FR2765965A1

FR2765965A1 - Opto-electronic for determining level of support

Info

Publication number: FR2765965A1
Application number: FR9708845A
Authority: FR
Inventors: Jean Pierre Gallo
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-07-11
Filing date: 1997-07-11
Publication date: 1999-01-15

Abstract

The opto-electronic is intended to monitor the level of a support, to measure inclination, and consists of a disc-shaped damper (6) hinged on the support (1). At its centre there is a light transmitter (2). The damper is elastically urged in to its vertical position by a counterweight (9). A light guide (5) transmits a beam (3) which excites a circular photosensitive detector mounted under the disc and fixed to the support. This detector allows determination of the position of the damper w.r.t. vertical about its axis of rotation, and thus allows determination of the horizontal, or indeed the vertical state of the relevant edge of the support. The damping of pendulum oscillations is achieved by use of a metal track (7) placed in the field of a permanent magnet (8).

Description

La présente invention concerne un dispositif mécanique destiné au contrôle de niveau et à la mesure d'inclinaison. Le contrôle de niveau est habituellement réalisé par des niveaux à bulles qui sont progressivement remplacés par des dispositifs électroniques possédant une référence pendulaire telle celle décrite dans les brevets DE-A-3636420, US-A4716534 ou bien WO 9415174 par exemple. Cependant ces dispositifs pendulaires sont sensibles aux efforts d'inertie engendrés par les mouvements induits par l'opérateur . Les efforts d'inertie sont proportionnels à la masse des composants mobiles, donc à leur volume. Les contraintes mécaniques résultant de mouvements ou de chocs éventuels sont inversement proportionnelles aux surfaces soumises aux efforts . Donc le mécanisme servant de référence doit être miniaturisé au maximum en regard des nouveaux moyens de production de micromachines permettant d'associer des mécaniques de très faibles dimensions avec une puce électronique. Le dispositif mécanique selon l'invention est destiné à fabriquer un micromécanisme optoélectronique capable d'assurer à la fois une grande précision et une résistance aux chocs importante . Le concept de base de l'invention est fondé sur la transmission optique d'un faisceau mobile (3) , figure 1. Un amortisseur discolde (6) est articulé sur le support (1) en (12) et comporte une masselotte (9) formant une référence verticale par rapport à l'articulation . Cette masselotte est découplée élastiquement par un interface élastomérique . L'amortisseur est obtenu par injection de matière plastique ou bien en métal léger et amagnétique tel l'aluminium. L'ensemble est ainsi allégé au maximum pour résister aux chocs éventuels . Un émetteur (2) est fixé sur le support et dans l'axe du disque (6) de façon que la lumière émise soit captée par un guide de lumière (5) placé au centre du disque . Ce guide est positionné de façon à ce que le spot lumineux (3) soit dirigé vers un récepteur photosensible (4) placé sous le disque et fixé sur le corps.The present invention relates to a mechanical device intended for level control and inclination measurement. The level control is usually carried out by bubble levels which are gradually replaced by electronic devices having a pendulum reference such as that described in the patents DE-A-3636420, US-A4716534 or WO 9415174 for example. However, these pendulum devices are sensitive to the inertial forces generated by the movements induced by the operator. The inertia forces are proportional to the mass of the moving components, and therefore to their volume. The mechanical stresses resulting from possible movements or shocks are inversely proportional to the surfaces subjected to the forces. The mechanism serving as a reference must therefore be miniaturized as much as possible with regard to the new means of producing micromachines making it possible to associate very small mechanics with an electronic chip. The mechanical device according to the invention is intended to manufacture an optoelectronic micromechanism capable of ensuring both high precision and high impact resistance. The basic concept of the invention is based on the optical transmission of a mobile beam (3), FIG. 1. A discold damper (6) is articulated on the support (1) at (12) and comprises a counterweight (9 ) forming a vertical reference to the joint. This flyweight is elastically decoupled by an elastomeric interface. The shock absorber is obtained by injection of plastic or in light and non-magnetic metal such as aluminum. The assembly is thus lightened to the maximum to withstand possible shocks. A transmitter (2) is fixed on the support and in the axis of the disc (6) so that the light emitted is captured by a light guide (5) placed in the center of the disc. This guide is positioned so that the light spot (3) is directed towards a photosensitive receiver (4) placed under the disc and fixed on the body.

Le faisceau incident est émis par une diode électroluminescente (2) équipée d'un corps moulé de façon à émettre un rayon très étroit selon l'axe de rotation . L'emploi d'une diode laser peut aussi être préconisé, mais les distances parcourues étant très faibles en raison de la miniaturisation du mécanisme , une diode normale suffit. Le faisceau incident peut aussi être transmis par une fibre optique et lorsque la masselotte (9) passe à la verticale de l'axe de rotation l'information reçue par le capteur (4) permet de déclencher un émetteur sonore ou lumineux . Selon un mode de réalisation préférentiel , figure 3, le dispositif d'affichage est constitué par une série de diodes électroluminescentes (10) émettant vers l'extérieur du boîtier et placées selon un demi cercle . L'alimentation de celles-ci se fait par l'intermédiaire d'une piste photosensible (4) au passage du spot (3) ,en établissant une liaison électrique entre le collecteur (13) et la piste (14). L'affichage peut aussi se faire selon un cercle complet et associé à des graduations.The incident beam is emitted by a light-emitting diode (2) equipped with a molded body so as to emit a very narrow radius along the axis of rotation. The use of a laser diode can also be recommended, but the distances traveled being very small due to the miniaturization of the mechanism, a normal diode is sufficient. The incident beam can also be transmitted by an optical fiber and when the counterweight (9) passes vertical to the axis of rotation the information received by the sensor (4) makes it possible to trigger a sound or light emitter. According to a preferred embodiment, Figure 3, the display device consists of a series of light emitting diodes (10) emitting towards the outside of the housing and placed in a semicircle. The supply of these is via a photosensitive track (4) when the spot (3) passes, by establishing an electrical connection between the collector (13) and the track (14). The display can also be done in a complete circle and associated with graduations.

Le circuit électronique peut ainsi être réalisé sur le même support que l'émetteur (2) en simplifiant la fabrication, le guide optique associé au dispositif pendulaire est simplement monté en regard de celui-ci, articulé sur le corps avec le minimum de résistances passives et le spot (3) peut être focalisé par un dispositif lenticulaire (11) afin d'augmenter la précision et multiplier le nombre d'émetteurs lumineux (lu) . The electronic circuit can thus be produced on the same support as the transmitter (2) by simplifying the manufacture, the optical guide associated with the pendulum device is simply mounted opposite it, articulated on the body with the minimum of passive resistances and the spot (3) can be focused by a lenticular device (11) in order to increase the precision and multiply the number of light emitters (read).

Ces voyants lumineux sont associés à un émetteur sonore activé au passage de la verticale et à plus ou moins 90 degrés pour contrôler la verticalité, quelle que soit la position du niveau comportant un micromécanisme selon l'invention.These indicator lights are associated with a sound transmitter activated at the passage of the vertical and at more or less 90 degrees to control the verticality, whatever the position of the level comprising a micromechanism according to the invention.

Selon un autre mode de réalisation préférentièl, figure 4, le capteur est constitué par quatre pistes résistives (15) associées à la piste de référence (13) par un interface photosensible (4). Les bornes de chaque piste résistive sont soumises à un potentiel électrique Vi et la mesure de Vs permet d'afficher l'angle 9 aprés une conversion analogique digitale par un circuit spécifique intégré sous forme de puce électronique au circuit imprimé de base servant de support au récepteur photoélectrique. Les contacts (16) permettent de repérer avec précision les positions verticales ou horizontales. Afin de discriminer chaque position et déclencher l'affichage adéquat, figure 6, I'afficheur est composé d'un élément central (19) entouré par quatre éléments périphériques (20). La séparation en quatre du récepteur photorésistif permet la commande sélective de l'affichage et facilite la lecture quelle que soit la position de référence du corps. Le dos du boîtier est équipé d'un carter (21) amovible et déformable, figure 7, permettant d'une part d'accéder au micromécanisme pour échanger la pile d'alimentation et d'autre part d'activer le fonctionnement ou bien l'arrêter par l'intermédiaire d'un interrupteur placé à l'intérieur du boîtier. Un émetteur sonore peut aussi être intégré à ce carter.According to another preferred embodiment, FIG. 4, the sensor consists of four resistive tracks (15) associated with the reference track (13) by a photosensitive interface (4). The terminals of each resistive track are subjected to an electrical potential Vi and the measurement of Vs makes it possible to display the angle 9 after a digital analog conversion by a specific circuit integrated in the form of an electronic chip into the basic printed circuit serving as support for the photoelectric receiver. The contacts (16) make it possible to pinpoint the vertical or horizontal positions with precision. In order to discriminate each position and trigger the appropriate display, Figure 6, the display consists of a central element (19) surrounded by four peripheral elements (20). The separation into four of the photoresist receiver allows the selective control of the display and facilitates the reading whatever the reference position of the body. The back of the housing is equipped with a removable and deformable casing (21), FIG. 7, allowing on the one hand access to the micromechanism for exchanging the supply battery and on the other hand activating the operation or '' stop by means of a switch placed inside the housing. A sound transmitter can also be integrated into this housing.

Les oscillations du référentiel vertical à l'approche du point d'équilibre sont éliminées par un ralentisseur à courants de Foucault réalisé à partir de l'entrefer d'un aimant permanent (8) possédant deux pièces polaires (22). Ces pièces polaires canalisent le flux magnétique sur une piste métallisée (7) de l'amortisseur (6). L'efficacité sera augmentée en empilant par dépôt chimique une succession de couches alternativement métalliques et isolantes
Cette métallisation peut se faire sur un disque initialement injecté en plastique et le métal sera du cuivre. Selon un autre mode de réalisation chaque couche conductrice de la piste (7) est métallisée géométriquement selon une série de spires planes en court circuit matérialisant ainsi un rotor lamellaire extrêmement efficace pour l'amortissement des oscillations
Le dispositif selon l'invention permet de contrôler à la fois l'horizontalité et la verticalité dans quatre positions orthogonales, grâce aux quatre capteurs disposés à 90 degrés par rapport au corps (1). The oscillations of the vertical reference frame when approaching the point of equilibrium are eliminated by an eddy current retarder produced from the air gap of a permanent magnet (8) having two pole pieces (22). These pole pieces channel the magnetic flux on a metallized track (7) of the damper (6). Efficiency will be increased by stacking a succession of alternately metallic and insulating layers by chemical deposition
This metallization can be done on a disc initially injected in plastic and the metal will be copper. According to another embodiment, each conductive layer of the track (7) is geometrically metallized according to a series of flat turns in short circuit thus materializing an extremely efficient lamellar rotor for damping oscillations.
The device according to the invention makes it possible to control both the horizontality and the verticality in four orthogonal positions, thanks to the four sensors arranged at 90 degrees relative to the body (1).

Selon un mode de réalisation préférentiel on remplace les capteurs résistifs par des capteurs incrémentaux selon la figure 5. La shématisation est droite mais ces capteurs sont conformés selon des arcs de cercle . Lorsque le spot (3) se déplace sur la piste photoconductrice (4) , le signal électrique de référence étant donné par la piste (13), les deux pistes (17) et (18) fournissent deux signaux incrémentaux en quadrature. Un compteur électronique peut alors définir avec précision la position et le sens de déplacement du spot (3). L'initialisation du comptage est réalisée grâce au signal fourni par deux contacts (16) placés de part et d'autre de la piste incrémentale. L'affichage de l'angle peut être ainsi réalisé et la précision est très grande grâce aux procédés chimiques de gravure directe sur un substrat de silicium par exemple.According to a preferred embodiment, the resistive sensors are replaced by incremental sensors according to FIG. 5. The diagramming is straight but these sensors are shaped according to arcs of a circle. When the spot (3) moves on the photoconductive track (4), the electrical reference signal being given by the track (13), the two tracks (17) and (18) provide two incremental signals in quadrature. An electronic counter can then precisely define the position and direction of movement of the spot (3). The initialization of the counting is carried out thanks to the signal supplied by two contacts (16) placed on either side of the incremental track. The angle display can thus be achieved and the precision is very high thanks to the chemical processes of direct etching on a silicon substrate for example.

Selon un mode de réalisation préférentiel, le boîtier est de forme cylindrique d'un diamètre de 30 mm et 10 mm de hauteur; après avoir réduit le diamètre de l'amortisseur à environ 8 mm . Les moyens techniques actuels de réalisation de micromécanismes permettent encore de réduire ces côtes.According to a preferred embodiment, the housing is of cylindrical shape with a diameter of 30 mm and 10 mm in height; after reducing the diameter of the shock absorber to approximately 8 mm. The current technical means of producing micromechanisms make it possible to further reduce these ribs.

Ce type de mécanisme peut être miniaturisé puis protégé dans un boîtier étanche incluant une pile d'alimentation et un interrupteur de mise sous tension ,la résistance aux chocs est très importante en raison des très faibles masses des composants mobiles;
Tous les éléments capteurs sont fixes et directement associés au circuit électronique de mesure. La fabrication en série d'un tel concept est en accord avec les nouveaux procédés de réalisation associant les microcircuits électronique avec des mécanismes de très faible encombrement.This type of mechanism can be miniaturized and then protected in a waterproof case including a power supply battery and a power-on switch, impact resistance is very important due to the very low masses of the moving components;
All the sensor elements are fixed and directly associated with the electronic measurement circuit. The mass production of such a concept is in accordance with the new production methods associating the electronic microcircuits with very compact mechanisms.

Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné à la fabrication d'un micro mécanisme de contrôle de niveau et de mesure d'angle pouvant être associé à un microcircuit hybride afin de réaliser un niveau à puce électronique. The device according to the invention is particularly intended for the manufacture of a micro level control and angle measurement mechanism which can be associated with a hybrid microcircuit in order to achieve a level with electronic chip.

Claims

1) Optoelectronic level control micromechanism comprising a device equipped with an eccentric counterweight and articulated on a support, characterized in that a light guide (5) is arranged radially on the damper (6) and whose spot (3 ) traverses a photosensitive receiver fixed on the support, according to a circular trajectory; the metallized track (7) being placed in the air gap of a permanent magnet (8).

2) Optoelectronic micromechanism according to claim 1, characterized in that a light-emitting diode (2) emits a light beam along the axis of rotation of (6) so as to be transmitted by a light guide to the spot (3).

3) Optoelectronic micromechanism according to claims 1 and 2, characterized in that the receiver consists of a reference track (13) associated with a series of indicator lights arranged on a circular track (14) via a track photosensitive (4).

4) Optoelectronic micromechanism according to claims 1 and 2, characterized in that the receiver consists of four resistive tracks associated with the reference track (13) via a photosensitive track (4), with four sensors initialization (16).

5) Optoelectronic micromechanism according to claims 1 and 2, characterized in that each quadrant of the receiver consists of two incremental tracks (17) and (18) associated with a reference track (13) via a photosensitive track (4) with four initialization sensors (16).

6) Optoelectronic micromechanism according to claim 1, characterized in that the track (7) consists of several metallized layers separated by insulating interfaces

7) Optoelectronic micromechanism according to claims 1 and 2, characterized in that the transmitted beam is focused on the photosensitive interface (4) via a lenticular system (1 1).

8) Optoelectronic micromechanism according to the preceding claims taken as a whole, characterized in that the tilt angle display device is composed of a double central display (19) with at its periphery, in orthogonal position four displays simple (20).

9) Optoelectronic micromechanism according to the preceding claims taken as a whole, characterized in that the pendulum reference device is miniaturized and associated with a hybrid electronic chip installed on the substrate of the receiver.