Brevet FR2966239A1 — publié le 20120420

CAPTEUR DE POSITION ANGULAIRE A HAUTE RESOLUTION ET A FAIBLE ENCOMBREMENT L'invention a trait à un capteur de position angulaire à haute résolution et à faible 5 encombrement. Un capteur de position angulaire est un capteur permettant de connaître la position angulaire d'un élément mobile en rotation ou en translation. De tels capteurs sont également nommés codeurs optiques. Cette expression sera utilisée préférentiellement. Par la suite, on décrit un codeur optique de type rotatif, étant 10 entendu que l'invention concerne également un codeur optique de type rectiligne. Un codeur optique comprend un disque, solidaire d'un arbre d'entrainement en rotation. Cet arbre est lui-même solidaire d'un élément dont on souhaite connaître la position angulaire à un instant donné. Le disque est pourvu d'une succession de zones opaques et de zones transparentes. Une source lumineuse, immobile par rapport au 15 disque, émet une lumière qui traverse les zones transparentes du disque en rotation et illumine des photorécepteurs, également immobiles par rapport au disque. Le signal reçu par les photorécepteurs, après traitement, est représentatif de la position angulaire du disque, donc de la position angulaire de l'élément à un instant donné. Le codeur optique comprend également un réticule, dit réticule de balayage, 20 placé avant que le faisceau lumineux soit reçu par les photorécepteurs. Ce réticule forme un moyen de « calibrage » du faisceau lumineux à la manière d'un diaphragme, sans dévier le faisceau lumineux. On distingue deux types de codeurs optiques : les codeurs incrémentaux et les codeurs absolus. 25 Les codeurs incrémentaux sont équipés d'un disque comportant deux types de pistes. Un type de piste, dite intérieure, pourvue d'une seule zone transparente et adaptée pour délivrer un signal de référence à chaque tour. Un type de piste, dite extérieure, est concentrique à la piste intérieure et comporte N' portions angulaires formées alternativement de zones opaques et transparentes. La valeur numérique 30 entière non nulle N' représente la résolution, également nommée nombre de points ou de bits du disque du codeur. Un codeur incrémentai fournit ainsi une mesure du déplacement, linéaire ou angulaire, d'un élément, par exemple d'un outil d'une machine-outil. Ce type de codeur est simple à réaliser et à utiliser. Néanmoins, il doit être réinitialisé en cas d'arrêt de la 35 rotation du disque et il est sensible aux parasites. Les codeurs absolus donnent la position angulaire d'un élément, soit sur un tour de rotation de ce dernier, soit sur plusieurs tours de rotation selon qu'il s'agit d'un codeur absolu simple tour ou multi tours. Un codeur absolu fournit, en permanence, un code représentatif de la position réelle de l'élément en mouvement. Les codeurs absolus sont particulièrement utilisés dans les domaines spatial aéronautique, pétrolier, médical et militaire car ils sont insensibles aux coupures du réseau électrique et aux parasites. Comme les codeurs incrémentaux, ils comprennent une source lumineuse et des photorécepteurs, fixes. La lumière émise par la source traversant un disque mobile en rotation et solidaire de l'élément en mouvement. Les codeurs absolus comprennent un disque pourvu d'au moins deux, avantageusement plusieurs, pistes circulaires concentriques. La piste centrale comprend une seule zone transparente s'étendant sur une demi-circonférence. On l'a désigne sous le terme de MSB (Most Significant Bit). Elle permet de déterminer dans quel demi-tour du disque on réalise la mesure. Les pistes suivantes, en allant vers l'extérieur du disque, comprennent deux puis quatre, huit, seize zones transparentes, et ainsi de suite jusqu'à la piste extérieure. Au fur et à mesure que l'on s'éloigne de la piste centrale, les pistes permettent de déterminer dans quel quart, huitième puis seizième de tour on se situe, et ainsi jusqu'à la piste extérieure ou LSB (Least Significant Bit) qui comprend 2" zones transparentes. La valeur numérique entière non nulle N correspond au nombre de pistes. Le disque d'un codeur absolu a ainsi une précision ou résolution de 2" points par tour ou bits. La disposition des zones opaques et transparentes des différentes pistes est réalisée, de manière connue en soi, selon un codage, soit binaire, soit dit de Gray. Il s'avère que, dans de nombreux domaines techniques, il est intéressant d'utiliser des codeurs optiques d'un faible encombrement, par exemple d'un diamètre inférieur à 20 mm, pour une épaisseur inférieure à 10 mm, cela tout en préservant une résolution élevée, avantageusement, supérieure à 16 bits. Avantageusement, un tel codeur est également adapté pour résister à des conditions environnementales contraignantes, notamment à des températures comprises entre - 55° C et + 125° C. On utilise, généralement, comme source de lumière, un jeu de diodes électroluminescentes ou LED. Pour obtenir un faisceau lumineux suffisamment puissant et focalisé, afin que le codage des différentes pistes du disque soit lu aisément, il est nécessaire de redresser le faisceau lumineux, avant que celui-ci ne traverse le disque. Pour cela, on dispose entre la source lumineuse et le disque un dispositif de correction optique, tel qu'une lentille de type boule ou demi-boule, formant un moyen de redressement du faisceau lumineux. Cette lentille optique permet d'aligner les axes optiques des photorécepteurs avec celui de la source lumineuse. En revanche, la présence d'une lentille optique induit une surépaisseur et un surpoids du codeur. On connaît par FR-A-2 779 816 un codeur optique dans lequel la source lumineuse et les photorécepteurs sont situés d'un même côté du disque, dans un plan globalement parallèle au plan principal du disque. Des miroirs, inclinés par rapport au plan principal du disque, sont disposés à proximité de la source et du disque. Ils permettent de diriger, parallèlement au plan principal du disque, le faisceau émis par la source avant de le renvoyer perpendiculairement en direction des photorécepteurs. Ainsi, pour une même longueur du chemin optique parcouru par le faisceau lumineux, l'épaisseur totale de ce codeur est inférieure à l'épaisseur d'un codeur équipé d'une lentille. Ceci permet de réduire l'encombrement du codeur tout en utilisant un organe de correction optique du faisceau lumineux. Un tel codeur est néanmoins d'une construction relativement complexe, les miroirs devant être positionnés précisément. C'est à ces inconvénients qu'entend plus particulièrement remédier l'invention en proposant un capteur de position angulaire d'une résolution élevée au regard de son encombrement. A cet effet, l'invention a pour objet un capteur de position angulaire d'un élément en mouvement comprenant au moins une source de lumière, un disque mobile en rotation centré sur un arbre de rotation solidaire d'un élément également mobile, au moins en rotation, et dont on veut connaître la position angulaire, le disque comportant au moins deux pistes circulaires concentriques pourvues chacune de zones opaques et transparentes alternées, au moins un photorécepteur disposé de sorte que la lumière émise par la source lumineuse traverse le disque avant d'être reçue par au moins un photorécepteur, caractérisé en ce que la source lumineuse est de type ponctuel et en ce qu'elle est placée à une distance du photorécepteur adaptée pour que le photorécepteur reçoive un faisceau lumineux non dévié. L'utilisation d'une source ponctuelle de lumière et l'absence d'organe de correction optique, permettant de redresser le faisceau lumineux lors de son trajet entre la source et les photorécepteurs, permet d'obtenir un codeur optique d'un encombrement réduit tout en préservant une résolution élevée. Selon des aspects avantageux mais non obligatoires de l'invention, le capteur de position angulaire peut incorporer une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - La source lumineuse ponctuelle est alimentée, électriquement, par impulsions. - La source lumineuse émet un faisceau lumineux divergent. - Le faisceau lumineux a un angle d'émission supérieur à +/- 15°. - La source lumineuse est formée par une diode électroluminescente ou LED. - La distance, ou chemin optique, entre la source lumineuse et le photorécepteur est inférieure à 10 mm. - Le chemin optique est voisin de 3 mm. - Le capteur comprend plusieurs photorécepteurs formés par des photodiodes. - La diode électroluminescente est adaptée pour éclairer au moins quatre, avantageusement huit, photorécepteurs simultanément. - Le capteur comprend plusieurs sources lumineuses ponctuelles. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation d'un capteur de position angulaire conforme à l'invention, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue générale, en perspective, d'un capteur de position angulaire conforme à l'invention, - la figure 2 est une coupe, à la même échelle, du capteur de la figure 1 selon le plan II, certains composants n'étant pas illustrés pour faciliter la lecture, - la figure 3 est une coupe, à plus grande échelle, du détail III de la figure 2, le trajet d'un faisceau lumineux dans le capteur et l'alimentation de la source lumineuse étant schématiquement illustrés et - la figure 4 est une représentation simplifiée, en perspective, des principaux éléments constitutifs du capteur, le trajet du faisceau lumineux étant représenté. Le capteur de position angulaire 1, ou codeur optique, représenté à la figure 1 est réalisé en un matériau rigide, adapté pour isoler, sur le plan électromagnétique, les composants internes du codeur. Avantageusement, ce codeur est réalisé en polymère ou en métal. Le codeur 1 comprend un corps principal 2, creux, globalement cylindrique à base circulaire. Ce corps creux 2 a, par exemple, un diamètre D compris entre 20 mm et 60 mm pour une hauteur H avantageusement inférieure à 10 mm. Le corps 2 du codeur 1 forme un logement de réception pour plusieurs éléments constitutifs du codeur 1. En particulier, il abrite une source lumineuse 3, au moins un photorécepteur 4, un réticule de balayage 5 et un disque de codage 6. Ce dernier est monté rotatif dans le corps 2 du codeur 1. Le disque 6 est centré, de manière définitive ou amovible, sur un arbre de rotation 7. Cet arbre 7 s'étend à l'extérieur du corps principal 2. L'arbre 7 est entraîné en rotation par un élément en mouvement, non illustré, dont on veut mesurer la position angulaire à un instant donné. Cet entraînement en rotation de l'arbre 7 est, soit direct dans le cas d'un codeur 1 simple tour, soit effectué par l'intermédiaire de dispositifs de renvoi dans le cas d'un codeur multi-tours, c'est-à-dire un codeur propre à indiquer le nombre de rotations sur 360°, ou tours, effectuées par l'élément en mouvement. Dans l'exemple, des organes 70 de guidage en rotation de l'arbre 7 sont représentés à la figure 2. Le corps 2 est adapté pour recevoir d'autres éléments, connus en soi et non illustrés pour faciliter la lecture des différentes figures. Il s'agit, entres autres, de moyens d'alimentation en énergie, de traitement des signaux collectés et de commande du capteur. Les figures 2 et 3 représentent, de manière simplifiée, les éléments 3 à 7 tels que disposés dans le corps 2. En particulier, la source lumineuse 3 est fixée, de manière définitive ou amovible, sur une paroi 20 du corps 2. Cette paroi 20 correspond à celle traversée par l'arbre 7. En regardant la figure 2, le réticule de balayage 5, le disque 6 et les photorécepteurs 4 sont placés, dans cet ordre, au dessus de la source 3. Le réticule 5 est fixé aux parois latérales 21, 22 du corps 2. Les photorécepteurs 4 sont fixés, de manière amovible ou définitive, sur un support 40, à proximité de la paroi 23 opposée à la paroi 20. Ainsi, la source 3, le réticule 5 et les photorécepteurs 4 sont solidaires du corps 2 et ils sont immobiles par rapport à l'arbre 7 et au disque 6. Le disque 6 est, pour plus de lisibilité, représenté monobloc avec l'arbre 7. En variante, il peut être solidaire de ce dernier de manière amovible. Les figures 2 à 4 illustrent, schématiquement, une source lumineuse 3 et un groupe de photorécepteurs 4, en l'espèce huit, régulièrement répartis sur deux rangées, une seule rangée étant visible aux figures 2 et 3. La source lumineuse 3 est de type ponctuel. On désigne par ce terme une source de rayonnements lumineux dont les dimensions sont suffisamment petites, par rapport à la distance séparant la source d'un récepteur, pour que ces dimensions puissent être négligées dans les différents calculs. En d'autres termes, avec ce type de source, on peut assimiler à un point l'origine de la lumière émise sous forme d'un faisceau lumineux. Cette source ponctuelle 3 est une source de lumière monochrome, d'une longueur d'ondes donnée. Cette longueur d'ondes donnée est choisie, soit dans le domaine du visible, soit dans celui du proche infrarouge ou du proche ultraviolet. Dans l'exemple, la source 3 est, avantageusement, une source ponctuelle émettant dans le proche infrarouge. La source 3 est, préférentiellement, formée d'une diode électroluminescente (LED) émettant dans le proche infrarouge. La LED 3 est fixée, de manière permanente ou amovible, sur la paroi 20 de sorte que l'axe optique A de la source 3 est parallèle à l'axe de rotation R du disque 6. L'utilisation d'une LED 3 comme source ponctuelle permet d'émettre un faisceau de lumière F divergent. En l'espèce, le cône de lumière a un angle d'émission a supérieur à +/- 15°. On note C la distance entre la source ponctuelle 3 et les photorécepteurs 4. Cette distance C correspond au chemin optique parcouru par la lumière. La présence, d'une part, d'un faisceau lumineux F divergent issu d'une source ponctuelle 3 et, d'autre part, d'un chemin optique C court, implique qu'il n'est pas nécessaire de redresser le faisceau F de lumière émise. En l'espèce, cette distance C est inférieure à 10 mm et, avantageusement, voisine de 3 mm Comme illustré aux figures 3 et 4, la distance C est adaptée pour que les photorécepteurs 4 soient tous éclairés simultanément et avec une puissance suffisante. La LED 3 est choisie pour émettre un faisceau lumineux F d'une intensité lumineuse suffisante pour lire, de façon optimale, le codage du disque 7 en excitant les photorécepteurs 4, cela sans qu'il soit nécessaire de redresser ou focaliser la lumière à l'aide d'un moyen de correction optique tel qu'une lentille. Pour cela, on utilise une LED 3 alimentée, électriquement, par un circuit impulsionnel 8. L'utilisation d'une alimentation électrique par impulsions, telle que schématisée à la figure 3, permet d'augmenter la brillance effective, c'est-à-dire l'intensité du faisceau lumineux F émis par la LED 3, lors de l'activation de cette dernière pour réaliser une mesure, tout en diminuant de manière significative la consommation électrique du codeur 1. Un tel type d'alimentation permet d'obtenir un courant de crête élevé avec un courant moyen d'intensité relativement faible. A titre d'exemple, pour une intensité moyenne de 3 mA, une telle alimentation, avec des impulsions 80 d'une durée de 1 ps toutes les 18 ps, permet d'obtenir un courant de crête de 50 mA. En d'autres termes, le gain de puissance dû au courant de crête de l'impulsion électrique compense la faiblesse originelle de la lumière émise par une source ponctuelle non redressée. En effet, en absence d'une alimentation impulsionnelle, il n'est pas possible d'obtenir, avec une seule LED, un faisceau lumineux d'une puissance suffisante pour être détecté efficacement par les photorécepteurs 4. Au-dessus de la source 3 et sous le disque 6 en regardant les figures 2 à 4, un réticule 5 est disposé. Ce terme de réticule désigne une pièce plane, fixe, pourvue de fentes 50. Dans un autre mode de réalisation, non représenté, le réticule 5 est situé au- dessus du disque 6 et en en dessous des photorécepteurs 4, en regardant les figures 2 à 4. Dans tous les cas, le réticule 5 doit être placé sur le trajet du faisceau lumineux F avant que celui-ci excite les photorécepteurs 4. Le réticule de balayage 5 a pour fonction d'éviter la présence de lumière parasite arrivant sur les photorécepteurs 4 et d'assurer le « calibrage » du faisceau lumineux F, sans dévier ou redresser ce dernier. En d'autres termes, le réticule agit comme un diaphragme. Le réticule 5 est disposé parallèlement au plan principal du disque 6. Lors de la rotation du disque 6, selon la flèche T à la figure 4, seules les pistes en regard des fentes 50 du réticule 5 sont éclairées par la source ponctuelle 3. Les fentes 50 sont, dans l'exemple, rectangulaires. Elles ont des dimensions et un écartement entre deux fentes 50 voisines adaptés pour ne pas dévier le faisceau lumineux F et assurer un passage de la lumière, simultané et d'intensité similaire, à travers toutes les fentes 50, de sorte que chaque photorécepteur 4 reçoit un même signal lumineux. En l'espèce, le réticule 5 est illustré avec quatre fentes alignées, visibles aux figures 2 et 3. Une autre rangée de quatre fentes 50, parallèle à celle illustrée aux figures 2 et 3, est visible à la figure 4. Au-dessus du disque 6, en regardant les figures 2 à 4, se trouve au moins un photorécepteur 4. En l'espèce, il s'agit d'au moins un groupe de huit photorécepteurs 4, en l'espèce, identiques, disposés en deux rangées parallèles de quatre photorécepteurs 4. Ces derniers sont, avantageusement, formés par des photodiodes 41 à 48. Les photodiodes 41 à 48 ont un temps de réaction court, particulièrement adapté pour une utilisation en tant que photorécepteur recevant une lumière émise par une source lumineuse 3 émettant de manière impulsionnelle. Néanmoins, il est possible d'utiliser d'autres types de photorécepteur, par exemple, une combinaison de photodiodes et de phototransistors. Par la suite, l'invention est décrite en référence à des photodiodes. Les photodiodes 41 à 48 permettent de détecter un signal optique et de le transcrire en un signal analogique qui est transmis à des modules de traitement et de calcul, également insérés dans le codeur 1 et non représentés. Les photodiodes 41 à 48 sont disposées de sorte à recevoir chacune un signal lumineux ayant transité par le disque 6 et par une fente 50 donnée, située en regard de la photodiode concernée. Compte tenu de l'alimentation par impulsions de la LED 3 et du chemin optique C, la LED 3, éclaire efficacement les huit photodiodes 41 à 48 réparties en deux rangées. Une rangée de quatre photodiodes 41 à 44 ou 45 à 48 est adaptée pour recevoir le signal lumineux de la LED 3 transmis par quatre pistes concentriques. Pour faciliter la lecture, les pistes codées sont illustrées par des traits disposés en chevrons à la figure 4. La source ponctuelle 3 illumine, de manière optimale, quatre pistes 60 et au moins quatre, avantageusement huit photodiodes 41 à 48. Dans d'autres modes de réalisation, ce nombre est différent, pour autant que la puissance et l'alimentation impulsionnelle de la source ponctuelle 3 soit adaptées. Une disposition en deux rangées parallèles des fentes 50 et des photodiodes 41 à 48 permet que chaque piste soit lue deux fois, en décalé, par deux photodiodes indépendantes. Les photodiodes 41 et 45 « lisent » l'une après l'autre une piste, c'est-à-dire reçoivent un signal lumineux transitant par une piste. Les photodiodes 42 et 46, 43 et 47, 44 et 48 lisent, respectivement, trois autres pistes. Une double lecture pour chaque piste permet, de manière connue en soi, de lever les ambigüités, afin de synchroniser la lecture des pistes et de coder, en code binaire, le signal reçu. Comme illustré à la figure 4, le faisceau lumineux F émis par la LED 3 est scindé en autant de faisceaux FO à F3 que de photodiodes 41 à 48 lors de son passage par les fentes 50. Pour plus de lisibilité, seuls deux faisceaux FO et F1 sont représentés en sortie des fentes 50. Ces faisceaux F0, F1 indépendants gênèrent, respectivement, des faisceaux F2, F3 à l'issue de leurs passages à travers le disque 6, ce dernier tournant selon la flèche T. Chaque faisceau F2, F3 correspond à un signal lumineux codé. Les faisceaux F2, F3 excitent, dans l'exemple, les photodiodes 41, 45. On obtient ainsi, pour une piste, deux signaux lumineux identiques, en décalé, représentatifs d'un même code. L'ensemble des signaux correspondant aux différentes pistes fournit ainsi, après traitement, une position angulaire de l'élément à un instant donné. Lors d'un cycle de mesure, la source 3 éclaire le disque 6 et les photodiodes 4 captent le signal lumineux transmis par le disque 6. Le signal reçu est traité par un module de traitement et de calcul, non illustré. Un temps de réaction court des photodiodes permet que la durée d'excitation de la photodiode, donc la durée d'une impulsion lumineuse soit inférieure à 1 ps. L'alimentation électrique du circuit impulsionnel est réalisée de manière filaire, la source d'énergie étant externe au codeur 1. En variante, le codeur est autonome et comprend une source d'alimentation électrique, par exemple, une pile ou une batterie rechargeable. Avantageusement, le capteur 1 est monté de manière étanche à l'eau et/ou à l'air. En variante, il est possible d'avoir plusieurs sources de lumière ponctuelles. Dans ce cas, leurs dispositions, ainsi que le réticule et les photorécepteurs sont adaptés pour que les faisceaux lumineux reçus par les photorécepteurs restent séparés, non déviés et indépendants. Afin de vérifier le bon fonctionnement d'un tel codeur, en particulier afin de s'assurer que les photorécepteurs 4 fonctionnent, il est avantageux, lors du traitement du signal, d'appliquer aux signaux reçus un traitement propre à détecter le disfonctionnement d'un ou plusieurs photorécepteurs. Pour cela, il est possible de créer, en décalé, un codeur virtuel et, par comparaison de ce dernier avec le codeur réel, d'en déduire l'état du codeur. REVENDICATIONS1.- Capteur de position angulaire (1) d'un élément en mouvement comprenant au moins une source de lumière (3), un disque (6) mobile en rotation centré sur un arbre de rotation (7) solidaire d'un élément également mobile, au moins en rotation, et dont on veut connaître la position angulaire, le disque (6) comportant au moins deux pistes circulaires concentriques pourvues chacune de zones opaques et transparentes alternées, au moins un photorécepteur (4) disposé de sorte que la lumière (F, F0, F1, F2, F3) émise par la source lumineuse (3) traverse le disque (6) avant d'être reçue par au moins un photorécepteur (4), caractérisé en ce que la source lumineuse (3) est de type ponctuel et en ce qu'elle est placée à une distance (C) du photorécepteur (4) adaptée pour que le photorécepteur (4) reçoive un faisceau lumineux (F, F0, F1, F2, F3) non dévié. 2.- Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source lumineuse (3) ponctuelle est alimentée, électriquement, par impulsions (80). 3. - Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source lumineuse (3) émet un faisceau lumineux (F) divergent. 4. - Capteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le faisceau lumineux (F) a un angle d'émission (a) supérieur à +/- 15°. 5.- Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source lumineuse est formée par une diode électroluminescente ou LED (3). 6.- Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la distance, ou chemin optique (C), entre la source lumineuse (3) et le photorécepteur (4) est inférieure à 10 mm. 7.- Capteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le chemin optique ( C) est voisin de 3 mm. 8.- Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs photorécepteurs (4) formés par des photodiodes ( 41 à 48). 9.- Capteur selon la revendication 8 caractérisé en ce que la diode électroluminescente (3) est adaptée pour éclairer au moins quatre, avantageusement huit, photorécepteurs (41 à 48) simultanément. 10. - Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs sources lumineuses ponctuelles.35