FR2506008A1 - Transducteur capteur de vibrations pour gyroscopes a anneaux laser - Google Patents

Abstract

L'INVENTION SE RAPPORTE A DES PERFECTIONNEMENTS AUX GYROSCOPES A ANNEAUX LASER. UN TRANSDUCTEUR PIEZO-ELECTRIQUE 20 EST UTILISE POUR DETECTER LA VITESSE DE TREMBLEMENT OU DE VIBRATION DANS UN GYROSCOPE A ANNEAUX LASER. LE TRANSDUCTEUR EST MONTE SUR UN RAYON 14 RELIANT LE MOYEU 8 ET LA JANTE 2 DU GYROSCOPE. LE TRANSDUCTEUR COMPORTE DEUX ELECTRODES DISTINCTES 23, 24 DISPOSEES A MEME DISTANCE DU POINT D'INFLEXION DU RAYON 14. UN AMPLIFICATEUR DIFFERENTIEL 40 A SES ENTREES RELIEES AUX ELECTRODES EN VUE D'ENGENDRER UN SIGNAL PROPORTIONNEL A LA VITESSE DE TREMBLEMENT. L'INVENTION S'APPLIQUE AUX GYROSCOPES A LASER DE HAUTE PRECISION.

Description

La présente invention se rapporte aux gyroscopes à anneaux

laser et concerne plus particulièrement un transducteur de vites-

se de tremblement monté sur un gyroscope de ce type.

Les gyroscopes à anneaux laser de l'art antérieur compor-

tent un moyeu fixe relie à une jante mobile extérieure par des rayons De façon à augmenter la précision du gyro en éliminant l'effet bien connu de verrouillage (lock-in), un moteur de tremblement est connecté aux rayons, lequel moteur communique un mouvement de vibration au gyroscope à anneaux laser Pour entraîner le gyroscope avec un tremblement prédéterminé, un transducteur piézo-électrique est fixé sur l'un des rayons Une sortie du transducteur piézo-électrique est reliée à une première entrée d'un amplificateur opérationnel alors que la seconde entrée

de l'amplificateur opérationnel est reliée à la masse Le trans-

ducteur piézo-électrique est également relié à la masse par l'intermédiaire du rayon et du moyeu Le signal de tremblement est obtenu à la sortie de l'amplificateur opérationnel Les

connexions de masse entre le moyeu et l'entrée de l'amplifica-

teur opérationnel posent des problèmes dans un gyro à anneaux laser en fonctionnement La raison en est qu'habituellement la masse transporte également le courant nécessaire à l'alimentation du moteur de tremblement Ce courant provoque une chute de tension dans le fil de masse, laquelle est captée par l'amplificateur opérationnel et pénètre dans la boucle d'asservissement-entre le capteur piézo-électrique à transducteur et le moteur de

tremblement Il en résulte un effet de rétroaction imprévisible.

Un autre problème qui a été rencontré dans l'art antérieur est la structure du transducteur lui-même Il est nécessaire de disposer de connexions à grande conductivité de telle sorte qu'une bonne connexion à la masse existe entre le transducteur et le moyeu interne Toutefois, les colles qui possèdent une

haute conductivité présentent une résistance mécanique faible.

Après une période de fonctionnement importante, les transducteurs des gyroscopes à anneaux laser connus se détachent partiellement, ce qui a pour effet d'affecter l'amplitude du

-signal engendré.

La présente invention suggère un transducteur piézo-

électrique nouveau comportant deux électrodes Les deux électro-

des sont à la même distance du point d'inflexion d'un rayon sur lequel le transducteur est monté En conséquence, lors de la déformation du rayon, des sorties push-pull sont obtenues de telle sorte que le transducteur est seulement sensible aux entrées de vitesse de rotation du gyro. La connexion d'un circuit amplificateur différentiel aux sorties du transducteur rend sans effet les courants de

masse provenant de sources telles que le moteur de tremblement.

Comme on pourra l'apprécier à la lecture de la descrip-

tion détaillée qui va suivre, la présente invention permet l'utilisation d'une masse ponctuelle et la capacitance réduite

à l'entrée contribue à augmenter le rapport signal-bruit prove-

nant du circuit d'amplificateur différentiel du transducteur.

La fixation du transducteur au moyen d'un matériau iso-

lant à structure époxy permet d'obtenir une résistance de montage supérieure du transducteur sur un rayon correspondant d'un

gyroscope à anneaux laser.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention

apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et se

rapporte aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une vue en coupe d'un gyroscope à anneaux laser de l'art antérieur montrant le montage d'un capteur à transducteur la figure 2 est une vue schématique partielle du capteur à transducteur piézo-électrique de l'art antérieur monté sur un rayon et connecté électriquement à un amplificateur opérationnel la figure 3 est une vue en coupe détaillée du montage du capteur à transducteur représenté à la figure 2;

la figure 4 est une vue schématique partielle du trans-

ducteur piézo-électrique selon l'invention et du circuit qui lui est associé;

la figure 5 est une vue en coupe du transducteur piézo-

électrique selon l'invention monté sur un rayon; la figure 6 est un deuxième mode de réalisation de la

présente invention montrant un amplificateur différentiel sim-

plifié relié au transducteur selon l'invention.

La figure 1 représente un gyroscope à anneaux laser L selon l'art antérieur qui comporte un corps triangulaire avec une cavité tubulaire C prévue dans ce corps Descavités CI prévues aux angles du triangle servent à relier les segments de-cavité tubulaire de sorte que soit obtenu un trajet continu pour le laser On obtient l'ionisation du gaz au moyen de la cathode Ct et des anodes A représentées sur le dessin Le plasma ainsi obtenu permet d'obtenir le gain nécessaire en fonctionnement laser Un détecteur photoélectrique Pest disposé à un angle de la structure du gyroscope à anneaux laser, la sortie de ce détecteur photoélectrique constitue l'entrée du combinateur D de faisceaux La sortie du combinateur constitue les entrées du

gyroscope à anneaux laser ACW, ACCW.

On sait depuis longtemps que pour augmenter la précision de la sortie en évitant l'effet bien connu de verrouillage (lock-in), il y a lieu d'imprimer un mouvement de tremblement au gyroscope à anneaux laser Ceci est généralement obtenu en entraînant en vibration le gyroscope à anneaux laser au moyen d'un ressort de torsion autour de l'axe du moyeu central M, lequel est relié à lajante Jdu ressort par des rayons R s'étendant radialement De façon à mesurer la vit Asse de tremblement V de telle sorte qu'elle puisse être réglée, on fixe convenablement sur un rayon un transducteur piézo-électrique Tdu type décrit

dans le préambule de la description relatif à l'art antérieur.

Si l'on considère à nouveau la figure 1, on peut voir

un amplificateur opérationnel Oqui a une entrée reliée au trans-

ducteur piézo-électrique alors qu'une deuxième entrée de l'am-

plificateur opérationnel est reliée à la masse et en conséquence

au capteur à transducteur par l'intermédiaire du moyeu conduc-

teur et du rayon sur lequel le transducteur est monté.

On peut voir en détail le transducteur et le circuit qui lui est associé dans les dessins des figures 2 et 3 relatifs à l'art antérieur, qui montrent le montage et le circuit associé de transducteurs pour gyroscopes à anneaux laser de l'art antérieur. Le transducteur piézo- électrique 3 est fixé à un des rayons 14 d'une façon qui sera décrite ci- dessous Le moyeu fixe 8 est fixé à une extrémité des rayons, alors que les extrémités opposées de chaque rayon sont connectées à la jante 2 de telle sorte que cette dernière puisse vibrer en rotation selon un angle faible, de l'ordre de 100 secondes d'arc à une fréquence d'environ 400 Hz Comme on l'a déjà mentionné plus haut, cette rotation de tremblement se superpose au mouvement du gyroscope à anneaux laser de façon à éviter les effets de verrouillage de gyro.

Un seul rayon a été représenté dans une position défor-

mée agrandie, il est désigné par la référence 15 Lors du mouvement de tremblement du gyroscope à anneaux laser, le

transducteur 3 engendre un courant proportionnel à la vitesse.

Ce courant s'écoule à travers le fil 1 vers l'amplificateur opérationnel 4 Le courant retourne aussi vers le transducteur 3 par les points 6 et 5 de liaison à la masse (représenté par la ligne en traits interrompus) et alors vers le moyeu 8 o le

courant continueà s'écouler à travers le rayon 14 pour retour-

ner au transducteur 3 Le transducteur est représenté en plus grand détail à la figure 3 dans laquelle les surfaces de droite et de gauche du transducteur sont recouvertes d'électrodes d'argent qui sont appliquées sur le transducteur L'électrode de droite 10 est recouverte d'un revêtement 13 de protection alors que l'électrode d'argent de gauche 10 est fixée au rayon

14 par une couche conductrice 11 époxy-argent ou or L'ampli-

ficateur opérationnel 4 est branché en tant que convertisseur

courant-tension Ceci est obtenu au moyen de la résistance 9.

La capacité 12 est relativement faible, de l'ordre de quelques

picofarads, et n'a été ajoutée que pour stabiliser l'amplifica-

teur opérationnel 4 aux hautes fréquences de fonctionnement.

Le circuit décrit est celui d'un convertisseur courant-tension

classique bien connu de l'homme de l'Art.

La liaison de masse entre le point 5 et le point 6,

représenté à la figure 2 par un trait interrompu, est à l'ori-

gine de problèmes rencontrés lors du fonctionnement d'un gyroscope à anneaux laser La raison en est qu'il est habituel que cette masse transporte également le courant nécessaire à l'alimentation du moteur de tremblement (non représenté) Tout courant circulant dans la ligne de masse provoque une différence de potentiel dont résulte un signal de sortie indésirable à la

borne 7 Ce signal de sortie va pénétrer dans une boucle d'as-

servissement qui existe entre le moteur et le transducteur,

causant ainsi un effet de rétroaction aux effets imprévisibles.

Si l'on considère à nouveau la figure 3, on peut voir qu'une source de problèmes réside dans les moyens pour fixer le

transducteur 3 au rayon 14 Dans l'organisation de l'art anté-

rieur qui est représentée, la fixation est réalisée au moyen d'une couche d'époxy 11 supportant de l'argent conducteur Plus particulièrement, le problème réside en ce que pour un tel matériau il est difficile d'obtenir en même temps une haute conductivité et une résistance élevée Cependant, ces deux qualités sont requises et il en résulte que dans de nombreux cas, un manque de résistance mécanique est à l'origine du détachement du transducteur lors du fonctionnement du gyroscope

à anneaux laser.

De plus, le transducteur étant disposé à une portion d'extrémité du rayon comme le montre le dessin, les contraintes mécaniques dans le transducteur sont importantes Il peut en résulter une certaine perte de sensibilité du transducteur

après une longue utilisation.

La figure 4 représente le premier mode de réalisation de la présente invention qui concerne un perfectionnement par rapport à la configuration de l'art antérieur Comme on peut le remarquer à la figure 5, un transducteur piézo-électrique 20 est fixé à un rayon 14 de telle sorte que le point central du transducteur 20 se trouve à une distance définie par le rayon "r" Le rayon "r" est seulement une fonction du rayon du moyeu "a" et du rayon de la jante "b" Le rayon "r" est défini comme la distance radiale o le rayon 14 présente un moment de flexion nul du à la rotation de la jante 2 En d'autres termes, la distance radiale "r" est définie par le point d'inflexion du rayon 14 Le transducteur 20 est, comme précédemment,

polarisé selon son épaisseur.

Si l'on considère maintenant la figure 5, le transduc-

teur est caractérisé en ce qu'il présente des extrémités effilées 21 et la fixation du transducteur 20 au rayon 14 est réalisée au moyen d'une couche époxy 22 comportant un support isolant A titre d'exemple, on peut utiliser un film époxy avec support en fibre de verre d'une épaisseur de 0,05 mm La partie d'électrode représentée à droite comporte des électrodes 23 et 24 distinctes et généralement réalisées au moyen d'argent

avec division obtenue par gravure préalable en vue de l'obten-

tion des deux surfaces d'électrode représentées Ces électrodes sont reliées respectivement électriquement aux amplificateurs 4 et 31 par l'intermédiaire de fils 26 et 27 Quand le rayon est soumis à une déformation, comme cela est montré par la référen- ce 15 dans la figure 4, le matériau piézo-électrique qui se trouve en dessous de l'électrode 23 esttendualors que le matériau qui se trouve en dessous de l'électrode 24 est comprimé Ceci est à l'origine d'une circulation de courant selon un trajet qui comporte le fil 26, l'électrode 23, le cristal du transducteur (sous la forme d'un courant de déplacement), l'électrode d'argent de gauche 28, à nouveau une traversée du cristal du transducteur, l'électrode 24 et finalement une sortie par le

fil 27.

Les amplificateurs 4 et 31 fonctionnement chacun comme le convertisseur de courant de l'art antérieur discuté plus haut La capacité 38 et la résistance 39 de l'amplification 31

correspondent à la capacité 12 et à la résistance 9 de l'ampli-

ficateur 4 Les fils 26 et 27 servent comme entrées respectives aux amplificateurs 4 et 31 Si l'on considère le fonctionnement en push-pull du-transducteur, ceci implique que l'électrode

d'argent de gauche 28 soit également au potentiel de la masse.

Ainsi, nominalement, il n'existe aucune tension à travers l'espace créé par la couche d*'6 poxy 22 qui est un film isolant avec un support Cette construction présente l'avantage que la résistance de fuite à travers la couche 22 est négligeable De

plus, étant donné que les fils 26 et 27 sont des masses virtuel-

les,ils peuvent être blindés La capacitance de blindage n'in-

troduira pas d'erreurs de phase au signal de sortie aux bornes

37 L'amplificateur 35 est branché en tant que vrai amplifica-

teur différentiel Les résistances d'entrée 32 et 33 ont la même valeur et il en est de même des résistances de rétroaction 34 et 25 Ainsi, la combinaison transducteur-amplificateur ne

répond qu'aux entrées différentielles telles que celles provo-

quées par la rotation de la jante mobile 2 du gyroscope à anneaux laser Un effort de traction appliqué au rayon auquel est associé le transducteur 20 a pour effet l'application d'une entrée commune aux amplificateurs 4 et 31 Ainsi, aucune sortie n'en résultera aux bornes 37 Egalement, aucune sortie aux bornes 37 ne résultera du passage d'un courant de masse entre les points 5 et 30 étant donné le rejet élevé du mode commun

du circuit.

Le point de masse 30 peut être choisi en tant qu'un point unique du système Dans une telle situation, le point de

masse 5 est indifférent et en conséquence n'a aucune fonction.

Il est très important dans un système électronique complexe tel que celui d'un gyroscope à anneaux laser d'être susceptible

d'utiliser un système de masse à point unique Ceci n'est géné-

ralement pas possible avec les systèmes de l'art antérieur.

La figure 6 montre un autre mode de réalisation de la présente invention utilisant seulement un amplificateur unique Le transducteur 20 et sa disposition physique le long du

rayon 14 sont identiques à ceux expliqués lors de la descrip-

tion du mode de réalisation de la figure 4 De plus, la struc-

ture du transducteur 20 lui-même est identique à celle de la

figure 5.

La différence essentielle réside dans le fait que le fil 27 est ramené au point de masse 42 de l'amplificateur unique au lieu de constituer une entrée pour le second amplificateur 31 comme montré à la figure 4 Dans la configuration de la

figure 6, il n'y a pas de rejet pour les perturbations de cou-

rant de mode commun dans le trajet de masse entre les points 5 et 42 En conséquence, un tel cirduit est particulièrement approprié pour une utilisation lorsque les courants de masse ne

présentent pas un problème particulier.

Egalement, en raison du fait que la capacitance de la couche époxy 22 est approximativement le 1/50 de la capacitance entre les électrodes 23, 24 et 28, une faible tension d'erreur dans la connexion à la masse entre les points 5 et 42 provoque une tensionde sortie aux bornes de sortie de tremblement 41 qui n'est approximativement que le 1/50 de l'erreur dans le cas du

transducteur de l'art antérieur.

En conséquence, les modes de réalisation de la présente invention décrivent un transducteur piézo-électrique équilibré avec une sortie pushpull qui n'est sensible qu'aux entrées correspondant à une vitesse de rotation Dans le cas o des courants de masse provenant d'un moteur de tremblement sont engendrés, le mode de réalisation décrit en premier,à la figure 4 permettra d'éliminer un tel-courant de masse L'invention permet l'utilisation d'une masse ponctuelle et une capacitance d'entrée réduite qui augmente le rapport signal-bruit obtenu à partir du transducteur De plus, la fixation du transducteur sur une structure isolante époxy et non pas une structure d'époxy conductrice comme celle de l'art antérieur permet l'obtention d'une meilleure adhérence L'utilisation d'extrémités effilées sur le transducteur réduit les contraintes dans la résine époxy

en un point o les transducteurs sont particulièrement suscep-

tibles de défaillances par desquamation.

On comprendra que l'invention n'est pas limitée aux détails exacts de construction décrits et représentés et que de nombreuses modifications évidentes apparaîtront à l'homme de l'Art.

Claims (5)

REVENDICATIONS

1 Système à transducteur piézo-électrique capteur de tremblement en vue de son utilisation sur un gyroscope à anneaux laser comportant des rayons ( 14) s'étendant radialement pour connecter un moyeu ( 8) et une jante ( 2), ledit système étant caractérisé en ce qu'il comprend: un transducteur piézo-électrique ( 20) comportant au moins deux fils de sortie ( 26,27) en vue du fonctionnement en push-pull et monté sur un rayon ( 14) au point d'inflexion de ce dernier, des moyens différentiels ( 4-31,40) reliés à leurs entrées aux fils ( 26,27) pour mesurer la différence entre les signaux de tremblement auxdites entrées, et des bornes de raccordement ( 37,41) reliées à la sortie des moyens différentiels pour mesurer un signal de tremblement

engendré.

2 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le transducteur ( 20) comporte: un film isolant adhésif ( 22) en vue de sa fixation sur le rayon ( 14),

une électrode ( 28) déposée sur l'une des faces du trans-

ducteur piézo-électrique adjacente au rayon ( 14), et deux électrodes séparées ( 23,24) disposées dans un même plan et déposées sur l'autre surface du transducteur opposée à la surface adjacente au rayon, les deux fils ( 26,27) étant

respectivement connectés aux deux électrodes distinctes ( 23,24).

3 Système selon l'une des revendications 1 ou 2,

caractérisé en ce que les moyens différentiels consistent en un amplificateur opérationnel ayant deux entrées et une sortie et des moyens ( 43,44) reliés entre les entrées et la sortie pour établir un fonctionnement de l'amplificateur opérationnel

en tant que convertisseur courant-tension.

X 4 Système selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens différentiels consistent en deux amplificateurs opérationnels ( 4,31) chacun ayant une première entrée reliée à l'un des deux fils ( 26,27) et une

seconde entrée mise à la masse, chaque amplificateur opération-

nel fonctionnant en tant que convertisseur courant-tension et un amplificateur différentiel ( 35) étant relié à ses deux entrées

aux sorties respectives des amplificateurs opérationnels.

v 5 Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que des moyens ( 5) sont prévus pour mettre le moyeu ( 8) à la masse, des moyens sont prévus pour relier les sorties de l'am- plificateur opérationnel aux deux fils ( 26,27) du transducteur et des moyens ( 42) sont prévus pour relier la deuxième entrée

de l'amplificateur opérationnel à la masse.

6 Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que des moyens ( 5) sont prévus pour relier le moyeu ( 8) à la masse. * 7 Transducteur piézoélectrique de mesure de tremblement prévu pour être monté sur un rayon de gyroscope à anneaux laser

notamment pour système du type décrit à l'une des revendications précédentes,

caractérisé en ce qu'il comporte: un film isolant adhésif ( 22) en vue de son montage sur le rayon ( 14), une électrode ( 28) déposée sur l'une des faces d'un transducteur piézo-électrique adjacente au rayon ( 14), et deux électrodes distinctes ( 23,24) situées dans un même plan et déposées sur l'autre surface du transducteur opposée à la surface adjacente au rayon, deux fils ( 26,27) étant reliés

aux deux électrodes distinctes ( 23,24).

* 8 Transducteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que le film isolant adhésif ( 22) comporte une base en résine

époxy.

9 Transducteur selon l'une des revendications 7 ou 8,

caractérisé en ce qu'il présente des extrémités effilées de façon à réduire sensiblement les contraintes existant dans le

joint adhésif entre le transducteur ( 20) et le rayon ( 14).