FR2614413A1 - Gyrometre laser, dispositif d'elimination des rotations parasites des miroirs piezoelectriques utilisant les forces d'inertie - 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 UNE MASSE 24 QUI, PAR EFFET DE LEVIER, ET GRACE A UNE CHARNIERE 20, VIENT REDRESSER LA PARTIE CENTRALE 22 QUI PORTE LE MIROIR 15. 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 a laser, et qui se produisent sous l'effet des accélérations dues à l'activation mécanique ou à certaines vibrations.

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

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

Les gyromètres a 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 à 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 optique 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 l'axe de symétrie dudit 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 à 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-même est assez peu sensible aux déformations que pourraient entralner ces accélérations. Il n'en est pas de même 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 à l'axe d'activation. Cette rotation, bien que très faible, nuit aux performances des gyrolasers.

Par une conception bien adaptée du miroir piézoélectrique, selon l'art antérieur, il peut être possible de diminuer ces rotations parasites, mais il est très difficile de les éliminer complètement.

La présente invention a pour objet de supprimer complétement ces rotations parasites par une conception particulière du miroir piézoélectrique, où une masse supplémentaire entrainée par les forces d'inertie, vient créer une rotation dudit miroir égale et opposée à la rotation parasite à corriger.

L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à 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 lteffet des accélérations de l'activation.

La figure 4 montre le principe de l'invention.

La figure 5 décrit un autre inconvénient du gyrolaser qui peut également être amélioré par l'invention.

Les figures 6 et 7 montrent une réalisation préférée de l'invention qui corrige les deux défauts.

Les figures 8 et 9 montrent une autre réalisation de l'invention qui rend le miroir piézoélectrique insensible aux vibrations perpendiculaires à son axe.

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 a 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 et 23
qui lui permettent de se déplacer suivant son axe de
quelques microns. Cette partie mobile porte à son
extrémité, située du côté 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 à utiliser un bilame
piézoélectrique 11 fixé par un ensemble de pièces
métalliques sur la partie extérieure 12 déjà décrite.

L'ensemble de ces pièces présente une inertie qui s'oppose a 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-entraîne 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 entraîne 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 à supprimer la rotation parasite ss.

A cet effet, la partie interne du système piézoélectrique 13, décrite ci-dessus, est amincie localement et présente donc un rétrécissement 20 qui est beaucoup moins rigide que le reste de la pièce et constitue ainsi une charnière qui lui permet une certaine flexion. Ce rétrécissement est situé à une distance x de la membrane 14 extérieure et les deux membranes 14 et 23 sont séparées par une distance D. La partie interne 13 est donc divisée en deux parties 21 et 22 distinctes et la partie 21 située du côté extérieur est rallongée.

Le moteur piézoélectrique est conçu de façon à laisser passer la partie extérieure 21 rallongée, soit parce que le bilame piézoélectrique 11 qui le constitue est percé en son centre, soit parce que les céramiques piézoélectriques sont collées directement sur les membranes. Le figure 4 montre l'invention réalisée dans la configuration ou le bilame est percé en son centre par un trou 30 et traversé par la partie extérieure 21 rallongée et qui comporte un épaulement 29 sur lequel le bilame piézoélectrique 11 viendra appuyer.

La partie centrale extérieure 21 est allongée vers l'extérieur d'une longueur a et une masse 24 d'un matériau dense est fixé à son extrémité
Sous l'effet des accélérations de l'activation, les forces d'inertie entrainent cette masse 24 qui crée un couple de rotation autour du point 25. Bien que contré par les raideurs de la charnière 20 et des membranes 14 et 23, ce couple entraine en rotation dans un sens la partie 21 et dans l'autre sens la partie 22. Si la masse 24 et la charnière 20 sont judicieusement dimensionnées, la rotation ss' de la partie 21 peut être égale et opposée à la rotation parasite ss précitée.

Le miroir 15 est alors complétement redressé et la sensibilité aux accélérations d'activation est supprimée.

A noter que, si les raideurs R1 des membranes autour des points 25 et 26 sont égales entre elle, si la raideur de la charnière est R2, et si la masse 24 est M, la rotation ss' de la partie 22 s'exprime approximativement par
13'= Max
D.(R1+R2)
Bien entendu l'adjonction de la masse 24 vient augmenter légèrement la déformation de la partie extérieure 12 et il faut en tenir compte pour dimensionner les éléments de 1 'invention.

La figure 6 présente un perfectionnement au dispositif précédent qui permet de pallier un autre défaut du gyrolaser.

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

La flèche 31 sur la figure 5 présente ce mouvement de résonnance, auteur d'un centre de rotation 35 dont la position dépend de la géométrie des pièces, sous lteffet 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 a déformer le miroir piézoélectrique et a désaligner la cavité optique ainsi que l'homme de l'art le comprendra aisément.

Pour pallier ce défaut, la charnière 20 peut être doublée et rendue bidirectionnelle, comme le montrent les figure 6 et 7, ou les rétrécissements 20 et 27 sont pratiqués sur deux directions perpendiculaires, rendant la section de la charnière carrée. il est même possible de la rendre omnidirectionnelle en réalisant 'un rétrécissement 20 circulaire comme le montre les figures 8 et 9. Bien que plus délicate à réaliser, cette dernière configuration rend le miroir piézoélectrique totalement insensible à toutes les vibrations perpendiculaires à son axe.

I' va de soi que les vibrations le long de l'axe mobile doivent être compensé par l'asservissement de lonqueur de cavité dont la bande passante doit être suffisante.

On pourra bien entendu utiliser toute sorte de forme de masse, de charnière, de moteur piézoélectrique et de liaison entre la masse et la partie centrale à redresser sans sortir du cadre de l'invention.

Claims (5)

REVENDICATIONS

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, à 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 complétement supprimées par une conception particulière dudit miroir piézoélectrique, ou une masse supplémentaire (24) entrainée par les forces d'inertie, vient créer une rotation dudit miroir égale et opposée à la rotation parasite à corriger.

2. Dispositif selon la revendication précédente caractérisé en ce que

- la partie çentrale (13) de l'ensemble miroir

piézoélectrique est amincie localement de telle sorte

qu'elle soit divisée en deux parties (21) et (22) séparée

par ladite partie amincie 20 qui, étant plus souple que

le reste de la pièce, formera une charnière élastique,

- la partie (21) la plus extérieure de la partie centrale

de l'ensemble miroir piézoélectrique est allongée vers

l'extérieur tout en ayant un épaulement (29) sur lequel

le bilame piézoélectrique (11) viendra appuyer,

- le bilame piézoélectrique est percé en son centre par un

trou (30) pour laisser passer la partie rallongée de la

partie (21) de l'ensemble miroir piézoélectrique,

- la masse (24) constitué d'un matériau préférentiellement

dense est fixée sur la partie rallongée de ladite partie

(21) de sorte que, du fait des forces d'inertie, elle

crée un couple autour du point (25) centré sur la

membrane extérieure (14), couple qui entrainera en

rotation dans un sens la partie (21) et dans l'autre sens

la partie interne (22) qui porte le miroir (15) et.

corrigera ainsi les rotations parasites dudit miroir.

3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que la charnière (20), séparant les deux parties (21 et 22), est rendue bidirectionnelle en pratiquant un deuxième rétrécissement (27) perpendiculaire au premier (20) de sorte que les rotations parasites des miroirs piézoélectriques, produites par les accélérations, sont corrigées suivant deux axes perpendiculaires.

4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que la charnière (20), séparant les deux parties (2i et 22), est rendue omnidirectionnelle en pratiquant un rétrécissement (27) de révolution de sorte que les rotations parasites des miroirs piézoélectriques, produites par les accélérations, sont corrigées suivant toutes les directions perpendiculaires a l'axe de déplacement dudit miroir.

5. 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.