ES2322151T3 - Procedimiento de determinacion de la posicion de un primer elemento en movimiento relativo a un segundo elemento y dispositivo para implementar dicho procedimiento. - Google Patents
Procedimiento de determinacion de la posicion de un primer elemento en movimiento relativo a un segundo elemento y dispositivo para implementar dicho procedimiento. Download PDFInfo
- Publication number
- ES2322151T3 ES2322151T3 ES04360115T ES04360115T ES2322151T3 ES 2322151 T3 ES2322151 T3 ES 2322151T3 ES 04360115 T ES04360115 T ES 04360115T ES 04360115 T ES04360115 T ES 04360115T ES 2322151 T3 ES2322151 T3 ES 2322151T3
- Authority
- ES
- Spain
- Prior art keywords
- diffractive
- optical
- support
- code
- respect
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 41
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 title claims description 14
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 123
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 39
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 claims description 13
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 12
- 230000006870 function Effects 0.000 claims description 11
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 11
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 8
- 210000000056 organ Anatomy 0.000 claims description 6
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 5
- 239000000470 constituent Substances 0.000 claims description 4
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 4
- 201000009310 astigmatism Diseases 0.000 claims description 3
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000003491 array Methods 0.000 claims description 2
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 claims description 2
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 2
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims 1
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 6
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 5
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 3
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 3
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N Glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 description 2
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 230000003319 supportive effect Effects 0.000 description 2
- 238000007514 turning Methods 0.000 description 2
- 208000012661 Dyskinesia Diseases 0.000 description 1
- 241000985284 Leuciscus idus Species 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004378 air conditioning Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 238000001393 microlithography Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000011368 organic material Substances 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920002994 synthetic fiber Polymers 0.000 description 1
- 238000013519 translation Methods 0.000 description 1
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 description 1
- 238000010200 validation analysis Methods 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
- G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
- G01D5/347—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells using displacement encoding scales
- G01D5/34707—Scales; Discs, e.g. fixation, fabrication, compensation
- G01D5/34715—Scale reading or illumination devices
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Optical Transform (AREA)
- Replacing, Conveying, And Pick-Finding For Filamentary Materials (AREA)
- Container, Conveyance, Adherence, Positioning, Of Wafer (AREA)
- Die Bonding (AREA)
Abstract
Procedimiento de determinación de la posición de uno (20) entre dos elementos (20, 21) en movimiento relativo, uno con respecto al otro, que utiliza medios ópticos y que consiste en: - dirigir al menos un haz de luz (23a, 50) emitido por una fuente de luz ligada a un elemento (21) hacia un soporte difractivo (1, 1c, 1d) ligado al segundo elemento (20), calculado y fabricado para generar una señal óptica indicativa del posicionamiento de dicho soporte (1, 1c, 1d), señal óptica que es producida por el soporte difractivo (1, 1c, 1d) en transmisión y/o en reflexión; - detectar y leer al menos un código óptico (10, 64) constituido por dicha señal, que corresponde a una única posición del soporte difractivo (1, 1c, 1d) con respecto al haz (23a); - atribuir una posición a cada código óptico (10, 64) detectado, caracterizado porque dicho código óptico (10, 64) está compuesto por varios bits constituidos por estructuras ópticas discretas del tipo mancha (57a, 57b) que permiten una lectura binaria directa del código según su luminosidad.
Description
Procedimiento de determinación de la posición de
un primer elemento en movimiento relativo a un segundo elemento y
dispositivo para implementar dicho procedimiento.
La presente invención se refiere al dominio
técnico general de los sistemas o dispositivos que permiten
determinar y medir un movimiento relativo entre dos elementos, por
ejemplo un desplazamiento entre una pieza móvil y una pieza
fija.
En un número creciente de aplicaciones técnicas,
se ha convertido en importante el poder dar con precisión la
posición de un elemento móvil con respecto a una referencia, por
ejemplo fija, a veces a una frecuencia elevada. Tal es el caso, por
ejemplo, en una columna de dirección de un vehículo o en las
máquinas herramientas que proceden a operaciones de mecanizado
complejas o, incluso - de nuevo en el dominio del automóvil - para
las válvulas de sistemas de climatización. Las aplicaciones posibles
son innumerables y explican el desarrollo exponencial de los
captadores de posición, en particular lineales o angulares.
Se pueden utilizar varias tecnologías para la
detección y la medida de posiciones relativas, los captadores que
derivan de ellas están en la mayor parte de los casos asociados a
medios de tratamiento electrónicos complejos que utilizan
algoritmos de interpolación que permiten el cálculo de la
posición.
Así, se conocen ya dispositivos de localización
de una posición con respecto a una referencia fija basados en
tecnologías ópticas, que necesitan sin embargo en casi todas las
hipótesis un tratamiento electrónico complejo de una información
óptica muy básica. Este es el caso, por ejemplo, para el dispositivo
divulgado en el documento de patente DE 196 21 188 basado en una
estructura holográfica que permite desviar un rayo luminoso, con
obtención de una señal a tratar por los medios algorítmicos. Esto
es igual para los dispositivos divulgados en los documentos de
patente DE 28 17 172 y US 5 844 814, basados en tecnologías
denominadas de sombra.
La presente invención se refiere a un
procedimiento de determinación de la posición de uno entre dos
elementos en movimiento relativo, uno con respecto al otro, que
consiste en:
- -
- dirigir al menos un haz de luz emitido por una fuente de luz ligada a un elemento hacia un soporte difractivo ligado al segundo elemento, calculado y fabricado para generar una señal óptica difractada indicativa del posicionamiento de dicho soporte, señal óptica que es producida por el soporte difractivo en transmisión y/o en reflexión;
- -
- detectar y leer al menos un código óptico constituido por dicha señal, que corresponde a una única posición del soporte difractivo con respecto al haz;
- -
- atribuir una posición a cada código óptico detectado.
Este procedimiento se caracteriza porque dicho
código óptico está compuesto por varios bits constituidos por
estructuras ópticas discretas del tipo mancha que permiten una
lectura binaria directa del código según su luminosidad. Esta
solución se distingue de la divulgada por el documento de patente WO
2006/045312 que utiliza un componente difractivo para alterar un
rayo luminoso, que utiliza un único bit.
La originalidad de este procedimiento, basado en
una modulación de fase y/o de amplitud de la señal incidente,
reside en el hecho de que la codificación se realiza por los medios
ópticos lo que permite simplificar notablemente el tratamiento
electrónico. Permite codificar simplemente de manera absoluta las
posiciones relativas de los elemento en movimiento.
La codificación óptica difractiva presenta
además ventajas que se traducen igualmente en los dispositivos de
implementación del procedimiento y que serán tratados con más
detalle en lo que sigue del texto.
Según un ejemplo de implementación del
procedimiento, la señal óptica puede ser definida por un modo del
primer orden de difracción, siendo no obstante conservadas las
señales complementarias en el mismo orden de difracción de manera
que mantengan sensiblemente constantes las intensidades de las
manchas luminosas detectadas. Se evitan así errores de
interpretación ligados a una intensidad no constante de las manchas
a detectar y a analizar. La uniformización de la energía difractada
que resulta de ello facilita la lectura de la posición, que es por
este hecho más fiable. Una parte de la señal difractada es leída y
el complementario en el mismo orden de difracción no es leído, pero
sí utilizado para contrarrestar el exceso de energía para
uniformizar la intensidad.
Según una variante, el orden conjugado que
corresponde al primer orden de difracción puede no obstante ser
leído igualmente y comparado con este último. Esto permite efectuar
una verificación del código óptico obtenido por lectura del primer
orden de difracción, puesto que hay una redundancia entre las dos
informaciones.
Otros órdenes de difracción pueden, sin embargo,
ser utilizados para precisar, completar o controlar la lectura de
las señales ópticas.
Preferentemente, la posición que corresponde a
la última detección es memorizada. Esto permite, llegado el caso,
detectar movimientos anormales que sobrevienen, por ejemplo, durante
una rotura o un deterioro de una pieza mecánica que participa en el
movimiento o en la determinación de la posición.
El código óptico constituido por cada señal
óptica se presenta en la realidad en forma de estructuras ópticas
sobre la base de las cuales se generan, con la ayuda de medios de
detección y de lectura de dichas estructuras, los bits 0 y 1 de un
código electrónico. Una señal de ese tipo es extremadamente
interesante ya que es insensible a las vibraciones, decalajes (es
por ejemplo invariante en traslación con un soporte difractivo de
Fourier).
Según una variante en la cual los códigos no son
distinguidos por sectores según las posiciones del elemento móvil,
sino que evolucionan más bien continuamente, cada señal detectada y
leída es sometida a un algoritmo de cálculo de la posición del
soporte difractivo con respecto al haz. Los algoritmos varían
evidentemente según la velocidad de desplazamiento relativo.
En el procedimiento de la invención, según otra
variante, cada código óptico detectado y leído se compara con los
códigos electrónicos almacenados en una tabla en memoria y que
permite determinar de manera biunívoca la posición del soporte
difractivo. Cada código corresponde de hecho a una única posición.
Es entonces necesario identificar, es decir en la práctica,
delimitar cada código.
Con este fin, el código óptico difractado puede
incluir al menos una estructura óptica de salida y al menos una
estructura óptica de final que delimitan la zona de lectura de la
señal óptica que corresponde a una posición determinada del soporte
difractivo con respecto al haz.
Según una posibilidad adicional, cada código
óptico que corresponde a una posición del soporte difractivo puede
incluir, al menos, una estructura óptica de sincronización cuya
detección permite enganchar la fase de lectura de la señal óptica
que integra el código de una posición del soporte difractivo con
respecto al haz. Esta fase es entonces efectuada únicamente cuando
la delimitación del código es atestiguada por la señal óptica de
sincroniza-
ción.
ción.
Para las variantes precitadas, cada código
óptico que corresponde a una posición identificable puede, por fin,
incluir al menos una estructura óptica de calibración utilizada con
el fin de diagnosticar el buen funcionamiento de la lectura.
Dichas estructuras ópticas están de hecho
constituidas por al menos una mancha luminosa cuya intensidad puede
ser medida. En caso de problemas de funcionamiento de los
componentes del sistema, o de aparición de condiciones (vaho,...)
que tienen por consecuencia un funcionamiento incierto, el análisis
de estas estructuras ópticas y de la señal que ellas constituyen
permite al sistema concluir con la posibilidad o no de una lectura
adecuada.
Es de resaltar que las manchas luminosas que
constituyen las estructuras ópticas pueden adoptar diversas formas
más o menos complejas.
Según una posibilidad, los códigos que definen
la posición de un elemento con respecto al otro obedecen, en el
orden de su sucesión, al código GRAY. La modificación de una sola
mancha luminosa en un emplazamiento conocido permite desde ese
momento simplificar considerablemente el análisis del
posicionamiento.
Las variaciones de intensidad de al menos una de
las estructuras ópticas que forman las señales ópticas pueden,
además, ser codificadas con la ayuda de un convertidor
analógico-numérico, que autoriza una lectura binaria
o en niveles de grises que permite afinar todavía más la resolución
de la medida.
En el caso de una codificación sectorizada, que
corresponde a la primera variante precitada, la fuente de luz puede
ser pulsada según una frecuencia dependiente de la velocidad del
elemento en movimiento, estando entonces la lectura sincronizada a
la generación del o de los haces de luz. Esto permite, llegado el
caso, liberarse de la utilización de una señal óptica de
sincronización.
El procedimiento el cual se ha descrito mas
arriba puede aplicarse a cualquier tipo de movimiento relativo y,
particularmente, a la rotación relativa de dos elementos. En esta
hipótesis, aquel consiste en determinar la posición angular de uno
de los elementos con respecto al otro.
La precisión de la medida depende de
consideraciones dimensionales, de fabricación y evidentemente
también de la definición deseada para la señal; según una
posibilidad, el número de manchas o estructuras ópticas utilizadas
para la codificación de la posición angular es, al menos, igual a 12
para permitir una resolución inferior a 0,1º de ángulo y una
precisión del mismo orden de magnitud. Las 4.096 posibilidades
ofrecidas por 12 bits permiten en efecto una resolución de este
orden.
El objetivo de la presente invención se alcanza
igualmente con la ayuda de un soporte difractivo para un dispositivo
de medida de la posición de un primer elemento en movimiento
relativo con respecto a un segundo elemento, y que incluye un medio
de montaje sobre dicho primer elemento y zonas difractivas que
presentan medios aptos para difractar, por reflexión o por
transmisión, haces de luz emitidos por, al menos, una fuente
luminosa fija con respecto al segundo elemento. Este soporte se
caracteriza porque incluye al menos una pista difractiva continua o
no adaptada para generar, cuando está iluminada por un haz luminoso,
códigos ópticos compuestos de varios bits constituidos por
estructuras ópticas discretas del tipo mancha que definen, según su
luminosidad, posiciones únicas del soporte.
La difracción de rayos luminosos puede obtenerse
por diferentes vías.
Así, la pista difractiva puede presentar, por
ejemplo, un relieve grabado en el material constitutivo del soporte
difractivo, apto para difractar el o los haces incidentes y para
generar una señal óptica cuya lectura permite la identificación de
la posición del primer elemento con respecto al segundo elemento,
por identificación del código constituido por la señal.
Según un segundo ejemplo de realización, la
pista difractiva puede ser obtenida por modulación de la
transparencia del soporte, por ejemplo aplicando un material opaco
en ciertos lugares sobre un soporte transparente, con miras del
mismo resultado.
La pista difractiva puede, también, ser obtenida
por modulación del índice de refracción o incluso por una
combinación de las soluciones comentadas.
La modulación, por ejemplo, de relieves o del
material opaco, cuyas geometría y distribución son calculadas por
ordenador, genera una señal óptica difractada particular bajo la
acción de al menos un haz de luz, constituyendo dicha señal un
código óptico constituido por estructuras ópticas que definen una
posición única del soporte en cualquier instante.
El soporte difractivo puede, así, ser realizado
con materiales conocidos con una gran reproducibilidad y sin
alterar la precisión y/o la resolución de la determinación de cada
posición. Se da una gran importancia a la selección de estos
materiales que deben preferentemente ser poco onerosos y fáciles de
trabajar. Puede, por ejemplo, tratarse de policarbonato, de PMMA y,
más generalmente, de cualesquiera materiales ópticamente
adecuados.
Según un ejemplo de realización que corresponde
a una de las variantes precitadas, cada pista está dividida en
zonas de estructura difractiva individualizada que generan un código
correspondiente a una posición única del soporte, incluyendo cada
zona una pluralidad de formas elementales de aspecto de
paralelogramo dispuestas en forma de rejilla periódica o no
periódica.
En una configuración rotativa, el soporte
difractivo puede, por ejemplo, incluir:
- -
- un disco rígido;
- -
- un medio de montaje en un árbol giratorio;
- -
- al menos una pista difractiva de forma anular.
A título de ejemplo, el disco puede incluir tres
pistas difractivas, la primera que sirve para definir el código
óptico, la segunda que sirve para definir una señal de
sincronización y la tercera que sirve para definir una señal de
calibración.
En la hipótesis de la primera variante con
dominios sectorizados tratada más arriba, cada pista está entonces
dividida en sectores angulares de la misma superficie que delimitan
dichas estructuras difractivas individualizadas.
Según un ejemplo de realización que respeta las
exigencias de volumen reducido, los sectores angulares pueden
presentar dimensiones del orden de 10 \mum a 100 \mum. Las
dimensiones del disco están entonces previstas para que cada pista
comprenda al menos 3.600 sectores angulares, de manera que satisfaga
la exigencia de una resolución inferior a 0,1º.
Satisfaciendo estas hipótesis, es posible
construir un soporte en el cual el rayo no exceda de algunas decenas
de milímetros.
El disco no es necesariamente plano y puede
incluir, en su periferia, una porción troncocónica una de cuyas
superficies inclinadas incluya al menos una pista difractiva. Una
superficie inclinada de ese tipo permite, por ejemplo, optimizar el
posicionamiento y/o la orientación de la fuente de luz y de los
medios de detección.
Según otro ejemplo de realización, muy flexible
en su empleo, la pista difractiva puede estar dispuesta sobre una
superficie cilíndrica, por ejemplo el árbol de rotación de una
columna de dirección. Entonces, puede plantearse el pegarle una
pista difractiva cuyo soporte es flexible.
El objetivo de la presente invención se alcanza
igualmente con la ayuda de un dispositivo de medida de la posición
de un primer elemento en movimiento relativo con respecto a un
segundo elemento y que incluye:
- -
- al menos una fuente de luz fija, que emite al menos un haz luminoso sobre al menos un soporte difractivo móvil;
- -
- medios de detección y de lectura de una señal óptica obtenida por difracción del o de los haces luminosos por transmisión o reflexión a partir del o de los soportes difractivos;
- -
- y medios de tratamiento del código óptico que resulta de la señal detectada que permiten determinar la posición del o de los soportes difractivos con respecto al (a los) haz (haces).
Este dispositivo se caracteriza porque el código
óptico está compuesto por varios bits constituidos por estructuras
ópticas discretas del tipo mancha que definen una única posición del
primer elemento con respecto al segundo elemento, permitiendo los
medios de tratamiento una detección al menos binaria de las
estructuras que forman el código según su luminosidad.
Preferentemente, este dispositivo de medida de
la posición incluye medios para memorizar la posición obtenida, con
el fin de utilizarla, por ejemplo, en el tratamiento ulterior de la
información.
Sin que esto sea una necesidad, el haz incidente
se obtiene preferentemente a partir de una fuente de luz coherente,
por ejemplo, un diodo láser.
El circuito luminoso utilizado puede obedecer a
múltiples configuraciones según la aplicación y las restricciones,
por ejemplo, estructurales o de volumen.
El o los haces luminosos pueden así ser enviados
hacia el o los soportes difractivos por vía de al menos un elemento
óptico de repetición del tipo espejo, lente, prisma, elemento
difractivo, elemento reflexivo, elemento refractivo y/o por vía de
al menos un elemento óptico de guiado del tipo fibra óptica o guía
de ondas, siendo el objetivo optimizar el posicionamiento y el
volumen del conjunto de componentes constitutivos del dispositivo
de medida. Los componentes ópticos del tipo de los mencionados
pueden igualmente ser utilizados a la salida del o de los soportes
difractivos.
El o los dichos haces luminosos pueden, según el
caso, pasar igualmente por al menos un órgano que ejerce una
función de colimación, de focalización o de astigmatismo. Se puede
así adaptar las dimensiones de cada haz luminosos al tamaño de las
estructuras difractivas individualizadas.
En ciertas hipótesis, incluso, el o los haces
luminosos podrían ser enviados hacia el o los soportes difractivos
por vía de al menos un diafragma de conformación. Se evita así
iluminar las estructuras difractivas adyacentes que pueden generar
códigos erróneos o interferencias parásitas.
Según una posibilidad, los medios de detección y
de lectura de los códigos ópticos difractados pueden consistir en
fotodetectores del tipo barras de red o matrices de píxeles,
captadores CCD, fotodiodos o, incluso, células fotoeléctricas o
fotovoltaicas, dispuestos en la trayectoria de los rayos difractados
por el o los soportes difractivos. El número y la disposición de
los píxeles o captadores se definen, según la aplicación, en función
de la precisión y/o de la rapidez que deba alcanzar el tratamiento
de la información.
Según una configuración posible, los
fotodetectores pueden estar dispuestos de tal suerte que cada mancha
o estructura óptica obtenida en el lugar en el que un rayo
difractado encuentra una red de píxeles, cubra al menos 3 píxeles.
Esto permite detectar mejor las señales ópticas obtenidas. Una
detección con la ayuda de una sola célula permitiría por contra
ganar en rapidez de tratamiento.
Del mismo modo, el número de píxeles entre dos
manchas adyacentes está fijado en al menos tres píxeles. En la
práctica, el órgano de detección es un componente fotodetector
existente en el mercado.
En ciertas configuraciones, el o los haces
luminosos son dirigidos según una incidente normal al soporte
difractivo, incluso a riesgo de que esta característica implique un
circuito óptico más pesado, es decir, que comprenda más componentes
tales como elementos ópticos de repetición para dirigir el o los
haces.
A la inversa, si el haz luminosos esta inclinado
en la dirección del soporte difractivo, preferentemente un ángulo
comprendido entre 0º y 45º con respecto a la normal, el circuito
utilizado por el o los haces podría ser simplificado porque este
último está orientado más directamente hacia el soporte.
El dispositivo puede, además, incluir medios de
sincronización que permiten detectar y leer un código óptico
generado por una estructura difractiva individualizada únicamente
cuando el rayo emitido por la fuente luminosa esté, por ejemplo,
centrado sobre dicha estructura.
Según un ejemplo de realización, los medios de
sincronización pueden incluir fotodetectores específicos dedicados
a la detección de estructuras ópticas obtenidas independientemente
de las que constituyen el código de la posición a medir, por
ejemplo, manchas luminosas dispuestas sobre al menos una pista
difractiva específicamente destinada a la sincronización.
Una aplicación en la cual los diferentes
aspectos de la invención considerados hasta aquí son particularmente
interesantes es la medida del movimiento giratorio de la menos un
soporte difractivo solidario de un árbol giratorio.
En este caso, para realizar un captador de
ángulo absoluto sobre varias vueltas, es posible también asociar
dos discos giratorios difractivos superpuestos, uno que incluye la
medida de las posiciones angulares sobre una vuelta y el otro, que
gira N veces menos rápido, y que permite la medida del número de
vueltas completadas en el límite de N vueltas.
A título de ejemplo, la invención en su conjunto
podrá aplicarse perfectamente a una columna de dirección de un
vehículo.
Otras características y ventajas se deducirán
igualmente de la descripción detallada que figura a continuación,
con referencia a los dibujos adjuntos, no limitativos, según los
cuales:
- la figura 1 es un organigrama de un ejemplo de
aplicación del procedimiento conforme a la invención;
- la figura 2 es un organigrama de un ejemplo de
aplicación de un procedimiento de cálculo conforme a la
invención;
- las figuras 3a y 3b son ejemplos de
realización de un soporte difractivo conforme a la invención;
- las figuras 4a y 5a son ejemplos de
realización de detalles de pistas difractivas de un soporte
difractivo conforme a la invención;
- las figuras 4b y 5b representan las señales
ópticas codificadas difractadas respectivamente por los detalles de
pistas difractivas de las figuras 4a y 5a;
- las figuras 6 a 9 ilustran ejemplos de señales
ópticas codificadas y de su tratamiento durante un giro del soporte
difractivo;
- la figura 10 representa un ejemplo de
realización de un dispositivo de medida conforme a la invención;
- la figura 11a representa una primera variante
de realización del dispositivo de medida de la figura 10;
- la figura 11b representa una segunda variante
de realización del dispositivo de la figura 10;
- la figura 12 representa otro ejemplo de
realización del dispositivo de medida conforme a la invención;
- la figura 13 representa otro ejemplo de
realización de un dispositivo de medida conforme a la invención;
- la figura 14 representa otro ejemplo de
realización un dispositivo de medida conforme a la invención;
- la figura 15 representa otro ejemplo de
realización un dispositivo de medida conforme a la invención;
- la figura 16 representa otro ejemplo de
realización un dispositivo de medida conforme a la invención;
- la figura 17 representa otro ejemplo de
realización de un soporte difractivo conforme a la invención;
- la figura 18 es una representación esquemática
de un ejemplo de realización de un dispositivo de medida conforme a
la invención;
- la figura 19 representa esquemáticamente
detalles del dispositivo de medida y del soporte difractivo conforme
a la invención;
- la figura 20 es una representación de un
ejemplo de señal óptica difractada, obtenida según el procedimiento
conforme a la invención;
- la figura 21 representa un detalle aumentado
de la figura 20.
\vskip1.000000\baselineskip
La presente invención se refiere a un
procedimiento de determinación de la posición de uno entre dos
elementos en movimiento relativo, uno con respecto al otro. El
procedimiento utiliza medios ópticos. Un ejemplo de organigrama
funcional está, por ejemplo, esquematizado en la figura 1.
El procedimiento conforme a la invención
consiste según la etapa (e_{1}), en dirigir al menos un haz de
luz emitido por una fuente de luz ligada a un elemento sobre un
soporte difractivo (1) previsto para generar una señal óptica. Esta
última es indicativa del posicionamiento del soporte con respecto a
una referencia fija. La señal óptica es producida por el soporte
difractivo (1) por transmisión y/o por reflexión.
Según una etapa siguiente (e_{2}) el
procedimiento consiste en detectar y leer al menos un código óptico
constitutivo de la señal. Esta señal difractada corresponde a una
única posición del soporte difractivo (1). El código óptico es, a
continuación, según la etapa (e_{3}), comparado por medio de una
tabla de memoria con los datos prerregistrados que corresponden a
posiciones. El procedimiento permite, así, según la etapa (e_{4})
atribuir una posición a cada código óptico detectado.
La atribución de una posición precisa del
soporte difractivo y, como consecuencia, de otros elementos
solidarios de dicho soporte, permite activar y/o desactivar
diversas funciones o funcionalidades. Estas últimas intervienen,
por ejemplo, en la gestión y el control del funcionamiento de un
vehículo.
Según una variante de aplicación del
procedimiento conforme a la invención, se puede, previamente a la
etapa de comparación (e_{3}) con una tabla de memoria, proceder a
una etapa de validación (e'_{2}) de la detección y de la lectura.
Esto permite particularmente verificar si la detección y la lectura
han sido efectuadas en buenas condiciones no poniendo en cuestión
la precisión del resultado de lectura.
Según una variante de ejecución del
procedimiento, la atribución de una posición al soporte difractivo
(1) permite activar o desactivar funciones o funcional idees con
fines de información. Se trata aquí, por ejemplo, de funciones
indicativas que dan un retorno de información al usuario.
Según otro modo más de ejecución del
procedimiento, la atribución de la posición puede simplemente
acabar, según la etapa (e_{6}) en una memorización de la nueva
posición así detectada y leída. El ciclo de determinación de la
posición puede retomarse según una frecuencia preestablecida.
La presente invención se refiere igualmente a un
algoritmo de cálculo un organigrama del cual es, por ejemplo, el
esquematizado a titulo de ejemplo en la figura 2. Este algoritmo
comprende una serie de instrucciones I1, I2, I3, I4, I5 que sirven
para aplicar el procedimiento de determinación conforme a la
invención. La primera instrucción I1, apunta a detectar las
propiedades de las manchas luminosas o estructuras ópticas
difractadas. Según la segunda instrucción I2, el algoritmo permite
asociar un estado electrónico a cada código óptico difractado.
Según la instrucción siguiente I3, el código óptico difractado leído
por los detectores es tratado a continuación por los medios de
calculo, de manera que los puedan convertir en una distancia o una
desviación angular según la instrucción I4. Según otra instrucción
I5, esta distancia o esta desviación angular es memorizada.
Un ejemplo de soporte difractivo (1) conforme a
la invención está, por ejemplo, representado en la figura 3a o en
la figura 3b. Dicho soporte difractivo incluye un medio de montaje
sobre un primer elemento en movimiento relativo con respecto a un
segundo elemento, así como al menos una pista difractiva (2, 3)
continua o no. Las pistas difractivas (2) o (3) presentan medios
difrangentes por reflexión y/o por transmisión de la luz emitida
por al menos una fuente luminosa fija con respecto al segundo
elemento.
El soporte difractivo (1) incluye, por ejemplo,
un disco rígido y un medio de montaje (1a) en un árbol giratorio
así como al menos una pista difractiva (2) o (3) de forma anular que
se extiende sobre 360º. Las pistas difractivas (2) o (3) presentan,
por ejemplo, un relieve grabado en el material constitutivo de dicho
soporte (1), cuya lectura permite la identificación de la posición
del primer elemento (a saber, el soporte difractivo) con respecto a
u segundo elemento (referencia fija). El soporte difractivo (1)
está constituido por un material sintético del tipo policarbonato,
PMMA (polimetilmetacrilato) o cualquier otro material orgánico que
presente propiedades ópticas adecuadas.
Las pistas difractivas (2) o (3) pueden
igualmente ser obtenidas a partir de un material opaco aplicado en
ciertos lugares sobre un soporte transparente. Se lee a continuación
la intensidad luminosa del frente de onda difractado por el soporte
difractivo y focalizado sobre los medios de detección. La lectura
permite la identificación de la posición del primer elemento con
respecto al segundo elemento. El relieve o el material opaco, cuya
forma y cuya distribución son calculadas por ordenador, genera una
señal óptica difractada particular bajo la acción de una fuente de
luz, constituyendo dicha señal un código óptico que define una
posición particular del soporte. Cada pista (2, 3) está dividida en
zonas de estructura difractiva individualizada (4, 5) representadas,
por ejemplo, en las figuras (4a) y (5a) y que generan un código que
corresponde a una única posición del soporte (1).
Las pistas difractivas (2, 3) pueden igualmente
estar realizadas con una modulación de transparencia o de índice de
refracción.
La figura 3b muestra un ejemplo de realización
en el cual el disco rígido no incluye más que una sola pista
difractiva (2). Esta ultima puede, no obstante, estar constituía por
varios sectores anulares difractivos adyacentes.
Un ejemplo de cada código obtenido está, por
ejemplo, materializado en las figuras (4b) y (5b). Cada zona de
estructura difractiva individualizada incluye, por ejemplo, una
pluralidad de formas elementales dispuestas en forma de una rejilla
de estas formas, por ejemplo, en 128 \times 128 o en 128 \times
256. La señal óptica que constituye el código óptico que define una
posición particular del soporte con respecto al haz, y cuyos
ejemplos están representados en las figuras (4b) y (5b), está
constituida, por ejemplo, por manchas luminosas difractivas (6, 7,
8, 9), a saber, en la realidad manchas luminosas de primer orden de
difracción y, llegado el caso, de su conjugada (no representada).
Los órdenes de difracción siguientes no son explotados, sino
conservados en la señal óptica difractada. Un ejemplo de primer
orden de difracción está representado por la referencia 10 en las
figuras 4b y 5b. Sin salir del marco de la presente invención, es
igualmente planteable el utilizar el segundo orden de difracción y,
llegado el caso, su orden conjugado.
\newpage
A título de ejemplo, cada pista difractiva (2) o
(3) está dividida en sectores angulares de la misma superficie que
constituyen las estructuras difractivas individualizadas. Los
sectores angulares presentan, por ejemplo, dimensiones del orden de
10 \mum a 100 \mum. Cada pista difractiva (2) o (3) comprende
preferentemente al menos 3.600 sectores angulares de manera que se
obtiene una precisión inferior a 0,1º en la determinación de la
posición del soporte.
Según un ejemplo de realización, representado
por ejemplo en la figura 17, la pista difractiva (2, 3) está
dispuesta sobre un soporte autoadhesivo. Esta último puede a
continuación ser fijado, y más particularmente pegado, sobre
cualquier soporte y particularmente sobre un soporte de aspecto
cilíndrico del tipo árbol de una columna de dirección. Las
dimensiones del soporte difractivo (1) pueden así ser adaptadas a un
emplazamiento y a una forma particular. Se obtiene un volumen
reducido y una gran flexibilidad de utilización para el soporte
difractivo (1).
En las figuras 6 a 9, se han esquematizado
cuatro posiciones sucesivas de un soporte difractivo con respecto a
una referencia fija. Esta referencia fija está materializada por un
diafragma y/u órgano de colimación (12) fijo asociado a la fuente
luminosa. El soporte difractivo (1) incluye estructuras difractivas
individualizadas (13) y el desplazamiento está materializado detrás
del órgano (12) en las figuras 6 a 9. El procedimiento conforme a
la invención permite, como así esta representado en la figura 6,
leer un código difractado (10) que varía en función de la posición
de la estructura difractiva individualizada (13) y, por
consiguiente, del soporte difractivo (1) con respecto al órgano de
colimación. El código difractado (1), que corresponde al premier
orden de difracción, presenta por ello una evolución transcrita por
medio de medios de detección al nivel de umbral, los cuales miden
por ejemplo las variaciones de intensidad luminosa. Se obtienen así
en la figura 6 tres manchas luminosas que alcanzan un nivel de
intensidad máximo Imax así como una mancha desprovista de luz. Por
medio de medios de transformación del tipo convertidor
analógico-numérico se obtiene así un código de la
forma 1 1 1 0. Cuando el soporte difractivo (1) continúa girando
alrededor de su eje de rotación, una desviación angular de la
estructura de difracción individualizada (13) se traduce en otra
repartición luminosa sobre las manchas de difracción. Se obtienen
así tres manchas luminosas de intensidad luminosa reducida pero de
un nivel superior al nivel mínimo de detección Io. La cuarta mancha
para a continuación de ser una mancha desprovista de luz a una
intensidad débil inferior al nivel mínimo Io. El código óptico
numérico así obtenido permanece por ello inalterado. Por el
contrario, la continuación del giro de la estructura difractiva
individualizada (13) se traduce en una repartición de la intensidad
luminosa en el primer orden de difracción de manera que no se
detecta ninguna de dichas manchas luminosas. La intensidad detectada
es, en efecto, inferior al nivel mínimo Io. Se obtiene así el
código óptico traducido en la forma 0 0 0 0. Cuando, por fin, la
estructura individualizada (13) está sobre el punto de salida de la
ventana de colimación (12) se obtiene una cuarta mancha luminosa
que sobrepasa el umbral de detección mínimo Io, así como tres
manchas luminosas más débiles inferiores al nivel mínimo Io y se
que traducen por consiguiente en un código óptico en la forma 0 0 0
1. Los niveles 0 son bien evidentes y están materializados por los
punteados en las figuras 6 a 9 y los niveles 1 están materializados
por los trazos gruesos. Para cada posición del soporte difractivo
(1), y por consiguiente de la estructura difractiva individualizada
(13), se obtiene así un código óptico único según un grado de
resolución determinado por el sistema.
La presente invención se refiere igualmente a un
dispositivo de medida de la posición de un primer elemento en
movimiento relativo con respecto a un segundo elemento. Un
dispositivo de medida de este tipo, y más precisamente diferentes
variantes de realización de este dispositivo, están representadas,
por ejemplo, en las figuras 10 a
17.
17.
En el ejemplo de realización representado en la
figura 10, se muestra una columna de dirección (20) sobre la cual
está fijado el soporte difractivo (1). Este último presenta, por
ejemplo, en su periferia una pista difractiva (2) de forma anular.
El soporte difractivo (1) está solidarizado a un árbol giratorio
mediante cualquier medio conocido. El dispositivo de medida
conforme a la invención está dispuesto de forma adyacente al
soporte difractivo (1) sobre un soporte fijo (21). El dispositivo de
medida incluye una fuente de luz (22) que emite un haz incidente
(23a) que atraviesa la pista difractiva (2). El ejemplo de
realización representado trabaja, así, por transmisión sobre el
soporte difractivo (1). El haz incidente (23a) es difractado en
(23b) por la pista difractiva (2). Este haz difractado (23b) es a
continuación guiado por vía de un conjunto (24) que incluye, por
ejemplo, una guía de ondas y espejos hacia los medios de detección
(25). Estos últimos están controlados por los medios electrónicos
adecuados, los cuales permiten analizar los diferentes códigos
ópticos difractados por el soporte difractivo (1) durante su
giro.
Un juego de engranes (27) está previsto
igualmente para arrastrar un soporte difractivo complementario a una
velocidad de giro diferente que permita, así, contar el número de
vueltas y codificar la posición absoluta sobre el conjunto del
movimiento del eje que se desea que sea como regla general más o
menos 4 o 5 vueltas.
En el ejemplo de realización representado en la
figura 11a, los medios de detección y de lectura (25) están
dispuestos al menos en parte directamente por debajo de una zona
periférica del soporte difractivo (1). La fuente luminosa (22)
emite un haz incidente (23a) el cual está dirigido particularmente
por vía de un juego de espejos (24) sobre la superficie superior de
la pista difractiva (2). La señal óptica codificada difractada es a
continuación leída por transmisión bajo el soporte difractivo (1).
Este ejemplo de realización permite reducir sustancialmente el
volumen del dispositivo conforme a la invención.
En el ejemplo de realización representado en la
figura 11b, el soporte difractivo (1) está asociado a una rueda
dentada (28) la cual arrastra un juego de engranes (29)
complementario.
Un juego de engranajes (29) está igualmente
previsto cuya función es idéntica a la del juego de engranes
(27).
A título de ejemplo, la pista difractiva puede
ser fijada directamente sobre la rueda dentada (28), la cual
constituye así el soporte difractivo.
Según otro ejemplo de realización, la rueda
dentada (28) está realizada en un material transparente para el haz
incidente (23a).
Según otro ejemplo de realización representado
por ejemplo en la figura 12, el dispositivo de medida comprende un
órgano óptico (30) que permite, por ejemplo, realizar un diafragma
para conformar el haz óptico incidente (23a).
Según otro ejemplo de realización representado
en la figura 13, la fuente de luz fija (22) está asociada a una
guía de luz (31) que envía el rayo luminoso sobre la pista
difractiva (2). El haz difractado (23b) es leído, a continuación,
por los medios de detección (25) por transmisión. La guía de luz
(31) está, por ejemplo, realizada con la ayuda de fibras ópticas.
La variabilidad del posicionamiento de la fuente de luz (22) puede
así ser mejorado de forma sustancial sin perjudicar las prestaciones
y las otras ventajas del dispositivo de medida conforme a la
invención, lo que confiere al conjunto una mayor flexibilidad.
En el ejemplo de realización representado en la
figura 14, el soporte difractivo (1) está dispuesto bajo la rueda
dentada (28). La fuente de luz fija (22) está igualmente dispuesta
bajo el soporte difractivo (1) y emite un haz incidente inclinado
con respecto a la normal de manera que se obtiene un haz difractado
dirigido hacia los medios de lectura (25). La elección del ángulo
de incidencia así como la utilización de un soporte difractivo por
reflexión, permiten optimizar el posicionamiento y la orientación de
la fuente luminosa fija (22), por un lado, y de los medios de
detección de lectura (25), por otro.
Según otro ejemplo de realización no
representado en las figuras, es igualmente posible prever una pista
difractiva (2) dispuesta sobre un tramo anular que se extienda, por
ejemplo, de forma troncocónica con respecto al eje de rotación. La
difracción por reflexión sobre este tramo troncocónico que incluye
la pista difractiva (2) permite igualmente optimizar el
posicionamiento de la fuente luminosa (22), por un lado, y de los
medios de detección (25), por otro.
Según otro ejemplo de realización conforme a la
invención y representado en la figura 15, la columna de dirección
(20) es solidaria de una rueda dentada (33) y el soporte difractivo
(1) no está montado directamente sobre dicha columna de dirección
(20). Está montado de forma giratoria sobre el soporte fijo (21) y
es arrastrado en rotación por la rueda dentada (33) por vía de una
rueda dentada intermedia (34). Una rueda dentada complementaria no
representada, solidaria del eje de rotación del soporte difractivo
(1), está igualmente prevista. Esta rueda dentada complementaria y
axial arrastra igualmente un juego de engranes complementario (35)
cuya función es idéntica a la del juego de engranes (27).
La fuente de luz fija (22) está dispuesta sobre
el soporte fijo (21) y bajo el soporte difractivo (1). El haz
incidente es así difractado por la pista (2) por transmisión y
guiado por vía de un juego de espejos (24) hacia los medios de
detección y de lectura (25), los cuales están asociados a los medios
electrónicos de tratamiento y de análisis (26) que están igualmente
previstos sobre dicho soporte fijo (21).
Este ejemplo de realización del dispositivo de
medida y de determinación de la posición del soporte difractivo (1)
presenta la ventaja de reunir los componentes del dispositivo en un
subconjunto fijo adyacente a la columna de dirección (20). El
subconjunto así realizado puede así ser fabricado y ensamblado de
forma separada del ensamblado de la columna de dirección (20).
Otro ejemplo de realización conforme a la
invención está, por ejemplo, representado en la figura 16. En esta
última, el haz incidente (23a) es dirigido con un ángulo de
incidencia determinado sobre un espejo (36). Este último redirige a
continuación el haz incidente (23a) sobre la pista difractiva (2) la
cual emite por transmisión el haz difractado hacia los medios de
lectura y de detección (25). La orientación del espejo (36) permite
optimizar el posicionamiento relativo entre la fuente de luz (22) y
los medios de lectura y de detección (25).
El giro del soporte difractivo (1) arrastra
igualmente un juego adicional de engranes (37) cuya función es
idéntica a la del juego de engranes (27).
Según otro ejemplo de realización representado
en la figura 17, la pista difractiva (2) está fijada directamente
sobre la columna de dirección (20) y, más particularmente, sobre una
parte cilíndrica. La pista difractiva está, por ejemplo, fijada por
vía de un soporte autoadhesivo sobre esta parte cilíndrica. La
fuente de luz (22) emite así el haz incidente (23a) hacia la pista
difractiva (2) según una dirección que se extiende sensiblemente en
un plano normal al eje de rotación R.
En ejemplo de realización de ese tipo, es
posible disponer la fuente de luz (22) y los medios de detección y
de lectura (25) a distancia del soporte difractivo (1) y, por
consiguiente, de la pista difractiva (2). Una realización de ese
tipo presenta la ventaja de un volumen reducido en la medida en que
no es necesario disponer por debajo o por encima de la pista
difractiva (2) la fuente luminosa (22) o los medios de detección y
de lectura (25). Además, la pista difractiva (2) casi no aumenta el
volumen radial de la columna de dirección (20). Esta última está
asociada a una rueda dentada (38) así como a un juego suplementario
de engranes (39) cuya función es idéntica a la del juego de
engranes (27).
La figura 18 representa un ejemplo de
realización de un dispositivo de medida conforme a la invención.
Según este ejemplo de realización, un haz incidente (50) atraviesa
un diafragma fijo (51). El haz incidente (50) es enviado sobre los
soportes difractivos (52, 53) que pueden desplazarse según los
movimientos representados por las flechas D.
El haz incidente es difractado en (51) por el
soporte difractivo. A continuación es focalizado por la lente (55).
Se obtiene así, en un plano (56) que contiene los medios de
detección fijos, las manchas luminosas (57a, 57b) que corresponden
a las partes de la señal constitutiva del orden de difracción
elegido y de su conjugado. El orden 0 de difracción está
representado sobre el eje óptico AO con la referencia (58).
Refiriéndose, por ejemplo, a la figura 19, se
aprecia un ejemplo de conformación del haz incidente (50).
El haz incidente (50) cubre así dos soportes
difractivos distintos (1c, 1d). Los soportes difractivos (1c, 1d)
incluyen respectivamente pistas difractivas (52, 53) de extensión
anular. El segundo soporte difractivo (1d) permite en este caso,
por ejemplo al girar según el sentido R_{2} a una velocidad menor
que el primer soporte difractivo (1c) que gira según R_{1},
contar el número de vueltas para las piezas en rotación relativa.
Sobre el primer soporte difractivo (1c) está igualmente prevista una
pista difractiva complementaria (59) que permite generar manchas
luminosas de sincronización, así como otra pista difractiva
complementaria (60) que permite generar, por ejemplo, manchas
luminosas de calibración.
Según la figura 19, el haz óptico incidente
(50), salido por ejemplo de una fuente láser, cubre parcialmente,
por su conformación, las pistas difractivas (52, 53) para una
posición precisa en una vuelta de giro muy precisa.
Las formas geométricas de base, constitutivas de
los elementos difractivos, son registradas, por ejemplo, en
ficheros informáticos y están dispuestas para ser fabricadas por
ejemplo por microlitografía sobre una placa de silicio de cuarzo o
de cristal.
Otros modos de fabricación son igualmente
planteables sin salir del marco de la presente invención.
La señal óptica difractada según el
procedimiento conforme a la invención esta representado a título de
ejemplo en la figura 20. Esta última muestra manchas luminosas cuya
intensidad es más o menos fuerte, donde se puede identificar el
orden 0 de difracción (58) localizado sobre el eje óptico AO, así
como el primer orden de difracción positivo (61a) y el primer orden
de difracción negativo (61b).
Órdenes de difracción superiores positivos (62),
así como los órdenes de difracción superiores negativos (63) están
igualmente representados, pero no se toman en cuenta en el análisis
de la señal óptica difractada.
La figura 21 representa un detalle de señal
óptica difractada creada en los medios de detección después de la
focalización por la lente fija (55). Las diferentes pistas
difractivas permiten, así, crear una señal óptica codificada en los
medios detección que comprende una señal codificada principal (64)
sobre 12 bits, señales de sincronización (65) (manchas luminosas) y
señales ópticas de conteo (66) sobre 4 bits que reflejan el número
de vueltas efectuadas por uno de los dos elementos en rotación
relativa.
Estas señales ópticas difractadas se vuelven a
encontrar en las barras de lectura (67, 68) de los medios de
detección. Las señales ópticas de calibración (69) se vuelven a
encontrar igualmente en la barra de detección (68).
La figura 21 muestra igualmente señales ópticas
difractadas complementarias (70) no tomadas en consideración en
este ejemplo por los medios de detección pero que sirven para la
uniformización de la intensidad de las manchas luminosas
detectadas.
Claims (43)
1. Procedimiento de determinación de la posición
de uno (20) entre dos elementos (20, 21) en movimiento relativo,
uno con respecto al otro, que utiliza medios ópticos y que consiste
en:
- -
- dirigir al menos un haz de luz (23a, 50) emitido por una fuente de luz ligada a un elemento (21) hacia un soporte difractivo (1, 1c, 1d) ligado al segundo elemento (20), calculado y fabricado para generar una señal óptica indicativa del posicionamiento de dicho soporte (1, 1c, 1d), señal óptica que es producida por el soporte difractivo (1, 1c, 1d) en transmisión y/o en reflexión;
- -
- detectar y leer al menos un código óptico (10, 64) constituido por dicha señal, que corresponde a una única posición del soporte difractivo (1, 1c, 1d) con respecto al haz (23a);
- -
- atribuir una posición a cada código óptico (10, 64) detectado,
caracterizado porque dicho código óptico
(10, 64) está compuesto por varios bits constituidos por estructuras
ópticas discretas del tipo mancha (57a, 57b) que permiten una
lectura binaria directa del código según su luminosi-
dad.
dad.
2. Procedimiento según la reivindicación
precedente, caracterizado porque el código óptico (10, 64) es
generado dos veces en dos zonas. adyacentes, apareciendo el código
(70) en una de las zonas que es la complementaria de la otra.
3. Procedimiento según la reivindicación
precedente, caracterizado porque los dos código ópticos (64,
70) generados corresponden al primer orden de difracción y a su
complementario (61a, 61b).
4. Procedimiento según la reivindicación
precedente, caracterizado porque al menos uno de los códigos
complementario (70) o conjugado (61b) del código que corresponde al
primer orden de difracción (61a) es leído y comparado con este
último.
5. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque cada
código óptico (10, 64) que corresponde a una posición del soporte
difractivo (1, 1c, 1d) incluye al menos una estructura óptica de
salida y al menos una estructura óptica de final que delimitan la
zona de lectura.
6. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque cada
código óptico (10, 64) que corresponde a una posición del soporte
difractivo (1, 1c, 1d) incluye al menos una estructura óptica de
sincronización (65) cuya detección permite enganchar la fase de
lectura del código (10, 64).
7. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque cada
código óptico (10, 64) que corresponde a una posición del soporte
difractivo (1, 1c, 1d) incluye al menos una estructura óptica de
calibración (69).
8. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las
estructuras ópticas están constituidas por al menos una mancha
(57a, 57b) cuya intensidad luminosa es medida.
9. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los
códigos (10, 64) que definen la posición de un elemento (20) con
respecto al otro (21) obedecen, en el orden de su sucesión, al
código GRAY.
10. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 8 y 9, caracterizado porque las variaciones
de luminosidad de al menos una de las manchas (57a, 57b) que forman
la estructura óptica son codificadas con la ayuda de un convertidor
analógico-numérico, lo que permite una lectura
binaria o en niveles de grises.
11. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la fuente
de luz (22) es pulsada según una frecuencia dependiente de la
velocidad del elemento (20) en movimiento, estando entonces la
lectura sincronizada a la generación del o de los haces de luz (23a,
50).
12. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque consiste
en determinar la posición angular de uno de los elementos (20) con
respecto al otro (21).
13. Procedimiento según la reivindicación
precedente, caracterizado porque el número de estructuras
ópticas utilizadas para la codificación de la posición angular es
al menos igual a 12 para permitir una resolución inferior a 0,1º de
ángulo.
14. Soporte difractivo (1, 1c, 1d) para un
dispositivo de medida de la posición de un primer elemento (20) en
movimiento relativo con respecto a un segundo elemento (21), y
adaptado para aplicar el procedimiento conforme a una de las
reivindicaciones 1 a 13, que incluye un medio de montaje (1a) sobre
el primer elemento (20) y zonas difractivas que presentan medios
aptos para difractar, por reflexión o por transmisión, un haz de luz
(23a, 50) emitido por al menos una fuente luminosa (22) fija con
respecto al segundo elemento (21),
caracterizado porque incluye al menos una
pista difractiva (2, 3, 52, 53, 59, 60) continua o no, adaptada
para generar, cuando está iluminada por un haz luminoso, códigos
ópticos (10, 64) compuestos de varios bits constituidos por
estructuras ópticas discretas del tipo mancha (57a, 57b) que definen
según su luminosidad posiciones únicas del soporte (1, 1c, 1d).
15. Soporte difractivo (1, 1c, 1d) según la
reivindicación precedente, caracterizado porque la pista
difractiva (2, 3, 52, 53, 59, 60) presenta un relieve grabado en el
material constitutivo de dicho soporte (1, 1c, 1d) apto para
difractar el o los haces incidentes (23a, 50) y para generar una
señal óptica cuya lectura permite la identificación de la posición
del primer elemento (20) con respecto al segundo elemento (21), por
identificación del código (10, 64) constituido por la señal.
16. Soporte difractivo (1, 1c, 1d) según la
reivindicación 14, caracterizado porque la pista difractiva
(2, 3, 52, 53, 59, 60) es obtenida por modulación de la
transparencia del soporte (1, 1c, 1d), por ejemplo aplicando un
material opaco en ciertos lugares sobre un soporte transparente, con
miras a difractar el o los haces incidentes (23a, 50) y a generar
una señal óptica cuya lectura permite la identificación de la
posición del primer elemento (20) con respecto al segundo elemento
(21), por identificación del código (10, 64) constituido por la
señal.
17. Soporte difractivo (1, 1c, 1d) según una de
las reivindicaciones 15 y 16, caracterizado porque la
distribución y la geometría de la modulación de los relieves o de
la transparencia del soporte (1, 1c, 1d) son calculadas por
ordenador.
18. Soporte difractivo (1, 1c, 1d) según la
reivindicación precedente, caracterizado porque cada pista
difractiva (2, 3, 52, 53, 59, 60) está dividida en zonas de
estructura difractiva individualizada (13) que generan un código
(10, 64) que corresponde a una posición del soporte (1, 1c, 1d),
incluyendo cada zona (13) una pluralidad de formas elementales de
aspecto de paralelogramo dispuestas en forma de rejilla periódica o
no periódica que generan las mismas estructuras ópticas que
constituyen el código (10, 64).
19. Soporte difractivo (1, 1c, 1d) según una
cualquiera de las reivindicaciones 14 a 18, caracterizado
porque incluye:
- -
- un disco rígido;
- -
- un medio de montaje (1a) en un árbol giratorio (20);
- -
- al menos una pista difractiva (2, 3, 52, 53, 59, 60) de forma anular.
20. Soporte difractivo (1, 1c, 1d) según las
reivindicaciones 18 y 19, caracterizado porque cada pista
difractiva (2, 3, 52, 53, 59, 60) está dividida en sectores
angulares de la misma superficie que constituyen cada uno una zona
de estructura difractiva individualizada (13).
21. Soporte difractivo (1, 1c, 1d) según la
reivindicación precedente, caracterizado porque los sectores
angulares (13) presentan dimensiones del orden de 10 \mum a 100
\mum.
22. Soporte difractivo (1, 1c, 1d) según la
reivindicación 20 o 21, caracterizado porque al menos una
pista (2, 3, 52, 53, 59, 60) comprende 4.096 sectores angulares
(13).
23. Soporte difractivo (1, 1c, 1d) según una de
las reivindicaciones 19 a 22, caracterizado porque el disco
incluye, en su periferia, una porción troncocónica en la cual una
superficie inclinada incluye al menos una pista difractiva (2, 3,
52, 53, 59, 60).
24. Soporte difractivo (1, 1c, 1d) según una de
las reivindicaciones 14 a 23, caracterizado porque al menos
una pista difractiva (2, 3, 52, 53, 59, 60) está dispuesta sobre un
soporte flexible que puede pegarse al soporte.
25. Dispositivo de medida de la posición de un
primer elemento (20) en movimiento relativo con respecto a un
segundo elemento (21), con un soporte difractivo (1, 1c, 1d) según
una cualquiera de las reivindicaciones 14 a 24, que incluye:
- -
- al menos una fuente de luz fija (22), que emite al menos un haz luminoso (23a, 50) sobre al menos un soporte difractivo (1, 1c, 1d) móvil;
- -
- medios de detección y de lectura (25) de una señal óptica obtenida por difracción del o de los haces luminosos (23a, 50) por transmisión o reflexión a partir del o de los soportes difractivos (1, 1c, 1d);
- -
- medios de tratamiento (26) del código óptico (10, 64) que resulta de la señal detectada que permite determinar la posición del o de los soportes difractivos (1, 1c, 1d) con respecto al (a los) haz (haces) (23a, 50),
caracterizado porque dicho código óptico
(10, 64) está compuesto por varios bits constituidos por estructuras
ópticas discretas del tipo mancha (57a, 57b) que definen una única
posición del primer elemento (20) con respecto al segundo elemento
(21), permitiendo los medios de tratamiento (26) una detección al
menos binaria de las estructuras que forman el código (10, 64)
según su luminosidad.
26. Dispositivo de medida según la
reivindicación precedente, caracterizado porque incluye
medios para memorizar la posición obtenida.
27. Dispositivo de medida según la
reivindicación 28 o 29, caracterizado porque el haz incidente
(23a, 50) se obtiene a partir de una fuente de luz (22)
coherente.
28. Dispositivo de medida según la
reivindicación precedente, caracterizado porque la fuente de
luz (22) coherente es un diodo láser.
29. Dispositivo de medida según una cualquiera
de las reivindicaciones 25 a 28, caracterizado porque el o
los haces luminosos (23a, 50) son enviados hacia el o los soportes
difractivos (1, 1c, 1d) por vía de al menos un elemento óptico de
repetición del tipo espejo, lente, prisma, elemento difractivo,
elemento reflexivo (24, 36), elemento refractivo y/o por vía de al
menos un elemento óptico de guiado del tipo fibra óptica o guía de
ondas (31).
30. Dispositivo de medida según una cualquiera
de las reivindicaciones 29 a 30, caracterizado porque el o
los haces luminosos (23a, 50) son enviados hacia el o los soportes
difractivos (1, 1c, 1d) por vía de al menos un órgano que ejerce
una función de colimación (12), de focalización o de
astigmatismo.
31. Dispositivo de medida según una cualquiera
de las reivindicaciones 29 y 30, caracterizado porque los
elementos ópticos de repetición, de guiado (24) o que ejercen una
función de colimación, de focalización (55) o de astigmatismo son
utilizados a la salida del o de los soportes difractivos (1, 1c,
1d).
32. Dispositivo de medida según una cualquiera
de las reivindicaciones 25 a 31, caracterizado porque el o
los haces luminosos (23a, 50) son enviados hacia el o los soportes
difractivos por vía de al menos un diafragma de conformación (12,
51).
33. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 25 a 32, caracterizado porque los medios de
detección y de lectura (25) de los códigos ópticos (10, 64)
difractados consisten en fotodetectores del tipo barras de red o
matrices de píxeles, captadores CCD, fotodiodos o, incluso, células
fotoeléctricas o fotovoltaicas, dispuestos en la trayectoria de los
rayos difractados (23b) por el o los soportes difractivos (1, 1c,
1d).
34. Dispositivo de medida según la
reivindicación precedente, caracterizado porque los
fotodetectores están dispuestos de tal suerte que cada estructura
óptica difractada obtenida en el lugar en el que un rayo difractado
(23b) encuentra una red de píxeles, cubre al menos 3 píxeles.
35. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 33 y 34, caracterizado porque el número de
píxeles entre dos manchas adyacentes (57a, 57b) está fijado en al
menos 3 píxeles.
36. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 25 a 35, caracterizado porque el rayo
luminoso (50, 23a) es dirigido según una incidente normal al
soporte difractivo (1, 1c, 1d).
37. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 25 a 35, caracterizado porque el rayo
luminoso (23a, 50) está inclinado en la dirección del soporte
difractivo (1, 1c, 1d), un ángulo comprendido entre 0º y 17º con
respecto a la normal al soporte difractivo (1, 1c, 1d).
38. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 25 a 37, caracterizado porque incluye medios
de sincronización que permiten detectar y leer un código óptico
(10, 64) generado por una estructura difractiva individualizada
cuando el haz (23a, 50) emitido por la fuente luminosa (22) está
centrado sobre dicha estructura.
39. Dispositivo de medida según la
reivindicación precedente, caracterizado porque los medios de
sincronización incluyen fotodetectores específicos dedicados a la
detección de estructuras ópticas obtenidas independientemente de
las que constituyen el código (10, 64) de la posición a medir, por
ejemplo, manchas luminosas (57a, 57b) dispuestas sobre al menos una
pista difractiva (59) específicamente destinada a la
sincronización.
40. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 25 a 39, caracterizado porque permite la
medida del movimiento giratorio aplicado a, al menos, un soporte
difractivo (1, 1c, 1d) solidario de un árbol giratorio (20).
41. Dispositivo de medida según la
reivindicación precedente, caracterizado porque incluye dos
discos giratorios difractivos (1c, 1d) superpuestos, uno (1c) que
incluye la medida de las posiciones angulares sobre una vuelta y el
otro (1d), que gira N veces menos rápido, y que permite la medida
del número de vueltas completadas en el límite de N vueltas.
\newpage
42. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 25 a 41, caracterizado porque un solo
componente que forma una guía de luz hace simultáneamente la
función de diafragma, lente de colimación, espejo(s),
alojamiento de protección para el diodo láser y los
fotodetectores.
43. Columna de dirección (20) de un vehículo que
incluye un dispositivo de medida de posición conforme a una
cualquiera de las reivindicaciones 28 y 42.
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP04360115A EP1677081B1 (fr) | 2004-12-30 | 2004-12-30 | Procédé de détermination de la position d'un premier élément en mouvement relativement à un second élément et dispositif pour mettre en oeuvre ledit procédé |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2322151T3 true ES2322151T3 (es) | 2009-06-17 |
Family
ID=34931795
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES04360115T Active ES2322151T3 (es) | 2004-12-30 | 2004-12-30 | Procedimiento de determinacion de la posicion de un primer elemento en movimiento relativo a un segundo elemento y dispositivo para implementar dicho procedimiento. |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US7538312B2 (es) |
| EP (1) | EP1677081B1 (es) |
| AT (1) | ATE426796T1 (es) |
| DE (1) | DE602004020246D1 (es) |
| ES (1) | ES2322151T3 (es) |
Families Citing this family (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7476843B2 (en) * | 2005-12-23 | 2009-01-13 | Delphi Technologies, Inc. | Method for determining the position of a first moving component relative to a second component and device for applying said method |
| US7595480B2 (en) * | 2006-10-16 | 2009-09-29 | Arcus Technology, Inc. | Optical encoder with encoder member having one or more digital diffractive optic regions |
| US8350731B2 (en) * | 2009-06-22 | 2013-01-08 | Alps Electric Co., Ltd. | Complex-operation input device |
| EP2623939B1 (de) | 2012-02-03 | 2016-06-29 | Siemens Aktiengesellschaft | Messwertgeber sowie System mit einer Antriebseinheit und einem Messwertgeber |
| EP2623938A1 (de) * | 2012-02-03 | 2013-08-07 | Siemens Aktiengesellschaft | Messwertgeber zum Erhalt einer Positionsinformation |
| EP2636998B1 (de) | 2012-03-08 | 2014-05-14 | Siemens Aktiengesellschaft | Messwertgeber zum Erhalt einer Positionsinformation und Verfahren zu dessen Betrieb |
| EP2647966B2 (de) | 2012-04-04 | 2017-08-23 | Siemens Aktiengesellschaft | Messwertgeber zum Erhalt einer Positionsinformation und Verfahren zu dessen Betrieb |
| EP2647965B1 (de) | 2012-04-04 | 2014-06-04 | Siemens Aktiengesellschaft | Messwertgeber zum Erhalt einer Positionsinformation und Verfahren zu dessen Betrieb |
| EP2650655B1 (de) | 2012-04-12 | 2014-09-03 | Siemens Aktiengesellschaft | Messwertgeber zum Erhalt einer Positionsinformation |
| EP2664899A1 (de) | 2012-05-16 | 2013-11-20 | Siemens Aktiengesellschaft | Messwertgeber zum Erhalt einer Positionsinformation und Verfahren zu dessen Betrieb |
| EP2667157A1 (de) | 2012-05-21 | 2013-11-27 | Siemens Aktiengesellschaft | Messwertgeber zum Erhalt einer Positionsinformation, Verfahren zum Betrieb eines solchen Messwertgebers und Verwendung eines solchen Messwertgebers zur Überwachung eines Motors |
| EP2669636B1 (de) | 2012-06-01 | 2015-09-30 | Siemens Aktiengesellschaft | Messwertgeber zum Erhalt einer Positionsinformation und Verfahren zum Betrieb eines solchen Messwertgebers |
Family Cites Families (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE2817172C2 (de) | 1978-04-20 | 1986-05-15 | Stegmann & Co KG, 7710 Donaueschingen | Mehrstufiger Winkelschrittgeber |
| US5066130A (en) * | 1988-05-10 | 1991-11-19 | Canon Kabushiki Kaisha | Displacement measuring apparatus |
| US5021646A (en) * | 1990-01-25 | 1991-06-04 | Spectra-Physics, Inc. | Remote optical path for capillary electrophoresis instrument |
| DE4243779A1 (de) * | 1992-12-23 | 1994-06-30 | Bosch Gmbh Robert | Digitaler Winkelgeber |
| US6093928A (en) * | 1994-12-22 | 2000-07-25 | Ohtomo; Fumio | Position measuring rotary incremental optical encoder |
| DE19621188B4 (de) | 1996-05-25 | 2005-07-14 | Leica Geosystems Ag | Optischer Sensor zur Bestimmung des Drehwinkels einer Drehachse |
| US5844814A (en) | 1996-09-27 | 1998-12-01 | International Business Machines Corporation | Optical position sensing device and method for sub-micron measurement |
| JP3042459B2 (ja) * | 1997-08-25 | 2000-05-15 | 日本電気株式会社 | 映像表示装置 |
| JP2005519309A (ja) * | 2002-03-06 | 2005-06-30 | アドバンスト フォトメトリクス， インク． | 放射エンコーディング及び分析のための方法及び装置 |
| EP1812773A1 (en) * | 2004-10-26 | 2007-08-01 | Memsflow ApS | Method and system for determination of position |
-
2004
- 2004-12-30 DE DE602004020246T patent/DE602004020246D1/de active Active
- 2004-12-30 ES ES04360115T patent/ES2322151T3/es active Active
- 2004-12-30 AT AT04360115T patent/ATE426796T1/de not_active IP Right Cessation
- 2004-12-30 EP EP04360115A patent/EP1677081B1/fr not_active Not-in-force
-
2005
- 2005-12-23 US US11/317,588 patent/US7538312B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP1677081B1 (fr) | 2009-03-25 |
| DE602004020246D1 (de) | 2009-05-07 |
| US20060283950A1 (en) | 2006-12-21 |
| EP1677081A1 (fr) | 2006-07-05 |
| ATE426796T1 (de) | 2009-04-15 |
| US7538312B2 (en) | 2009-05-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7538312B2 (en) | Method for determining the position of a first moving component relatively to a second component and device for applying said method | |
| CN102483336B (zh) | 旋转角度传感器中测量道偏心的光学补偿装置及方法 | |
| JP6062625B2 (ja) | 光学式位置測定装置 | |
| KR102377478B1 (ko) | 광학 회전각 측정 시스템 | |
| JP2004340929A (ja) | 光学式ロータリーエンコーダ | |
| US7842913B2 (en) | Method for determining the position of a first moving component relative to a second component and device for applying said method | |
| DE69505524T2 (de) | System zum schreiben von servo-information in einem datenaufzeichnungsplattenlaufwerk | |
| JPH02285214A (ja) | 測長器及びそれに用いるスケール部材 | |
| US6278107B1 (en) | Optical reader for a high-resolution optical coder | |
| US20110139971A1 (en) | Rotary position encoder | |
| JP4898906B2 (ja) | ロータリエンコーダ装置 | |
| JP2006502518A (ja) | 精密なフォーカシングの方法及びシステム | |
| Chen et al. | High-precision digital rotary encoder based on dot-matrix gratings | |
| JP4853424B2 (ja) | 光ピックアップ装置 | |
| TWI225146B (en) | Optical transmitter element and positioning device | |
| KR20080033347A (ko) | 광 픽업 및/또는 기록장치 | |
| US5566151A (en) | Optical devices having array detectors with light receiving photo arrays larger than an incident laser beam cross-section | |
| JP2002277286A (ja) | 回転変位量を検出する装置、及び、ディスク | |
| JP2020091220A (ja) | 光プローブ、光学変位計、および表面形状測定機 | |
| JP2004061495A (ja) | 光電式ロータリーエンコーダ | |
| JP2662941B2 (ja) | 光学装置 | |
| JP4776601B2 (ja) | 光ピックアップ装置 | |
| JP5207240B2 (ja) | 光記録再生媒体の焦点誤差検出方法、およびそれに用いる発光装置のビーム分割調節器 | |
| JPH05126604A (ja) | 光学的位置検出器およびスケール製造方法 | |
| JPH08247792A (ja) | ロータリエンコーダ |