Brevet FR2535046A1 — publié le 19840427

La présente invention concerne un dispositif de mesure de déplacement optoélectronique de haute précision. On connait déjà par les brevets français N" 2.340.574 et 2.439.381 des dispositifs analogues de mesure dimensionnelle de précision utilisant de la lumière partiellement masquée par un cache mobile lié à un corps mobile pour exciter des récepteurs photoélectriques groupés en au moins une paire, en vue d'exploiter par un circuit électronique, le sens et la valeur de la différence d'éclairement des deux photorécepteurs d'une même paire, et tirer de cette information, la mesure du déplacement dudit corps mobile ayant engendré ladite différence d'éclairement. En mesures de déplacements de haute précision le montage prévu par ces brevets n'est pas pleinement satisfaisant par le fait que le cache mobile est mécaniquement solidaire de la tige mobile en contact avec la surface à contrôler. Le jeu mécanique, aussi réduit qu'il soit, de la tige mobile dans ses fourreaux de guidage, entrain en effet inévitablement une variation d'éclairement des photoréceptéurs, d'où une erreur de lecture. Le montage décrit par le brevet français NO 2,439.381 apporte une solution qui permet de minimiser l'effet du jeu mécanique latéral de la tige mobile à laquelle se trouve lié le cache mobile. Par contre, ce montage ne permet pas d'éviter l'erreur de lecture due au jeu en rotation de la tige mobile qui correspond au jeu mécanique du cache ou porte-cache entre ses parois de guidage. Pour que cette erreur de lecture soit négligeable, il est donc nécessaire de limiter à une valeur extrêmement faible ce jeu en rotation, d'où un coût élevé de réalisation. Le but de la présente invention est de pallier ces inconvénients pour permettre d'obtenir d'une part une meilleure précision de mesure par annulation des effets dus à tous les jeux mécaniques de la tige mobile en contact avec la surface à contrôler (à la fois jeu latéral et en rotation) et d'autre part, de réaliser ainsi un capteur de déplacements optoélectronique de petites dimensions avec des tolérances courantes pour la réalisation des parties mécaniques. A cette fin, un dispositif selon l'invention utilise un éclairage en direction de deux photorécepteurs partiellement masqués par un cache mobile dont la position est représentative de celle d'une tige mobile dont on veut mesurer les déplacements, de telle sorte que lorsque l'éclairement de l'un augmente celui de l'autre diminue, les surfaces sensibles des deux photorécepteurs étant situées dans un même plan et de part et d'autre de l'axe y' y de déplacement de la ti.ge mobile et chacune délimitée par un contour de forme carrée ou rectangulaire dont les côtes sont parallèles à deux axes x' x et y' y, ledit dispositif étant caractérisé en ce que l'élément cache mobile est mécaniquement indépendant de la tige mobile avec laquelle il est en contact ponctuel sur une partie hémisphérique de son extrémité intérieure, par action d'un ressort de compression, qui permet également de maintenir l'extré- mité extérieure en contact ave la pièce à contrôler sous une force de pression prédéterminée. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'une forme de réalisation particulière d'un tel dispositif dit "capteur de déplacement" et à l'examen des dessins annexés correspondants dans lesquels - les figures 1 et 2 sont représentatives de l'art antérieur - la figure 3 correspond à un capteur de déplacement selon l'invention ; - la figure 4 est un exemple de réalisation d'un élément cache mobile selon l'invention - la figure 5 représente le schéma électronique des circuits émetteur et récepteur de lumière intégrés au capteur. Selon les figures let 2 représentatives de l'art dejà connu, le cache 109 dont le support 110 est latéralement guidé par les faces internes 102, 103 de l'évidement 104 est rendu solidaire de la tige mobile 105 au moyen de la vis 127. I1 s'ensuit que le jeu en rotation de la tige mobile, qui correspond à celui du cache entre les faces 102, 103 entraine une variation de parallaxe et de l'éclairage parasite des photorécepteurs 1, 2 par réflexion sur les parois latérales internes du support 110 à partir de la source de lumière 112 , d'où une erreur de lecture correspondant à celle de la variation différentielle des éclairements des deux photorécepteurs pour une position donnée de la tige mobile. La figure 3 correspond à un capteur de déplacement selon l'invention. I1 comprend un corps ayant une partie basse cylindrique tubulaire 101 qui sert à la fixation du capteur sur un support non représenté ct une partie haute 120 formé de deux plans parallèles l()2 ct 103 délimitant un logement à deux faces opposées planes 104. Dans le corps cylin drique peut coulisser une tige mobile 105 terminée extérieurement par une touche de contact 106 guidée par deux fourreaux 107 et 108 intérieurs au corps 101 et terminée intérieurement dans le logement 104 par une pièce vissée à épaulement et à surface arrondie de type hémisphérique. Une sortie tubulaire 109 permet, par application d'une dépression d'air de relever la tige mobile 105. Dans le logement 104, on trouve - un élément cache mobile 200, dont la partie plane fonctionnelle 202 est située perpendiculairement à la figure 3 en étant constituée de deux ouvertures de forme carrée ou rectangulaire en opposition l'une par rapport à l'autre avec un sommet commun. Cet élément cache mobile est mécaniquement indépendant de la tige mobile 105, la liaison avec celle-ci ou avec une pièce solidaire étant assurée par appui tangentiel en un point axial, sous l'action du ressort de compression 113, qui sert aussi à maintenir la touche de contact 106 en pression sur la surface à contrôler en s'appuyant d'un coté sur le corps 120 et du coté opposé sur l'élément cache mobile 200. La figure 4 est un exemple de réa1isationde l'élément cache mobile qui comprend deux parties - une première partie est constituée d'un bloc 201 largement évidé intérieurement pour assurer le libre passage de la lumière de la source 112 vers les photorécepteurs 1, 2, au travers de deux ouvertures opposées l'une à l'autre avec un sommet commun obtenues par usinage, électroérosion ou attaque chimique, sur une face 202 dont l'épaisseur est de l'ordre du dizième de millimètre. Ce bloc 201 présente deux épaulements 203, 204 débordants par rapport aux flancs latéraux 205, 206, dont l'espacement correspond à celui des faces 102, 103 du corps 100.. Deux poussoirs 208, 209 à extrémité extérieure arrondie, agissant par-action de ressorts de faible pression, permettent d'assurer un contact permanent du bloc 201 contre l'une desdites faces 102, 103 du corps 100. Ces poussoirs sont situés d'un même coté du bloc 201 et décalés de part et d'autre de l'axe de la tige mobile 105. Le bloc 201 est noirci intérieurement pour obtenir une protection contre la lumière parasite et comprend en outre, sur sa partie supE- rieure, un emplacement en creux destiné à recevoir une extrémité du ressort de compression 113 (figure 3). - une seconde partie est constituée d'une plaquette 210, de dimensions identiques à celles de la face 202, avec un évidement central correspondant à celui du bloc 201 et lamelles ressorts 211, 212. Après introduction du bloc 20I dans l'évidement I04, cette plaquette est fixée sur ledit bloc à l'aide de deux vis, la distance la séparant des épaulements 203, 204 correspondant à la largeur des faces de guidage I02, I03. tes tolérances d'usinage et la pression des ressorts permettent d'obtenir une excellente liberté-de mouvement de l'élément cache mobile qui se trouve en contact tangentiel par action du ressort II3 sur la partie hémisphérique de l'extrémité intérieure de la tige mobile I05. Un clip III logé dans une rainure II0, sert de butée de fin de course de la tige mobile vers l'extérieur. Avec ce type de réalisation, les mouvements du cache sont guidés: - d'une part, par la mise en contact permanente d'un flanc 205 (206) sur la paroi interne d'une face I02 (I03) du corps I00 sous l'action de deux poussoirs 208, 209; - d'autre part, par les épaulements 203, 204 du bloc 20I et par la plaquette 210, en association avec les sections perpendiculaires au plan de la figure 3 des faces I02, I03 et lames ressorts 2II, 2I2. Avec un tel guidage et un seul point tangentiel de contact axial avec la tige mobile I05, les jeux mécaniques latéraux ou de rotation de celle-ci dans ses fourreaux de guidage sont sans aucun effet sur la position du cache et n'entraînent donc plus d'erreur de lecture pour une position donnée. Le dispositif selon l'invention comprend aussi: - le support II4 perpendiculaire au plan de la figure 3 qui comprend la source de lumière II2 et son circuit d'alimentation électrique associé de type hybride. La source II2 est une diode électroluminescente ou une lampe à incandescence. - Le support II5 perpendiculaire au plan de la figure 3, de l'ensemble élect onique "récepteur" comprenant, d'une part, les deux photorécepteurs I, 2 dont les surfaces sensibles sont délimitées par un contour de forme carrée ou rectangulaire en étant très voisines l'une de l'autre, et d'autre part, les divers composants électroniques sur circuit hybride nécessaires pour le traitement de l'information. Les photorécepteurs sont des photodiodes ou des phototransistors. Le corps du dispositif est place entre deux coquilles I2I, I22 de forme parallélipipédique avec un creux ovoîde. Le rebord de ces coquilles est creusé de deux entailles demi-cylindriques, respectivement I23 et I25 pour la demi-coquille I2I, et I24, I26 pour la demicoquille I22. Les deux entailles I23 et I24 de relativement grand diamètre emprisonnent entre elles le corps cylindrique 101 et les deux entailles 125 et 126 de diamètre plus réduit emprisonnent entre elles la sortie tubulaire 116. l'intérieur du boîtier formé par les coquilles 121, 122 réunies ainsi que la partie 120 du corps 100 permettent le passage des conduc teurs électriques de liaisons entre les circuits émetteur récepteur et un boîtier séparé (non représenté) utilisable avec un ou plusieurs capteurs. L'ouverture 127 permet laccès au réglage du gain. Pour l'utilisation du capteur selon l'invention avec une lecture galvanométrique, ledit boîtier séparé contient - d'une part, l'alimentation électrique basse tension continue et régu lée, nécessaire au fonctionnement des circuits émetteur et récepteur d'autre part, un indicateur électrique à aiguille ou à affichage digital donnant la valeur précise d'un déplacement de la tige 105 du capteur. Représenté par la figure 5, l'ensemble électronique, intégré au capteur, comprend le circuit émetteur 300 et le circuit récepteur 400 de types connus. Le circuit émetteur 300 fonctionne avec une alimentation sous basse tension régulée extérieure non représentée et comprend une résis tance 305 en parallèle avec une &commat;I1\I LiI 304 fournissant un courant sous basse tension corrigée en température pour la source de lumière 112 mon tée en série avec une résistance de charge 306 sur le collecteur d'un transistor 303. Le circuit récepteur 400 alimenté par la même alimentation basse tension régulée extérieure comprend entre deux lignes d'alimentation électrique 401 et 402 les principaux éléments suivants - les deux photorécepteurs 1 et 2 - un amplificateur 406 dont l'entrée négative est reliée à l'électrode commune des deux photorécepteurs 1 et 2 et dont l'entrée positive est reliée extérieurement à une tension de référence de valeur fixe ou réglable V0. Le gain de l'amplificateur 406 est réglé au moyen du potentiomètre 407 monté entre ltentrée négative et la sortie de l'amplificateur. - une capacité de faible valeur, 20 nF par exemple, est montée en parallèle avec le potentiomètre 407. La sortie du circuit récepteur peut être reliée extérieurement - soit à un indicateur électrique 408 à travers la résistance 409 lui même relié à la masse, permettant de connaître la valeur des déplace ments de la tige mobile du capteur - soit à un dispositif de commutation électronique permettant la commande des déplacements ou arrêts de corps mobiles à partir de valeurs prédéterminées du niveau de tension du signal de sortie. Dans une autre forme de réalisation du dispositif selon l'invention, il est par exemple possible de remplacer les poussoirs cylindriques à extrémité extérieure arrondie, par des billes poussées par action des mêmes ressorts, ou d'utiliser tout autre moyen pour appliquer l'élément cache mobile contre l'une des facesinternes 102, 103 du corps 100 (figure 3). On peut aussi remplacer la partie hémisphérique de ltextrémité de la tige mobile 105 par une bille fixe ou mobile autour de son centre. Bien entendu, l'invention ne se limite pas aux exemples décrits et représentés de forme de réalisation ; elle est susceptible de nombreuses variantes réalisables par l'homme de l'art sans qu'on s'écarte pour cela de son domaine. REVEND ICAT IONS I - Dispositif de mesure de déplacement optoélectronique de haute précision utilisant un éclairage en direction de deux photorécepteurs partiellement masqués par un élément cache mobile, dont la position est représentative de celle d'une tige mobile dont on veut -mesurer les déplacements, de telle sorte que lorsque l'éclairement de l'un augmente, celui de l'autre diminue, les surfaces sensibles des deux photorécepteurs situés côte à côte étant dans un même plan et de part et d'autre de l'axe yy' du déplacement-de la tige mobile et chacune délimitée par un contour de forme carrée (rectangulaire) dont les côtés sont parallèles à deux axes x'x, y'y, caractéris8 en ce que l'élément cache mobile 200 est indépendant de la tige mobile 105 avec laquelle il est en contact ponctuel sur une partie convexe S de son extrémité intérieure. 2 - Dispositif selon la revendication I, caractérisé d'une.part, en ce que l'élément cache mobile 200 est en contact ponctuel sur la partie convexe S de l'extrémité intérieure de la tige mobile I05 par action d'un ressort de compression II3 s'appuyant d'un caté, sur une partie fixe I20 du corps I00 et de l'autre coté, sur ledit élément cache mobile, le ressort II3 servant aussi à maintenir l'extrémité extérieure de la tige mobile en contact avec la pièce à contrôler par l'intermédiaire d'une touche de contact I06 sous une pression prédéterminée, et d'autre part, en ce qu'il comprend un moyen de retenue de fin de course de la tige mobile I05 vers l'extérieur. 3 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications I à 2, caractérisé en ce que ledit moyen de retenue de fin de course de la tige mobile I05 vers l'extérieur est un clip III logé dans une rainure 110. 4 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications I à 3, caractérisé en ce que la partie convexe S de l'extrémité intérieure de la tige mobile I05 est celle d'une pièce rendue solidaire de-ladite extrémité. 5 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications I à 4, caractérisé en ce que l'élément cache mobile 200 est guidé parallèlement à l'axe de déplacement de la tige mobile, par son application permanente contre des parties fixes de guidage, du corps I00, à l'aide de ressorts. 6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications I à 5, caractérisé en ce que l'élément cache mobile 200 a un flanc latéral 206 (205) appliqué contre une face fixe interne de guidage I02 (I03) du corps I00, par action permanente de poussoirs 208, 209 dont l'extrémité extérieure est arrondie et s'appuie sur une face fixe interne opposée I03 (I02). 7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications I à 6, caractérisé en ce que chaque poussoir est logé avec un ressort à compression dans l'un de deux trous situés de part et d'autre de l'axe de la tige mobile et distants l'un par rapport à l'autre selon cet axe. 8 - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que chaque poussoir est une pièce de forme cylindrique à extrémité extérieure hémisphérique. 9 - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que chaque poussoir est une bille sphérique. 10 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications I à 9, caractérisé en ce que l'élément cache mobile 200 est formé d'une première pièce 20I à deux épaulements débordants 203, 204, perpendiculaires à ses flancs parallèles latéraux 205, 206, et d'une deuxième pièce 210 assemblée à la première, également débordante par rapport auxdits flancs. II - Dispositif selon l'une quelconque des revendications I à I0, caractérisé en ce que le guidage de l'élément cache mobile 200 paralêlement aux faces fixes internes de guidage 102, I03 du corps I00, est assuré par appui des parties débordantes 203, 204 sur- des parties fixes du corps I00 perpendiculaires auxdites faces, par action de ressorts 2II, 2I2 solidaires de la pièce 210. I2 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications I à II, caractérisé en ce qu'une ouverture I27 pratiquée dans une partie du boîtier I2I-I22 permet l'accès à une vis de réglage du gain pour l'opération d'étalonnage avec un potentiomètre 407. I3 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications I à I2, caractérisé en ce que: - la tige mobile (I05) à extrémité intérieure de forme convexe, équipée d'une touche de contact (I06) coté extérieur et d'un cip (III) coté intérieur, - l'élément cache mobile (200) mécaniquement indépendant de ladite tige mobile, - le ressort de compression (II3), - les circuits émetteur et récepteur de lumière, sont montés sur une première partie d'un corps enfermée dans un boîtier (I2I - I22), une seconde partie cylindrique dudit corps servant au guidage de la tige mobile et à la fixation du dispositif sur un statif de contrôle. I4 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications I à I3, caractérisé en ce que le circuit émetteur (300) fonctionne avec une alimentation sous basse tension régulée et comprend une résistance de charge (305) en parallèle avec une résistance a coefficient de température négatif (304) pour fournir un courant sous basse tension corrigé en température à la source de lumière cri12) montée en série sur le collecteur d'un transistor (303).