CH690463A5 - Codeur optique incrémental. - Google Patents

Description

  
 



  La présente invention concerne un codeur optique incrémental pour mesurer un angle de rotation ou un déplacement linéaire d'un organe en fonction du temps et pour déterminer le sens de ces mouvements, comportant une source lumineuse émettant un faisceau de lumière le long d'un chemin optique, une plaque de codage solidaire dudit organe comportant une série de zones opaques et de zones permettant le passage de la lumière, ces zones étant disposées de façon à traverser ledit chemin optique et à moduler ledit faisceau de lumière lors du mouvement de ladite plaque de codage, et un dispositif de détection comportant au moins un groupe de quatre photodétecteurs présentant chacun une surface photosensible disposée de façon à recevoir ledit faisceau modulé, ce dispositif étant agencé pour fournir, lors du mouvement de ladite plaque de codage, des signaux en quadrature de phase. 



  Des dispositifs connus pour mesurer l'angle de rotation d'un organe tournant, par exemple, comportent généralement une source de lumière, un disque solidaire de l'organe tournant agencé pour produire une modulation de la lumière, par exemple au moyen de fenêtres, c'est-à-dire de zones laissant passer la lumière, qui alternent avec des zones opaques ayant la forme de barreaux, un masque disposé à proximité du disque présentant également des zones laissant passer la lumière et des zones opaques, ainsi qu'un dispositif de détection comportant des photodétecteurs. En disposant le masque correspondant aux différents photodétecteurs, selon une distribution déterminée desdites zones, on engendre des signaux en quadrature de phase dont la fréquence correspond au nombre d'alternances de zones opaques et de zones laissant passer la lumière du disque rotatif. 



  Les dispositifs de ce type présentent toutefois l'inconvénient de comporter ledit masque dont la précision du positionnement est essentielle pour le bon fonctionnement du codeur. En effet, dans des codeurs de haute résolution, les largeurs des fenêtres et des barreaux du disque rotatif peuvent être inférieurs à 100  mu m et, par conséquent, le masque doit être positionné avec une très grande précision, que ce soit axialement ou radialement. 



  Une solution à ce problème consiste à multiplier le nombre de photodétecteurs et à les disposer par groupes juxtaposées radialement. Ces détecteurs sont décalés chacun de 90 DEG électriques et leurs signaux peuvent être recombinés pour obtenir des signaux en quadrature. Ce mode de réalisation présente toutefois l'inconvénient d'être spécifique à la résolution et aux dimensions du disque rotatif. Il s'ensuit que, pour réaliser des codeurs de dimensions similaires, mais avec des résolutions différentes, il est nécessaire de réaliser chaque fois un circuit intégré spécifique avec les frais qui en découlent. 



  La présente invention a pour but de fournir un codeur optique incrémental précis et fiable qui ne nécessite pas le positionnement d'un masque tel que mentionné ci-dessus et qui peut être fabriqué d'une manière nettement plus économique que les codeurs connus. 



  A cet effet, le codeur optique incrémental selon l'invention est caractérisé en ce que chacune desdites surfaces photosensibles comporte au moins une partie recouverte par une couche opaque et une partie libre voisine, de telle façon que lesdits quatre photodétecteurs fournissent lesdits signaux en quadrature, chaque photodétecteur fournissant un signal d'une seule phase. 



  La couche opaque qui peut être directement appliquée sur les photodétecteurs permet d'éviter l'utilisation d'un masque supplémentaire entre les éléments photodétecteurs et ladite plaque de codage. 



  En outre, la matrice formée par la couche opaque et les surfaces photosensibles des photodétecteurs peuvent être réalisées sous forme d'un circuit intégré et adaptées facilement à différentes résolutions du codeur optique par une simple modification de la configuration de la couche opaque. 



  Dans des modes de réalisation préférées, les codeurs optiques selon l'invention présentent les caractéristiques décrites dans les revendications 2 à 7. 



  Un inconvénient supplémentaire des codeurs optiques incrémentaux utilisés actuellement est la nécessité d'être constamment alimentés pour fournir une information de position, même pendant l'arrêt. Ceci peut être particulièrement gênant, notamment pour des dispositifs portables alimentés par pile. Il est à noter que dans certaines applications, en particulier dans des appareils médicaux, le moteur associé au codeur est la plupart du temps à l'arrêt et le codeur n'est utilisé que pour une surveillance périodique. 



  Un but de la présente invention est de remédier également à l'inconvénient représenté par cette alimentation constante des codeurs connus. 



  A cet effet, dans le codeur selon la présente invention, un dispositif de mémoire est relié aux sorties du dispositif de détection, ce dispositif de mémoire étant agencé pour mémoriser les états logiques de ses entrées au moment de la réception d'un signal de commande et pour maintenir ses sorties dans les états logiques mémorisés desdites entrées. 



  Cette disposition permet de mémoriser les états des photodétecteurs à un moment voulu, ledit signal de commande pouvant alors être utilisé pour interrompre l'alimentation de la source lumineuse et/ou du dispositif de détection. 



  Il en résulte une économie d'énergie considérable lorsque l'organe mobile est à l'arrêt. 



  Dans un mode de réalisation préféré, un codeur optique incrémental selon la présente invention comporte en outre un dispositif de mise en forme des signaux provenant dudit dispositif de détection ou dudit dispositif de mémoire. 



  De préférence, ledit dispositif de mise en forme est constitué par un circuit de mise en forme comportant au moins quatre bascules monostables engendrant des impulsions lors de l'apparition d'un flanc de même sens des signaux respectifs, et un circuit logique combinatoire comportant un ensemble de portes. 



  D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront de la description donnée ci-après de différentes formes de réalisation indiquées à titre d'exemples et illustrées dans le dessin annexé dans lequel: 
 
   la fig. 1 montre la structure d'un codeur optique connu; 
   la fig. 2 illustre le principe de la modulation d'un faisceau de lumière en fonction de la position de la plaque de codage; 
   la fig. 3 représente les signaux engendrés par le dispositif de détection comportant quatre photodétecteurs; 
   la fig. 4 illustre un mode de réalisation d'une matrice de surfaces photosensibles telle qu'elle est utilisée dans la présente invention et un disque de codage correspondant présentant des fenêtres et des barreaux; 
   la fig. 5 représente une partie du circuit électrique d'un dispositif de détection selon l'invention;

   
   la fig. 6 représente une variante de réalisation de ladite matrice partiellement recouverte par une couche opaque; 
   la fig. 7 représente un autre mode de réalisation d'une matrice de surfaces photosensibles; 
   la fig. 8a représente le schéma électrique d'un mode de réalisation d'un codeur optique selon l'invention comportant un dispositif de mémoire; 
   la fig. 8b montre les états logiques des signaux apparaissant à différents endroits du circuit de la fig. 8a; 
   la fig. 9a représente le schéma électrique d'un circuit logique pour la mise en forme des signaux provenant du dispositif de détection ou du dispositif de mémoire; et 
   la fig. 9b montre les états logiques des signaux apparaissant à différents endroits du circuit de la fig. 9a. 
 



  La fig. 1 montre un codeur optique connu comportant une source lumineuse 11 qui engendre un faisceau de lumière dirigé vers des photodétecteurs A, A, B, B d'un dispositif de détection 12. La lumière de chaque canal lumineux atteignant un photodétecteur correspondant est modulée par des fentes 22 respectives d'un disque de codage rotatif 13 et d'un masque 14. Le disque 13 est solidaire d'un organe non représenté qui tourne autour du même axe que le disque 13 et dont on souhaite obtenir des informations relatives à sa rotation. 



  Le principe de la modulation susmentionnée est illustré par la Fig. 2 pour une paire de photodétecteurs A et A, associés, respectivement, à des canaux lumineux correspondants, une représentation similaire pouvant être réalisée pour des canaux correspondant aux photodétecteurs B et B ou pour tout autre canal. 



  La rotation du disque 13 qui présente les fentes ou fenêtres 22 et des barreaux 21, a pour effet de moduler, en combinaison avec le masque fixe 14, de manière cyclique, la lumière atteignant les photodétecteurs A et A. Ceux-ci fournissent ainsi des signaux A et  A, en fonction de l'angle de rotation  alpha , selon la représentation schématique de la fig. 3. L'agencement est tel que la modulation de la lumière reçue par le photodétecteur A est en opposition de phase avec la modulation de la lumière atteignant le photodétecteur A. Le même principe s'applique aux photodétecteurs B et B, de façon que les signaux A, B, A, B, sont en quadrature de phase. Dans le cas de codeurs à haute résolution, le positionnement mutuel du disque 13, du masque 14 et des photodétecteurs du dispositif de détection 12 est une opération délicate. 



  Cet inconvénient est éliminé dans les codeurs optiques selon la présente invention, dont un mode de réalisation préféré est illustré par la fig. 4. La moitié gauche de cette figure représente, en traits interrompus, des parties non visibles dans une vue de face, et la moitié droite montre la superposition des parties représentées. 



  Dans ce mode de réalisation, des surfaces photosensibles allongées telles que 15, des photodétecteurs A, B, A, B, forment sensiblement des quadrilatères, chacun délimité, dans le sens de la largeur, par deux segments de cercle concentriques dont le centre se trouve au point d'intersection du plan de ces surfaces photosensibles et de l'axe de rotation dudit disque. 



  Le dispositif de détection 20 comportant ces surfaces photosensibles est de préférence réalisé sous forme d'un circuit intégré, ce qui permet d'atteindre une très grande précision dimensionnelle. Les surfaces photosensibles telles que 15 présentent une longueur qui correspond à plusieurs cycles électriques et sont illuminées par la lumière passant à travers plusieurs fenêtres 22 du disque 13. 



  Ces différentes surfaces photosensibles sont partiellement recouvertes par une couche opaque, typiquement une couche de métallisation, formant des zones opaques 17 et laissant libres des zones 16, ces zones 16 et 17 ayant des largeurs sensiblement égales à celles des fenêtres 22 et des barreaux 21 du disque 13. Les zones 16 et 17 des différentes surfaces photosensibles des  détecteurs A, B, A, B sont décalées de 90 DEG  électriques par rapport aux zones voisines. On obtient ainsi à la sortie de chaque photodétecteur des signaux décalés de 90 DEG  électriques, tels que montrés à la fig. 3. 



  La fig. 5 montre, schématiquement, un circuit permettant d'obtenir, à partir des signaux recueillis par les différents photodétecteurs, des signaux de niveaux logiques correspondants. Les photodétecteurs A et A sont connectés à un comparateur 83a, et les photodétecteurs B et B sont connectés à un comparateur 83b, ces comparateurs fournissant des signaux logiques correspondants. 



  Les surfaces photosensibles des photodétecteurs peuvent avoir une forme rectiligne de manière à être plus facilement fabriquables sous forme de circuits intégrés. Une telle forme, telle que montrée à la fig. 6, permet en outre d'utiliser des diamètres de disque différents et facilite par ailleurs la réalisation d'un codeur optique linéaire. 



  Dans le cas d'un disque rotatif tel que 13, la configuration des zones métallisées est adaptée de façon à prendre en compte l'effet de courbure associé à un tel disque. 



  La fig. 7 représente une autre forme de réalisation d'un ensemble de surfaces photosensibles formant la matrice d'un codeur optique selon l'invention. Le dispositif de détection comporte ici un premier et un second groupe 18, 19 formé chacun de quatre photodétecteurs, les signaux générés par les photodétecteurs du premier groupe étant additionnés aux signaux générés par les photodétecteurs correspondants du second groupe. Les surfaces photosensibles A, B, A, B du premier groupe 18 sont disposées à des endroits différents des surfaces photosensibles correspondantes du second groupe 19, de sorte que les éventuelles inégalités d'intensité de lumière à travers la section du faisceau lumineux se trouvent compensées. 



  Les fig. 8a et 8b représentent, respectivement, un mode de réalisation du circuit électrique du présent codeur et les états logiques de signaux en différents points de ce circuit. Selon cette forme d'exécution, le codeur comporte un dispositif de mémoire 84 relié au dispositif de détection 80 et il permet de diminuer, d'une manière importante, la consommation de courant du codeur. 



  Les signaux logiques générés par les comparateurs 83a et 83b sont appliqués aux entrées 85a et 85b du dispositif de mémoire 84, ce dispositif étant activé par un signal de commande fourni sur une ligne 87. Lorsque le signal de commande est à l'état logique "1", les sorties 86a et 86b du dispositif de mémoire 84 sont dans les mêmes états logiques que les entrées correspondantes 85a et 85b. Lorsque le signal de commande en 87 passe à l'état logique "0", le dispositif de mémoire 84 mémorise les états logiques des entrées 85a et 85b à cet instant et les sorties 86a et 86b sont maintenues aux états mémorisés de ces entrées. 



  Le signal de commande susmentionné est également utilisé pour interrompre l'alimentation de la source lumineuse constituée par une diode LED 88, à l'aide d'un transistor de puissance 89, ainsi que pour couper le courant d'alimentation des comparateurs 83a et 83b via une ligne 81. 



  Il s'ensuit que, lorsque le système mécanique connecté au codeur se trouve au repos, il est possible de diminuer sensiblement la consommation du codeur en imposant un état logique "0" au signal de commande en 87, tout en conservant dans le dispositif de mémoire 84 les états préalables des entrées du codeur. La fig. 8b indique par EA les états actifs du codeur et par ER un état de repos ou standby. 



  La fig. 9a illustre un mode de réalisation dans lequel le codeur optique incrémental comporte en outre un circuit de mise en forme des signaux provenant du dispositif de détection ou, comme représenté à cette figure, du dispositif de mémoire. 



  Dans de nombreuses applications, ces signaux doivent en effet être traités ultérieurement pour permettre de reconstituer une information de position. Ainsi, afin de reconstituer une information de position absolue, on a recours à un dispositif compteur/décompteur. Les circuits couramment utilisés à cet effet comportent une entrée de comptage et une entrée de décomptage. Pour adapter les signaux fournis par le présent codeur à ce type de compteur, le codeur comporte un circuit supplémentaire selon la fig. 9a. Ce circuit est en l'occurrence connecté par ses entrées aux sorties 86a, 86b du dispositif de mémoire 84 de la fig. 8a. 



  Les signaux A, A, B et B apparaissant aux points indiqués par ces références à la fig. 9a sont appliqués, respectivement, aux entrées de quatre bascules monostables 91a, 91b, 91c et 91d qui engendrent des impulsions lors de l'apparition d'un flanc positif dans chaque signal respectif. Un circuit logique combinatoire constitué d'un ensemble de portes 92 permet ensuite de diriger les impulsions engendrées par les bascules 91a à 91d vers la sortie QUP, ou vers la sortie QDOWN en fonction du sens de rotation. 



  Deux sorties supplémentaires désignées par PULSE et UP/DOWN permettent de fournir, respectivement, une impulsion pour chaque transition des signaux A et B et un signal relatif au sens de rotation. Les états logiques des signaux en différents points de ce circuit sont illustrés au chronogramme représenté à la fig. 9b. 



  Les formes de réalisation décrites ci-dessus en rapport avec un codeur rotatif s'appliquent de façon similaire à des codeurs linéaires destinés à obtenir des informations sur le mouvement linéaire d'un organe mobile. 

Claims (12)

1. Codeur optique incrémental pour mesurer un angle de rotation ou un déplacement linéaire d'un organe en fonction du temps et déterminer le sens de ces mouvements, comportant une source lumineuse (11) émettant un faisceau de lumière le long d'un chemin optique, une plaque de codage (13) solidaire dudit organe comportant une série de zones opaques (21) et de zones permettant le passage de la lumière (22), ces zones étant disposées de façon à traverser ledit chemin optique et à moduler ledit faisceau de lumière lors du mouvement de ladite plaque de codage, et un dispositif de détection (80) comportant au moins un groupe de quatre photodétecteurs (A, A, B, B) présentant chacun une surface photosensible (15) disposée de façon à recevoir ledit faisceau modulé, ce dispositif étant agencé pour fournir, lors du mouvement de ladite plaque, des signaux en quadrature de phase,

caractérisé en ce que chacune desdites surfaces photosensibles (15) comporte au moins une partie recouverte par une couche opaque et une partie voisine libre, de telle façon que lesdits quatre photodétecteurs fournissent lesdits signaux en quadrature, chaque photodétecteur fournissant un signal d'une seule phase.

2. Codeur selon la revendication 1 pour la mesure d'un mouvement rotatif, caractérisé en ce que ladite plaque de codage (13) a la forme d'un disque coaxial par rapport audit organe.

3. Codeur selon la revendication 2, caractérisé en ce que chacune desdites surfaces photosensibles (15) forment sensiblement un quadrilatère allongé comprenant deux segments de cercles concentriques dont le centre se trouve au point d'intersection du plan de ladite surface photosensible et de l'axe de rotation dudit disque.

4.

Codeur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que chacune desdites surfaces photosensibles forment pratiquement un rectangle, les grands côtés de ces rectangles étant parallèles entre eux.

5. Codeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite couche opaque est une couche réalisée par métallisation.

6. Codeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits photodétecteurs sont des photodiodes.

7.

Codeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit dispositif de détection (80) comporte au moins un premier (18) et un deuxième (19) groupe de quatre photodétecteurs, et des moyens pour combiner les signaux générés par les photodétecteurs dudit premier groupe avec les signaux générés par les photodétecteurs correspondants dudit deuxième groupe, au moins un photodétecteur (A) dudit premier groupe et un photodétecteur correspondant (A) dudit deuxième groupe étant disposés à des endroits différents, espacés à l'intérieur dudit faisceau lumineux.

8.

Codeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un dispositif de mémoire (84) est relié aux sorties dudit dispositif de détection, ledit dispositif de mémoire (84) étant agencé pour mémoriser les états logiques de ses entrées au moment de la réception d'un signal de commande (en 87) et pour maintenir ses sorties dans les états logiques mémorisées desdites entrées.

9. Codeur selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit pour interrompre l'alimentation de ladite source lumineuse (88) sous l'effet dudit signal de commande.

10. Codeur selon la revendication 8 ou la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit pour interrompre l'alimentation dudit dispositif de détection (80) sous l'effet dudit signal de commande.

11.

Codeur selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de mise en forme des signaux provenant dudit dispositif de détection (80) ou dudit dispositif de mémoire (84), ce dispositif de mise en forme étant agencé pour engendrer une impulsion à chaque changement d'état ou de signe desdits signaux.

12. Codeur selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit dispositif de mise en forme comprend un circuit de mise en forme comportant des bascules monostables (91a, 91b, 91c, 91d) engendrant des impulsions lors de l'apparition d'un flanc de même sens des signaux respectifs, et un circuit logique combinatoire comportant un ensemble de portes logiques (92).