FR2954493A1

FR2954493A1 - Capteur optique de position angulaire absolue

Info

Publication number: FR2954493A1
Application number: FR0906312A
Authority: FR
Inventors: Francis Georges; Mustapha Remouche
Original assignee: Universite de Strasbourg
Current assignee: MUSTAPHA REMOUCHE, FR
Priority date: 2009-12-23
Filing date: 2009-12-23
Publication date: 2011-06-24

Abstract

Le capteur comprend des moyens optiques qui génèrent des faisceaux lumineux polarisés (12), un ensemble de polarisation linéaire tournant (7) situé sur un disque tournant (3) et qui est traversé par les faisceaux lumineux, un codeur angulaire optique absolu (8) porté par le disque et lu par un ensemble de lecture (31) et des photo-capteurs (10) placés après le disque de manière à recevoir chacun l'un des faisceaux ayant traversé l'ensemble (7), ces photo-capteurs permettant de mesurer l'intensité lumineuse de chaque faisceau reçu qui oscille en fonction de la rotation du disque. La polarisation induite par le couple formé par l'ensemble de polarisation fixe (6) et l'ensemble de polarisation linéaire tournant (7) est différente pour chaque faisceau lumineux, et les moyens précédents permettent de calculer sans ambiguïté une valeur instantanée de la position angulaire absolue du disque tournant (3).

Description

La présente invention concerne un capteur optique permettant de mesurer la position angulaire d'un objet tournant. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à un capteur optique de position angulaire absolue utilisant un disque rotatif mixte, comprenant au moins une partie polarisante et au moins une piste de codage optique. De nos jours, il existe de nombreux capteurs optiques de position angulaire absolue. Ces capteurs comportent généralement soit un ou plusieurs disques polarisants, soit un disque comportant un marquage lu optiquement et constituant un mot binaire unique identifiant sans ambigüité la position angulaire. Ces derniers sont les plus répandus. Ils comportent des pistes concentriques alternativement absorbantes ou réfléchissantes qui divisent le disque en secteurs angulaires, ces pistes sont généralement lues par une barre de diodes électroluminescentes (DEL) associée à une barre de photodiodes. Le nombre n de pistes concentriques définit le nombre de positions angulaires discrètes 2" et par là définit la résolution. Pour des raisons évidentes, la résolution et la précision de ce type de capteur dépend de la qualité du système de lecture optique et de la densité limite de marquage autorisée par le procédé de fabrication utilisé. Cette technologie est mise en défaut lorsqu'un capteur de résolution élevée à bas prix est requis. En effet, elle aboutit à des capteurs chers opérant avec des disques de grand diamètre, inadaptés à un besoin d'encombrement réduit, notamment dans le domaine de l'automobile ou militaire. Par la suite, nous ferons référence à un tel type de capteur sous le vocable de « codeur angulaire optique absolu ». Les capteurs à disque polarisant ont l'avantage d'être peu coûteux car la mesure angulaire utilise un phénomène physique qui ne nécessite aucun marquage à forte densité des pistes. Dans le cas des capteurs à disque polarisant, la résolution et la précision ne sont pas liées aux dimensions du capteur qui en conséquence peut être miniaturisé, seule la qualité du matériau polarisant et les performances du traitement électronique sont à considérer. L'invention a pour but de compléter et d'améliorer notamment les dispositifs divulgués dans les brevets FR2868527 et FR2868528. Le capteur optique angulaire absolu selon l'invention a pour but de mesurer la position angulaire d'une pièce tournante quelconque, par exemple un arbre rotatif. Ce capteur utilise un disque tournant dont on mesure la position angulaire, ce disque tournant avec la pièce tournante, en étant par exemple soit fixé sur l'arbre tournant ou sur une autre pièce similaire en rotation, soit relié à rotation avec l'arbre tournant ou toute autre pièce similaire. Le capteur optique angulaire absolu selon l'invention comprend une source lumineuse associée à un système optique de mise en forme destiné à focaliser et à organiser la distribution spatiale de la lumière émise que nous nommerons « conformateur de faisceaux ». Le capteur optique angulaire absolu selon l'invention comprend également un ensemble de polarisation fixe, un ensemble de polarisation tournant situé sur le disque, un codeur angulaire optique absolu comprenant un marquage binaire du disque tournant, et des capteurs photométriques (ou photo-capteurs).

Suivant la configuration de l'invention adoptée, le conformateur de faisceaux produit soit un faisceau unique étalé soit plusieurs faisceaux séparés. Ce ou ces faisceaux de lumière sont préférentiellement polarisés par l'ensemble de polarisation fixe. Ce ou ces faisceaux franchissent l'ensemble de polarisation tournant et tombent sur une famille de capteurs photométriques. L'ensemble de polarisation est différent suivant la configuration de l'invention. L'intensité lumineuse reçue par les capteurs photométriques oscille en fonction de la rotation du disque tournant. De la valeur de l'intensité lumineuse reçue par les différents capteurs photométriques, il est possible de déduire en conjonction avec le codeur angulaire optique absolu une valeur instantanée de l'angle de rotation du disque. Le codeur angulaire optique absolu fournissant la levée d'incertitude nécessaire pour obtenir l'angle de rotation du disque avec exactitude. Le système polarimétrique fournissant les bits de poids faibles et le codeur angulaire optique absolu les bits de poids forts. Ce dernier est à faible résolution, et donc peu coûteux, ce qui permet de produire un capteur optique de position angulaire performant et économique. Selon une première variante de l'invention, on peut utiliser un codeur angulaire optique à trois bits et un ensemble de polarisation tournant constitué de deux anneaux polarisants concentriques, tandis que selon une seconde variante, on peut utiliser un codeur optique à un bit

(donc avec la résolution la plus basse possible) et un ensemble de polarisation tournant comportant quatre anneaux polarisants concentriques. Selon une troisième variante on peut utiliser un codeur angulaire optique à un bit et un ensemble de polarisation tournant constitué d'un seul polariseur. Le capteur optique de position angulaire selon l'invention utilise de la lumière polarisée, aussi la source lumineuse et l'ensemble de polarisation fixe permettent d'obtenir cette lumière polarisée. Dans le cas où la source lumineuse produit une lumière déjà polarisée linéairement, comme par exemple dans le cas d'une diode laser et lorsqu'un un seul faisceau de lumière est produit avec un conformateur de faisceaux conservant la polarisation linéaire, on peut considérer que l'ensemble de polarisation fixe fait intrinsèquement partie de la source lumineuse. Dans le cas de multifaisceaux lorsque la source laser est utilisée, il est possible de concevoir le conformateur de faisceau de telle sorte qu'il produise des faisceaux polarisés différemment. Dans ce cas, on peut considérer que l'ensemble de polarisation fixe fait intrinsèquement partie du conformateur de faisceau. Lorsque la source lumineuse est non polarisée, comme par exemple dans le cas d'une diode électroluminescente, on utilisera préférentiellement l'ensemble de polarisation fixe. Plusieurs variantes pour la localisation l'ensemble de polarisation fixe sont possibles. Quel que soit l'ensemble de polarisation tournant considéré, il est possible de placer l'ensemble de polarisation fixe du coté de la source ou de le placer du coté des photo-capteurs. II est également possible de déposer des couches polarisantes orientées différemment directement sur les fenêtres des photo-capteurs. Dans ce cas on utilise préférentiellement un faisceau polarisé unique étalé. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, description faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels : • la figure 1 est une vue plane du disque mixte du capteur optique selon un premier mode de réalisation de l'invention • la figure 2 est une vue en coupe schématique du capteur optique selon le premier mode de réalisation de l'invention ; • la figure 3 est une courbe schématique représentant la transmittance en fonction de la position angulaire d'un disque rotatif de capteur optique ainsi que les parties linéaires de la caractéristique de

transfert ; • la figure 4 est une courbe schématique illustrant le fait qu'une légère imprécision AT au niveau de l'ordonnée dans la partie courbe extrémale d'une sinusoïde se traduit par une imprécision A0 très importante pour la détermination de l'abscisse correspondante ; • la figure 5 est une vue plane du disque mixte du capteur optique selon un second mode de réalisation de l'invention ; • la figure 6 est une vue en coupe schématique du capteur optique selon le second mode de réalisation de l'invention ; • la figure 7 est une vue plane du disque mixte du capteur optique selon un troisième mode de réalisation de l'invention ; • la figure 8 est une vue en coupe schématique du capteur optique selon le troisième mode de réalisation de l'invention ; et • la figure 9 est un schéma électrique montrant le câblage des photodiodes associées par paire pour tous les modes de réalisation. Le capteur optique de position angulaire selon la présente invention va maintenant être décrit de façon détaillée en référence aux figures 1 à 9. Les éléments équivalents représentés sur les différentes figures porteront les mêmes références numériques.

Le capteur optique de position angulaire 1 de l'invention permet de mesurer la position angulaire absolue d'une pièce en rotation 2, par exemple un arbre rotatif. Ce capteur optique de position angulaire 1 comprend un disque tournant 3 qui tourne avec la pièce en rotation 2 dont on veut mesurer la position angulaire. II comprend également les moyens suivants : • au moins une source lumineuse 4 émettant une lumière polarisée linéairement ou non polarisée ; • au moins un conformateur de faisceaux 5 qui génère plusieurs faisceaux lumineux à partir de la lumière issue de la source lumineuse 4 , • au moins un ensemble de polarisation linéaire tournant 7 situé sur le disque tournant 3 et qui est traversé par les faisceaux lumineux générés par le conformateur de faisceaux 5 ; • au moins un ensemble de polarisation linéaire fixe 6, qui est intégré à la source lumineuse 4 dans le cas d'une source lumineuse 4 émettant une lumière polarisée linéairement, ou qui est indépendant de la source lumineuse 4, et qui est traversé par la lumière issue de cette

source lumineuse 4 ou par les faisceaux lumineux générés par le conformateur de faisceaux 5 avant ou après qu'ils aient traversé l'ensemble de polarisation linéaire tournant 7 ; • au moins un codeur angulaire optique absolu 8 comprenant un marquage binaire 9 porté par le disque tournant 3 ; • au moins un ensemble de lecture 31 qui lis le marquage binaire 9 ; et • des photo-capteurs 10, placés après le disque tournant 3 de manière à recevoir chacun l'un des faisceaux lumineux ayant traversé l'ensemble de polarisation linéaire tournant 7, ces photo-capteurs 10 permettant de mesurer l'intensité lumineuse de chaque faisceau reçu qui oscille en fonction de la rotation du disque tournant 3. La polarisation induite par le couple formé par l'ensemble de polarisation fixe 6 et l'ensemble de polarisation linéaire tournant 7 est différente pour chaque faisceau lumineux, ainsi les moyens précédents permettent de calculer sans ambiguïté une valeur instantanée de la position angulaire absolue de la pièce en rotation 2 à partir des mesures réalisée par les photo-capteurs 10 et par l'ensemble de lecture 31 du codeur angulaire optique absolu 8. Le disque tournant 3 est un disque mixte tournant 3 car il comprend à la fois au moins un polariseur 7, 11 et un codeur angulaire optique absolu 8, par exemple sous la forme d'un marquage binaire 9. Le principe du capteur optique de position angulaire 1 selon l'invention repose sur l'analyse de l'intensité lumineuse de plusieurs faisceaux lumineux polarisés linéairement 12 traversant le disque tournant 3, ces faisceaux lumineux polarisés 12 étant reçus par des photo-capteurs 10, par exemple par des photodiodes 13, des phototransistors ou analogues, qui transforment l'intensité lumineuse reçue en courant ou tension électrique proportionnel à l'intensité lumineuse reçue. Dans la suite de ce descriptif, pour des raisons de simplicité rédactionnelle, par photo-capteur 10 on entendra tout dispositif qui transforme une intensité lumineuse reçue en signal électrique. De même, par lumière polarisée et polariseur, nous entendrons respectivement lumière polarisée linéairement et polariseur linéaire, la polarisation circulaire ou elliptique n'étant pas adaptée à l'invention. Lorsqu'un faisceau lumineux polarisé linéairement franchit un polariseur, le signal électrique X(8) produit par un photo-capteur est proportionnel à la transmittance T(0) du polariseur et à l'intensité lumineuse lo émise par la source de lumière. Ainsi, en fonction de l'angle de rotation 0 du polariseur, on a les formules suivantes : T(0) = A + B.cos 2(0+D) X(0) = K.T(0). Io Avec : T(0) = transmittance du polariseur K. A. lo = terme d'offset K.B.I0 = terme de gain 0 = angle de rotation D = déphasage initial K = facteur de proportionnalité Par une orientation appropriée de la direction de polarisation du faisceau incident par rapport à l'axe du polariseur, il est possible d'annuler D. Cette condition n'est pas nécessaire au fonctionnement de l'invention, puisque seule compte l'orientation de l'axe du polariseur relativement à la direction de la polarisation de la lumière incidente. Pour simplifier l'exposé du fonctionnement de l'invention, nous prendrons toujours D = O. Ainsi pour 0 = 0, l'axe du polariseur et la direction de polarisation seront parallèles. Le principe de fonctionnement de l'invention sera mieux compris si on considère l'expérience d'école suivante : soient deux polariseurs identiques montés sur le même axe de rotation, deux systèmes d'illumination identiques et deux photo-capteurs identiques. On impose aux faisceaux incidents d'être parallèles avec des directions de polarisation identiques qui définiront l'origine de l'angle de rotation 0 de l'axe de rotation commun aux deux polariseurs. Le système ainsi agencé fournit sur les photo-capteurs deux signaux X1(0) et X2(0) identiques au signal X(0) donné précédemment.

Lorsque l'un des polariseurs subit un décalage initial de 90° (Tr/2), les signaux X1(0) et X2(0) deviennent différents. En les soustrayant l'un l'autre, on élimine le terme d'offset K.A.I0 affecté par l'instabilité de la source de lumière et l'on obtient : Y~ = X1 û X2 = 2K.B.10 .cos 20 De même, en faisant subir aux deux polariseurs des décalages initiaux de ± 45° (± Tr/4), on obtient les signaux X3(0) et X4(0). En soustrayant l'un l'autre, on élimine comme précédemment le terme

d'offset K.A.10, mais cette fois on obtient : Y2 = X3 û X4 = 2k.B.10 .sin 20 Si on réalise un système polarimétrique permettant d'obtenir à la fois les signaux X1(0), X2(0), X3(0) et X4(0) précédents, il est possible de connaître l'angle de rotation 0 de l'axe de rotation du système. Par exemple, en utilisant les deux signaux YI et Y2 dépendants de 0 et de lo et en faisant les rapports Y2/Y1 et Y1/Y2 on peut éliminer l'influence du terme de gain K.B.I0 affecté par l'instabilité de la source. Y2 / Y~ = tan 20 et YI / Y2 = cotan 20 À partir de tan 20 et cotan 20, il est donc possible de déduire la valeur de 20 avec un algorithme classique faisant intervenir les secteurs angulaires dans lesquels se trouvent les fonctions cos et sin données par YI et Y2 Les exigences du temps réel nécessitent soit l'utilisation du développement série de tan 20 calculé par un processeur numérique de signal (DSP), soit l'utilisation de tables de valeurs mémorisées dans des mémoires de type ROM (lookup table). Des circuits intégrés existants permettent de remplir efficacement ces tâches. La valeur 0, c'est-à-dire la valeur de l'angle de rotation du disque mixte, est donnée avec une incertitude d'un demi-tour. Par conséquent, la position angulaire ne peut être donnée avec précision sans levée d'incertitude. L'invention et ses variantes mettent en oeuvre la production et l'utilisation partielle ou complète de l'ensemble des signaux {X1(0), X2(0), X3(0), X4(0)} en vue de réaliser un capteur angulaire optique absolu. Elle met également en oeuvre un codeur angulaire optique absolu à faible résolution ayant pour seul but d'effectuer la levée d'incertitude précédemment évoquée. Par exemple, dans l'expérience d'école précédente, un simple codeur angulaire optique absolu 8 à un bit permet d'effectuer une « levée de doute ». Le codeur angulaire optique absolu 8 utilisé par une variante de l'invention sera donc par exemple constitué par un marquage binaire 9 sous la forme d'un seul demi anneau 14 opaque (ou réfléchissant) localisé sur le disque mixte tournant 3. De manière classique, le marquage binaire 9, ici sous la forme d'une piste en demi-anneau 14 opaque, est par exemple lue par un ensemble de lecture 31 comprenant une diode électroluminescente 17 associée à une photodiode 18.

Son placement à la périphérie du disque mixte 3 est avantageux. Par conséquent, le capteur optique de position angulaire 1 de l'invention à résolution égale pourra être offert à un prix moindre et dans un volume plus réduit que le codeur angulaire absolu classique.

Dans certains cas, lorsque la rotation d'un arbre 2 est inférieure au demi-tour (bras de robot, certaines machines outils, dans l'automobile, etc.), il est possible d'éliminer le codeur angulaire optique absolu 8 de l'invention et obtenir un capteur de position angulaire absolue 1 à haute résolution dans un volume très restreint.

Le capteur optique angulaire absolu 1 selon l'invention comprend une source lumineuse 4 associée à un conformateur de faisceaux 5. Comme évoqué précédemment, le conformateur de faisceaux 5 peut produire plusieurs faisceaux lumineux 12 présentant chacun une polarisation différente et qui traversent le disque tournant 3 comportant un ensemble de polarisation tournant 7 sous la forme d'un seul polariseur 11, ou alors le conformateur de faisceaux 5 peut produire un unique faisceau polarisé étalé 12 qui peut traverser un disque tournant 3 comportant un ensemble de polarisation 7 tournant sous la forme de plusieurs anneaux polarisants 11.

La source lumineuse 4 elle-même peut par exemple être une source laser monochromatique, par exemple une diode laser 21, qui produit une lumière polarisée rectilignement ou être une diode électroluminescente a forte luminosité non polarisée de préférence à spectre étroit.

De même, le ou les faisceaux lumineux 12 proviennent préférentiellement tous de la même source lumineuse 4, par exemple au moyen d'un conformateur de faisceaux 5 sous la forme de fibres optiques 15, d'un multiplicateur de faisceaux 16 réalisé par la technique de l'optique diffractive si la source est un laser, d'une lentille cylindrique ou de tout autre moyen équivalent permettant d'obtenir un ou plusieurs faisceaux. La polarisation du ou des faisceaux 12 peut être réalisée de manière intrinsèque, par l'emploi d'une source lumineuse 4 émettant une lumière polarisée, ou de manière externe, au moyen d'un ensemble de polarisation supplémentaire fixe 6 comportant des polariseurs si la source est non polarisée. Dans ce dernier cas, on parle d'ensemble de polarisation fixe 6 par opposition à l'ensemble de polarisation 7 tournant situé sur le disque mixte tournant 3.

Lorsque le conformateur de faisceaux 5 produit plusieurs faisceaux lumineux 12, chaque faisceau 12 doit présenter une direction de polarisation différente de celle des autres faisceaux. Cela peut être réalisé de différentes manières.

Par exemple, lorsque qu'une diode laser polarisée 21 est utilisée comme source de lumière 4, un conformateur de faisceaux 5 réalisé avec une optique diffractive spéciale peut être conçu pour générer les différents faisceaux 12 et les polarisations associées. Dans ce cas, le conformateur de faisceaux 5 et l'ensemble de polarisation fixe 6 sont sous la forme d'un seul moyen combinant les deux fonctions. II est également possible d'utiliser un ensemble de polarisation fixe 6 constitué de plusieurs lames demi-onde orientées si tous les faisceaux 12 issus du conformateur de faisceau 5 présentent la même direction de polarisation.

Lorsque la lumière de la source de lumière 4 est non polarisée, on associe à chaque faisceau lumineux 12 issu du conformateur de faisceaux 5 un ensemble de polarisation fixe 6 constitué de plusieurs polariseurs 26, 27, 28, 29 orientés de façon adéquate. Pour chaque type de faisceaux lumineux 12, mono ou multifaisceaux, cet ensemble de polarisation fixe 6 est préférentiellement situé entre le disque tournant 3 et la source lumineuse 4, bien que l'on puisse également envisager de le situer entre le disque tournant 3 et les photo-capteurs 10. Dans un souci de performance du capteur 1 de l'invention, la lumière émise par la source lumineuse 4 doit être régulée de sorte que l'intensité lumineuse de celle-ci soit sensiblement invariable au cours du temps. Selon les alternatives choisies, il existe différentes façons de mettre en oeuvre l'invention, bien que celles-ci reposent sur un même concept inventif. Dans la suite de ce descriptif, vont donc être décrits trois modes de réalisation de l'invention. II ne s'agit que de modes de réalisation préférés, donnés à titre d'exemple seulement, et qui ne doivent pas être interprétés de manière limitative pour l'invention. De même, les dimensions relatives des différents éléments figurants sur les dessins ne doivent pas être interprétées de manière limitative. Selon un premier mode de réalisation représenté sur les

figures 1 et 2, le disque mixte tournant 3 de l'invention comporte à la fois un ensemble de polarisation tournant 7 sous la forme de deux anneaux polarisants concentriques 11, 19, 20, et un codeur angulaire optique absolu 8 à trois bits. Les anneaux polarisants concentriques 11, 19, 20 sont préférentiellement situés dans la partie médiane du disque mixte tournant 3 tandis que le marquage binaire 9 du codeur angulaire optique absolu 8 à trois bits est préférentiellement situé à la périphérie du disque 3. Les anneaux polarisants concentriques 11, 19, 20 peuvent être deux anneaux découpés dans une matière polarisante et assemblés sur le disque 3. Il peut également s'agir d'un dépôt de matière polarisante d'un disque en matière transparente. La résolution finale du capteur 1 de l'invention n'est pas liée au diamètre des anneaux 11, 19, 20 mais à la qualité des polariseurs 11, car le phénomène de polarisation est un phénomène global. La largeur minimale des anneaux 11, 19, 20 est essentiellement fonction des dimensions et de la puissance des faisceaux de lumière utilisés, le matériau polarisant ne devant pas souffrir d'une exposition dépassant la puissance maximale qu'il peut admettre par unité de surface dans la gamme de température de fonctionnement envisagée.

Selon ce premier mode de réalisation, la source lumineuse 4 est une diode laser 21 émettant une lumière polarisée linéairement et prévue à distance du disque mixte 3. Cette lumière est étalée au moyen d'un conformateur de faisceaux 5 ou tout autre moyen analogue en sorte d'éclairer simultanément les deux anneaux polarisants 11, 19, 20 du disque mixte 3, chaque anneau polarisant 11, 19, 20 recevant une portion du faisceau de lumière polarisée. À la place de la diode laser 21, on pourrait tout aussi bien utiliser une DEL dont la lumière serait ensuite polarisée avec un polariseur, avant ou après étalement de la lumière émise par la DEL. II est également possible d'utiliser un faisceau non polarisé étalé provenant d'une DEL. Dans ce cas, le polariseur doit être placé entre le disque 3 et les photo-capteurs 10. Selon ce premier mode de réalisation, les deux anneaux polarisants concentriques 11, 19, 20 présentent une polarisation différente. Selon ce mode de réalisation, les deux anneaux polarisants concentriques 11, 19, 20 sont décalés de 0° et +45°ou -45°. De l'autre côté du disque mixte 3, en vis-à-vis des faisceaux

lumineux polarisés 12 émis par la source lumineuse 4, deux photodiodes 13 formant des voies optiques identiques sont prévues à proche distance du disque mixte de manière à recevoir le faisceau étalé de lumière polarisée après qu'il ait traversé les deux anneaux polarisants 11, 19, 20.

Chaque photodiode 13 est associée à un anneau polarisant 11, 19, 20 et recueille le signal lumineux 12 qui l'a franchi. Les deux signaux X, et X3 ou XI et X4 issus des photodiodes 13, fonctions de la position angulaire du disque, se traduisent par deux courbes sinusoïdales qui constituent la caractéristique de transfert du capteur angulaire. Ces courbes sont données sur la figure 3, la première en pointillés, la seconde en trait plein. On notera To et T45 les deux courbes obtenues pour chacun des deux anneaux polarisants 11, 19, 20 . Ces courbes déphasées de 45° sont redondantes, ce qui permet d'éviter les imprécisions dans les portions arrondies de la caractéristique de transfert. Ainsi seules les parties les plus linéaires de la caractéristique de transfert (voir figure 3) sont exploitées, les parties courbes extrémales étant rejetées. La partie linéaire utilisée en représentée en traits épais sur les courbes précédentes. En pratique, les zones linéaires doivent se recouvrir légèrement pour faciliter le passage logiciel d'une zone à l'autre. En effet, comme représenté sur la figure 4, une légère imprécision AT dans la mesure de la transmittance réalisée dans la partie courbe extrémale d'une sinusoïde se traduit par une imprécision AO très importante dans la détermination de la position angulaire correspondante.

Avec les courbes To et T45 déphasées de 45°, on obtient ainsi huit zones linéaires (voir figure 3) par lesquelles, après numérisation a l'aide d'un ou de plusieurs convertisseurs analogiques digitaux 22, un traitement numérique spécifique permet de déterminer la position angulaire du disque en fonction des valeurs mesurées.

Dans le but de simplifier cette détermination par le capteur de l'invention, on peut utiliser un tableau de valeurs angulaires spécifiques en mémoire programmable (lookup table) organisé en huit sous-tableaux contenant les données de chacune des huit zones linéaires. Ce tableau de valeurs permet de prendre en compte les éventuels défauts des polariseurs et les défauts de réalisation du capteur après un « calibrage usine » avec un codeur angulaire étalon. Cependant, comme le système polarimétrique fournit les

mêmes valeurs à chaque huitième de tour, il est impossible de connaître la zone linéaire en cours d'utilisation. Par conséquent la position angulaire ne peut être donnée avec précision sans levée d'incertitude. C'est pour cette raison que chaque zone linéaire de la caractéristique de transfert est repérée sur le disque mixte, de préférence dans sa partie périphérique, par un codeur angulaire optique absolu 8 de trois bits. Dans ce mode de réalisation, la levée d'incertitude se fait par exemple au moyen du marquage binaire 9 constitué de trois pistes alternativement opaques et transparentes tel que représenté sur la figure 1. Ce marquage binaire 9 définit ici un code de type GRAY. Bien entendu, d'autres codes peuvent être utilisés par l'homme du métier. Les pistes du marquage binaire 9 sont par exemple lues de manière connues par un ensemble de lecture 31 comprenant une barre de diodes électroluminescentes 17 associée à une barre de photodiodes 18. Le décryptage de ce code de type GRAY repère le huitième de tour où la mesure est effectuée. Ainsi, on connaît la zone linéaire en cours d'utilisation et par conséquent le sous-tableau de valeurs à utiliser. La détermination de la zone linéaire de lecture de la transmittance est extrêmement simple et le léger recouvrement des zones linéaires autorise la mise en oeuvre d'un codeur angulaire absolu 8 de trois bits très peu coûteux à implanter sur le disque 3. Des perfectionnements peuvent compléter l'invention selon ce premier mode de réalisation. Par exemple, il est possible de maintenir la précision de la mesure angulaire lors d'une dérive de l'intensité lumineuse de la source de lumière sous l'effet de la température, du vieillissement ou autre. Ceci peut par exemple être effectué en régulant de façon précise l'intensité lumineuse émise par la source à l'aide d'un asservissement utilisant une photodiode d'échantillonnage éventuellement incorporée à la source. On peut également utiliser le signal de photodiode en échantillonnant l'intensité lumineuse émise par la source et en utilisant l'image de ce signal comme tension (ou courant, le cas échéant) de référence du ou des convertisseurs analogiques digitaux 22. Ces deux procédés cités en exemple peuvent être préférentiellement utilisés en conjonction lorsqu'une haute résolution et une haute précision de mesure angulaire sont souhaitées. Bien entendu, les perfectionnements cités en exemple ne sont pas

exhaustifs et peuvent être complétés sans sortir du contexte de l'invention. Selon un second mode de réalisation représenté sur les figures 5 et 6, le disque mixte tournant 3 de l'invention comporte à la fois un ensemble de polarisation tournant 7 sous la forme de quatre anneaux polarisants concentriques 11, 19, 20, 23, 24 et un codeur angulaire optique absolu 8 à un bit, tandis que la lumière polarisée linéairement 12 émise par la source lumineuse 4 est étalée sous la forme d'un segment lumineux permettant d'éclairer les quatre anneaux 11, 19, 20, 23, 24 simultanément. Les anneaux polarisants concentriques 11, 19, 20, 23, 24 sont préférentiellement situés dans la partie médiane du disque 3 tandis que le codeur optique 8 est préférentiellement situé à sa périphérie. Selon ce mode de réalisation, les axes de transmission des quatre anneaux polarisants concentriques 11, 19, 20, 23, 24 sont décalés angulairement respectivement de 0°, 90°,-45°,+45 ° (0, rr/2, -rr/4, rr/4). Un capteur de rotation 1 selon ce mode de réalisation fonctionne de manière sensiblement similaire à celle du capteur selon le premier mode de réalisation précédemment décrit. Par conséquent, de l'autre côté du disque mixte 3, en vis-à- vis du faisceau lumineux étalé et polarisé linéairement 12 émis par la source lumineuse 4, quatre photodiodes 13 à distance proche du disque mixte 3 sont respectivement associées chacune à un anneau polarisant 11, 19, 20, 23, 24. Une photodiode 13 donnée ne reçoit que la portion du faisceau lumineux 12 qui a traversé l'anneau polarisant 11, 19, 20, 23, 24 qui lui est associé. Éventuellement, un cache ayant la géométrie appropriée peut être prévu. Les quatre photodiodes 13 sont regroupées en paires spécifiques, chaque paire constitue préférentiellement deux voies optiques possédant exactement le même offset et le même gain. Ces voies sont câblées préférentiellement en mode différentiel, par exemple selon la figure 9. Les deux signaux électriques délivrés par chaque paire sont proportionnels respectivement à B.lo.cos 28 et à B.lo.sin 28. Ces deux signaux électriques sont préférentiellement numérisés à l'aide d'un ou plusieurs convertisseurs analogique digitaux 22 et transmis à une unité de calcul algorithmique 24 qui détermine 8 avec une incertitude d'un demi-tour. Comme déjà indiqué, l'obtention de la valeur de l'angle 20 en

fonction de la valeur de tan 20 et de cotan 20 se fait algorithmiquement comme déjà indiqué aux pages précédentes. Un tableau de valeurs angulaires spécifiques en mémoire programmable (lookup table) permet de corriger les éventuels défauts des polariseurs et les défauts de réalisation du capteur grâce à un « calibrage usine » avec un codeur angulaire étalon. La procédure précédente fournit les bits de poids faible de la position angulaire. Comme déjà indiqué, l'angle 0 est connu à un demi-tour près. Par conséquent, la position angulaire ne peut être donnée avec précision sans levée d'incertitude. Cette incertitude est levée à l'aide un codeur angulaire optique absolu 8 à un bit utilisant un marquage binaire 9 sous la forme d'une piste en la forme d'un simple demi-cercle (voir figure 5). Le bit lu devient le bit de poids fort de la position angulaire, ainsi il est possible d'exprimer la position angulaire sur un tour complet.

Selon un troisième mode de réalisation représenté sur les figures 7 et 8, le disque mixte tournant 3 de l'invention comporte un seul anneau polarisant 11, le disque pouvant être polarisé dans sa totalité (comme représenté sur la figure 7), et un codeur angulaire optique absolu 8 à un bit , tandis que la lumière émise par la source lumineuse 4 est mise sous la forme de quatre faisceaux 12 chacun avec une direction de polarisation différente. Selon ce mode de réalisation, la source lumineuse 4 est une DEL dont le faisceau de lumière non polarisée est divisé en quatre faisceaux par un conformateur de faisceaux 5. Chacun des quatre faisceaux lumineux non polarisés est alors conduit par une fibre optique 15, chaque fibre optique 15 étant terminée par un polariseur différent 6, 26, 27, 28, 29, de sorte que les quatre faisceaux 12 aient les directions de polarisation suivantes : 0°, 90°, -45°, +45 «0, Tr/2, -Tr/4, Tr/4). Comme précédemment, de l'autre côté du disque mixte 3, en vis-à-vis des quatre faisceaux lumineux polarisés 12, quatre photodiodes 13 sont prévues à distance du disque mixte 3 de manière à recevoir les faisceaux lumineux polarisés 12 après qu'ils aient traversé la partie polarisée 11 du disque mixte 3. Chaque photodiode est respectivement attribuée à un des quatre faisceaux lumineux polarisés 12 et on obtient quatre transmittances au cours du temps qui correspondent chacune à une position angulaire du disque 3. Ces signaux peuvent alors être traités comme

précédemment, de préférence sous forme numérisée, afin d'obtenir la valeur de l'angle 20. La levée d'incertitude se fait alors comme pour les autres exemples, c'est à dire au moyen d'un codeur angulaire optique absolu 8 à un bit, qui est là aussi extrêmement simple. Ce codeur angulaire optique absolu 8 peut comporter un marquage binaire 9 sous la forme d'un simple demi-cercle. On peut alors en déduire la position angulaire du disque avec une très grande précision. De manière générale, quel que soit le mode de réalisation choisi pour l'invention, certains moyens constitutifs du capteur de rotation 1 de l'invention peuvent être intégrés sur un même support, ce qui procure des avantages de coût de fabrication, de miniaturisation et de simplicité de réglage, les moyens optiques étant réglés une fois pour toute en usine lors de la fabrication des éléments intégrés.

Ainsi, dans le cas de l'utilisation d'une source lumineuse non polarisée, les polariseurs 6, 26, 27, 28, 29 pour chaque faisceau lumineux peuvent être intégrés sur un même support. De même, les photo-capteurs 10, les moyens amplificateurs 30 et les moyens numériques qui leur sont associés, peuvent être tous intégrées sur un même support.

En outre, il ne faut pas oublier que selon une variante de l'invention, au lieu que chaque faisceau lumineux provenant d'une source lumineuse non polarisée soit associé à un polariseur qui lui est propre, on peut envisager d'utiliser des faisceaux de lumière non polarisée tandis qu'un polariseur est monté devant chaque photodiode. De même, ces faisceaux de lumière peuvent être transportés par fibre optique ou par tout autre moyen connu. De manière évidente, l'invention ne se limite pas aux modes de réalisation préférentiels décrits précédemment et représentés sur les différentes figures, l'homme du métier pouvant y apporter de nombreuses modifications et imaginer d'autres variantes sans sortir ni de la portée, ni du cadre de l'invention. Ainsi, bien que le marquage optique binaire du disque soit présenté sous deux formes sur les figures, il est possible d'envisager d'autres formes pour celui-ci. De même, bien que le codeur optique représentés sur les figures avec des sources de lumière distinctes sous la forme de DEL, il est possible de dériver un à trois faisceaux lumineux supplémentaires de la source principale, par des fibres optiques par 5 exemple pour remplacer les DEL. II est également possible de réaliser un capteur optique angulaire absolu creux autorisant son montage sur un arbre, par exemple dans le volant d'une voiture dans le cadre de la technologie « x by wire ». D'autre part, en utilisant les principes donnés, il est possible de mettre en oeuvre un capteur de vitesse tout en restant dans le cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS1. Capteur optique de position angulaire (1) permettant de mesurer la position angulaire absolue d'une pièce en rotation (2), ce capteur optique de position angulaire (1) comprenant un disque tournant (3) qui tourne avec la pièce en rotation (2), caractérisé en ce que le capteur optique de position angulaire (1) comprend les moyens suivants : • au moins une source lumineuse (4) émettant une lumière polarisée linéairement ou non polarisée ; • au moins un conformateur de faisceaux (5) qui génère plusieurs faisceaux lumineux à partir de la lumière issue de la source lumineuse (4) • au moins un ensemble de polarisation linéaire tournant (7) situé sur le disque tournant (3) et qui est traversé par les faisceaux lumineux générés par le conformateur de faisceaux (5) ; • au moins un ensemble de polarisation linéaire fixe (6), qui est intégré à la source lumineuse (4) dans le cas d'une source lumineuse (4) émettant une lumière polarisée linéairement, ou qui est indépendant de la source lumineuse (4), et qui est traversé par la lumière issue de cette source lumineuse (4) ou par les faisceaux lumineux générés par le conformateur de faisceaux (5) avant ou après qu'ils aient traversé l'ensemble de polarisation linéaire tournant (7) ; • au moins un codeur angulaire optique absolu (8) comprenant un marquage binaire (9) porté par le disque tournant (3) ; • au moins un ensemble de lecture (31) qui lis le marquage binaire (9) ; • des photo-capteurs (10), placés après le disque tournant (3) de manière à recevoir chacun l'un des faisceaux lumineux ayant traversé l'ensemble de polarisation linéaire tournant (7), ces photo-capteurs (10) permettant de mesurer l'intensité lumineuse de chaque faisceau reçu qui oscille en fonction de la rotation du disque tournant (3) ; en ce que la polarisation induite par le couple formé par l'ensemble de polarisation fixe (6) et l'ensemble de polarisation linéaire tournant (7) est différente pour chaque faisceau lumineux, et en ce que ces moyens permettent de calculer sans ambiguïté une valeur instantanée de la position angulaire absolue de la pièce en rotation (2) à partir des mesures réalisée par les photo-capteurs (10) et par l'ensemble de lecture (31) du codeur angulaire optique absolu (8).
2. Capteur optique de position angulaire (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les photo-capteurs (10) sont des photodiodes (13).
3. Capteur optique de position angulaire (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le marquage binaire (9) est situé à la périphérie du disque (3).
4. Capteur optique de position angulaire (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le marquage binaire (9) se présente sous la forme de pistes alternativement opaques et transparentes.
5. Capteur optique de position angulaire (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le marquage binaire (9) est de type code GRAY.
6. Capteur optique de position angulaire (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conformateur de faisceaux (5) et l'ensemble de polarisation fixe (6) produisent plusieurs faisceaux lumineux polarisés (12) présentant chacun une polarisation différente et en ce que l'ensemble de polarisation tournant (7) du disque tournant (3) comprend un seul polariseur (11).
7. Capteur optique de position angulaire (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conformateur de faisceaux (5) et l'ensemble de polarisation fixe (6) produisent quatre faisceaux lumineux polarisés (12) présentant chacun une polarisation différente, en ce que l'ensemble de polarisation tournant (7) du disque tournant (3) comprend un seul polariseur (11) et en ce que le codeur angulaire optique absolu (8) est un codeur angulaire optique absolu (8) à un bit.
8. Capteur optique de position angulaire (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conformateur de faisceaux (5) produit un unique faisceau polarisé étalé (12) et en ce que l'ensemble de polarisation tournant (7) du disque tournant (3) comprend plusieurs anneaux polarisants (11) présentant chacun une polarisation différente.
9. Capteur optique de position angulaire (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conformateur de faisceaux (5) produit deux faisceaux polarisés (12) de même polarisation, en ce que l'ensemble de polarisation tournant (7) du disque tournant (3) comprend deux anneaux polarisants concentriques (11, 19, 20) présentant chacun une polarisation différente et en ce que le codeur angulaire optique absolu (8) est un codeur angulaire optique absolu (8) à trois bits.
10. Capteur optique de position angulaire (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le codeur angulaire optique absolu (8) à trois bits comprend un marquage binaire (9) constitué de trois pistes alternativement opaques et transparentes situées sur le disque mixte tournant (3).
11. Capteur optique de position angulaire (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conformateur de faisceaux (5) produit quatre faisceaux polarisés (12) de même polarisation, en ce que l'ensemble de polarisation tournant (7) du disque tournant (3) comprend quatre anneaux polarisants concentriques (11, 19, 20, 23, 24) présentant chacun une polarisation différente et en ce que le codeur angulaire optique absolu (8) est un codeur angulaire optique absolu (8) à un bit.
12. Capteur optique de position angulaire (1) selon la revendication 7 ou 11, caractérisé en ce que le codeur angulaire optique absolu (8) à un bit comprend un marquage binaire (9) constitué d'une seule piste sous la forme d'un seul demi anneau (14) opaque situé sur le disque mixte tournant (3).
13. Capteur optique de position angulaire (1) selon la revendication 10 ou 12, caractérisé en ce qu'au lieu d'être opaque(s), la ou les pistes du marquage binaire (9) sont réfléchissantes.
14. Capteur optique de position angulaire (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble de lecture (31) comprend une diode électroluminescente (17) associée à une photodiode (18).
15. Capteur optique de position angulaire (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source lumineuse (4) est une diode électroluminescente produisant une lumière non polarisée.
16. Capteur optique de position angulaire (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source lumineuse (4) est une diode laser (21) produisant une lumière polarisée linéairement.
17. Capteur optique de position angulaire (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conformateur de faisceaux (5) est sous la forme de fibres optiques (15).
18. Capteur optique de position angulaire (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conformateur de faisceaux (5) est un multiplicateur de faisceaux (16) réalisé par la technique de l'optiquediffractive.
19. Capteur optique de position angulaire (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conformateur de faisceaux (5) est une lentille cylindrique.
20. Capteur optique de position angulaire (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble de polarisation linéaire tournant (7) comprend un ou plusieurs anneaux polarisants concentriques (11, 19, 20, 23, 24) présentant chacun une polarisation différente.
21. Capteur optique de position angulaire (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble de polarisation linéaire fixe (6) est constitué de plusieurs lames demi-onde orientées.
22. Capteur optique de position angulaire (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble de polarisation linéaire fixe (6) est constitué de plusieurs polariseurs (26, 27, 28, 29) orientés.
23. Capteur optique de position angulaire (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les photo-capteurs (10) sont des photodiodes (13).20