Brevet FR2385087A1 — publié le 19781020

La présente invention se rapporte d'une façon générale à la mesure des masses et concerne plus particulièrement un dispositif de pesée comportant un dispositif optique à moire, et un dispositif de lecture pour la détection de la déviation de l'échelle. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 3 861 480 décrit un dispositif automatique de traitement à grande vitesse du courrier, destiné à classer et à imprimer des affranchissements sur de grandes quantités de courrier mélangé. Le dispositif comporte un appareil de lecture optique qui détecte la déviation de la tare lorsqu'il supporte un élément de courrier, pour la détermination de l'affranchissement qui doit lui être appliqué. Cet appareil antérieur comporte un groupe de photodétecteurs multiples à l'extrémité d'un trajet lumineux. Un obturateur, supporté par la tare, interrompt progressivement le trajet lumineux vers des photodétecteurs successifs du groupe. Un signal indiquant le nombre des photodétecteurs qui restent dans le trajet de la lumière, et par conséquent la déviation de la tare, est produit et utilisé pour déterminer l'affranchissement qui doit être imprimé sur l'élément de courrier. L'utilisation de cet appareil de lecture optique présente plusieurs inconvénients. Par exemple, de nombreux photodétecteurs sont nécessaires pour fournir des signaux indicatifs de poids dans une large plage de poids, la quantité de photodétecteurs augmentant avec la capacité de l'appareil ; en outre, le point de transition particulier où chaque photodétecteur change d'état, par exemple de l'état conducteur à l'état bloqué, doit être réglé individuellement pour les incréments successifs des poids à affranchir. Ces points de transition ou de changement d'état sont extrêmement critiques et les tolérances requises font que le réglage final est long et difficile. Un autre inconvénient résulte du trajet de projection relativement grand, par exemple de 45 à 60 cm, nécessaire pour obtenir le grandissement optique voulu. Il résulte de ce long trajet de projection et des points critiques de changement d'état, que la précision des lectures est très sensible aux vibrations et autres conditions ambiantes. Le brevet des Etats-Unis d'bmérique nO 3 528 517 décrit un dispositif de détection optique d'un type similaire, destiné à la détermination des poids, dans lequel un tableau codé est déplacé par un levier sensible à la charge, les marquages codés du tableau étant projetés sur un groupe de cellules photoélectriques. Parmi les inconvénients de ce dispositif, il faut citer les nombreuses cellules photoélectriques nécessaires pour la détermination des poids, le point de transition de chaque cellule étant critique. Le brevet des Etats-Unis d'kmérique nO 3 826 318 décrit une grille fixe et une grille mobile, en alignement optique. La grille mobile remplit la fonction d'obturateur interrompant successivement un faisceau lumineux par ses barreaux. Des signaux électriques sont produits par les impulsions lumineuses successives et sont traités de manière à produire un signal indicatif de poids. Un inconvénient sérieux de ce dispositif optique à grille obturatrice est qu'il est pratiquement impossible de détecter de petits déplacements (inférieurs à l'écartement entre les barreaux successifs des grilles). L'utilisation de dispositifs de controle optique mettant en oeuvre des distributions de franges en moire a été proposée pour la mesure et le contrôle sur des machines-outils. D'une façon générale, des dispositifs de mesure tels que ceux décrits dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique no 2 886 717, nO 2 886 718, nO 2 861 345 et nO 3 154 688 ont été conçus pour l'utilisation sur des machines-outils, telles que des fraiseuses, pour mesurer le mouvement de la table de la machine par rapport à son bats. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 3 755 682 décrit un autre dispositif de détection de position utilisant des distributions de franges en moire. Ce dispositif impose au minimum huit cellules photoélectriques. Les signaux de sortie de ces cellules sont sélectionnés dans un ordre cyclique par des impulsions d'analyse, de manière à produire un signal composite de sortie qui est comparé avec un signal de référence. Les nombreuses cellules photoélectriques ajoutent à la complexité et au prix, tout en augmentant les risques de mauvais fonctionnement. Les brevets des Etats-Unis d'Amérique nO 3 713 139 et nO 3 708 681 décrivent des dispositifs optiques à moire destinés à déterminer un déplacement, et sont représentatifs de l'un des inconvénients des techniques antérieures de mesure de dd- placement par moire. Plusieurs photodétecteurs en bande sont utilisés, chacun d'une longueur voisine de la largeur du réseau d'index. Pour synchroniser l'écartement des photodétecteurs avec le bas des franges, l'angle d'inclinaison entre les réseaux est réglé de manière à modifier le pas des franges.Malheureusement, une très petite variation de l'angle d'inclinaison produit un changement substantiel du pas des franges et un réglage difficile et précis de l'angle d'inclinaison est nécessaire pour coordonner correctement la disposition des fran- ges avec ltécartement des photodétecteurs. En résumé, l'invention concerne donc une balance comportant un dispositif optique destiné à détecter la déviation de la tare, en produisant une distribution de franges en moire et en dépla çant cette distribution sous la forme d'une fonction directe amplifiée de la déviation de la tare. Les franges sont produites par la modulation d'un faisceau lumineux qui traverse deux réseaux de raies parallèles. Quand la tare de la balance se déplace sous l'effet d'une charge, la déviation associée de l'un des réseaux produit un mouvement séquentiel de franges ou de bandes en moire successives sur un ensemble de paires do photodétecteurs. Un réglage grossier de la synchronisation entre les paires de photodétecteurs et les franges est obtenu on ré- glant l'angle d'inclinaison entre les réseaux.Un réglage pré- cis est obtenu en changeant l'écartement effectii des photodétecteurs de l'ensemble, par rapport aux franges. Une charge d'un poids donné produit une déviation donnée de la tare et le mouvement linéaire résultant d'un nombre donné de franges devant une référence, par exemple un photodétecteur, produit un nombre donné d'impulsions successives indiquant un poids, et convenant pour le traitement et l'utilisation ultérieurs. Ilapparait inc que invention concerne une balance avec un dispositif de détection optique du caractère général décrit ci-dessus, mais ne présentant pas les inconvénients des dispositifs antérieurs. L'invention concerne également une balance comprenant un dispositif de détection opto-électronique du type général décrit ci-dessus, qui est économique, simple à construire et qui convient pour une détermination rapide, encore que précise, des poids. L'invention concerne aussi une balance dans laquelle est incorporé un dispositif optique à moire produisant une distribution de franges d'interférences et un dispositif photodétecteur qui détecte le mouvement des franges, produit par une charge appliquée à la balance. L'invention concerne aussi une balance comportant un dispositif de détection optique du type général décrit ci-dessus, nécessitant un nombre minimal de photodétecteurs, quelle que soit la plage des charges à peser. L'invention concerne également un dispositif de détection optique du caractère général décrit ci-dessus, détectant la déviation de la tare par le mouvement d'une distribution de franges amplifiée, projetéesdirectement sur un trajet optique relativement court. L'invention concerne enfin une balance comportant un dispositif de détection optique du caractère général décrit cidessus, avec un réglage précis de positionnement entre l1écar- tement de déphasage des franges et l'écartement des photodétecteurs, obtenu en modifiant la distance effective entre les photodétecteurs. D'autres caractéristiques et avantages de l'intention apparattront au cours de la description qui va suivre. Aux desins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple nullement limitatif La fig. I est une coupe transversale d'une balance selon l'invention dont les parties non concernées sont supprimées pour simplifier, et montre un appareil qui détecte optiquement l'application d'une charge sur le plateau de la balance et qui produit des signaux indicatifs de poids susceptiblesde commander un dispositif d'affichage ou autre, La fig. 2 est une vue de face à plus grande échelle de l'appareil de détection et montre le transducteur optique-électrique monté de manière à se déplacer verticalement avec le plateau de la balance, La fig. 3 est une coupe du transducteur suivant la ligne 3-3 de la fig. 2, et montre une lampe d'éclairage et une lentille condenseur produisant un faisceau lumineux à travers deux réseaux parallèles sur des subtrats transparents, l'un de ces réseaux étant fixe et l'autre étant monté sur le transducteur pour se déplacer avec lui, La fig. 4 est une vue en élévation arrière à plus grande échelle de l'appareil de détection et montre une gouttière verticale dans laquelle le réseau fixe est serré, La fig. 5 est une vue schématique à grande échelle montrant la distribution des franges en moire projetées sur un ensemble de photodétecteurs montés sur un disque tournant du transducteur, et La fig. 6 est une vue partielle en perspective du support des photodétecteurs. Sur les dessins, qui représentent un exemple de réalisation de l'invention, la référence numérique 10 désigne globalement une balance comportant un détecteur optique 12 réalisé selon l'invention. A l'exception près des points qui seront indiqués ci-après, la balance 10 est d'un type courant en ce qui concerne sa réalisation et son fonctionnement des éléments essentiels et, à titre d'exemple, elle est représentée sous la forme d'une balance postale du type à tambour similaire à celles construites par Pitney Bowes Inc., dans la série 3700. La balance 10 comporte un plateau 14 support de charge fixé sur un plongeur de tare 16. Le plateau est monté de manière à pouvoir se déplacer verticalement, au moyen de biellettes articulées sur le plongeur 16, et comprenant des biellettes pivotantes supérieure et inférieure 18 et 20, parallèles entre elles.Il faut noter que la balance 10 est réalisée de manière que le plateau 14 se déplace d'un mouvement linéaire dans toute sa plage de déplacement, sous l'effet de différents poids placés sur ce plateau. Selon l'invention, un détecteur optique 12 est positionné dans le boîtier de la balance et il est interconnecté entre le bâti principal et la tare, de manière à etre commandé mécaniquement par le mouvement de cette dernière et à détecter ainsi le déplacement du plateau 14 sous l'effet d'une charge placée sur lui. Le détecteur optique 12 selon l'invention peut s'appliquer virtuellement à toutes les balances dans lesquelles la détection d'un poids est effectuée par la mesure du déplacement de la tare. L'invention utilise le mouvement de franges en moire pour la détection et la mesure du poids de la charge. A cet effet, deux réseaux à raies parallèles sont disposés sur des substrats transparents ; la réalisation et la nature de chacun de ces substrats et des réseaux associés sont bien connues dans la tech nique de l'optique. T L'un des-réseaux 22 est monté fixe sur le bâti principal de la balance et l'autre réseau 40 est supporté par la tare et se déplace avec elle dans un plan parallèle, très voisin du réseau fixe 22. Les raies de chaque réseau 22 et 40 peuvent comporter par exemple 800 raies Ronchi par centimètre ; mais les densités-des raies de chaque réseau peuvent varier et ne sont pas nécessairement égales.Les fig. 2, 3 et 4 montrent que le réseau fixe 22, formé sur une face plane dlune plaque du substrat transparent 23 (fig. 3), en verre par exemple, est monté dans une position verticale dans une gouttière support 24. La gouttière 24 est fixée entre des pièces de base supérieure et inférieure, 26 et 28 (fig. 1); la pièce de base inférieure 28 est fixée sur une partie du support ou du bati principal 29 de la balance (fig. 1). Un bord de la face plane du substrat 23 s'appuie contre un rebord intérieur plat de la gouttière 24, de sorte que ce substrat peut être fixé en position fixe, sans pouvoir tourner, sur le bati principal par plusieurs vis de serrage 30 (fig. 3 et 4) qui appliquent une pression contre une cale d'appui 32. Deux tiges de guidage-34 et 36 (fig. 3) verticales et parallèles sont fixées entre les pièces de base supérieure et inférieure 26 et 28 du détecteur 12, chaque tige étant parallèle au plan du substrat 23. Une unité de transducteur optiqueélectrique de moire 38 coulisse sur les tiges de guidage 34 et 36 et elle porte un boîtier constitué de deux parties 38a, 38b (fig. 3) assemblées par tout moyen approprié, par exemple les vis représentées en 38c sur la fig. 4. Le bolier de transducteur comporte deux trous verticaux et parallèles dans lesquels coulissent les tiges 34 et 36, de sorte que la trajectoire du réseau mobile 40 peut etre maintenue avec précision dans une orientation parallèle à celle du réseau fixe 22. Le boiter de transducteur comporte également un trou cylindrique 46 qui le traverse et dont l'axe est perpendiculaire au plan du réseau 22. Ce trou contient un manchon tubulaire 44 à l'extré- mité intérieure duquel est fixé un substrat 42 en forme de disque, par exemple en verre, et sur lequel est disposé le réseau 40. Dans le but de régler la distance entre les réseaux et les l'écartement entre les franges des interférences en moire, le manchon 44 est réglable dans'le trou 46, par tout moyen classique, par exemple la vis de blocage 44a, lui permettant un réglage axial et angulaire à l'intérieur du trou. Pour produire un faisceau lumineux modulé par les réseaux, le trou 46 communique avec un logement rectangulaire 46 plus grand (fig. 3 et 4) dans la section 38a du boîtier. Une lampe, désignée par 48, est montée par tout moyen approprié dans ltou- verture 49 et constitue la source de lumière pour le présent dispositif optique à moire. Une lentille condenseur 50 est fixée dans une pièce annulaire 51 (fig. 3) qui, à son tour, est fixée dans le trou 46, entre la lampe 48 et le réseau fixe 22, de manière à projeter un faisceau lumineux concentré provenant de la source 48, à travers les réseaux 22 et 40.Le manchon 44 est réglé axialement et angulairement, puis fixé en position dans le trou 46, de manière que les raies du réseau mobile 40 fassent un léger angle avec les raies du réseau fixe 22, l'interférence optique entre les deux réseaux modulant ainsi le faisceau lumineux sous forme de franges parallèles en moire, de la manière bien connue. La mise en place d'une charge sur le plateau 14 de la balance fait descendre, vue sur la fig. 1, l'unité de transducteur 38 et, par conséquent, le substrat mobile 42 avec son réseau 40. Ce mouvement de descente est produit et commandé par une tige de commande 52 fixée par tout moyen approprié, et dirigée ver- ticalement à partir de l'unité de transducteur 38 ; l'autre extrémité ou extrémité supérieure de la tige 52 est fixée par tout moyen approprié sur la face inférieure du plateau 14 afin d'en suivre le mouvement. Il faut noter que le poids de l'unité de transducteur 38 et de la tige de commande 52 constitue une condition de charge préalable de la structure de tare de la balance 10. Les raies du réseau fixe 22 étant orientées dans une position horizontale, le mouvement de descente de l'unité de transducteur 38 et par conséquent du réseau 40 produit un mouvement horizontal des franges en moire successives, orientées verticalement. Le mouvement des franges est détecté et compté, selon l'invention, de manière à produire un signal indiquant le point de la charge placée sur le plateau 14. Le mouvement des interférences en moire est détecté par plusieurs photodétecteurs 54, 56, 58, 60 (fig. 2). Ces photodétecteurs sont de type courant et sont montés sur un disque isolant 62, représenté sur la fig.6; les photodétecteurs sont écartés les uns des autres d'intervalles égaux, et sont disposés suivant une ligne droite, le long d'un axe qui coïncide avec un diamètre du disque.Le disque 62 est. monté dans l'alésage intérieur dumanchon 44, en appui contre un épaulement intérieur 63, et il est fixé dans une position réglée angulairement par rapport au manchon, au moyen d'un collier de serrage 64 qui taraude à la surface intérieure de l'extrémité extérieuzedu manchon 44. Bien que quatre photodétecteurs soient représentés, des résultats satisfaisants ont été obtenus avec deux photodétecteurs qui détectent à la fois l'amplitude et le sens du mouvement des franges en moire. Dans le but de simplifier la représentation, le disque 62 est représenté sur la fig. 3 à une distance importante de la plaque du substrat 42 mais, en pratique, ce disque est disposéaxialement près de ce substrat afin d'augmenter au maximum la résolution. Il faut remarquer que chacun des photodétecteurs 54, 56, 58 et 60 est placé de façon optimale à 90 de chaque photodétecteur voisin, cet angle étant mesuré par rapport aux interférences cycliques en moire qui se déplacent devant les photodétecteurs ;.cette relation de position est illustrée par la fig. 5 qui montre les franges 65, et sur laquelle les photodétecteurs 54, 56, 58 et 60, représentés schématiquement par des petits cercles, sont montés en ligne sur le disque 62. Comme le montre la fig. 5, quand les détecteurs 54 "voient" le centre d'une frange, les détecteurs 56 et 60 voient le ctté opposé d'autres de ces franges tandis que le détecteur 58 voit le centre d'un espace lumineux entre les franges.Les photodétecteurs 54 et 58 sont interconnectés électriquement et produisent un seul signal de sortie, tandis que les photodétecteurs 56 et 60 produisent d'une manière similaire un seul signal de sortie. Les paires interconnectées de photodétecteurs sont espacées de 900 l'une de l'autre, cet angle étant mesuré par rapport aux franges cycliques, de sorte que le signal de sortie combiné de chaque paire est en quadrature par rapport à celui de l'autre paire. Dans le but d'associer ou de synchroniser avec précision les écartements entre les photodétecteurs et les écartements entre les franges en moire, un réglage long et très précis de l'angle entre les réseaux était nécessaire jusqu'à présent pour modifier l'écartement des franges afin qu'il corresponde à celui des photodétecteurs. Cela posait des difficultés considérables car, la plupart du temps, des petits changements d'angle d'inclinaison entre les réseaux produisaient des changements disproportionnés de l'écartement entre les franges. Selon l'invention, un réglage précis pour synchroniser et associer l'é- cartement des photodétecteurs avec celui des franges est obtenu en faisant varier l'écartement effectif entre les photodétecteurs pour qu'il corresponde à l'écartement des franges.L'écartement entre les photodétecteurs peut être facilement modifié en réglant angulairement la position du disque 62 dans le manchon 44, et en bloquant le disque dans la position choisie, par serrage du collier 64. Dans le but de tirer profit de ce procédé de réglage, la dimension transversale ou diamétrale maximale de chaque photodétecteur 54, 56, 58 et 60 n'est pas supérieure à l'épaisseur d'une frange. Cette condition donne un résultat très avantageux, à savoir que,même si l'axe de l'un déterminé des photodétecteurs n'est pas exactement perpendiculaire au mouvement des franges, le réglage angulaire du disque 62 ne produit aucune lecture optique inexacte. Le réglage précis de l'écartement des photodétecteurs par rapport à l'écartement des franges sera maintenant décrit plus en détail en regard de la fig. 5. Il sera supposé par exemple que l'écartement entre les franges successives est trop grand par rapport à l'écartement des photodétecteurs ; une compensation précise de cet écartement trop grand des franges peut se faire en tournant le disque 62 dans le sens inverse des aiguilles d'une montre par rapport aux raies 65, ce qui augmente la distance effective entre les photodétecteurs par rapport aux franges; le mouvement de ces dernières se fait dans une direction horizontale, indiquée en 66 sur la fig. 5.Les signaux de sortie des paires de photodétecteurs sont ensuite traités par des circuits bien connus qui peuvent être par exemple similaires à ceux décrits dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique nO 2 886 718 et nO 3 713 139. Ces circuits permettent de compter les franges qui passent devant les photodétecteurs, et produisent un signal indiquant le poids de la charge placée sur le plateau 14 de la balance. Ce signal indicatif de poids peut être utilisé pour commander un dispositif d'affichage de poids, un appareil d'impression du poids de la charge et/ou pour calculer le prix de cette dernière. Dans le cas où un élément de courrier est pesé, ce signal peut etre utilisé pour calculer le montant de l'affranchissement nécessaire. L'invention concerne donc un nouveau dispositif de mesure de poids qui comporte un dispositif optique à moire dans un détecteur de déplacement, et convenant parfaitement aux conditions d'utilisation pratique. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et illustré sans sortir du cadre ni de ltesprit de l'invention. REVENDICA!IONS 1 - Balance comprenant un bati, une structure de tare mobile supportée par ledit bâti, ladite structure de tare pou vant se déplacer en fonction de la masse d'une charge à peser, et un détecteur optique destiné à déterminer l'amplitude du déplacement de la structure de tare, balance caractérisée en ce que ledit détecteur optique comporte un dispositif produisant un faisceau lumineux, deux ensembles de réseaux comportant chacun un réseau optique, un premier desdits réseaux étant monté sur ledit bâti et le second desdits réseaux étant monté de manière à se déplacer avec ladite structure de tare et par rapport audit premier réseau, lesdits réseaux optiques étant orientés angulairement l'un par rapport à l'autre de manière qu'ils soient positionnés soue un certain angle l'un par rapport à l'autre et modulant ledit faisceau lumineux en produisant une distribution de franges d'interférences optiques en moire, le mouvement du réseau qui se déplace avec ladite structure de tare produisant un mouvement desdites franges, et des photodétecteurs étant prévus pour détecter le mouvement desdites franges produites par le déplacement de ladite structure de tare. 2 - Balance selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un dispositif de réglage des positions angulaires relatives desdits réseaux. 3 - Balance selon la revendiátion 2, caractérisée en oe que le réseau qui se déplace avec ladite structure de tare est monté de manière à pouvoir astre réglé angulairement par rapport au réseau qui est monté sur ledit bâti. 4 - Balance selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un dispositif destiné à régler angulairement lesdits photodétecteurs par rapport à ladite distribution en moire de franges d'interférences. 5 - Balane selon la revendication 4, caractérisés en ce que lesdits photodétecteurs sont montés de manière à se déplacer avec ladite structure de tare. 6 - Balance selon la revendication 5, caractérisée en ce que le réseau optique qui se déplace avec ladite structure de tare est réglable angulairement par rapport au réseau qui est monté sur ledit bâti.