Brevet FR3097044A1 — publié le 20201211

Description Titre de l'invention : Capteur de vitesse de rotation Domaine technique [0001] La présente invention se rapporte à un capteur de vitesse de rotation comportant un substrat ayant un plan principal d'extension et au moins un oscillateur massique relié à une structure d'entraînement par un ou plusieurs éléments de ressort et excité pour osciller dans une direction d'excitation parallèle au plan principal d'extension, le capteur de vitesse de rotation ayant un premier et un second élément d'ancrage reliés au substrat, l'oscillateur massique relié au premier élément d'ancrage par un premier élément de ressort et au second élément d'ancrage par un second élément de ressort pouvant être dévié le long d'une direction de détection parallèle au plan principal d'extension et perpendiculaire à la direction d'excitation. Technique antérieure [0002] On connaît de multiples formes de réalisation dc capteurs dc vitesse de rotation mi- cromécaniques selon l'état dc la technique. Un principe de fonctionnement usuel consiste à détecter la vitesse dc rotation par l'action combinée de la force dc Coriolis. Pour cela on communique un mouvement périodique à un ou plusieurs oscillateurs massiques de façon que la rotation génère une force perpendiculaire à la direction du mouvement. Le mouvement périodique est entretenu par une structure d'entraînement couplée à l'oscillateur massique par des éléments de ressort. Pour détecter la force de Coriolis, il faut de plus que l'oscillateur massique soit monté de façon à osciller dans la direction perpendiculaire à la direction d'entraînement. Cette suspension est réalisée par des éléments de ressort accrochés au substrat. [0003] Or les tensions mécaniques et la dilatation thermique peuvent modifier les écarts et les positions relatives des points d'ancrage, ce qui peut fausser les propriétés dynamiques dc l'oscillateur massique, suspendu. [0004] BUT DE L'INVENTION [0005] La présente invention a pour but de développer un capteur de vitesse de rotation présentant une moindre sensibilité aux contraintes concernant le décalage, la quadrature et la sensibilité. [0006] EXPOSE ET AVANTAGES DE L'INVENTION [0007] A cet effet l'invention a pour objet un capteur de vitesse de rotation comportant un substrat ayant un plan principal d'extension et au moins un oscillateur massique relié à une structure d'entraînement par un ou plusieurs éléments de ressort et est excité pour osciller dans une direction d'excitation parallèle au plan principal d'extension, le capteur de vitesse de rotation ayant un premier et un second élément d'ancrage reliés 2 au substrat, l'oscillateur massique relié au premier élément d'ancrage par un premier élément de ressort et au second élément d'ancrage par un second élément de ressort pouvant être dévié le long d'une direction de détection parallèle au plan principal d'extension et perpendiculaire à la direction d'excitation, cc capteur de vitesse de rotation étant caractérisé en ce que le premier et le second élément d'ancrage sont proches du centre géométrique de l'oscillateur massique. [0008] Le capteur de vitesse de rotation selon l'invention, tel que défini ci-dessus, présente l'avantage, vis-à-vis des capteurs de l'état de la technique, de réduire les effets des distorsions du substrat par le positionnement des éléments d'ancrage. Lorsque des tensions mécaniques ou des facteurs thermiques produisent des accumulations ou des extensions du substrat, la variation de distance entre deux points du substrat est d'autant plus grande que les deux points sont écartés. Le positionnement selon l'invention des éléments d'ancrage à proximité du centre géométrique de l'oscillateur massique rapproche les points d'ancrage ce qui évite la variation de l'écartement entre les points d'ancrage. [0009] Le centre géométrique selon l'invention est le centre de gravité géométrique, c'est-à-dire le point qui correspond à la moyenne de tous les points de l'oscillateur massique. Le centre géométrique n'est pas identique au centre de gravité massique, niais les deux points sont en général proches dans les cas déterminants pris en compte ici. Comme en premier lieu l'extension de l'oscillateur massique dans le plan principal d'extension est l'élément déterminant, le centre géométrique correspond, pour l'essentiel, au centre géométrique de la surface de la projection de l'oscillateur massique sur le plan principal d'extension. Les indications de position des éléments d'ancrage sont les points respectifs où les éléments d'ancrage sont reliés au substrat. Dans la suite, on désignera également ces points par l'expression "point d'ancrage". [0010] Selon un développement préférentiel de l'invention, et comme déjà indiqué, le premier et le second élément d'ancrage sont symétriques par rapport au centre géométrique de l'oscillateur massique. Cela est particulièrement pertinent dans l'état dans lequel l'oscillateur massique est, lui-même, symétrique comme, par exemple avec une symétrie axiale par rapport à l'axe médian. Une disposition symétrique correspondante des points d'ancrage, réalise une suspension qui conserve la symétrie du dispositif et soutient l'oscillateur massique, de façon équilibrée en son milieu [0011] Selon un autre développement préférentiel de l'invention, le premier et le second élément d'ancrage sont écartés dans la direction d'excitation. Ainsi, l'oscillateur massique est avantageusement accroché (ancré) en différents points du substrat et les deux points se trouvent à proximité du centre géométrique de ce qui garantit la robustesse selon l'invention vis-à-vis des déformations du substrat. Le choix de la distance dépend de facteurs complémentaires tels que la forme et le positionnement des 3 éléments de ressort si bien que globalement, on a un montage particulièrement équilibré de l'oscillateur massique. [0012] Selon un autre développement préférentiel de l'invention, le premier et le second élément d'ancrage sont directement adjacents ou coïncident pratiquement. Dans cette forme de réalisation, l'effet technique dc l'invention est au maximum car une déformation du substrat ne modifie pratiquement pas la distance relative entre les points d'ancrage. Si les deux points d'ancrage coïncident et forment ainsi un unique élément d'ancrage relié aux deux éléments de ressort, on aura en outre une simplification avantageuse de la structure totale du capteur micromécanique. [0013] Selon un autre mode de réalisation préférentiel de l'invention, le premier et le second élément d'ancrage sont alignés sur la direction d'excitation. En d'autres termes, la ligne de jonction entre les deux points d'ancrage est parallèle à la direction d'excitation. Comme les ressorts reliés aux éléments d'ancrage déplacent l'oscillateur massique pour que celui-ci puisse osciller librement dans la direction de détection, il est avantageux que les points d'ancrage ne soient pas décalés dans la direction de détection. Si au contraire, la forme de l'oscillateur massique était notamment symétrique par rapport à la direction de détection, un tel décalage détériorerait en plus la symétrie du montage. Une possibilité de positionnement préférentiel consiste dans ce cas à écarter les éléments d'ancrage dans la direction de détection, symétriquement par rapport à l'axe de symétrie de l'oscillateur massique. [0014] Selon un autre développement de l'invention, l'oscillateur massique a un cadre auquel le premier et le second élément d'ancrage sont reliés. [0015] Selon une autre forme de réalisation préférentielle de l'invention, le premier et le second élément de ressort s'étendent pratiquement dans la direction d'excitation entre le premier et le second point d'ancrage et le châssis. Dans cette forme de réalisation, les ressorts peuvent se présenter, par exemple, sous la forme de poutres flexibles ce qui permet le débattement de l'oscillateur massique dans la direction de détection par la flexion des poutres. [0016] Selon un autre développement préférentiel de l'invention, le cadre a une symétrie axiale par rapport à l'axe médian passant par le centre géométrique de l'oscillateur massique et parallèle à la direction de détection. [0017] Selon un autre développement préférentiel de l'invention, le capteur de vitesse de rotation a un troisième et un quatrième élément d'ancrage solidaires du substrat en étant relié par un troisième élément de ressort au troisième élément d'ancrage et par un quatrième élément de ressort au quatrième élément d'ancrage. Dans cette forme de réalisation, l'oscillateur massique est relié aux quatre éléments d'ancrage par des ressorts, ce qui se traduit avantageusement par une suspension particulièrement stable et équilibrée. L'idée de l'invention est alors réalisée en ce qu'au moins le premier et le second élément d'ancrage sont proches du centre ce qui vis-à-vis des suspensions usuelles, réduit la distance entre tous les éléments d'ancrage. De façon particulièrement préférentielle, le troisième et le quatrième élément d'ancrage sont aussi proches que possible du centre dans la mesure où un tel positionnement ne s'oppose pas à d'autres contraintes de construction ou autres raisons. [0018] Selon un autre développement préférentiel de l'invention, le premier et le second élément d'ancrage sont à l'intérieur du cadre et le troisième et le quatrième élément d'ancrage sont à l'extérieur du cadre. La disposition du premier et du second élément d'ancrage dans le cadre facilitent le positionnement à proximité du centre géométrique. On pourrait également envisager que seulement le troisième et le quatrième élément d'ancrage se trouvent également dans le cadre. [0019] Selon un autre développement préférentiel de l'invention, le troisième et le quatrième élément d'ancrage sont symétriques par rapport à l'axe médian passant par le centre géométrique de l'oscillateur massique et parallèle à la direction de détection. Comme pour le développement déjà présenté ci-dessus, selon lequel le premier et le second élément d'ancrage, sont symétriques par rapport à l'axe médian, on pourra réaliser de cette manière une suspension régulière et équilibrée. [0020] Selon un autre développement préférentiel de l'invention, le troisième et le quatrième élément de ressort sont reliés chacun à un point du cadre. [0021] Selon un autre développement préférentiel de l'invention, le troisième et le quatrième élément d'ancrage sont décalés par rapport aux coins de l'oscillateur massique en direction de l'axe médian passant par le centre géométrique de l'oscillateur massique et parallèle à la direction de détection. Le décalage du troisième et du quatrième élément d'ancrage en direction de l'axe central permet de réaliser une suspension dont tous les quatre éléments d'ancrage sont rapprochés du centre géométrique. Il en résulte l'effet technique d'une robustesse vis-à-vis des déformations du substrat, ce qui est particulièrement avantageux. Brève description des dessins [0022] La présente invention sera décrite ci-après, de manière plus détaillée à l'aide d'un mode de réalisation d'un capteur de vitesse de rotation représenté dans les dessins annexés dans lesquels : [0023] [fig.1] est une représentation schématique d'un capteur de vitesse de rotation selon l'état de la technique, [0024] [fig.2] est une vue schématique d'un premier mode de réalisation d'un capteur de vitesse de rotation selon l'invention, [0025] [fig.3] est une représentation schématique d'un capteur de vitesse de rotation selon un second mode de réalisation de l'invention. [0026] Dans les différentes figures, on utilisera les mêmes références pour désigner les mêmes éléments. [0027] DESCRIPTION DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTION [0028] La figure 1 montre schématiquement un capteur de vitesse de rotation 1 selon l'état de la technique. L'oscillateur massique 2 se compose d'un cadre 11 relié par des éléments de couplage 3 à un mécanisme d'entraînement (non représenté) pour que le moyen d'entraînement puisse mettre l'oscillateur massique 2 en oscillation dans la direction d'excitation 4. La rotation du capteur 1 autour d'un axe non parallèle à la direction d'excitation 4 applique à l'oscillateur massique 2, une force de Coriolis perpendiculaire à la direction d'excitation 4 et aussi perpendiculaire à l'axe de rotation. Si cette force a une composante dans la direction dc détection 5, cela se traduit par un débattement de l'oscillateur massique 2 dans cette direction. Pour mesurer cc débattement, l'oscillateur massique 2 comporte des électrodes 18 décalés par rapport aux électrodes 17 solidaires du substrat pour le mouvement de débattement ; ce débattement pourra ainsi être mesuré par le signal électrique généré. [0029] Pour appliquer ce principe de fonctionnement, il faut que la suspension dc l'oscillateur massique 2 permette ce déplacement dans la direction de détection 5. Le capteur de vitesse de rotation 1 représenté, comporte à cet effet quatre suspensions pour l'oscillateur massique 2. Pour sa suspension, l'oscillateur massique 2 est relié aux ressorts 8, 9, 15, 16 eux-mêmes reliés solidairement au substrat par les éléments d'ancrage 6, 7, 13, 14. Dans cette forme de réalisation, les points d'ancrage 6, 7, 13, 14 sont situés aux coins de l'oscillateur massique 2 et les ressorts 8, 9, 15, 16 sont reliés aux coins à l'oscillateur massique 2. [0030] La figure 2 est une représentation schématique d'une forme de réalisation de la suspension selon l'invention. Le couplage à l'entraînement et la forme du cadre 11 de l'oscillateur massique 2 sont identiques aux éléments correspondants représentés à la figure 1 selon l'état de la technique. La forme de réalisation représentée a toutefois un premier et un second élément d'ancrage selon un concept de la présente invention, en position centrale, à proximité du centre géométrique 10. Comme la forme de l'oscillateur massique 2 est symétrique axialement par rapport à l'axe médian 12 passant par le centre géométrique 10, il est avantageux que les éléments d'ancrage 6, 7 soient également symétriques pai- rapport à cet axe 12 et en particulier qu'ils soient également symétriques au centre 10. Dans la forme de réalisation représentée, les éléments d'ancrage 6, 7 sont écartés dans la direction d'excitation 4 et sont alignés dans cette direction 4. Le premier élément de ressort 8 s'étend dans la direction d'excitation 4 entre l'élément d'ancrage 6 et le cadre 11 alors que le second élément de ressort 9 est symétrique entre l'élément d'ancrage 7 et le cadre 11. Grâce à cette suspension réalisée comme indiqué, l'oscillateur massique 2 est monté pour que la 6 force de Coriolis produise la flexion des éléments de ressort 8.9 dans la direction de détection 5. Les éléments d'ancrage 6, 7 sont ainsi, selon l'invention, très proches l'un de l'autre. Ainsi, la déformation du substrat pour des misons mécaniques ou des tensions d'origine thermique, ne modifie pratiquement pas la distance relative entre les éléments d'ancrage 6, 7. [0031] Le capteur de vitesse de rotationl tel que représenté comporte en plus du premier et du second élément d'ancrage 6, 7 un troisième et un quatrième élément d'ancrage 13, 14. Les éléments d'ancrage 6,7 sont à l'intérieur du cadre 11 alors que les éléments d'ancrage 13, 14 sont à l'extérieur du cadre 11. Les éléments de ressort 15, 16 qui font partie des éléments d'ancrage 13, 14 sont reliés aux coins de l'oscillateur massique 2. Les éléments d'ancrage 13, 14 eux-mêmes sont décalés en direction de l'axe central 12 par rapport aux positions des coins de sorte qu'ils sont plus près des éléments d'ancrage 6,7 et du centre 10. Dans ce cas également, l'idée de l'invention se traduit par une réduction de la distance entre les éléments d'ancrage 6, 7, 13, 14 et une plus grande robustesse vis-à-vis des déformations du substrat. [0032] La figure 3 est une représentation schématique d'un autre mode de réalisation de la suspension selon l'invention. Cette forme de réalisation correspondant en grande partie à la forme de réalisation de la figure 2 ; toutefois, dans le cas présent, les éléments d'induit 6 et 7 coïncident pour l'essentiel et forment avec les ressorts 8, 9 une suspension commune en position centrale des oscillateurs massiques 2. [0033] NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX [0034] 1 Capteur de vitesse de rotation [0035] 2 Oscillateur massique [0036] 3 Elément de couplage [0037] 4 Direction d'excitation [0038] 5 Sens de rotation / direction de détection [0039] 6, 7 Eléments d'ancrage [0040] 8, 9 Ressorts [0041] 10 Centre géométrique [0042] 11 Cadre [0043] 12 Axe médian [0044] 13, 14 Eléments d'ancrage [0045] 15, 16 Ressorts [0046] 17 Electrode solidaire du substrat [0047] 18 Electrode de l'oscillateur 7 REVENDICATIONS[Revendication 1] Capteur de vitesse de rotation (1) comportant un substrat ayant un plan principal d'extension et au moins un oscillateur massique (2), relié à une structure d'entraînement par un ou plusieurs éléments de ressort (3) et excité pour osciller dans une direction d'excitation (4) parallèle au plan principal d'extension, le capteur de vitesse dc rotation (1) ayant un premier et un second élément d'ancrage (6, 7) reliés au substrat, l'oscillateur massique (2) relié au premier élément d'ancrage (6) par un premier élément de ressort (8) et au second élément d'ancrage (7) par un second élément de ressort (9), pouvant être dévié le long d'une direction de détection (5) parallèle au plan principal d'extension et perpendiculaire à la direction d'excitation (4), capteur de vitesse de rotation caractérisé en ce que le premier et le second élément d'ancrage (6, 7) sont proches du centre géométrique (10) de l'oscillateur massique (2). [Revendication 2] Capteur de vitesse de rotation (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier et le second élément d'ancrage (6, 7) sont symétriques par rapport au centre géométrique (10) de l'oscillateur massique (2). [Revendication 3] Capteur de vitesse de rotation (1) selon la revendication 1 ou 2, ca- ractérisé en ce que le premier et le second élément d'ancrage (6, 7) sont écartés dans la direction d'excitation (4). [Revendication 4] Capteur de vitesse de rotation (1) selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le premier et le second élément d'ancrage (6, 7) sont directement adjacents ou pratiquement coïncidents. [Revendication 5] Capteur de vitesse de rotation (1) selon l'une des revendications pré- cédentes, caractérisé en ce que le premier et le second élément d'ancrage (6, 7) sont alignés dans la direction d'excitation (4). [Revendication 6] Capteur de vitesse de rotation (1) selon l'une des revendications pré- cédentes, caractérisé en ce que l'oscillateur massique (2) a un cadre (11) auquel le premier et le second élément de ressort (8, 9) sont reliés. [Revendication 7] Capteur de vitesse de rotation (1) selon la revendication 6, caractérisé en ce que le premier et le second élément de ressort. (8, 9) s'étendent pratiquement dans la direction d'excitation (4) entre le premier ou le second élément d'ancrage (6, 7) et le cadre (11). [Revendication 8] Capteur de vitesse de rotation (1) selon les revendications 6 ou 7, ca- ractérisé en ce que le cadre (11) a une symétrie axiale par rapport à l'axe médian (12) passant par le centre géométrique (10) de l'oscillateur 8 [Revendication 9] [Revendication 10] [Revendication 11] [Revendication 12] [Revendication 13] massique et parallèle à la direction de détection (5). Capteur de vitesse de rotation (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un troisième et un quatrième élément d'ancrage (13, 14) reliés au substrat, l'oscillateur massique (2) étant relié par un troisième élément de ressort (15) au troisième élément d'ancrage (13) et par un quatrième élément de ressort (16) au quatrième élément d'ancrage (14). Capteur de vitesse de rotation (1) selon la revendication 9, caractérisé en ce que le premier et le second élément d'ancrage (6, 7) sont à l'intérieur du cadre (11) et le troisième et le quatrième élément d'ancrage (13, 14) sont à l'extérieur du cadre (11). Capteur de vitesse de rotation (1) selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que le troisième et le quatrième élément d'ancrage (13, 14) sont symétriques par rapport à l'axe central (12) passant par le centre géométrique (10) de l'oscillateur massique (2) et parallèle à la direction de détection (5). Capteur de vitesse de rotation (1) selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que le troisième et le quatrième élément de ressort (15) sont reliés chacun à un coin du cadre (11). Capteur de vitesse de rotation (1) selon l'une des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que le troisième et le quatrième élément d'ancrage (13, 14) sont décalés par rapport aux coins de l'oscillateur massique (2) en direction de l'axe médian (12) passant par le centre géométrique (10) de l'oscillateur massique (2) et parallèle à la direction de détection.