EP4623269A1 - Capteur angulaire inertiel micro-usiné - Google Patents

Capteur angulaire inertiel micro-usiné

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Publication number
EP4623269A1
EP4623269A1 EP23812910.0A EP23812910A EP4623269A1 EP 4623269 A1 EP4623269 A1 EP 4623269A1 EP 23812910 A EP23812910 A EP 23812910A EP 4623269 A1 EP4623269 A1 EP 4623269A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
teeth
intermediate structure
angular sensor
row
vibrating mass
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23812910.0A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Nicolas Jean-Marc Frédéric VERCIER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thales SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thales SA filed Critical Thales SA
Publication of EP4623269A1 publication Critical patent/EP4623269A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
    • G01C19/5733—Structural details or topology

Definitions

  • TITLE Micro-machined inertial angular sensor
  • the present invention relates to a micro-machined inertial angle sensor.
  • the invention relates to the field of inertial angular sensors intended to be on-board. Such sensors are for example used for navigation, piloting, guidance or heading finding.
  • Inertial angle sensors are configured to measure an angular position, and usually called a gyroscope in this case.
  • the angular sensors are configured to measure an angular velocity, in which case they are called a gyrometer.
  • Inertial angle sensors which are micro-machined, also called MEMS inertial sensors, are known per se, for example from document EP 2 960 625 A1.
  • Such a sensor generally comprises one or more masses which are excited into vibration in a plane formed by axes X and Y perpendicular to each other. This plane is perpendicular to a Z axis which forms a so-called sensitive axis of the sensor.
  • a combination of the vibration of the moving mass(es) with an angular rotation vector generates, by Coriolis effect, forces which put the moving masses into natural vibration perpendicular to the vibration of excitation and the sensitive axis.
  • the amplitude of this natural vibration is proportional to the rotation speed of the sensor, and then makes it possible to deduce a value of the angular speed around the sensitive axis.
  • Inertial angle sensors for example, present mechanical deviations due to manufacturing tolerances. To improve the measurement precision of such sensors, it is possible to provide adjustment actuators to compensate or balance these mechanical deviations, for example deviations in mass or shape of the sensor or certain parts of the sensor.
  • deviations or mechanical defects in the micro-machined sensor introduce a quadrature bias.
  • the quadrature bias corresponds to a coupling of stiffnesses acting on a vibrating mass of the micro-machined sensor along two perpendicular axes.
  • one or more electrostatic transducer(s) should be provided, which apply a force compensating for the quadrature bias.
  • tuning transducers often take up a lot of space on the micromachined sensor surface.
  • an increase in the force applicable by these electrostatic transducers often implies an increase in the size of these transducers. Given a limited surface area of the micro-machined inertial angular sensor, it is then difficult to provide electrostatic transducers, in particular to compensate for the quadrature bias, presenting a high applicable force for compensation.
  • An aim of the present invention is to overcome the aforementioned drawbacks.
  • an object of the present invention is to obtain a micro-machined inertial angular sensor which makes it possible to obtain compensation for mechanical deviations, even in the presence of a strong bias, while having a reduced size.
  • the subject of the invention is a micro-machined inertial angular sensor comprising a support having a first axis in a support plane and a second axis perpendicular to the first axis and included in said support plane, the angular sensor comprising in in addition to at least one vibrating mass movable relative to the support, at least one excitation transducer configured to generate a vibration movement of the vibrating mass, and at least one transducer for detecting a vibration of the vibrating mass.
  • the angular sensor comprises at least one electrostatic adjustment transducer configured to apply an adjustable electrostatic stiffness to the vibrating mass, the or each electrostatic adjustment transducer comprising at least two rows of teeth forming a pair of combs.
  • the angular sensor comprising at least one elongated intermediate structure makes it possible to increase the surface area, or the edge length available for arranging rows of teeth within the sensor, without increasing the total surface area required by the adjustment transducer(s). electrostatic. Indeed, instead of an arrangement of the rows of teeth of the transducer(s), for example directly on a fixing edge of the vibrating mass or of the support, the rows of teeth are carried by the elongated intermediate structure, which has an increased surface area for fixing these rows of teeth.
  • the or each adjustment transducer is an electrostatic transducer for compensating a quadrature bias, configured to modify the distribution of stiffnesses acting on the vibrating mass, the quadrature bias corresponding to a coupling of the stiffnesses acting on the vibrating mass according to the first axis and the second axis;
  • the two rows of teeth comprise a first row of teeth secured to the vibrating mass and a second row of teeth secured to the support, the intermediate structure projecting from the fixing edge of the vibrating mass, called the movable edge, when it carries the first row of teeth, the intermediate structure projecting from the fixing edge of the support, called fixed edge, when it carries the second row of teeth;
  • the angular sensor comprises at least two vibrating masses movable relative to the support, and movable relative to each other, suspended by suspension springs at fixed anchor points of the support and coupled together by springs coupling to vibrate in opposition to phase.
  • the angular sensor 2 further comprises, for example, coupling springs 16, for example four when the angular sensor comprises two masses 8, 10, coupling the vibrating masses 8, 10 together to allow vibration of the masses 8, 10 in opposition to each other. phase.
  • the angular sensor 2 comprises at least one intermediate structure 18 projecting from the vibrating mass s, 10 or the support 6.
  • the examples in Figures 2 to 5 show intermediate structures 18 projecting from the mass vibrating mass 8 and intermediate structures 18 projecting from the support 6.
  • the angular sensor 2 further comprises intermediate structures 18 projecting from the vibrating mass 10.
  • the angular sensor 2 further comprises at least one electrostatic adjustment transducer Tx, Ty, Q+, Q-.
  • the angular sensor 2 also comprises detection transducers Dx, Dy, excitation transducers Ex, Ey and/or electrostatic adjustment transducers Tx, Ty, Q+, Q- arranged on the external mass 10.
  • each electrostatic adjustment transducer Tx, Ty, Q+, Q- is configured to apply an adjustable electrostatic stiffness to the vibrating mass 8, 10.
  • the corresponding electrostatic adjustment transducer is configured to apply a force to the vibrating mass 8, 10, for example as a function of a received voltage.
  • the angular sensor 2 comprises a first type of electrostatic transducer Tx, Ty and a second type of electrostatic transducer Q+, Q-.
  • the first type of electrostatic adjustment transducer Tx, Ty comprises for example interdigitated teeth, which are in particular either elongated along the first axis X, or elongated along the second axis Y.
  • the second type of electrostatic adjustment transducer Q+, Q- is in particular configured to compensate for a quadrature bias.
  • the quadrature bias corresponds to a coupling of one or more stiffnesses acting on the vibrating mass 8, 10, and corresponds in particular to a coupling of the stiffnesses of the suspension springs 12 along the first axis X and the second axis Y.
  • the quadrature bias is due to manufacturing deviations of the suspension springs 12.
  • the second type of electrostatic adjustment transducer Q+, Q- is configured to modify the distribution of stiffness(es) acting on the vibrating mass 8, 10, in particular so as to align main axes of dynamic stiffness on the first axis X and the second axis Y.
  • the second type of electrostatic adjustment transducer Q+, Q- is configured to compensate for the quadrature bias, for example caused by manufacturing tolerances of the angular sensor 2.
  • electrostatic transducer Tx, Ty, Q+, Q- and an example of its arrangement in the angular sensor 2 are described in the following for the electrostatic transducer of the second type Q+, Q-, called electrostatic transducer Q+, Q- in this follows.
  • electrostatic transducer Q+, Q- is also applicable to the transducer of the first type Tx, Ty as a variant.
  • Each electrostatic transducer Q+, Q- comprises at least two rows of teeth 20A, 20B forming a pair of combs, in particular a pair of interdigitated combs.
  • Each row of teeth 20A, 20B comprises, and is preferably formed by, a plurality of teeth 22A, 22B extending parallel to each other.
  • teeth 22A, 22B are parallel to each other, so as to respectively apply or receive an electrostatic force.
  • At least one of the rows of teeth 20A, 20B is carried by the corresponding intermediate structure 18 of the angular sensor 2.
  • the two rows of teeth 20A, 20B comprise a first row of teeth 20A secured to the vibrating mass 8, 10, and a second row of teeth 20B secured to the support 6.
  • the teeth 22A are secured to the vibrating mass 8, 10, and the teeth 22B are secured to the support 6, and are carried by the corresponding intermediate structures 18.
  • Figure 2 shows an example of a part of the angular sensor 2 comprising the intermediate structures 18 carrying the rows of teeth 20A, 20B of an electrostatic transducer Q+ forming an electrostatic transducer for compensating a positive quadrature bias.
  • positive quadrature bias it is particularly understood that the coupling of the stiffnesses acting on the vibrating mass 8, 10 is a positive value.
  • positive quadrature bias it is understood that a movement of the vibrating mass 8, 10 along the second axis Y generates a force, along the first axis second Y axis.
  • Figure 3 shows an example of a part of the angular sensor 2 comprising the intermediate structures 18 carrying the rows of teeth 20A, 20B of an electrostatic transducer Q- forming an electrostatic transducer for compensating a negative quadrature bias.
  • negative quadrature bias it is particularly understood that the coupling of the stiffnesses acting on the vibrating mass 8, 10 is a negative value.
  • negative quadrature bias it is understood that a movement of the vibrating mass 8, 10 along the second axis Y generates a force, along the first axis Y axis.
  • the angular sensor 2 comprises several intermediate structures 18 arranged parallel to each other.
  • the angular sensor 2 comprises a single intermediate structure 18.
  • each intermediate structure 18 projects from the corresponding fixing edge 28, 30 in an extension plane.
  • the extension plane is parallel to the support plane or coincides with the support plane.
  • Each fixing edge 28, 30 extends in particular in the extension plane.
  • the directions of extension 26 of the sections S1 to S7 of the or each intermediate structure 18 have the following angles between them, following the directions of extension 26 of the intermediate structure 18 projecting of the fixing edge 30 of the support 6: an angle equal to 90° counterclockwise between sections S1 and S2, two angles of 90° clockwise between sections S2 and S3 as well as S3 and S4, two angles of 90° counterclockwise between sections S4 and S5 as well as S5 and S6, and an angle of 90° clockwise between sections S6 and S7.
  • the secondary teeth being closer together than the primary teeth, are then responsible for the resulting electrostatic forces, with the forces exerted by the primary teeth contributing only marginally to the resulting force.
  • the secondary row of teeth comprises secondary teeth projecting from the teeth 22A, 22B in a secondary direction perpendicular to a direction of extension of the teeth 22A, 22B.
  • the secondary direction is in particular parallel to the direction of extension 26 of the intermediate structure 18 carrying the teeth 22A, 22B.
  • the intermediate structure 18 and the row of teeth 20A, 20B, which is carried by the intermediate structure 18 are formed in a single piece.
  • the intermediate structure 18, the row of teeth 20A, 20B, which is carried by the intermediate structure 18 and the secondary teeth carried by the row of teeth 20A, 20B are formed in one piece.
  • the intermediate structure 18 projects from the fixing edge 28 of the vibrating mass 8, 10, the vibrating mass 8, 10, the intermediate structure 18, and the teeth 22A carried by this intermediate structure 18 are formed in a single piece.
  • the intermediate structure 18 is fixed on the fixing edge 30 of the support 6, the support 6, the intermediate structure 18, and the teeth 22B are formed in one piece.
  • elements formed in a single piece are elements obtained by engraving or machining.
  • at least one element among the following elements, preferably all of the following elements, comprises silicon or consists of silicon: the support 6, the intermediate structure 18, the vibrating mass 8, 10, the teeth 22A, 22B of each row of teeth 20A, 20B.
  • the senor 2 according to the invention comprising the intermediate structure(s) 18 makes it possible to increase the space available for the arrangement of a high number of teeth 22A, 22B of each row of teeth 20A, 20B carried by the corresponding intermediate structure 18.
  • the fact of increasing the number of teeth by arranging them on the intermediate structure(s) 18 makes it possible to compensate for mechanical deviations in a reliable and efficient manner. For example, this makes it possible to compensate for mechanical deviations without increasing the electrical voltage of the transducer.

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Abstract

Le capteur angulaire comprend en outre au moins une masse vibrante (8) mobile par rapport au support (6), au moins un transducteur de réglage électrostatique (Q+) configuré pour appliquer une raideur électrostatique ajustable à la masse vibrante (8), le ou chaque transducteur de réglage électrostatique (Q+) comprenant au moins deux rangées de dents (20A, 20B) formant une paire de peignes. Le capteur angulaire comprend en outre au moins une structure intermédiaire (18) allongée selon au moins une direction d'extension (26), la structure intermédiaire (18) faisant saillie d'un bord de fixation (28, 30) de la masse vibrante (8) ou du support (6), et portant l'une des rangées de dents.

Description

TITRE : Capteur angulaire inertiel micro-usiné
La présente invention concerne un capteur angulaire inertiel micro-usiné.
L’invention concerne le domaine des capteurs angulaires inertiels destinés à être embarqués. De tels capteurs sont par exemple utilisés pour la navigation, le pilotage, le guidage ou la recherche de cap.
Les capteurs angulaires inertiels sont configurés pour mesurer une position angulaire, et généralement appelés gyroscope dans ce cas. Selon un autre cas, les capteurs angulaires sont configurés pour mesurer une vitesse angulaire, auquel cas ils sont appelés gyromètre.
Des capteurs angulaires inertiels, qui sont micro-usinés, également appelés capteurs inertiels MEMS, sont connus en soi, par exemple du document EP 2 960 625 A1 .
Un tel capteur comprend généralement une ou plusieurs masses qui sont excitées en vibration dans un plan formé par des axes X et Y perpendiculaires l’un par rapport à l’autre. Ce plan est perpendiculaire à un axe Z qui forme un axe dit sensible du capteur. Lors d’une rotation du capteur autour de son axe sensible, une combinaison de la vibration du ou des masses mobiles avec un vecteur de rotation angulaire engendre, par effet Coriolis, des forces qui mettent les masses mobiles en vibration naturelle perpendiculairement à la vibration d’excitation et à l’axe sensible. L’amplitude de cette vibration naturelle est proportionnelle à la vitesse de rotation du capteur, et permet alors de déduire une valeur de la vitesse angulaire autour de l’axe sensible.
Les capteurs angulaires inertiels présentent par exemple des écarts mécaniques dus aux tolérances de fabrication. Pour améliorer la précision de la mesure de tels capteurs, il est possible de prévoir des actionneurs de réglage pour compenser ou équilibrer ces écarts mécaniques, par exemple des écarts de masse ou de forme du capteur ou de certaines parties du capteur.
Selon un exemple, des écarts ou défauts mécaniques du capteur micro-usiné introduisent un biais en quadrature. Le biais en quadrature correspond à un couplage de raideurs agissant sur une masse vibrante du capteur micro-usiné selon deux axes perpendiculaires. Pour compenser ce biais en quadrature, il convient de prévoir un ou plusieurs transducteur(s) électrostatique(s), qui appliquent une force compensant le biais en quadrature. Toutefois, de tels transducteurs de réglage prennent souvent beaucoup d’espace sur la surface du capteur micro-usiné. Aussi, une augmentation de la force applicable par ces transducteurs électrostatiques implique souvent une augmentation de la taille de ces transducteurs. Compte tenu d’une surface limitée du capteur angulaire inertiel micro-usiné, il est alors difficile de prévoir des transducteurs électrostatiques, notamment pour compenser le biais en quadrature, présentant une force applicable élevée pour une compensation.
Un but de la présente invention est de pallier les inconvénients précités.
Ainsi, un objet de la présente invention est d’obtenir un capteur angulaire inertiel micro-usiné qui permet d’obtenir une compensation d’écarts mécaniques, même en présence d’un biais fort, tout en présentant une taille réduite.
À cet effet, l’invention a pour objet un capteur angulaire inertiel micro-usiné comprenant un support présentant un premier axe dans un plan de support et un second axe perpendiculaire au premier axe et compris dans ledit plan de support, le capteur angulaire comprenant en outre au moins une masse vibrante mobile par rapport au support, au moins un transducteur d’excitation configuré pour générer un mouvement de vibration de la masse vibrante, et au moins un transducteur de détection d’une vibration de la masse vibrante.
Le capteur angulaire comprend au moins un transducteur de réglage électrostatique configuré pour appliquer une raideur électrostatique ajustable à la masse vibrante, le ou chaque transducteur de réglage électrostatique comprenant au moins deux rangées de dents formant une paire de peignes.
Le capteur angulaire comprend en outre au moins une structure intermédiaire allongée selon au moins une direction d’extension, la structure intermédiaire faisant saillie d’un bord de fixation de la masse vibrante ou du support, et portant l’une des rangées de dents. La ou chaque structure intermédiaire comprend une pluralité de sections s’étendant selon des directions d’extension respectives dans un plan parallèle au plan de support ou confondu avec le plan de support, les directions d’extension de deux sections consécutives présentant de préférence un angle perpendiculaire l’une par rapport à l’autre.
Le capteur angulaire comprenant au moins une structure intermédiaire allongée permet d’augmenter la surface, ou la longueur de bord disponible pour agencer des rangées de dents au sein du capteur, sans augmenter la surface totale requise par le ou les transducteur(s) de réglage électrostatique. En effet, au lieu d’un agencement des rangées de dents du ou des transducteur(s) par exemple directement sur un bord de fixation de la masse vibrante ou du support, les rangées de dent sont portées par la structure intermédiaire allongée, qui présente une surface augmentée pour la fixation de ces rangées de dents.
Ainsi, grâce au capteur angulaire selon l’invention, des rangées de dents présentant notamment un nombre de dents élevé sont agencées sur la structure intermédiaire allongée. Par conséquent, la force applicable par le transducteur de réglage est augmentée, sans augmenter la surface occupée par ce transducteur.
Suivant d’autres aspects avantageux de l’invention, le capteur angulaire comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :
- chaque rangée de dents comprend une pluralité de dents s’étendant parallèlement l’une par rapport à l’autre, chaque dent de la rangée de dents portée par la structure intermédiaire faisant saillie de ladite structure intermédiaire, de préférence faisant saillie de ladite structure intermédiaire selon une direction perpendiculaire à la direction d’extension de la structure intermédiaire ;
- le ou chaque transducteur de réglage est un transducteur électrostatique de compensation d’un biais en quadrature, configuré pour modifier la répartition de raideurs agissant sur la masse vibrante, le biais en quadrature correspondant à un couplage des raideurs agissant sur la masse vibrante selon le premier axe et le second axe ;
- la direction d’extension de la ou chaque structure intermédiaire forme un angle avec le bord de fixation compris entre 45 et 90 degrés ;
- l’angle est sensiblement égal à 90 degrés ;
- le capteur angulaire comprend plusieurs structures intermédiaires parallèles l’une par rapport à l’autre ;
- les deux rangées de dents comprennent une première rangée de dents solidaire de la masse vibrante et une seconde rangée de dents solidaire du support, la structure intermédiaire faisant saillie du bord de fixation de la masse vibrante, dit bord mobile, lorsqu’elle porte la première rangée de dents, la structure intermédiaire faisant saillie du bord de fixation du support, dit bord fixe, lorsqu’elle porte la seconde rangée de dents ;
- le capteur angulaire comprend à la fois au moins une structure intermédiaire faisant saillie du bord mobile et portant la première rangée de dents, et au moins une structure intermédiaire faisant saillie du bord fixe et portant la seconde rangée de dents ;
- la ou chaque structure intermédiaire comprend une pluralité de sections s’étendant selon des directions d’extension respectives dans un plan parallèle au plan de support ou confondu avec le plan de support ;
- les directions d’extension de deux sections consécutives présentent un angle perpendiculaire l’une par rapport à l’autre ;
- la ou chaque structure intermédiaire et au moins l’une desdites rangées de dents forment structure fractale, dans laquelle ladite rangée de dents est munie d’une rangée de dents secondaires, faisant saillie de dents de ladite rangée de dents ; - au moins la ou chaque structure intermédiaire et la rangée de dents portée par ladite structure intermédiaire sont formées en une seule pièce ;
- le capteur angulaire comprend au moins deux masses vibrantes mobiles par rapport au support, et mobiles l’une par rapport à l’autre, suspendues par des ressorts de suspension à des points d’ancrage fixes du support et couplées entre elles par des ressorts de couplage pour vibrer en opposition de phase.
Ces caractéristiques et avantages de l’invention apparaitront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
[Fig 1] La figure 1 est une vue schématique d’un exemple d’un capteur angulaire inertiel selon l’invention ;
[Fig 2] La figure 2 est une vue schématique d’un exemple d’une partie du capteur angulaire de la figure 1 comprenant des structures intermédiaires et des transducteurs de réglage selon l’invention ;
- [Fig 3] La figure 3 est une vue schématique analogue à la figure 2 selon un autre exemple de l’invention ;
- [Fig 4] La figure 4 est une vue schématique analogue aux figures 2 et 3 selon un autre exemple de l’invention ;
- [Fig 5] La figure 5 est une vue schématique analogue aux figures 2 à 4 selon un autre exemple de l’invention.
En référence à la figure 1 , un capteur angulaire 2 comprend un support 6 s’étendant dans un plan de support, selon un premier axe X et un second axe Y perpendiculaire au premier axe.
Par la suite, le capteur angulaire inertiel micro-usiné 2 est appelé capteur angulaire 2.
Le capteur angulaire 2 est par exemple un gyromètre qui est configuré pour mesurer une vitesse angulaire. En variante ou en complément, le capteur angulaire 2 est un gyroscope pour mesurer une position angulaire.
Le capteur angulaire 2 est un capteur micro-usiné, et forme ainsi un microsystème électromécanique, également défini par son sigle MEMS (de l’anglais « Micro-Electro- Mechanical Systems »).
Le capteur angulaire 2 est en particulier un capteur destiné à être embarqué dans un véhicule, non représenté, par exemple dans un aéronef, un drone ou un navire.
Le capteur angulaire 2 est par exemple destiné à être embarqué dans une centrale de navigation, de pilotage ou de guidage de véhicule.
Le capteur angulaire comprend au moins une masse vibrante. En référence à la figure 1 , le capteur angulaire 2 comprend par exemple deux masses vibrantes 8, 10, disposées notamment l’une autour de l’autre, pour former une masse appelée masse interne 8 et une masse appelée masse externe 10.
En particulier, le capteur angulaire est un gyromètre de type diapason, notamment un gyromètre de type diapason à deux masses vibrantes.
Par « masse vibrante », il est entendu que la ou chaque masse 8, 10 est apte à effectuer des oscillations, par exemple entrainées par des moyens décrits plus loin, et par effet Coriolis lors d’une rotation du capteur angulaire 2.
Chaque masse vibrante 8, 10 est mobile par rapport au support 6.
Dans le cas de deux masses vibrantes 8, 10, les masses vibrantes 8, 10 sont de préférence en outre mobiles l’une par rapport à l’autre. Des centres de gravité 0 des masses vibrantes 8, 10 sont notamment confondus au repos.
Le capteur angulaire 2 comprend par exemple en outre des ressorts de suspension 12, par exemple quatre pour chaque masse vibrante 8, 10, suspendant chaque masse vibrante 8, 10 à un point d’ancrage 14 respectif qui est fixe par rapport au support 6.
Le capteur angulaire 2 comprend en outre par exemple des ressorts de couplage 16, par exemple quatre lorsque le capteur angulaire comprend deux masses 8, 10, couplant les masses vibrantes 8, 10 entre elles pour permettre une vibration des masses 8, 10 en opposition de phase.
En référence aux figures 2 à 5, le capteur angulaire 2 comprend au moins une structure intermédiaire 18 faisant saillie de la masse vibrante s, 10 ou du support 6. Les exemples des figures 2 à 5 montrent des structures intermédiaires 18 faisant saillie de la masse vibrante 8 et des structures intermédiaires 18 faisant saille du support 6. En complément, non représenté, le capteur angulaire 2 comprend en outre des structures intermédiaires 18 faisant saillie de la masse vibrante 10.
En référence à la figure 1 , le capteur angulaire 2 comprend en outre au moins un transducteur de détection Dx, Dy configuré pour détecter une vibration de la masse vibrante 8, 10. Chaque transducteur de détection Dx, Dy comprend par exemple au moins un peigne solidaire de la masse vibrante 8, 10 et au moins un peigne solidaire du support 6. Dans ce cas, chaque transducteur de détection Dx, Dy est ainsi configuré pour détecter la vibration en mesurant des variations de charge entre les peignes.
Le capteur angulaire 2 comprend en outre au moins un transducteur d’excitation Ex, Ey configuré pour générer un mouvement de vibration de la masse vibrante 8, 10.
Le capteur angulaire 2 comprend en outre au moins un transducteur de réglage électrostatique Tx, Ty, Q+, Q-. Dans l’exemple de la figure 1 , seulement les transducteurs de détection Dx, Dy, les transducteurs d’excitation Ex, Ey et les transducteurs de réglage électrostatique Tx, Ty, Q+, Q- agencés sur la masse interne 8 sont représentés. De préférence, le capteur angulaire 2 comprend également des transducteurs de détection Dx, Dy, des transducteurs d’excitation Ex, Ey et/ou des transducteurs de réglage électrostatique Tx, Ty, Q+, Q- agencés sur la masse externe 10.
Par exemple, chaque transducteur de réglage électrostatique Tx, Ty, Q+, Q- est configuré pour appliquer une raideur électrostatique ajustable à la masse vibrante 8, 10.
Par « raideur électrostatique ajustable », il est entendu que le transducteur de réglage électrostatique correspondant est configuré pour appliquer une force à la masse vibrante 8, 10, par exemple en fonction d’une tension reçue.
Selon un exemple, le capteur angulaire 2 comprend un premier type de transducteur électrostatique Tx, Ty et un second type de transducteur électrostatique Q+, Q-.
Le premier type de transducteur de réglage électrostatique Tx, Ty est par exemple configuré pour appliquer une raideur électrostatique pour compenser un biais de fréquence d’un mode de vibration diapason selon le premier axe X et/ou selon le second axe Y. En particulier, le premier type de transducteur de réglage électrostatique Tx, Ty est configuré pour compenser une différence de fréquence de vibration entre des vibrations selon le premier axe X et le second axe Y.
Un exemple du premier type de transducteur de réglage électrostatique Tx, Ty est visible sur la figure 1.
Le premier type de transducteur de réglage électrostatique Tx, Ty comprend par exemple des dents interdigitées, qui sont en particulier soit allongées selon le premier axe X, soit allongées selon le second axe Y.
Le second type de transducteur de réglage électrostatique Q+, Q- est en particulier configuré pour compenser un biais en quadrature.
Le biais en quadrature correspond à un couplage d’une ou des raideur(s) agissant sur la masse vibrante 8, 10, et correspond notamment à un couplage des raideurs des ressorts de suspension 12 selon le premier axe X et le second axe Y. Par exemple, le biais en quadrature est dû à des écarts de fabrication des ressorts de suspension 12. Un exemple de fonctionnement du second type de transducteur de réglage électrostatique Q+, Q- est décrit dans le document EP 2 960 625 A1 .
En particulier, le second type de transducteur de réglage électrostatique Q+, Q- est configuré pour modifier la répartition de(s) raideur(s) agissant sur la masse vibrante 8, 10, notamment de façon à aligner des axes principaux de raideur dynamique sur le premier axe X et le second axe Y. En particulier, par ajustement de raideurs électrostatiques appliquées sur masse vibrante 8, 10, le second type de transducteur de réglage électrostatique Q+, Q- est configuré pour compenser le biais en quadrature, par exemple causé par des tolérances de fabrication du capteur angulaire 2.
Le transducteur électrostatique Tx, Ty, Q+, Q- et un exemple de son agencement dans le capteur angulaire 2 sont décrits dans ce qui suit pour le transducteur électrostatique du second type Q+, Q-, appelé transducteur électrostatique Q+, Q- dans ce qui suit. Toutefois, l’homme du métier comprend que l’agencement du transducteur électrostatique Q+, Q- est applicable également au transducteur du premier type Tx, Ty en variante.
Des exemples du transducteur de réglage électrostatique Q+, Q- sont représentés sur les figures 2 à 5 montrant des parties du capteur angulaire 2 comprenant les transducteurs électrostatiques Q+, Q-.
Chaque transducteur électrostatique Q+, Q- comprend au moins deux rangées de dents 20A, 20B formant une paire de peignes, notamment une paire de peignes interdigités. Chaque rangée de dents 20A, 20B comprend, et est de préférence formée par, une pluralité des dents 22A, 22B s’étendant parallèlement l’une par rapport à l’autre.
Par « peignes interdigités », il est en particulier entendu que les dents 22A, 22B sont parallèles l’une par rapport à l’autre, de manière à appliquer ou recevoir respectivement une force électrostatique.
Au moins l’une des rangées de dents 20A, 20B est portée par la structure intermédiaire 18 correspondante du capteur angulaire 2.
Chaque dent 22A de la rangée de dents 20A forme en particulier une paire de dents avec une dent correspondante 22B de la rangée de dents 20B. Les dents 22A, 22B de chaque paire de dents sont agencées sensiblement parallèlement l’une par rapport à l’autre, et notamment à une distance inférieure à une distance minimale à d’autres dents 22A, 22B. En particulier, les dents 22A, 22B de chaque paire de dents sont configurés pour appliquer une force électrostatique l’une par rapport à l’autre.
Par exemple, les deux rangées de dents 20A, 20B comprennent une première rangée de dents 20A solidaire de la masse vibrante 8, 10, et une seconde rangée de dents 20B solidaire du support 6.
Par exemple, en référence aux figures 2 et 3, les dents 22A sont solidaires de la masse vibrante 8, 10, et les dents 22B sont solidaires du support 6, et sont portées par les structures intermédiaires correspondantes 18.
La figure 2 montre un exemple d’une partie du capteur angulaire 2 comprenant les structures intermédiaires 18 portant les rangées de dents 20A, 20B d’un transducteur électrostatique Q+ formant un transducteur électrostatique de compensation d’un biais en quadrature positif. Par « biais en quadrature positif », il est en particulier entendu que le couplage des raideurs agissant sur la masse vibrante 8, 10 est une valeur positive.
De préférence, par « biais en quadrature positif », il est entendu qu’un mouvement de la masse vibrante 8, 10 suivant le second axe Y engendre une force, suivant le premier axe X, proportionnelle et de même signe que le mouvement suivant le second axe Y.
La figure 3 montre un exemple d’une partie du capteur angulaire 2 comprenant les structures intermédiaires 18 portant les rangées de dents 20A, 20B d’un transducteur électrostatique Q- formant un transducteur électrostatique de compensation d’un biais en quadrature négatif.
Par « biais en quadrature négatif », il est en particulier entendu que le couplage des raideurs agissant sur la masse vibrante 8, 10 est une valeur négative.
De préférence, par « biais en quadrature négatif », il est entendu qu’un mouvement de la masse vibrante 8, 10 suivant le second axe Y engendre une force, suivant le premier axe X, proportionnelle et de signe opposé au mouvement suivant le second axe Y.
Dans ce qui suit, la structure intermédiaire 18 est décrite plus en détail, en référence aux figures 2 à 5.
De préférence, le capteur angulaire 2 comprend plusieurs structures intermédiaires 18 agencées parallèlement l’une par rapport à l’autre. En variante, le capteur angulaire 2 comprend une seule structure intermédiaire 18.
Chaque structure intermédiaire 18 est allongée selon au moins une direction d’extension 26 respective.
Par « allongée selon au moins une direction d’extension 26 respective », il est entendu en particulier que la structure intermédiaire 18 présente une forme géométrique ayant une largeur perpendiculaire à la direction d’extension 26 strictement inférieure à une longueur de la structure intermédiaire 18 selon la direction d’extension 26.
Par exemple, la largeur est strictement inférieure à la moitié de la longueur, de préférence strictement inférieure à un tiers de la longueur.
En particulier, chaque structure intermédiaire 18 présente une forme rectangulaire s’étendant selon la direction d’extension 26, dont notamment des bords parallèles à la direction d’extension 26 présentent une longueur strictement supérieure à des bords perpendiculaires à la direction d’extension 26.
Chaque structure intermédiaire 18 fait saillie d’un bord de fixation 28 de la masse vibrante 8,10 ou d’un bord de fixation 30 du support 6.
En particulier, chaque structure intermédiaire 18 fait saillie du bord de fixation 28, 30 correspondant dans un plan d’extension. Le plan d’extension est parallèle au plan de support ou est confondu avec le plan de support.
Chaque bord de fixation 28, 30 s’étend en particulier dans le plan d’extension.
Par exemple, la direction d’extension 26 de la structure intermédiaire 18 forme un angle avec le bord de fixation 28, 30 compris entre 45° et 90°. De préférence, l’angle est sensiblement égal à 90°, c’est-à-dire la structure intermédiaire 18 fait saillie du bord de fixation 28, 30 respectif selon une direction perpendiculaire audit bord 28, 30, dans le plan d’extension.
Chaque structure intermédiaire 18 porte l’une des rangées de dents 20A, 20B.
En référence aux figures 2 et 3, chaque dent 22A de la rangée de dents 20A forme en particulier une paire de dents respective avec une dent correspondante 22B de la rangée de dents 20B. Dans l’exemple de la figure 2, en suivant la direction d’extension 26 de chaque structure intermédiaire 18 faisant saillie du support 6, chaque paire de dents comprend d’abord la dent 22B portée par cette structure intermédiaire 18, puis la dent 22A portée par la structure intermédiaire 18 correspondante faisant saillie de la masse vibrante 8. Dans l’exemple de la figure 3, l’agencement des dents 22A, 22B de chaque paire de dents est inversé. Cet ordre d’agencement des dents 22A, 22B de chaque paire dents permet notamment de compenser le biais en quadrature correspondant, à savoir le biais en quadrature positif en ce qui concerne l’exemple de la figure 2, et le biais en quadrature négatif en ce qui concerne l’exemple de la figure 3.
Par exemple, chaque dent 22A, 22B fait saillie de la structure intermédiaire 18 correspondante selon une direction perpendiculaire à la direction d’extension 26 de cette structure intermédiaire 18. Par exemple, chaque dent 22A, 22B s’étend selon une direction parallèle au bord de fixation 28, 30, duquel la structure intermédiaire 18 fait saillie. En particulier, chaque dent 22A, 22B fait saillie de l’un des bords de la structure intermédiaire 18 correspondante, qui sont parallèles à la direction d’extension 26 de cette structure intermédiaire 18.
De préférence, la structure intermédiaire 18 fait saillie du bord de fixation 28 de la masse vibrante 8, 10, dit bord mobile, lorsqu’elle porte la première rangée de dents 20A. En particulier, cette structure intermédiaire 18 relie ainsi la première rangée de dents 20A à la masse vibrante 8, 10.
De préférence encore, la structure intermédiaire 18 fait saillie du bord de fixation 30 du support 6, dite bord fixe, lorsqu’elle porte la seconde rangée de dents 20B. En particulier, cette structure intermédiaire 18 relie ainsi la seconde rangée de dents 20B au support 6.
Selon un exemple, le capteur angulaire 2 comprend une ou plusieurs structures intermédiaires 18 faisant saillie du bord mobile et portant la première rangée de dents 20A, et comprend en outre une ou plusieurs structures intermédiaires 18 faisant saillie du bord fixe et portant la seconde rangée de dents 20B.
En référence aux figures 2 et 3, le capteur angulaire 2 comprend par exemple plusieurs structures intermédiaires 2 faisant saillie de sections différentes, notamment perpendiculaires et/ou parallèles l’une par rapport à l’autre, du bord de fixation 30 du support 6 et/ou plusieurs structures intermédiaires 2 faisant saillie de sections différentes, par exemple perpendiculaires et/ou parallèles l’une par rapport à l’autre, du bord de fixation 28 de la masse vibrante 8, 10 correspondante.
En référence aux figures 4 et 5, la ou chaque structure intermédiaire 18 comprend par exemple une pluralité de sections S1 , S2, S3, S4, S5, et optionnellement S6, S7. Dans ce cas, chaque section S1 à S7 s’étend selon une direction d’extension respective 26, dans le plan d’extension. En particulier, les directions d’extension 26 de deux sections S1 à S7 consécutives, en suivant les directions d’extension 26 correspondantes, présentent un angle perpendiculaire l’une par rapport à l’autre.
Par exemple, en référence à la figure 4, les directions d’extension 26 des sections S1 à S7 de la ou chaque structure intermédiaire 18 présentent les angles suivants entre elles, en suivant les directions d’extension 26 de la structure intermédiaire 18 faisant saillie du bord de fixation 30 du support 6 : un angle égal à 90° dans le sens antihoraire entre les sections S1 et S2, deux angles de 90° dans le sens horaire entre les sections S2 et S3 ainsi que S3 et S4, deux angles de 90° dans le sens antihoraire entre les sections S4 et S5 ainsi que S5 et S6, et un angle de 90° dans le sens horaire entre les sections S6 et S7.
Les dents 22A sont portées par au moins deux sections S1 à S7, ici par les sections S1 à S3, et de même les dents 22B sont portées par au moins deux sections S1 à S7, ici les sections S1 à S3. Ainsi, les dents 22A, 22B portées par une même structure intermédiaire 18 ne sont pas toutes parallèles entre elles. De manière avantageuse et non représentée, les dents 22A, 22B s’étendent sur chaque section de la structure intermédiaire 18 qui les porte.
Selon un exemple, en référence à la figure 5, les directions d’extension 26 de deux sections consécutives S1 à S5 présentent un angle de 90° entre elles dans le sens antihoraire. En particulier, la ou chaque structure intermédiaire 18 présente une forme sensiblement en forme d’escargot.
Selon un exemple non représenté, la ou chaque structure intermédiaire 18 et l’une des rangées de dents 20A, 20B forment une structure fractale.
Par exemple, l’une des rangées de dents 20A, 20B est munie d’une rangée de dents secondaire, non visible sur les figures. La rangée de dents secondaire fait saillie des dents 22A, 22B de la rangée de dents 20A, 20B muni de cette rangée de dents secondaire. Ainsi, les dents 22A, 22B forment la structure intermédiaire pour la rangée de dents secondaire. Les dents secondaires portées par les dents 22A sont alors configurées pour appliquer une force électrostatique sur les dents secondaires portées par les dents 22B, et inversement les dents secondaires portées par les dents 22B sont configurées pour appliquer une force électrostatique sur les dents secondaires portées par les dents 22A, de manière similaire à ce qui a été décrit pour les rangées de dents 20A et 20B.
Les dents secondaires, étant plus proches les unes des autres que les dents primaires, sont alors responsables des forces électrostatiques résultantes, les forces exercées par les dents primaires ne contribuant que marginalement à la force résultante.
De manière avantageuse, l’agencement des dents secondaires est prévu de telle sorte que les dents 22A et 22B ainsi que les dents secondaires soient toutes agencées de telle sorte à compenser le biais en quadrature positif, ou, à l’inverse, de telle sorte que les dents 22A et 22B ainsi que les dents secondaires soient toutes agencées de telle sorte à compenser le biais en quadrature négatif.
De préférence, la rangée de dents secondaire comprend des dents secondaires faisant saillie des dents 22A, 22B selon une direction secondaire perpendiculaire par rapport à une direction d’extension des dents 22A, 22B. La direction secondaire est notamment parallèle à la direction d’extension 26 de la structure intermédiaire 18 portant les dents 22A, 22B. La présence de dents secondaires permet ainsi d’augmenter encore le nombre de dents sur les transducteurs de réglage Q+, Q- sans augmenter une surface occupée par le transducteur Q+ ou Q-.
De préférence, la structure intermédiaire 18 et la rangée de dents 20A, 20B, qui est portée par la structure intermédiaire 18 sont formées en une seule pièce.
De même, dans l’exemple où la ou chaque structure intermédiaire 18 et l’une des rangées de dents 20A, 20B forment une structure fractale, la structure intermédiaire 18, la rangée de dents 20A, 20B, qui est portée par la structure intermédiaire 18 et les dents secondaires portées par la rangée de dents 20A, 20B sont formées en une seule pièce.
Par exemple, lorsque la structure intermédiaire 18 fait saillie du bord de fixation 28 de la masse vibrante 8, 10, la masse vibrante 8, 10, la structure intermédiaire 18, et les dents 22A portées par cette structure intermédiaire 18 sont formées en une seule pièce. Dans un exemple selon lequel la structure intermédiaire 18 est fixée sur le bord de fixation 30 du support 6, le support 6, la structure intermédiaire 18, et les dents 22B sont formés en une seule pièce.
Par exemple, des éléments formés en une seule pièce sont des éléments obtenus par gravure ou par usinage. Selon un exemple, au moins un élément parmi les éléments suivants, de préférence l’ensemble des éléments suivants, comprend du silicium ou consiste de silicium : le support 6, la structure intermédiaire 18, la masse vibrante 8, 10, les dents 22A, 22B de chaque rangée de dents 20A, 20B. On conçoit que le capteur 2 selon l’invention présente un grand nombre d’avantages.
En particulier, le capteur 2 selon l’invention comprenant la ou les structure(s) intermédiaire(s) 18 permet d’augmenter l’espace disponible pour l’agencement d’un nombre élevé de dents 22A, 22B de chaque rangée de dents 20A, 20B portée par la structure intermédiaire 18 correspondante. En effet, parmi un grand nombre de variables et modifications envisageables du capteur 2 pour augmenter la raideur électrostatique applicable par le transducteur de réglage électrostatique Tx, Ty, Q+, Q- concerné, le fait d’augmenter le nombre de dents en les agençant sur la ou les structures intermédiaire(s) 18 permet de compenser les écarts mécaniques de manière fiable et efficace. À titre d’exemple, cela permet de compenser les écarts mécaniques sans augmenter une tension électrique du transducteur.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Capteur angulaire inertiel micro-usiné (2) comprenant un support (6) présentant un premier axe (X) dans un plan de support et un second axe (Y) perpendiculaire au premier axe (X) et compris dans ledit plan de support, le capteur angulaire (2) comprenant en outre au moins une masse vibrante (8, 10) mobile par rapport au support (6), au moins un transducteur d’excitation (Ex, Ey) configuré pour générer un mouvement de vibration de la masse vibrante (8, 10), et au moins un transducteur de détection (Dx, Dy) d’une vibration de la masse vibrante (8, 10), le capteur angulaire (2) comprenant au moins un transducteur de réglage électrostatique (Tx, Ty, Q+, Q-) configuré pour appliquer une raideur électrostatique ajustable à la masse vibrante (8, 10), le ou chaque transducteur de réglage électrostatique (Tx, Ty, Q+, Q-) comprenant au moins deux rangées de dents (20A, 20B) formant une paire de peignes, dans lequel le capteur angulaire (2) comprend en outre au moins une structure intermédiaire (18) allongée selon au moins une direction d’extension (26), la structure intermédiaire (18) faisant saillie d’un bord de fixation (28, 30) de la masse vibrante (8, 10) ou du support (6), et portant l’une des rangées de dents (20A, 20B), dans lequel la ou chaque structure intermédiaire (18) comprend une pluralité de sections (S1 , S2, S3, S4, S5, S6, S7) s’étendant selon des directions d’extension respectives (26) dans un plan parallèle au plan de support ou confondu avec le plan de support, les directions d’extension (26) de deux sections (S1 , S2, S3, S4, S5, S6, S7) consécutives présentant de préférence un angle perpendiculaire l’une par rapport à l’autre.
2. Capteur angulaire (2) selon la revendication 1 , dans lequel chaque rangée de dents (20A, 20B) comprend une pluralité de dents (22A, 22B) s’étendant parallèlement l’une par rapport à l’autre, chaque dent (22A, 22B) de la rangée de dents (20A, 20B) portée par la structure intermédiaire (18) faisant saillie de ladite structure intermédiaire (18), de préférence faisant saillie de ladite structure intermédiaire (18) selon une direction perpendiculaire à la direction d’extension (26) de la structure intermédiaire (18).
3. Capteur angulaire (2) selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel le ou chaque transducteur de réglage (Q+, Q-) est un transducteur électrostatique de compensation (Q+, Q-) d’un biais en quadrature, configuré pour modifier la répartition de raideurs agissant sur la masse vibrante (8, 10), le biais en quadrature correspondant à un couplage des raideurs agissant sur la masse vibrante (8, 10) selon le premier axe (X) et le second axe (Y).
4. Capteur angulaire (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la direction d’extension (26) de la ou chaque structure intermédiaire (18) forme un angle avec le bord de fixation compris entre 45 et 90 degrés, l’angle étant de préférence sensiblement égal à 90 degrés.
5. Capteur angulaire (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant plusieurs structures intermédiaires (18) parallèles l’une par rapport à l’autre.
6. Capteur angulaire (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les deux rangées de dents (20A, 20B) comprennent une première rangée de dents (20A) solidaire de la masse vibrante (8, 10) et une seconde rangée de dents (20B) solidaire du support (6) ; dans lequel la structure intermédiaire (18) fait saillie du bord de fixation (28) de la masse vibrante (8, 10), dit bord mobile, lorsqu’elle porte la première rangée de dents (20A) ; dans lequel la structure intermédiaire (18) fait saillie du bord de fixation (30) du support (6), dit bord fixe, lorsqu’elle porte la seconde rangée de dents (20B).
7. Capteur angulaire (2) selon la revendication 6 prise en combinaison avec la revendication 5, comprenant à la fois au moins une structure intermédiaire (18) faisant saillie du bord mobile et portant la première rangée de dents (20A), et au moins une structure intermédiaire (18) faisant saillie du bord fixe et portant la seconde rangée de dents (20B).
8. Capteur angulaire (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la ou chaque structure intermédiaire (18) et au moins l’une desdites rangées de dents (20A, 20B) forment structure fractale, dans laquelle ladite rangée de dents (20A, 20B) est munie d’une rangée de dents secondaires, faisant saillie de dents (22A, 22B) de ladite rangée de dents (20A, 20B).
9. Capteur angulaire (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins la ou chaque structure intermédiaire (18) et la rangée de dents (20A, 20B) portée par ladite structure intermédiaire (18) sont formées en une seule pièce.
10. Capteur angulaire (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant au moins deux masses vibrantes (8, 10) mobiles par rapport au support (6), et mobiles l’une par rapport à l’autre, suspendues par des ressorts de suspension (12) à des points d’ancrage (14) fixes du support (6) et couplées entre elles par des ressorts de couplage (16) pour vibrer en opposition de phase.
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