Les gyroscopes vibrants sont basés sur l'effet des forces de Coriolis dues à une rotation imposée à des masses en mouvement.

Plusieurs modes de réalisations ont été proposés dans le passé pour réaliser un élément vibrant sensible aux vitesses angulaires.

Le procédé le plus fréquemment utilisé consiste à faire vibrer un corps d'épreuve de révolution, cylindrique, hémisphérique ou annulaire, perpendiculairement à son axe de symétrie et à observer le déplacement des modes de vibration lorsqu'il est soumis à une rotation autour dudit axe.

Dans le cas le plus général des corps d'épreuve cylindriques, hémisphériques ou annulaires, la principale difficulté vient du compromis qu'il faut faire entre la fréquence de résonance qui croît avec la réduction d'encombrement et la constante de temps qui détermine la performance et qui est d'autant meilleure que la fréquence de résonance est basse. Il est, par exemple, pratiquement impossible de réaliser un corps d'épreuve <BR> <BR> <BR> cylindrique à paroi mince, d'un volume inférieur à 2 cm³, et dont la fréquence de résonance soit inférieure à 6 kHz. Or il serait souhaitable d'avoir des petits corps d'épreuve résonnant seulement entre 2 et 3 kHz pour obtenir des performances très améliorées.

La seconde difficulté provient de la réalisation du dispositif d'excitation et de mesure des vibrations, étant entendu que le

terme excitation désigne l'ensemble des commandes nécessaires au bon fonctionnement de ces gyroscopes.

Les solutions proposées à ce jour pour créer, détecter et entretenir la vibration sont principalement de nature électromagnétique, électrostatique ou piézo-électrique.

Les solutions électrostatiques ont des performances intéressantes notamment lorsqu'elles sont utilisées sous vide pour réduire les pertes. Du fait qu'elles nécessitent des entrefers très faibles, elles sont difficiles à mettre en oeuvre à l'intérieur ou à l'extérieur d'une paroi cylindrique ou hémisphérique et sont donc généralement coûteuses.

Les solutions piézo-électriques utilisent soit un cylindre, réalisé entièrement en matériau piézo-électrique, soit des petits éléments piézo-électriques rapportés, par collage le plus souvent, sur un cylindre métallique. Ces solutions présentent l'inconvénient majeur, dans l'utilisation en gyromètre pour laquelle elles sont en principe adaptée, de ne pas permettre de réglage de l'axe d'excitation par rapport au corps vibrant qui présente généralement une direction privilégiée pour laquelle les performances sont optimum.

Pour différentes raisons, et notament pour des raisons de diaphonies, les moyens de détection et d'excitation des vibrations de certaines réalisations sont de nature différente et autant que possible éloignés les uns des autres.

Le brevet américain 4 793 195 décrit, par exemple, un gyromètre à cylindre vibrant muni d'une détection électrostatique et excité magnétiquement à fréquence moitié de sa fréquence de vibration pour réduire ces effets.

La demande de brevet français 97/12129 décrit un gyromètre à excitation et détection magnétique multipléxées qui résout bien la difficulté de diaphonie entre l'excitation et la détection

mais dont les performances sont limitées par la fréquence de résonance qui reste élevée.

La présente invention apporte une amélioration qui permet, dans un encombrement donné, de choisir la fréquence de résonance et qui, par son principe mme, offre des possibilités nouvelles pour réaliser de façon économique et simple, des moyens d'excitation et de détection électromagnétiques ou électrostatiques.

Pour obtenir ce résultat, le corps d'épreuve de révolution, à paroi mince, comporte à sa périphérie des masses régulièrement distribuées, séparées par des intervalles, et qui viennent augmenter la masse en mouvement lorsque ledit corps d'epreuve est excité en vibration. Des ouvertures peuvent tre réalisées dans la paroi mince du cylindre, non recouverte par les masses, pour ajuster la raideur de la tenue de ces masses et donc la fréquence de résonance. Ceci permet de diminuer fortement la fréquence de résonance dudit corps d'épreuve et donc d'augmenter les performances.

En jouant sur la forme des ouvertures, il est possible de favoriser certains types de déplacements des masses additionnelles et ce faisant de réaliser des ensembles d'excitation-détection magnétiques ou électrostatiques plan et donc économiques, ensembles qui peuvent se placer au droit d'une extrémité plane ouverte du corps d'épreuve et sont donc très faciles à régler.

L'invention concerne donc un gyroscope vibrant du type comportant : -un élément vibrant mince et de révolution, -des moyens d'excitation permettant d'engendrer des vibrations en au moins un point de l'élément vibrant de manière à faire apparaître, sur ledit élément vibrant, des modes de vibration susceptibles de se modifier sous l'effet d'une vitesse de rotation angulaire et

-des moyens de détection desdites vibrations, disposés de manière à pouvoir détecter lesdits modes de vibration, caractérisé en ce que l'élément vibrant de révolution comporte au moins trois et de préférence huit masses formant masses vibrantes et constituées de préférence par des surépaisseurs de l'élément vibrant lui-mme.

Des modes de réalisation de l'invention seront décrits ci- après, à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins annexés dans lesquels : La figure 1 est un schéma de principe montrant le fonctionnement d'un gyroscope vibrant, La figure 2 est une vue en coupe latérale du gyroscope vibrant selon l'invention, La figure 3 est une vue en coupe axiale, selon la direction A, du gyroscope vibrant de la figure 2, La figure 4 est une vue en coupe latérale du gyroscope vibrant de la figure 2, dans une variante à excitation et détection électrostatique, La figure 5 est une présentation en deux vues d'une variante du corps d'épreuve du gyroscope vibrant de la figure 2, La figure 6 est une vue en coupe latérale de la variante du corps d'épreuve de la figure 5, La figure 7 est une présentation en deux vues d'une variante préférée du corps d'épreuve du gyroscope vibrant de la figure 2, La figure 8 est une vue en coupe latérale de la variante du corps d'épreuve de la figure 7,

La figure 9 est une vue en coupe latérale d'une variante du gyroscope de la figure 2 utilisant le corps d'épreuve de la figure 7 et un ensemble d'excitation-détection électromagnétique plan, La figure 10 est une vue en coupe axiale, selon la direction A, de la variante du gyroscope de la figure 9, La figure 11 est une vue en coupe latérale d'une variante du gyroscope de la figure 9 utilisant un ensemble d'excitation- détection électrostatique plan, et La figure 12 est un schéma de principe des circuits électroniques et électriques du gyroscope vibrant selon l'invention dans la version à multiplexage des fonctions détection et excitation, adapté aux gyroscopes à excitation et détection électrostatiques des figures 4 et 11.

Comme précédemment mentionné, et ainsi que le montre la figure 1, un gyroscope vibrant comporte un corps d'épreuve 1, ayant un axe de symétrie 6, cylindrique par exemple, figure la, mais qui peut tre hémisphérique ou avoir toute autre forme de révolution, et qui est excité en vibration, figure lb, selon deux directions initiales 2 et 3, perpendiculaires entre elles et à l'axe 6 du corps d'épreuve 1, de telle sorte qu'il apparaisse quatre noeuds 4 et quatre ventres 5 de vibrations, les déplacements des parties situées sur les ventres de vibrations étant en opposition de phase pour les deux directions initiales d'excitation 2 et 3.

Lorsque le corps d'épreuve 1 est soumis à une rotation de vitesse angulaire Q autour d'un axe parallèle à l'axe 6 de symétrie, les noeuds de vibrations ne tournent pas avec le corps d'épreuve. Ils ne restent pas non plus fixes dans l'espace, mais ils tournent, par rapport à l'espace inertiel, à <BR> <BR> <BR> une vitesse angulaire w = K. Q qui dépend de la géométrie et de la vitesse angulaire du corps d'épreuve. Le rapport théorique K entre la vitesse angulaire du corps d'epreuve et celle des

noeuds de vibration dépend également du mode de vibration. Il est par exemple possible de faire vibrer le corps d'épreuve avec six noeuds et six ventres de vibrations, mais la configuration correspondante est moins favorable pour la mesure gyroscopique.

Les noeuds de vibration 4 ne sont donc pas liés au corps d'épreuve 1, mais se déplacent, par rapport à celui-ci, avec une vitesse angulaire également proportionnelle à la vitesse angulaire du corps d'épreuve lui-mme.

La figure 2 montre, en vue en coupe, une réalisation préférée du gyroscope vibrant selon l'invention.

Celui-ci comporte : -un corps d'épreuve ou cylindre vibrant 1, -un support 7, -un boîtier extérieur cylindrique 8, -un excitateur détecteur magnétique ou stator 9, -un circuit électronique 10, -des moyens de fixation, de câblage et de fermeture.

Le corps d'épreuve est réalisé sous forme d'un élément vibrant sensiblement cylindrique ou cylindre vibrant 1, ayant un axe de symétrie 6, une paroi 11, ouvert à l'une de ses extrémités 12 et fermé à son autre extrémité 13 par une paroi formant un fond 14. La paroi 11 du cylindre vibrant 1 est mince et régulière sur une partie de sa longueur 15 proche du fond 14. Ledit fond comporte une partie extérieure 16 sensiblement de la mme épaisseur que celle de la paroi 11 du cylindre et au centre une partie plus épaisse 17.

La paroi 11 du cylindre vibrant porte, sur une partie de sa hauteur 18, à proximité de son extrémité ouverte 12, au moins trois et de préférence huit surépaisseurs ou masses 19, régulièrement réparties, et dont la forme peut tre quelconque.

Dans une réalisation préférée de l'invention, ces surépaisseurs

19 ont une hauteur, parallèle à l'axe de symétrie 6 du corps d'épreuve, sensiblement égale à la moitié de la hauteur totale dudit corps d'épreuve. Leur section, ainsi que le montre la figure 3, perpendiculairement à l'axe de symétrie 6, est bordée, vers l'extérieur, par un arc de cercle 20 centré sur ledit axe de symétrie 6. Elle est bordée sur les côtés, par deux flans 21 et 22, parallèles audit axe de symétrie et orientés de telle sorte qu'un flan 21 d'une surépaisseur 23 soit parallèle à un flan 22 d'une surépaisseur 24 immédiatement voisine. Cette disposition facilite l'usinage desdites surépaisseurs par fraisage.

Le fond 14 est lui-mme fixé en son centre, par un pied intérieur 25, sur le support 7.

Le support 7, de révolution, comporte une première partie 26 dont le diamètre est tel qu'il puisse recevoir le boîtier extérieur 8 et une seconde partie comportant deux diamètres successifs décroissants 27 et 28, dont le second est destiné à servir de support au stator magnétique 9, sur lequel sont placés des bobinages 30 d'une part, et au cylindre vibrant 1 d'autre part.

Il est dimensionné de telle sorte que le stator 9 se trouve placé centré dans l'extrémité ouverte 12 du cylindre vibrant 1 en ménageant un entrefer 29 d'épaisseur aussi réduite que possible.

L'excitateur magnétique est réalisé sous forme d'une étoile à huit branches 31 et comporte donc huit pôles 32 sur lesquels sont placés les bobinages 30.

Ainsi décrit, le gyroscope selon l'invention fonctionne comme suit, en faisant tout d'abord l'hypothèse que les pertes sont nulles et que les vibrations une fois établies conservent leur énergie. Les vibrations sont crées au départ sur deux paires de masses 23,33 et 34,35 par exemple, placées sur deux axes perpendiculaires 3 et 2, les quatre autres masses 36 à 39 ne

vibrant pas. En l'absence de rotation, l'état vibratoire ne change pas. En présence d'une rotation Q autour de l'axe 6, 1'effet des forces de Coriolis entraîne un transfert d'énergie des masses qui vibraient initialement vers celles qui ne vibraient pas de sorte que l'énergie totale soit conservée.

Si A est l'amplitude crte initiale des vibrations des deux paires de masses 23,33 et 34,35, l'amplitude crte de ces vibrations au bout d'un temps t s'écrit : a = A. cos [2 (1-K). I Q. dt].

De la mme façon l'amplitude crte des vibrations des quatre autres masses 36,37 et 38,39, s'écrit : b = A. sin [2 (1-K). J Q. dt].

Du fait que les pertes par frottement dans le matériau ne sont pas nulles, les vibrations tendent à s'amortir et il faut les entretenir pour assurer le fonctionnement du gyroscope.

A cet effet, en utilisant des principes de circuits électroniques bien connus, les amplitudes des vibrations de chacune des 4 paires de masses sont mesurées et servent à élaborer des tensions d'entretien et de correction qui sont envoyées sur les bobinages. On utilisera avantageusement les principes de multiplexage de 1'excitation et de la détection décrits dans la demande de brevet français n°97/12129.

Dans le cas d'une utilisation en gyromètre, toujours en utilisant des principes bien connus de contre-réaction et de préférence la technique de multiplexage, les quatre masses 36, 37,38 et 39 sont maintenues immobiles en envoyant sur les bobinages correspondants, une tension de contre-réaction qui vient s'opposer aux effets des forces de Coriolis. Cette tensoin de contre-réaction est alors représentative de la vitesse angulaire Q. L'amplitude de vibration des masses 23, 33,34 et 35 est maintenue constante.

Ainsi que le montre la figure 4, l'ensemble d'excitation détection électromagnétique 9 peut-tre remplacé par un ensemble d'excitation détection électrostatique 40. A cet

effet, le stator 9 de la figure 2 est remplacé par un anneau 41 en matériau isolant sur la périphérie duquel sont déposées au moins deux électrodes 42 et de préférence huit ou plus. Le diamètre extérieur de cet anneau est tel que les électrodes se trouvent en regard de la face intérieure du cylindre 1 avec un entrefer 29 aussi réduit que possible.

Pour améliorer les performances du gyroscope vibrant, il peut tre nécessaire de réduire la raideur apportée par la partie mince du cylindre vibrant. Ainsi que le montre la figure 5, une première variante de l'invention consiste à réaliser dans la paroi mince 11 du cylindre vibrant des ouvertures 43 de préférence régulièrement réparties et de préférence centrées sensiblement entre les masses 19. La figure 5a montre, en vue de côté, un cylindre vibrant sur lequel sont percées huit ouvertures 43 longues et relativement fines dont la plus grande dimension est sensiblement parallèle à l'axe 6. Ces ouvertures descendent de préférence jusqu'à la partie mince 16 du fond 14 du cylindre vibrant. A leur autre extrémité, elles peuvent tre plus ou moins proches de la partie haute de la paroi mince 11 du cylindre restant entre les masses, la partie de paroi mince restant entre lesdites ouvertures 43 et l'extrémité 12 du cylindre constituant des ponts élastiques 79 entre les masses 19. Par ailleurs, dans l'exemple représenté, la hauteur et la position des masses additionnelles sont telles que celles-ci dépassent la hauteur du cylindre lui-mme en formant des créneaux du côté de l'extrémité ouverte 12 dudit cylindre 1.

La figure 6, qui est une vue en coupe du cylindre vibrant décrit ci-dessus, montre, en l'exagérant par rapport à la réalité, le mouvement de deux des masses 19 sous l'effet des vibrations. Du fait des formes retenues et de la position des ouvertures, il apparaît que les masses 19, en vibrant, ont en fait un mouvement de rotation sensiblement centré en un point 44 correspondant à la jonction entre l'extrémité 13 du cylindre 1 et la paroi plane mince 16. Si l'on considère le mouvement d'un coin supérieur 45 de la masse 19, il apparaît sur ce dessin que, sous 1'effet de cette rotation, la partie

haute des masses, et notament le point 45, est animée d'une part d'un mouvement de translation perpendiculaire à l'axe 6, et d'autre part d'un mouvement de translation 50 parallèle audit axe 6, mais d'amplitude beaucoup plus réduite.

Toujours dans le but d'améliorer les performances en ajustant au mieux les raideurs et les masses, il est possible de prolonger les ouvertures 43, pratiquées dans la paroi 11 du cylindre vibrant 1, sur le fond 14 en direction du pied 25. La figure 7 présente en vue de côté figure 7a et en vue de dessus, figure 7b, un corps d'épreuve réalisé de cette façon. Les ouvertures 43 sont prolongées par des saignées 46, de préférence radiale, sur le fond 14. Ces saignées 46 sont de préférence rétrécies vers le centre et les masses 19 sont ainsi reliées au centre par une partie de paroi cylindrique 47 et par un secteur plan 48 perpendiculaire à ladite partie de paroi cylindrique 47, secteur plan qui comporte un rétrécissement 49 prés du centre.

Par ailleurs, les ouvertures 43 sont prolongées sur la paroi 11, entre les masses 19, en direction de l'extrémité 12 du cylindre vibrant 1 de sorte que la partie restante de ladite paroi 11 entre lesdites masses 19 soit sensiblement réduite et constitue un pont élastique 79 entre ces masses.

Du fait du rétrécissement 49 et de l'allongement vers l'extrémité 12 des ouvertures 43, la partie la plus souple de la liaison entre les masses et le centre se trouve précisément à l'endroit de ce rétrécissement 49. Ainsi que le montre la figure 8, le point d'articulation 44 du mouvement des masses 19, qui se trouve sensiblement à cet endroit le plus souple, est donc beaucoup plus prés de l'axe 6 que celui de la variante précédente de la figure 6. La figure 8 montre également le déplacement des masses 19 dans la configuration de la figure 7.

Il apparaît que le mouvement 50 de translation, parallèle à l'axe 6, du coin 45 est beaucoup plus important et qu'il peut également tre utilisé pour réaliser l'excitation et la détection des vibrations avec un système d'excitation-détection

ayant une interface plane avec l'élément vibrant, interface constitué par les entrefers 29, ainsi que le montre la figure 9. Dans cette configuration, la forme des ponts élastiques 79 est déterminée de façon à harmoniser les différentes raideurs et à éviter de créer des fréquences de résonnances parasites trop proches de la fréquence nominale du corps d'épreuve.

La figure 9 montre donc, en vue en coupe, un premier exemple de gyroscope utilisant ce mouvement de translation parallèle à l'axe 6 avec un système d'excitation-détection électromagnétique ayant avec l'élément vibrant une interface 83, de révolution, centrée sur l'axe 6 et de préférence plane.

Les masses 19, ayant une section perpendiculaire à l'axe 6 importante, peuvent tre réalisées avec une extrémité ou face 51, située du côté de la partie ouverte 12 du cylindre vibrant, plane et donc utilisable avec un électroaimant simple, les faces 51 de chacune des masses 19 étant sensiblement coplanaires.

L'ensemble d'excitation détection comprend alors au moins deux, mais de préférence huit électroaimants 52 fixés sur le support 7 et dont les noyaux magnétiques 53 ont chacun une extrémité plane 54. Les dites extrémités planes 54 sont coplanaires entre elles et placées chacune en regard d'une extrémité plane 51 de l'une des masses 19 avec un entrefer 29 aussi réduit que possible, les entrefers 29 formant l'interface 83.

A noter que l'interface 83 pourrait tre légèrement conique ou encore sphérique, ou plus généralement avoir une forme non totalement plane, sans sortir du cadre de l'invention.

Pour tre plus efficaces en réduisant les pertes, chacun des électroaimants peut comprendre ainsi que le montre la figure 10, deux noyaux courts 53, d'axes sensiblement parallèles à l'axe 6, chaque noyau étant de préférence placé à égale distance dudit axe 6, lesdits noyaux étant reliés entre eux, de préférence deux par deux, par une armature magnétique 55 fixée

sur le support 7, en regard de la face plane 51 des masses 19.

Un bobinage 56 est placé autour de chacun de ces noyaux 53.

Pour diminuer encore les pertes magnétiques, une plaque 57 de matériau magnétique à faible perte, ayant de préférence la mme surface que la section des masses 19, est fixée sur chaque face plane 51 desdites masses et vient refermer, au travers de l'entrefer 29, un circuit magnétique constitué d'une paire de noyaux 53 et de leur armature 55. La face extérieure de la plaque de matériau magnétique constitue alors la face plane 51.

Dans cette configuration, ainsi que dans la configuration de la figure 4, le gyroscope peut utiliser avantageusement la technique de multiplexage décrite dans la demande de brevet français n°97/12129. Il peut indifféremment tre utilisé en gyroscope ou en gyromètre.

Le cylindre vibrant de la figure 7 se prte également bien à l'utilisation d'un système d'excitation détection électrostatique à interface plane, ainsi que le montre la figure 11 qui présente un gyroscope équipé d'un tel système. Ce système comporte une couronne isolante 58 fixée sur le support 7, en regard des faces planes 51 des masses 19. Sur cette couronne, au moins deux et de préférence huit électrodes 59 sont fixées, chaque électrode étant placées en regard de l'une des faces 51 desdites masses 19.

Le cylindre vibrant est positionné sur le support de telle sorte que 1'entrefer 29 entre les électrodes et les faces 51, constituant l'interface 83, soit le plus réduit possible.

Cette dernière variante utilise de préférence une électronique multiplexée dont le principe est présenté sur le schéma de la figure 12 et qui évite tout problème de diaphonie entre les signaux d'excitation et les signaux de détection.

Dans cette solution, les électrodes 59 sont tour à tour utilisées pour exciter, puis pour détecter les vibrations de chacune des masses, sachant qu'il est également possible de

spécialiser une partie des électrodes pour la détection et d'utiliser les autres pour l'excitation.

Les électrodes sont reliées par paires, les électrodes d'une mme paire étant placées symétriquement par rapport à l'axe 6.

Les faces 51 des masses 19 électriquement reliées entre elles, forment une contre électrode 77 alimenté par un circuit 78.

Chacune des paires d'électrode est reliée à un inverseur 79, 80,81 et commandé par un séquenceur 60. Lorsque les inverseurs sont dans une position B, le système fonctionne en mode détection. Lorsque ils sont dans une position C, il fonctionne en mode excitation.

En mode détection, les signaux issus des paires d'électrodes respectivement 61,65 et 63,67 d'une part, 62,61 et 64,68 d'autre part, sont envoyés, par l'intermédiaire de deux amplificateurs différentiels, respectivement 69 et 70, à un circuit de calcul 71 qui élabore, sur quatre sorties respectivement, 73,74 et 75,76, quatre tensions d'excitation, en opposition de phase deux à deux, et qui sont envoyées aux paires d'électrodes par l'intermédiaire des inverseurs lorsque ceux-ci passent en position excitation C.

Le circuit de calcul 71 élabore la fréquence d'excitation de telle sorte que celle-ci corresponde à la fréquence de résonance des masses du cylindre vibrant.

Le circuit 71, élabore une information de sortie 72 qui représente la rotation f Q. dt du gyroscope.

Le séquenceur 60 est synchronisé par la fréquence d'excitation à l'aide d'un signal issu du circuit de calcul 71.

Le circuit de calcul apporte également les corrections nécessaires aux erreurs induites par les écarts de résonnance

résiduels existant entre les deux modes de vibration situés à 45° l'un de l'autre.

Dans un mode d'utilisation en gyromètre, le circuit de calcul asservit la vibration des masses situées en regard des électrodes, 62,66 et 64,68, à tre nulle, aussi bien en phase qu'en quadrature et compense ainsi les écarts de resonnance.

La fréquence de fonctionnement du séquenceur 60 est un sous multiple de la fréquence propre du cylindre vibrant 1. Le rapport cyclique de la commutation entre le temps de d'excitation et le temps de détection peut tre de 1/1. Il peut également avantageusement tre de 1/2,1/3,1/4 ou plus faible encore, ceci en fonction de la surtension dudit cylindre vibrant. Les commutations de la fonction excitation à la fonction détection sont effectuées de préférence au moment du passage par zéro de la tension sur les électrodes 61 à 68. Les commutations de la fonction détection à la fonction excitation sont effectuées de préférence au moment du passage par zéro de la sinusoïde de commande de tension dans lesdites électrodes.

Pour obtenir une meilleure répartition des divers modes de résonnance de l'élément vibrant, il est possible de remplacer tout ou partie de la paroi cylindrique 11 et du fond 14 du cylindre vibrant par une surface courbe et d'appliquer à ce nouvel élément toutes les dispositions et améliorations décrites ci-dessus, ce nouvel élément vibrant ayant alors, par exemple, une forme hémisphérique, ellipsoïdale, parabolique etc. sans sortir du cadre de l'invention.

Enfin l'utilisation de masses additionnelles peut encore s'appliquer à un élément vibrant de forme annulaire sans sortir du cadre de l'invention.