Brevet FR2490810A1 — publié le 19820326

La présente invention concerne un dispositif pour la mesure des angles au moyen d'une échelle à exploration photo-électrique, dispositif que l'on peut donc qualifier d'indicateur de position photo-électrique. Les dispositifs de ce genre sont utilisés par exemple dans les machinesoutils, dans les théodolites, etc., pour mesurer automatiquement la position d'une partie mobile du dispositif, le résultat de la mesure qui représente la position instantanée de cette partie du dispositif par rap- port à son bâti fixe étant fournie à un appareil indicateur ou traitée en vue de la commande de la machine en question, par l'intermédiaire de moyens électroniques montés à la suite du dispositif de mesure. Les dispositifs digitaux de mesure connus à explo- ration photo-électrique de l'échelle peuvent être répartis en deux groupes selon leur fonction et leur mode de réali- sation, à savoir les systèmes à mesure absolue qui utilisent ce que l'on appelle une échelle codée, et les systèmes à mesure incrémentale dont l'échelle présente des divisions égales et équidistantes. La fabrication des systèmes de mesure fonctionnant selon le mode absolu est très coûteuse lorsque l'on veut atteindre, en particulier, un pouvoir de résolution élevé sur une plage de mesure relativement étendue. En effet, pour un nombre de pas a qui résulte, indépendamment du code choisi, du quotient de la plage de mesure par la plus petite unité qui peut encore être résolue, il faut utiliser au moins Log2 (a) traces codées sur l'échelle et autant de récepteurs photo-électriques pour la lecture de l'échelle. Au contraire, les systèmes de mesure incrémentaux sont moins couteux, puisqu'il suffit d'utiliser une gradua- tion à une seule piste, et ils atteignent une résolution bien plus élevée que les systèmes à mesure absolue lorsque l'on utilise par exemple l'effet de Moiré et une interpola- tion électronique. Toutefois, comme la détermination instan- tanée de la position repose, dans ces systèmes à incrémen- tation, sur une addition ou une soustraction permanente des incréments qui ont été captés, les erreurs de mesure qui résultent par exemple d'impulsions erronées lors d'une inver- 4o sion rapide du sens de déplacement du système de mesure 24908 1 0 s'accumulent de plus en plus. Ceci produit un effet particu- lièrement néfaste lors du fonctionnement du système de mesu- re en état quasi-stationnaire. Pour éviter cet inconvénient, il est connu, par exemple d'après la demande de brevet allemand publiée après examen..ri 25 40 412 qui concerne les systèmes linéaires, de porter sur l'échelle utilisée, en plus de son réseau de gra- duations,une série de marques qui représentent des valeurs absolues et qui, en coopération avec une unité de séparation appropriée, sert à répéter l'initialisation du système in- crémental de mesure lors du dépassement d'une graduation. Ainsi, le cycle d'accumulation se trouve en effet diminué. Cependant, le dispositif équipé d'un tel système de mesure doit être amené à intervalles réguliers en une position déterminée en vue de son initialisation, et il est donc soumis à un mode de fonctionnement compliqué et souvent défectueux. Cet inconvénient existe également dans le dispo- sitif proposé par le brevet allemand n0 24 26 212, disposi- tif qui comprend une pluralité de marques absolues dispo- sées à une distance l'une de l'autre correspondant à la précision de la graduation incrémentale, et qui peut donc être initialisé plusieurs fois sur l'ensemble de sa plage de mesure. Dans la zone comprise entre deux marques, ce système de mesure se comporte cependant comme un système à fonction- nement purement incrémental, puisque le détecteur utilisé pour reconnaître les marques absolues s'étend seulement sur le domaine d'une seule marque. Pour les indicateurs de position angulaire, ou encodeurs d'angles, les remarques ci-dessus, qui ont été limitées aux indicateurs de position linéaire, et qui concernent l'état de la technique, doivent être renouvelées, toutes choses étant égales par ailleurs. En outre, il faut remarquer que les encodeurs d'angles réagissent de manière très sensible aux excentricités des échelles circulaires et que les erreurs de mesure qui en résultent ne peuvent être évitées, moyennant un coût de fabrication très élevé, que par une double exploration au moyen de deux détecteurs décalés de 1800 l'un par rapport à l'autre. 4o Le brevet européen n0 00 13 799 décrit, entre autres, un dispositif pour la mesure des angles au moyen d'une échelle qui est mobile par rapport à tm réseau de diodes photo-électriques réalisé sous la forme d'un segment de cercle, échelle dont la graduation incrémentale est pro- jetée sur la surface photosensible du réseau de diodes. L'échelle et le réseau de diodes présentent des constantes de réseau différentes l'une de l'autre, afin de pouvoir mettre en oeuvre un procédé spécial et coûteux d'interpola- tion digitale. En outre, ce brevet européen n0 00 13 799 décrit un système de mesure linéaire absolu qui se compose d'une suite linéaire de diodes photoélectriques et d'une échelle déplaçable par rapport à cette suite de diodes et divisée, pour l'essentiel, de manière incrémentale, le réseau de cet- te échelle étant divisé par plusieurs zones codées qui sont munies de repères digitaux différents les uns des autres. Aussi, le but de la présente invention est de fournir un indicateur de position angulaire absolu sur l'ensemble de la plage de mesure qui soit comparable aux systèmes incrémentaux en ce qui concerne le pouvoir de résolution et les coûts de fabrication. Selon l'invention, ce but est atteint au moyen d'un dispositif du genre spécifié ci-dessus qui est carac- térisé en ce que les graduationsde l'échelle circulaire comportent une zone codée, en ce que l'on utilise comme détecteur une suite de diodes qui est réalisée sous la forme d'un anneau fermé et sur la surface sensible à la lumière de laquelle est formée l'image des graduations, et en ce que le nombre des divisions de l'échelle est égal à celui des diodes de la suite de diodes. Le dispositif de mesure selon la présente inven- tion combine les avantages des systèmes de mesure absolus et incrémentaux, touten évitant les insuffisances qui, jusqu'alors, étaient inhérentes à ces deux types de systèmes. Une seule échelle est ici nécessaire, et, pour l'essentiel, elle ne porte qu'une seule graduation incrémentale qui est facile à réaliser. Du fait que la suite de diqdes est réalisée sous la forme d'un anneau fermé, l'image d'une zone codée se trouve constamment sur le capteur de l'unité d'exploration 24908 10 pour l'ensemble de la plage de mesure, et cette zone codée peut être réalisée très simplement, par exemple en omettant certaines divisions à un endroit quelconque de l'échelle circulaire. Ainsi, les numéros des diodes recouvertes par la zone codée sont susceptibles d'être lus de manière permanente et de fournir une information sur la position absolue du système de mesure. Toute initialisation du sys- tème est donc inutile. La suite de diodes ne sert pas seulement à recon- naître la position d'une zone codée qui se projette sur un petit domaine partiel de sa surface photo-électrique utile. Elle fournit également et simultanément, avec un ordre de grandeur correspondant au nombre des diodes intégrées dans la suite de diodes, et généralement de l'ordre de 10O3, une information sur la position d'une graduation du réseau qui est portée sur l'échelle et qui est toujours en relation déterminée avec la zone codée. Ainsi, on peut réaliser une interpolation de haute précision sur la valeur primaire obtenue avec une résolution dont l'ordre de grandeur est celui de la constante de réseau de la suite de diodes, afin de déterminer la position de la zone codée. De cette façon, on compense donc statistiquement, dans une large mesure, aussi bien les erreurs de graduation de l'échelle de mesure que les tolérances de fabrication de la suite de diodes. Ainsi que le montrent les exemples de réalisation qui sont décrits ci-après en regard des figures, le pouvoir de réso- lution de ce dispositif de mesure est parfaitement compara- ble à celui d'un système incrémental classique. Le coût de fabrication d'un dispositif d'interpolation approprié est particulièrement faible, sans que cela diminue la préci- sion, lorsque l'échelle et la suite de diodes présentent la même constante de réseau. L'interpolation peut alors avoir lieu, pour l'essentiel, au moyen de la transmission des intensités des signaux issus de deux groupes seulement de diodes de la suite, sans qu'il soit besoin d'une grande capacité de mémoire. Pour ce mode de réalisation particulier de l'interpolation, l'état de la technique offre un grand nombre de possibilités. Comme les diodes individuelles de-la suite ne sont généralement pas exploitées simultanément, et qu'elle sont 24908 1 0 au contraire explorées de manière séquentielle par une commutation électronique, une erreur systématique peut s'introduire dans la détermination de la position quand la mesure a lieu lors d'un déplacement de l'échelle. Les diodes explorées l'une après l'autre fournissent alors des valeurs mesurées qui comprennent une erreur de phase dépendant de leur position dans la suite de diodes et de la vitesse de déplacement de l'échelle. Pour éliminer cette erreur, il est avantageux d'éclairer l'échelle, non pas de manière continue, mais au moyen d'éclaiislumineux de courte durée qui sont synchro- nisés avec le cycle d'exploration de la suite de diodes et et qui déterminent sans ambiguité l'instant auquel la posi- tion est mesurée. Comme les éléments de la suite de diodes accumulent, sur une durée relativement importante et prati- quement sans pertes, une charge proportionnelle à la quan- tité de lumière qui tombe sur eux, l'éclairage peut avoir lieu entre les cycles d'exploration pendant lesquels le système de mesure continue à se déplacer. De cette manière, on peut avantageusement diminuer la fréquence d'exploration jusqu'à la valeur qui est nécessaire pour la formation de la valeur mesurée en temps réel. La description qui va suivre, et qui ne présente aucun caractère limitatif, permettra de bien comprendre comment la présente invention peut être mise en pratique. Elle doit être lue en regard des dessins annexés, parmi lesquels - La figure 1 représente en vue éclatée un codeur d'angles réalisé selon la présente invention; - La figure 2 représente de manière simplifiée les divisions de l'échelle de la figure 1 projetées sur la sur- face d'un ensemble annulaire de diodes. Le boîtier de l'encodeur représenté sur la figure 1 se compose de deux moitiés 101 et 110 qui présentent cha- cune un perçage central, et il renferme un disque transpa- rent 106 fixé sur un arbre 107 qui s'étend à travers les perçages. Une graduation 108, incrémentale pour l'essentiel, est déposée par métallisation sous vide sur le disque 106 et elle se compose d'une série de segments de mêmes dimen- 4o sions dont la transparence à la lumière est différente. 24908 1 0 Le disque 108 peut également être wu disque métallique dans lequel les segments transparents à la lumière sont réalisés sous la forme de fenêtres grâce à une attaque chimique. Une suite 102 de diodes photo- électriques est fixée sur le fond 105 de la partie 101 du bottier au moyen de ses contacts 104 qui sont réalisés sous la forme de fiches. La surface sensible à la lumière 103 de la suite de diodes 102 est également annulaire et elle est tournée vers l'échelle 108. Entre la moitié 110 du boîtier et le disque 106 se trouve une plaque 109 qui est fixée au boîtier et qui est munie d'un ensemble dense de diodes luminescentes. Ces dernières éclairent à travers la graduation transparente 108 la couche sensible à la lumière 103 de la suite de diodes 102 au moyen d'éclairs lumineux de courte durée qui sont émis entre les cycles d'exploration de la suite de diodes 102. La graduation 108 et la suite de diodes 102 - comportent le même réseau, ce qui veut dire que la largeur d'un segment transparent ou opaque de la graduation 108 est égale à celle d'un élément de la suite de diodes, et que le nombre de diodes de la suite est égal au nombre des seg- ments de la graduation 108. A un seul endroit de la gradua- tion 108 se trouve une zone codée 111 qui se compose de trois segments opaques adjacents et qui peut donc être réalisée par la métallisation supplémentaire d'un seul segment transparent de l'échelle incrémentale. La suite de diodes 102 comprend un nombre pair de diodes égal à 2048. Sur la figure 2, sur laquelle on a esquissé la projection de la graduation 108 sur la surface sensible à la lumière de la suite de diodes 102, on a repré- senté seulement 48 diodes pour des raisons de clarté et les segments qui divisent l'échelle, et dont le diamètre est naturellement égal à celui de la couronne de diodes, ont été représentés décalés par rapport aux diodes. La détermination des valeurs mesurées a lieu de la manière suivante: La zone codée 111 détermine la position angulaire g de l'échelle 108 par rapport à lasuite de diodes avec une précision qui résulte de la largeur des diodes de la suite de diodes. Pour déterminer 0, on peut utiliser par 24908 1 0 exemple un circuit électronique qui transforme en une valeur angulaire digitale les numéros des diodes recouvertes complètement par la zone codée 111 et fournissant donc le signal de sortie 0. La zone codée 111 fournit donc une lec- ture grossière de l'angle 09 en unités de la suite de diodes avec N 0 = g 9 NN o Ng est le numéro de l'élément qui, pour la première fois après l'élément dont le courant photo-électrique est 0, fournit à nouveau ce courant photo-électrique 0, et o N est le nombre total des éléments de la suite de diodes. La "lecture fine" fournit une valeur d'interpo- lation 460 qui résulte des sommes partielles P et Q des courants photoélectriques de tous les éléments pairs P et impairs Q selon la formule 1 P = ( 1 +) 2N Q + P Un circuit électronique capable de fournir la valeur de 60 à partir de la séquence de signaux émis par la suite de diodes peut être réalisé à peu de frais et avec peu de composants. L'angle exact 0 peut alors être calculé comme la somme de 0g (valeur grossière) et de / 0 (valeur d'inter- polation) et il fournit avec une grande précision et de manière absolue la position angulaire de l'arbre 107 par rapport au boîtier 101, 110. En supposant que la suite annulaire de diodes photo-électriques se compose de 2048 diodes individuelles, on peut, grâce à l'encodeur angulaire selon l'invention, mesurer des angles avec une erreur de 2'Ir 0, 05 6 60 = x rad 3,4. 106 rad en supposant en outre que les erreurs dues à la graduation et à la dynamique de la suite de diodes introduisent une erreur de 5% sur la détermination du passage d'un bord de segment de graduation. 8 2490810 Cette erreur sur les angles correspond environ à l'erreur sur la valeur digitale qui est déjà introduite par la seule finesse de la graduation dans les décodeurs classiques à 18 bits. Un tel décodeur présente un diamètre de 450 mm environ, alors que le diamètre d'un décodeur d'angles selon l'invention lui est inférieur de plus de dix fois. Il faut remarquer en outre que l'excentricité de la graduation circulaire 108 n'influe pas sur la précision des mesures de l'encodeur lorsqu'elle est inférieure à la largeur d'un élément de la suite de diodes, puisque les erreurs qui en résultent se compensent lors de l'interpo- lation, pour autant qu'elles n'influencent pas la lecture grossière. Au lieu d'utiliser une échelle présentant un nombre pair de divisions coopérant avec une suite de diodes comportant un nombre pair d'éléments, il est naturellement possible d'utiliser, sans difficultés, une échelle divisée en un nombre impair de divisions et une suite de diodes à nombre impair d'éléments. Ceci ne modifie que dans une faible mesure la réalisation de l'électronique de mesure, laquelle doit assurer que les courants photo-électriques des éléments qui, après le repérage de la zone codée - cette dernière étant alors constituée par exemple par deux ou quatre segments adjacents de même transparence à la lumière - arrivent ensuite dans l'unité de sommation Q à nombres impairs, soient détectés par l'unité de sommation des éléments pairs P et inversement. Le diamètre de la suite de diodes et celui du cercle gradué peuvent être différents l'un de l'autre si une optique de projection adéquate fait en sorte que l'image, par exemple réduite, des graduations circulaires se forme sur la surface photosensible de la suite de diodes. 24908 1 0 - REVENDICATIONS - 1. Dispositif pour la mesure des angles, ou indica- teur de position, du genre comprenant une échelle (106) qui est mobile par rapport à une suite de diodes photo-électri- ques (102) constituée par une pluralité de diodes indivi- duelles, et dont les graduations (108), incrémentales pour l'essentiel, sont projetées sur la surface sensible à la lumière (103) de la suite de diodes (102), caractérisé en ce que les graduations (108) de l'échelle circulaire (106) comportent une zone codée (111), en ce que l'on utilise comme détecteur une suite de diodes (102) qui est réalisée sous la forme d'un anneau fermé et sur la surface sensible à la lumière (103) de laquelle est formée l'image des gra- duations (108), et en ce que le nombre des divisions de l'échelle (106) est égal à celui des diodes de la suite de diodes (102). 2. Dispositif pour la mesure des angles selon la revendication 1, caractérisé en ce que la suite annulaire de diodes (102) comporte un nombre pair de diodes, et en ce que la zone codée (111) est constituée par trois divisions adjacentes de même transparence à la lumière. - 3. Dispositif pour la mesure des angles selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le dispositif d'éclairage (10, 11, 109) de l'échelle (1, 106) émet des éclairs lumineux de courte durée qui sont synchro- nisés avec le cycle d'exploration de la suite de diodes (3, 102).