FR2522164A1 - OPTICAL MEANS FOR FORMING A LOW HARMONIC SINUSOIDAL SIGNAL, APPARATUS AND POSITION ENCODER THEREFOR - Google Patents
OPTICAL MEANS FOR FORMING A LOW HARMONIC SINUSOIDAL SIGNAL, APPARATUS AND POSITION ENCODER THEREFOR Download PDFInfo
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Abstract
LES MOYENS OPTIQUES SONT DESTINES A LA FORMATION D'UN SIGNAL SINUSOIDAL A FAIBLE TAUX D'HARMONIQUES. CES MOYENS COMPRENNENT UN PREMIER ELEMENT 10 PORTEUR D'UN DIAGRAMME 11 A TRANSMISSIVITE OPTIQUE VARIABLE SINUSOIDALEMENT LE LONG D'UN AXE, UN SECOND ELEMENT 12 PORTEUR D'UNE OUVERTURE 13 AYANT LE LONG DE CET AXE UNE LARGEUR COMPRISE ENTRE LE QUART ET LES TROIS-QUARTS DE LA LONGUEUR D'ONDE DU DIAGRAMME SINUSOIDAL, UN DISPOSITIF PHOTO-SENSIBLE REPONDANT A LA LUMIERE PROVENANT D'UNE SOURCE LUMINEUSE ET TRAVERSANT LADITE OUVERTURE 13 ET LEDIT DIAGRAMME 11, ET DES MOYENS D'ETABLISSEMENT D'UN MOUVEMENT RELATIF (VOIR FLECHE 14) ENTRE LE PREMIER ET LE SECOND ELEMENTS DANS UNE DIRECTION PARALLELE AUDIT AXE. UTILISATION NOTAMMENT POUR REALISER UN CODEUR DE POSITION.OPTICAL MEANS ARE INTENDED FOR THE FORMATION OF A SINUSOIDAL SIGNAL WITH LOW HARMONICS. THESE MEANS INCLUDE A FIRST ELEMENT 10 WITH A DIAGRAM 11 WITH VARIABLE OPTIC TRANSMISSIVITY SINUSOIDALLY ALONG AN AXIS, A SECOND ELEMENT 12 WITH AN OPENING 13 HAVING A WIDTH ALONG THIS AXIS BETWEEN THE QUARTER AND THE THREE -QUARTS OF THE WAVELENGTH OF THE SINE DIAGRAM, A PHOTO-SENSITIVE DEVICE RESPONDING TO THE LIGHT COMING FROM A LIGHT SOURCE AND THROUGH THE SAID OPENING 13 AND THERE DIAGRAM 11, AND THE MEANS OF ESTABLISHING A RELATIVE (MOVEMENT) ARROW 14) BETWEEN THE FIRST AND THE SECOND ELEMENTS IN A PARALLEL DIRECTION AUDIT AXIS. USE IN PARTICULAR TO MAKE A POSITION ENCODER.
Description
On emploie souvent des moyens optiques pour former des signaux électriquesOptical means are often used to form electrical signals
qui sont ensuite traités par des circuits électroniques Les codeurs de position ne constituent qu'un exemple d'appareils utilisant de tels moyens, ils sont habituellement constitués de deux éléments mobiles l'un par rapport à l'autre et portant chacun un diagramme d'un type which are then processed by electronic circuits The position encoders are only an example of apparatus using such means, they usually consist of two elements movable relative to each other and each carrying a diagram of a type
quelconque Une source lumineuse et un dispositif photo- Any light source and a photo-
sensible coopèrent avec les deux éléments pour former un signal électrique qui peut servir à déterminer la direction sensitive cooperate with both elements to form an electrical signal that can be used to determine the direction
et l'amplitude du mouvement relatif des deux éléments. and the amplitude of the relative movement of the two elements.
Dans la plupart des applications, un signal électrique carré convient, en particulier s'il est utilisé pour faire fonctionner des circuits numériques Il y a cependant des cas o des circuits électroniques analogiques complexes sont In most applications, a square electrical signal is suitable, especially if it is used to operate digital circuits. There are however cases where complex analog electronic circuits are involved.
employés pour utiliser les signaux Dans de telles circons- used to use the signals In such circumstances
tances, il est préférable que le signal électrique formé par la méthode optique soit sinusoïdal avec un taux d'harmoniques it is preferable that the electrical signal formed by the optical method is sinusoidal with a harmonic
aussi faible que possible.as low as possible.
La présente invention a donc pour objet de proposer des moyens optiques de formation d'un signal sinusoïdal ayant un faible taux d'harmoniques, comprenant un premier élément porteur d'un diagramme dont la transmissivité optique varie le long d'un axe de manière sinusoïdale, un second élément porteur d'une ouverture ayant une largeur le long dudit axe comprise entre un quart et trois-quarts de la longueur d'onde dudit diagramme sinusoïdal, un dispositif photo"sensible répondant à la lumière qui traverse ladite ouverture et ledit diagramme en provenant d'une source lumineuse et des moyens d'établissement d'un mouvement relatif entre le premier et The object of the present invention is therefore to propose optical means for forming a sinusoidal signal having a low harmonic content, comprising a first element carrying a diagram whose optical transmissivity varies along an axis in a sinusoidal manner. a second member carrying an aperture having a width along said axis comprised between a quarter and three-quarters of the wavelength of said sinusoidal pattern, a light responsive photo device which passes through said aperture and said pattern from a light source and means for establishing a relative movement between the first and
le second élément dans une direction parallèle audit axe. the second element in a direction parallel to said axis.
La présente invention a également pour objet de proposer un codeur de position comprenant des moyens identiques à ceux qui ont été spécifiés dans le paragraphe ci-dessus, le premier élément étant porté par l'une de deux pièces mobiles -l'une Another object of the present invention is to provide a position encoder comprising means identical to those specified in the above paragraph, the first element being carried by one of two moving parts -one of which
par rapport à l'autre dans une direction parallèle audit axe. relative to each other in a direction parallel to said axis.
et le second élément étant porté par la seconde des deux pièces. On va maintenant décrire l'invention en se reportant aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 représente la forme du diagramme du premier élément; la figure 2 illustre le montage optique; la figure 3 représente une forme de réalisation pratique de l'invention; la figure 4 représente un détail d'une variante de la forme de réalisation de la figure 3; et la figure 5 représente une partie d'un codeur d'arbre and the second element being carried by the second of the two pieces. The invention will now be described with reference to the accompanying drawings in which: FIG. 1 shows the shape of the diagram of the first element; Figure 2 illustrates the optical assembly; Figure 3 shows a practical embodiment of the invention; Figure 4 shows a detail of a variation of the embodiment of Figure 3; and Figure 5 shows part of a tree encoder
utilisant l'invention.using the invention.
En se référant maintenant à la figure 1, on voit que le Referring now to Figure 1, we see that the
premier élément 10 en matériau opaque ou porteur d'un revête- first element 10 in opaque material or carrying a coating
ment opaque porte un diagramme en forme de fente 11 de largeur variable avec des bords sinusoïdaux Un second élément 12 porte une ouverture 13 ayant une largeur égale à environ une demi-longueur d'onde du diagramme sinusoïdal Si les deux éléments se déplacent l'un par rapport à l'autre, dans une direction parallèle à la longueur de la fente 11, comme l'indique la flèche 14, la quantité de lumière qui traverse à la fois le diagramme et la fente variera selon The opaque element has a slit-shaped pattern 11 of variable width with sinusoidal edges. A second member 12 carries an aperture 13 having a width equal to about half a wavelength of the sinusoidal pattern. If both elements move one relative to each other, in a direction parallel to the length of the slot 11, as indicated by the arrow 14, the amount of light passing through both the pattern and the slot will vary according to
une sinusoïde.a sinusoid.
La figure 2 représente les autres composants nécessaires à la formation d'un signal électrique sinusoïdal Les deux éléments 10 et 12 sont placés côte à côte et parallèles l'un à l'autre avec une source lumineuse 15 d'un côté et un dispositif photo-sensible 16 de l'autre côté Des montages de ce type sont bien connus et les éléments optiques comme FIG. 2 represents the other components necessary for the formation of a sinusoidal electrical signal. The two elements 10 and 12 are placed side by side and parallel to each other with a light source 15 on one side and a photo device -sensitive 16 on the other side Mounts of this type are well known and optical elements like
des lentilles n'ont pas été indiqués. lenses were not indicated.
Pour former le signal nécessaire, il faut établir le mouvement relatif entre les deux éléments Ceci se fait très facilement en réalisant l'un d'eux en forme de disque, que l'on peut ensuite faire tourner tandis que l'autre élément est fixe Etant donné que l'ouverture 13 est plus facile à former, il est commode de construire un disque portant un certain nombre d'ouvertures tandis que l'élément fixe porte le diagramme sinusoïdal La figure 3 représente un tel montage, avec un élément stationnaire ou repère, illustré - To form the necessary signal, it is necessary to establish the relative movement between the two elements This is done very easily by realizing one of them in the form of disc, which one can then make turn while the other element is fixed Since the opening 13 is easier to form, it is convenient to construct a disc carrying a certain number of openings while the fixed element carries the sinusoidal diagram. FIG. 3 represents such a mounting, with a stationary element or landmark, illustrated -
en 17 et le disque rotatif ou échelle en 18. in 17 and the rotating disk or scale in 18.
En pratique, afin d'éviter les erreurs provenant de l'irrégularité de la source lumineuse ou de la réponse de l'élément photo-sensible dans sa zone sensible, il est commode d'avoir un certain nombre d'ouvertures sur l'échelle recouvrant un certain nombre de diagrammes sinusoïdaux du repère Les centres des ouvertures doivent être espacés de la longueur d'onde du diagramme de façon à ce que les variations de la lumière traversant chaque ouverture soient en phase Dans le cas d'un échelle tournante, les ouvertures doivent être disposées radialement et ne doivent pas être exactement parallèles les unes aux autres, et de la même manière les diagrammes sinusoïdaux doivent être disposés avec des longueurs d'onde adaptées à l'espacement des ouvertures La figure 4 représente une partie d'une telle échelle et d'un tel repère Comme l'indique la figure 4, le repère 17 porte trois diagrammes sinusoïdaux 11 disposés parallèlement l'un à l'autre L'échelle 18, dont on ne voit qu'une partie, comprend un certain nombre d'ouvertures 13, quatre dans le cas illustré,-dont chacune s'étend sur un demi-cycle de chaque diagramme sinusoïdal Un seul dispositif photo-sensible répond à la lumière traversant la totalité des quatre ouvertures C'est une technique connue pour l'élimination de certaines erreurs Il est également possible d'appliquer des techniques connues pour éliminer les tensions continues de décalage de la sortie sinusoïdale Une première In practice, in order to avoid errors due to the irregularity of the light source or the response of the photosensitive element in its sensitive zone, it is convenient to have a certain number of openings on the scale. The centers of the openings shall be spaced from the wavelength of the diagram so that the variations of the light passing through each opening are in phase. In the case of a rotating scale, the openings shall be arranged radially and shall not be exactly parallel to each other, and in the same way the sinusoidal diagrams shall be arranged with wavelengths adapted to the spacing of the openings Figure 4 represents a part of a Such a scale and of such a mark As indicated in FIG. 4, the mark 17 bears three sinusoidal diagrams 11 arranged parallel to one another. The scale 18, of which one only sees a part, comprises a number of openings 13, four in the illustrated case, each of which extends over a half cycle of each sinusoidal diagram A single photosensitive device responds to the light passing through the entire This is a known technique for the elimination of some errors It is also possible to apply known techniques to eliminate the DC offset voltage of the sinusoidal output.
technique consiste à employer le même dispositif photo- technique consists in using the same device
sensible pour répondre également à la lumière traversant un second jeu de raies variables selon une sinusoïde Ces éléments coopèrent avec un jeu de fentes disposées de façon à ce que les variations de la lumière reçue par le dispositif photo-sensible en provenance des deux jeux de raies soient sensitive to also respond to light passing through a second set of sinusoidal variable lines These elements cooperate with a set of slots arranged so that the variations of the light received by the light-sensitive device from the two sets of lines are
en opposition de phase.in opposition of phase.
La largeur des ouvertures 13 n'est pas nécessairement égale exactement à une demi-longueur d'onde du diagramme sinusoïdal Des largeurs comprises entre un quart et trois quarts de longueur d'onde sont convenables, mais les centres The width of the openings 13 is not necessarily exactly equal to half a wavelength of the sinusoidal diagram Wavelengths between one-quarter and three-quarter wavelengths are suitable, but the centers
des ouvertures doivent être séparées d'une longueur d'onde. openings must be separated by one wavelength.
L'avantage particulier de l'ouverture égale à une demi- The particular advantage of opening equals one half
l O longueur d'onde est l'annulation complète des harmoniques paires de la sortie du détecteur et la réduction des harmoniques impaires d'un facteur égal à leur numéro d'harmonique La présence des harmoniques est due aux imperfections dans la forme du diagramme sinusoïdal D'autres largeurs des fentes réduisent le taux d'harmoniques, mais l Wavelength is the complete cancellation of the even harmonics of the detector output and the reduction of the odd harmonics by a factor equal to their harmonic number The presence of the harmonics is due to the imperfections in the form of the sinusoidal diagram Other slit widths reduce the harmonic rate, but
dans une moindre mesure.to a lesser extent.
Comme cela a déjà été suggéré, les moyens générateurs de signaux sinusoïdaux définis ci-dessus peuvent être utilisés comme dispositifs codeurs de position Dans le cas de la forme de réalisation des figures 3 et 4, ces moyens peuvent être utilisés comme codeurs d'angle de rotation d'un arbre, en utilisant des circuits électroniques appropriés Mais, pour déterminer la direction de la rotation du disque, il est nécessaire d'ajouter un autre diagramme ou un autre jeu de diagrammes Il y a aussi des enveloppes sinusoïdales mais elles sont décalées d'un quart de longueur d'onde de façon à constituer, en liaison avec un jeu distinct d'ouvertures et un dispositif photo-sensible distinct, une sortie cosinusoidale L'association-des signaux sinusoïdaux et cosinusoidaux permet de déterminer la direction de rotation du disque La figure 5 représente les pièces intéressantes de l'échelle et du repère dans le cas d'un As already suggested, the sinusoidal signal generating means defined above can be used as position encoder devices. In the case of the embodiment of FIGS. 3 and 4, these means can be used as angle encoders. rotation of a tree, using appropriate electronic circuits But, to determine the direction of rotation of the disk, it is necessary to add another diagram or another set of diagrams There are also sinusoidal envelopes but they are shifted of a quarter-wavelength so as to constitute, in connection with a distinct set of openings and a separate photosensitive device, a cosine output The association of sinusoidal and cosine signals determines the direction of rotation Figure 5 shows the interesting parts of the scale and landmark in the case of a
codeur d'arbre délivrant des sorties sinusoïdales et cosi- shaft encoder providing sinusoidal and cosine outputs
nusoidales Un montage du même type est utilisable pour un codeur linéaire de position, auquel cas l'échelle est un élément rectiligne allongé avec des ouvertures parallèles nusoidal An assembly of the same type can be used for a linear position encoder, in which case the scale is an elongate rectilinear element with parallel openings
et non plus un disque portant des ouvertures radiales. and no longer a disc carrying radial openings.
La transmissivité optique variant selon une sinusoïde qui est nécessaire peut être obtenue par d'autres moyens que la bande transparente avec des bords sinusoidaux Il The sinusoidal optical transmissivity that is needed can be obtained by means other than the transparent band with sinusoidal edges.
est par exemple possible d'obtenir le même effet en utili- For example, it is possible to obtain the same effect by using
sant un certain nombre de lignes parallèles avec des rapports marque/espace variables On peut aussi utiliser à titre de variante un film ou un revêtement ayant une a number of parallel lines with variable mark / gap ratios. Alternatively, a film or
densité variant selon une sinusoïde. density varying according to a sinusoid.
On admettra que la spécification nécessaire à la production d'une sinusoïde à faible taux d'harmoniques dépend du mouvement relatif entre les deux éléments cités, It will be admitted that the specification necessary for the production of a sinusoid with a low harmonic rate depends on the relative movement between the two elements mentioned,
quel que soit celui d'entre eux qui est mobile ou stationnaire. whoever is mobile or stationary.
L'onde sinusoïdale (ou cosinusoidale) produite a un très The sine wave (or cosine wave) produced has a very
faible taux d'harmoniques et peut être traitée électronique- low harmonic rate and can be processed electronically
ment avec peu ou pas de distorsion.with little or no distortion.
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