DE4113720A1 - Gabellichtschranke - Google Patents
GabellichtschrankeInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Gabellichtschranke, bei der eine
lichtaussendende Fläche in einem ersten Teil auf eine im Abstand
angeordnete lichtempfangende Fläche in einem zweiten Teil gerichtet
ist.
Bei Gabellichtschranken bildet die Strecke zwischen der lichtsenden
den und lichtempfangenden Fläche einen optischen Kanal, der von
lichtundurchlässigen oder weitgehend lichtundurchlässigen Gegenstän
den unterbrochen wird. Eine Unterbrechung wird in einer Empfangs
schaltung, die einen lichtelektrischen Empfänger und eine Signalaus
wertschaltung enthält, erkannt und zur Steuerung von Vorgängen
ausgenutzt.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Gabellichtschranke zu
entwickeln, die konstruktiv sehr einfach ausgebildet ist und keine
Justage des optischen Strahlenganges benötigt.
Das Problem wird bei einer Gabellichtschranke der eingangs be
schriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das erste und
das zweite Teil längliche, parallele Längsachsen aufweisende massive
Lichtleiter sind, die jeweils an einem Ende über mindestens ein Zwi
schenstück starr miteinander verbunden und am anderen Ende durch
plane, gegen die Längsachsen unter einem Winkel von fünfundvierzig
Grad geneigte Flächen abgeschlossen sind, die sich auf den einander
abgewandten Seiten der Lichtleiter befinden und bezüglich der
Längsachsen auf gleichem Niveau angeordnet sind, daß an einem der
schrägen Fläche abgewandten Ende des einen Lichtleiters ein Sender
angeordnet ist, der überwiegend Licht in Richtung der Längsachse
einspeist, und daß an dem der schrägen Fläche abgewandten Ende des
anderen Lichtleiters ein Empfänger für von den schrägen Flächen
reflektiertes Licht vorgesehen ist. Bei dieser Gabellichtschranke
wird der optische Weg durch die beiden Lichtleiter und die Strecke
zwischen den Lichtleitern gebildet. Das vom Sender ausgehende Licht
wird an der geneigten Fläche reflektiert und tritt an einer Längs
seite des Lichtleiters aus. Wenn sich in der Strecke zwischen den
beiden Lichtleitern kein Gegenstand befindet, dann tritt das Licht in
eine Längsseite des anderen Lichtleiters ein und gelangt zur
geneigten Fläche, an der es zum Empfänger reflektiert wird. Durch
die starre Verbindung der Lichtleiter ist eine feste Ausrichtung der
geneigten Flächen aufeinander vorhanden, so daß keine Justage am
Aufstellungsort notwendig ist. Die Gabellichtschranke hat eine hohe
mechanische Stabilität. Außerdem ist die Lichtschranke auch
unempfindlich gegen gewisse Abweichungen der länglichen Lichtleiter
in bezug auf die Parallelität der Längsachsen. Dies bedeutet, daß
stoßartige mechanische Beanspruchungen, die Schwingungen der
Lichtleiter verursachen können, keinen Einfluß auf die einwandfreie
Funktion haben.
Vorzugsweise sind die Lichtleiter ein tückig jeweils an einem Ende
über ein Joch miteinander verbunden. Bei dieser Ausführungsform ist
keinerlei Justage mehr erforderlich. Außerdem kann die Einheit in
einem Arbeitsgang, insbesondere durch Spritzgießen, d. h. besonders
wirtschaftlich, hergestellt werden.
Die Lichtleiter haben vorzugsweise in etwa parallele, in Längsrich
tung rechteckige, ebene Seitenwände. Eine Einheit mit einer so
einfachen geometrischen Gestalt läßt sich kostengünstig herstellen.
Insbesondere können die Lichtleiter in Richtung der geneigten Flächen
konisch sich verjüngen. Eine solche Form eignet sich besonders gut
für das Spritzgußverfahren.
Bei einer anderen zweckmäßigen Ausführungsform sind die Lichtleiter
in Längsrichtung zylindrisch ausgebildet. Mit einer derartigen
Gabellichtschranke lassen sich auch Gegenstände mit kleinen Abmessun
gen erkennen. Diese Eigenschaft ist auf eine gewisse Fokussierung des
Lichtbündels zwischen den Lichtleitern durch die zylindrische Wand
zurückzuführen.
Es ist günstig, wenn in den Lichtleitern an ihren den schrägen
Flächen abgewandten Enden jeweils Bohrungen vorgesehen sind, in die
jeweils ein Lichtsender oder Lichtempfänger eingesetzt ist. Die
Lichtleiter bilden hierbei zugleich Halter für die Sende- bzw.
Empfangselemente. Die Böden der Bohrungen sind zweckmäßigerweise
plan ausgebildet. Dies ist günstig für die Ausbeute, d. h. den Anteil
des Lichts der zum Empfänger gelangt. Der Lichtempfänger weist
insbesondere eine Linse auf, die das einfallende Licht zu einer
lichtempfindlichen Schicht leitet. Mit dieser Maßnahme wird die
Ansprechempfindlichkeit erhöht.
Die oben beschriebene Gabellichtschranke kann auch als Drehzahlsensor
oder Drehwinkelgeber verwendet werden. Während bei der Verwendung als
Drehzahlsensor der Strahlengang durch ein drehzahlabhängiges Element
periodisch unterbrochen und freigegeben wird, ist für einen Dreh
winkelgeber eine gewisse Anpassung notwendig. Ein Drehwinkelgeber ist
vorzugsweise so aufgebaut, daß ein länglich an einem Ende den
Lichtsender enthaltender Lichtleiter am andren Ende mit mindestens
einer schrägen Fläche abgeschlossen und in der Mitte eines topfförmi
gen Lichtleiters drehbar angeordnet ist, der an seinem oberen Rand in
gleichmäßigen Abständen plane nach außen gerichtete Flächen
aufweist, denen am Boden des topfförmigen Lichtleiters jeweils
Lichtempfänger zugewandt sind. Diesen Lichtempfängern ist eine
Winkelskala zugeordnet.
Anstelle der Lichtempfänger können Lichtleitfaserbündel vorgesehen
sein, deren andere Enden an eine Skala die Winkelmasse beleuchten.
Durch einen den mittleren Lichtleiter umgebenden einstellbaren Schirm
mit Aussparungen ist es möglich, zusätzlich auch die Drehrichtung zu
bestimmen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in einer Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich
weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Gabellichtschranke in Seitenansicht, teilweise im
Schnitt.
Fig. 2 die in Fig. 1 dargestellte Gabellichtschranke von einer
Frontseite aus
Fig. 3 eine Gabellichtschranke mit zylindrischen Lichtleitern von
der Frontseite aus
Fig. 4 eine Gabellichtschranke mit einem Anzeigeelement in
Seitenansicht, teilweise im Schnitt
Fig. 5 einen Drehwinkelgeber im Längsschnitt
Eine Gabellichtschranke 1 enthält als lichtaussendendes Teil 2 einen
länglichen, massiven Lichtleiter 3, der nicht näher bezeichnete
parallele Seitenwände hat. Der Lichtleiter 3 hat rechteckige
Querschnitte. Als lichtempfangendes Teil 4 ist ein länglicher,
massiver Lichtleiter 5 mit nicht näher bezeichneten, parallelen
Seitenwänden vorgesehen. Ein Joch 6 verbindet die Lichtleiter 3, 5 an
jeweils einem Ende. Das Joch 6 ist vorzugsweise aus dem gleichen
Material wie die Lichtleiter 3, 5 und einstückig mit diesen ausgebil
det. Die Wände der Lichtleiter 3, 5 verlaufen im wesentlichen
parallel zueinander. Die durch die Mitte der Lichtleiter 3, 5
verlaufenden Längsachsen 7, 8, die in Fig. 1 strichpunktiert
dargestellt sind, verlaufen ebenfalls parallel zueinander.
An den, dem Joch 6 abgewandten Enden weisen die Lichtleiter 3, 5 je
eine plane Fläche 9, 10 auf. Die Flächen 9, 10 sind gegen die
Längsachen 7, 8 jeweils unter 45° geneigt. Die Abschrägung der Enden
durch die Flächen 9, 10 betrifft nicht die einander zugewandten
Flächen der Lichtleiter 3, 5. Die Flächen 9, 10 sind daher nach
außen gerichtet. Die Längen der beiden Lichtleiter 3, 5 sind gleich.
In bezug auf die Längsachen 7, 8 haben die Flächen 9, 10 das gleiche
Niveau, d. h. die Abstände von den Enden sind gleich groß. Die auf
die Ebenen durch die Längsachen 7, 8 projizierten Flächen der beiden
Flächen 9, 10 sind demnach deckungsgleich.
An den jochseitigen Enden der Lichtleiter 3, 4 sind jeweils Bohrungen
11, 12 angeordnet, deren Mittelachsen deckungsgleich mit den
Längsachsen 7, 8 sind. Die Bohrungen 11, 12 haben plane Stirnflächen
13, 14. In die eine Bohrung 17 ist ein Lichtsender 15 in Form einer
Sendediode für infrarote Strahlung eingesetzt. Die Sendediode kann
eine Linse aufweisen. Dies ist jedoch nicht unbedingt notwendig. Eine
geeignete Sendediode ist z. B. die unter der Type TSHA 5203 von der
Firma Telefunken Electronic GmbH in Heilbronn hergestellte und
vertriebene Sendediode.
In die andere Bohrung 12 ist als Lichtempfänger 16 ist eine fotoelek
trische Empfängerdiode eingesetzt. Der Lichtempfänger hat vor
zugsweise eine Linse 17. Bei der Empfängerdiode kann es sich um eine
unter der Type BPW 77A von der Firma Telefunken Electronic GmbH in
Heilbronn hergestellt und vertriebene Empfängerdiode handeln. Wie
sich aus der Fig. 1 ersehen läßt, ist die Gabellichtschranke
symmetrisch in bezug auf die Lichtleiter 3, 5, das Joch 6 und die
Bohrungen 11, 12 aufgebaut. Daher können der Lichtsender 15 und der
Lichtempfänger 16 auch umgekehrt in den Bohren 12 bzw. 11 angeordnet
sein. Die Lichtleiter 3, 5 und das Joch 6 sind insbesondere aus
Acryl oder Polycarbonat hergestellt. Sie können aber auch aus
anorganischem Glas bestehen. Es eignet sich jedes transpartente
Material mit einem Brechungsindex größer ν2.
Acrylglas, z. B. Plexiglas oder Makrolon, hat eine gute Durchlässig
keit für infrarote Strahlung.
In Fig. 1 ein Teil des Strahlengangs des Lichts zwischen Lichtsender
15 und Lichtempfänger 16 dargestellt. Vom Lichtsender 15 ausgehende
Strahlen 18 breiten sich in Längsrichtung des Lichtleiters 3 aus und
treffen auf die Fläche 9 auf, von der sie unter dem Auftreffwinkel zu
der Normalen auf die Fläche 9 reflektiert werden. Es findet dabei
eine Totalreflexion statt. Die Wellenlänge des Lichts und die
optischen Eigenschaften des Lichtleitermaterials sind so aufeinander
abgestimmt, daß an den Flächen 9, 10 Totalreflexion stattfinden
kann. Strahlen 19, die von der Fläche 9 reflektiert werden, ändern
ihre Richtung um 90°, treten aus der inneren Längswand des Lichtlei
ters 3 aus und durchlaufen den Raum 20 zwischen den Lichtleitern 3,
5. Wenn sich in diesem Raum kein Gegenstand befindet, dann treffen
die Strahlen 19 auf den Lichtleiter 5 auf und treten in diesen ein.
Die Strahlen 19 gelangen zu der Fläche 10, an der sie in Richtung des
Lichtempfängers 16 reflektiert werden. Es gelangt ein großer Teil
des vom Lichtsender 15 ausgesandten Lichts insbesondere dann zum
Lichtempfänger, wenn dieser mit einer Sammellinse 17 versehen ist.
Beispielsweise gelangt auch Licht, das an den Seitenwänden des
Lichtleiters reflektiert wird und dann erst auf die Fläche 9
auftrifft, ebenfalls zum Lichtempfänger.
Die aus den Lichtleitern 3, 5 und dem Joch 6 bestehende einstückige
Einheit ist bei einer zweckmäßigen Ausführungsform an einem Ende in
einem Gehäuse 21 untergebracht, aus dessen Öffnungen die Lichtleiter
3, 5 herausragen. Längs des Jochs 6 ist auf der den Lichtleitern 3, 5
abgewandten Seite eine Leiterplatte 22 angebracht, auf der der
Lichtsender 11 und der Lichtempfänger 16 sowie weitere elektronische
Bausteine, z. B. ein Schwellwertdiskriminator 23, befestigt sind.
Die aus den Lichtleitern 3, 5 und dem Joch 6 bestehende Einheit wird
vorzugsweise als Spritzgußteil hergestellt. Die Wände der Lichtlei
ter 3, 5 können dabei an die fertigungstechnischen Bedingungen für
Spritzgußteile angepaßt werden und leicht konisch verlaufen. Wegen
der einfachen geometrischen Formen läßt sich bereits ein kosten
günstiges Spritzgußwerkzeug für die vorstehend beschriebenen Teile
herstellen. Die elekttronischen Teile, wie Lichtsender 15, Licht
empfänger 16, Schwellwertdiskriminator 23, Gleichrichter usw., werden
auf der Leiterplatte 22 befestigt. Danach wird die Leiterplatte 22
unter Einfügung des Lichtsenders 15 in die Bohrung 11 und des Licht
empfängers 16 in die Bohrung 12 mit dem Joch 6 verbunden. Einstell-
und Justierarbeiten für die optischen Elemente sind nicht erforder
lich.
Es ist nicht notwendig, daß die Lichtleiter 3, 5 rechteckige
Querschnitte haben. Die Querschnittsform bestimmt die Form der
Flächen 9, 10 und damit die Form des Lichtbündels in der Luftstrecke.
Vorteilhaft ist ein kreisförmiger Querschnitt, wenn kleine Gegen
stände erfaßt werden sollen. Die Fig. 3 zeigt zylindrische Lichtlei
ter 24, 25, deren schräge Flächen elliptisch ausgebildet sind.
Für Anwendungsfälle, bei denen am Einsatzort eine Anzeige über den
Zustand der Gabellichtschranke erwünscht ist, eignet sich die in Fig.
4 gezeigte Lichtschranke 26. Bei dieser Gabellichtschranke 26 sind
neben den Lichtleitern 27, 28 für die Führung der Strahlen zwischen
Lichtsender 30 und Lichtempfänger 31 und dem Joch 29 ein Vorsprung 32
des Jochs 29 vorhanden, dessen Ende einen abgewinkelten Abschnitt 33
aufweist. In das eine Ende 34 ist in einer nicht näher bezeichneten
Bohrung eine Lumineszenzdiode 35 eingesetzt, die gemeinsam mit
Lichtsender 30 und Lichtempfänger 31 und weiteren elektronischen
Teilen auf einer Leiterplatte 36 befestigt ist. Die Lumineszenzdiode
35 zeigt z. B. an, ob die Gabellichtschranke 26 auf einen Gegenstand
angesprochen hat.
Anstelle von Lichtempfängern 16, 31 in zylindrischen Gehäusen können
auch anders ausgebildete Lichtempfänger - z. B. flächige - verwendet
werden. Eine Bohrung im Joch 6 oder 29 ist für derartige Licht
empfänger nicht notwendig.
Die Fig. 5 zeigt eine weiterentwickelte Gabellichtschranke, die als
Drehstellungsgeber 37 ausgebildet ist. Ein Lichtleiter 38 ist über
Befestigungsmittel 39 mit einem drehbaren Körper verbunden, der nicht
dargestellt ist. Der Lichtleiter 38 ist in nicht dargestellter Weise
drehbar gelagert. Ein stationärer Lichtsender speist in eine
Stirnseite des Lichtleiters 38 Licht ein. Das andere Ende des
Lichtleiters weist zwei unter 45° gegen die Längsachse geneigte
Flächen 42, 41 auf. Der Lichtleiter 38 ist zentrisch in einem
stationären topfförmigen Körper 43 aus lichtleitendem Material
angeordnet. An dem oberen Rand des Körpers 43 ist ein Kranz von
gleich großen schrägen Flächen 44 angeordnet. Unterhalb der Flächen
44 sind am Boden des Körpers 43 Fotoelemente 45 vorgesehen. Jedem
Fotoelement 45 ist eine bestimmte Winkelstellung des Lichtleiters 38
zugeordnet. Wenn sich der Lichtleiter 38 in der entsprechenden
Stellung befindet, gelangt Licht vom Lichtsender 40 über den
Lichtleiter 38, den Abstand zwischen Lichtleiter 38 und dem Körper 43
und den Seitenwänden des Körpers 43 zum jeweiligen Lichtempfänger 45.
Die Drehstellung kann auf einer Skala angezeigt werden, die An
zeigelemente aufweist, die von den Fotoelementen 45 gespeist werden.
Der Lichtleiter 38 ist zumindest teilweise von einem Zylinder 46
konzentrisch umgeben, der Wanddurchlässe 47 aufweist. Der Zylinder 46
ist stationär und kann durch ungleiche Abstände zwischen den
Wanddurchlässen dann verwendet werden, um neben der Drehzahl auch die
Drehrichtung anzugeben.
Claims (8)
1. Gabellichtschranke bei der eine lichtaussendende Fläche in
einem ersten Teil auf eine im Abstand angeordnete, lichtempfan
gende Fläche in einem zweiten Teil gerichtet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß das erste und zweite Teil (2, 3) jeweils längliche,
parallele Längsachsen (7, 8) aufweisende massive Lichtleiter (3,
5) sind, die jeweils an einem Ende mindestens über ein Zwi
schenstück starr miteinander verbunden und am anderen Ende durch
plane, gegen die Längsachsen (7, 8) unter einem Winkel von
fünfundvierzig Grad geneigte Flächen (9, 10) abgeschlossen sind,
die sich auf den einander abgewandten Seiten der Lichtleiter (3,
5) befinden und bezüglich der Längsachsen (7, 8) auf gleichem
Niveau angeordnet sind, daß an einem der schrägen Fläche (9)
abgewandten Ende des einen Lichtleiters (3) ein Sender an
geordnet ist, der Licht überwiegend in Richtung der Längsachse
(7) einspeist, und daß an dem der schrägen Fläche (10)
abgewandten Ende des anderen Lichtleiters (5) ein Empfänger für
von den schrägen Flächen (9, 10) reflektiertes Licht vorgesehen
ist.
2. Gabellichtschranke nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Lichtleiter (3, 5) einstückig jeweils an einem Ende
über ein Joch (6) miteinander verbunden sind.
3. Gabellichtschranke nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Lichtwellenleiter (3, 5) in etwa parallele, in
Längsrichtung rechteckige, ebene Seitenwände haben.
4. Gabellichtschranke nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Lichtleiter (24, 25) in Längsrichtung zylindrisch
ausgebildet sind.
5. Gabellichtschranke nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß in den Lichtleitern (3, 5) an ihren den schrägen Flächen
(9, 10) abgewandten Enden jeweils Bohrungen (11, 12) vorgesehen
sind, in die jeweils ein Lichtsender (15) oder Lichtempfänger
(16) eingesetzt ist.
6. Gabellichtschranke nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Stirnflächen (13, 14) der Bohrungen (11, 12) plan
ausgebildet sind.
7. Gabellichtschranke nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Lichtempfänger (16) eine Linse (17) aufweist.
8. Gabellichtschranke nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein drehbar gelagerter, massiver, länglicher Lichtleiter
(38) Befestigungsmittel für die Verbindung mit einem drehbaren
Gegenstand aufweist und von einem topfförmigen Lichtleiter (43)
konzentrisch umgeben ist, daß am Rand des topfförmigen
Lichtleiters (43) ein Kranz von abgeschrägten Flächen (44)
vorgesehen ist, denen am Boden des Lichtleiters (43) Fotoele
mente (45) gegenüberstehen, und daß der drehbare Lichtleiter
(38) in Höhe des Rands des topfförmigen Lichtleiters (43)
mindestens eine abgeschrägte Fläche (41) aufweist und an einem
Ende einem stationären Lichtsender (40) gegenübersteht.
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