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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur optischen Datenübertragung
zwischen einem feststehenden und einem beweglichen Bauteil mit mindestens
einem optischen Sender auf einem der Bauteile zum Aussenden und
mindestens einem optischen Empfänger
auf dem anderen Bauteil zum Empfang von modulierter optischer Strahlung.
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Die
Erfindung ist sowohl für
lineare als auch rotatorische Relativbewegungen zwischen den Bauteilen
und insbesondere bei Fördersystemen,
in der Robotertechnik, bei Windkraftgeneratoren, Computertomographen
und in der Encodertechnik anwendbar.
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Zur
Datenübertragung
zwischen einem feststehenden und einem beweglichen Bauteil ist es
bekannt, elektrische Schleifkontakte, kapazitive oder induktive
Verfahren sowie optische Verfahren, die Signale zwischen einem optischen
Sender und einem optischen Empfänger übertragen,
zu benutzen.
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Die
Datenübertragung über Schleifringe
hat den Nachteil, dass elektromagnetische Störquellen, besonders bei der
gleichzeitigen Übertragung
von hohen Strömen,
Störsignale
senden und somit die zu übertragenden
Daten verfälschen
können.
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Eine
optische Signalübertragung
zwischen dem feststehenden und dem beweglichen Bauteil ist zwar
störungsfrei
und erlaubt eine höhere
Datenrate (Bandbreite), erfordert jedoch zur kontinuierlichen Datenübertragung,
dass sich Sender und Empfänger ständig direkt
gegenüberstehen.
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Für eine derartige
optische Signalübertragung
wird in der
DE 199
04 461 A1 ein ringförmiger, in
der Fertigung komplizierter, Lichtleitkörper aus einem durchsichtigen
Material mit integrierten segmentierten Reflexionsprismen zur längsseitigen
Einkopplung des Lichtes und einer mattierten Lichtaustrittsfläche verwendet.
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Ein
universeller Einsatz des Lichtleitkörpers ist nicht möglich, da
für jeden
Schleifring mit unterschiedlichem Durchmesser und auch für lineare
Anordnungen neue Herstellungsformen gefertigt werden müssen. Außerdem ist
die Einkopplung des Lichtes über
die Prismenanordnung nicht effektiv und kann während der Drehung den Wirkungsgrad
verändern.
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In
der
DE 196 39 210
A1 erfolgt eine optische Datenübertragung durch Lichtführung in
einem Hohlleiter, dessen Innenseite verspiegelt ist und der in ein Drehlager
integriert wird.
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In
der
DE 33 46 342 C2 ist
eine optische Kopplungsvorrichtung offenbart, die zwei Endstücke enthält, die
gegeneinander um eine gemeinsame Achse drehbeweglich sind, wobei
ein Endstück
einen Sender und das andere Endstück einen Empfänger umfasst.
Um ein von dem Sender ausgehendes Strahlenbündel auf den Empfänger zu
leiten (ein Übertragungsweg),
unabhängig
von der Winkelstellung der beiden Endstücke zueinander, sind im Strahlengang
zwei Ringstrahlbildner angeordnet, die das Strahlenbündel zu
einem Ringstrahlenbündel
mit parallelem Strahlengang umformen bzw. das so umgeformte Strahlenbündel auf
den Empfänger
fokussieren.
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Für die Strahlumlenkung
ist in den Endstücken
jeweils ein Spiegel angeordnet.
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Die
Kopplungsvorrichtung ist in ihrer Anwendung beschränkt auf
die optische Kopplung zweier zueinander um eine gemeinsame Achse
drehbare Bauteile. Mit zwei Spiegeln und den zwei Ringstrahlbildnern
ist das optische System für
einen Übertragungsweg
aufwendig und wirkt sich als kosten-, raum- und gewichtserhöhend aus.
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Aus
der
DE 37 81 791 T2 ist
eine Vorrichtung zur optischen Datenübertragung zwischen einem feststehenden
Bauteil und einem koaxial angeordneten, beweglichen Bauteil mit
mindestens einem optischen Sender auf einem der Bauteile zum Aussenden
und mindestens einem optischen Empfänger auf dem anderen Bauteil
zum Empfang modulierter optischer Strahlung bekannt.
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Die
Bauteile weisen jeweils einander zugewandte Stirnflächen auf,
auf denen jeweils auf einer kreisförmigen Umfangslinie gleichen
Durchmessers die Sender bzw. Empfänger angeordnet sind. Um die Datenübertragung
während
der gesamten Drehung sicherzustellen, sind die Sender und Empfänger in
ihrer Anzahl und deren Abstand zueinander so abgestimmt, dass in
jeder relativen Drehstellung der Bauteile zueinander wenigstens
ein Empfänger
innerhalb eines Strahlfleckes liegt und damit Strahlung von einem
Sender empfängt.
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In
der
DE 37 81 791 T2 stellen
die Strahlflecken, jeweils erzeugt durch einen Sender, Ellipsen dar,
deren Hauptachsen Tangenten an der Umfangslinie, gleich der Bewegungsbahn,
darstellen. In Abhängigkeit
von der Länge
der Ellipsen, deren Anzahl und dem Radius der Umfangslinie müssen die
Ellipsen eine Mindestausdehnung in der Breite aufweisen, damit ein
durch die Strahlflecken gedrehter, auf der Umfangslinie angeordneter
Empfänger
immer mit Strahlung beaufschlagt wird.
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Je
größer die
Breite der Stahlflecken dimensioniert werden muss, um die Anzahl
der Sender gering zu halten, desto geringer ist der Anteil der über die
Fläche
des Strahlflecks verteilten Strahlungsenergie, der auf einen Empfänger auftrifft.
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Folglich
muss die Sendeleistung des Senders entsprechend erhöht werden,
damit der Empfänger
ein messbares Lichtsignal erhält,
mit dem eine zuverlässige
Datenübertragung
gewährleistet
ist. Eine höhere
Sendeleistung bedingt größere Baumaße, größeres Gewicht,
höhere
Kosten und einen größeren Energiebedarf,
der in batteriebetriebenen Vorrichtungen besonders nachteilig ist.
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Darüber hinaus
ist auch diese Vorrichtung in ihrer Anwendung beschränkt auf
die optische Kopplung zweier zueinander um eine gemeinsame Achse drehbare
Bauteile.
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Grundsätzlich können bei
technischen Lösungen,
die Übertragungssysteme
auf der Basis von Lichtleitern nutzen, Zeitverschiebungen beim Datenempfang
aufgrund von Laufzeiteffekten resultieren, wodurch die Übertragungsfrequenz
und damit die Datenrate bei der Übertragung,
begrenzt wird.
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Aufgabe
der Erfindung ist es deshalb, den störenden Einfluss von Laufzeiteffekten
mit technisch einfachen Mitteln und bei geringen Dämpfungsverlusten
zu verringern, um höhere Übertragungsfrequenzen
zu ermöglichen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Sendeleistung
des optischen Senders zu verringern.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe bei der Vorrichtung zur optischen Datenübertragung zwischen einem feststehenden
und einem beweglichen Bauteil, der eingangs genannten Art, dadurch
erreicht, dass die von jeweils einem optischen Sender ausgesendete
modulierte optische Strahlung als Linienstrahl mit einer an die
Bewegungsbahn des beweglichen Bauteils angepassten Linienform ausgebildet
ist, sodass der Linienstrahl entlang der Bewegungsbahn gelegt ist
und auf dem zum Empfang vorgesehenen Bauteil einen linienförmigen beleuchteten Bereich
erzeugt, auf dem mindestens ein optischer Empfänger angebracht ist, der bei
der Relativbewegung der Bauteile über die gesamte Länge des
Linienstrahls mit optischer Strahlung beaufschlagt wird.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung enthält jeder optische Sender einen
Linienlaser, von dem als Linienstrahl ein linienförmig ausgebildeter
Laserstrahl ausgeht, der auf dem zum Empfang vorgesehenen Bauteil
einen an die Bewegungsbahn des beweglichen Bauteils angepassten
linienförmig
beleuchteten Bereich erzeugt, auf dem mindestens ein optischer Empfänger angeordnet
ist.
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Zur
Gewährleistung
hoher Datenraten, wie etwa bei einer Gbit-Ethernet-Übertragung, lassen sich z.
B. im GHz-Bereich modulierbare VCSELs (Vertical Cavity Surface Emitting
Laser Diodes) verwenden, deren Strahlung mit einer Strahlformungsoptik
dem erforderlichen Linienverlauf angepasst werden kann.
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Außer Zylinderlinsen
können
zur Erzeugung eines an die Bewegungsbahn des beweglichen Bauteils
angepassten linienförmig
ausgebildeten Laserstrahls, besonders vorteilhaft, diffraktive optische Elemente
in den kollimierten Laserstrahl eingeschaltet werden.
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Vorteilhaft
kann der Linienstrahl aus Abschnitten von linienförmig ausgebildeten
Laserstrahlen zusammengesetzt sein, die von mehreren Linienlasern
ausgehen.
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Die
Linienabschnitte können
als gerade oder gekrümmte
Linien ausgebildet sein.
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Eine
weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass von den entlang
des linienförmig
beleuchteten Bereiches angeordneten optischen Empfängern gelieferte
analoge Signale über
eine Summierschaltung zusammengefasst werden.
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Zur
Digitalisierung von Signalen, die von den entlang des linienförmig beleuchteten
Bereiches angeordneten optischen Empfängern geliefert werden, kann
auch ein Analog-Digital-Wandler
vorgesehen werden, wobei eine ODER-Schaltung den jeweils von dem
Linienstrahl beaufschlagten Empfänger auswählt.
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Durch
den Verzicht auf lichtleitende Körper wird
eine hohe Leistungsbilanz erreicht. Ortsabhängige Verzögerungen durch Laufzeitunterschiede
sind im beabsichtigten Frequenzanwendungsbereich vernachlässigbar
bzw. können
durch die Verwendung optischer Mittel korrigiert werden, sodass
hohe Datenraten übertragen
werden können.
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Die
Erfindung soll nachstehend, anhand der schematischen Zeichnung,
näher erläutert werden. Es
zeigen:
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1 ein
mit einem modulierten linienförmigen
Laserstrahl beleuchteter Empfängerbereich
für die
Datenübertragung
zwischen relativ zueinander beweglichen Bauteilen
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2 ein
in Achsnähe
von koaxial ausgerichteten und gegeneinander drehbaren Bauteilen angeordneter
Linienlaser zur Erzeugung eines linienartigen beleuchteten Bereiches
auf dem außen
liegenden Bauteil
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3 eine
Ausführung
der Erfindung mit Empfängern
auf einem innen liegenden Rotor und einem Linienlaser an einem außen liegenden
Stator
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4 eine
Ausführung
der Erfindung für stirnseitig
gegenüberliegende
Bauteile mit rotatorischer Relativbewegung
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5 eine
Ausführung
der Erfindung für
koaxial ausgerichtete und gegeneinander drehbare Bauteile mit zwei
Empfängern
auf einem inneren Bauteil und einem Linienlaser auf dem äußeren Bauteil
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6 eine
Ausführung
der Erfindung für
koaxial ausgerichtete und gegeneinander drehbare Bauteile mit einem
Empfänger
auf einem inneren Bauteil und einem Paar sich gegenüberliegenden
Linienlasern auf dem äußeren Bauteil
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Bei
der in 1 dargestellten Ausführung der Erfindung ist auf
einem von zwei gegeneinander beweglichen Bauteilen 1, 2 ein
optischer Sender 3 zum Aussenden von modulierter optischer
Strahlung vorgesehen, der als strahlungserzeugendes Element einen
Linienlaser 4 zur Bereitstellung eines linienförmig ausgebildeten
Laserstrahls enthält.
Bevorzugt wird als Linienlaser 4 ein Diodenlaser verwendet, dessen
abgegebener Laserstrahlung eine zu übertragende Eingangsinformation
mittels eines Modulators 5 aufgeprägt wird.
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Mit
einer geeignet ausgebildeten Kollimatoroptik 6 und einer
Strahlaufweitungs- und Formungsoptik 7 wird der Laserstrahl
zu einer Linie von beispielsweise 60° × 1° aufgeweitet. Für die Strahlaufweitungs-
und Formungsoptik 7 lassen sich außer einer Zylinderlinsenoptik
auch diffraktive optische Elemente verwenden, mit denen sich die
Strahlform dem Anwendungszweck besonders vorteilhaft anpassen lässt. Anpassung
der Strahlform heißt
auch, dass die Linie des geformten Laserstrahls entlang der Bewegungsbahn
der gegeneinander beweglichen Bauteile 1, 2 gelegt
wird, sodass mindestens ein optischer Empfänger 8, der auf dem
anderen Bauteil 2, auf einem von dem Linienlaser 4 zu
beleuchtenden Bereich 9 (linienartiger Strahlfleck), befestigt
ist, von der modulierten optischen Strahlung bei der Relativbewegung
der Bauteile 1, 2 über die gesamte Länge des
an die Bewegungsbahn angepassten linienförmigen Laserstrahls beaufschlagt
wird.
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Die
von den als Fotoempfänger
ausgebildeten Empfänger 8 gelieferten
analogen Signale bilden durch eine geeignete Signalverknüpfung (UND-Schaltung 10)
das Ausgangssignal.
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Bei
der in 2 dargestellten Anordnung eines Linienlasers 4 im
achsnahen Bereich eines ersten feststehenden Bauteils 1,
das koaxial ausgerichtet von einem zweiten drehbaren Bauteil 2 umschlossen
wird, wird mindestens immer einer der als Fotodetektoren ausgebildeten
Empfänger 8 auf
dem zweiten Bauteil 2 von dem Linienlaser 4 bei
der Relativbewegung der beiden Bauteile 1, 2 bestrahlt.
Dabei ist es für
die Erfindung unerheblich, ob das innere erste Bauteil 1 feststehend
und das äußere zweite Bauteil 2 drehbar
ausgebildet sind oder umgekehrt.
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Die
von den Empfängern 8 gelieferten
Signale werden in einem Analog-Digital-Wandler 11 digitalisiert,
bevor eine ODER-Schaltung 12 den
jeweils aktiven, von dem Linienstrahl beaufschlagten, Empfänger 8 auswählt.
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Bei
einer Ausführung
mit innen liegendem Rotor 13 und koaxial außen liegendem
Stator 14 gemäß 3 sind
die Empfänger 8 entlang
eines ersten Kreisringes 15 um den Umfang des Rotors 13 verteilt.
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Der
von dem, an dem Stator 14 befestigten Linienlaser 4 bereitgestellte
Linienstrahl, wird über
einen Reflektor 16 derart in Richtung der Empfänger 8 gelenkt,
dass entlang des ersten Kreisringes 15 ein beleuchteter
Bereich 9 resultiert, so dass bei der Drehung des Rotors 13 immer
mindestens ein Empfänger 8 mit
der modulierten optischen Strahlung beaufschlagt wird.
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Wird
die Linie des geformten Laserstrahls mit Hilfe der Strahlaufweitungs-
und Formungsoptik 7 zumindest in einem Linienabschnitt
gekrümmt,
lässt sich
die Erfindung auch für
stirnseitig gegenüberliegende
Bauteile 1', 2' verwenden,
die eine rotatorische Relativbewegung ausführen, wobei auch größere Distanzen
zwischen den Bauteilen 1', 2' überbrückt werden
können
(4).
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Der,
auf der Stirnfläche
des einen Bauteils 1 befestigte, Linienlaser 4 beleuchtet
auf dem gegenüberliegenden
Bauteil 2 einen Abschnitt eines zur Drehachse koaxial liegenden
stirnseitigen Kreisringes 17, auf dem die Empfänger 8 angebracht
sind. Bei der rotatorischen Relativbewegung der beiden Stirnseiten
der Bauteile 1', 2' wird mindestens
einer der Empfänger 8 beleuchtet.
Für die
Signalverknüpfung
sind die bereits genannten Varianten zu verwenden.
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Ist
der Linienlaser 4 auf einem äußeren Bauteil 2'' befestigt, das koaxial zu einem
inneren Bauteil 1'' ausgerichtet
ist, reichen zwei auf dem Außenumfang
des inneren Bauteiles 1'' vorgesehene
Empfänger 8 aus,
um der Schattenwirkung des inneren Bauteils 1'' entgegenzuwirken und ständig einen
Signalempfang zu gewährleisten
(5).
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Um
der Schattenwirkung des innen liegenden Bauteils 1'' entgegenzuwirken, können in
einer anderen Ausführung
(6) auch zwei oder mehr Linienlaser 4 jeweils
gegenüberliegend
auf dem äußeren Bauteil 2'' befestigt sein, während auf
dem Umfang des inneren Bauteils 1'' ein
Empfänger 8 angebracht
ist.
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- 1
- feststehendes
Bauteil
- 2
- bewegliches
Bauteil
- 3
- optischer
Sender
- 4
- Linienlaser
- 5
- Modulator
- 6
- Kollimatoroptik
- 7
- Strahlaufweitungs-
und Formungsoptik
- 8
- Empfänger
- 9
- beleuchteter
Bereich
- 10
- UND-Schaltung
- 11
- Analog-Digital-Wandler
- 12
- ODER-Schaltung
- 13
- Rotor
- 14
- Stator
- 15
- erster
Kreisring
- 16
- Reflektor
- 17
- stirnseitiger
Kreisring