Brevet FR2590975A1 — publié le 19870605

1i 2590975 La présente invention concerne un capteur opti- que destiné à capter les positions relatives de deux élé- ments mécaniques et, en particulier, un capteur adapté pour engendrer des signaux représentatifs de la position de l'un des deux éléments par rapport à l'autre, qui est considéré comme référence. Lesdits signaux peuvent être utilisés pour maintenir le premier élément dans une posi- tion prédéterminée par rapport au deuxième élément. On connait déjà depuis un certain temps des cap- teurs qui sont en mesure de capter le déplacement d'un corps mobile par rapport à une structure de référence, qui sont destinés aux utilisations les plus variées et dont les caractéristiques varient en fonction du type de phénomène utilisé: il existe donc des capteurs qui tirent parti de phénomènes hydrauliques, résistifs, ma- gnétiques, optiques, etc.. Les capteurs de type optique font actuellement l'objet de perfectionnements constants, grâce aux ré- cents progrès des techniques et des composants opto-élec- troniques qui permettent de mieux tirer parti des avanta- ges typiques de ce genre de capteur, à savoir, la haute précision, la grande rapidité de réponse, l'absence d'usure et l'insensibilité générale à l'égard des champs électriques et/ou magnétiques, de la température, etc.. Les capteurs optiques connus ont en général une construction relativement complexe qui exerce une in- fluence sur le coût et sur la fiabilité du capteur et qui fait obstacle à la généralisation de leur utilisa- tion, en ce sens que la structure du capteur peut se ré- véler incompatible avec les limitations, géométriques ou autres, de l'élément auquel le capteur doit être appli- qué. En outre, pour posséder une haute sensibilité, les capteurs connus exigent l'utilisation de surfaces ré- fléchissantes d'une configuration complexe, qui est fré- quemment à la limite des possibilités de précision de la construction pour les applications industrielles, ainsi 2 2590975 que l'utilisation d'une pluralité d'éléments de transmis- sion de l'énergie lumineuse. Un but de la présente invention est donc de réa- liser un capteur optique de position qui soit simple et compact, surtout en ce qui concerne la partie optique, de façon à pouvoir être utilisé sans interférences dange- reuses sur des dispositifs possédant des dimensions limi- tées. Un autre but de l'invention est de réaliser un capteur du type dans lequel l'élément mobile n'exige pas une surface réfléchissante qui possède des caractéristi- ques particulières de précision de construction, et qui soit cependant en mesure de posséder une haute sensibili- té de réponse avec un seul élément de transmission de l'énergie lumineuse. L'invention a pour objet un capteur optique de la position d'un corps qui se déplace le long d'une di- rection rectiligne par rapport à une structure de réfé- rence, ledit capteur étant caractérisé en ce qu'il com- prend, en combinaison: - une surface réfléchissante, solidaire dudit corps, sur laquelle est définie une bande réfléchissante de largeur progressivement décroissante; - des moyens solidaires de ladite structure et destinés à éclairer une aréole de ladite bande avec un faisceau lumineux collimaté et à recevoir le faisceau lu- mineux réfléchi; et - un convertisseur optico/électrique destiné à convertir le faisceau lumineux réfléchi en un signal électrique analogique représentatif de la position du corps sur ladite direction rectiligne. Les moyens destinés à éclairer l'aréole et à re- cevoir le faisceau lumineux réfléchi comprennent en géné- ral au moins un système optique adapté pour focaliser le faisceau lumineux. Ce système optique peut être consti- tué par une ou plusieurs lentilles de différents types, par exemple, par des lentilles de forme cylindrique ou de forme sphérique (appelées bail lens), etc.. La source qui émet la lumière peut être,du type à émission continue aussi bien que discontinue (par exem- ple à impulsions) et la "lumière" émise (on entendra par ce terme un rayonnement électromagnétique, même s'il n'est pas contenu dans le spectre visible) peut être mo- nochromatique ou posséder un spectre plus ou moins éten- du. Selon une forme de réalisation préférée, ledit système optique comprend une lentille accouplée à l'ex- trémité d'une fibre optique dont l'autre extrémité est accouplée à une source lumineuse, la lentille étant mon- tée axialement sur un support solidaire de la structure de référence et avec son axe perpendiculaire à ladite surface réfléchissante. La lentille est de préférence une lentille cy- lindrique et la source de lumière est de préférence du- type à émission continue. Les figures du dessin annexé- donné uniquement à titre d'exemple, feront bien comprendre comment l'in- vention peut être réalisée, Sur ce dessin, la figure 1 représente schématiquement la struc- ture du capteur selon l'invention; la figure 2 représente un capteur selon l'inven- tion utilisé pour la commande de la position d'un piston dans un cylindre; et Les figures 3 et 4 montrent l'aspect de deux surfaces réfléchissantes. La figure 1 montre schématiquement la structure et l'utilisation du capteur selon l'invention. Le capteur permet de commander la position d'un corps 2 par rapport à une structure de référence 3 dans une direction rectiligne M. Le capteur comprend une surface S solidaire du corps 2 et un support 1 solidaire de la structure 3, dans lequel sont logés des moyens destines à éclairer la surface S et à recevoir le faisceau lumineux réfléchi par une partie de cette surface. Pour la simplicité du dessin, les déplacements du corps 2 sont supposés perpendiculaires à l'axe X du système optique qui, ici et dans la suite, est supposé formé d'une lentille cylindrique, mais le corps 2 peut subir un déplacement rectiligne quelconque qui peut se décomposer selon deux directions perpendiculaires et, à savoir, selon la direction M et selon une direction pa- rallèle à l'axe X de la lentille. Au contraire, on ne prend pas en considération les déplacements "latéraux", c'est-à-dire selon une direction perpendiculaire aux deux directions précédentes, bien que de petits déplace- ments de ce type puissent être tolérés. L'effet de la composante parallèle aux axes con- siste uniquement à rapprocher ou à éloigner le corps du support 1 et, par conséquent, de la structure 3, sans cependant altérer appréciablement la quantité de lumière réfléchie reçue par la lentille cylindrique, luminosité qui ne dépend, sous l'aspect de ses effets pratiques, que du coefficient de réflexion de l'aréole frappée par le faisceau de lumière incidente. Ces composantes seront donc négligées pour les besoins de la description qui suit. Sur la figure 1, les moyens destinés à éclairer la surface S et à recevoir le faisceau lumineux réfléchi comprennent une lentille 4 et une fibre optique principa- le 6 accouplée à ladite lentille à une de ses extrémités tandis qu'à l'autre extrémité, la fibre optique est ac- couplée à une source lumineuse G, qui est éventuellement monochromatique. En outre, une dérivation formée d'un coupleur 5 permet de prélever sur la fibre optique 6 une fraction de la lumière émise par source G et de la diriger le long d'une fibre optique 9. La lentille 4 émet un faisceau lumineux collima- té 10 qui est réfléchi par la surface S en fonction de la position prise par le corps 2 (faisceau 11),reçu par la lentille 4 et retransmis le long de la fibre optique 6 pour subir un nouveau traitement. Deux exemples de sur- faces réfléchissantes sont représentés sur les figures 3 et 4 et seront décrits en détail dans la suite. Le faisceau lumineux 11 est prélevé grâce à un coupleur 16 et dirigé le long d'une fibre optique 8. Les fibres optiques 8 et 9 sont respectivement reliées à deux récepteurs ou convertisseurs optico/élec- triques R1 et R2 qui produisent comme sorties des si- gnaux électriques A et R, de type analogique, proportion- nels à l'intensité de la lumière d'entrée. Ces signaux sont transmis aux entrées d'un circuit comparateur COMP qui engendre à sa sortie un ou plusieurs signaux U indi- catifs de la position relative du corps et de la struc- ture. La surface réfléchissante S possède une largeur qui diminue progressivement et, de cette façon, les in- tensités du rayon lumineux réfléchi et du signal électri- que qui en est tiré sont des fonctions monotones de la position du corps 2 par rapport à la structure 3. En comparant le signal électrique A à un niveau constant de référence, on obtient un signal électrique indicatif de la position du corps 2 par rapport à la po- sition de référence. La position de référence peut être celle qui se trouve à proximité de laquelle on veut maintenir le corps 2 positionné et, dans ce cas, le capteur sera asso- cié à des organes de déplacement commandés par ce der- nier signal électrique, convenablement amplifié. En va- riante, la sortie U peut être constituée par un codage binaire de ce signal, qui est alors disponible en série sur un fil unique ou en parallèle sur plusieurs fils, et dans ce cas, le comparateur COMP comprend le circuit de codage nécessaire. Habituellement, il suffit que la position du corps 2 soit maintenue dans une plage de valeurs plus ou moins large de part et d'autre de la position désirée, ce qui convient également pour des raisons de stabilité du dispositif de commande. La largeur de cette plage peut facilement être choisie en agissant sur la sensibi- lité de l'élément comparateur, de manière à ne produire sur la sortie des signaux U que lorsque l'écart du corps 2 par rapport à la position désirée est supérieur à une valeur préétablie. Lorsque le capteur est utilisé dans un disposi- tif de mesure, la plage de tolérance est réduite au mini- mum du fait qu'elle correspond dans ce cas à une erreur de mesure introduite par le capteur. La valeur du signal électrique de référence peut être choisie de manière à correspondre à une posi- tion quelconque intermédiaire de la surface réfléchissan- te, en excluant évidemment les positions terminales pour une longueur au moins égale à la moitié de la plage de tolérance. En d'autres termes, l'écart peut être déterminé par rapport à un nombre quelconque de positions. Ce ré- sultat s'obtient en modifiant simplement la valeur du si- gnal de référence R, par exemple, une tension de référen- ce. La source de cette tension pourrait être un généra- teur approprié, particulièrement stable mais il est pré- férable d'utiliser la même source lumineuse G pour en ti- rer le signal électrique de référence, comme on l'a re- présenté sur la figure 1. En effet, de cette façon, on compense les effets de dérive et de vieillissement du dispositif; si, par exemple, l'intensité de la source G diminue avec le temps, on aura une diminution proportion- nelle du signal de référence. La quantité de lumière pré- levée à travers la dérivation 5 doit être en mesure de fournir à la sortie du convertisseur R2 une tension suf- fisamment grande qui sera ensuite réduite à la valeur dé- sirée à l'aide de potentiomètres ou de dispositifs analo- gues. La lentille 4 qui constitue le système optique peut être de type connu, et formée d'un cylindre droit en verre possédant un indice de réfraction qui varie en fonction de la distance à l'axe du cylindre selon une courbe fixée, par exemple, selon une parabole. Un fais- ceau de lumière monochromatique divergent qui tombe sur une face du cylindre avec un axe de symétrie coïncidant avec l'axe du cylindre, est transformé en un faisceau qui émerge de l'autre- face, collimaté et parallèle à l'axe du cylindre. De la même façon, un faisceau qui tom- be sur une face de la lentille, sous une forme collima- tée et parallèle à l'axe, est focalisé au centre de la face opposée. En se reportant aux figures 2 et 3, on décrira maintenant une forme de réalisation du capteur selon l'invention, appliquée à la commande de la position des suspensions pneumatiques de véhicules. Sur les figures, on utilisera les mêmes références numériques pour dési- gner des composants identiques ou correspondants à ceux du schéma de principe représenté sur la figure 1. Le mouvement relatif des deux plateaux d'extré- mités d'un ressort pneumatique est démultiplié et trans- mis par l'intermédiaire de deux ressorts métalliques pos- sédant des caractéristiques élastiques différentes à un piston cylindrique 15 qui se déplace dans une structure de référence 16 (laquelle correspond à la structure 3), le long d'un logement 17 dans lequel regarde la surface d'un support cylindrique 18 (qui correspond au support 1). Le support 18 contient la lentille 4 qui présente un axe X en coincidence avec l'axe du support et de la fi- bre optique 6 et l'ensemble constitue la tête d'émission et de réception du signal lumineux. Le mouvement du pis- ton est limité (par des moyens non représentés) à une ex- cursion maximum h qui définit les limites maxima du dé- placement. A l'intérieur de cet espace de mouvement, on veut maintenant stabiliser la position du piston dans un intervalle encore plus étroit. L'axe X du support 18 est incliné d'un angle déterminé, par exemple, de 45 , par rapport à l'axe du piston, et la surface S portée par ce dernier est obte- nue grâce à un biseau de 45 qui est tel que l'axe de la lentille soit perpendiculaire à la surface S, laquelle prend une configuration elliptique. De cette façon, un déplacement M1 du piston 15 le long de son axe pourra se décomposer en deux composan- tes, qui sont respectivement une composante Q perpendicu- laire à l'axe X et une composante P disposée parallèle- ment à cet axe et qui peut être orientée dans le sens du rapprochement ou de l'éloignement. Il ressort de ce qui a été exposé ci-dessus que l'effet de cette dernière com- posante est sans importance pour le fonctionnement du capteur. Le capteur optique décrit est particulièrement bien approprié pour être utilisé pour commander simulta- nément et de façon coordonnée les positions d'une plura- lité d'éléments mécaniques, par exemple, celles des qua- tre suspensions d'un véhicule dans lequel un capteur est associé à chaque suspension, et les signaux correspon- dants sont élaborés par une unique unité de commande cen- tralisée. Sur les figures 3 et 4, on a représenté deux configurations possibles de la surface S. Sur la figure 3, la surface réfléchissante S comprend une partie 31 de grand coefficient de réflexion, en forme de triangle iso- cèle, dont la hauteur est située sur le grand axe 34 de l'ellipse. La surface restante 32 est opaque et de na- ture à ne pas réfléchir une quantité de lumière appré- ciable. La référence 35 désigne la trace du faisceau lu- mineux émis par la lentille 4 qui tombe sur la surface S. Sur le dessin, cette trace est de forme circulaire mais elle pourrait tout aussi bien être d'une autre for- me, en fonction de la collimation utilisée et/ou d'éven- tuels écrans. Sous l'effet de ce qui a été indiqué plus haut, la trace 35 peut se déplacer le long d'un segment du grand axe 34 de l'ellipse. L'intensité du faisceau lumineux réfléchi est proportionnelle à l'aire qui est commune à la surface ré- fléchissante 31 et à la trace 35. La surface réfléchissante de la figure 3 a une allure linéaire mais il peut être utile de faire varier l'intensité du signal réfléchi plus ou moins lentement, en particulier pour compenser la courbe de réponse du dispositif, et la figure 4 montre un exemple de surface réfléchissante S dans lequel la partie réfléchissante 41 a une allure non linéaire. Il va de soi que diverses modifications pour- ront être apportées par l'homme de l'art au dispositif qui vient d'être décrit uniquement à titre d'exemple non limitatif, notamment par substitution des moyens techni- ques équivalents, sans pour cela sortir du cadre de l'in- vention. R E VE N D I C A T I 0 NS 1 - Capteur optique de la position d'un corps (2, 15) qui se déplace le long d'une direction rectili- gne (M) par rapport à une structure de référence (3, 16), ledit capteur étant caractérisé en ce qu'il com- prend, en combinaison: - une surface réfléchissante (S) solidaire du- dit corps (2, 15) et sur laquelle est définie une bande réfléchissante (31, 41) de largeur progressivement dé- croissante; - des moyens (4) solidaires de ladite structure (3, 16) destinés à éclairer une aréole (35) de ladite bande avec un-faisceau lumineux collimaté (10) et à rece- voir le faisceau lumineux réfléchi (11); - un convertisseur optico/électrique (R1) desti- né à convertir le faisceau lumineux réfléchi (11) en un signal électrique analogique représentatif de la posi- tion dudit corps (2, 15) sur ladite direction rectiligne (M). 2 - Capteur optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens (4) comprennent un système optique adapté pour focaliser le faisceau lumi- neux. 3 - Capteur optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit système optique (4) est cons- titué par une lentille cylindrique accouplée à l'extrémi- té d'une fibre optique principale (6) dont l'autre extré- mité est accouplée à une source lumineuse (G), l'axe de la lentille étant perpendiculaire à ladite surface réflé- chissante (S). 4 - Capteur optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit comparateur (COMP) dont les entrées (A, R) sont connectées à la sortie dudit convertisseur optico/- électrique (R1) et à un générateur de signal électrique constant (R2). il 2590975 - Capteur optique selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit générateur comprend un con- vertisseur optico/électrique (R2) dont l'entrée est con- nectée à l'extrémité d'une autre fibre optique (9) dont l'autre extrémité est raccordée à la fibre optique prin- cipale (6) à proximité de la source lumineuse (G).