Brevet FR2567266A1 — publié le 19860110

"Perfectionnements aux dispositifs de lecture pour capteurs optiques de position à plusieurs pistes codées" La présente invention concerne les capteurs optiques de position à plusieurs pistes codées disposées sur une sur- face commune, et plus particulièrement les dispositifs de lecture que comportent de tels capteurs, dispositifs compo- sés de plusieurs détecteurs élémentaires dont chacun est disposé pour recueillir l'information fournie par l'une des pistes codées, information qui est explorée par un faisceau lumineux issu d'une source et frappant les détecteurs après traversée des pistes. On sait qu'il existe plusieurs types de tels capteurs de position: certains déterminent des déplacements rectili- gnes, tandis que d'autres déterminent des déplacements an- gulaires; dans chacun des cas les pistes peuvent être fixes et les lecteurs mobiles, ou bien les pistes peuvent être mo- biles et les lecteurs fixes. L'invention s'applique indif- féremment à ces différents types de capteurs. La section dans le plan des pistes codées du faisceau de lumière issu d'une source-lumineuse qui va apporter aux détecteurs l'information attendue a une influence décisive sur la résolution, la précision et la fiabilité de la me- sure effectuée par le dispositif de lecture. D'autre part, la forme plus ou moins convergente du faisceau a une influ- ence déterminante sur le niveau du signal qui est, toutes choses égales d'ailleurs, proportionnel à l'angle solide rempli par le faisceau; la précision exige par contre des tolérances de positionnement axial des composants optiques d'autant plus sévères que cet angle solide est plus élevé. Par ailleurs, il importe de prendre des dispositions pour que chaque détecteur reçoive la plus grande partie possible de l'énergie lumineuse traversant, au point voulu, la piste qui lui correspond, ce qui répond à la notion de sensibilité, et la plus faible partie possible de l'énergie provenant des autres pistes, ce qui répond à la notion d'immunité à la diaphonie. Si l'on dispose de moyens opti- ques appropriés, la résolution du capteur sera essentielle- ment et directement déterminée par les dimensions de la sec- tion par le plan des pistes codées du faisceau issu de la source de lumière et guidé par les moyens optiques, encore capable d'apporter au détecteur l'énergie suffisante en ni- veau et en modulation pour le faire fonctionner. Pour diminuer l'influence diaphonique des tolérances s'exerçant parallèlement à l'axe optique du système, une disposition très anciennement et très généralement adoptée consiste à rendre parallèles entre eux et perpendiculaires au plan du code, les axes des faisceaux traversant les dif- férentes pistes, et à disposer chacun des détecteurs dans le prolongement d'un de ces axes, passant par la piste af- fectée au détecteur. Une autre disposition connue consiste à interposer dans le passage de ces faisceaux parallèles, au voisinage de la surface du code, un écran opaque comportant des'fenêtres transparentes, qui assurent le calibrage des différents faisceaux ainsi que la définition précise de la position ou des positions périodiques relatives du code et du lecteur qui correspondent pour une piste, à un certain niveau du si- gnal reçu par le détecteur affecté à cette piste. Pour améliorer l'intensité lumineuse des faisceaux qui traversent ces fenêtres transparentes sans nuire au paral- lélisme des axes des différents faisceaux, on connaît par ailleurs l'efficacité d'un demi-cylindre convergent dont l'axe est parallèle à l'axe commun des fenêtres. Enfin on a proposé récemment de réaliser la synthèse des avanta- ges procurés par ces différents dispositifs en supprimant le réticule jugé coûteux et en le remplaçant par une image de la source lumineuse projetée sur la surface codée, frac- tionnée de manière plus ou moins efficace par des dia- -Z567266 phragmes à ouvertures multiples rectangulaires disposés au voisinage des surfaces réfringentes des éléments optiques. Dans une telle solution, la section du faisceau lumi- neux au niveau du code et, par conséquent, la résolution du codeur dépendent directement de la finesse de la source dont l'image est projetée sur le code, de la définition fournie par l'optique et du positionnement précis de tous ces composants. En outre, cette solution fait appel à une source rectiligne dont la réalisation en diode photoémet- trice est coûteuse et délicate; de plus, comme cette source est inévitablement étendue dans la direction perpendiculaire à l'axe optique et parallèle à l'axe commun des éléments récepteurs, les projections sur le plan commun à ces axes des rayons émergeant des diaphragmes rectangulaires placés au contact des surfaces réfringentes-ne sont que médiocre- ment proches du parallélisme, et il en résulte un risque de diaphonie, ce qui oblige soit à écarter les récepteurs, so- lution défavorable à la miniaturisation, soit à réduire la surface des récepteurs, ce qui réduit leur sensibilité. La complexité du système optique, l'exigence d'une source lumineuse spéciale et la multiplicité des réglages nécessaires pour-assurer la précision du codeur sont en fait en contradiction avec l'objectif de réduction de coût auquel répond la suppression du réticule, et il est peu probable que la balance soit en définitive favorable. Bien entendu le centrage de la source lumineuse ayant une influence directe sur la cohérence du code lu, son rem- placement nécessite un réglage particulièrement délicat. En outre,comme les différents éléments dont le posi- tionnement conditionne directement la précision du codeur sont échelonnés le long d'un axe optique relativement long, le risque de dégradation de cette précision sous l'effet des vibrations est important et doit être pallié par une construction plus lourde, plus encombrante et plus coûteuse. La présente invention vise à permettre de résoudre ce problème en réalisant un dispositif de lecture à n détec- teurs élémentaires pour capteur de position comportant n pistes codées disposées sur une surface commune, une source lumineuse et un système optique, caractérisé en ce qu'il comprend un diaphragme à n ouvertures correspondant aux largeurs et écartements des n pistes, rendu définitivement solidaire d'un support qui porte au moins un ensemble de n détecteurs élémentaires, de manière que le diaphragme et cet ensemble se déplacent constamment d'un bloc au cours de toutes les opérations de réglage et de fonctionnement du capteur et en ce que le système optique forme une image astigmate de cette source sur le diaphragme. Avantageusement le diaphragme est constitué par une couche mince opaque déposée sur une lame transparente et dotée de découpures formant fenêtres, cette lame pouvant par exemple: - - soit servir de fermeture à un boîtier constituant ledit support et dans lequel est fixé et protégé l'ensemble des détecteurs; - soit être fixée sur une autre lame transparente qui sert de fermeture à un bottier constituant ledit support et dans lequel est fixé et protégé l'ensemble des détecteurs; - soit être fixée sur une autre lame transparente iso- lante dont la face opposée porte une métallisation et reçoit par fixation adhésive conductrice une plaquette semi-con- ductrice qui porte des éléments photosensibles constituant les détecteurs; - soit porter, sur la face opposée à celle qui compor- te la couche opaque, une métallisation et recevoir par fixa- tion adhésive conductrice, sur cette face opposée, au moins une plaquette semi-conductrice qui porte des éléments pho- tosensibles constituant les détecteurs. En ce qui concerne le système optique de formation du faisceau lumineux éclairant le diaphragme,-celui-ci com- porte avantageusement, en regard d'une source de lumière et à partir de celle-ci en direction du diaphragme puis de la surface des pistes, successivement un système transfor- mateur de convergence, un système de collimation et un système convergent astigmate. De préférence: - le système transformateur de convergence est consti- tué soit par une lentille plan-convexe tournant sa face plane vers la source de lumière, soit par un ménisque con- vergent tournant sa face concave vers la source de lumière; - le système collimateur est constitué par une seconde lentille plan-convexe tournant sa face plane vers la lu- mière incidente; - le système convergent astigmate est constitué par une lentille plan-convexe hémi-cylindrique, dont la convexité est tournée vers le système collimateur et la face plane est tournée vers le diaphragme. L'invention pourra, de toute façon, être bien comprise à l'aide du complément de description qui suit, ainsi que des dessins ci-annexés, lesquels complément et dessins sont, bien entendu, donnés surtout à titre d'indication. La figure 1 est une vue en coupe axiale d'un premier mode de réalisation préféré d'un capteur optique de position angulaire, doté des perfectionnements selon l'invention. La figure 2 est une coupe par II-II de la figure 1. La figure 3 est une vue en coupe axiale d'un second mode de réalisation préféré d'un capteur optique de position angulaire, doté des perfectionnements selon l'invention. La figure 4 est une coupe simplifiée et à échelle ré- duite, par IV-IV, de la figure 3. Selon l'invention et plus spécialement selon celui de ses modes d'application, ainsi que selon ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, auxquels il semble qu'il y ait lieu d'accorder la préférence, se proposant, par exemple, de réaliser un dispositif de lecture pour capteur optique de position à plusieurs pistes codées, on s'y prend comme suit ou d'une manière analogue. Sur les figures 1 et 2 on a illustré un premier mode de réalisation préféré d'un capteur optique apte à détermi- ner la position angulaire d'un arbre 1 tournant dans un corps 2 autour d'un axe XX, grâce à des paliers 3. Le cap- teur optique comporte un disque 4 en verre sur lequel est inscrite, par exemple par gravure, une surface codée 4a constituée par des zones élémentaires alternativement opa- ques et transparentes disposées dans un ordre déterminé sur un certain nombre de pistes circulaires concentriques. Les zones élémentaires opaques interceptent la lumière is- sue-d'une source lumineuse 5 et traversant un système opti- que 6, tandis que les zones élémentaires transparentes laissent passer la lumière issue de la source 5 et ayant traversé le système optique 6. La source de lumière 5 est avantageusement constituée par une diode émettrice de rayonnement infrarouge de sur- face émettrice relativement réduite. Le système optique 6 comprend trois systèmes optiques 7, 8 et 9 (figures 1 et 2). Le-système 7 comprend une len- tille transformatrice de convergence, le système 8 est un système de collimation, tandis que le système 9 concentre la lumière sur les pistes circulaires concentriques. Les modes de réalisation préférés des éléments 7, 8 et 9 du système optique 6 seront indiqués ci-après. Le diaphragme 10 à plusieurs fenêtres (n fenêtres pour n pistes) est formé par une mince couche de métallisation avec des réserves formant les fenêtres transparentes, dépo- sée sur un support transparent 11 collé sur une lame de verre 12 qui est fixée en permanence par collage ou soudure sur un support en forme de boîtier 13 qui porte une pla- quette semi-conductrice 14 sur laquelle ont été créés par diffusion des éléments photosensibles (n éléments photosen- sibles pour n pistes) constituant les détecteurs élémen- taires affectés à la lecture optique des pistes de la sur- face codée 4a; ces détecteurs élémentaires de la plaquette 14 sont disposés en correspondance des fenêtres transparen- tes du diaphragme 10 qui leur correspondent respectivement. La lame de verre 12 assure également une fermeture étanche -2567266 du boîtier 13 et protège la plaquette semi-conductrice 1'4. Le boîtier 13 dont sont solidaires, d'une manière per- manente, la lame transparente 12 portantle diaphragme à fenêtres 10, d'une part, et la plaquette semi-conductrice 14 qui comporte les éléments photosensibles, d'autre part, est assujetti au corps fixe 2 du codeur par l'intermédiaire d'un système de réglage qui fait l'objet d'une demande de brevet français déposée ce même jour par la demanderesse pour "Perfectionnements aux dispositifs de réglage des lec- teurs pour capteurs de position angulaire comportant plu- sieurs pistes circulaires concentriques codées et qui com- prend essentiellement une platine de réglage 15, une ron- delle 16, des vis d'appui 17, des vis de réglage radial 18 et des vis de blocage 19. Le réglage est -effectué relative- ment à l'axe XX. Dans le cas préféré d'une source de lumière 5 consti- tuée par une diode émettrice dans l'infrarouge, le système optique 6 comprend - une lentille de forme plan-convexe, qui joue le-r1le de transformateur de convergence 7 et qui tourne sa face plane vers la source de lumière; - une lentille plan-convexe, qUi joue le rôle de colli- mateur 8 et qui tourne sa face plane vers la source lumi- neuse, la lentille du système 8 étant réalisée dans le même verre que la lentille du système 7, ce verreayant un in- dice de réfraction modéré; et - un barreau convergent hémi-cylindrique, qui consti- tue un système concentrateur 9 avec sa convexité tournée vers la source de lumière et qui concentre -la-lumière qu'il reçoit sur l'alignement des fenêtres du diaphragme 10. A titre de variante,, la lentille du système 7 pourrait être constituée par un ménisque stigmatique apianétique et réalisée en un verre d'indice plus élevé que le verre du système 8. A titre d'autre variante, on peut prévoir que l'en- semble des lames 11 et 12 est remplacé par une seule lame transparente qui reçoit sur une face le diaphragme 10 à ou- vertures multiples et qui est fixée par l'autre face sur le boîtier 13. D'un autre côté, le système optique 6 pourrait être réalisé différemment de ce qui est illustré. Ainsi - le système 7 pourrait être constitué par un ménisque convergent tournant sa face concave vers la source de lu- mière 5; - le système optique 6 pourrait comporter au moins un dioptre qui présente autour de l'axe optique deux courbu- res méridiennes principales différentes, toutes deux con- vexes, formant un ellipsoïde convexe ou un tore convexe, qui pourrait être engendré par la translation, le long d'une des sections méridiennes principales, de la section méridienne perpendiculaire et réciproquement; le système optique 6 pourrait comporter un dioptre non sphérique, de révolution autour de l'axe optique, et dont la section est une portion de courbe géométrique ap- partenant à la famille des sections coniques. Référence étant maintenant faite aux figures 3 et 4, on va décrire un second mode de réalisation préféré de l'invention, également dans le cas d'un capteur optique de dépiacement angulaire. On a utilisé sur les figures 3 et 4 les mêmes réfé- rences que sur les figures 1 et 2 pour désigner des élé- ments correspondants. Tout d'abord la source 5 et le système optique 6 sont du même type, les variantes prévues ci-dessus pouvant éga- lement s'appliquer au cas du second mode de réalisation. Le disque 4 et la surface codée 4a sont également du même type que dans le cas de la figure 1. La différence essentielle entre le second et le pre- mier-mode de réalisation est constituée par le fait que le diaphragme 10 à ouvertures multiples est disposé sur une lame transparente isolante Ila dont la face opposée porte une métallisation 20 qui reçoit, par fixation adhésive conductrice, une plaquette semi-conductrice 14a portant les éléments photosensibles. A titre d'exemple, la lame trans- parente lla a la forme d'une couronne annulaire et elle porte, comme illustré sur la figure 4, trois lecteurs 14a, 14b et 14c, dont deux, 14b et I4c, sont disposés en regard l'un de l'autre pour réaliser une compensation des erreurs mécaniques de rotation connues sous le nom de "battement radial". Chacune des plaquettes semi-conductrices 14a, 14b et 14c est protégée par un enrobage 21 et la lame lla est fixée sur la platine 15 par trois piliers 22. Le système d'assujettissement au corps 2 de la platine de réglage 15, dont est solidaire l'ensemble du diaphragme à fenêtres multiples et des plaquettes semi-conductrices 14a, 14b et 14c, peut être le même que dans le mode de réa- lisation des figures 1 et 2, à savoir du type décrit dans ladite demande de brevet déposée ce même jour par la deman- deresse, et comporter, en plus de la platine de réglage 15, une rondelle 16, des vis d'appui 17, des vis de réglage ra- dial 18 et des vis de blocage 19. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. En particulier le capteur optique de position doté des perfectionnements selon l'invention pourrait constituer un capteur de position linéaire pour un organe en déplacement de translation linéaire, les n.pistes codées étant dans ce cas des pistes linéaires parallèles, au lieu de constituer un capteur optique apte à déterminer la position angulaire d'un arbre tournant. Par ailleurs le diaphragme à n ouvertures pourrait être constitué par une couche mince opaque déposée sur une lame transparente, elle-même fixée sur une autre lame transparente isolante, dont la face opposée porte des mé- tallisations en forme de conducteurs et reçoit par fixation adhésive conductrice des composants optoélectroniques com- prenant au moins une plaquette de semi-conducteur qui porte des éléments photosensibles. -2567266 -11 REVENDICATIONS 1. Dispositif de lecture à n détecteurs élémentaires pour capteur de position comportant n pistes- codées dispo- sées sur une surface commune, une source lumineuse et un système optique, caractérisé en ce qu'il comprend un dia- phragme a n ouvertures (10) correspondant-aux largeurs et écartements des n pistes, rendu définitivement solidaire d'un support (13) qui porte au moinsun. ensemble 14, 14a, 14b, 14c) de n détecteurs élémentaires, de manière que le diaphragme et cet ensemble se déplacent constamment d'un bloc au cours de toutes leseopérations de réglage - et de fonctionnement du capteur, et en ce que le système optique (6) forme une image astigmate de cette source lumineuse sur le diaphragme. 2. Dispositif de lecture selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diaphragme est constitué par 15. une couche mince opaque déposée sur une lame transparente (11; lia) et dotée de découpures formant fenêtres. 3. Dispositif de lecture selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite lame transparente sert de fermeture à un boîtier -constituant ledit support et dans lequel est fixé et protégé l'ensemble des détecteurs 4. Dispositif de lecture selon la revendication 2,. caractérisé en ce que ladite lame transparente (11) est fixée sur une autre lame transparente (12) qui sert de fermeture à un boîtier constituant ledit support (13) et dans lequel est fixé et protégé l'ensemble des détecteurs (14). 5. Dispositif de lecture selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite lame transparente(lla) porte, sur la face opposée à celle qui comporte la couche opaque, une métallisation (20) et reçoit par fixation adhésive conductrice, sur cette face opposée, au moins une plaquette semi-conductrice (14a, 14b, 14c) qui porte des éléments photosensibles constituant les détecteurs.; 6. Dispositif de lecture selon la revendication 2, caractérisé en ce que le diaphragme (10)est constitué par une couche mince opaque déposée sur une lame transparente, elle-même fixée sur une autre lame transparente isolante,dontla face opposée porte des métallisations en forme de conducteurs et reçoit par fixation adhésive conductrice des composants optoélectronique comprenant au moins une plaquette de semi- conducteur qui porte des éléments photosensibles. 7. Dispositif de lecture selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système optique (6) comporte avantageusement, en regard d'une source de lumière et à partir de celle-ci en direction du diaphragme puis de la surface des pistes, successiem ent un système transformateur de convergence (7)- un système de collimation (8) et un système convergent astigmate (9). - 8. Dispositif de lecture selon la revendication 7, caractérisé en ce que le système transformateur de conver- gence (7) est constitué par une lentille plan-convexe tournant sa face plane vers la source de lumière. 9. Dispositif de lecture selon la revendication 7, caractérisé en ce que le système transformateur de conver- gence (7) est constitué par un ménisque convergent tournant sa face concave vers la source de lumière. 10. Dispositif de lecture selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système optique (6) comporte au moins un dioptre qui présente, autour de l'axe optique, deux courbures méridiennes principales différentes, toutes deux convexes. 11. Dispositif de lecture selon l'une quelconque des revendications 7 à 10,caractérisé en ce que le système convergent astigmate (9) est constitué par une lentille plan-convexe hémicylindrique, dont-la convexité est tournée vers le système collimateur et la face plane est tournée vers le diaphragme.