DE3822167A1 - Lichtschranke - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lichtschranke gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Derartige Lichtschranken weisen einen Lichtsender, z.B. eine lichtemittierende Diode und einen Lichtempfänger, z.B. einen Fototransistor auf, die in einem gemeinsamen Ge­ häuse oder in zwei separaten Gehäusen angeordnet sind. Im ersten Falle basiert die Funktion der Lichtschranke auf einer Reflexionsmessung, im zweiten Falle auf einer Trans­ missionsmessung.

Derartige Lichtschranken werden z.B. als berührungslose Näherungsschalter in der Automatisierungs- und Robotertech­ nik eingesetzt, zum Zählen, Messen, Prüfen, Schalten usw., als Füllstandsmesser oder Blasendetektor in der Medizin­ technik, um nur einige Beispiele zu nennen.

Die Baugröße derartiger Lichtschranken wird zum einen durch die Größe der verwendeten Bauelemente, z.B. der lichtemittierenden Diode und des Fototransistors bestimmt, zum anderen aber auch durch die Führung der Zuleitungsdräh­ te für diese Bauelemente innerhalb des Gehäuses und deren Isolation. Auf vielen Einsatzgebieten besteht die steigende Forderung nach immer kleineren, leistungsfähigen und gleichzeitig robusten Lichtschranken, wobei diese Forderun­ gen durch die auf dem Markt angebotenen Sensoren nicht erfüllt werden. Die Baugröße derartiger Lichtschranken kann zwar durch die Verwendung von Lichtleitern verringert werden, wobei dann der Lichtsender und der Lichtempfänger nicht in dem Gehäuse der Lichtschranke, sondern extern an­ geordnet sind. Der Nachteil derartiger Mikrosensoren liegt jedoch bei den meist großen und schweren Ansteuerungen, den fixen Kabellängen und großen Biegeradien beim Verlegen der Lichtleiterfasern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lichtschran­ ke der in Rede stehenden Art mit sehr geringen Dimensionen, hoher Robustheit und hoher Leistungsfähigkeit anzugeben.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im kenn­ zeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkma­ le gelöst.

Demgemäß besteht der überraschend einfache Erfindungsgedan­ ke darin, die Zuleitungsdrähte für die Bauelemente inner­ halb des Gehäuses in einen Isolatorblock einzulegen, vor­ zugsweise einzugießen und die an der ebenen und polierten Oberfläche des Isolatorblocks austretenden Enden der Zulei­ tungsdrähte direkt als Kontaktstellen für die Bauelemente zu verwenden. Hierdurch erübrigt sich eine zusätzliche Iso­ lation der Isolatordrähte. Die Bauelemente können direkt auf die Oberfläche gebondet werden. Der Durchmesser des Ge­ häuses der Lichtschranke kann bei wesentlicher Vereinfa­ chung des Aufbaus gegenüber herkömmlichen Konstruktion deutlich verkleinert werden, und zwar auch dann, wenn in dem Gehäuse auf der Oberfläche des Isolatorblocks ein Lichtsender und ein Lichtempfänger angeordnet sind, die optisch voneinander z.B. durch einen Steg getrennt sind.

Die auf der Oberfläche des Isolatorblocks auf die Zulei­ tungsdrähte aufgebondeten Bauelemente können noch in eine transparente Kunststoffmasse eingegossen werden, deren Oberfläche zusätzlich noch geformt und/oder geschliffen werden kann, um die Richtcharakteristik der Lichtschranke entsprechend zu beeinflussen. Diese Richtcharakteristik kann zusätzlich noch durch eine äußere Gehäusehülle und/ oder durch Blenden beeinflußt werden.

Eine interessante Anwendungsmöglichkeit ergibt sich dann, wenn die transparente Kunststoffmasse, in die der Lichtsen­ der und der davon optisch getrennte Lichtempfänger einge­ gossen sind, zusätzlich eine gewisse Elastizität aufweist und der zur optischen Trennung verwendete Steg nicht bis zur Oberfläche der elastischen Kunststoffmasse reicht. Solange ein zu überwachender Gegenstand die Oberfläche der transparenten und elastischen Kunststoffmasse nicht kontak­ tiert, arbeitet die Lichtschranke in herkömmlicher Weise mit einer Reflexionsmessung. Kontaktiert jedoch der zu überwachende Gegenstand die Oberfläche der transparenten und elastischen Kunststoffmasse, so wird diese entspre­ chend verformt, so daß der Anteil der Innenreflexion inner­ halb der transparenten Kunststoffmasse verändert wird. Über diese Veränderung der Innenreflexion kann mittelbar der Anlagedruck zwischen dem zu überwachenden Gegenstand und der Lichtschranke bestimmt werden. Eine solche Kontakt­ druckmessung hat viele Vorteile bei der automatischen Her­ stellung von Gegenständen mit Hilfe von Robotern.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unter­ ansprüchen hervor.

Die Erfindung ist in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser stellen dar:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Lichtschranke gemäß der Erfindung, die mit Reflexionsmessung arbeitet;

Fig. 2 eine Aufsicht auf die Lichtschranke gemäß Fig. 1;

Fig. 3 die Kennnlinie der Lichtschranke, aufgetragen als Kollektor-Emitter-Strom in Mikroampere eines in der Lichtschranke verwendeten Lichtempfängers über dem Abstand d in Millimeter zwischen der Oberfläche der Lichtschranke und einem weißen Papier;

Fig. 4 einen Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungs­ beispiel einer Lichtschranke gemäß der Erfindung;

Fig. 5 eine Aufsicht auf die Lichtschranke gemäß Fig. 4;

Fig. 6 einen Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungs­ beispiel einer auch als Drucksensor zu verwendenden Lichtschranke gemäß der Erfindung;

Fig. 7 die Kennlinie der Lichtschranke gemäß Fig. 6, wie­ derum aufgetragen als Kollektor-Emitter-Strom über dem Abstand und

Fig. 8 einen Querschnitt durch eine als Drucksensor einzu­ setzende Lichtschranke.

In den Figuren sind für gleiche Teile jeweils die gleichen Bezugsziffern verwendet.

In Fig. 1 ist eine Lichtschranke 1 mit einem Gehäuse 2 dar­ gestellt, das aus einer äußeren Stahlhülle 3 und einem darin eingegossenen Isolatorblock 4, z.B. aus opak einge­ färbtem Epoxydharz besteht. Die Hülse 3 umgibt den Isolatorblock 4, der seinerseits nicht bis zu der Oberflä­ che der Hülse 3 geführt ist. In den Isolatorblock 4 sind vier Zuleitungen 5, z.B. dünne Kupferdrähte eingelegt, die außerhalb des Gehäuses 2 in herkömmlicher Weise in einem flexiblen Zuleitungskabel 6 geführt sind, das mit der Hülse 3 verbunden ist. Der Isolatorblock 4 weist eine polierte Oberfläche 7 auf, an der die Enden der Zuleitungen 5 aus­ treten, wie dieses auch in Fig. 2 gezeigt ist. Diese Enden der Zuleitungsdrähte dienen als Kontaktflächen für Bauele­ mente und deren Zuleitungen, in diesem Falle eine licht­ emittierende Diode 8 und einen Fototransistor 9, die direkt auf ein Ende der Zuleitungen 5 aufgebondet sind, wo­ hingegen ein weiterer Anschlußdraht 10 bzw. 11 auf die freien Oberflächen der Zuleitungen 5 aufgebondet sind, wie dieses in Fig. 2 gezeigt ist. Diode 8 und Fototransistor 9 sind optisch durch einen in den Isolatorblock 4 einge­ lassenen Steg 12 voneinander getrennt. In den Raum zwischen der freien Oberfläche 7 des Isolatorblocks 4 bis zum oberen Rand der Hülse 3 ist ein transparenter Kunst­ stoff 13 gegossen, der auch zum Schutz der Anschlußdrähte 10 und 11 dient. Die Oberfläche des transparenten Kunst­ stoffes 13 kann, wie in Fig. 1 gestrichelt mit O bezeich­ net, noch entsprechend geformt sein, um die Richtcharakte­ ristik der Lichtschranke zu beeinflussen.

Die Herstellung dieser Lichtschranke ist sehr einfach. Vor­ zugsweise werden die Zuleitungen 5 in der tatsächlich be­ nötigten Anordnung gespannt und anschließend mit dem Epoxydharz 4 umgossen. Dieser Epoxydblock, der bereits rundgeformt ist, wie die umgebende Hülse, wird dann im Bereich der freien Oberfläche 7 durchtrennt und an­ schließend poliert, so daß die Zuleitungen an dieser freien Oberfläche freiliegen. Die Stahlhülse wird an­ schließend aufgebracht. Die Verbindung zwischen dem Zuleitungskabel 6 und der Stahlhülse 3 ist in Fig. 1 beispielhaft. Dieses Zuleitungskabel 6 kann wie in Fig. 1 gezeigt, direkt mit den weitergeführten Zuleitungen mit dem Gehäuse 2 verbunden sein. Es ist jedoch auch möglich, die Zuleitungen 5 mit Zuleitungen eines separaten Zuleitungs­ kabels z.B. zu verlöten. Diese zweite Möglichkeit hat den Vorteil, daß die Länge des Zuleitungskabels an den gewünschten Anwendungsfall angepaßt werden kann.

In Fig. 3 ist eine Kennlinie der beschriebenen Lichtschran­ ke gezeigt. Man sieht, daß bei einer Entfernung zwischen der freien Oberfläche der Lichtschranke und einem weißen Fotopapier der Fotostrom des Fototransistors je nach Ausführungsform zwischen ca. 0,1 und 0,6 Millimeter ansteigt und anschließend abfällt, wobei bei einem Abstand von etwa 10 Millimetern noch ein Fotostrom deutlicher gemessen wird.

In den Fig. 4 und 5 ist eine Lichtschranke 1′ dargestellt, die ebenso aufgebaut ist, wie die Lichtschranke gemäß den Fig. 1 und 2. Zusätzlich ist noch im Bereich des transpa­ renten Kunststoffs 13 eine Blende 14 vorgesehen, durch die die Richtcharakteristik der Lichtschranke beeinflußt wird.

In Fig. 6 ist eine Lichtschranke 1′′ gezeigt, die wiederum im wesentlichen den gleichen Aufbau wie die Lichtschranke gemäß den Fig. 1 und 2 aufweist. Die lichtemittierende Dio­ de 8 und der Fototransistor 9 sind direkt auf die Zuleitun­ gen 9 auf der freien Oberfläche des Isolatorblocks 4 aufge­ bondet und in eine transparente Kunststoffmasse 13 einge­ gossen. Der Steg 12 zwischen Diode 8 und Fototransistor 9 reicht in diesem Falle nicht bis an die Oberfläche der transparenten Kunststoffmasse, sondern ist von dieser durch einen Spalt 15 getrennt. Die transparente Kunststoff­ masse ist zumindest in dem Bereich oberhalb der Stegober­ fläche, der hier mit 13′ bezeichnet ist, elastisch. Der Sinn dieser Maßnahme ist folgender: Durch den Spalt 15 zwi­ schen Steg 12 und der Oberfläche der transparenten Kunst­ stoffmasse 13 bzw. 13′ sind Diode 8 und Fototransistor 9 nicht vollständig optisch voneinander getrennt, so daß ein gewisser Anteil des von der Diode 8 ausgesendeten Lichts durch Reflexion an der Oberfläche der Kunststoffmasse auf den Fototransistor 9 fällt, wie dieses durch den Pfeil P angedeutet ist. Der Fototransistor 9 zeigt somit im Gegen­ satz zu den vorher beschriebenen Lichtschranken auch dann noch einen Fotostrom I ₀, wenn ein zu detektierendes Objekt direkt an der Oberfläche der transparenten Kunststoffmasse 13′ anliegt, d.h. dann, wenn der Abstand d zwischen Licht­ schranke und dem zu detektierenden Gegenstand Null ist; vgl. Fig. 7. Wird die Anlagekraft, die in Fig. 6 durch den Pfeil F angedeutet ist, verstärkt, so wird die transparente Kunststoffmasse im Bereich 13′ verformt, so daß der Spalt 15 zwischen der Oberkante des Steges 12 und der Oberfläche der Kunststoffmasse 13′ verringert wird. Hierdurch wird jedoch auch die Innenreflexion kleiner, so daß der Fototransistor 9 einen entsprechend geringeren Fotostrom empfängt. Dieser Fotostrom kann, wie aus Fig. 7 ersicht­ lich, unmittelbar in Werte für die Größe des Spaltes 15 um­ gesetzt werden, was sozusagen einem "negativen Abstand d" entspricht. Aus diesen Werten kann anhand der bekannten Materialeigenschaften der transparenten Kunststoffmasse 13′ auch auf den Wert der Anlagekraft F geschlossen werden.

Diese Lichtschranke, die sowohl als Annäherungs- als auch als Tastsensor verwendet werden kann, könnte z.B. Einsatz in Schweißrobotern finden.

Des weiteren ist es nicht notwendig, den Bereich 13′ bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 aus elastischem transparenten Material herzustellen, wenn kein Kontaktie­ rungssensor gewünscht wird. Der Spalt zwischen der Oberkan­ te des Steges und der Oberfläche des transparenten Materials kann auch dazu benutzt werden, die Kennlinie der Lichtschranke durch die zugelassene Innenreflexion gezielt zu beeinflussen.

Wird die Austrittsfläche von 13′ nicht transparent gestal­ tet, so ist die Anordnung als reiner Drucksensor verwend­ bar.

In Fig. 8 ist ein Querschnitt einer als Drucksensor 1′′′ ausgebildeten Lichtschranke dargestellt, bei der die Fotodiode 8 als Sender und der Fototransistor 9 als Empfänger in zwei separaten Gehäusen 3 a bzw. 3 b angeordnet sind. Die Zuleitungsdrähte 5 für die Diode 8 und den Fototransistor 9 sind wie oben beschrieben jeweils in einen Isolatorblock 4 eingelegt, wobei die Enden der Zuleitungs­ drähte an der Oberfläche dieses Isolatorblockes wieder direkt als Kontaktstellen für die Diode 8 bzw. den Fototransistor 9 dienen. Sowohl die Diode 8 als auch der Fototransistor 9 sind in eine transparente Kunststoffmasse 13 eingelegt. Im Lichtweg zwischen der Fotodiode 8 und dem Fototransistor 9 ist eine transparente elastische Kunst­ stoffmasse 13′′ gelegen, die in diesem Falle direkt mit den beiden Gehäusen 3 a und 3 b Kontakt hat, was jedoch nicht notwendig ist. Die elastische transparente Kunststoffmasse 13′ kann noch auf einem Träger 21 abgestützt sein.

Wirkt eine Kraft F auf die elastische transparente Kunststoffmasse 13′, so wird deren Dichte und infolgedessen auch deren Transmissionseigenschaft verändert. Die Trans­ missionseigenschaft ist unmittelbar eine Funktion der Kraft F, so daß aus dem Empfangssignal des Fototransistors 9 auf die Größe der Kraft geschlossen werden kann.

Aus dieser Fig. 8 ist auch ersichtlich, daß eine Licht­ schranke gemäß der Erfindung auch als Transmissionslicht­ schranke benutzt werden kann, wobei der Sender und der Empfänger in separaten Gehäusen angeordnet sind und zwischen diesen ein freier Lichtweg vorhanden ist.

Zur Beeinflussung der Richtcharakteristik der beschriebenen Lichtschranken ist es neben dem Vorsehen einer Blende wie beim Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 4 und 5 auch möglich, diese Charakteristik durch die Länge der über die freie Oberfläche des Isolatorblocks hinausragenden Hülse zu beeinflussen.

Claims (8)

1. Lichtschranke mit einem Lichtsender und einem Licht­ empfänger als Bauelemente, die in einem gemeinsamen Ge­ häuse oder in zwei getrennten Gehäusen angeordnet sind, wobei in dem jeweiligen Gehäuse Zuleitungsdrähte für die Bauelemente vorgesehen sind, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zuleitungsdrähte (5) in einem Block (4) aus Isolationsmaterial (4) eingelegt sind, und daß die dem jeweiligen Bauelement (8, 9) zugewandten Enden der Zuleitungsdrähte (5) bündig mit der Oberfläche (7) des Isolatorblockes (4) abschließen und dort direkt als Kon­ taktstellen für die auf der Oberfläche (7) des Isolator­ blocks (4) angeordneten Bauelemente (8, 9) dienen.

2. Lichtschranke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungsdrähte (5) in den Isolatorblock (4) eingegossen sind.

3. Lichtschranke nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Isolatorblock aus opakem Kunststoffma­ terial, vorzugsweise eingefärbtem Epoxydharz ist.

4. Lichtschranke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolatorblock (4) von einer Hülse (3) umgeben ist, die über die Oberfläche (7) des Isolatorblockes (4) hinausragt, und daß die Bau­ elemente (8, 9) oberhalb der Oberfläche (7) des Isola­ torblockes (4) in eine transparente Kunststoffmasse (13) eingegossen sind.

5. Lichtschranke nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (O) der transparenten Masse (13) vor­ zugsweise nach Art einer Linse geformt ist.

6. Lichtschranke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse (2) eine Blende (14) zur Beeinflussung der Richtcharakteristik der Lichtschranke (1′) vorgesehen ist.

7. Lichtschranke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anordnung des Lichtsen­ ders (8) und des Lichtempfängers (9) in einem gemeinsa­ men Gehäuse (2) die beiden Bauelemente durch einen zwi­ schen ihnen liegenden Steg (12) optisch voneinander ge­ trennt sind.

8. Lichtschranke nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsender (8) und der Lichtempfänger (9) so­ wie der Steg (12) in einer transparenten Masse (13) ein­ gebettet sind.