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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Übertragung von
optischen Signalen zwischen zwei Baugruppen, die bezüglich
einer Drehachse relativ zueinander drehbar sind, aufweisend mindestens
ein optisches Sendeelement, ein optisches Empfangselement sowie
ein Übertragungsglied für optische Signale, welches
derart mit dem optischen Sendeelement und dem optischen Empfangselement
koppelbar ist, dass eine Signalübertragung unabhängig
von der Winkelstellung zwischen den beiden Baugruppen gewährleistet
ist.
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Eine
Vorrichtung der eingangs genannten Art ist beispielsweise in der
DE 100 50 890 A1 beschrieben.
Danach ist das optische Übertragungsglied als sogenannter
Drehübertrager ausgeführt, wobei eine Einspeisung
von Licht, welches von einer punktförmigen Lichtquelle
ausgeht, in die Stirnseite des ringförmigen Übertragers
möglich ist (das Innere des Übertragers ist funktionsbedingt
anderen Bauteilen vorbehalten). Damit kann unabhängig von
der Winkelstellung des Drehübertragers und damit der mit
diesem Drehübertrager gekoppelten Baugruppen Licht übertragen
werden. Dabei ist die Leistung der punktförmigen Lichtquelle
so zu bemessen, dass eine genügende Signalstärke
nach Verteilung des Lichtsignals in dem ringförmigen Drehübertrager
zur Verfügung steht. Dies wird u. a. auch dadurch beeinflusst,
wie genau die Lichtquelle gegenüber dem Drehübertrager
ausgerichtet werden kann. Hiermit ist ein gewisser Montageaufwand
verbunden, welcher sich in den Herstellungskosten für die
Vorrichtung niederschlägt.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine vergleichsweise kostengünstige
Herstellung dieser Vorrichtung möglich ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass das Übertragungsglied durch einen Wellenleiter gebildet
ist, der folgende Eigenschaften aufweist. Der Wellenleiter weist
als Eingangsschnittstelle für das Sendeelement einen Abschnitt
auf der Längsseite des Wellenleiters mit einer die optische
Faserdämpfung vergrößernden Oberflächenmodifizierung
auf. Außerdem weist der Wellenleiter als Ausgangsschnittstelle
für das Empfangselement eine Stirnseite auf, die in geeigneter
Weise beispielsweise durch Polieren hinsichtlich der optischen Übertragbarkeit
von Signalen optimiert ist. Außerdem verläuft
der Wellenleiter derart mit konstantem Radius zur Drehachse der
Relativdrehung der einen oder beider Baugruppen, dass unabhängig
von der Winkelstellung zwischen den beiden Baugruppen mindestens
ein Sendeelement dem Abschnitt gegenüberliegt.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung
zur Übertragung kann vorteilhaft einerseits die für
hohe Datenraten geeignete optische Übertragung von Signalen
verwirklicht werden. Andererseits werden die durch die optische Übertragung
resultierenden verhältnismäßig hohen
Kosten vorteilhaft durch Verwendung vergleichsweise billiger optischer
Komponenten und eine Verringerung des Fertigungs- und Justageaufwandes
minimiert. Als optische Komponenten können beispielsweise
eine Lichtleitfaser und Leucht- sowie Fotodioden zum Einsatz kommen,
deren Anschaffungskosten günstig sind.
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Die
den Sendeelementen gegenüberliegende Empfangsschnittstelle
wird vorzugsweise als Abschnitt im Cladding-Material der Faser (d.
h. der lichtreflektierenden Ummantelung des Faserkerns) mit Hilfe
einer Laserstrukturierung modifiziert. Die Erhöhung der
optischen Faserdämpfung wird dabei genutzt, damit in dem
Abschnitt Licht der Sendeelemente in die Faser eingekoppelt werden
kann. Die Erhöhung der Dämpfung durch den Abschnitt
ist dabei so zu bemessen, dass einerseits die Einspeisung von Licht
in den Abschnitt möglich ist, andererseits aber eine Lichtleitung
innerhalb der Faser bis zur ausgangsseitigen Stirnfläche
gewährleistet bleibt. Wird das Dämpfungsmaß nämlich
zu hoch gewählt, bewirkt dies, dass das meiste einmal eingeleitete
Licht vor Erreichen der ausgangsseitigen Stirnseite wieder aus der
Lichtleitfaser ausgekoppelt wird. Insofern ist auch die Länge
des Abschnittes durch diese Anforderung begrenzt, da die Dämpfung
bei einem zu langen Abschnitt nicht genügend erhöht
werden kann, um eine zuverlässige Einkopplung des Lichtes
von den Sendeelementen zu gewährleisten. Diese grundsätzlichen
Bemessungsregeln für den Abschnitt gelten selbstverständlich
nicht nur für Lichtleitfasern, sondern auch für
beliebige andere Wellenleiter. Es ist z. B. auch denkbar, einen
spritzgegossenen Wellenleiter als Formteil anzufertigen, der genau
die Abmessungen für den Drehübertrager (d. h.
die Vorrichtung zur Übertragung der optischen Signale)
aufweist. Diese Herstellungsmethode ist insbesondere bei großen
Stückzahlen interessant, weil auch der Abschnitt als Zick-Zack-Profil
mit in die Spritzgussform integriert sein kann, was eine nachträgliche
Behandlung des Wellenleiters überflüssig macht.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das optische Sendeelement
in SMT-Bauweise ausgeführt ist und auf der Vorderseite
einer Leiterplatte mit der Vorderseite zugewandter Abstrahlfläche
montiert ist. Diese Leiterplatte ist senkrecht zur Drehachse angeordnet
und weist im Bereich der Abstrahlfläche des Sendeelementes
eine Durchgangsöffnung für die optischen Signale
auf. Das Übertragungsglied mit dem Abschnitt ist parallel liegend
zur Rückseite der Leiterplatte derart angeordnet, dass
der Abschnitt mit der Durchgangsöffnung in Deckung gebracht
ist. Da der Verlauf des Abschnittes zusammen mit dem Wellenleiter
einen Kreisbogen beschreibt, überstreicht somit das Sendeelement
bei einer Relativbewegung zwischen den Baugruppen den Abschnitt
des Wellenleiters. Der Einsatz der SMT-Bauweise führt vorteilhaft
zu einer weiteren Kostenreduzierung der Herstellung, weil die bereits
erwähnten gebräuchlichen Komponenten der Sende-
und Empfangselemente in SMT-Bauweise montiert werden können.
Hierbei sind die in der Elektronikmontage üblichen Toleranzen
ohne Weiteres realisierbar, die für den vorliegenden Anwendungsfall ausreichen.
Eine komplizierte Justage der optischen Komponenten zueinander ist
dann bei der Montage der Vorrichtung an den betreffenden Baugruppen vereinfacht,
was den Montageaufwand vorteilhaft reduziert.
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Es
ist vorteilhaft, wenn sich der Wellenleiter nur über einen
Teil des Umfangs des durch ihn beschriebenen Kreises erstreckt und
so viele Sendeelemente angeordnet sind, dass immer zumindest eines dem
Abschnitt gegenüberliegt. Hierdurch ist völlig winkelunabhängig
immer eine Übertragung der optischen Signale gewährleistet.
Es ist wegen der bereits beschriebenen Zusammenhänge des
nötigen Dämpfungsmaßes des Abschnittes
von Vorteil, wenn der Wellenleiter kürzer ausgeführt
sein kann. Außerdem wird die Montage vereinfacht, wenn
der Wellenleiter keinen vollständigen Kreis beschreiben
muss. Vorteilhaft können zur Erhöhung der Signalstärke
auch so viele Sendeelemente angeordnet werden, dass immer zwei Sendeelemente
dem Abschnitt gegenüberliegen. Dies ist aufgrund der Verwendung
verhältnismäßig günstiger Komponenten
ohne Weiteres möglich. Selbstverständlich müssen
die Sendeelemente auch auf einem gedachten Kreis angeordnet sein,
welcher im Radius dem gedachten Kreis des Verlaufes des Wellenleiters
entspricht.
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Gemäß einer
besonderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist vorgesehen, dass auf beiden Baugruppen jeweils sowohl
ein Sendeelement als auch ein Empfangselement angeordnet sind, wobei
demgemäß auch zwei Wellenleiter vorgesehen sind.
Dies ist notwendig, da der Wellenleiter eine optische Übertragbarkeit
nur in eine Richtung gewährleistet. Das liegt daran, dass über
den Abschnitt nur Licht eingespeist werden kann. Würde der
Wellenleiter in die andere Richtung verwendet werden, würde
das Licht am Abschnitt stark gestreut ausgekoppelt und könnte
durch das Empfangselement nicht zuverlässig registriert
werden. Die beiden verwendeten Lichtwellenleiter stellen damit vorteilhaft
einen Signalfluss von der einen Baugruppe in die andere sowie von
der anderen Baugruppe in die eine sicher. Zu diesem Zweck ist jeweils
das Sendeelement der einen Baugruppe mit dem Empfangselement der
anderen Baugruppe durch einen der beiden Wellenleiter verbunden,
wobei hierdurch ein Signalfluss in beide Richtungen sichergestellt
wird.
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Weitere
Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung
beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente
sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden
nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede
zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:
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1 und 2 die
Aufsicht und die Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
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3 schematisch
die Übertragung von Signalen in den Lichtwellenleiter.
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Gemäß 1 ist
eine ringförmige Leiterplatte 11 zu erkennen,
auf der am Umfang sechs Sendeelemente 12 mittels SMT-Montage
befestigt sind. Hierbei handelt es sich um Leuchtdioden, deren Abstrahlfläche
auf der Montageseite liegt, weswegen die Leiterplatte unterhalb
der Sendeelemente Durchgänge aufweist (in 1 nicht
zu erkennen, jedoch kann der zweiten Leiterplatte 13 gemäß 2 entnommen
werden, wo die Durchgangsöffnung 14 unterhalb
des betreffenden Sendeelementes 12 zu erkennen ist).
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Obwohl
eigentlich hinter der Leiterplatte 11 liegend, ist der
Verlauf eines ersten Wellenleiters 15 zu erkennen, der
genau auf dem Kreis verläuft, den bei einer Drehung der
ersten Leiterplatte um eine Drehachse 16 die Sendeelemente
beschreiben. In diesem Bereich liegt ein nicht näher dargestellter
Abschnitt (vgl. 17 in 3), der
als Eingangsschnittstelle für die Signale der Sendeelemente 12 zur
Verfügung steht. Weiterhin ist die Stirnseite 18 des
ersten Wellenleiters 15 mit einem Empfangselement 19 verbunden,
welches durch eine Fotodiode gebildet ist und so ein Lichtsignal
in eine elektrisches Empfangssignal umwandeln kann. Der erste Wellenleiter 15 sowie
das zugehörige Empfangselement 19 besitzen eine
ortsfeste Fixierung, die beispielsweise durch eine Gehäusewand 20 einer
Werkzeugmaschine gebildet sein kann. Die erste Leiterplatte 11 kann
an einer nicht dargestellten Welle (vgl. 21 in 2)
befestigt sein, welche sich um die Drehachse 16 dreht. Hierdurch
entsteht die Relativbewegung zwischen Welle und Gehäuse 20,
welche den optischen Drehübertrager notwendig macht.
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Um
auch eine Übertragung von Lichtsignalen in die entgegengesetzte
Richtung zu gewährleisten, befindet sich auf der dem Betrachter
abgekehrten Seite der ersten Leiterplatte 11 ein zweiter
Wellenleiter 22, welcher, obwohl eigentlich nicht erkennbar,
dennoch in 1 dargestellt ist. Dieser ist
ebenfalls mit einem Empfangselement 19 verbunden, und zwar
an der als Ausgangsschnittstelle verwendeten Stirnseite 18.
Ein entsprechend dem in 3 dargestellten Abschnitt 17 gestalteter
Abschnitt ist ebenfalls vorgesehen. Das Empfangselement 19 ist
auf der dem Betrachter zugekehrten Seite der ersten Leiterplatte
angebracht, weswegen es in einem Fertigungsschritt mit den Sendelementen 12 gefertigt werden
kann.
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Der 2 lässt
sich entnehmen, dass zur Fixierung des ersten Wellenleiters 15 auch
eine zweite Leiterplatte 13 verwendet werden kann, die
ebenfalls ringförmig ausgebildet ist und in 2 im
Schnitt dargestellt ist. Diese ist über eine Aufhängung 24 mit dem
Gehäuse 20 verbunden. Insofern unterscheidet sich
die Seitenansicht gemäß 2 leicht
von der Aufsicht gemäß 1, wobei
die restlichen Elemente Zeichnungselemente sich entsprechen.
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Auf
der zweiten Leiterplatte sind in der zu 1 beschriebenen
Weise ebenfalls Sendeelemente 12 sowie ein Empfangselement 19 durch Oberflächenmontage
(SMT-Technik) montiert. Die Durchgangsöffnungen 14 liegen
dem zweiten Wellenleiter 22 gegenüber, so dass
ein durch einen Pfeil 25 angedeutetes Lichtsignal in den
Abschnitt des zweiten Wellenleiters eingekoppelt werden kann. Genauso
verhält es sich mit dem Lichtsignal des Sendeelementes,
welches gerade gegenüber dem Abschnitt des ersten Wellenleiters 15 liegt.
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In 3 ist
die Funktionsweise des erfindungsgemäßen ersten
bzw. zweiten Wellenleiters 22 schematisch dargestellt. Dieser
weist den Abschnitt 17 einer bestimmten Länge
auf, wobei der restliche Wellenleiter 22 keine Oberflächenbehandlung
erfahren hat und daher nur eine geringe Dämpfung aufweist. Über
das Sendeelement 12 und eventuell eine Kollimationsoptik 26 wird
das Lichtsignal entsprechend dem Pfeil 25 in den Wellenleiter 22 eingespeist und
in diesem weitergeleitet. Im Bereich des Abschnittes 17 ist
jedoch eine gewisse Verlustleistung, dargestellt durch die Pfeile 27,
zu verzeichnen. An der Stirnseite 18 tritt das Lichtsignal
als Ausgangssignal, dargestellt durch den Pfeil 28, aus
dem Wellenleiter 22 aus, passiert eine weitere Kollimationsoptik 26 und
wird durch das Empfangselement 19 registriert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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