromètre selon la revendication 1, dans lequel, lesdits moyens de commande commandant lesdites cinquièmes électrodes (9, 9') en boucle fermée, ladite fréquence de résonance finale fy finale est égale à la fréquence fx du mode du mode d'excitation selon l'axe x d'excitation. 4. Gyromètre selon la revendication 1, dans lequel, lesdits moyens de commande commandant lesdites cinquièmes électrodes (9, 9') en boucle ouverte, ladite fréquence de résonance finale fy finale est égale à somme de la fréquence fx du mode du mode d'excitation selon l'axe x d'excitation et d'un écart de fréquence 4fy prédéterminé.