Brevet FR2216655A1 — publié le 19740830

La présente invention concerne le domaine de l'lectrotechni- que et de l'automation photo-électrique, et plus précisément, les appareils à photorésistance sensibles, à la position utilisés com- me dispositifs sans contactes analogues aux potentiomètres et aux rhéostats électromécaniques ainsi que comme capteurs de position de sources de lumière dans les systèmes d'asservissement optiques. Actuellement dans de nombreux systèmes de mesures et de calcul et dans les dispositifs de contrôle automatique et de régula- tion, on utilise largement des convertisseurs de tension ou généra~ teurs de fonction, c'est à dire des dispositifs dont la tension de sortie varie selon une loi déterminée. Ces générateurs de fonction classiques sont des potentiomètres électromécaniques à couche mince ou bobinés et à élément résistant profilé.Cependant la présence d'un contact diélectrique à frottement, propre à ces appareils soulé vo de sérieuses difficultés lorsqu'il s'agit de résoudre les pro blèmes concernant l'augmentation de la durée de vie et l'améliora- tion de la fiabilitd et de la protection contre les bruits. L'yin convénient indiqué se fait particulièrement ressentir dans les sys thèmes de mesure et les systèmes électroniques à composants multi plues. Très souvent la durée de vie des potentiomètres ddtermine la durée de fonctionnement sans panne du systèmedans son ensemble La présence d'éléments possédant des contacts électriques à frottement, devient particulièrement indsirable.lorsqu'on doit résoudre des problèmes de microminiaturisation des appareils de commande. A présent il est impossible d'obtenir une microminiaturisation efficace quelconque des générateurs de fonction électro~ mécaniques en utilisant les procédés classiques, car la microminiaturisation est limitée par la résistance mécanique des éléments constitutifs des appareils.C'est pourquoi il parait particulièrement important d'envisager de nouveaux principes pour la rdalisa- tion de générateurs de fonction, ne comportant pas de contacts d- lectriques à frottement0 Le développement intense de-ltoptique électronique, caractérisant ltétape présente du progrès scientifique et technique permet de résoudre le problème posé. La particularité des générateurs de fonction optico-électroniques réside dans l'absence de contact à frottement ce qui élimine les limitations en ce qui concerne la microminiaturisation des potentiomètres électromécaniques.Le principe de ltopto-électronique se trouvant à la base du fonctionnement des générateurs de fonction opto-électroniques permet non seulement d'augmenter la durée de service des appareils, d'améliorer leur fiabilité et leur protection contre les bruits, mais également de réaliser en principe de nouvelles méthodes de transformation de fonction. La présence dans les générateurs de fonction opto-électroniques d'une couche de matériau photoconducteur permet d'utiliser ces appareils pour un usage nouveau, en particulier en qualité de capteurs de position dans des systèmes d'asservissement optiques. Ces appareils possèdent une sensibilit élevée au déplacement d'une source de lumière, un niveau élevé du signale sortie, n'exigeant pas une amplification consécutive et, ce qui est particulièrement important lors de la mise au point d'un capteur, on peut déterminer d'avance la loi de variation de la tension de sortie. On connaît des appareils à photorésistance sensibles à la position comportant une couche résistante répartie et une électrode équipotentielle, entre lesquelles se trouve une couche photoconductrice, utilisant une sonde limineuse mobile éclairant une zone de la couche photoconductrice. Ainsi, dans ces appareils, un contact à frottement est remplacé par un contact photoélectrique, ce qui permet d'améliorer leur fiabilité et d'augmenter la durée de service.Cependant, du fait que la résistance de la couche photoconductrice, qui est un élément constitutif indispensable, est une fonction de l'éclairement et de la température, la variation de ces paramètres entrain e une variation importante de la tension de sor tie. Alors, on ne satisfait pas à l'exigence principale relative aux appareils à photo-résistance sensibles à la position, c'est à dire la stabilité de la tension de sortie lors des variation d'in tensité de la sonda lumineuse et de la température ambiante et une haute sensibilité par rapport aux déplacements relatifs de la source lumineuse. Afin d'éliminer l'influence des variations d'intensité de la sonde lumineuse d'excitation sur le fonctionnement des appareils à photo-résistance sensibles à la position, on utilise des circuits de compensation dans lesquels un signal provenant de l'appareil à photorésistance sensible à la position portant l'information concernant la position de la source de lumière, est comparé avec un signal provenant d'un photorécepteur supplémentaire, insensible à la position mais réagissant à la variation de l'intensité de la sonde lumineuse de la source de lumière irradiante asservie.Cependant, il reste à résoudre les problèmes concernant la stabilisation de la tension de sortie par rapport à la température et dans le temps. Une autre solution du problème de l'amélioration de la stabilité des appareils à photorésistance sensibles à la position con siste à insérer un photorécepteur supplémentaire procurant une information sur la modification de l'intensité lumineuse de la source de lumière, dans un circuit de réaction réglant l'intensité du courant passant par la source de lumières Cette méthode. de stabilisation de la tension de sortie des appareils à photorésistance sensibles à la position n'est utilisable que lorsqu'on a la possibilité de régler l'intensité lumineuse de la source de lumière.Dans cecas, de meme que dans celui indiqué plus haut, il n'y a pas de stabilisation de la tension de sortie en fonction de la température et dans le temps. Tous les appareils des types considérés utilisent des photocapteurs supplémentaires et des dispositifs comparateurs spéciaux pour élaborer un signal différentiel d'erreur, ce qui est contraire aux exigences de la simplification du schéma et constitue l'inconvénient des appareils connus à photorésistance sensibles ài la position. Le but de l'invention est de supprimer les inconvénients cités. La présente invention a pour problème la mise au point d'un appareil à photorésistance sensible à la position, dans lequel on atteint un effet de stabilisation de la tension de sortie sans avoir recours- à des photocapteurs supplémentaires et à des dispositifs extérieurs pour la comparaison et l'élaboration d'un signal d'erreur, et qui assure une meilleure stabilité de sa tension de sortie vis à vis de la variation de l'intensité d'éclairement et de la largeur de la zOne éclairée, de la variation de la température ambiante, ainsi qu'une amélioration-de la stabilité dans le temps de la tension de- sortie. Ce problème est résolu par le fait, qu.'un appareil à photorésistance sensible à la position, comportant une couche résistante répartie et une électrode équipotentielle, entre lesquelles se trouve une couche photoconductrice, utilisant une sonde lumineuse mobile éclairant une zone de la couche photoconductricé, est caractérisé selon l'invention, en ce qu'il comprend une électrode sup plémentaire disposée parallèlement à l'lectrode équipotentielle, et en ce que entre les électrodes suppléwentaire et équipotentielle se trouve une couche supplémentaire de matériau photoconducteur, dont la résistance dans le domaine éclairé par la sonde mobile sert de résistance de sortie de charge.Il est avantageux de réaliser la couche résistante répartie avec une résistance très inférieure à celle de la couche photoconductrice éclairée, résistance qui est rapportée à un carré de la surface, et de faire varier selon une loi prédéterminée, la largeur de la couche photoconductrice entre la couche résistante répartie et l'électrode équipotentielle. Il est avantageux de rendre transparente l'électrode équipotentielle et de placer sur le trajet de la sonde lumineuse un masque d'ombre comportant deux portions transparentes, la configuration de l'une de celles-ci étant déterminée par la loi de variation de la tension de sortie, tandis que l'autre est une fente rectangulaire disposée de telle manière que la couche supplémentaire du matériau photoconducteur, dont la résistance sert de résistance de charge de sortie, soit éclairée à travers cette fente. Les essais de l'appareil à photorésistance sensible à la position proposé ont démontré, que la tension de sortie, lorsque la sonde de lumière reste immobile, varie de moins de 146 pour des variations de l'intensité d'éclairement par la sonde lumineuse dans des limites allant de 200 à 5000 lux, de la largeur de la sonde lumineuse de 0,2 à 4,0 mm et de la température du milieu ambiant de -85 à +800C. La stabilité dans le temps de la tension de sortie est augmentée de plus de trois foie.La vitesse maximale admissible de déplacement de la sonde lumineuse est accrue d'non ordre de grandeuro Autre part, on maintient la valeur élevée du pouvoir de résolution de l'appareil, qui est de l'ordre de 5 microns, et on atteint une dynamique élevée en tension de 90 à 95%. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparat- tront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple la Fig. 1 représente une vue en coupe transverssale d'un appareil à photorésistance sensible à la position la Figure 2. représente une vue en coupe schématique de l'appareil à photorésistance sensible à la position la Figure 3. représente une vue en coupe enhématique d'une autre variante de l'appareil à photorésistance sensible à la position la Figure 4. représente une vue en coupe d'une troisième variante de l'appareil à photorésistance sensible à la position ; la Figure 5. représente une courbe de la tension de sortie en fonction de l'intensité d'éclairement par la sonde lumineuse mobile. L'appareil à photorésistance sensible à la position comporte un support en matériau diélectrique 1 ( Fig. 1 ), sur lequel se trouve une couche résistante répartie 2, munie de deux électrodes 3, à l'aide desquelles on applique à la couche résistante répartie 3 une tension V1 à partir d'une source extérieure ( non représentée sur le dessin ). La couche résistante répartie 2 se trouve en contact avec une couche photoconductrice 4, munie du caté opposé d'une électrode équipotentielle 5. Entre ltélectrods équipotentielle 5 et une électrode supplémentaire 6 se trouve une couche photoconductrice 7 supplémentaire, dont une zone, éclairée par une sonde lumineuse mobile 8, constitue-la résistance de sortie de la charge. La première variante- de l'appareil à photorésistance sensible à la position est représentée sur la Figure 2. L'appareil comporte une couche photoconductrice 9 portée sur un support en matériau diélectrique 10, une couche résistive répartie il et une électrode équipotentielle 12. Parallèlement à l'électrode équipotentielle 12 se trouve disposée une électrode supplémentaire 13, et entre elles est située une couche supplémentaire 14 en matériau photoconducteur dont une zone, éclairée par une sonde lumineuse mobile 15, sert de résistance de sortie de charge. La couche résistante répartie 11 est réalisée en un matériau assurant une résistance totale de celle-ci sensiblement inférieure à la résistance de la zone éclairée de la couche photoconductrice 9 rapportée au carré de la surface. La distance entre la couche résistante répartie 11 et l'électrode équipotentielle 12 varie le long de l'appareil selon une loi assignée0 La deuxième variante de l'appareil à photorésistance sensible à la position est représentée sur la Figure 3. L'appareil comporte un support diélectrique 16 sur lequel sont disposées successivement une couche résistante répartie 17,une couche de matériau photoconducteur 18, une électrode équipotentielle transparente 19 et une électrode supplémentaire 20 transparente.La couche résistante répartie 17 est réalisée en un matériau assurant une valeur de sa résistance totale sensiblement inférieure à la résistance de la zone éclairée de la couche en matériau photoconducteur 18 rapportée au carré de la surface. Sur le trajet d'une sonde lumineuse 21 se trouve un masque d'ombre 22 possèdan* deux parties transparentes 23 et 24.La partie transparente-24 possède une configuration qui est dé terminée par une loi assignée de variation de la tension de sortie V2 (x) e La partie transparente 23 du masque d'ombre 22 a la forme d'une fente rectangulaire, dont les dimensions géométriques sont déterminées par la valeur nécessaire de la résistance de charge, dont le rôle pour la variante donnée de l'appareil à photorésistan ce sensible à la position est rempli par la couche de matériau photoconducteur supplémentaire, éclairée par la sonde lumineuse mobile 21 qui se trouve entre l'électrode transparente supplémentaire 20 et la couche résistante répartie 17. La troisième variante de l'appareil à photorésistance sensible à la position est représentée sur la Figure 4. L'appareil comporte une couche 26 de matériau photoconducteur qui se trouve sur un support 27 en matériau diélectrique. La couche 26 en matériau photoconducteur se situe entre une électrode équipotentielle 28, une couche résistante 29 et une électrode supplémentaire 30. Comme il a été indiqué auparavant, dans les variantes décrites plus haut de l'appareil à photorésistance sensible à la position, la résistance de la couche résistante répartie 29 est beaucoup plus faible que la résistance d'une zone éclairée de la couche 26 en matériau photoconducteur rapportée au carré de la surface. Une sonde lumineuse étroite 31 est formée à l'aide d'une source de lumière 32 et un collimateur (non représenté sur le dessin).Sur le trajet de la sonde lumineuse 31 est placé un masque d'ombre 33 avec deux parties transparentes 34 et 35. La forme de la partie transparente 34 est déterminée par une loi assignée de variation de la tension de sortie V2 (x). La partie transparente 35 du masque d'ombre 33 est une fente rectangulaire, dont la largeur est déterminée par la valeur nécessaire de la résistance de la charge, dont le rôle est rempli par la zone éclairée de la couche 26 en matériau photoconducteur se situant entre l'électrode équipotentielle 28 et l'électrode supplé- mentaire 30. Sur le Figure 5 sont représentées les courbes de tension de sortie en fonction de l'éclairement de la zone éclairée par la sonde lumineuse mobile pour 1'appareil à photorésistance sensible à la position selon l'invention (courbe 36) et pour l'appareil connu (courbe 37). L'appareil selon l'invention à photorésistance sensible à la position fonctionne de la façon suivante. Une source de tension extérieure (non représentée sur le dessin) crée sur la couche résistante 2 (Fig. 1) une répartition de potentiel qui est ddtermi- née par la forme de la couche résistante répartie 2 La couche résistante répartie 2 a une forme rectangulaire et de ce fait le potentiel est réparti selon une loi linéaire, ce qui assure une loi linéaire de variation de la tension de sortie V2 (x). Si la loi de de variation de la- tension de sortie V2 (x) doit différer de la loi linéaire, la couche résistante répartie .2 doit avoir une largeur variable obtenue en utilisant les méthodes connues.La couche de matériau photoconducteur 4 dans les zones obscures de l'appareil possède une résistance élevée et isole de façon store la couche ré sistante répartie 2 par rapport à 1'électrode équipotentielle 5. Dans la zone éclairée par la sonde lumineuse 8, la résistance de la couche 4 en matériau- photoconducteur diminue fortement, ce qui per net au courant de passer de la couche résistante répartie 2 vers l'électrode équipotentielle 5 et, à travers la zone éclairée de la ouche supplémentaire 7 en matériau photoconducteur se situant en l'électrode équipotentielle 5 et l'électrode supplémentaire 6, vers la masse. Alors, sur la zone éclairée de la couche supplémentaire 7 est créée une chute de tension V2 (X), qui représente la tension de sortie de l'appareil à photorésistance sensible à la position.Lors du déplacement de la sonde lumineuse 8 le long de l'appareil & pho torésistance sensible à-la position, l'électrode équipotentielle 5 se trouve raccordée à des points de la couche résistante répartie 2 possédant des potentiels différents. Ceci provoque la variation de l'intensité du courant passant par la zone éclairée de la couche supplémentaire 7 et par conséquent, la variation de l'amplitude de la tension de sortie Y2 (z). La tension de sortie de l'appareil à photorésistance sensible à la position en cas de réalisation des conditions Ri Ro éclairées; et obscures de la couche 4 en matériau photoconducteur, respectivement r Ro étant la valeur de résistance de la couche ré sistante répartie 2 t RH étant la valeur de résistance (de charge) est donnée par l'expression suivante z 1 V2 (z) = V1 L 1 + R# RH où x est la position du centre de la zone éclairée par la sonde lu mineuse et L la longueur de l'appareil à photorésistance sensible à la position. Cette expression met en évidence, que lorsque la valeur de la résistance de charge s reste constante, la modification de la résistance de la zone éclairée R de la couche en matériau photoconducteur 4, ce qui a lieu lors de la variation de la température am brante et de l'intensité d'éclairement par la sonde lumineuse 8, provoque la variation de l'amplitude de la tension de sortie V2 (x)o Dans l'appareil proposé, on utilise comme résistance de charge la zone éclairée de la couche supplémentaire 7 qui présente les mêmes caractéristiques de courant en fonction, possèdant des caractéristiques de l'éclairement lu-amp8res) de température et de temps que celles de la couche 4.On obtient cet effet en déposant les couches 4 et 7 en une seule opération technologique. Du fait de la similitude des caractéristiques des couches 4 et 7, le rapport (x), reste cons-tant dans une large gamme de variations de l'intensité d'éclairement par la sonde lumineuse 8, de sa largeur et de la tem pérature ambiante. L'appareil à photorésistance sensible à la position représen- td sur la Figure 2 fonctionne de la façon suivante. Le courant électrique provenant d'une source extérieure de tension V1 passe- par la couche résistante répartié 11 à basse résistivité, par la zone limitée de la couche 9-en matériau photoconducteur éclairée par la sonde mobile lumineuse 15, cette couche 14 se situant entre l'élec- trode équipotentielle 12 et l'électrode supplémentaire 13, et passe de là à la masse. Alors, sur la résistance de la zone éclairée de la couche supplémentaire 14 placée entre l'électrode équipotentielle 12 et lté- lectrode supplémentaire 13, est dégagée une tension V2 (z) qui constitue la tension de sortie de l'appareil. Du fait de la valeur élevée de la résistance des zones obscu- res des couches 9 et 14 le courant ne passe pratiquement pas par celles-ciO L'intensité du courant passant par appareil à photorésistance sensible à la position dépend des valeurs de la résistance des zones éclairées; des couches 9 et 14 se situant entre la couche résistante répartie il et l'électrode équipotentielle 12 et également entre l'électrode équipotentielle 12 et l'électrode supplémentaire 13. Vu que la largeur de la couche 9 se situant entre la couche résistante répartie 71 et l'électrode équipotentielle 12 est variable, lors du déplacement de la sonde lumineuse 15 le long de l'appareil (la direction du déplacement de la sonde est indiquée sur la Figure 2 par des flêches) les zones de la couche en matériau photoconducteur 9 sont éclairées par la sonde lumineuse 15 et branchées ainsi entre la couche résistante répartie 11 et l'électrode équipotentielle 12, ces zones ayant ainsi des longueurs différentes et, partant, des résistances différentes.Ceci provoque la variation de l'intensité da courant passant par l'appareil à photerésis- tance sensible à la position ce qui entraîne la variation de la tension de sortie V2 (x)* La tension de sortie, lorsque R # R0 est exprimée par la relation suivante t Vi V2 (x) = - 1 + R#(x) RH sou t R + (x) et RH sont les résistances des zones éclairées par la sonde lumineuse mobile 15 des couches 9 et 14, zones qui se trouvent entre la couche résistante répartie 11 et l'électrode équipe tentielle 12 et entre l'électrode équipotentielle 12 et l'électro- de supplémentaire 130 Vu que les résistances de valeurs R #(x) et RH possèdent des caractéristiques identiques de courant en fonc- tion de l'éclairement (lux-aapères), de température et de temps, la variation de l'éclairement, de la largeur de la sonde lumineuse 15 et de la température ambiante n'influent pas la variation de l'amplitude de la tension de sortie V2 (z) et l'appareil à photorésistance sensible à la position présente donc toujours une sensi bilié élevée aux déplacements de la sonde lumineuse 15. REVENDICATIONS. ?. Appareil à photorésistance sensible a la position comportant une couche résistante répartie et une électrode équipotentiel le, entre lesquelles se trouve une couche photoconductrice et une sonde lumineuse mobile éclairant une zone de la couche photoconductrice, caractérisé en ce qu'il comprend une électrode supplémentaire, disposée parallèlement à l'électrode équipotentielle et en ce qu'entre les électrodes supplémentaires et équipotentielles se trouve une couche supplémentaire en matériau photoconducteur dont la résistance dans la zone éclairée par la sonde lumineuse mobile sert de résistance de sortie de charge. 2. Appareil à photorésistance sensible à la position selon la la revendication 1, caractérisé en ce que ltélectrode équipotentielle est transparente et en ce que sur le trajet de la sonde lumineuse mobile se trouve un masque d'ombre ayant deux régions transparentes, la forme géométrique de l'une de ces régions étant ddter- minée par la loi de variation de la tension de sortie, tandis que la forme géométrique de l'autre région est celle d'une fente rectangulaire disposée de manière que la couche supplémentaire en ma- tériau photoconducteur dont la résistance sert de résistance de sortie de charge, soit éclairée à travers elle.