EP0413713A1 - Miroir piezoelectrique compense pour gyrometre a laser - Google Patents
Miroir piezoelectrique compense pour gyrometre a laserInfo
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- EP0413713A1 EP0413713A1 EP19890904799 EP89904799A EP0413713A1 EP 0413713 A1 EP0413713 A1 EP 0413713A1 EP 19890904799 EP19890904799 EP 19890904799 EP 89904799 A EP89904799 A EP 89904799A EP 0413713 A1 EP0413713 A1 EP 0413713A1
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Abstract
L'invention a pour objet un miroir à déplacement piézoélectrique compensé en température pour gyrolaser, d'une très grande stabilité et très simple à fabriquer. Son moteur ne comporte qu'une céramique piézoélectrique dont la disposition permet d'assurer à la fois la compensation des variations de longueur de cavité du gyrolaser en température et l'asservissement, par des moyens électriques, de ladite longueur de cavité. L'invention s'applique à tous lasers et notamment aux gyrolasers.
Description
MIROIR PIEZOELECTRIQUE COMPENSE POUR GYROMETRE A LASER.
La présente invention concerne un miroir à déplacement piézoélectrique, pour gyrometre à laser, capable de compenser les dilatations du gyrometre laser sur lequel il est monté, d'une réalisation très simple et d'une très grande stabilité angulaire. Elle s'applique â tous les gyrometres à laser, triangulaires ou carres, monoaxes ou multiaxes.
Les gyrometres à laser, appelés dans ce qui va suivre gyrolasers, comportent généralement :
- un bloc optique, en matériau isolant et à faible coefficient de dilatation, dans lequel est aménage un parcours optique, le plus souvent triangulaire ou carre, délimite par trois ou quatre miroirs, l'ensemble constituant une cavité optique résonnante,
- un milieu amplificateur générant, dans la cavité optique, deux ondes lumineuses tournant en sens inverses l'une de l'autre, les interférences entre ces deux ondes permettant la mesure de la rotation du gyrometre autour d'un axe perpendiculaire au plan du parcours optique,
- un dispositif de mélange des ondes lumineuses, pour créer des franges d'interférences sur un ensemble de cellules photoélectriques, le défilement desdites franges représentant la rotation angulaire du gyrolaser, et étant transformé par lesdites cellules photoélectriques en signaux électriques utilisables,
- des moyens d'activation mécanique permettant de faire osciller le bloc optique par rapport à son support pour éviter les effets bien connus de blocage entre les deux ondes lumineuses,
- des moyens d'asservissement de la longueur de cavité
agencés de telle sorte que la fréquence de rèsonnance de la cavité optique corresponde à celle pour laquelle le gain du milieu amplificateur de lumière est maximum.
Les moyens d'asservissement de la longueur de cavité comprennent généralement eux-mêmes un ou plusieurs miroirs mobiles, dits miroirs piézoélectriques, des circuits électroniques et une ou plusieurs cellules photoélectriques qui mesurent l'intensité des ondes lumineuses du gyrolaser.
Les miroirs piézoélectriques doivent présenter des caractéristiques souvent inconciliables. Ils doivent notamment :
- être aussi légers et indéformables que possible pour être insensibles aux vibrations,
- être insensibles aux contraintes thermiques,
- être montés sans jeu entre les pièces qui les composent, ce qui nécessite de leur imposer des contraintes initiales ou de réaliser des ensembles entièrement collés,
- être exempts de tout risque de fluage, notamment des colles, pour que, lors du vieillissement, la longueur de cavité ne soit pas modifiée,
- avoir une dynamique suffisante pour compenser les variations de longueur de la cavité optique dans tout le domaine de température où le gyrolaser est appelé à fonctionner, - pouvoir être fixés par adhérences moléculaires.
En outre, la position angulaire du miroir doit rester parfaitement stable, et ceci, quelles que soient les conditions d'environnement. La solution la plus souvent utilisée pour réaliser le miroir piézoélectrique, consiste â placer un ensemble de couches réfléchissantes à l'extrémité d'un petit cylindre plein suspendu entre deux membranes parallèles entre elles
et perpendiculaires a l'axe dudit cylindre, a fixer les membranes à l'intérieur d'un cylindre creux et à pousser ou tirer à l'autre extrémité du petit cylindre à l'aide d'un bilame piézoélectrique fixé sur le cylindre creux.
De nombreuses variantes de cette solution ont également été proposées, mais aucune ne satisfait pleinement aux conditions exposées ci-dessus, soit parce que leur sensibilité thermique est trop grande, soit parce que, si leur dynamique est suffisante, le fluage dans le temps des pièces et des collages est trop important du fait des contraintes auxquelles ils sont soumis en permanence, soit encore parce qu'elles sont trop encombrantes ou trop sensibles aux vibrations.
La présente invention apporte une solution qui, tout en n'ayant qu'un seul collage, compense les variations de dimension du gyrolaser en température et permet d'assurer la dynamique et la stabilité nécessaires. Cette solution présente en outre l'avantage d'être très économique et d'une mise en oeuvre extremement simple.
L'invention concerne donc un miroir mobile piézoélectrique compense pour laser et pour gyrolaser du type susdit, caractérise en ce qu' il comporte un moteur piézoélectrique composé d'un seul élément piézoélectrique, de préférence une céramique piézoélectrique, preférentiellement réalisé sous forme d'une couronne, fixé â l'extérieur d'une membrane, - et en ce que ladite membrane est préférentiellement solidaire d'une partie extérieure fixe dudit miroir mobile et d'une partie intérieure mobile dudit miroir mobile.
Des modes de réalisation de l'invention seront décrits ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins annexés dans lesquels :
La figure 1 est une vue de dessus d'un gyrolaser auquel s'applique l'invention,
La figure 2 est une vue en coupe axiale d'un miroir mobile piézoélectrique selon l'art antérieur,
La figure 3 est une vue en coupe axiale d'un premier mode de réalisation du miroir mobile piézoélectrique compensé selon l'invention,
La figure 4 est une vue en coupe axiale d'une première variante du miroir mobile compensé selon l'invention,
La figure 5 est une vue en coupe axiale d'une seconde variante du miroir mobile selon l'invention,
La figure 6 est. une vue extérieure, selon l'axe, d'une troisième variante du miroir mobile de la figure 3,
La figure 7 est une vue extérieure, selon l'axe, d'une variante du miroir mobile de la figure 6, et
La figure 8 est une vue en coupe axiale d'une quatrième variante du miroir mobile selon l'invention.
Comme précédemment mentionné, et ainsi que le montre la figure 1, un gyrolaser comprend notamment :
- un bloc optique 1, réalisé dans un matériau isolant et étanche à l'hélium, généralement une céramique vitrifiée du genre "zérodur", dans lequel sont percés des conduits 2, fermés par des miroirs 3 dont un au moins est mobile et qui forment avec lesdits conduits 2 un parcours optique, triangulaire dans le cas de la figure 1, mais qui peut prendre toute autre forme, un même bloc optique pouvant comporter plusieurs parcours optiques. Un tel parcours optique forme une cavité optique résonnante.
- des miroirs 3 dont l'un au moins est mobile dans une direction perpendiculaire à son plan. Ces miroirs sont généralement composes d'un substrat poli sur lequel est déposé un empilement de couches multidiélectriques pour constituer la partie refléchissante du miroir lui-même.
- un système de sortie des informations placé sur l'un des miroirs 3 et comportant au moins un prisme de mélange 6 et un ensemble de cellules photoélectriques 7, ledit miroir étant légèrement transmettant, c'est-à-dire pouvant laisser passer une partie de la lumière qu'il doit réfléchir.
- une ou deux cathodes 4 fixées sur le bloc optique 1.
- une ou deux anodes 5 également fixées sur le bloc optique 1.
Ces cathodes et anodes constituent les électrodes du gyrolaser et sont reliées aux conduits 2 par des conduits de raccordements 7.
Le bloc optique 1 est rempli d'un mélange gazeux généralement à base d' hélium et de néon. Un courant électrique passant entre les électrodes excite ce mélange gazeux et crée un plasma dans les conduits de raccordement 7 et dans les conduits 2, plasma qui, en amplifiant la lumière, génère par effet laser, deux ondes lumineuses tournant en sens inverse dans la cavité optique.
Ce bloc optique 1 est monté oscillant autour d'un axe 8 grâce à une roue d'activation. Celle-ci est composée, par exemple, d'une couronne extérieure 9, d'un moyeu central 10 et de lames élastiques 11 sur lesquelles sont collées des céramiques piézoélectriques 12.
La figure 2 montre en vue en coupe axiale un miroir mobile piézoélectrique selon l'art antérieur. Il comprend généralement :
- une partie fixe extérieure 13 généralement cylindrique, creuse et dont une extrémité 14 est fixée le plus souvent par adhérence moléculaire au bloc optique 1.
- une partie mobile intérieure 15, elle aussi généralement cylindrique, ayant un axe 17, maintenue dans la partie fixe 13 par une ou plusieurs membranes fines 16 qui lui permettent de se déplacer, suivant son axe 17, de quelques microns. Cette partie mobile porte à l'une de ses extrémités 18, située du même côté que l'extrémité 14 de la partie extérieure 13, le plus souvent dans le même plan que ladite extrémité 14, une partie réfléchissante 19 constituant le miroir proprement dit et généralement réalisée sous forme d'un empilement de couches dites multidièlectriques.
- un moteur piézoélectrique qui vient pousser ou tirer sur la partie centrale 15, généralement à l'autre extrémité 20 de ladite partie centrale 15. L'une des solutions couramment adoptée pour réaliser ce moteur piézoélectrique consiste à utiliser un bilame piézoélectrique 21 fixé à la partie extérieure 13 par un ensemble de pièces le plus souvent métalliques 22 et généralement collées sur ladite partie extérieure 13, ces pièces métalliques 22 assurant une contrainte initiale au bilame pour éviter les leux, et imposant donc des contraintes â l'ensemble des pièces.
Le bilame 21 et les pièces métalliques 22, créent, lors des variations de température, des variations de contraintes dans l'ensemble des pièces qui peuvent entraîner des fluages et sont une cause d'instabilité, aussi bien pour la longueur de la cavité, que pour la position angulaire du miroir.
La figure 3 illustre un premier mode de réalisation d'un miroir mobile piézoélectrique selon l'invention et dont le principe consiste à faire un moteur piézoélectrique dont la
dynamique piézoélectrique soit réduite, mais dont la sensibilité thermique soit telle qu'elle compense les variations de dimensions de la cavité optique en température.
Pour arriver à ce résultat, un miroir mobile piézoélectrique selon l'invention comprend :
- une partie fixe extérieure 13 de préférence cylindrique et creuse, ayant un axe 17 et deux extrémités 14 et 23, l'extrémité 14, servant à la fixation sur le bloc optique 1, étant sensiblement parallèle et perpendiculaire à l'axe 17, l'extrémité 23 étant fermée par une membrane 24 qui présente une surface extérieure 27 et une surface intérieure 38 de préférence planes et perpendiculaires à l'axe 17.
- une partie mobile interne 15, de préférence cylindrique, de même axe 17 que la partie extérieure 13 et dont une extrémité 18, sensiblement coplanaire avec l'extrémité 14 susdecrite, porte un ensemble de couches multιάιélecτ:rιques formant miroir 19, 'l'autre extrémité 20 étant solidaire de la membrane 24.
- une seconde membrane 16 également perpendiculaire â l'axe 17, située â proximité de l'extrémité 18 de la partie mobile interne 15, relie ladite partie 15 à la partie fixe extérieure 13 et la maintient ainsi centrée sur l'axe 17.
- un élément piézoélectrique, de préférence une céramique piézoélectrique 25, en forme de disque ou préferentiellement de couronne comportant un bord extérieur 34 et un bord intérieur 35, collée centrée sur la face 27 de la membrane 24, polarisée et métallisée pour présenter, sous l'effet d'une excitation électrique, une variation de dimension radiale.
Le diamètre intérieur 35 est de préférence choisi égal ou légèrement inférieur au diamètre de la partie intérieure 15. Le diamètre du bord extérieur 34 est choisi pour être de préférence en regard d'un cercle situé à mi-distance entre la partie fixe extérieure 13 et la partie intérieure mobile 15.
L'ensemble comprenant la partie externe 13, la partie interne 15 et les membranes 16 et 24, peut être réalisé sous forme de deux pièces 28 et 29 comprenant chacune la moitié de chacune desdites parties interne 15 et externe 13 et, l'une, la membrane 16, l'autre la membrane 24, les deux pièces 28 et 29 étant réunies au montage par une adhérence moléculaire 40 par exemple.
Le plan de ladite adhérence moléculaire 40 peut se situer à n'importe quel endroit situé entre les deux membranes 16 et 24 et éventuellement dans le même plan que celui de l'une des surfaces de l'une desdites membranes 16 ou 24, la surface 38 de la membrane 24 par exemple, ainsi que le montre la figure 8.
Ainsi décrit, le miroir mobile piézoélectrique de la figure 3 fonctionne comme suit :
Sous l'effet d'une augmentation de température du gyrolaser, le bloc optique 1, dont le coefficient de dilatation est généralement négatif, se contracte et la longueur de la cavité optique à tendance à diminuer. Dans le même temps, la céramique 25 tend à se dilater et donc à imposer à la membrane 24 une contrainte dépendant de la température et qui tend à la déformer en lui donnant une convexité tournée vers l'extérieur, entraînant de ce fait un déplacement de la partie interne 15 et du miroir 19 vers l'extérieur de la cavité optique. Ceci aura pour résultat d'augmenter la longueur de ladite cavité optique et de compenser la diminution susdecrite.
Les épaisseurs des membranes 24 et 16 et de la céramique 25 sont choisies, en tenant compte des diamètres des bords 34 et 35 de ladite céramique, de façon à compenser aussi exactement que possible la dilatation du bloc optique.
Sous l'effet d'une excitation électrique, la céramique 25 tend également à se dilater ou à se contracter, entraînant de la même façon la partie interne 15 vers l'extérieur ou vers l'intérieur du bloc optique pour effectuer l'asservissement de longueur de cavité.
Du fait de la compensation thermique déjà décrite, la dynamique piézoélectrique nécessaire pour corriger les variations résiduelles de longueur de cavité est beaucoup plus faible que dans le cas des systèmes antérieurs.
La céramique 25, bien que seule et de faible diamètre est alors tout-à-fait suffisante.
La figure 4 illustre une variante où la céramique 25 est réalisée en forme de disque plein.
Dans le cas ou le coefficient de température du matériau, constituant le corps du laser à compenser, est positif, les dimensions de la céramique 25 sont choisies, ainsi que le montre la figure 5, pour assurer un mouvement de la partie intérieure mobile 15 vers l'intérieur du laser lorsque la température augmente.
Dans ce cas, le diamètre du bord intérieur 35 de la céramique 25 est de préférence égal a celui du cercle situé à mi-distance entre la partie fixe extérieure 13 et la partie mobile intérieure 15 d'une part. Le diamètre du bord extérieur de la céramique est lui choisi, d'autre part, égal ou légèrement supérieur au diamètre interne de la partie extérieure 13.
Les dispositions des figures 3 et 5 doivent naturellement être inversée si le coefficient de température du matériau piézoélectrique choisi est négatif.
Un miroir piézoélectrique réalisé selon l'invention permet également d'effectuer des corrections angulaires selon le principe décrit dans la demande de brevet Français nº 8702091.
La figure 6 illustre un mode de réalisation du miroir mobile piézoélectrique selon l'invention et qui permet d'effectuer ces corrections.
Dans ce cas, la céramique piézoélectrique 25 a au moins une métallisation divisée en au moins deux et de préférence quatre secteurs, par exemple, 30, 31, 32 et 33. Une excitation électrique différentielle de ces secteurs entraîne une déflexion angulaire de la partie mobile interne 15 par rapport à l'axe 17 de la partie extérieure 13 et permet de corriger des mésalignements de la cavité optique du gyrolaser.
Dans le cas où la correction angulaire ne doit être faite que dans une seule direction, la métallisation est faite sous forme de deux secteur 36 et 37 séparés par une ligne 39 aini que le montre la figure 7. Ladite ligne 39 étant parallèle à l'axe de rotation des corrections angulaires à effectuer.
Claims
1. Miroir mobile piézoélectrique compensé pour gyrometre à laser du type comprenant :
- un bloc optique (1) comportant au moins une cavité optique, à l'intérieur de laquelle sont engendrées, grâce à un milieu amplificateur, deux ondes laser inverses;
- au moins un miroir mobile à moteur piézoélectrique;
- un dispositif de mélange des ondes lumineuses;
- des moyens d'activation mécanique;
- des moyens d'asservissement de la longueur de cavité;
caractérisé en ce qu' il comporte un moteur piézoélectrique composé d'un seul élément piézoélectrique, de préférence une céramique piézoélectrique (25), preferentiellement réalisé sous forme d'une couronne, fixé à l'extérieur d'une membrane (24), et en ce que ladite membrane (24) est préferentiellement solidaire d'une partie extérieure fixe (13) dudit miroir mobile et d'une partie intérieure mobile dudit miroir mobile.
2. Miroir mobile piézoélectrique compense selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément piézoélectrique est une céramique piézoélectrique, dont un bord extérieur (34) est situé sensiblement en regard de la mi-distance entre la partie fixe extérieure (13) et la partie intérieure mobile (15) dudit miroir mobile.
3. Miroir mobile piézoélectrique compensé selon la revendication 1, caractérisé en ce σue l'élément Piézoélectrique est une céramique piézoélectrique, dont un bord intérieur (35) a un diamètre sensiblement égal et de préférence inférieur à celui de la partie intérieure mobile (15) dudit miroir mobile.
4. Miroir mobile piézoélectrique compensé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément piézoélectrique est une céramique piézoélectrique, réalisée sous forme de disque plein et dont un bord extérieur (34) est situé sensiblement en regard de la mi-distance entre la partie fixe extérieure (13) et la partie intérieure mobile (15) dudit miroir mobile.
5. Miroir mobile piézoélectrique compensé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément piézoélectrique est une céramique piézoélectrique, dont un bord intérieur (34) est situé sensiblement en regard de la mi-distance entre la partie fixe extérieure (13) et la partie intérieure mobile (15) dudit miroir mobile.
6. Miroir mobile piézoélectrique compensé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément piézoélectrique est une céramique piézoélectrique, dont un bord extérieur (34) a un diamètre sensiblement égal et de préférence supérieur au diamètre interne de la partie extérieure fixe (13) dudit miroir mobile.
7. Miroir mobile piézoélectrique compensé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément piézoélectrique est une céramique piézoélectrique, dont l'une au moins des métallisation est séparée en au moins deux et de préférence en quatre secteurs.
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