Brevet FR2616903A1 — publié le 19881223

PRISE OPTO-ELECTRIQUE DE POSITIONNEMENT La présente invention concerne une prise opto- électrique de positionnement selon le principe du barreau ombreur optoélectrique, dans laquelle deux diodes sont associées à distance déterminée à une source émettrice de lumière. L'utilisation de capteurs de positionnement appropriés est nécessaire pour divers dispositifs électroniques tels par exemple que certains gyroscopes, accéléromètres, etc. A son présent niveau, la technique dispose à cet effet de différentes conceptions de principe telles par exemple que la mise en oeuvre d'éléments dynamométriques" comme des extensiomètres piézo-résistifs. Mais une telle conception est grevée de l'inconvénient d'une stabilité de température insuffisante. Les servitudes de compensation, ajustage et finition sont en outre si élevées que ce procédé de mesure n'est envisageable que pour des cas tres speclaux.. Une autre conception repose sur le principe magnétique avec utilisation de ce que l'on appelle des palpeurs à plaque de champ ou d'éléments de Hall. Mais la compensation très difficile et coûteuse de leur sensibilité marquée à la température s'oppose à la diversification de leur emploi. La Demanderesse s'est donc tournée vers le principe du barreau ombreur opto-électrlque et a découvert qu'il était possible de créer un système de prise pour la détection de faibles différences d'angles ou de trajets. On connaît à vrai dire par la demande de brevet allemand DE-OS 35 09 915 un accéléromètre appliquant également le principe préclté avec utilisation d'un pendule de masse dont la position est ajustée par le signal, proportionnel à la différence des signaux de sortie des diodes, d'un dispositif électrique spécial. Mais cela nécessite un second signal proportionnel à la somme des signaux de sortie des diodes, lequel sert à modifier le courant amené à la source émettrice de lumière en sorte que ce second signal soit maintenu à un niveau de référence prédéterminé. Il s'agit cependant ici aussi d'un dispositif encore très compliqué et coûteux qui exige un choix sélectif des éléments de construction à utiliser et présente dans la linéarité de la caractéristique de transmission une valeur dépassant l'erreur, de moins de 2 %, maximale admissible. L'invention a pour objet une prise du genre annoncé qui supprime les inconvénients précltés et élimine à bon compte, automatiquement, les variations de courants photo- électriques, ainsi que différences entre caractéristiques de diodes. qui sont fonction de la température. Cette prise est caractérisée par le fait que les diodes photosensibles sont intégrées à une distance mutuelle d'environ 25 pm sur une puce et qu'à chacune d'elles est associée une résistance de travail à travers laquelle s'écoulent les courants de diode, la différence de courants formée entre un courant constant de référence Is et le premier courant de diodes I1 en un point de sommation commandant en même temps, à travers un amplificateur intégrateur et un transistor, une source lumineuse (diode électroluminescente), en sorte que Ii devienne égale à Is. Suivant une extension avantageuse de l'invention, entre la source lumineuse et les diodes est disposé un barreau ombreur dont la différence de clarté engendrée par sa déviation forme au moyen du second courant de diode I2 la différence de courants I2 - IA, laquelle engendre à travers la résistance RA du premier amplificateur une tension UA proportionnelle à la déviation dudit barreau ombreur. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée d'un mode de réalisation pris comme exemple non limitatif et illustré schématiquement par le dessin annexé, sur lequel: la figure 1 représente le branchement du système de prise opto-électrique pris pour exemple, lequel est utilisable notamment pour des appareils gyroscopiques; la figure 2 est un schéma synoptique du système de prise selon la figure 1. Le schéma selon la figure 1 permet d'exposer le fonctionnement de la prise selon l'invention. Les deux diodes photosensibles Dl, D2, qui sont intégrées à une distance mutuelle de 25 pm seulement sur une puce, sont soumises uniformément à l'action d'un courant lumineux commandable qui est engendré par une diode électroluminescente. Dans les deux diodes sont engendrés les courants de directions opposées Ii et I2 qui s'écoulent à travers les résistances de travail Ri et R2. Le courant Ih est fonction de la clarté H du courant lumineux émis par la diode électroluminescente. Au point de sommation Si, on compare I avec un courant constant Is. Une différence de courants résultante AIs = Is - I1 est amenée à l'amplificateur intégrateur V2 qui engendre la tension de commande Ust = l/C f AIsdt. A travers le transistor T, on réajuste alors la clarté H du courant lumineux en sorte que I1 égale Is. Si au point de sommation Si le courant I1 est inférieur à Is, la tension de commande Ust croîtra en valeur négative sur l'amplificateur intégrateur V2 et la clarté H du courant lumineux augmentera jusqu'à l'égallte entre I1 et Is. Il s'établira donc toujours sur le point de sommation Si l'état d'équilibre - à savoir I1 = Is = Constante - indépendamment de la température, de la dispersion exemplaire ou d'autres disymétrie. - Du fait que les diodes Dl et D2 branchées en disposition différentielle sont intégrées sur une puce et présentent donc aussi des caractéristiques identiques, on aura l'égalité I2 = Il. Au point de sommation S2 on forme la différence AID = I2 - IK, laquelle est compensée à zéro sous irradiation uniforme des diodes photosensibles. Du fait qu'il ne s'écoule aucun courant AID, la tension de sortie UA = AID.RA sera également nulle. S'll se trouve alors dans le courant lumineux, c'est-à-dire entre la source lumineuse LED et les diodes photosensibles, un barreau qui couvre symétriquement une partie des surfaces de Dl et D2, les courants I1 et I2 resteront constants en dépit de la diminution des - surfaces actives des diodes, car on se réajuste aussitôt à une clarté H plus élevée par l'amplificateur intégrateur Vl. Si l'on dévie maintenant le barreau ombreur St, la surface active de Dl diminue et celle de D2 augmente, ou vice versa. Au point de sommation S2 apparaît la différence AID = Iz - IK, laquelle engendre à travers RA la tension de sortie UA. On maintient comme auparavant I1 à valeur constante, en sorte que I = Is = Constante. Ce dispositif de régulation permet d'éliminer dans une très large mesure les influences de température, dispersions exemplaires et tolérances de fabrication dans le système de prise. On peut démontrer comme suit, par le calcul, la capacité de fonctionnement du système de prise décrit ci- dessus. On exposera tout d'abord à l'aide du schéma synoptique selon la figure 2 la dérivation de la tension statique de sortie UA en fonction de la déviation Ax du barreau ombreur St. On a: UA = H. (KD2. KS2. KT2 + KD. Ks. KTI). Ku (1) Par conversion du schéma selon la figure 2, la clarté H de la diode électroluminescente LED s'établit à IH s KR'KI'KLED (2) H= 1+K.K K K K K R1 + KR.KiKLED KD1lKS1 KT1 Si l'on pose KR.KI.KLED = KvoR et KD1.Ks.KTi = Kl et KD2.Ks2.KT2 = K2, on obtient l'équation globale suivante: IS. KU.KVOR.(K2 + K) UA = divisé par KVOR (3) 1 + KVOR.K1 Is. Ku.(K2 + K1) (4) UA - 1 O + K1 KVOR Etant donné que KVOR represente une voie integrale, la valeur de fonction de KVoR tend vers l'infini, si bien qu'on obtient IS.KU. (K2 + K1) U = (5) A K1 ou sous une autre forme UA = IsKU (K2 + 1) (6) En lntroduisant à nouveau dans l'équation (6) KI = KD1.KS.KT1 et K2 = KD2.Ks2.KT2, on obtient: UA = IsKu KD2 KS2 KT2 (7) A SU* D1 S1- T1 KTX et KT2 sont les variations de température des diodes Dl et D2, variations qui sont identiques - c'est-à- dire que KTi = KT2 - et se compensent par conséquent. KD1 et KD2 sont les caractéristiques des diodes: elles sont également identiques entre elles et ne se distinguent que par leur signe algébrique en sorte que KD2 = -KDI, d'o l'expression suivante: UA = -Is.KU.(Ks2/Ksi - 1) (8) Ks2 = 1 +Ax Ksi = 1 -A x Ku = -RA 26 1 6903 Résultat: U = R 1 + Ax A S A (1 - 1). K* (9) U = 2Ax UA K*S A (' (1 -x0) expressions dans lesquelles K* est une grandeur constante qui dépend seulement des grandeurs géométriques telles que distance, diamètre du barreau ombreur, etc. - et doit être déterminée une fois pour toute par les techniques de mesure. La compensation de ce dispositif prend une forme très simple et, comme permet de le voir l'équation (10), est possible par Is et RA. On met tout d'abord en fonction le dispositif sans barreau ombreur. Il s'établit alors à la sortie de l'amplificateur V1 une faible tension de repos que l'on compense facilement par RA. Si l'on désire une pente déterminée de la tension de sortie, on peut ajuster ladite pente par RA. Les mesures proposées permettent de réaliser désormais à faible prix en éléments de construction et moyennant des travaux de compensation et ajustage simples une prise de positionnement de haute qualité, bon marché et satisfaisant aux exigences de l'ambiance. On s'affranchit ainsi des tolérances d'insertion très serrées jusque là nécessaires et également de coûteux réseaux correcteurs de température. On n'est plus astreint qu'à une simple compensation électrique à zéro dans l'état integré et le paramètre de départ de la grandeur physique (signal) peut être choisi libremern dans une zone étendue. En dépit du besoin élevé que l'on en éprouvait, le niveau antérieur de la technique n'a ni découvert nl suggéré cette solution simple. REVENDICATIONS 1. Prise opto-électrique de positionnement selon le principe du barreau ombreur opto-électrique, dans laquelle deux diodes sont associées à distance déterminée à une source émettrice de lumière, caractérisée par le fait que les diodes photosenslbles (Dl, D2) sont intégrées à une distance mutuelle d'environ 25 pm sur une puce et qu'à chacune d'elles est associée une résistance de travail (R1, R2) à travers laquelle s'écoulent les courants de diode (Ix, I2), la différence de courants (AIs = Is - Il) formée entre un courant de référence (Is) constant et le premier courant de diode (I) en un point de sommation (Si) commandant en même temps, à travers un amplificateur intégrateur (Vz) et un transistor (T), une source lumineuse (diode électro- luminescente LED) en sorte que (I 2. Prise opto-électrique de positionnement selon la revendication 1 caractérisée par la disposition entre la source lumineuse (LED) et les diodes (Dl, D2) d'un barreau ombreur (St) dont la différence de clarté engendrée par sa déviation forme au moyen du second courant de diode (I2) la différence de courant ( A ID = I -IK), laquelle engendre à travers la résistance RA de l'amplificateur (Vl) une tension (UA) proportionnelle à la déviation dudit barreau ombreur.