Brevet FR2581179A1 — publié le 19861031

- 1 7- ENCODEUR OPTIQUE INCREMENTAL A VERNIER ACCORDE. La présente invention concerne un encodeur incrémental comprenant un rotor portant sur sa périphérie une série circulaire de fenêtres, et au moins un lecteur constitué d'un couple d'unités de lecture pour lire le passage des fenêtres, lesdites unités comprenant une diode électrolumi- nescente, un écran doté de fenêtres et un semi-conducteur sensible à la lumière (phototransistor). Les encodeurs sont des appareils électro- optiques permettant de mesurer la rotation angulaire d'un arbre grâce à une série d'impul- sions. Leur utilisation est très répandue et leur fonction- nement est connu. Ils comprennent: un rotor portant sur sa périphérie un grand nombre de fenêtres de petites dimensions allongées dans le sens radial, une diode électroluminescente monochromatique, un écran disposé devant la diode et compor- tant plusieurs fenêtres égales à celles du rotor, et un phototransistor qui reçoit la lumière émise par la diode et qui traverse l'écran et les fenêtres du rotor, lorsque les fenêtres du rotor se trouvent au moins en partie face à celles de l'écran. Le phototransistor émet un signal élec- trique qui est fonction de la lumière reçue. Si les fenêtres du rotor ne se trouvent pas au moins en partie face aux fenêtres de l'écran, la lumière ne peut pas traverser et le phototransistor n'est pas conducteur. Pour chaque tour complet du rotor, le phototransistor devient conducteur un nombre de fois égal au nombre de fenêtres du rotor. La -2- distance entre les centres ou les lignes médianes de deux fenêtres adjacentes représente le pas, et le nombre de fenê- tres est égal au nombre de signaux émis par tour. Si chaque fenêtre présente une largeur d'un demi-pas, la forme du courant du phototransistor est sensiblement sinusoidale lors de la rotation du rotor, et pendant un tour le nombre de sinusoides est égal au nombre de fenêtres du rotor. Les encodeurs comprennent en outre un second ensemble diode- phototransistor-écran, dans lequel l'écran est déplacé d'une demi-fenêtre, c'est-à-dire de 90 par rapport à l'écran du premier ensemble, si bien que dans ce second ensemble le signal provenant du phototransistor relatif est déphasé de 90 par rapport au signal du premier lors de la rotation. Les deux signaux de sortie des deux phototransis- tors sont convertis en deux ondes carrées qui sont telles que lors de la rotation du rotor dans un sens, la première onde monte lorsque l'autre est au niveau bas, alors que lors d'une rotation en sens opposé du rotor, la première onde monte lorsque l'autre est au niveau haut. Ainsi, il est possible de distinguer les impulsions engendrées dans un sens de rotation par rapport à celles engendrées lors d'une rotation en sens inverse. Sur toutes les impulsions qui constituent les ondes carrées, les fronts d'ondes ascendants et les fronts d'ondes descen- dants sont comptés pour obtenir enfin quatre impulsions pour chaque fenêtre du rotor. La caractéristique la plus importante d'un encodeur concerne la précision avec laquelle il indique l'angle de rotation subi par l'arbre associé au rotor. Il est bien connu que, pour indiquer une valeur avec une grande précision, il faut disposer de nombreux chiffres et, par conséquent, de nombreuses fenêtres du rotor. Dans l'état de l'art actuel, le nombre maximal de fenêtres dans un cercle d'un diamètre de 50 mm est de 3000, pour obtenir 3- 12000 impulsions par tour en comptant tous les quatre fronts d'ondes. Dans un tel encodeur, la largeur de chaque fenêtre est de 26 microns et le déplacement d'une demi-fenêtre est par conséquent de 13 microns. Un tel rotor, représenté schématiquement sur la vue en plan de la figure 1, présente deux inconvénients, le premier étant le décentrage et le second la distribution non unifor- me des fenêtres. Il est impossible de résoudre ces deux problèmes. La raison en est que le décentrage existe toujours pour n'importe quel organe rotatif et une distribu- tion non uniforme des fenêtres résulte nécessairement de la méthode photographique et chimique mise en oeuvre ordinaire- ment pour réaliser les fenêtres et qui est influencée non seulement par les imperfections de la conception initiale, mais aussi par la photographie (par exemple le parallélisme de la conception et la plaque photographique) et par l'objectif. Sur la figure 1 on a montré le rotor d'un enco- deur connu comprenant deux unités de lecture. Dans ce rotor, indiqué en R, les fenêtres sont indiquées en 11, la première unité de lecture en 12 et la seconde unité avec son écran déplacé d'une demi-fenêtre en 14. Le centre théorique du rotor est indiqué en 15 et le centre réel qui se trouve en fait décentré, en 13. Sur la figure 1 on voit que, en suppo- sant que chaque fenêtre ait une largeur de 26 microns et que l'écran de l'unité 14 soit déplacé d'une demi-fenêtre, c'est-à-dire de 13 microns, même si les fenêtres étaient toutes absolument parfaites, une distance entre les centres et 13 de seulement 6,5 microns suffirait pour déplacer l'unité 14 d'une demi-fenêtre, la rendant de ce fait'inuti- le. Le déplacement de 90 deviendrait alors soit de 00-, soit de 180 . En tenant compte du fait supplémentaire que la distribution non uniforme des fenêtres peut atteindre 10-20 microns, on voit tout de suite que l'ensemble ne peut pas fonctionner correctement. Les fabricants d'encodeurs ont cherché à éviter ces problèmes en montant les deux unités de lecture -4- très près l'une de l'autre, comme le montre la figure 2. Ainsi, ni le décentrage, ni la distribution non uniforme des fenêtres ne devraient modifier de manière significative la différence de phase entre les deux signaux. Toutefois, les problèmes de décentrage et de la distribution non uniforme subsistent toujours et ils ont une influence, bien que dans un moindre degré, sur l'indication de l'angle d'arbre, gran- deur qui devrait justement être très précise. Pour être complet, il faut préciser que dans les encodeurs, chaque unité de lecture est équilibrée par une autre unité déplacée de 180 par rapport à la première. Le déplacement en degrés électriques indique l'angle de phase entre les signaux de sortie des phototransistors de deux unités de lecture. Un déplacement de 180 signifie que ces signaux sont en opposition. Cela est obtenu en déplaçant l'écran d'une unité d'un demipas, c'est-à-dire d'une fenêtre, par rapport à l'écran de l'autre unité. Le but d'un tel déplace- ment de 180 est de permettre d'envoyer sur un comparateur de tension une meilleure lecture afin d'obtenir le signal en ondes carrées. Les deux unités de lecture déplacées en phase de 180 degrés électriques constituent un "lecteur". Un premier objet de la présente invention est de réaliser un encodeur dans lequel l'indication de la position angulaire de l'arbre n'est influencée ni par le décentrage, ni par la distribution non uniforme des-fenêtres du rotor. Un autre objet de la présente invention est d'augmenter le nombre d'impulsions par tour pour le même nombre de fenêtres du rotor, afin d'obtenir une plus grande précision de l'indication de la position angulaire. Pour atteindre ces objectifs et d'autres, qui apparaîtront mieux de la description détaillée donnée ci-après, l'inven- tion a pour objet un encodeur du type indiqué, caractérisé essentiellement en ce que le rotor comprend un organe annu- laire périphérique, qui porte la série circulaire de fenê- - 5 - tres et sur lequel agissent des moyens de poussée pouvant être ajustés afin de corriger le décentrage et la distribu- tion non uniforme des fenêtres. Selon un aspect important de l'invention, afin d'obtenir des signaux de sortie qui sont exactement déphasés et pour augmenter ainsi le nombre d'impulsions par tour pour des nombres égaux de fenêtres de rotor, les écrans des unités sont réglables individuellement le long d'un trajet limité qui coïncide au moins approximativement avec la série circu- laire de fenêtres de rotor. Grâce à l'invention, il est non seulement possible d'obtenir une différence de phase exacte de 90 degrés électriques entre les signaux émis par deux unités de lecture telles que les unités 12 et 14 des figures 1 et 2, mais il est en outre possible de prévoir d'autres unités de lecture, même une tous les dix degrés, afin d'obtenir des signaux qui sont déphasés diversement et d'obtenir ainsi un très grand nombre d'impulsions par tour. De cette manière, on réalise une lecture vernier. Pour obtenir un tel résultat, il suffit d'ajuster la position de chaque écran de façon à l'amener en phase correcte avec les autres unités. Cet ajustement repré- sente donc une opération de réglage ou de "calage". Une forme d'exécution de la présente invention est décrite ci-après à titre d'exemple non limitatif en se référant aux dessins annexés dans lesquels: Les figures 1 et 2 sont des vues schématiques en plan d'encodeurs classiques; La figure 3 est une section diamétrale d'un encodeur conforme à l'invention; La figure 4 est une vue partielle avec arrachements suivant la flèche IV de la figure 3; et -6- La figure 5 est une représentation schématique du circuit de l'encodeur des figures 3 et 4. L'encodeur selon le mode de réalisation représenté sur les figures 3 et 4 comprend un boîtier rigide en forme de cuvet- te 21, dans lequel un arbre 24 est porté par des roulements à billes 26. Un disque 38 est rendu solidaire de l'arbre par une vis 37 se vissant dans l'arbre. Le long de la périphérie du disque, on prévoit des orifices axiaux filetés espacés uniformément 50, communiquant chacun avec un trou traversant 51. Une vis profilée 36 est disposée dans chaque orifice fileté 50. Le profil est d'une forme conique ou de gobelet, c'est-à-dire que sa section augmente en largeur en direction de l'extrémité extérieure de la vis à partir de sa largeur la plus faible qui se situe vers l'autre extrémité de la vis. Dans le trou axial 51 est disposée une bille 35, dont le diamètre dépasse la longueur du trou, de sorte que des portions de la bille font saillie en dehors du trou. Par réglage de la vis 36 il est, par conséquent, possible de faire varier la position de la bille 35 dans le trou 51 qui la reçoit. Les billes sont conçues pour agir sur la face tronconique intérieure 22 d'une bague métallique comprenant une première bague intérieure 34 et une bague extérieure 33, qui sont solidarisées de toute manière appropriée connue (par exemple par clavetage) et serrent entre elles la périphérie inté- rieure d'une lamelle annulaire 31, par exemple de cuivre au béryllium qui fait saillie vers l'extérieur de la manière d'un rebord et qui porte une série circulaire de fenêtres radiales 11 réparties le long de la portion en saillie de la lamelle annulaire 31. La bague intérieure 34 repose sur un gradin ou rebord périphérique 60 du disque 38 par l'effet de la coopération entre les billes 51 et la surface conique 50. Il est évident que le réglage des vis 36 permet de faire varier la position du centre géométrique de l'ensemble 31, 33, 34, par rapport à l'axe de rotation du disque 38, élimi- -7- nant de ce fait toute excentricité. Il est en outre possible grâce à ces moyens de déformer élastiquement la bague compo- sée de manière sélective pour permettre de compenser la distribution non uniforme des fenêtres. Le long de la périphérie de la lamelle annulaire 31 au niveau des fenêtres 11, on prévoit une série d'unités de lecture répartis uniformément constituées d'une diode électroluminescente monochromatique 22, d'un phototransis- tor 32, ces éléments étant alignés l'un sur l'autre, et d'un écran 23 interposé entre ces derniers et entre la lamelle annulaire 31 et la diode 22. Les diodes 22 sont portées de toute manière appropriée connue dans des sièges 70 réalisés dans le bottier 21, alors que les phototransistors 32 sont montés dans des douilles 71 faisant saillie sur une plaque 40 qui les porte, par exemple en une matière plastique renforcée de verre sur laquelle est réalisé le circuit électronique de la figure 5. La plaque 40 est reliée par sa périphérie au boîtier 21 de toute manière appropriée connue, et ferme le compartiment 72 de ce dernier qui reçoit le disque 38 et ses éléments associés, ainsi que les unités de lecture. Chaque écran 23 comporte une série de fenêtres 72 égale en nombre aux fenêtres 11 du rotor, selon le même pas et situées au droit de la diode 22 et du phototransistor 32. L'écran est constitué par exemple d'une lamelle mince de cuivre au béryllium cimenté ou fixé autrement de manière saillante sur un bloc 29 ayant la forme d'un secteur d'anneau circulaire et disposé dans une fente annulaire 80 pratiquée dans le boîtier 21. Les blocs 29 sont maintenus dans la fente annulaire 80 par une bague 28 fixée sur le boîtier 21 par les vis 27. Chaque bloc 29 comprend sur son côté extérieur deux trous borgnes coniques espacés 85 d'axe radial. Des vis 30 aux extrémités intérieures coniques sont adaptées pour coopérer avec les - 8 - parois desdits trous par vissage dans des alésages 90 d'axe radial prévu dans le boîtier 21. L'angle a entre les deux rayons A, B qui contiennent les axes des trous coniques 85 est supérieur à l'angle e entre les deux rayons C, D qui contiennent les axes des vis 30. Il en résulte qu'un réglage des paires de vis 30 permet de faire varier, dans certaines limites, la position périphérique du bloc correspondant 29 dans la fente 80 et, par conséquent, la position de l'écran relatif 23 et de ses fenêtres 72 par rapport à la diode 22 et au phototransistor 32 correspondants, afin d'obtenir enfin la différence de phase désirée entre les signaux de sortie des diverses unités de lecture. L'encodeur selon l'exemple fournit 36000 impulsions par tour et assure une précision absolue incrémentale d'angle de + 0,01 pour tous les points du tour. Il s'agit d'une préci- sion absolue du fait que, tous les points de lecture étant répartis le long de toute la circonférence et tous étant toujours impliqués, une erreur supérieure à + 0,010 n'est pas possible parce que, avec une telle erreur, l'ensemble ne pourrait plus fonctionner. S'il fonctionne, c'est parce qu'il est exact, comme tous les compteurs électriques d'ail- leurs. Ces derniers ne peuvent pas faire erreur et s'ils le font, ils font erreur de manière importante ou sont défec- tueux. Afin d'obtenir les 36000 impulsions par tour, on prévoit 3000 fenêtres 11, et douze unités de lecture réparties uniformément. Il est à noter, comme on l'a déjà mentionné, qu'à des fins d'équilibre, les douze unités sont différentes par paires, en ce que les deux unités de chaque paire sont déphasées de 180 degrés -électriques. Les deux unités de chacune de ces paires constituent un "lecteur" et, par conséquent, six lecteurs sont prévus. Par exemple, sur la figure 4, un lecteur est réalisé à partir des unités X et Y qui, pour des raisons de simplicité, de représentation, sont espacées de 180 degrés mécaniques le long du rotor de l'encodeur. Il est évident que les deux unités d'un même 258 1 179 -9- lecteur pourraient être disposées de manière différente le long du rotor. L'important est que les écrans relatifs 23 doivent être déphasés d'un demi-pas, c'est-à-dire d'une fenêtre ou de 180 degrés électriques. Les deux unités appar- tenant à un même lecteur sont reliées au même comparateur 18, comme le montre la figure 5. Les douze unités de lecture sont ainsi équivalentes à six lecteurs pour ce qui concerne le comptage des impulsions. Les écrans de ces six lecteurs sont ajustés par les vis 36, de sorte que les sorties des phototransistors 32 associés sont déphasées de 30 . Dans l'espace d'un pas de rotor (correspondant à la distance entre deux fenêtres adjacentes 11 du rotor), chacun des six lecteurs produit une sinusoide, ces sinusoides étant dépha- sées de 30 de l'une à la suivante. La conversion de ces signaux en ondes carrées dans les comparateurs 18 (figure ), suivie par la réalisation d'une combinaison logique de ces ondes carrées et le comptage à la fois des flancs montants et descendants de cette combinaison, permet d'obte- nir un compte égal à douze pour chaque pas (c'est-à-dire pour chaque fenêtre de rotor). Du fait qu'il y a 3000 pas (égaux au nombre de fenêtres 11), chaque tour complet du rotor (c'est-à-dire de l'ensemble constitué par les éléments , 33, 34, 31) correspond à 12 x 3000 = 36000 impulsions. Sur la figure 5, on voit le schéma électrique de l'encodeur représenté sur les figures 3 et 4. La figure en question représente les formes d'ondes aux points les plus impor- tants. Ce schéma montre les douze diodes électroluminescen- tes 22, les douze phototransistors 32, six comparateurs de tension 18 destinés à donner une forme carrée aux sinusoides de chaque lecteur, quatre portes OU exclusives 19 permettant d'additionner les signaux (c'est-à-dire pour en réaliser la combinaison), et les résistances 20 établissant une réparti- tion exacte du courant. - 10 - Comme on l'a déjà mentionné, par rapport aux unités de lecture X, Y déphasées de 180 degrés électriques, deux unités de lecture déphasées de 180 degrés électriques cons- tituent un lecteur. Sur la figure concernée, les lecteurs sont indiqués par les chiffres romains I, II...VI. Les deux dites unités X et Y appartiennent au lecteur I. Les sorties des phototransistors 32 de chaque lecteur sont envoyées sur un comparateur correspondant 18. Le signal de sortie des comparateurs 18 a la forme d'une onde carrée. Les signaux de sortie de comparateur sont déphasés mutuellement de 30 . Les signaux de sortie de comparateurs associés aux lecteurs I, III et IV (signaux déphasés mutuellement de 60 ) sont envoyés respectivement sur les portes OU exclusives 19A et 19B. Un signal en ondes carrées est obtenu à la sortie de ces portes, signal dont la fréquence est le double de celle du signal d'entrée. Les signaux de sortie des portes 19A et 19B sont déphasés. Les signaux de la porte 19A sont envoyés à la porte 19C avec les signaux (déplacés en phase) délivrés par le comparateur 18 associé au lecteur V, afin d'obtenir en sortie une fréquence double de celle provenant de la porte 19A. De manière analo- gue, les signaux de sortie de la porte 19B et du comparateur 18 du lecteur II sont envoyés sur la porte 19D afin d'obte- nir un signal de fréquence double de celle du signal de la porte 19B. Les signaux déphasés sortant des portes 19C et 19D passent dans un circuit normal d'utilisation dans lequel le compte est établi des flancs montants et descendants, ce compte étant égal à 36000 pour chaque tour complet du rotor. Comme le nombre des fenêtres du rotor est de 3000, chaque rotation engendre 3000 sinusoides après les phototransis- tors 22, 3000 ondes carrées après les comparateurs de tension 18 et 9000 ondes carrées après toutes les additions effectuées dans les portes "OU exclusif" 19A, B, C et D. Le - il - compteur qui compte les fronts ascendants et descendants des 9000 + 9000 = 18000 ondes carrées délivre un compte corres- pondant de 36000 impulsions pour chaque rotation complète du rotor. En particulier, les phases des sinusoides engendrées par les phototransistors suivent l'ordre suivant: 06, 180 , , 210 , 60 , 240 , 90 , 270 , 120 , 300 , 150 , 330 ; les phases des ondes carrées après les comparateurs de tension sont de 0 , 30 , 60 , 90 , 120 , 150 ; et les phases des ondes carrées après les portes OU exclusives 19C et 19D sont de 0 et 90 . - 12 - Revendications 1. Encodeur incrémental comprenant: un rotor associé à un arbre et portant sur sa périphérie une série circulaire de fenêtres et au moins une paire d'unités de lecture de passage des fenêtres, chaque unité comprenant une diode électroluminescente, un écran muni de fenêtres correspon- dant aux fenêtres du rotor, et un semi-conducteur sensible à la lumière délivrant un signal de sortie, caractérisé en ce que le rotor comprend un organe annulaire périphérique (31) qui porte la série circulaire de fenêtres (11), organe annulaire sur lequel agissent des moyens de poussée (36) pouvant être réglés afin de corriger le décen- trage entre la série circulaire de fenêtres et l'arbre, ainsi que la répartition non uniforme des fenêtres. 2. Encodeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que, afin d'obtenir des signaux de sortie qui sont exactement déphasés, les écrans (23) des unités de lecture (22-32) sont réglables individuellement le long d'un trajet limité, lequel coïncide au moins approximativement avec la série circulaire de fenêtres. 3. Encodeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rotor comprend un élément en forme de disque (38) fixé sur l'arbre (24) et enserré par l'organe annulaire périphérique et portant ce dernier, les moyens de poussée étant disposés sur ledit élément en forme de disque. 4. Encodeur selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'organe annulaire comprend une face située en face de l'élément en forme de disque, et en ce que les moyens de poussée agissent sur ladite face. 5. Encodeur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les écrans des unités de lecture peuvent être déplacés individuellement le long d'un trajet circulaire prévu dans un boîtier fixe (21) qui contient le - 13 - rotor et les unités de lecture, ledit trajet étant constitué par un guide circulaire (80) disposé dans ledit boîtier fixe. 6. Encodeur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le déplacement de l'écran est effectué par des moyens mécaniques (29) pouvant être commandés depuis l'extérieur du bottier fixe.