Brevet FR2596514A1 — publié le 19871002

"Capteur de - déplacement" La présente invention a pour objet un capteur de déplacement de type optoélectronique numérique destiné à mesurer et à indiquer la valeur et le sens de déplacement d'éléments mobiles tels que chariot de machine-outil. Ces capteurs de déplacement sont la plupart du temps formés d'une échelle de mesure (graduation, régle) comportant une succession de traits et de moyens de détection optoélectroniques comportant une partie émettrice et une partie détectrice, associés aux traits de l'échelle de mesure et aptes à délivrer des signaux électriques déphasés lors de leur passage devant ces traits, les signaux étant ensuite analysés pour donner une indication de la distance parcourue et du sens de déplacement de l'élément mobile. De tels capteurs de déplacement sont connus depuis fort longtemps et ont fait l'objet de nombreux brevets tels que, par exemple, FR-2 410 251, US-3 451 054, US-3 816 003, US-3 942 815, US-3 533 703. Ces capteurs sont très coûteux et nécessitent notamment une règle avec une gravure très fine, généralement avec une résolution de 0,005 mm, qui est très sensible aux salissures et doit donc être munie d'un dispositif de protection spécial. On connaît également des mètres à ruban employant le même principe ; dans ce cas, une double graduation est généralement réalisée sur le ruban, de façon à permettre une lecture par les détecteurs (cf. DE-2 846 915, FR-2 410 251). On connaît enfin des systèmes de mesure semblables aux mètres à ruban qui comprennent un ruban souple enroulé sur une roue ou similaire, et dans lesquels la longueur devant être mesurée est donnée par la mesure de la longueur de ruban déroulée, cette mesure étant donnée, par exemple, par l'angle de rotation de la roue portant le ruban. Dans ces deux derniers dispositifs, les détecteurs sont fixes et contenus dans le même boîtier qui renferme le ruban ; ces dispositifs ne permettent donc de mesurer que des longueurs statiques et ne peuvent pas être utilisés pour mesurer des déplacements tels que ceux réalisés par un chariot dans une machine-outil, notamment dans le cas de déplacements rapides et intenses de tels chariots ou autres. Le but de la présente invention est de réaliser un capteur de déplacement du type précité, qui permette la mesure du déplacement de certains organes (tels que chariot ...) d'une machine par rapport à celle-ci, notamment dans des conditions de travail difficiles, qui soit particuliè- rement robuste et fiable, et notamment peu ou pratiquement pas sensible aux salissures, tout en étant peu coûteux et en permettant une précision pouvant aller jusqu'au micron. Ce but est atteint en ce que, dans le capteur de déplacement selon l'invention, qui est du type précité, l'échelle de mesure est formée par un ruban muni de perforations, réalisées selon un pas déterminé et dont la largeur de chacune est égale à la moitié de ce pas, et en ce que ce ruban perforé est apte à coulisser à l'intérieur du corps de ce capteur entre la partie émettrice et la partie détectrice du dispositif de détection. De cette façon, des signaux sont émis par la partie détectrice du dispositif à chaque passage d'une perforation devant celle-ci et le dispositif fonctionnef donc par transmission, un déphasage approprié des signaux émis par les détecteurs permettant une division du pas de la perforation. Avantageusement, chaque élément détecteur de la partie détectrice du dispositif de détection ne "voit" à chaque fois qu'une perforation, de sorte que le dispositif fonctionne uniquement par l'alternance de "noirs" et de "blancs" réalisée au passage de chaque graduation et non par une modulation de l'intensité du signal reçu comme dans la plupart des dispositifs connus jusqu'à présent dans lesquels un même élément détecteur "voit" en même temps plusieurs graduations. Selon une forme de réalisation préférée, chaque perforation a la forme d'une fente allongée s'étendant perpendiculairement à la direction longitudinale du ruban perforé. De toute façon, I'invention sera bien comprise et d'autres caractéristiques seront mises en évidence à l'aide de la description qui suit en référence au dessin schématique annexé illustrant à titre d'exemples non limitatifs deux formes de réalisation préférée de ce capteur de déplace ment Figure 1 en est une vue en perspective éclatée ; Figure 2 est une vue de face de l'échelle de mesure du dispositif de figure 1 Figure 3 est une vue en perspective d'un capteur selon une deuxième forme de réalisation. Ainsi que le montre la figure 1, le capteur de déplacement selon l'invention se présente essentiellement sous la forme d'un boîtier parallélé pipédique 1 en deux parties 2,3, à l'intérieur duquel est placé le dispositif de détection optoélectronique constitué d'une partie émettrice 5 et d'une partie réceptrice 9 ou détectrice proprement dite, et d'un ruban perforé 4 métallique coulissant à l'intérieur du boîtier 1. Les deux parties 2,3 du boîtier 1 sont fixées l'une à l'autre par des vis. Dans l'une 2 des parties de boîtier 1. est ménagée une rainure 2a de section rectangulaire apte à permettre le passage du ruban perforé 4, ce ruban perforé 4 étant monté coulissant à frottement doux entre les deux parties émettrice et détectrice du dispositif, afin d'éviter une dispersion des faisceaux lumineux. Dans le fond de cette rainure 2a est, en outre, fixée la première partie 5 émettrice du dispositif de détection, qui est formée d'un ensemble de diodes lumineuses (non représentées sur le dessin) ou d'une fenêtre lumineuse de forme rectangulaire. Cet ensemble de diodes est recouvert d'une plaque de verre 6 ou d'un autre matériau transparent de grande dureté comme le corindon, saphir de synthèse, etc..., du fait du montage coulissant à frottement doux du ruban métallique. Dans la rainure 2a, autour de la partie émettrice 5 du dispositif de détection, est également placé un joint d'étanchéité 7 de forme rectangulaire. Un joint identique (non représenté sur le dessin) est également fixé sur l'autre partie 3 du boîtier 1. Ces deux joints d'étanchéité sont, de préférence, formés par des joints adhésifs interchangeables et servent à protéger les diodes ou autres éléments détecteurs du dispositif de détection contre les salissures extérieures. Sur chacune des faces en bout de la partie de boîtier 2 est fixée une brosse 8. Chaque brosse 8 est placée, de façon que ses poils 8a frottent contre le ruban perforé 3, et ces brosses réalisent donc un nettoyage de ce ruban à l'entrée et à la sortie du capteur de déplacement. Bien entendu, les brosses 8 pourraient être remplacées par tout autre moyen de nettoyage des perforations, tels que brosses cylindriques tournantes disposées par paire à l'entrée et à la sortie du détecteur, dispositif de soufflage à air comprimé, etc.... Sur la seconde partie 3 du boîtier 1 est fixé un ensemble de photodétecteurs disposés de préférence selon deux voies de mesure déphasées l'une par rapport à l'autre ensemble qui est également protégé par une lame de verre ou similaire (non représentée sur le dessin). Ces photodétecteurs constituent la seconde partie 9 réceptrice du dispositif de détection, et sont aptes à émettre une impulsion électrique lorsqu'ils sont excités par un faisceau lumineux transmis par les diodes lumineuses de la partie émettrice 5 du dispositif. La constitution de la partie détectrice 9 sera expliquée plus en détail ci-après en relation avec la description des différents principes de lectures possibles, cette partie détectrice étant réalisée de façon à comporter au moins un détecteur pour chaque perforation "vue" par cette partie détectrice, chaque détecteur ne "voyant" à chaque fois qu'une perforation. Ces photodétecteurs sont reliés de façon connue en soi à des moyens de comptage cumulé des impulsions électriques émises par chaque photodétecteur, montés à l'intérieur de la seconde partie 3 du boîtier. Ainsi que le montre la figure 2, le ruban 4, qui constitue l'échelle de mesure, est muni de perforations allongées 10 ayant la forme de fentes sensiblement rectangulaires, arrondies aux deux extrémités, et s'étendant perpendiculairement à l'axe longitudinal de ce ruban 2. Ces perforations 10 sont réalisées selon un pas n et ont une largeur égale à n/2. Selon une forme de réalisation préférée, le pas n est égal à quatre millimètres, et chaque perforation a donc une largeur de deux millimètres et s'étend sur une hauteur d'environ sept millimètres. Lors du déplacement relatif du boîtier I et du ruban perforé, les faisceaux lumineux émis par la première partie 5 du dispositif de détection sont transmis à la partie réceptrice 9 de celui-ci au niveau de chaque perforation, et les deux voies de cette partie détectrice 9 émettent alors des signaux électriques qui, à l'aide d'un déphasage et d'une forme de signal appropriée, (signal carré), permettent une division par quatre du pas de la perforation, ainsi que la discrimination du sens de déplacement. On obtient ainsi une mesure du déplacement relatif effectuée avec une précision de un millimètre (dans le cas d'un pas de perforation de quatre millimètres). Cette précision est largement suffisante pour les applications auxquelles est particulièrement destiné le capteur de déplacement selon l'invention: conduite de pont-roulant, magasinage automatique, découpe de panneaux, etc... La précision obtenue peut encore être améliorée à l'aide d'une partie détectrice 9 appropriée comme on le verra plus loin. Bien entendu, les deux organes essentiels du capteur de déplacement selon i'invention peuvent être soit fixes soit mobiles. Ainsi le ruban perforé 4 peut être fixe, et le dispositif de détection 1 se déplace alors sur celui-ci ou, au contraire, le dispositif de détection 1 est fixe et le ruban perforé 4 est mobile ; il est alors avantageusement formé par un ruban sans fin. On notera que l'ensemble obtenu est particulièrement peu coûteux à réaliser et solide. En effet, le ruban métallique perforé 4 peut être obtenu très facilement par simple emboutissage, découpe au laser, fraisage, etc... et est donc d'un prix de revient particulièrement bas et beaucoup moins élevé que les règles traditionnellement utilisées dans ce type de capteur de déplacement. En outre, ce ruban métallique sera, de préférence, réalisé sous la forme d'un ruban en un alliage inoxydable souple qui pourra donc être enroulé et vendu sous forme de bobines par exemple, ce qui en facilite le conditionnement et en diminue encore le coût. Bien entendu, des moyens de tension devront être alors prévus à chaque extrémité de ce ruban souple lors de son utilisation. Ce ruban 4 est également très peu sensible aux salissures ; en effet, étant donné leur grande taille, les perforations réalisées dans celui-ci n ont pratiquement pas tendance à se boucher et, de toute façon, les brosses 8 ou autres dispositifs similaires disposés latéralement à l'entrée et à la sortie du dispositif empêchent toute obstruction de ces perforations. De plus, même si les perforations devenaient plus ou moins obstruées, il resterait toujours, dans leur partie médiane, du fait de leur forme, un passage pour un faisceau lumineux. En outre, ce ruban perforé 4 ne craint absolument pas les rayures, dépôts, etc... contrairement aux règles couramment utilisées dans les capteurs de déplacement connus (règle en quartz ou verre métallisé et microgravé), et ne nécessite pas de dispositif de protection spécial mis à part les brosses 8 dont le seul rôle est d'éviter l'obstruction des perforations 10. Les détecteurs de la partie 9 du capteur peuvent être formés par des diodes couvrant plusieurs perforations 10 du ruban 4, ; à ce moment, il est nécessaire d'interposer un masque (Cf. masque 18 de la figure 3) entre le ruban 4 et les diodes détectrices, de façon à réaliser le déphasage des signaux électriques émis. Du fait de la taille des perforations 10 (largeur deux millimètres) du ruban 4, les détecteurs de la partie 9 du capteur peuvent également être formés par des petites diodes dont le diamètre (deux millimètres) est égal à la largeur des perforations 10, de sorte que chaque diode ne traite à chaque fois que le faisceau lumineux transmis par une seule graduation 10. A ce moment, il n'y a pas besoin de prévoir de masques ou de grilles pour réaliser le déphasage entre les signaux émis par ces diodes détectrices, comme expliqué dans le précédent brevet N" 84 420 024.4 au nom du Demandeur, et ce déphasage sera seulement réalisé par construction, c'est-à-dire par la disposition des diodes les unes par rapport aux autres. Pour une division du pas par quatre, il suffira alors d'avoir deux photodétecteurs déphasés de 11 /2 (un photodétecteur sur chaque voie de mesure 1 et 2) et délivrant chacun un signal carré, comme expliqué dans le brevet précité ; cependant, afin d'augmenter la puissance du signal émis par ces détecteurs et d'éviter les risques d'erreurs liés à une perforation bouchée, plusieurs détecteurs (2 ou 3) pourront être placés en série dans chacune des deux voies, ce qui permettra également de diminuer les risques d'erreurs liés à la défaillance d'une diode dans une voie. Enfin, la partie détectrice 9 du capteur peut être formée par un ou plusieurs micro-réseaux de photodiodes ou capteurs photosensibles dits DTC (Dispositif à Transfert de Charge). De tels réseaux comportent un nombre important (par exemple 50) de photodiodes ou capteurs photosensibles par mm, de sorte qu'à une même perforation 10 du ruban "lue" par la partie détectrice 9 correspondent environ une centaine de photodiodes, ce qui permet pratiquement de multiplier par au moins cent la résolution obtenue. Ainsi, par exemple, avec un pas de perforation de 4 mm, la précision obtenue pourrait être de 0,01 mm au lieu de 1 mm avec les deux dispositifs de détection classique décrits ci-avant. Dans ce cas, les diodes du micro-réseau peuvent être activées, de façon à être rendues alternativement conductrices et non conductrices, de façon à simuler une gravure stationnaire. Les groupes de diodes rendues conductrices peuvent être également déplacés par des moyens électroniques appropriés, vers la droite ou vers la gauche, de façon à simuler une gravure mobile. De tels réseaux de diodes, et ces deux types de simulation de gravure sont utilisés dans le système de mesure linéaire connu sous la dénomination commerciale MK IV de la Société Philips. On voit donc que le capteur de déplacement selon l'invention peut, avec une même échelle de mesure particulièrement peu coûteuse et peu fragile permettre d'obtenir une précision pouvant aller de quelques millimètres jusqu'à quelques microns, en changeant simplement la partie détectrice proprement dite du capteur et qu'il est, par conséquent, particulièrement intéressant. La figure 3 montre un autre exemple de réalisation du capteur de déplacement selon l'invention, dans lequel le boîtier 11 est formé de deux parties 12,13 articulées l'une à l'autre, ce qui en facilite l'ouverture pour son nettoyage. De même que dans l'exemple précédent, un passage est ménagé entre les deux parties 12,13 pour permettre le coulissement du ruban perforé 4, et des joints d'étanchéité 17 sont disposés autour de chacune des parties émettrice 16 et détectrice 19 du dispositif. Dans ce cas, la partie émettrice 16 est formée par une fenêtre lumineuse et la partie détectrice 19 est formée par un ensemble de diodes recouvertes d'un masque 18, ces deux parties étant bien entendu également recouvertes par une plaque de verre ou similaire. Comme il va de soi, la présente invention ne se limite pas aux seuls exemples de réalisation montrés ci-avant, à titre d'exemples non limitatifs, mais en embrasse, au contraire, toutes les formes de réalisation mettant en en oeuvre des moyens similaires ou équivalents. C'est ainsi que par exemple, le boîtier pourrait avoir une toute autre forme, comme par exemple celle d'un étrier en forme de U, ou que le nombre de voies de mesure ou de détecteurs, le déphasage entre ceux-ci ainsi que leur nature pourraient être modifiés sans que l'on sorte pour autant du cadre de la présente invention. - REVENDICATIONS 1- Capteur de déplacement du type formé d'une échelle de mesure (4) et d'un dispositif de détection optoélectronique, comportant une partie émettrice et une partie détectrice, associé à cette échelle et apte à délivrer des signaux électriques représentatifs du déplacement relatif de ce dispositif de détection et de l'échelle de mesure, caractérisé en ce que l'échelle de mesure est formée par un ruban (4) muni de perforations (10) réalisées selon un pas (n) déterminé et dont la largeur est égale à la moitié de ce pas (n) et en ce que ce ruban perforé (4) est apte à coulisser à l'intérieur du corps (1,11) de ce capteur entre la partie émettrice (5,16) et la partie détectrice (9,18) du dispositif de détection. 2- Capteur de déplacement selon la revendication I, caractérisé en ce que dans la partie détectrice (9,18) chaque élément détecteur ne "voit" à chaque fois qu'une seule perforation (10). 3- Capteur de déplacement selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque perforation (10) a la forme d'une fente allongée s'étendant perpendiculairement à la direction longitudinale du ruban perforé (4). 4- Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la partie détectrice (9,18) comprend au moins deux (n) voies de mesure déphasées det/ 2 (1i(/n). 5- Capteur de déplacement selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque voie de mesure de la partie détectrice (9,18) est formée d'au moins une photodiode de diamètre inférieur à la largeur de chaque perforation (10). 6- Capteur de déplacement selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque voie de mesure comporte plusieurs photodiodes montées en série. 7- Capteur de déplacement selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la partie détectrice (9) est formée d'un ou plusieurs microréseaux de diodes, ou autres capteurs photosensibles, chaque microréseau étant associé à une seule perforation. 8- Capteur de déplacement selon quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le corps (1,11) du capteur est formé par un boîtier en deux parties, à l'intérieur duquel est ménagé un passage pour le coulissement du ruban perforé (4), les parties émettrices (5,16) et détectrices (9,18) du dispositif de détection étant disposées dans chacune res pectivement (2,12 ; 3,13) des parties du boîtier (1,11). 9- Capteur de déplacement selon la revendication 8, caractérisé en ce que le ruban perforé (4) est monté à coulissement frottant doux entre les parties émettrices (5,16) et détectrices (9,18) du dispositif de détection. 10- Capteur de déplacement selon la revendication 9, caractérisé en ce que les parties émettrices (5,16) et détectrices (9,18) sont recouvertes d'une plaque en matériau transparent et dur tel que du verre ou du corindon. 11- Capteur de déplacement selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que des moyens de nettoyage (8) du ruban sont disposés à l'extérieur du boîtier latéralement de part et d'autre du corps (1,11) du capteur pour nettoyer les perforations (10) du ruban perforé (4). 12- Capteur selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce qu'un joint d'étanchéité (7,17) est disposé autour de chaque partie, respectivement émettrice (5,16) et détectrice (9,18) du dispositif de détection.