Brevet FR2646905A1 — publié le 19901116

CAPTEUR DE MESURE DE DEPLACEMENT La présente invention est reLative au domaine technique de la détermination de La position d'un mobile par rapport à une référence fixe et elle vise, plus particulièrement, un capteur pour l'appréciation de l'amplitude d'un tel déplacement, par opposition à la détermination des positions extrêmes qu'un tel déplacement pourrait, éventuellement, adopter. Dans de nombreux domaines techniques, il est utile, voire nécessaire, sinon essentiel, de pouvoir apprécier instantanément le déplacement d'un mobile, afin de suivre le développement d'un processus évolutif, de contrôler le déroulement d'un cycle de fonctionnement ou, encore, de détecter une variation de déplacement, afin de pouvoir asservir en retour un tel déplacement ou, encore, commander des organes de correction. De très nombreuses applications sont concernées, parmi lesquelles, à titre uniquement indicatif, il convient de citer la mise en oeuvre dans le domaine automobile pour la correction d'assiette, la commande de suspensions semi-actives ou actives, la commande électronique de la carburation. La technique antérieure est riche d'un grand nombre de solutions techniques pour réaliser des capteurs destinés à assumer une telle fonction. Initialement, la première proposition fut de les réaliser sous une forme potentiométrique rotative ou linéaire. De telles réalisations manquent de fiabilité, en raison de l'existence d'une plage d'usure localisée. Pour tenter de remédier aux inconvénients ci-dessus, La technique antérieure a connu les capteurs inductifs s'appuyant sur le principe de variation de flux dans un enroulement de mesure. Si de tels capteurs sont précis, en revanche, ils exigent la mise en oeuvre de circuits électroniques sophistiqués, difficilement intégrables. D'autres capteurs, du type à courant de FoucauLt, ont été proposés également. Ces capteurs s'appuient sur la modification du coefficient d'auto-induction d'une bobine. Bien que satisfaisants, de tels capteurs exigent, également, un circuit électronique de commande sophistiqué et sont pénalisés par une plage de déplacement limitée. Il convient de citer, également, les capteurs capacitifs, s'appuyant sur le principe de variation d'une capacité. Si un tel système est simple, il exige, en revanche, la présence d'un circuit électronique complexe. La technique antérieure connaît aussi des capteurs du type photo-conducteur dont le principe de fonctionnement s'appuie sur la variation de la conductivité sous éclairement. De tels capteurs, avantageux par l'absence d'exigence du traitement de signal, sont, par contre, pénalisés par un temps de réaction trop long. Il apparaît important, également, de citer les capteurs du typemagnétorésistif. dont le principe de fonctionnement s'appuie sur la variation de la conductivité dans un champ magnétique. Si de tels capteurs peuvent être réalisés simplement en tant que tels, ils exigent la présence d'un circuit de commande électronique particulièrement complexe. Au total donc, la technique antérieure n'offre pas de capteurs de déplacement pouvant être réalisés sous un faible encombrement, de façon simple et peu onéreuse, capables de présenter une fiabilité certaine de fonctionnement dans le temps, dans un environnement éventuellement hostile en présentant, de surcroit, une insensibilité aux champs magnétiques extérieurs et aux décharges électrostatiques. L'objet de l'invention est de combler cette lacune en proposant un nouveau capteur de déplacement capable, en outre, de présenter un fonctionnement fiable et précis dans une large gamme de température, en offrant une résistance certaine aux accélérations et aux vibrations, afin d'ouvrir largement le domaine d'utilisation et de pouvoir être mis en oeuvre, particulièrement, dans le domaine automobile. Un autre objet de l'invention est de proposer un capteur à même de fournir un signal électrique exploitable, de type analogique, compatible avec l'énergie de bord d'un véhicule automobile et les contraintes de consommation électrique imposées par les constructeurs. Pour atteindre les objectifs ci-dessus, le capteur de mesure de déplacement selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend un bottier étanche contenant - un élément photosensible constitué au moins par une surface de mesure, - une source lumineuse éclairant identiquement tous les points de L'éLément photosensible, - un obturateur mobile commandé en déplacement à travers le bottier et apte à masquer, au moins partiellement, la surface de mesure par rapport à la source, - un circuit électronique de commande de la source lumineuse et de traitement du signal émis par la surface de mesure en fonction de son éclairement, - et un connecteur de branchement extérieur raccordé au circuit de traitement. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention. La fig. 1 est une coupe-élévation d'un premier exemple de réalisation du capteur selon l'invention. La fig. 2 est une coupe transversale prise selon la -ligne II-II de ta fig.- I. Les fig. 3 et 4 sont des schémas de circuits électroniques incorporés aux capteurs. La fig. 5 est une coupe-élévation partielle illustrant une variante de réalisation de L'exemple selon la fig. 1. Les fig. 6 et 7 sont des vues schématiques montrant deux possibilités de réalisation de l'un des éléments constitutifs du capteur. La fig. 8 est une coupe-élévation illustrant une autre forme d'exécution du capteur. Les fig. 9 à 11 sont des vues transversales prises, respectivement, selon les lignes IX-IX à XI-XI de la fig. 8. Selon le premier exemple de réalisation, illustré par les fig. 1 et 2, le capteur de mesure du déplacement, du type opto-électronique, est conçu pour être dépourvu d'organes en contact relatif et dont la coopération permet de fournir un signal de sortie exploitable, comme cela est le cas des solutions de la technique antérieure. Le capteur selon l'invention comprend un bottier 1 délimitant une cavité étanche 2 dans laquelle se trouvent disposés les différents organes utiles de mesure et de traitement électronique. La cavité 2 est fermée, d'un côté, par un bouchon étanche 3 constituant, simultanément, un connecteur de branchement extérieur conçu pour être raccordé électriquement à certains au moins des éléments constitutifs ou organes de mesure du capteur.Le bottier 1 est fermé sur son côté opposé par une garniture d'étanchéité 4 entourant un obturateur 5 guidé en déplacement dans des coussinets 6 disposés à l'intérieur d'un palier 7 présenté par le bottier 1. L'obturateur 5 est du type à déplacement rectiligne alternatif et comporte, extérieurement au palier 7, des moyens 8 de liaison avec un organe mobile relativement au boîtier et non représenté aux dessins. L'obturateur 5 comporte, à l'intérieur de la cavité 2, une tête 9 de masquage d'un élément photosensible 10 adapté dans la cavité 2. L'élément photosensible 10 est, principalement, constitué par une surface sensible de mesure 11 capable de réagir à la lumière en produisant un signal électrique de type analogique fonction de l'éclairement subi. La surface sensible 11 peut donc etre réalisée de plusieurs façons différentes parmi lesquelles il importe de citer une photodiode en silicium. Selon une disposition préférée, l'élément photosensible 10 comprend, également, une surface sensible 12, dite de référence, par opposition à la surface sensible 11, dite de mesure.La surface de référence 12 est réalisée de la même façon que la surface de mesure 11 et, de préférence, est découpée sous la forme d'une photodiode à partir du même matériau de base, voire de la même tranche de ce matériau. L'élément photosensible 10 est disposé pour posséder un axe de référence parallèle à la direction de déplacement de la tête de masquage 9. Dans le cas présent, l'obturateur 5 assigne une direction de déplacement rectiligne alternatif à la tête de masquage 9 selon un axe A. L'élément sensible 10 est alors organisé pour que la ou les surfaces 11 et 12 s'étendent parallèlement à cet axe en étant portées par un support 13 adaptable de façon amovible dans le bottier 1. Le support 13 est réalisé de manière que la ou les surfaces sensibles Il et 12 puissent être raccordées électriquement, d'une part, au connecteur 3 et, d'autre part, à un circuit électronique 14 de traitement du signal émis par l'élément photosensible 10.Le circuit électronique 14 est, par ailleurs, connecté à une source lumineuse 15 qui est montée à l'intérieur de la cavité 2 directement ou par un support 16 du circuit 14. La source lumineuse 15, par exemple constituée par une diode luminescente, est choisie et disposée pour assurer l'éclairement identique de tous les points de l'élément photosensible, c'est-å-dire de la ou des surfaces Il et 12. L'organisation relative est donc prévue pour que les surfaces Il et 12 soient disposées dans un même plan, symétriquement en regard de la source lumineuse et de telle sorte que la tête de masquage 9 puisse être interposée entre la source lumineuse 15 et la surface de mesure, savoir, dans l'exemple illustré, la surface Il. Le circuit 14 et la diode 15 Sont, également, raccordés électriquement au connecteur 3. Dans le cas de réalisation de l'élément photosensible au moyen de la seule surface 11, le circuit 14 est réalisé comme cela est ilLustre, symboliquement, par ta fig. 3. Le circuit 14 comprend un module 17 de protection électronique contre les inversions de tension t les parasites d'alimentation, ce module comprenant, éventuellement, une fonction de stabilisation de la tension. Le module 17 est raccordé aux deux bornes B1, B2 d'une alimentation appropriée par l'intermédiaire du connecteur 3. Le module 17 est, par ailleurs, raccordé par les bornes S1 et S2 à la source lumineuse 15 et par les bornes A1 et A2 à un module 18 d'analyse du signal issu de la surface sensible 11.Le module 18 est raccordé au connecteur 3 par la borne B3 et comprend La surface sensible de mesure il et un convertisseur courant-tension 19. Avec un tel circuit, la tension mesurée aux bornes du module 18 dépend du courant qui traverse la surface sensible de mesure 11 et, par conséquent, de la surface de cet élément sensible exposée à éclairement par la source lumineuse 15 en fonction de la position de la tête de masquage 9. Un signal analogique, proportionnel à la surface exposée, peut ainsi être produit et directement utilisé pour apprécier la position relative d'occultation de la tête de masquage 9 et, par conséquent, son déplacement relatif par rapport au bottier 1. Une comparaison de déplacement relatif peut donc intervenir, entre le boiter 1 et l'obturateur 5 pour apprécier la variation de position, par exemple de l'organe 8 par rapport au support sur lequel le boiter 1 est adapté fixement. Il doit etre considéré qu'un déplacement relatif inverse peut aussi intervenir en fixant l'obturateur 5 à un organe immobile et en adaptant le boiter 1 sur un organe relativement mobiLe. Ainsi, le capteur de l'invention, du type optoélectronique, permet de connaître la position relative entre deux organes mobiles relativement mais sans contact physique. Un tel capteur fournit un signal électrique directement exploitable, image de la position relative entre l'obturateur 5 et le boîtier, sans risque d'altération dans le temps, en raison de l'absence de contact de surface et de la protection assurée par le caractère étanche de la cavité 2. Un fonctionnement fiable peut ainsi etre obtenu avec un capteur susceptible d'être réalisé selon l'invention pour un prix de revient intéressant. Dans le cas où l'élément photosensible 10 est constitué par la surface sensible de mesure 11 et par la surface sensible de référence 12, le circuit électronique 14 est réalisé comme cela est illustré symboliquement par la fig. 4. Le circuit 14 comprend le module 17 raccordé aux bornes B1 et B2 d'une alimentation appropriée par l'intermédiaire du connecteur 3, le module 18 d'analyse du signal issu de la surface sensible de mesure 11, raccordé, d'une part, aux bornes A1 et A2 du module de protection 17 et, d'autre part, à la borne B3 du connecteur 3 et un module 20 d'asservissement de la source lumineuse 15 raccordé aux bornes et S2 du module de protection 17. Le module 18 d'analyse du signal issu de la surface de mesure est réalisé comme décrit en référence à la fig. 3.Le module 20 comprend la surface sensible de référence 12 destinée à être en permanence exposée à la source lumineuse 15, reliée à l'entrée ECT d'un convertisseur courant-tension 21, la sortie SCT du convertisseur courant-tension 21 étant reliée à l'entrée E1 d'un comparateur 22. La seconde entrée E2 du comparateur 22 est reliée à un module 23 qui fournit une tension de référence. La sortie S du comparateur 22 est reliée à la source lumineuse 15 pour réaliser une boucle d'asservissement et de pilotage du courant traversant la source lumineuse 15. Cette disposition permet de s'affranchir des dérives du signal de mesure, Lesquelles sont liées à 'des variations de température, à des phénomènes de vieillissement et à la dispersion des caractéristiques des matériaux des surfaces sensibles. La fig. 5 montre une variante de réalisation dans laquelle la source lumineuse 15 est adaptée sur un plan du bottier I sensiblement coplanaire au support 13 de l'élément photosensible 10. Dans un tel cas, un miroir de réflexion 40 est disposé dans la cavité 2 selon Les lois connues de L'optique, de manière que le faisceau lumineux, émis par la source 15, soit réfléchi pour inonder, identiquement en tous points, l'élément sensible 10 et, plus particulièrement, les surfaces Il et 12, dans le cas de réalisation selon Les fig. 1 et 2. Dans un tel exemple, il est, généralement, préférable d'interposer un masque ou ecran 13a entre l'élément sensible 10 et la source 15. La fig. 6 montre que la tête de masquage 9 peut présenter, dans un plan parallele à celui contenant l'élément sensible 10 et passant par exemple par l'axe A, une forme triangulaire isocèle de base 42. L'élément sensible 10 et, plus particulièrement, la surface 11 comporte, dans un tel cas, un axe de référence parallèle à ta direction de déplacement de la tête 9. Dans le cas de réalisation de l'obturateur 5 sous la forme d'un organe à déplacement rectiligne alternatif, L'axe de référence de la surface sensible il est parallèle à cette direction et coincide avec l'axe médian transversal de la surface 11. Il doit être considéré que l'axe de référence pourrait être, également, l'axe de symétrie longitudinal et que la surface 11 pourrait alors être disposée pour que sa longueur soit parallèle à la direction de déplacement rectiligne de la tête 9, matérialisée par l'axe A. Il est évident que des formes différentes, susceptibles d'aboutir au même résultat, pourraient être conférées à la tête de masquage 9. Une variante de réalisation est illustrée par la fig. 7, selon laquelle la tête de masquage 9 présente une fente 41 de largeur constante, s'étendant également de part et d'autre de la direction A en étant, par exemple, perpendiculaire à cette dernière. Dans un tel exemple de réalisation, l'élément photosensible 10- peut être constitué par une surface Il de forme générale triangulaire isocèle, dont la base 42 est, au plus, égale à la longueur de la fente 41. La hauteur de la surface 11, par référence à la forme triangulaire, est placée pour être située à l'aplomb de l'axe A, de manière que la surface à éclairer soit également répartie de part et d'autre de la direction de déplacement. La tête 9 est destinée à occulter la surface 11 par rapport à la source de lumière 15, de manière à ne Laisser exposer que la partie de cette surface apparaissant par la fente 41. Le déplacement, dans le sens de la flèche f1, aboutit à réduire progressivement la surface exposée de l'élément photosensible et permet de faire varier, de façon analogique correspondante, le signal de sortie traité par le circuit 14. La surface triangulaire Il est, dans un tel cas, placée pour s'étendre parallèlement au plan passant par le plan de la fente 41. Dans les différents exemples décrits ci-dessus, l'obturateur 5 est associé à des moyens d'immobilisation temporaire de la tête 9 dans une position déterminée par rapport à L'élément sensible 10 lorsque ce dernier inclut La surface sensible de référence 12. Cette position de référence permet initialement un calibrage ou un étalonnage référentiel du circuit électronique de traitement 14 dont le signal de sortie peut être ajusté par réglage de la valeur d'une résistance du circuit 14. Les fig. 8 à 10 illustrent une autre forme d'exécution dans laquelle l'obturateur 5 est conçu pour être animé d'un déplacement rotatif plutôt que rectiligne comme dans l'exemple précédent. Dans un tel cas, L'obturateur 5 comprend un arbre 50 monté dans le boîtier 1 par un roulement 51 et par un broutement 52 à aiguilles. Dans la cavité 2, L'arbre 50 porte un volet tournant 53 interposé entre La source lumineuse 15 et l'élément photosensible 10 qui est porté par une cloison 54 immobilisée dans la cavité 2 par l'intermédiaire du bouchon 3. L'élément sensible 10 peut être constitué par une surface Il ou, de préférence, par une telle surface, dite de mesure, associée à une surface 12, dite de référence.Dans un tel cas, la ou les surfaces 11 et t2 se présentent sous la forme de plaquettes allongées, courbes, centrées sur l'axe de rotation A1 de l'arbre 50, en étant éLoignées radialement de cet axe d'une mesure telle que la surface Il puisse être totalement exposée, partiellement masquée ou totalement masquée par rapport à l'éclairement de la source 15, par te volet 53 qui constitue La tête de masquage 9 de L'obturateur 5 et que la surface 12 soit complètement exposée à la source 15. Bien que cela ne soit pas représenté, il doit être considéré que les variantes de réalisation selon les fig. 5, 6 et 7 peuvent, dans leur principe, être extrapolées pour être adaptées à l'exemple de réalisation selon la fig. 8. Le volet 53 est, de préférence, pourvu d'un téton 55 peccable qui, lors du montage, est engagé dans un trou de la cloison 54. Le téton 55 constitue le moyen d'immobilisation au moins temporaire dans une position de calibrage ou d'étalonnage du circuit électronique 14 qui est porté par La cloison 54. Le circuit électronique 14 peut être du type de la fig. 3 ou du type de la fig. 4, selon que l'élément photosensible 10 est constitué uniquement par la surface 11 ou par cette derniére associée à La surface de mesure 12. Ainsi que cela ressort de La description qui précède, le principe du capteur selon l'invention consiste à utiliser au moins un élément sensible à la lumière en relation avec une tête de masquage à déplacement linéaire ou angulaire, de telle sorte que la surface exposée reproduise l'amplitude du déplacement à mesurer entre L'élément photosensiblej considéré comme fixe, et l'obturateur, considéré comme mobile. Il doit, bien entendu, être considéré que la notion de fixité et de mobilité peut être inversée. La mise en oeuvre de surfaces sensibles à l'éclairement pour fournir un signal utile de type analogique, permet de constituer le circuit de traitement électronique sous une forme simple, incluant un minimum de composants. De ce fait, le circuit 14 peut être produit sous un faible encombrement, à un prix de revient intéressant, permettant de Loger un tel circuit à l'intérieur d'une cavité 2 de faible volume. Le capteur se présente ainsi, dans son ensemble, sous la forme d'un organe de petites dimensions, aisément intégrable et pouvant être mis en oeuvre dans toutes les applications. La réalisation du capteur, sous la forme d'un boîtier étanche préservant l'ensemble des organes constitutifs, permet de fabriquer un appareil résistant aux agressions mécaniques, thermiques, chimiques et susceptible de présenter un fonctionnement fiable dans le temps en raison, principalement, de l'absence de contact de surface entre les parties fixe et mobile. REVENDICATIONS : 1 - Capteur de mesure de déplacement, caractérisé en ce qu'il comprend un boîtier étanche (1) contenant - un élément photosensible (10) constitué au moins par une surface de mesure (11), - une source lumineuse (15) éclairant identiquement tous les points de l'élément photosensible, - un obturateur mobile (5) commandé en déplacement à travers le boîtier et apte à masquer, au moins partiellement, la surface de mesure par rapport à la source, - un circuit électronique (14) de commande de la source lumineuse et de traitement du signal émis par la surface de mesure en fonction de son éclairement, - et un connecteur (3) de branchement extérieur raccordé au circuit de traitement. 2 - Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément photosensible (10) comprend une surface sensible de référence (12), destinée à être toujours éclairée, et une surface sensible de mesure (11), appariées et disposées dans un même plan symétriquement en regard de ta source lumineuse (15). 3 - Capteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément photosensible (10) est constitue,par une plaquette de forme allongée dont la longueur est parallèle à la direction (A) de déplacement de l'obturateur. 4 - Capteur selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comprend un obturateur (5) du type à déplacement linéaire et un élément photosensible possédant un axe de référence rectiligne parallèle à la direction de dépLacement de L'obturateur. 5 - Capteur selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comprend un obturateur (5) du type à déplacement circulaire et un élément photosensible possédant un axe de référence courbe de meme centre que le déplacement circulaire. 6 - Capteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'obturateur comporte une tête de masquage (9) présentant en plan une forme triangulaire possédant un axe de référence rectiligne ou non et en ce que l'élément photosensible (10) comprend une plaquette de mesure (11) de forme allongée dont l'axe médian transversal est situé à l'aplomb de l'axe de la tête de masquage. 7 - Capteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'obturateur (5) comporte une tête de masquage (9) présentant une fente allongée (41) de largeur constante s'étendant, également, de part et d'autre de l'axe longitudinal de la tête et en ce que L'élément photosensible (10) comprend une plaquette de mesure (11) présentant en plan une forme triangulaire dont la base (42) est au plus égale à la longueur de La fente et dont l'axe de référence, rectiligne ou non, est situé à l'aplomb de l'axe longitudinal de la tête de masquage. 8 - Capteur selon l'une des revendications 5, 6 ou 7, caractérisé en ce que L'obturateur (5) comprend une tige de commande (50) montée dans au moins un palier (51) pour tourner sur un axe de rotation (A1) et une tête de masquage (9) constituée par un volet (53) perpendiculaire à l'axe de rotation. 9 - Capteur selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que l'obturateur (5) est associé à un moyen (55) d'immobilisation au moins temporaire dans une position de calibrage ou d'étalonnage du circuit électronique de traitement. 10 - Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit électronique (14) de traitement du signal de sortie de l'élément photosensible comprend un module (17) de protection et de stabilisation raccordé à un connecteur, à la source lumineuse (11) et à un module (18) d'analyse du signal émis par l'élément photosensible, comprenant une surface sensible de mesure (11) et un convertisseur (19). 11 - Capteur selon la revendication 1 ou 10, caractérisé en ce que le circuit électronique (14) comprend, outre le module (17), le connecteur (3), la source (15) et le module (18), un module (20) composé, d'une part, d'une surface de mesure de référence (12) destinée à etre en permanence éclairée et reliée à L'entrée d'un convertisseur (21) branché à l'une des entrées d'un comparateur (22) et, d'autre part, d'un module (23) fournissant une tension de référence appliquée à la seconde entrée du comparateur qui est connecté à la source lumineuse.