DE10353891A1

DE10353891A1 - Anordnung zur Datenübertragung zwischen einem feststehenden und einem beweglichen Bauteil

Info

Publication number: DE10353891A1
Application number: DE10353891A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Bauer; Axel Kellner; Uwe Schaller; Otto JÜNEMANN
Original assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Current assignee: Vincorion Advanced Systems GmbH
Priority date: 2003-11-18
Filing date: 2003-11-18
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2023-11-19
Also published as: DE10353891B4; WO2005050879A1

Abstract

Bei einer Anordnung zur Datenübertragung zwischen einem feststehenden und einem beweglichen Bauteil besteht die Aufgabe, die optische Signalübertragung in technisch einfacher Weise mit geringen Dämpfungsverlusten zu realisieren. DOLLAR A Zur Übertragung von modulierter optischer Strahlung zwischen mindestens einem optischen Sender auf einem der Bauteile und mindestens einem optischen Empfänger auf dem anderen Bauteil ist eine optische Faser vorgesehen, bei der in Faserachsenrichtung zur gerichteten Strahlaus- bzw. -einkopplung dienende Aus- bzw. Einkoppelzentren für die in der optischen Faser geführte modulierte optische Strahlung als Störstellen der Totalreflexion in die Oberfläche des optisch leitenden Faserkerns eingearbeitet sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur 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.
Die Erfindung ist vor allem anwendbar in der Robotertechnik, bei Windkraftgeneratoren, Computertomographen und in der Encodertechnik.

Zur Datenübertragung zwischen einem feststehenden und einem beweglichen Bauteil werden heute vorwiegend elektrische Schleifkontakte sowie kapazitive oder induktive Verfahren benutzt.

Diese Art der Datenübertragung hat jedoch den Nachteil, dass elektromagnetische Störquellen, besonders bei der gleichzeitigen Übertragung von hohen Strömen über Schleifringe, Störsignale senden und somit die zu übertragenden Daten verfälschen können.

Eine optische Signalübertragung zwischen dem feststehenden und dem beweglichen Bauteil ist zwar störungsfrei und erlaubt eine hohe Datenrate (Bandbreite), erfordert jedoch zur kontinuierliche Datenübertragung, dass sich Sender und Empfänger ständig direkt gegenüberstehen.

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.

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.

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.

Aufgabe der Erfindung ist es, die optische Signalübertragung in technisch einfacher Weise mit geringen Dämpfungsverlusten zu realisieren.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Anordnung der eingangs genannten Art dadurch erreicht, dass zur Übertragung der modulierten optischen Strahlung mindestens eine optische Faser vorgesehen ist, bei der in Faserachsenrichtung zur gerichteten Strahlaus- bzw. -einkopplung dienende Aus- bzw. Einkoppelzentren für die in der optischen Faser geführte modulierte optische Strahlung als Störstellen der Totalreflexion in die Oberfläche des optisch leitenden Faserkerns eingearbeitet sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass mindestens ein, aus mehreren optischen Fasern zusammengesetzter Ring in mindestens eines von zwei gegeneinander verdrehbaren Bauteilen eingelegt ist, dass jede optische Faser mit einem optischen Sender in Verbindung steht und dass jedem Ring mindestens ein Paar von optischen Empfängern am gegenüberliegenden Bauteil zugeordnet ist. Die optischen Sender sind synchron moduliert.

Mit der Erfindung ist gewährleistet, dass die seitlich aus der optischen Faser austretende optische Strahlung permanent von einem der Faser oder einem Faserstück gegenüberliegenden und relativ zu der Faser oder dem Faserstück bewegten Empfänger aufgenommen wird. Der Einsatz mehrerer Empfänger gewährleistet bei Überlagerung der Empfängersignale ein störungsfreies Signal, auch wenn ein Empfänger temporär kein Licht empfängt.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist der sehr einfache Aufbau. Es können z. B. herkömmliche Plastefasern verwendet werden, deren Verlegung in Faserringen oder auch in geradlinearen Anordnungen einfach zu realisieren ist.

Die Einkopplung der optischen Strahlung (LED, LD) erfolgt über die Stirnseite der optischen Fasern. Die Technologie der Verbindungstechnik für optische Fasern mittels Faserstecker kann verwendet werden, um den optischen Sender und den Empfänger außerhalb der Faserringe anzubringen.

Zur bidirektionalen Datenübertragung bei gegeneinander verdrehbaren Bauteilen kann jedes der beiden Bauteile mindestens einen, aus mehreren optischen Fasern zusammengesetzten Ring auf unterschiedlichen Durchmessern aufweisen, wobei jedem Ring mindestens ein Paar von optischen Empfängern am gegenüberliegenden Bauteil zugeordnet ist.

Für geradlinig gegeneinander bewegbare Bauteile sollte mindestens eine optische Faser in geradliniger Ausrichtung an mindestens einem von zwei gegeneinander linear bewegbaren Bauteilen befestigt und jeder optischen Faser mindestens ein optischer Empfänger am gegenüberliegenden Bauteil zugeordnet sein.

Vorteilhaft ist es, wenn zur Übertragung der modulierten optischen Strahlung mindestens eine weitere optische Faser vorgesehen ist, die mit einer Stirnseite auf die Auskoppelzentren und mit der anderen Stirnseite auf einen Empfänger gerichtet ist.

Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass in jedes der Bauteile mindestens eine optische Faser mit in Faserachsenrichtung in die Oberfläche des optisch leitenden Faserkerns eingearbeiteten Aus- bzw. Einkoppelzentren eingelegt ist, von denen jede Faser an dem einen Bauteil stirnseitig mit einem optischen Sender und jede Faser an dem anderen Bauteil stirnseitig mit einem optischen Empfänger verbunden ist, und dass die Faserachsen der sich gegenüberliegenden Fasern zueinander parallel gerichtet sind.

Eine Ausgestaltung zur bidirektionalen Datenübertragung sieht vor, dass in jedes der Bauteile mindestens eine optische Faser eingelegt ist, an die an einem Faserende eingangsseitig ein optischer Sender und am anderen Faserende ausgangsseitig ein optischer Filter sowie ein Empfänger angeordnet sind, wobei die Sendewellenlänge auf dem einen Bauteil verschieden ist von der Sendewellenlänge auf dem anderen Bauteil und die optischen Filter jeweils die an der Faser erzeugte Sendewellenlänge sperren.

Die beiden letztgenannten Ausgestaltungen sind sowohl für zueinander verdrehbare als auch entlang einer Geraden verschiebbare Bauteile geeignet, indem die optischen Fasern als Ringe oder geradlinig verlegt werden.

Vorteilhaft sollten die optischen Fasern eine Länge aufweisen, bei der die Signallaufzeit in der Faser kleiner ist als die Abtastzeit einer logischen Einzelinformation.

Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
1 ein Bauteil mit ringförmig eingelegter Faser in einer Draufsicht sowie in Seitenansicht mit gegenüberliegendem Bauteil und daran befestigten Empfängern
2 die gerichtete Abstrahlung aus einer präparierten optischen Faser
3 eine Anordnung mit zusätzlichen Empfangsfasern zur Strahlungsübertragung zu den Empfängern
4 eine Anordnung für eine geradlinige Bewegung zwischen einem feststehenden und einem beweglichen Bauteil
5 ein Bauteil mit mehreren ringförmig eingelegten Fasern und dazugehörigen optischen Sendern in einer Draufsicht sowie in Seitenansicht mit gegenüberliegendem Bauteil und daran befestigten Empfängern
6 eine Anordnung zur bidirektionalen Datenübertragung
7 eine Anordnung zur Minimierung von Laufzeitunterschieden
8 eine weitere Anordnung zur Minimierung von Laufzeitunterschieden
9 eine Anordnung mit einem Paar von Faserringen, von denen einer als Sendering und der andere als Empfangsring dient
10 eine Anordnung zur bidirektionalen Datenübertragung über zwei Sende- und/oder Empfangsringe
11 eine Anordnung mit sich gegenüberliegenden optischen Fasern mit eingearbeiteten Störstellen der Totalreflexion
Bei der in 1 dargestellten Ausführung der Erfindung ist in ein feststehendes Bauteil 1 eine optische Faser 2, versehen mit einem stirnseitig einkoppelnden optischen Sender 3 zum Aussenden von modulierter optischer Strahlung, ringförmig eingebettet. Als optischer Sender dient eine mit einer Ansteuerung 4 versehene Laserdiode.
Optische Empfänger 5 und 6 auf einem gegenüberliegenden drehbaren Bauteil 7 dienen dazu, die vom Faserring seitlich abgestrahlte modulierte optische Strahlung kontinuierlich zu empfangen.
Von besonderer Bedeutung ist die Ausführung der optischen Faser 2, in die in die Oberfläche des optisch leitenden Faserkerns in Faserachsenrichtung zur gerichteten Strahlauskopplung dienende Auskoppelzentren als Störstellen der Totalreflexion eingearbeitet sind. Die Abstrahlung erfolgt somit nicht diffus, sondern in gerichteter Form, wodurch ein Maximum an Streustrahlung von einem der gegenüberliegenden Empfänger 5 und 6 empfangen werden kann. Die Intensität der Streustrahlung an den Auskoppelzentren muss so gewählt werden, dass die Auskopplung des Streulichtes aus der Faser und die Dämpfung der Strahlung in der Faser einen Kompromiss bilden.
Bei der Anordnung werden mindestens zwei Empfänger zur kontinuierlichen Datenübertragung benötigt, da der Faserring nicht geschlossen ist.
Für die Präparierung der optischen Faser 2 eignet sich z. B. das Einbringen von aperiodischen Auskoppelzentren durch Aufrauen der Oberfläche oder das Einbringen von periodischen Auskoppelzentren, vorzugsweise in Form von Prismen durch Prägetechnik.
Als sehr einfach und effektiv hat sich die Einbringung von Auskoppelzentren in einen Kunststofflichtwellenleiter mittels eines Rändelrades erwiesen. Mit diesem können periodische, prismenförmige Auskoppelzentren in definiertem Abstand in die Oberfläche des Kunststofflichtwellenleiters eingebracht werden. Durch Variation des Anpressdruckes verändert sich die Intensität des aus der optischen Faser abgestrahlten Streulichtes.
2 verdeutlicht die Abstrahlung einer derart gestalteten Sendefaser SF, wobei die stirnseitig eingekoppelte modulierte optische Strahlung MOS bis zu den als Störstellen der Totalreflexion ST in die Oberfläche des optisch leitenden Faserkerns eingearbeiteten Auskoppelzentren dämpfungsarm geführt und an diesen gestreut wird. Durch die Überschreitung des Grenzwinkels der Totalreflexion wird das Streulicht aus der Faser gerichtet ausgekoppelt und von einer in der Winkellage der Abstrahlcharakteristik der Sendefaser SF angepassten Empfangsfaser EF stirnseitig aufgenommen und zu einem Empfänger geleitet.
Die Verwendung von Empfangsfasern bietet sich besonders an, wenn aus konstruktiven Gründen die Anordnung eines Empfängers gegenüber der abstrahlenden optischen Faser nicht möglich ist (3).
Die derart präparierten optischen Fasern können in vielfachen geometrischen Formen verlegt werden, je nachdem, welche Relativbewegung die beiden zueinander beweglichen Bauteile ausführen sollen. Bei einer Rotation bietet sich die bereits beschriebene ringförmige Anordnung an, bei geradliniger Bewegung dagegen eine geradlinige Ausrichtung (4).
Bei der in 1 dargestellten Ausführung ist die optische Faser 2 entlang der Faserachse in Abschnitte unterteilt, von denen ein Abschnitt A₁ die Auskoppelzentren enthält und ein anderer Abschnitt A₂ unbehandelt ist und keine Auskoppelzentren aufweist. Der unbehandelte Abschnitt A₂ ist aus dem Bauteil 1 an der zum anderen Bauteil 7 abgewandten Seite herausgeführt und an den Sender 3 optisch angekoppelt.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausbildung der ringförmigen Faseranordnung gemäß 5 werden mehrere optische Fasern 2', 2'' und 2''' verwendet, von denen jede stirnseitig an einen optischen Sender 3', 3'' und 3''' angekoppelt ist. Eine zur kontinuierlichen Datenübertragung geeignete Anzahl von Empfängern 5 und 6 ist auf dem gegenüberliegenden Bauteil 7 angeordnet. Diese Anordnung ist zwar aufwändiger zu realisieren, aber bei großen Faserlängen bzw. Faserringdurchmessern (große Bauteildurchmesser) wegen des Intensitätsabfalls infolge der abgestrahlten optischen Leistung und wegen der in Abhängigkeit von der Laufzeit der Strahlung sich verringernden Übertragungskapazität zu empfehlen. Die abgestrahlte optische Leistung I(L) verringert sich exponentiell mit der Entfernung L von der Stelle, an der die Störstellen der Totalreflexion beginnen. I = I0 × exp(–L/L0),wobei L₀ der Abstand ist, bei dem die Intensität auf 1/e abgefallen ist.
Selbstverständlich ist das Prinzip, mehrere optische Fasern mit dazugehörigen optischen Sendern zu verwenden, auch bei geradliniger Faserverlegung anwendbar.
Mit der ringförmigen und der geradlinigen Faserverlegung ist aber auch eine bidirektionale Datenübertragung einfach zu realisieren, indem zwei Ringsysteme aus optischen Fasern 2 und 2' mit gegenüberliegenden Empfängern 5, 6, 5' und 6' auf unterschiedlichen Durchmessern der Bauteile 1 und 7 (gestrichelt in 6 dargestellt) oder geradlinige Fasersysteme seitlich versetzt an den Bauteilen angebracht werden.
Werden mehrere Empfänger verwendet, ist es erforderlich, dass die optischen Wege L_N vom gemeinsamen optischen Sender zu den Empfängern nahezu gleich sind, d. h. für die Wegdifferenz ΔL muss die Forderung erfüllt sein, dass ΔL < K × c/(n × B)mit

c: Lichtgeschwindigkeit
B: Übertragungsbandbreite
n: Brechzahl der optischen Faser
K: Faktor zur Begrenzung der Phasenverschiebung (K < 0,25)

In 7 wird eine Anordnung beschrieben, mit der Laufzeitunterschiede L₁-L₂ in einem Fasersegment FS minimiert werden können, indem die modulierte optische Strahlung gegenläufig in zwei, als Teil eines Ringes an einem der beiden gegeneinander verdrehbaren Bauteile vorgesehene optische Fasern 2' und 2'' eingekoppelt wird und die beiden Empfängersignale der Empfänger 5 und 6 additiv oder alternativ durch UND- oder durch ODER-Schaltungen miteinander verknüpft werden.
In 8 werden zur Minimierung der Laufzeitunterschiede L₁-L₂ drei Fasersegmente FS1, FS2 und FS3 mit gegenläufiger Laufrichtung der optischen Strahlung verwendet. Mit dieser Anordnung „sehen" beiden Empfänger 5 und 6 immer das linksdrehende oder das rechtsdrehende Licht, so dass bei einer Rotation die beide Empfänger 5 und 6 die gleiche Dopplerverschiebung empfangen.
In 9 sind in beide Bauteile 1 und 7 optische Fasern 2' und 2'' mit gestörten Faserkernen in Form von eingearbeiteten Aus- bzw. Einkoppelzentren als Sendefaserring bzw. als Empfangsfaserring mit zueinander parallel gerichteten Faserachsen eingelegt. Stirnseitig wird in die optische Faser 2' die optisch modulierte Strahlung mit einer Wellenlänge λ einer vorzugsweise verwendeten Laserdiode eingekoppelt. Die Abstrahlung aus der gestörten Faseroberfläche erfolgt auf der ganzen Länge des Sendefaserringes und wird von dem Empfangsfaserring über dessen Einkoppelzentren aufgenommen und zum Empfänger 5' geführt, der sich an einem Ringende der Faser 2'' befindet.
In 10 sind in die gegeneinander beweglichen Bauteile 1 und 7 zur bidirektionalen Datenübertragung optische Fasern 2' und 2'' mit gestörten Faserkernen in Form von eingearbeiteten Aus- bzw. Einkoppelzentren in Ringform eingelegt. Bei jeder Faser 2' und 2'' sind an einem Faserende eingangsseitig ein als Laserdiode ausgebildeter optischer Sender 3' und 3'' und am anderen Faserende ausgangsseitig ein optischer Filter 9' und 9'' sowie ein Empfänger 5' und 5'' angeordnet. Die beiden optischen Sender 3' und 3'' strahlen mit verschiedenen Sendewellenlängen λ₁ bzw. λ₂ und die optischen Filter 9' und 9'' sperren jeweils die im Faserring erzeugte Sendewellenlänge λ₁ oder λ₂.
Zur bidirektionalen Datenübertragung wird die optisch modulierte Strahlung der Sendewellenlängen λ₁ bzw. λ₂ aus dem einen Fasering über die eingearbeiteten Aus- bzw. Einkoppelzentren abgestrahlt und von den Aus- bzw. Einkoppelzentren des jeweils anderen Faseringes aufgenommen. Die Sendewellenlängen λ₁ und λ₂ und die optischen Filter 9' und 9'' müssen so gewählt werden, dass ein Übersprechen der beiden Kanäle nicht auftritt. Den Strahlungsübertritt zwischen Sende- und/oder Empfangsfasern ist der 11 zu entnehmen.
Zwar legt die optisch modulierte Strahlung bei dieser Ausführung zwischen dem Sender und dem Empfänger unterschiedlich lange Laufwege zurück (maximale Differenz der optischen Wege ist gleich dem Umfang des Faserringes), doch spielen die Laufzeitdifferenzen für Anwendungen in der Robotertechnik bei Übertragungsfrequenzen von < 5 MHz noch keine Rolle.

Claims

Anordnung zur 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, dadurch gekennzeichnet, dass zur Übertragung der modulierten optischen Strahlung mindestens eine optische Faser vorgesehen ist, bei der in Faserachsenrichtung zur gerichteten Strahlaus- bzw. -einkopplung dienende Aus- bzw. Einkoppelzentren für die in der optischen Faser geführte modulierte optische Strahlung als Störstellen der Totalreflexion in die Oberfläche des optisch leitenden Faserkerns eingearbeitet sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein, aus mehreren optischen Fasern zusammengesetzter Ring in mindestens eines von zwei gegeneinander verdrehbaren Bauteilen eingelegt ist, dass jede optische Faser mit einem optischen Sender in Verbindung steht und dass jedem Ring mindestens ein Paar von optischen Empfängern am gegenüberliegenden Bauteil zugeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Sender synchron moduliert sind.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur bidirektionalen Datenübertragung jedes der beiden Bauteile mindestens einen, aus mehreren optischen Fasern zusammengesetzten Ring auf unterschiedlichen Durchmessern aufweist und dass jedem Ring mindestens ein Paar von optischen Empfängern am gegenüberliegenden Bauteil zugeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine optische Faser in geradliniger Ausrichtung an mindestens einem von zwei gegeneinander linear bewegbaren Bauteilen befestigt ist und dass jeder optischen Faser mindestens ein optischer Empfänger am gegenüberliegenden Bauteil zugeordnet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Übertragung der modulierten optischen Strahlung mindestens eine weitere optische Faser vorgesehen ist, die mit einer Stirnseite auf die Auskoppelzentren und mit der anderen Stirnseite auf einen Empfänger gerichtet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in jedes der Bauteile mindestens eine optische Faser mit in Faserachsenrichtung in die Oberfläche des optisch leitenden Faserkerns eingearbeiteten Aus- bzw. Einkoppelzentren eingelegt ist, von denen jede Faser an dem einen Bauteil stirnseitig mit einem optischen Sender und jede Faser an dem anderen Bauteil stirnseitig mit einem optischen Empfänger verbunden ist, und dass die Faserachsen der sich gegenüberliegenden Fasern zueinander parallel gerichtet sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur bidirektionalen Datenübertragung in jedes der Bauteile mindestens eine optische Faser eingelegt ist, an die an einem Faserende eingangsseitig ein optischer Sender und am anderen Faserende ausgangsseitig ein optischer Filter sowie ein Empfänger angeordnet sind, wobei die Sendewellenlänge auf dem einen Bauteil verschieden ist von der Sendewellenlänge auf dem anderen Bauteil und die optischen Filter jeweils die an der Faser erzeugte Sendewellenlänge sperren.
Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Fasern als Ringe in zueinander verdrehbare Bauteile eingelegt sind.
Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Fasern geradlinig in gegeneinander entlang einer Geraden verschiebbare Bauteile eingelegt sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Fasern eine Länge aufweisen, bei der die Signallaufzeit in der Faser kleiner ist als die Abtastzeit einer logischen Einzelinformation.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Störstellen der Totalreflexion vorgesehene Aus- bzw. Einkoppelzentren linien- oder flächenförmig ausgebildet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die als Störstellen der Totalreflexion vorgesehenen Aus- bzw. Einkoppelzentren aperiodisch in die Oberfläche des Faserkerns eingearbeitet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die als Störstellen der Totalreflexion vorgesehenen Aus- bzw. Einkoppelzentren periodisch in die Oberfläche des Faserkerns eingearbeitet sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfänger mit einer UND- oder einer ODER-Schaltung zur additiven oder alternativen Verknüpfung von Signalen in Verbindung stehen, die infolge einer gegenläufigen Einkopplung der modulierten optischen Strahlung in mindestens ein Paar von optischen Fasern resultieren, die als Teil eines Ringes an einem der beiden gegeneinander verdrehbaren Bauteile vorgesehen sind.