FR2611038A1 - Gyrometre laser, dispositif d'elimination des rotations parasites des miroirs piezoelectriques - Google Patents

Abstract

L'INVENTION A POUR OBJET UN DISPOSITIF DE SUPPRESSION DES ROTATIONS PARASITES DES MIROIRS MOBILES 15 DES GYROLASERS QUI SONT MUS PAR DES CERAMIQUES PIEZOELECTRIQUES 11. CES ROTATIONS PARASITES SONT DUES AUX DEFORMATIONS DES PARTIES EXTERNES 12 CONSTITUANT LE CORPS DU MIROIR MOBILE ET FIXEES AU BLOC OPTIQUE 1 SOUS L'EFFET DES ACCELERATIONS DU MOUVEMENT D'ACTIVATION. CES ROTATIONS PARASITES SONT CORRIGEES DANS L'INVENTION PAR DES RESSORTS 24, FIXES A LA STRUCTURE EXTERIEURE DU GYROLASER PAR DES VIS 26, QUI APPUIENT SUR LA PARTIE EXTERIEURE 23 DE L'ENSEMBLE MIROIR PIEZOELECTRIQUE, LA PLUS ELOIGNEE DE L'AXE D'ACTIVATION DU GYROLASER ET QUI REDRESSENT AINSI LES PARTIES EXTERNES 12. L'INVENTION S'APPLIQUE A TOUS LASERS ET NOTAMMENT AUX GYROLASERS.

Description

La présente invention concerne un dispositif destiné à supprimer les rotations parasites du ou des miroirs mobiles des gyromètres à laser, sous l'effet des accélérations dues å l'activation mécanique ou à certaines vibrations.

Cette invention s'applique à tous les gyromètres laser triangulaires ou carrés, monoaxes ou multiaxes. Folle peut également s'appliquer å tout laser muni d'un asservissement de longueur de cavité par miroir mobile.

Le principe de fonctionnement des gyromètres à laser est maintenant bien connu et l'homme de l'art n'aura aucune peine à suivre les explications qui vont suivre.

Les gyromètres à laser, appelés dans ce qui va suivre gyrolasers, sont généralement constitués
- d'un parcours optique triangulaire ou carré, creusé dans
un bloc de matériau isolant et a faible coefficient de
dilatation (figure 1). Ledit parcours optique étant
délimité par trois ou quatre miroirs et fixés sur le
bloc.

- d'un milieu amplificateur, permettant de générer dans la
cavité optique deux ondes lumineuses tournant l'une
dans un sens et l'autre dans l'autre. les interférences
entre ces deux ondes vont permettre la mesure de la
rotation du gyromètre autour d'un axe perpendiculaire au
plan de la cavité optique.

- d'un dispositif de mélange des ondes lumineuses, pour
créer des franges d'interférence sur un ensemble de
cellules photoélectriques. Le défilement desdites franges
représentant la rotation angulaire du gyrolaser, sera
transformé par lesdites cellules photoélectriques en
signaux électriques utilisables.

Pour éviter les effets du phénomène bien connu de blocage entre les deux ondes lumineuses circulant dans le parcours optique (zone aveugle), le bloc du gyrolaser est généralement animé d'un mouvement angulaire alternatif de faible amplitude, autour d'un axe généralement perpendiculaire au plan de la cavité optique et qui peut être 11 axe de symétrie du bloc optique. La fréquence du mouvement alternatif est choisie de telle façon que la vitesse angulaire du bloc optique soit la plus grande partie du temps en dehors de la zone aveugle.

Ce mouvement est créé par un dispositif oscillant constitué d'un ensemble élastique généralement placé t l'intérieur et au centre du bloc optique. L'inertie du bloc détermine, avec la raideur de l'ensemble élastique une fréquence d'oscillation qui sera entretenue par un système de moteur piézoélectrique ou électromagnétique, commandé par un circuit électronique adéquat.

Ce mouvement d'oscillation, appelé encore activation, entralne des accélérations sur les différentes parties du bloc optique. Ces accélérations sont d'autant plus importantes que le point considéré est éloigné de l'axe du dispositif et que la fréquence choisie pour l'activation-est élevée.

Le bloc optique lui-meme est assez peu sensible aux déformations que pourraient entralner ces accélérations. Il n'en est pas de meme de certains éléments périphériques tels que les miroirs mobiles qui servent à ajuster la longueur de cavité. Ces miroirs sont encore appelés miroirs piézoélectriques parce qu'ils sont généralement mus par un ensemble de céramiques piézoélectriques.

Sous l'effet des accélérations alternatives d'activation qui sont bien entendu tangentes aux mouvements de chaque points, ces miroirs piézoélectriques peuvent se déformer et tourner autour d'un axe parallèle å l'axe d'activation. Cette rotation, bien que très faible, nuit aux performances des gyrolasers.

Par une conception bien adaptée du miroir piézoélectrique, il peut être possible de diminuer ces rotations parasites, mais il est très difficile de les éliminer ccrnplètement.

La présente invention a pour objet d'éliminer complètement les rotations parasites des miroirs mobiles piézoélectriques en les corrigeant par des forces égales et opposées aux forces d'inertie qui créent ces rotations parasites, et ceci & l'aide de moyens élastiques ou de ressorts convenablement tarés, fixés sur la partie du miroir piézoélectrique préférentiellement la plus éloignée du centre de rotation de l'activation, prenant appui sur la structure fixe du gyrol;er ou sur une pièce intermédiaire liée å ladite structure et dont une composante des forces qu'ils exercent agit dans la direction des mouvements que font les miroirs sous l'effet de l'activation.

L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaltront å l'aide de la description qui suit, en référence aux figures annexées.

La figure 1, rappelle le principe de réalisation d'un gyrolaser typique.

La figure 2 montre, en vue de dessus, la direction des différentes forces agissant sur le ou les miroirs piézoélectriques et dues aux mouvements d'activation.

La figure 3 montre la déformation et la rotation parasite du miroir piézoélectrique sous l'effet des accélérations de l'activation.

La figure 4 montre le principe de l'invention, où des ressorts convenablement placés agissent sur le miroir piézoélectrique pour contrer les déformations.

Les figures 5, 6, 7 et 8 montrent deux des réalisations préférées de l'invention, utilisant des ressorts en forme de lames.

Les figures 9 et 10 montrent un autre mode de réalisation de l'invention utilisant des ressorts en forme de fils.

Les figures 11, 12, 13 et 14 montrent un autre mode de réalisation de l'invention utilisant des ressorts en forme de lames améliorées par des rabats.

La figure 15 décrit un autre inconvénient du gyrolaser qui peut également être amélioré par l'invention.

Les figures 16 et 17 montrent une réalisation préférée de l'invention qui corrige les deux défauts en utilisant une forme particulière de ressorts.

Les figures 18 et 19 montrent un autre mode de réalisation de l'invention utilisant des ressorts en forme de croisillon.

Tel qu'il est représenté sur la figure 1, le gyromètre laser est constitué d'un bloc optique 1, monté oscillant autour d'un axe 16, grace & un système de lames élastiques 8 excitées par des céramiques piézoélectriques 9.

Un parcours optique triangulaire ou carré est creusé dans le bloc et rempli d'un mélange d'hélium et de néon excité par un courant électrique passant entre une ou plusieurs cathodes 4 et une ou plusieurs anodes 5.

Le parcours est fermé par des miroirs 2 et un ou plusieurs miroirs mobiles 10, mus par un ou plusieurs moteurs piézoélectriques 11. Un miroir mobile 10 et un moteur piézoélectrique 11 constituent l'ensemble miroir piézoélectrique dont de nombreuses variantes peuvent exister.

Un système de sortie des informations est placé sur l'un des miroirs 2 et est généralement constitué d'au moins un prisme de mélange 6 et d'un ensemble de cellules photoélectriques 7.

La figure 2 représente une partie du bloc optique 1 du gyrolaser et le miroir piézoélectrique. Celui-ci est généralement constitué
- d'une partie fixe extérieure 12, généralement
cylindrique, mais qui pourrait prendre toute autre forme
en restant dans le cadre de l'invention.

- d'une partie mobile intérieure 13 maintenue dans la
partie fixe par une ou plusieurs membranes fines 14 qui
lui permettent de se déplacer suivant son axe de
quelques microns. Cette partie mobile porte à son
extrémité, située du coté du bloc optique, une partie
réfléchissante 15 constituant le miroir proprement dit.

- d'un moteur piézoélectrique pour lequel il existe de très
nombreuses solution de réalisation. L'une des solutions
couramment adoptée consiste & utiliser un bilame
piézoélectrique 11 fixé par zn ensemble de pièces
métalliques sur la partie extérieure 12 déjà décrite.

L'ensemble de ces pièces présente une inertie qui s'oppose à l'accélération alternative de l'activation. L'axe de l'activation étant en 16, l'accélération alternative est figurée par les flèches 17. Du fait que l'accélération d'activation 17 est en opposition de phase avec le déplacement angulaire 18 de ladite activation, la force d'inertie 19 opposée à l'accélération, sera, elle, en phase avec ledit déplacement. La pièce extérieure 12 n'étant pas infiniment rigide aura tendance à se déformer alternativement et dans le même sens 18 que le déplacement du bloc optique 1.

La figure 3 montre, en l'exagérant, la déformation qui se produit et la rotation parasite du miroir.

L'amplitude crête du mouvement d'activation est a. Lorsque le bloc optique est déplacé d'un angle a par le mouvement d'activation, l'accélération subie par le bloc et donc par le miroir piézoélectrique est maximum et dirigée suivant la flèche 17. La force d'inertie 19 entralne les pièces du miroir piézoélectrique dans le sens de la flèche 19.

La pièce extérieure 12 se déforme comme l'indique la figure 3. Les membranes 14 se déforment également comme l'indique la figure et l'ensemble entrain en rotation la partie centrale 13 qui fera un angle ss avec sa position initiale.

Cet angle ss ,qui varie en synchronisme avec l'activation, peut être très gênant pour les performances du gyrolaser.

La figure 4 illustre le principe de la présente invention qui tend a supprimer la rotation parasite ss.

A cet effet, un ou plusieurs ressorts 20 et 21, sont placés entre la partie la plus extérieure de l'ensemble miroir piézoélectrique (généralement le moteur) et la structure fixe 22 de sorte que les ressorts soient alternativement comprimés 20 et étirés 21 par les mouvements de l'activation.

De ce fait, les ressorts ont exercer, sur le miroir piézoélectrique, une force en opposition de phase avec le déplacement et donc en opposition avec les forces d'inertie qui tendent & déformer l'ensemble piézoélectrique et & faire tourner le miroir. Si les ressorts sont convenablement calculés et réglés, la force qu'ils exercent peut compenser parfaitement la force d'inertie et annuler la déformation initiale ainsi que la rotation parasite
A titre indicatif, si l'on ramène, par un calcul adapté, la masse du miroir piézoélectrique à une masse équivalente m placée au point A, au droit et dans l'axe des ressorts, et si la fréquence de l'activation est f, la raideur totale du ou des ressorts doit être: r = m.(2.X.f)2.

Les figure 5 et 6 explicitent un premier mode de réalisation de l'invention où deux lames 24 en matériau faisant ressort sont fixées sur le socle 25 du gyrolaser par deux vis 26 et appuient sur les cotés de la partie la plus extérieure de l'ensemble miroir piézoélectrique. La cambrure initiale des lames est telle qu'elles resteront en contact avec l'ensemble miroir piézoélectrique pendant tous les mouvements d'activation.

Pour plus de clarté dans les dessins, le mécanisme d'activation qui lie le bloc optique 1 au socle 25 et qui provoque l'oscillation dudit bloc optique par rapport audit socle, n'est pas représenté sur les figures 5,7,9,11,16 et 18.

Pour assurer une meilleure définition du point d'appui des ressorts, on pourra avantageusement réaliser un épaulement circulaire ou non 31 autour de l'extrémité de l'ensemble miroir piézoélectrique, comme le montrent les figures 7 et 8.

Pour assurer une meilleure définition du point d'appui des ressorts, ceux-ci peuvent également avantageusement être réalisés sous forme de fil 27 tels qu'ils sont montrés sur les figures 9 et 10. Lesdits fils, prenant appui dans deux gorges 26 creusées circulairement ou non sur le pourtour de l'extrémité de l'ensemble piézoélectrique, peuvent être simplement enfoncés et collés dans deux trous 29 préalablement percés dans le socle 25 du gyrolaser. La distance séparant les deux trous étant choisie telle qu'elle donne, une fois le montage terminé, une contrainte initiale aux deux fils suffisante pour les maintenir en pression lorsque l'ensemble piézoélectrique se déplace sous l'effet de l'activation. Les deux fils peuvent bien entendu être fixés par tout autre moyen sans sortir du cadre de l'invention.

Un autre mode préféré de réalisation de l'invention est présenté sur les figures 11 et 12. Pour assurer une bonne définition du point d'appui, les lames de ressort, telles que définies sur les figures 5 et 6, sont munies de rabats 30 qui viennent prendre appui sur la partie extérieure de l'ensemble miroir piézoélectrique.

Les figures 13 et 14 montrent deux modes de réalisation d'un ensemble de deux lames ressorts par découpe et pliage à partir d'un feuillard d'un matériau de qualité ressort. La aussi, la cambrure initiale, et donc l'espacement des deux lames avant montage est tel que celles-ci resteront en contrainte malgré les mouvements d'activation.

La figure 16 présente un perfectionnement du dispositif précédent qui permet de pallier un autre défaut du gyrolaser.

En effet, l'ensemble bloc optique, mécanisme d'activation et socle ntest pas infiniment raide. I1 peut présenter une résonnance sous l'effet des vibrations appliquées au socle du gyrolaser et parallèlement à celui-ci.

La fléche 31 sur la figure 15 présente ce mouvement de résonnance, autour d'un centre de rotation 35 dont la position dépend de la géométrie des pièces, sous l'effet de l'excitation en vibration 32.

Cette résonnance produit, au niveau de l'ensemble piézoélectrique, une accélération alternative 33 dont l'une des composantes 34 tend à déformer le miroir piézoélectrique et å désaligner la cavité optique ainsi que l'homme de l'art le comprendra aisément.

La réalisation de la figure 16 permet d'introduire une force parallèle à l'accélération 34, égale et opposée aux forces d'inertie de sorte que, là aussi, les déformations peuvent être annulées.

Dans cette réalisation, les lames, au lieu d'être simplement appuyées sur l'ensemble piézoélectrique, sont collées au point d'appui 36 et présentent, par l'effet des parties horizontales 37, une raideur verticale R calculée pour compenser l'effet des oscillations ci-dessus décrites.

Si F est la fréquence de résonnance transverse, la raideur verticale totale des deux ressorts doit être R = m.(2.X.F)2
La figure 16 montre cette réalisation avec la partie verticale 41 des ressorts dépourvus des rabats 30 pour la clarté du dessin.

A noter que, pour des vibrations horizontales et parallèles au plan du miroir piézoélectrique, le bloc optique présentera la meme résonnance transverse. Dans ce cas, les mouvements du miroir piézoélectrique seront très faibles, et le dispositif de l'invention n'entralnera pas de perturbation.

A noter également que le coefficient de dilatation du matériau constituant les ressorts sera préférentiellement choisi égal å celui du matériau constituant le support d'activation.

La figure 17 montre un mode de réalisation de l'enserrtle ressort utilisé sur le montage de la figure le, obtenu par découpe et pliage où les parties horizontales 37 et verticales 41 apparaissent clairement. A noter que les raideurs r et R sont en réalité réparties sur les parties verticales et horizontales et qu'il vaudra en tenir compte dans le calcul de dimensionnement des lames.

Un autre mode de réalisation de l'invention consiste à utiliser un croisillon 38 tel quil est représenté sur les figures 18 et 19.

Les deux branches horizontales 39 du croisillon sont fixées sur les bords de l'ensemble piézoélectrique. Leur raideur totale R est choisie pour compenser la déformation de l'ensemble piézoélectrique due à la résonnance du gyrolaser aux vibrations horizontales.

Les deux branches verticales 40 sont fixées sur la structure extérieure 41 ou sur le boitier du gyrolaser 25.

Leur raideur totale est choisie pour compenser la déformation de l'ensemble piézoélectrique due aux mouvements d'activation.

On pourra bien entendu inverser les rôles des branches horizontales et verticales ou supprimer l'une des branches du croisillon, sans sortir du cadre de l'invention.

On pourra bien entendu utiliser toutes les combinaisons possibles des solutions précédemment décrites sans sortir du cadre de l'invention.

D'une manière générale, on pourra utiliser toute sorte ou disposition de moyens, et notamment des ressorts en forme de spider, pour appliquer des forces à l'ensemble piézoélectrique de façon à le déformer ou contrer ses déformations sans sortir du cadre de l'invention.

Claims (9)

REVEND I CATIONL .

1. Dispositif d'élimination des rotations parasites du ou des miroirs mobiles d'un gyrolaser du type comprenant - un bloc optique (1) monté rotatif sur un support (25) et muni d'au moins un périmètre optique en boucle fermée, å l'intérieur duquel sont engendrées deux ondes laser inverses, - des moyens (6 et 7) permettant d'effectuer un mélange de ces deux ondes en vue d'obtenir un système de franges d'interférences sur des cellules photoélectriques, - des moyens d'activation mécanique (8 et 9) permettant de faire osciller le bloc optique (1) par rapport à son support (25), - au moins un miroir mobile (10) muni de couches réfléchissantes et mû par exemple par un moteur piézoélectrique (11), caractérisé en ce que les rotations parasites des miroirs mobiles piézoélectriques (10) sont corrigées par des forces égales et opposées aux forces d'inertie qui créent ces rotations parasites, et ceci à l'aide de moyens élastiques ou de ressorts convenablement tarés (20 et 21), fixés sur la partie (23) du miroir piézoélectrique préférentiellement la plus éloignée du centre de rotation de l'activation, prenant appui sur la structure fixe (22) du gyrolaser ou sur une piéce intermédiaire liée à ladite structure et dont une composante des forces qu'ils exercent agit dans la direction des mouvements que font les miroirs sous l'effet de l'activation.

2. Dispositif, selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les ressorts sont constitués par des lames (24) en matériau formant ressort, pliées et fixées sur le socle (25) et appuyant sur les cotés et à la partie la plus extérieure (23) de l'ensemble miroir piézoélectrique, la cambrure initiale desdites lames étant telle qu'après le montage, elles resteront en contact avec l'ensemble miroir piézoélectrique, quels que soient les mouvements d'activation.

3. Dispositif, selon la revendication 2, caractérisé en ce que la définition du point d'appui des lames formant ressort (24) est constitué par un épaulement (31), réalisé autour de l'extrémité de l'ensemble miroir piézoélectrique; épaulement sur lequel lesdites lames viennent appuyer.

4. Dispositif, selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ressorts sont réalisés sous forme de fils (27) prenant appui dans des gorges (26) creusées sur le pourtour de ltextrémité de l'ensemble miroir piézoélectrique et sont fixés sur le socle (25) du gyrolaser en s'enfoncant dans des trous (29) prépercés dans ledit socle: L'espacement entre les deux trous étant choisi pour qu'ils donnent une contrainte initiale auxdits fils telle que ceux-ci restent en contact permanent avec l'ensemble miroir piézoélectrique, quels que soient les mouvemements d'activation.

5. Dispositif, selon la revendication 2, caractérisé en ce que, pour assurer une meilleure définition du point d'appui, les lames de ressorts comportent des rabats (30) prenant appui sur la partie extérieure (23) de l'ensemble miroir piézoélectrique, l'ensemble ressort étant de préférence obtenu par découpe et pliage dans une feuille de matériau formant ressort.

6. Dispositif, selon l'une des revendications 1, 2 ou 5, caractérisé en ce qu'il corrige plusieurs défauts du gyrolaser en utilisant une forme de lames formant ressort telle qu'elles présentent, grâce à leurs branches verticales (41) et horizontales (37), des raideurs dans au moins deux directions, raideurs adaptées aux défauts à corriger, les extrémités des lames étant fixées à la partie extérieure de l'ensemble miroir piézoélectrique par collage (36) ou par tout autre moyen, l'ensemble ressort étant également de préférence obtenu par découpe et pliage dans un matériau formant ressort, le coefficient de dilatation dudit matériau étant choisi de préférence égal à celui du matériau constituant le support d'activation

7. Dispositif, selon la revendication 6, caractérisé en ce que les ressorts ayant deux élasticites différentes suivant deux directions sont constitués par un croisillon (38) dont les extrémités des branches (39) d'une direction sont fixéés å la partie extérieure (23) de l'ensemble miroir piézoélectrique et les extrémités des deux autres branches(40) sont reliés au support fixe du gyrolaser (25 et 41).

8. Dispositif selon la revendication 7 caractérisé en ce que le croisillon est simplifié en supprimant l'une de ses branches.

9. Dispositif, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il s'applique à tous laser muni de miroirs mobiles et soumis à des vibrations de résonnances et notamment à tous gyrolasers.