FR2564203A1 - ANGULAR SPEED SENSOR - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE UN CAPTEUR DE VITESSE ANGULAIRE. CE CAPTEUR COMPORTE ESSENTIELLEMENT UNE STRUCTURE RESONNANTE 10 FAITE EN QUARTZ AVEC DES PROPRIETES PIEZOELECTRIQUES ET COMPRENANT AU MOINS DEUX LANGUETTES VIBRANTES 11, 12, UN DISPOSITIF ELECTROMAGNETIQUE 14 POUR FAIRE VIBRER LES LANGUETTES A UNE FREQUENCE D'ATTAQUE ET UN DISPOSITIF DE SORTIE 17, 18 POUR RECUEILLIR UN SIGNAL ELECTRIQUE REPRESENTANT LA VITESSE ANGULAIRE D'UN MOUVEMENT AUQUEL LE CAPTEUR EST SOUMIS. L'INVENTION S'APPLIQUE NOTAMMENT A DES SYSTEMES DE GUIDAGE D'AERONEFS, D'ENGINS SPATIAUX, DE MISSILES, ETC.THE INVENTION RELATES TO AN ANGULAR SPEED SENSOR. THIS SENSOR MAKES ESSENTIALLY A RESONANT STRUCTURE 10 MADE OF QUARTZ WITH PIEZOELECTRIC PROPERTIES AND INCLUDING AT LEAST TWO VIBRATING TABS 11, 12, AN ELECTROMAGNETIC DEVICE 14 FOR VIBRATING THE TONGS AT AN ATTACK FREQUENCY 17, 18, AND ONE DEVICE. COLLECT AN ELECTRICAL SIGNAL REPRESENTING THE ANGULAR SPEED OF A MOVEMENT TO WHICH THE SENSOR IS SUBMITTED. THE INVENTION APPLIES IN PARTICULAR TO GUIDING SYSTEMS FOR AIRCRAFT, SPACE MACHINES, MISSILES, ETC.
Description
La présente invention concerne un capteur deThe present invention relates to a sensor of
vitesse angulaire.angular velocity.
La vitesse angulaire du mouvement d'un engin est une information d'entrée essentielle pour tous les dispositifs de guidage par navigation et par inertie. Ces dispositifs sont utilisés couramment dans des aéronefs, des engins spatiaux, des navires ou des missiles. La détection de la vitesse angulaire du mouvement se fait The angular velocity of the motion of a machine is essential input information for all navigation and inertial guidance devices. These devices are commonly used in aircraft, spacecraft, ships or missiles. The detection of the angular velocity of the movement is
actuellement au moyen d'un gyroscope. currently using a gyroscope.
Cependant, les gyroscopes présentent divers inconvénients. Ils doivent être construits avec une précision extrêmement élevée et peuvent avoir des taux de dérive de fractions d'un degré par heure. En raison du prix de leur réalisation, ils sont très coûteux; ils sont physiquement encombrants et lourds. Ils doivent être entretenus fréquemment et avec précision car des éléments mobiles critiques comme les paliers peuvent évoluer avec le temps. Ils peuvent aussi être endommagés par des chocs et des vibrations même de niveau réduit. Cela peut aussi entraîner une augmentation du taux de dérive d'une valeur However, gyroscopes have various disadvantages. They must be built with extremely high precision and may have fraction drift rates of one degree per hour. Because of the price of their realization, they are very expensive; they are physically bulky and heavy. They must be maintained frequently and accurately because critical moving parts such as bearings can change over time. They can also be damaged by shocks and vibrations even at a reduced level. It can also lead to an increase in the drift rate of a value
inconnue, apparaissant à des instants inconnus. unknown, appearing at unknown times.
Etant donné que les gyroscopes sont sensibles aux effets des chocs et des vibrations, ils comportent fréquemment des dispositifs de montage lourds pour les Since gyroscopes are sensitive to the effects of shock and vibration, they often include heavy mounting devices for
protéger, et qui sont également coûteux. protect, and that are also expensive.
Il est donc évident qu'il serait souhaitable de remplacer un gyroscope par tout autre dispositif moins coûteux et susceptible de mesurer des vitesses angulaires It is therefore obvious that it would be desirable to replace a gyroscope by any other less expensive device capable of measuring angular velocities.
en mesurant ainsi l'attitude d'un véhicule ou d'un engin. thus measuring the attitude of a vehicle or craft.
L'invention concerne donc un capteur de vitesse angulaire qui comporte essentiellement une structure résonnante en quartz possédant des propriétés piézoélectriques, The invention therefore relates to an angular velocity sensor which essentially comprises a resonant quartz structure having piezoelectric properties,
cette structure comprenant au moins deux éléments vi- this structure comprising at least two elements
brants consistant chacun en deux languettes parallèles et en une tige commune, les languettes et la tige étant disposées dans un plan, la tige commune servant de tige de sortie, cette structure formant un capteur à résonance équilibrée réagissant seulement à un mouvement angulaire autour d'un axe parallèle à la tige de sortie produisant une déformation en torsion de la tige de sortie; un dispositif électromagnétique couplé avec les languettes pour les faire vibrer à une fréquence d'attaque; et un dispositif de sortie couplé. avec la tige de sortie pour produire un signal électrique représentant la vitesse angulaire du mouvement autour de l'axe auquel le dispositif two tabs each consisting of two parallel tongues and a common rod, the tongues and the rod being arranged in a plane, the common rod acting as an output rod, this structure forming a balanced resonance sensor reacting only to angular movement around an axis parallel to the output rod producing torsional deformation of the output rod; an electromagnetic device coupled with the tabs for vibrating at a driving frequency; and a coupled output device. with the output rod to produce an electrical signal representing the angular velocity of movement about the axis at which the device
est soumis.is submitted.
Ce capteur constitue de préférence une fourchette d'accord. La fourchette d'accord doit être mécaniquement stable en température, avec un faible frottement interne et suivant la loi de Hook. De préférence, mais non This sensor is preferably a tuning fork. The tuning fork must be mechanically stable in temperature, with low internal friction and according to Hook's law. Preferably, but not
nécessairement, la fourchette d'accord est-faite en quartz. necessarily, the tuning fork is made of quartz.
Mais d'autres matières piézoélectriques peuvent être utilisées, comme des cristaux synthétiques; par exemple, le tartrate d'éthylène diamine (EDT), le tartrate dipotassique (DKT) ou le phosphate d'ammonium dihydrogéné (ADP). Des matières non piézoélectriques peuvent être But other piezoelectric materials can be used, such as synthetic crystals; for example, ethylene diamine tartrate (EDT), dipotassium tartrate (DKT) or dihydrogenated ammonium phosphate (ADP). Non-piezoelectric materials may be
utilisées avec une attaque piézoélectrique. used with a piezoelectric attack.
De préférence, la fourchette d'accord est faite d'une matière isolante comme le quartz mais il est également possible d'utiliser des matières conductrices auquel cas les languettes de la fourchette d'accord doivent être excitées électromagnétiquement; c'est-à-dire par des bobines fixes et un circuit magnétique sur les Preferably, the tuning fork is made of an insulating material such as quartz but it is also possible to use conductive materials in which case the tabs of the tuning fork must be excited electromagnetically; that is to say by fixed coils and a magnetic circuit on the
languettes.tongues.
La fourchette d'accord consiste en deux lan- The range of agreement consists of two
guettes disposées parallèlement entre elles et pouvant vibrer. Elles sont reliées par un tige de sortie ou poignée, à partir de laquelle le signal de sortie peut être produit. Ce signal de sortie représente simplement la vitesse angulaire d'entrée du mouvement auquel le dispositif est soumis, produisant une déformation à angle droit dans la direction des vibrations; un signal de sortie optique ou modulé en fréquence peut aussi être spacecraft arranged parallel to each other and able to vibrate. They are connected by an output rod or handle, from which the output signal can be produced. This output signal simply represents the angular input velocity of the motion to which the device is subjected, producing a right-angle deformation in the direction of the vibrations; an optical output signal or frequency modulated can also be
obtenu.got.
Le signal de sortie peut être obtenu par le couplage de quatre condensateurs avec les languettes ou la tige de sortie, ou il peut être obtenu par effet piézoélectrique, par résistance ou optiquement. Des vitesses d'entrée mesurables de l'ordre de 10 par heure du capteur selon l'invention sont suffisamment faibles pour être utilisées comme une différence de direction corrigée magnétiquement et comme une référence d'attitude verticale corrigée en gravité. Si des vitesses d'entrée de 0, 1 par heure sont mesurables, le dispositif est utilisable pour des références de qualité par inertie, The output signal can be obtained by coupling four capacitors with the tabs or the output rod, or it can be obtained by piezoelectric effect, resistance or optically. Measurable input speeds of the order of 10 per hour of the sensor according to the invention are sufficiently low to be used as a magnetically corrected difference in direction and as a gravity corrected vertical attitude reference. If input speeds of 0, 1 per hour are measurable, the device is usable for inertial quality references,
comme dans un système autonome de guidage à inertie. as in an autonomous system of inertia guidance.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la Other features and advantages of the invention will be better understood when reading the
description qui va suivre de plusieurs exemples de réa- following description of several examples of
lisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels La figure 1 représente une fourchette d'accord pour expliquer les principes de l'invention, La figure 2 est une vue de côté de la fourchette and with reference to the accompanying drawings in which Fig. 1 shows a range of agreement for explaining the principles of the invention. Fig. 2 is a side view of the range.
d'accord de la figure 1, montrant deux paires d'élec- Figure 1, showing two pairs of electric
trodes pour produire un signal de sortie, La figure 3 est une vue en plan d'un mode de réalisation de l'invention, comprenant deux fourchettes d'accord, le boitier étant enlevé, FIG. 3 is a plan view of an embodiment of the invention, comprising two tuning forks, the case being removed,
La figure 4 est une coupe du mode de réalisa- Figure 4 is a section of the mode of
tion de la figure 3 et montre un boitier enfermant la fourchette d'accord, La figure 5 est une coupe suivant la ligne -.5 de la figure 3 et montre également le boitier ainsi que la sortie capacitive qui peut être utilisée dans un circuit en pont, La figure 6 représente le pont capacitif obtenu avec la disposition des électrodes de la figure , La figure 7 est une vue en plan à plus grande échelle d'une partie du capteur de la figure 3, montrant les électrodes d'attaque et de sortie, y compris les conducteurs de sortie du capteur de la figure 3, La figure 8 est un schéma simplifié des circuits de sortie du circuit en pont de la figure 7, La figure 9 est un schéma simplifié similaire FIG. 5 is a section along the line -.5 of FIG. 3 and also shows the box as well as the capacitive output which can be used in a circuit in FIG. 3 and shows a box enclosing the tuning fork. FIG. 7 is an enlarged plan view of a portion of the sensor of FIG. 3, showing the electrodes of etching and of the electrodes of FIG. Figure 8 is a schematic diagram of the output circuits of the bridge circuit of Figure 7, Figure 9 is a similar schematic diagram.
à celui de la figure 8 mais montrant une sortie piézo- to that of Figure 8 but showing a piezo
électrique telle qu'elle peut être obtenue avec la configuration des électrodes de la figure 13, La figure 10 représente un autre capteur de vitesse angulaire consistant en deux fourchettes d'accord disposées en ligne et perpendiculairement à la tige de sortie, La figure 11 illustre schématiquement la tension développée sur la tige de sortie sous l'effet de la déformation mécanique, As can be obtained with the configuration of the electrodes of FIG. 13, FIG. 10 shows another angular velocity sensor consisting of two tuning forks arranged in a line and perpendicular to the output rod. FIG. schematically the tension developed on the output rod under the effect of the mechanical deformation,
La figure 12 représente un autre mode de réalisa- Figure 12 represents another embodiment of
tion du capteur de vitesse angulaire selon l'invention, comprenant 4 fourchettes d'accord, les fourchettes de chaque paire étant alignées et les deux paires étant disposées parallèlement à la tige de sortie, La figure 13 représente schématiquement et à grande échelle une sortie du capteur de la figure 12 et montre les électrodes d'attaque ainsi que l'une des électrodes de sortie, et La figure 14 représente un autre mode encore de réalisation d'un capteur selon l'invention, comprenant 8 fourchettes d'accord dont 4 sont disposées sur le même axe et les axes des deux groupes de fourchettes étant disposés parallèlement à l'axe de la tige de sortie. Les figures, et particulièrement les figures 1 et 2 représentent une simple fourchette d'accord, the angular velocity sensor according to the invention, comprising 4 tuning forks, the forks of each pair being aligned and the two pairs being arranged parallel to the output rod, FIG. 13 schematically and on a large scale shows an output of FIG. 12 and shows the driving electrodes and one of the output electrodes, and FIG. 14 represents another still embodiment of a sensor according to the invention, comprising 8 tuning forks including 4 are arranged on the same axis and the axes of the two groups of forks being arranged parallel to the axis of the output rod. The figures, and particularly Figures 1 and 2 represent a simple range of agreement,
pour expliquer les bases du fonctionnement de l'inven- to explain the bases of the operation of the invention
tion. Comme cela a été indiqué ci-dessus, la fourchette d'accord 10 est faite d'une matière piézoélectrique comme certains cristaux synthétiques, et de préférence en quartz. Les figures 1 et 2 montrent donc une fourchette d'accord 10 comportant deux languettes 11 et 12 et une tige de sortie ou poignée 13. Les languettes peuvent être mises en vibration en leur appliquant un champ électrique comme cela sera expliqué en regard des figures 4 à 6. Deux électrodes 14, qui sont espacées des extrémités libres de chacune des languettes, comme en 11, sont représentées sur la figure 2 pour former une sortie tion. As indicated above, the tuning fork 10 is made of a piezoelectric material such as certain synthetic crystals, and preferably quartz. Figures 1 and 2 thus show a tuning fork 10 comprising two tongues 11 and 12 and an outlet rod or handle 13. The tongues can be vibrated by applying an electric field to them as will be explained with reference to FIGS. 6. Two electrodes 14, which are spaced apart from the free ends of each of the tongues, as at 11, are shown in FIG.
capacitive. Les languettes sont mises en vibration- capacitive. The tabs are vibrated
l'une vers l'autre, comme l'indiquent les flèches 15, et à l'opposé l'une de l'autre pendant l'alternance suivante comme le montrent les flèches 16. Par conséquent, la fourchette d'accord représente un circuit à résonance towards each other, as indicated by the arrows 15, and opposite each other during the next alternation as shown by the arrows 16. Consequently, the tuning fork represents a resonance circuit
équilibrée car les languettes 11,12 sont équilibrées. balanced because the tongues 11,12 are balanced.
La sortie électrique peut être obtenue par une autre paire d'électrodes 17,18, pouvant être appliquées directement sur la région entre les languettes 11, 12 et la tige de sortie 13. Les deux électrodes 17,18 The electrical output can be obtained by another pair of electrodes 17, 18, which can be applied directly on the region between the tongues 11, 12 and the output rod 13. The two electrodes 17, 18
adoptent des polarités différentes en raison de la défor- adopt different polarities because of the distortion
mation de la fourchette 10 provoquée par un mouvement angulaire de l'ensemble. Lorsqu'un mouvement angulaire est produit, la dérivée par rapport au temps, c'est-à-dire la vitesse angulaire du mouvement peut être facilement obtenue. Il sera maintenant supposé dans une fourchette tion of the fork 10 caused by angular movement of the assembly. When an angular movement is produced, the time derivative, i.e. the angular velocity of the motion can be easily obtained. It will now be assumed in a range
d'accord, une distance de 5 mm entre le centre du mouve- a distance of 5 mm between the center of the movement
ment et l'extrémité de la languette 11 ou une distance de the end of the tongue 11 or a distance of
2 mm pour la partie de la languette couverte par l'élec- 2 mm for the part of the tongue covered by the electri-
trode 14, une distance de 4 mm entre le centre du mouve- trode 14, a distance of 4 mm between the center of the
ment et le centre de l'électrode 14, une largeur de and the center of the electrode 14, a width of
chaque languette de 0,5 mm, une épaisseur de chaque lan- each tongue of 0.5 mm, a thickness of each
guette de 0,05 mm, tandis que la moitié de l'amplitude des vibrations est 0,0025 mm et la fréquence d'attaque kHz, tandis que la densité spécifique du quartz est 2,6 g/cm3. Avec ces suppositions, le moment angulaire H peut être calculé comme suit: H = 6,53 x 10-4 g/cm2/sec (1) De façon similaire, le couple T peut être calculé de la manière suivante: T = 1,89 x 10-7 g/cm (2) Enfin, la déformation des languettes est: Y = 1,62 x 107 cm (3) Il apparaît que l'effet d'augmenter la dimension de la fourchette d'accord, mais non sa largeur, est N qui varie avec la cinquième puissance d'une augmentation des dimensions. Le tableau ci-après peut donc être calculé: 0.05 mm, while half of the amplitude of the vibrations is 0.0025 mm and the driving frequency kHz, while the specific gravity of quartz is 2.6 g / cm3. With these assumptions, the angular momentum H can be calculated as follows: H = 6.53 x 10-4 g / cm 2 / sec (1) Similarly, the torque T can be calculated as follows: T = 1, 89 x 10-7 g / cm (2) Finally, the deformation of the tabs is: Y = 1.62 x 107 cm (3) It appears that the effect of increasing the size of the range of agreement, but not its width, is N which varies with the fifth power of an increase in dimensions. The table below can therefore be calculated:
TABLEAU 1TABLE 1
N 1 2 3 4 5N 1 2 3 4 5
N5 1 32 243 1024 3125N5 1 32 243 1024 3125
YN 1,62x10 7 5,18x10-6 3,94x10-5 1,66x10 -4 3,13x10-4 (cm) YN 1,62x10 7 5,18x10-6 3,94x10-5 1,66x10 -4 3,13x10-4 (cm)
Le tableau 1 montre donc bien qu'une augmenta- Table 1 therefore shows that an increase in
tion de la dimension de la fourchette d'accord entraîne une augmentation considérable de la déformation des languettes. Les figures 3 à 9, et particulièrement les figures 3 à 6 illustrent un mode préféré de réalisation de l'invention. Ce mode de réalisation comporte deux fourchettes d'accord, dont les deux axes sont espacés et parallèles à l'axe central. Ainsi, les premières languettes 20, 20' des deux fourchettes d'accord sont faites d'une même section 22. La section 22 est divisée en deux parties qui constituent les deux fourchettes d'accord 20 et 21, par un intervalle 23 qui laisse cependant un petit pontet 24 pour relier les deux parties ,21. L'autre section 22' est exactement symétrique à la région 22 et comporte les autres languettes 20', 21' The size of the tuning fork results in a considerable increase in the deformation of the tongues. Figures 3 to 9, and particularly Figures 3 to 6 illustrate a preferred embodiment of the invention. This embodiment has two tuning forks, whose two axes are spaced apart and parallel to the central axis. Thus, the first tabs 20, 20 'of the two tuning forks are made of the same section 22. The section 22 is divided into two parts which constitute the two tuning forks 20 and 21, by a gap 23 which leaves however a small bridge 24 to connect the two parts, 21. The other section 22 'is exactly symmetrical to the region 22 and has the other tabs 20', 21 '
des deux fourchettes d'accord.two forks agree.
Les deux extrémités de chacune des deux sections 22 et 22' sont reliées par une partie de liaison , 25'. La partie 25 est séparée des deux sections 22 et 22' par deux intervalles 26 et 26'. L'autre partie de liaison 25' est également séparée des deux sections 22 The two ends of each of the two sections 22 and 22 'are connected by a connecting portion, 25'. Part 25 is separated from the two sections 22 and 22 'by two gaps 26 and 26'. The other connecting part 25 'is also separated from the two sections 22
et 22'.and 22 '.
Les deux parties de liaison 25 et 25' forment la tige de sortie. Elles sont également reliées par un petit pontet 27, 27' à un cadre extérieur 30, séparé des deux sections 22 et 22'. Comme le montre la figure 4, la fourchette d'accord peut être enfermée dans un boitier 31. Ainsi, les parties 20, 20' forment une paire de languettes et les parties 21, 21' forment l'autre The two connecting parts 25 and 25 'form the output rod. They are also connected by a small bridge 27, 27 'to an outer frame 30, separated from the two sections 22 and 22'. As shown in Figure 4, the tuning fork can be enclosed in a housing 31. Thus, the parts 20, 20 'form a pair of tongues and the parts 21, 21' form the other
fourchette d'accord.range of agreement.
La figure 5 montre les électrodes qui peuvent être prévues aux extrémités des deux languettes 20, 20' d'une fourchette d'accord. La languette 20 porte une électrode 32, 33 sur ses faces opposées. De même, la languette 20' porte une électrode 34, 35. L'une des surfaces intérieures du boitier 31 est munie d'une électrode similaire 36 tandis que l'autre surface intérieure Figure 5 shows the electrodes that can be provided at the ends of the two tabs 20, 20 'of a tuning fork. The tongue 20 carries an electrode 32, 33 on its opposite faces. Similarly, the tab 20 'carries an electrode 34, 35. One of the inner surfaces of the housing 31 is provided with a similar electrode 36 while the other inner surface
opposée porte une électrode 37.opposite carries an electrode 37.
Un oscillateur 38 est connecté aux deux élec- An oscillator 38 is connected to both elec-
trodes intérieures 36, 37 du boitier 31. Un condensateur est donc formé entre les électrodes 37 et 32. Un autre condensateur 41 est formé entre les électrodes 33 et 36. Un troisième condensateur 42 est formé entre les électrodes 34, 37 et un quatrième condensateur 43 inner trodes 36, 37 of the housing 31. A capacitor is formed between the electrodes 37 and 32. Another capacitor 41 is formed between the electrodes 33 and 36. A third capacitor 42 is formed between the electrodes 34, 37 and a fourth capacitor 43
est formé entre les-électrodes 35 et 36. is formed between the electrodes 35 and 36.
La sortie du circuit en pont de la figure 6 The output of the bridge circuit of Figure 6
peut être mesurée par l'appareil de mesure 44. can be measured by the measuring apparatus 44.
La figure 8 représente le circuit de sortie du Figure 8 shows the output circuit of the
pont à capacité de la figure 6. La fréquence de l'oscil- capacity bridge of Figure 6. The frequency of the oscillation
lateur d'attaque 46 peut être multipliée par un multipli- attack driver 46 can be multiplied by a multiplier
cateur 47 jusqu'à une fréquence plus élevée. L'oscillateur d'attaque est connecté au capteur de la figure 3. Un amplificateur de pont 48 peut être utilisé pour amplifier le signal de l'appareil de mesure 44. Cet amplificateur est suivi par un détecteur de phase 50 qui utilise une phase de référence provenant du multiplicateur 47 couplé avec l'oscillateur d'attaque 46. Le détecteur de phase 47 to a higher frequency. The driving oscillator is connected to the sensor of FIG. 3. A bridge amplifier 48 may be used to amplify the signal of the measuring apparatus 44. This amplifier is followed by a phase detector 50 which uses a phase of measurement. reference from the multiplier 47 coupled with the driving oscillator 46. The phase detector
est suivi par un filtre 51 et un convertisseur analo- is followed by a filter 51 and an analog converter
gique-numérique 52 qui attaque un microprocesseur, un circuit de linéarisation, un circuit d'attaque d'affichage et un convertisseur numérique-analogique 53. Ainsi, le signal de sortie peut être obtenu sur le conducteur de A digital processor 52 that drives a microprocessor, a linearization circuit, a display driver, and a digital-to-analog converter 53. Thus, the output signal can be obtained from the driver of
sortie numérique 54 ou sur le conducteur de sortie ana- digital output 54 or on the analog output conductor
logique 55 et il peut être appliqué à un dispositif logic 55 and it can be applied to a device
d'affichage approprié.appropriate display.
Il y a lieu de se référer maintenant à la figure 7 qui représente, à plus grande échelle, une Reference is now made to Figure 7 which represents, on a larger scale, a
partie du capteur de la figure 3 et ses électrodes. part of the sensor of Figure 3 and its electrodes.
Deux électrodes d'attaque 60et61 sont disposées sur la languette 20. Les deux électrodes d'attaque sont connectées respectivement à des conducteurs 62 et 63 qui Two driving electrodes 60 and 61 are arranged on the tongue 20. The two driving electrodes are respectively connected to conductors 62 and 63 which
sont connectés à leur tour à l'oscillateur d'attaque. are connected in turn to the attack oscillator.
Les deux électrodes sont légèrement espacées l'une de l'autre pour développer un champ électrique entraînant les vibrations de la languette. Sur l'autre languette ' sont également prévues des électrodes similaires 60' et 61' qui sont également connectées aux conducteurs de sortie 62' et 63', les conducteurs 62 et 62' étant reliés ensemble. Une électrode de sortie 64 est connectée à une autre électrode de sortie 65 également disposée sur la languette 20. Les électrodes de sortie 64 et 65 sont connectées au conducteur 66 et au cadre 30. L'autre The two electrodes are slightly spaced from each other to develop an electric field causing the vibrations of the tongue. On the other tab are also provided similar electrodes 60 'and 61' which are also connected to the output leads 62 'and 63', the leads 62 and 62 'being connected together. An output electrode 64 is connected to another output electrode 65 also disposed on the tab 20. The output electrodes 64 and 65 are connected to the conductor 66 and to the frame 30. The other
languette 20' comporte des électrodes de sortie similaires. tongue 20 'has similar output electrodes.
Il faut noter que les électrodes de sortie 64 et 64' sont disposées directement sur la languette pour former une sortie capacitive comme le montre la figure 6. Il est bien entendu que l'un des conducteurs Note that the output electrodes 64 and 64 'are arranged directly on the tongue to form a capacitive output as shown in Figure 6. It is understood that one of the drivers
de sortie comme 62, 63 peut être à la masse. output like 62, 63 can be grounded.
La figure 9 représente un circuit de sortie piézoélectrique pour les électrodes de la figure 13. Là également, l'oscillateur d'attaque 46 excite le capteur FIG. 9 represents a piezoelectric output circuit for the electrodes of FIG. 13. Here again, the driving oscillator 46 excites the sensor
équilibré des figures 3 et 13 par les conducteurs 94 et 91. 3 and 13 are balanced by conductors 94 and 91.
Dans ce cas, une tension piézoélectrique apparaît aux électrodes 96 et à l'électrode correspondante cachée, sous l'effet de la contrainte dans le cristal résultant de la déformation de la languette. Un amplificateur tampon 67 suit le capteur des figures 3 et 13 et il est à son tour suivi par un détecteur de phase 50, un filtre 51, un convertisseur analogiquenumérique 52 et un convertisseur numérique-analogique 53. Cela permet à nouveau d'obtenir un In this case, a piezoelectric voltage appears at the electrodes 96 and at the corresponding concealed electrode, under the effect of the stress in the crystal resulting from the deformation of the tongue. A buffer amplifier 67 follows the sensor of FIGS. 3 and 13 and is in turn followed by a phase detector 50, a filter 51, a digital analog converter 52 and a digital-to-analog converter 53. This again makes it possible to obtain a
signal numérique ou un signal analogique sur les conduc- digital signal or an analogue signal on the
teurs de sortie 54, 55. Il faut noter que les intervalles comme 23, 26 de la figure 3 permettent d'augmenter la 54, 55. It should be noted that the intervals 23, 26 of FIG.
masse des languettes et par conséquent d'obtenir une fré- mass of the tabs and therefore to obtain a frequency
quence de résonance plus basse. La fréquence de résonance de la languette dans la direction de la déviation de quence of lower resonance. The resonance frequency of the tongue in the direction of the deviation of
sortie peut être égale à la fréquence du signal d'attaque. output may be equal to the frequency of the drive signal.
Ainsi, les fréquences de résonance dépendent de la masse des languettes, comme les languettes 20, 21 et des dimensions des intervalles 23, 26. Ces valeurs peuvent Thus, the resonant frequencies depend on the mass of the tongues, such as the tongues 20, 21 and the dimensions of the intervals 23, 26. These values can
ainsi être réglées à volonté.so be adjusted at will.
Les figures 10 et 11 illustrent une autre configuration de capteur selon l'invention. Comme cela ressort de la figure 10, le capteur comporte deux fourchettes d'accord 70 et 71 disposées sur un axe commun Figures 10 and 11 illustrate another sensor configuration according to the invention. As is apparent from FIG. 10, the sensor comprises two tuning forks 70 and 71 arranged on a common axis
à angle droit, avec la tige de sortie 72. at right angles to the outlet rod 72.
La tige de sortie 72 est fixée de préférence entre deux parois 73, 74. De préférence également, la tige de sortie 72 comporte deux ouvertures rectangulaires symétriques 75, 75', principalement pour réduire le poids de la tige de sortie et aussi pour réduire sa rigidité. Il en résulte que la fréquence de résonance de la tige de sortie 72 est réduite. Par conséquent, la tige de sortie 72 peut également servir comme une paire de The outlet rod 72 is preferably fixed between two walls 73, 74. Preferably also, the outlet rod 72 comprises two symmetrical rectangular openings 75, 75 ', mainly to reduce the weight of the outlet rod and also to reduce its weight. rigidity. As a result, the resonant frequency of the output rod 72 is reduced. Therefore, the output rod 72 can also serve as a pair of
fourchettes d'accord.forks of agreement.
La figure 11 montre la polarité de la tension Figure 11 shows the polarity of the voltage
de sortie, représentée sur les courbes 76, 77, c'est-à- output, represented on the curves 76, 77, that is,
dire sur les côtés opposés de la tige de sortie 72. say on the opposite sides of the outlet rod 72.
Les figures 12 et 13 montrent une autre confi- Figures 12 and 13 show another confi-
guration d'un capteur selon l'invention, comprenant deux paires de fourchettes d'accord. Comme le montre la figue 12, ce capteur comporte une première paire de fourchettes d'accord 83, 84 avec un axe commun et une seconde paire de fourchettes d'accord 85, 86 avec également un axe commun, les deux axes étant espacés de la tige de sortie 87. Les deux paires de fourchettes d'accord sont reliées à la tige de sortie 87 par une guration of a sensor according to the invention, comprising two pairs of tuning forks. As shown in Fig. 12, this sensor has a first pair of tuning forks 83, 84 with a common axis and a second pair of tuning forks 85, 86 also with a common axis, the two axes being spaced apart from each other. output rod 87. The two pairs of tuning forks are connected to the output rod 87 by a
pièce de liaison 88.connecting piece 88.
La figure 13 montre à titre d'exemple la - manière dont les fourchettes d'accord peuvent être attaquees. Les conducteurs d'entrée 90, 91 provenant de l'oscillateur d'attaque sont connectés de manière que le conducteur d'entrée 91 soit relié aux fourchettes d'accord 83 et 84. En même temps, le boitier supérieur 94 est excité par le conducteur d'entrée 90, comme le boitier inférieur 95, produisant ainsi un champ électrique entre Fig. 13 shows by way of example how the tuning forks can be attacked. The input leads 90, 91 from the driving oscillator are connected so that the input lead 91 is connected to the tuning forks 83 and 84. At the same time, the upper box 94 is excited by the input lead 90, like the lower case 95, thereby producing an electric field between
les boitiers 94, 95 et les fourchettes d'accord 83, 84. the housings 94, 95 and the tuning forks 83, 84.
Une des électrodes de sortie 96 peut être disposée sur la partie de liaison 88. L'autre électrode de sortie se trouve derrière l'électrode 96 et n'est One of the output electrodes 96 may be disposed on the connecting portion 88. The other output electrode is behind the electrode 96 and is
pas visible sur la figure 13.not visible in Figure 13.
Le capteur de la figure 14 se caractérise par deux groupes de 4 fourchettes d'accord chacun. Ainsi, un premier groupe de fourchettes d'accord 100, 101, 102 et 103 comporte un axe commun. Le second groupe de 4 fourchettes d'accord 100' à 103' comporte également un axe commun, mais il est espacé de celui de la tige de sortie 105. La tige de sortie 105 peut également comporter à chaque extrémité un dégagement ou encoche rectangulaire 106 pour réduire son poids et sa rigidité et par conséquent sa fréquence de résonance. Les fourchettes d'accord comme à 103 sont séparées de la tige de sortie par de larges intervalles 107, 108 et 110. La tige de sortie peut également être disposées entre deux parois The sensor of Figure 14 is characterized by two groups of 4 tuning forks each. Thus, a first group of tuning forks 100, 101, 102 and 103 has a common axis. The second group of 4 tuning forks 100 'to 103' also has a common axis, but it is spaced from that of the output rod 105. The output rod 105 may also have at each end a rectangular recess or notch 106 to reduce its weight and rigidity and consequently its resonant frequency. The tuning forks as at 103 are separated from the output rod by wide intervals 107, 108 and 110. The output rod can also be arranged between two walls
111 et 112.111 and 112.
La tige de sortie 105 peut subir une torsion préalable pour produire un déphasage, c'est-à-dire qu'elle peut être précontrainte de manière à détecter The output rod 105 may be pre-twisted to produce a phase shift, i.e., it may be preloaded to detect
le sens du mouvement angulaire en plus de sa vitesse. the direction of angular movement in addition to its speed.
Ainsi, la tige de sortie 105 peut être utilisée pour produire une fréquence de sortie qui peut être supérieure à la fréquence d'attaque. La même chose est vraie pour Thus, the output rod 105 may be used to produce an output frequency that may be greater than the drive frequency. The same is true for
la tige de sortie 72 de la figure 10. the outlet rod 72 of FIG.
Il y a lieu de noter que les électrodes sont faites de préférence d'un placage d'or. Au moyen d'une It should be noted that the electrodes are preferably made of gold plating. By means of a
attaque au laser, les deux languettes de chaque four- laser attack, the two tabs of each furnace
chette d'accord peuvent être équilibrées; autrement dit, le laser peut éliminer une partie appropriée de l'électrode d'une languette. Cela augmente le facteur de chette okay can be balanced; in other words, the laser can remove an appropriate portion of the electrode from a tab. This increases the factor of
qualité Q du circuit.Q quality of the circuit.
Il apparaît ainsi que l'invention concerne un 1 1 capteur de vitesse angulaire comprenant essentiellement une fourchette d'accord excitée par un oscillateur d'attaque. Un mouvement angulaire de l'ensemble entraine une déformation de la tige de sortie, perpendiculairement à la direction des vibrations. Cette déformation peut être mesurée par un effet capacitif, par un effet résistif ou par une tension électrique produite par l'effet piézoélectrique. Par ailleurs, un signal de sortie modulé en fréquence peut être obtenu ou un capteur optique peut être utilisé. Diverses configurations ont été illustrées, concernant un grand nombre de fourchettes d'accord. La disposition préférée permet de contrôler la fréquence du signal de sortie par rapport à la vibration du capteur. Ce capteur de vitesse angulaire peut être fabriqué par les techniques des semi-conducteurs, It thus appears that the invention relates to an angular velocity sensor comprising essentially a tuning fork excited by a driving oscillator. An angular movement of the assembly causes a deformation of the output rod, perpendicular to the direction of vibration. This deformation can be measured by a capacitive effect, a resistive effect or an electrical voltage produced by the piezoelectric effect. Moreover, a frequency modulated output signal can be obtained or an optical sensor can be used. Various configurations have been illustrated for a large number of tuning ranges. The preferred arrangement makes it possible to control the frequency of the output signal with respect to the vibration of the sensor. This angular velocity sensor can be manufactured by semiconductor techniques,
à un prix beaucoup moins élevé qu'un gyroscope convention- at a much lower price than a conventional gyroscope
nel. En plus d'être moins coûteux à fabriquer, sa nel. In addition to being less expensive to manufacture, its
précision doit être suffisante pour la plupart des appli- accuracy should be sufficient for most applications
cations pratiques, comme des références de direction et d'attitude avec des applications corrigées magnétiquement ou par gravité et même pour des références de qualité à practical references, such as direction and attitude references with magnetically or gravity-corrected applications, and even for quality references to
inertie dans un système autonome de guidage par inertie. inertia in an autonomous system of inertia guidance.
Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux modes de réalisation décrits et illustrés à titre d'exemples Of course, various modifications can be made by those skilled in the art to the embodiments described and illustrated as examples.
nullement limitatif sans sortir du cadre de l'invention. in no way limiting without departing from the scope of the invention.
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WO2000045128A1 (en) * | 1999-02-01 | 2000-08-03 | Onera (Office National D'etudes Et De Recherches Aerospatiales) | Vibrating gyrometer monolithic structure |
FR2789171A1 (en) * | 1999-02-01 | 2000-08-04 | Onera (Off Nat Aerospatiale) | MONOLITHIC STRUCTURE OF A VIBRATING GYROMETER |
US6414416B1 (en) | 1999-02-01 | 2002-07-02 | Onera (Office National D'etudes Et De Recherches Aerospatiales) | Monolithic vibrating rate gyro structure |
Also Published As
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