Brevet FR2399000A1 — publié le 19790223

La présente invention concerne les capteurs de proximité utilisant des guides diélectriques d'ondes optiques, le terme "ondes optiques" devant être interprété comme couvrant les domaines habituellement désignés par les termes "infrarouge", "visible" et ultraviolet; quant au terme "guides diélectriques", il doit être interprété comme désignant tous guides comprenant une fibre ou un faisceau de fibres de matiere diélectrique d'indice déterminer, transmettant les ondes optiques utilisées avec un affaiblissement suffisamment faible.On utilisera en général un faisceau de fibres d' indice constant et revêtues d'une gaine On connatt aéjà des palpeurs à fibres optiques qui permettent de détecter le passage d'une surface réfléchissante dans une position déterminée et/ou avec une orientation déterminée devant le palpeur. Le palpeur comporte en genéral un faisceau de fibres optiques dont une extrémité dirige un pinceau de lumière vers la zone où la surface doit être localisée et reçoit la lumière éventuellement réfléchie. La partie terminale du faisceau opposé à cette extrémité est séparée en deux fractions couplées, l'une à un photoémetteur, l'autre a' un récepteur.La seule capacité d'un tel palpeur est de constater la présence ou l'absence de la surface réfléchissante dans une position déterminée . On connait également des capteurs optiques dont le signal de sortie donne une information permettant de guider un organe portant le capteur vers un objet et éventuellement de le saisir. Ces capteurs (par exemple celui décrit dans la demande de brevet japonais ne 73.93 063 au nom de TOKYO SHIBAURA ELECTRIC Co), utilisent un système complexe de lentilles, de photoémetteurs et de photodétecteurs, difficile à miniaturAser et ayant un champ restreint, de sorte qu'ils sont peu utilisables industriellement. L'invention vise à fournir un capteur de proximité qui tout à la fois est simple, a un champ aisément adaptable et fournit des signaux autorisant un guidage; dans ce but, l'invention propose un capteur comprenant, fixés sur un support dépla çable vers un objet à détecter et à partir de celui-ci, un guide diélectrique susceptible démettre un faisceau de lumière dans un espace autour d'un premier axe et un guide diélectrique susceptible de collecter la'lumière qu'il reçoit dans un espace déterminé autour d'un second axe, les axes des deux guides faisant un angle non nul, une source d'ondes optiques couplée au guide émetteur, un photodétecteur associé au guide récepteur et fournissant un signal fonction croissante de ltéclairement qu'il reçoit, et un circuit permettant de déterminer le sens de variation du signal fourni par le photodétecteur lors des deplacements et des changements d'orientation du capteur par rapport à l'objet Le capteur comporte avantageusement plusieurs couples de guides émetteurs et récepteurs, l'un au moins des guides de chaque couple étant différent du guide correspondant des autres couples, le point de convergence des axes des guides et/ou les plans des axes des guides d'un même couple étant différents d'un couple à l'autre Suivant un autre aspect de I invention, celle-ci propose un capteur de proximité à guides d'ondes optiques comprenant, sur un support déplaçable vers un objet à détecter et à partir de celui-ci, un premier couple et un second couple de guides diélectriques, chacun des couples comprenant au moins un premier guide diélectrique associé à une source de lumière de façon à émettre par sa face terminale un faisceau de lumière dans un angle solide déterminé autour de son axe et un second guide diélectrique associé à un photodétecteur pour amener à celuici la lumière arrivant sur la face terminale du second guide dans un angle solide déterminé autour de son axe, les axes du premier guide et du second guide de chaque couple étant concourants et délimitant un plan, le plan des guides du premier couple étant perpendiculaires au plan des axes du second couple Parmi les problèmes que l'invention permet de résoudre de façon simple, on peut, par ordre de complexité croissante, citer en particulier les suivants - la commande du déplacement d'un support, tel qu'un organe de préhension, vers un objet, puis de arrêt du support à distance déterminée de l'objet, par exemple à la distance appropriée pour la préhension; - les mêmes opérations,mais avec, en plus, la mise du support dans une orientation déterminée par rapport à l'objet, par exemple propre à permettre li préhension de cet objet, lue plan des guides restant inchangé, - les mêmes opérations encbre,mais' avec,de pus,une notation du support autour d'un axe situé dans le plan des guides jusqu'à atteindre une orientation déterminée La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de capteurs qui en constituent des modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs.La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels : - la figure I est un schéma de principe montrant une disposition relative possible des deux guides diélectriques d'ondes optiques d'un même capteur, ainsi que les notations utilisées, - la figure 2 montre schématiquement la courbe de variation du signal fourni par le photodétecteur du capteur de la figure l en fonction des variations de distance entre le capteur et l'objet à détecter, - la figure 3 est un schéma de principe, en perspective, montrant un capteur à trois couples de guides d'ondes, - la figure 4, similaire à la figure 2, montre la variation des signaux de sortie du capteur de la figure 3 en fonction de la distance du capteur à objet à détecter, - la figure 5, similaire à la figure 3, montre une variante de réalisation, - la figure 6, également similaire à la figure 3, montre une autre variante, notamment utilisable pour déterminer 1 'orien- taton relative du capteur et de l'objet à détecter, - la figure 7, similaire aux figures 2 et 4, montre la variation des signaux de sort e du capteur de la figure 6 en fonction de l'orientation, - la figure 8 similaire à la figure 3, montre un capteur multiple constituant une autre variante encore de réalisation, - la figure 9 montre un montage possible du capteur sur une pince de préhension, - la figure 10, similaire à la figure 8, montre une autre variante de réalisation permettant de fournir des signaux fonction de la distance entre capteur et objet et de l'orientation relative, - la figure Il montre la variation du signal en fonction déplacements transversaux par rapport à une surface de dimensions finies. La figure 12 est un schéma par blocs montrant une architecture possible d'un système incorporant des capteurs suivantl'invention. On définira tout d'abord, en faisant référence à la figure 1, les notations qui seront utilisées par la suite. Le capteur, désigné dans son ensemble par la reférence 10, comporte un couple de guides d'ondes et chaque guide d'ondes sera en général constitué par un faisceau de fibres optiques, chaque fibre ayant un indice constant et étant munie d'un gainage. Le guide d'ondes il est couplé optiquement à une source de lumière, par - exemple une diode électroluminescente 12 (qui sera en général modulée de façon à éviter des interférences avec la lumière ambiante). Le guide d'ondes Il présente une face terminale 13 par laquelle sort un faisceau de lumière 14 d'angle au sommet &commat; e. Le guide d'ondes 15, destiné à collecter la lumière reflétée ou diffusée par la surface S dcun objet à détecter, est couplé optiquement avec un photodétecteur 16 tel qu'une photodiode. La face terminale 17 du guide 15 collecte la lumière dans un angle solide On désignera par d la distance entre les centres des faces terminales 13 et 17 et on supposera dans ce qui suit, pour sim plifier, que les axes des deux guides d'ondes convergent en un même point A, la bissectrice de l'angle 2 e entre les axes étant perpendiculaire à la ligne qui relie les centres des faces 13 et 17. Cette disposition n'est évidemment pas exclusive mais c'est celle qui conduit à la constitution la plus simple et qui permet de déterminer le plus facilement les caractéristiques du capteur; si par exemple les faces terminales 13 et 17 font des angles différents avec l'axe du capteur, il faut tenir compte des réfractions. Si l'on désigne par x la distance entre la surface S et les faces terminales 13 et 17, l'intensité lumineuse R reçue par - le photodétecteur 16 varie en fonction de la distance x suivant une loi du genre montré par la courbe 18 de la figure 2, à condition que l'orientation de la surface reste invariable. Cette courbe 18 donne la variation du rapport entre le signal R fourni et le signal maximum RM en fonction de x.Si on désigne par e la variation minimum détectable de R/RM, on voit que le capteur 10 est utilisable sur la profondeur de champ L et permet d'amener le capteur à une distance xM de la surface 16 avec une erreur qui est au maximum égale à 4x ou, lorsqu'on travaille sur les flancs de la courbe, à une distance xs correspondant à un seuil (par exemple égal à 1/2) avec une erreur très inférieure à b x. L'allure de la courbe de réponse reste la même quelle que soit la valeur des paramètres d,c > et e . Mais en modifiant ces paramètres, ainsi que le diamètre équivalent des guides d 'ondes qui est fonction du diamètre de chaque fibre élementaire et du nombre de fibres dans le cas de guides d'ondes constituées par un faisceau de fibres et des ouvertures numériques des guides d'ondes, on peut modifier la forme de la courbe 18. Ltinfluence des paramètres peut être résumée comme suit : l'écartement d agit principalement sur la profondeur de champ L(qui augmente avec d > . L'angle agit principalement sur la position du maximum, sur la pente de la courbe 18 de part et d'autre du maximum et sur LS x. L'ouverture CL > agit principalement sur l'importance du champ du capteur de part et d'autre du maximum. Par exemple pour détecter un objet éloigné, dont la surface susceptible de diffuser ou de réfléchir la lumière eststuée hors de l'axe du capteur, on utilisera des guides d'ondes à forte ouverture numérique, fortement écartés et faisant un angle 2# faible .Au contraire, pour détecter un objet à proximité immédiate du capteur on utilisera des guides d'ondes présentant des faces de sortie 13 et 17 rapprochées de faible ouverture numérique, faisant un angle important l'un par rapport à l'autre La figure 1 montre également, de façon très simplifiée, les éléments principaux de circuits associés à la diode électroluminescente 12 et au photodétecteur 16 * La diode 12 est alimentée par un transistor 21 commandé par un oscillateur 20 à fréquence différente de celles que peut présenter la lumière ambiante La photodiode réceptrice 16 alimente de son c8té, par un filtre 22 d'élimination de la composante continue, un amplificateur 23. Celui-ci alimente à son tour un bloc de détection synchrone 24 comportant deux transistors à effet de champ 25 et 26 qui reçoivent respectivement, sur leurs électrodes de porte 25 et 26, le signal de commande du transistor 21 et un signal de référence de phase . Le signal de sortie du bloc 24 est enfin traité par un filtre passe bas 27 La courbe caractéristique 18 de la figure 2 présentant des pentes opposées de part et d'autre du maximum, il n'est pas posrible de déterminer, à partir du signal rescu,si le capteur est à une distance de la surface 16 inférieure ou supérieure à xN De plus, il n'est pas possible d'avoir à la fois une précision élevée sur la localisation, en particulier à distance xM , et une profondeur de champ élevée, c'est à dire une distance importante L sur laquelle le signal est supérieur à e Pour lever l'ambiguité sur le sens dans lequel il faut déplacer le capteur pour l'amener à distance déterminée de ltob- jet et rendre indépendantes la profondeur de champ et la sensibilité, il suffit d'utiliser au moins deux couples de guides d'ondes dont les courbes caractéristiques sont différentes. Le capteur représenté en figure 3 comporte trois couples constitués chacun de deux guides d'ondes différents de ceux des autres couples. Les premier et second guides de chaque couple sont désignés par les mêmes numéros de référence, affectés respectivement des indices a, b, et c. Les couples sont disposés de façon que aPurs courbes caractéristiques 18a, 18b et 18c soient décalées dansla direction Ox et présentent par exemple l'allure montrée en fig.4.Pour éviter les couplages parasites,chaque cogne utilisera une source modulée à une fréquence caractéristique différente On voit qu'on peut définir, sur la figure 4, quatre zones différentes de distance, désignées par p, a, b et c, chacune caractérisée par }'ensemble des signes de la dérivée de la variation des signaux en fonction de la distance. signe de la dérivée p a b c couple a + + + couple b + + - couple c + - - On voit que, lorsqutor. sait , au cours d'un déplacement, si le capteur se rapproche ou s'éloigne de l'objet, on peut situer la zone dans laquelle il se trouve. Lorsqu'on ne sait pas s'il s'agit d'un rapprochement ou d'un déplacement, il y a ambiguité entre les zones g et c . Mais il est rare que cette ambiguité soit gênante et dans ce cas on peut la lever par un test sur les niveaux relatifs des capteurs Dans le premier cas, ltamenée du capteur jusqu'à une position déterminée située dans la zone n de préhension grâce à un seuil ajustable à une fraction déterminée, par exemple à la moiti, du maximum, depuis un emplacement éloigné, peut s'effectuer de façon très simple.Il suffit d'affecter à chaque électronique de traitement, du genre montré en Fig. 1 un circuit de détermination du sens de variation du signal lors du rapprochement et d'appliquer les sorties de ces circuits à une logique de décision qui arrêtera le moteur de déplacement du capteur lorsqu' elle détectera le passage de la configuration caractéristique de a à celle de p, et imposera un seuil, fraction déterminée du maximum. Comme on l'a indiqué plus haut, les couples ne sont pas forcément totalement distincts : par exemple, dans la variante de réalisation de la figure 5, tous les couples utilisent le meme second guide, désigné par 15 abc, les trois premiers guides indépendants. étant lIa, llb et ldc. L'électronique de traitement associée au second guide coTxierassdans ce cas, trois voies munies chacune d'un filtre d'entrée isolant la fréquence convenable. Lorsque le capteur doit être prévu, non seulement pour permettre d 'évaluer la distance d 'un objet, mais aussi I 'orienta- tion de sa surface, on aura souvent avantage à utiliser un monta- ge symétrique tel que celui montré en figure 6. Le capteur 10 de la figure 6 comporte un premier guide unique 28 et deux seconds guides 29 et 30 placés symétriquement par rapport au guide 28 Un tel capteur aura un jeu de deux courbes caractéristiques différent pour chaque orientation oz de la surface S; lorsque la surface S est perpendiculaire au guide 28, les deux courbes sont confondues, comme indiquez en 31sur la fig. 7.Pour toute autre orientation 0 On voit que le capteur de la figure 6, ou tout autre capteur présentant deux couples symétriques, permet d'amener le capteur dans une position telle que son plan de symétrie soit perpendiculaire à la surface observée. Ce capteur peut être utilisé seul ou au contraire pour amener dans une orientation convenable un second capteur, par exemple du genre montré en figure 3.Dans ce dernier cas, les deux capteurs peuvent être assemblés en un seul appareil constituant un capteur multiple La figure 8 montre un mode de réalisation particulier d'un tel capteur multiple associant deux capteurs composés chacun de guides diélectriques coplanaires , les plans des guides des deux capteurs étant perpendiculaires. Ce capteur multiple 40 peut être regardé comme comportant un capteur du genre montré en figure 5 et un capteur du genre montré en fig.6, dans un même bottier 42 . Toutefois, les guides de réception des deux capteurs sont confondus en 28. Le premier capteur comporte, associés au guide 28, deux guides d'ondes 41a disposés symétriquement et convergeant en A a de façon à fournir à la fois une information de distance (fig. 4) et une information d'orientation (fig. 7), un guide d'ondes 41 b convergeant avec le guide 28 en Ab et un guide d'ondes 41c convergeant avec le guide d'ondes 28 en Ac. Le second capteur, constitué des guides 28, 29 et 30, présente la même constitution que celui de la fig. 6 Le capteur de la figure 8 peut être associe à une électronique de traitement réalisant de façon automatique la mise en place d'un organe muni du capteur Cette électronique comporte avantageusement un microprocesseur commandant un moteur par degré de liberté de l'organe. La séquence de fonctionnement sera évidemment adaptée à chaque cas particulier. Elle peut être la suivante, dans le cas,montré en figure 9, de la mise en place drune pince de manipulateur 42 par rapport à la face S d'un objet 43 à saisir; on supposera que cette mise en place implique que le capteur multiple 40 porté par la pince 43 :: - soit amené à une distance déterminée de la face S de l'objet 43, - le plan des guides 28, 29 et 30 du premier capteur étant perpendiculaire à la face S, - et le plan des guides du second cqteur étant également perpendiculaire à la face S L'emplacement approximatif de l'objet 43 est supposé connu de sorte que l'on peut initialiser le système en dirigeant la pince 42 vers l'objet, puis en commandant le rappro chement de la pince, suivant la direction de la flèche 1 Au cOurs du déplacement vers l'avant, le capteur passe de la zbne c à la zone b, puis à la limite entre les zones b et a. Celle-ci peut être prévue pour correspondre à la zone dans laquelle la caractéristique du capteur composé des guides 28, 29 et 30 permet d'orienter ce dernier.L'électronique arrête alors le moteur de rapprochement et commande un moteur d 'orien- tation qui déplace la pince et le capteur de l'angle t2iusqutà ce que les guides 29 et 30 reçoivent la même énergie lumineuse de la surface S. L'électronique commande alors à nouveau l'avance de la pince (flèche t3) jusqu'à ce que le capteur soit dans la zone où les guides 28 et 41 a permettent d'orienter la pince (flèche t4) jusqu'à ce que le capter 40 soit perpendiculaire à la surface S. Enfin, l'approche peut reprendre flèche ) 5 jusqu la distance optimum de préhension Le capteur de la fig. 8 est susceptible de nombreuses variantes de réalisation.A titre d'exemple, la fig. 10 montre schématiquement la disposition des faces terminales des guides d'un capteur multiple utilisant des couples de guide dont certains sont à la fois émetteur et récepteur, mais à'des fréquences différentes, comme indiqué schématiquement pour un seul des guides. Enfin, il faut noter que les différents capteurs qui viennent d'être envisagés sont également sensibles à d'autres paramètres de positionnement que ceux qui ont été envisagés jusqu'ici, lorsque la surface S est de dimensions finies. En particulier, lorsqu'on déplace un capteur du genre montré en figure 6 parallèlement à la petite dimension d'une surface réfléchissante rectangulaire, on obtient une caractéristique du genre montré en figurel}l désignant l'abscisse du point situé face au guide 28. On voit qu'on peut donc centrer le capteur par rapport à la surface. On-obtient également une caractéristique exploitable en faisant tourner le capteur autour de son axe dirigé vers une telle surface Comme indiqué plus haut, un ou plusieurs capteurs peuvent etre intégrés à un système incorporant un microprocesseur. Ce sys tème peut avoir l'architecture générale illustrée en figure 12. Les sorties 45 des capteurs sont appliquées à un circuit multiplexeur et de conversion analogique-numérique 46 relié à des lignes bus de données 47, de commande 48 et d'adresses 49. Ces lignes relient également le microprocesseur 50 à une mémoire programme 51 et à un interface d'adaptation 52 dont les sorties 53 attaquent des commandes, telles que celles d'un manipulateur. REVENDICATIONS 1. Capteur de proximité à guides diélectriques d'ondes optiques comprenant, sur un support déplaçable vers un objet à détecter et à partir de celui-ci, un premier guide diélectrique associé à une source de façon à émettre par sa face terminale vers 1 'objet dans un angle solide déterminé autour de son axe et un second guide diélectrique associé à un photodétecteur pour amener à celui-ci la lumière arrivant sur la face terminale du second guide dans un angle solide déterminé autour de son axe, les axes des deux guides faisant un angle non nul, et un circuit permettant de déterminer le sens de variation du signal fourni par le photodétecteur lors des déplacements et éventuellement des changements d'orientation du capteur par rapport à l'objet 2.Capteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce qulil comporte plusieurs couples de guides émetteurs et récepteurs, l'un au moins des guides de chaque couple étant différent du guide correspondant des autres couples. 3. Capteur suivant la revendication 2 , caractérisé en ce que le point de convergence des axes des guides d'un même couple et/ou les plans des axes des guides d'un même couple sont différents d'un couple à l'autre. 4. Capteur suivant la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que plusieurs couples comportent un guide récepteur commun. 5. Capteur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'un des couples comporte un guide émetteur et un guide récepteur qui constituent également le guide récepteur et le guide émetteur d'un autre couple. 6. Capteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'un au moins des couples comporte un seul guide récepteur et deux guides émetteurs disposés symétriquement par rapport au premier 70 Capteur suivant la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qutil comporte au moins un couple dont les axes définissent un premier plan et un second couple dont les axes définissent un second plan perpendiculaire au premier. 8. Capteur de proximité à guides d'ondes optiques comprenant, sur un support déplaçable vers un objet à détecter et à partir de celui-ci, un premier couple et un second couple de guides diélectriques, chacun des couples comprenant au moins un premier guide diélectrique associé à une source de lumière de façon à émettre par sa face terminale un faisceau de lumière dans une angle solide déterminé autour de son axe et un second guide diélectrique associé à un photodétecteur pour amener à celui-ci la lumière arrivant sur la face terminale du second guide dans un angle solide déterminé autour de son axe, les axes du premier guide et du second guide de chaque couple étant concourants et délimitant un plan, les plans des guides du premier couple étant perpendiculaires aux plans des axes du second couple. 9. Application du capteur suivant l'une quelconque des revendications précédentes à la commande du positionnement drun organe en distance et en orientation par rapport à une surface de l'objet