FR2723635A1 - Dispositif gyrometrique vibrant a effet piezo-electrique - Google Patents

Abstract

Le dispositif gyrométrique, utilisable en gyromètre ou gyroscope, comprend un organe détecteur vibrant en forme de plaque sensiblement plane et circulaire constituée au moins en majeure partie de matériau piézo-électrique et dont les grandes faces portent à la fois des électrodes d'excitation de la plaque à la résonance, réparties régulièrement autour de l'axe de la plaque, et des électrodes de détection des vibrations de la plaque, situées dans le même plan que les électrodes d'excitation et placées de façon à détecter les contraintes provoquées par le champ moteur dû aux électrodes d'excitation et, lorsque la plaque tourne autour de l'axe sensible, constitué par l'axe du disque, par le champ de Coriolis, Les électrodes d'excitation de la plaque à la résonance ont une géométrie prévue pour provoquer une vibration à lobes radiaux d'ordre 4 et sont reliées à un circuit d'alimentation prévu pour provoquer une résonance à lobes radiaux d'ordre 4 par limitation de la fréquence du circuit à une valeur limite.

Description

DISPOSITIF GYROMETRIQUE VIBRANT A EFFET PIEZO-ELECTRIQUE

La présente invention concerne les dispositifs gyrométri-

ques, c'est-à-dire les dispositifs destinés à mesurer une vitesse ou un angle de rotation autour d'un axe sensible. Elle concerne plus particulièrement les dispositifs gyrométriques du type comprenant un organe détecteur vibrant en forme de plaque sensiblement plane et circulaire constituée au moins en majeure partie de matériau piézoélectrique et dont les grandes faces portent à la fois des électrodes d'excitation de la plaque à la résonance, réparties régulièrement autour de l'axe de la plaque, et des électrodes de détection des vibrations de la plaque, situées dans le même plan que les électrodes d'excitation et placées de façon à détecter les contraintes provoquées par le champ moteur dû aux électrodes d'excitation et, lorsque la plaque tourne autour de l'axe sensible, constitué par l'axe du disque, par le champ de Coriolis.

L'organe détecteur d'un tel dispositif constitue un résona-

teur dont le champ de vibration tourne sous l'effet d'une rotation autour de l'axe, à une vitesse qui dépend de la géométrie du résonateur et qui, en général, est différente de

la vitesse appliquée au résonateur.

Suivant la constitution d'un circuit électronique d'excita-

tion et de détection relié aux électrodes, le dispositif peut constituer, soit un gyromètre, soit un gyroscope. Dans le premier cas les électrodes d'excitation doivent entretenir le champ de vibration initial selon une direction fixe par rapport au résonateur. Sous l'effet d'une vitesse de rotation

on observe un décalage de la vibration, que l'on peut considé-

rer comme dû à la superposition, au champ moteur, d'un champ de vibration de même nature, mais décalé angulairement. Dans le second cas, pour un fonctionnement comme gyroscope, le circuit d'alimentation est prévu pour que le champ moteur suive la rotation de la vibration par rapport au résonateur

sans la perturber.

On connaît déjà de nombreux gyromètres du type ci-dessus défini. En principe, ils utilisent l'un ou l'autre de deux types de vibrations, l'un que l'on peut qualifier de mode radial ou à lobes radiaux, l'autre à lobes tangentiels. Dans chaque type existent des ordres successifs de vibration, identifiés chacun par un numéro d'ordre qui représente le

nombre de périodes spatiales de vibrations sur 360 .

On a notamment déjà proposé un gyromètre utilisant des vibrations à lobes radiaux, d'ordre 2. Un tel gyromètre est décrit dans l'article 'The theory of a piezo-electric disk gyroscope de J.S. Burdess et collègues, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol AES-22, nO 4, Juillet

1986, page 410.

La Figure 1 montre, avec une amplitude très exagérée pour plus de clarté, les déformations prises par la plaque d'un tel gyromètre lors de ses vibrations en résonance, en l'absence d'une vitesse de rotation. L'organe détecteur est constitué

par une plaque 12 de section circulaire, en matériau piézo-

électrique, liée en son centre à la structure dont la vitesse de rotation est à mesurer. La plaque 12 est revêtue sur sa face arrière d'une couche mince de matériau conducteur qui

peut être continue, de façon à être réalisée de facon simple.

Des électrodes d'excitation EH sont disposées le long d'un axe

X et alimentées par un signal élaboré par un circuit amplifi-

cateur-oscillateur 13 à partir d'un signal prélevé sur des électrodes de détection D", alignées suivant l'axe Y orthogonal à X. La mesure est effectuée en prélevant un signal sur des électrodes de détection De alignées suivant un axe A, à 450 des axes X et Y. Un amplificateur différentiel 14 fournit le

signal de sortie S,.

Un tel gyromètre présente des inconvénients. Un premier inconvénient est que la vibration en mode radial d'ordre 2 tend à provoquer des déplacements importants à proximité du centre. La fixation de la plaque modifie la vibration du disque, et réduit la sensibilité. Tout défaut d'homogénéité provoque des défauts de symétrie. De plus, le gyromètre est peu sensible, car le champ de contraintes créé dans le matériau piézo-électrique produit très peu de courant, quelle

que soit la géométrie donnée aux électrodes.

Certains de ces inconvénients sont écartés dans le

gyromètre à deux lobes tangentiels décrit dans le document FR-

A-2 684 759 (demande de brevet FR 91 15096 de la demanderes-

se). Les électrodes et le circuit d'excitation de ce gyromètre sont réalisés de facon à provoquer une oscillation en mode tangentiel d'ordre 2. Mais ce mode conduit encore à des déplacements importants à proximité du centre, de sorte que la

fixation centrale perturbe notablement le fonctionnement.

Les déplacements provoqués à proximité du centre du disque diminuent au fur et à mesure que l'ordre augmente et il a été constaté qu'ils deviennent pratiquement négligeables dès l'ordre 4. Une mise en vibration au-delà du mode 4 exigerait

un réseau d'électrodes très complexe et conduirait à une fré-

quence de résonance élevée et à une sensibilité faible.

L'invention propose en conséquence un dispositif gyrométri-

que du type ci-dessus défini, caractérisé en ce que les électrodes d'excitation de la plaque à la résonance ont une géométrie prévue pour provoquer une vibration d'ordre 4 et sont reliées à un circuit d'alimentation prévu pour provoquer une résonance à lobes radiaux par limitation de la fréquence dudit circuit à une valeur limite, inférieure à la fréquence

de résonance de la plaque en mode tangentiel d'ordre 4.

L'avantage offert par le dispositif suivant l'invention apparaît lorsque l'on considère les valeurs du rapport entre le déplacement maximal à la surface du disque, à la résonance, et le déplacement moyen sur une circonférence interne de fixation courante. On a constaté, pour des disques destinés à des dispositifs gyrométriques miniatures, que ce rapport est inférieur à 2 pour les modes d'ordre 2 et d'environ 18 pour les modes d'ordre 4. L'utilisation du mode radial d'ordre 4, qualifié de 4R par la suite pour plus de simplicité, conduit à une fréquence de résonance qui reste relativement proche de la fréquence fondamentale du disque, en contraction-expansion, et qui est très inférieure à la fréquence de résonance du mode 4T. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la

description qui suit de modes particuliers de réalisation de

l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et de la comparaison qui en est faite avec des gyromètres de type connu.

La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent,

dans lesquels: - la figure 1, déjà mentionnée, est un schéma de principe montrant une disposition possible d'électrodes d'excitation et de détection sur la plaque vibrante d'un gyromètre selon l'art antérieur, fonctionnant en mode 2R; - la figure 2 donne le rapport entre les fréquences des divers modes de vibration et la fréquence f0 du mode radial

fondamental (disque se déformant en restant de forme circu-

laire); - la figure 3 montre une distribution possible d'électrodes

d'excitation et de détection sur la plaque en matériau piézo-

électrique d'un gyromètre selon l'invention; - la figure 4 est un schéma montrant les directions et l'amplitude relative des déplacements dans un disque libre résonant en mode 4R, en l'absence de rotation, ayant une ouverture centrale; - la figure 5, montre un mode de montage possible du résonateur; - la figure 6 montre une constitution possible d'un circuit d'excitation et de détection pouvant être associé à la disposition d'électrodes de la figure 3; - la figure 7 montre un circuit électronique utilisable en liaison avec les électrodes de la figure 3 pour provoquer un

fonctionnement en gyroscope.

Avant de donner une description du dispositif gyrométrique

suivant l'invention, il peut être utile de rappeler les principes de fonctionnement d'un résonateur constitué par une plaque en forme de disque et mis en vibration dans un mode

sensible à une vitesse de rotation autour de l'axe du disque.

La plaque peut être considérée comme constituant un double résonateur vibrant dans son plan sous l'action d'un champ moteur à variations sinusoïdales (créées par les électrodes E dans le cas de la figure 1) et vibrant également, en cas de

rotation autour de l'axe sensible, par couplage dû à l'accélé-

ration de Coriolis. Tout mode de vibration est sensible à une vitesse de rotation s'il présente une géométrie cyclique avec des axes de symétrie et d'antisymétrie alternés. Dans le cas de la figure 1, les axes A sont des axes d'antisymétrie pour le champ moteur et des axes de symétrie pour le champ de

vibrations provoquées par l'accélération de Coriolis.

De façon plus générale, quel que soit le mode, le champ de vibrations de Coriolis présente la même répartition que le champ moteur, mais avec un décalage angulaire, désigné par C

sur la figure 1, qui permute les axes de symétrie et d'antisy-

métrie. Ce décalage est égal à %/2n, o n est l'ordre du mode.

En tout point M de la surface du disque, l'accélération de Coriolis yc peut s'écrire: At)=2(t) ^ M,t) (1) o Q est la vitesse de rotation et V la vitesse due au champ moteur. L'accélération est donc perpendiculaire à la direction du déplacement du point M. L'efficacité d'excitation du champ de vibrations de Coriolis par cette accélération est maximale

lorsque l'accélération et le champ de Coriolis sont colinéai-

res. Il est donc souhaitable que le champ de vibrations moteur et le champ de vibrations de Coriolis soient perpendiculaires

en tous points de la surface du disque.

Cette condition existe pour les modes radiaux, ce qui leur

donne une sensibilité plus élevée que celle des modes tangen-

tiels, o la condition d'orthogonalité n'est pas respectée partout, et en particulier dans les zones o les déplacements sont purement tangentiels et n'apportent aucune contribution

à la sensibilité.

Le calcul permet de déterminer la sensibilité à la vitesse d'un mode donné en calculant l'intégrale suivante sur toute la surface du résonateur: fV",(M) A Vfl(M) dS

________________________ _ (2)

V} J{e(M) ds

5

Ce calcul fait apparaître que la sensibilité du mode radial 4R à la vitesse de rotation est dix fois supérieure à celle du

mode tangentiel 4T.

La sensibilité globale du résonateur dépend non seulement de la sensibilité à la vitesse de rotation, mais aussi de la sensibilité du point de vue piézo-électrique, c'est-à-dire du

courant fourni par le champ de contraintes créé par la vibra-

tion de Coriolis.

Le calcul montre que cette sensibilité est très faible pour le mode radial 2R et qu'elle reste faible pour le mode tangentiel 2T. En revanche, la sensibilité obtenue pour l'ordre 4, aussi bien en mode tangentiel qu'en mode radial, est suffisante pour permettre un fonctionnement satisfaisant

des circuits électroniques.

Globalement, le mode 4R permet d'obtenir une sensibilité plus élevée que le mode 4T et surtout, comme on le verra plus loin, permet une fixation centrale du disque sans perturbation des vibrations. Pour cette raison, c'est ce mode qui est retenu. Il a été constaté que l'utilisation d'un mode d'ordre

plus élevé ne présente pas d'intérêt. La fréquence de réso-

nance augmente, comme le montre la figure 2, de sorte que le facteur d'échelle (inversement proportionnel au carré de la fréquence) diminue. Les circuits électroniques ont une complexité accrue. Le nombre d'électrodes devient très élevé,

ce qui complique le câblage.

La figure 3 montre une géométrie possible des électrodes utilisable pour faire fonctionner un dispositif gyrométrique

en mode 4R. Cette géométrie utilise, aussi bien pour l'excita-

tion que pour la détection, des électrodes alternativement positives et négatives, de façon à avoir une symétrie aussi

complète que possible. Cela conduit à un total de 32 électro-

des. Sur la figure 3, comme sur la figure 1, les notations suivantes sont utilisées: E+ et Es-: Electrodes d'excitation du champ moteur, les électrodes E.- étant alimentées en opposition de phase par rapport aux électrodes E+; D+ et D-: Electrodes de détection du champ moteur, insensibles au champ de vibrations de Coriolis, permettant une régulation du champ moteur à une amplitude constante; Dc+ et De-: Electrodes de détection du champ de Coriolis;

Ec+ et Ec-: Electrodes de compensation du champ de Coriolis.

D'autres dispositions sont possibles et en particulier on peut se dispenser des électrodes de compensation du champ de Coriolis, au moins lors du fonctionnement en gyromètre; on peut également se dispenser des électrodes de détection du

champ moteur, si on admet un fonctionnement avec une excita-

tion variable.

Les électrodes de détection D. et DC sont réparties à la périphérie du disque, là o les déplacements provoqués par le champ moteur et le champ de Coriolis sont les plus importants, coumme le montre la figure 4. Ces électrodes D: et D. sont prolongées vers le centre par des pistes 20 terminées par des plots 22 permettant la soudure de fils de raccordement avec le

circuit de mesure, pouvant passer à l'intérieur de la périphé-

rie interne 24 du disque 12. Les électrodes DM et Dc sont toutes de même surface. Deux électrodes successives de même fonction et de même polarité sont disposées à 90 l'une de

l'autre.

Les électrodes d'excitation Eó et E. sont de forme triangu-

laire, avec une brèche centrale de passage des pistes des électrodes de détection. Elles sont toutes identiques. Chaque électrode motrice ou de compensation est alignée avec une électrode de détection correspondant au même champ et ayant la

même polarité.

Dans le mode de réalisation donné à titre d'exemple en figure 3, chaque électrode de détection et sa piste sont encadrées par une électrode de garde 26 qui est mise à la masse et réduit de façon notable les couplages capacitifs parasites entre électrodes d'excitation et électrodes de

détection. Dans le cas illustré, l'électrode de garde consti-

tue une structure en toile d'araignée ayant des pistes radiales métallisées réparties à intervalles angulaires réguliers, placées chacune entre deux électrodes de mesure ou d'excitation successives, une piste circulaire centrale 28 qui peut facilement être mise à la masse par un fil passant par le trou central de la plaque, et des branches 30 encadrant les

pistes 20.

Dans ce mode de réalisation, la face du disque 12 autre que celle qui porte des électrodes montrée en figure 3 sera

généralement complètement recouverte d'un revêtement métalli-

que mis à la masse.

Le montage de la plaque peut être celui montré en figure 5.

La plaque 12 est fixée sur une embase 30 en matériau à faible coefficient de dilatation ayant un prolongement tubulaire central qui s'engage dans le trou central de la plaque 12 et est collé à cette dernière. Sur l'embase est fixé un capot 32 qui porte un circuit imprimé annulaire 34. Les électrodes de même fonction et de même polarité peuvent être mises en parallèle, pour constituer des groupes de quatre, et reliées

à un seul fil de connexion.

L'examen de la figure 4 fait apparaître que les déplace-

ments à proximité de la périphérie interne 24 sont extrêmement faibles, de sorte que ce mode de fixation ne perturbe pas la mesure. Les circuits associés à l'organe détecteur vibrant de la figure 3 peuvent avoir diverses natures, et en particulier

l'une de celles décrites dans les demandes de brevet anté-

rieures de la demanderesse. La figure 6 montre une autre constitution possible du circuit d'excitation et du circuit de mesure. Le circuit d'excitation représenté en figure 6 fonctionne en boucle fermée pour donner à la vibration d'excitation une amplitude constante et une pulsation égale à celle du mode propre de vibration. Il comprend un oscillateur 40 modulé en amplitude. Les signaux de sortie provenant des électrodes D.+ et D.- sont additionnés en valeur absolue dans un sommateur 42 qui les reçoit par l'intermédiaire d'amplificateurs 44. Le circuit comprend également un multiplieur 46 de commande de la tension de sortie de l'oscillateur 40. Une entrée du multi- plieur recoit le signal de sortie d'une boucle à verrouillage de phase 48 qui permet de sélectionner le mode de vibration 4R parmi d'autres modes voisins en fréquence et présentant les mêmes relations de phase, notamment le mode 4T. Pour cela, la boucle à verrouillage de phase 48 présente au moins une butée de fréquence haute qui interdit l'oscillation à fréquence du mode 4T. Elle comporte également de façon avantageuse une butée de fréquence basse, qui n'intervient que lors de la mise

en service. Ainsi, lors de la mise sous tension, une oscilla-

tion s'établit à une fréquence comprise entre les deux butées et le gain de la régulation est d'amplitude maximale. Le signal détecté fourni par le sommateur 42 est comparé en phase au signal issu de la boucle à verrouillage de phase qui pilote l'oscillateur 40 jusqu'à la mise en phase des signaux. Le

dipositif oscille ainsi sur le mode propre 4R.

La seconde entrée du multiplieur 46 reçoit un signal de réglage d'amplitude obtenu par comparaison de la tension

redressée de sortie du sommateur 42 avec un signal de réfé-

rence. Le circuit formé par le redresseur 50 et le comparateur

52 constitue un circuit de régulation d'amplitude.

Le circuit de mesure comporte des amplificateurs 54 recevant les signaux de sortie des électrodes Dc et attaquant un sommateur de valeurs absolues 56. Ce sommateur est suivi de deux démodulateurs synchrones 57 qui reçoivent des signaux de

référence du circuit oscillateur et effectuent une démodula-

tion en phase et en quadrature. Les signaux de référence

comportent un signal en cosinus fourni par un circuit conver-

tisseur 61 suivi d'un déphaseur de 90 et un signal en sinus fourni par un circuit 63, qui peut être monté en cascade avec le circuit 61, suivi d'un circuit à seuils ne donnant pas de déphasage. Les signaux démodulés passent dans des réseaux correcteurs 58 et 60 qui fixent la bande passante globale. Les sorties des réseaux sont remodulées en 62 et 64. Elles sont ensuite appliquées à un amplificateur 66 qui alimente les électrodes Ec+ et Eó-. Le signal remodulé en phase qui apparaît à la sortie d'un des réseaux 58 et 60 est représentative de la

vitesse de rotation n du résonateur autour de son axe.

Pour provoquer un fonctionnement en gyroscope à débattement illimité du dispositif, les circuits d'excitation et de mesure peuvent avoir diverses constitutions et notamment avoir la

constitution montrée en figure 7.

Dans tous les cas, une rotation e du boîtier de la plaque autour de son axe sensible (axe de la plaque) provoque une

rotation 0 du champ de vibrations par rapport au résonateur.

Le circuit de mesure doit mesurer sin 8 et cos O à partir des amplitudes des vibrations du résonateur d'entrée, associé au circuit d'excitation, et du résonateur de sortie qui, du point

de vue électrique, sont orthogonaux.

Le rapport entre 0 et * dépend de la géométrie du résona-

teur. Le circuit d'excitation a la même fonction qu'en mode gyromètre, c'est-à-dire compenser les pertes. Mais il doit assurer cette fonction quelle que soit la direction du chanmp

de vibrations par rapport au résonateur.

Pour le fonctionnement en gyroscope, il est nécessaire de disposer d'électrodes de détection correspondant aux modes

d'entrée et de sortie du fonctionnement en gyromètre (élec-

trodes Dc. et D, sur la figure 3). Ces électrodes, que l'on peut considérer comme correspondant respectivement aux axes X et Y, sont désignées sur la figure 7 par les références Dx et Dy. La vibration est reconstituée par la somme de l'intégrale d'une voie de détection avec l'autre voie de détection. Le signal obtenu est représentatif de la vibration, en amplitude

et en phase.

La chaine de régulation d'amplitude a une constitution comparable à celle montrée en figure 6. Elle comporte encore un redresseur 70 et un comparateur 72 avec une valeur de

référence, attaquant un multiplieur de commnande 74.

Le circuit de mesure comporte encore une boucle à verrouil-

lage de phase 76 asservie au signal représentatif de la vibration, avec une consigne de phase donnée par un circuit de codage angulaire 78 qui utilise les amplitudes des vibrations pour calculer une évaluation 8 de la rotation e. Le circuit de codage angulaire 78 démodule les signaux sinus et cosinus, détectés par rapport à une référence de codage provenant de la

sortie 80 de la boucle à verrouillage de phase 76.

Le signal obtenu, après régulation d'amplitude en 74, est distribué aux électrodes d'excitation Ex et F (correspondant aux électrodes Ec et EN de la figure 3) par deux multiplieurs

84 et 86 pilotés par cos O et sin, c'est-à-dire les fonc-

tions trigonométriques de l'évaluation È de la rotation 8 de

la vibration.

La sortie du circuit de codage angulaire 78 représente une évaluation O de l'orientation de la vibration par rapport au résonateur: l'angle 4 dont a tourné le résonateur est obtenu en divisant cet angle par un coefficient d'entraînement connu, pouvant être déterminé expérimentalement et ayant une bonne stabilité.

Claims (6)

REVENDICATIONS

1. Dispositif gyrométrique comprenant un organe détecteur vibrant en forme de plaque sensiblement plane et circulaire constituée au moins en majeure partie de matériau piézo- électrique et dont les grandes faces portent à la fois des électrodes d'excitation de la plaque à la résonance, réparties régulièrement autour de l'axe de la plaque, et des électrodes de détection des vibrations de la plaque, situées dans le même plan que les électrodes d'excitation et placées de façon à détecter les contraintes provoquées par le champ moteur dû aux électrodes d'excitation et, lorsque la plaque tourne autour de l'axe sensible, constitué par l'axe du disque, par le champ de Coriolis, caractérisé en ce que les électrodes d'excitation de la plaque à la résonance ont une géométrie prévue pour provoquer une vibration à lobes radiaux d'ordre 4 et sont reliées à un circuit d'alimentation prévu pour provoquer une résonance à lobes radiaux par limitation de la fréquence dudit circuit à une valeur limite, inférieure à la fréquence de résonance de

la plaque en mode tangentiel d'ordre 4.

2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les électrodes de détection sont réparties à la périphérie du disque et prolongées vers le centre par des pistes (20) terminées par des plots (22) de soudure de fils de

raccordement avec le circuit de mesure.

3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce

que les électrodes d'excitation (EC,E.) sont de forme triangu-

laire, avec une brèche centrale de passage des pistes des électrodes de détection, chaque électrode d'excitation, motrice ou de compensation du champ de Coriolis étant alignée avec une électrode de détection correspondant au même champ et

ayant la même polarité.

4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que chaque électrode de détection et sa piste sont

encadrées par une électrode de garde mise à la masse.

5. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications

précédentes, destiné à fonctionner en gyromètre, caractérisé en ce que le circuit d'alimentation comprend un oscillateur (40) modulé en amplitude et commandé par les signaux de sortie

des électrodes de détection du champ moteur par l'intermé-

diaire d'une boucle à verrouillage de phase ayant des butées

de fréquence basse et haute.

6. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications

précédentes, destiné à fonctionner en gyroscope, caractérisé en ce que: il comprend un circuit de mesure ayant un codeur angulaire (78) relié à deux jeux d'électrodes de détection (Dx,Dy) correspondant à des vibrations orthogonales du point de vue électrique et fournissant une consigne de phase à une boucle

à verrouillage de phase (76) qui donne à son tour une réfé-

rence de codage au codeur, et en ce que le circuit d'excitation comprend des moyens pour faire la somme de l'intégrale du signal provenant d'un

des jeux avec le signal provenant de l'autre jeu, un compara-

teur (72) avec une valeur de référence, un multiplieur de commande (74) recevant le signal de sortie de la boucle (80) et deux multiplieurs de sortie (84,86) recevant le signal de

sortie du multiplieur et pilotés par les fonctions trigonomé-

triques de l'évaluation È fournie par le circuit de codage

angulaire (78).