DE2726242C2 - Rotationsimpulsgeber - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotationsimpulsgeber mit wenigstens einer opto-elektronischen Lichtschranke zur Auflösung von Drehbewegung in einzelne Impulse, bei der die Impulse durch die Bewegung einer Schlitzscheibe mit gleichmäßig nach innen verlaufender Verjüngung der Zahn-Lücken-Flanken im Lichtstrahlengang zwischen einer Lichtquelle und einem Lichtempfänger erzeugt werden.

Bei Rotationsimpulsgebern der vorbezeichneten Art verwendet man auf der Senderseite eine modulierte Strahlenquelle. Als Lichtquelle werden hierbei in stark verbreitetem Maße Ga-As-Lumineszenzdioden eingesetzt. Die Modulation erfolgt auf einfache Weise mechanisch durch eine Loch- oder Schlitzscheibe. Die Impulse werden dadurch erzeugt, daß die auf einer drehbar gelagerten Welle befestigte Schlitzscheibe die Lichtstrahlen auf dem Wege von der Strahlungsquelle zu einem entsprechend angeordneten Lichtempfänger alternierend unterbricht und wieder freigibt. Die Anzahl der Impulse je Umdrehung richtet sich nach der Anzahl der auf dem Umfang angeordneten Zähne.

Auf der Empfängerseite sind es Photobauelemente, die je nach Anwendungsfall im Hinblick auf die erforderliche Empfindlichkeit und Bauform ausgewählt werden. In einer verbreiteten Ausführungsform sind es Si-Photo-Transistoren, die in einer Kombination von zwei oder mehr Transistoren zu einem sogenannten Photodarlington zusammengeschaltet sind. Diese Maßnahme dient der Verstärkung des Photostromes, verbessert dadurch die Empfindlichkeit des Photo-Transistors und erhöht jedoch auch die Ansprechzeit entsprechend.

Lichtstrahlenquelle und Lichtempfänger zusammen bilden in optimaler Funktionslage zueinander in einem Gießharzkörper fest angeordnet eine Lichtschranke, begrifflich determiniert auch als Gabel-Lichtschranke, bekanntgeworden wegen der gabelförmigen Anordnung von der Lichtquelle zum Lichtempfänger im Zusammenwirken mit einer zwischen beiden bewegten Schlitzscheibe, Lochscheibe oder dergl., letztere als Modulator. Der Gießharzkörper selbst ist an seiner äußerlichen Form mit einem Steg oder einer Nut versehen, durch welche eine bestimmte Einbaulage der Lichtschranke bezogen auf den Modulator vorgegeben ist.

Überdies sind die einzelnen Bauelemente wie Lichtquelle und Lichtempfänger nicht von gleichbleibender technischer Beschaffenheit, so daß in Abhängigkeit von Bauteilen-Toleranzen unvermeidlich unterschiedliche Schaltcharakteristiken entstehen. Nur für einmal festgelegte Testbedingungen lassen sich über Meßreihen die Grenzen des Bereiches einer Signalbildung ermitteln, welche Grenzen der Funktionstüchtigkeit in Form von Datenblättern einer Lichtschranke beigegeben sind.

Aus der US-PS 26 56 106 ist eine lichtelektrische Positions-Anzeigeeinrichtung für eine in beide Richtungen

ίο drehbare Welle angegeben. Sie besteht aus einer Schlitzscheibe, die verdrehfest auf der Welle angeordnet ist. Im Bereich der Schlitze auf der Schlitzscheibe sind auf der einen Seite in einem bestimmten Drehwinkelabstand zwei Lichtquellen, auf der anderen Seite der Schlitzscheibe zwei Photobauelemente vorgesehen. Durch Rotation der Schlitzscheibe werden aufgrund der Unterbrechungen des Lichtstrahlenganges im photoelektrischen Empfängerteil Impulse in Abhängigkeit der Anzahl der auf dem Umfang angeordneten Schlitze erzeugt Bei der bekannten Einrichtung zur Impulserzeugung sind die den Zahn und entsprechend die Zahnlücke markierenden Flanken exakt in radial verlaufender Richtung ausgebildet. Das bedeutet bei der Bewegung der Zahlflankenlinie durch den Lichtstrahlengang steht für eine Modulationsphase nur der kürzestmögliche Winkelweg zur Verfügung. Dieser kürzeste Winkelweg reicht nicht aus, eine Schalthysterese der pliotoelektrischen Lichtrehranke und zusätzlich eine eventuelle Rücklaufsperrtoleranz der Welle zu überdecken. Ais Folge hiervon entstehen Fehlimpulse, die einen Zählvorgang verfälschen. Von der Lichtschranke gegebene Fehlerimpulse sind nicht oder nur sehr schwer und mit erheblichem Aufwand an elektronischen Schaltungsmitteln zu identifizieren.

In der US-PS 34 36 655 ist eine Wellen-Drehzahlmeßeinrichtung angegeben, die insbesondere für die Messung der Drehzahl pro Zeiteinheit für sehr langsam laufende Wellen ausgebildet ist. Eine genaue Messung einer langsamen Drehbewegung ist normalerweise schwierig, weil die drehende Welle zittert oder in Bewegungsrichtung flattert. Diese Erscheinung zu eliminieren ist fast unmöglich und deshalb versucht man, die Auswirkung derselben zu beseitigen. Hierzu sind zwei Lichtschranken in Drehwinkelrichtung einer Schlitzscheibe so versetzt angeordnet, daß niemals gleichzeitig die erste und die zweite Photozelle in einen Lichtstrahlengang gelangen. Die beiden Photozellen sind mit einem RS-Flip-Flop verbunden, durch welches dann Flattererscheinungen in der Umschaltphase eliminiert werden. Die Schlitzscheibe weist enge, radial verlaufende Schlitze auf, zwischen welchen relativ breite, lichtundurchlässige Zonen angeordnet sind. Die Modulatorzone für die Lichtschranke ist damit ebenfalls auf einen minimalen Drehwinkel beschränkt, der für die Schalthysterese der Lichtschranke keine Korrektur zuläßt.

Werden Rotationsimpulsgeber beispielsweise im Zusammenhang mit Mengenmessern oder zur Preisberechnung in einem Verkaufsautomaten, so für die Abgabe von Treibstoff an einer Tanksäule, angewandt, wo eine entsprechend proportionale Anzahl der Geberimpulse für die Weiterverarbeitung in Zähl- und Recheneinheiten dient, sind an die Schaltsicherheit der Impulsgeber, auch wegen der eichamtlichen Bestimmungen, höchste Anforderungen gestellt. Zu beachten ist in solchen Anwendungsfällen, daß bei einem Start-Stop-Betrieb eines Flüssigkeitsstromes ein möglichst direkt mit dem Mengenmesser verbundener Impulsgeber keine Fehlerimpulse erzeugt, die in eine Anzeige oder Berech-

nung eingehen. Eine Maßnahme zur weitgehenden Vermeidung von Rückdrehimpulsen ist durch den Einbau eines Rollenrücklaufgesperrs auf der gleichen Welle, auf der die Schlitzscheibe befestigt ist, gegeben. Aber auch ein Rollenrücklaufgesperre ist nicht frei von einem Rückdrehschiupf herstellbar, so daß diese Maßnahme nur bedingt wirksam ist, zur Vermeidung von Fehlerimpulsen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung an impulsgebern der bezeichneten Art zu schaffen, mit deren Hilfe es möyüch ist systembedingte Schaltfehler an einer derartigen Lichtschranke, wie sie unvermeidlich beispielsweise durch die Lagetoleranz der Lichtschranke, den unterschiedlichen Schalteffekt bei den elektronischen Bauteilen, die Hysteresis der Lichtschranke, bezogen auf eine Rücklaufsperre und dergL auszuschalten.

Die Lösung der Aufgabe ist gekennzeichnet durch eine koaxial aus zwei gleichartigen Schlitzscheiben zusammensetzbare und gegeneinander verdrehbeweglich auf ein bestimmtes Zahn-Lücken-Verhältnis fest einstellbare Schlitzscheibenblende und durch eine von der radialen Anordnung abweichende und zur tangentialen Richtung gleichermaßen geneigte Anordnung der Zähne und Lücken.

Mittels der angezeigten Lösung läßt sich die aus zwei gleichartigen Schlitzscheiben kombinierte Schlitzscheibenblende, ausgehend von einem Hell-Dunkel-Effekt im Verhältnis 1 :1, auf jedes gewünschte Verhältnis in der Abtastung von Zahnlücke zum Zahn einstellen. Aufgrund des von der Peripherie nach innen gerichteten Verlaufes der Zahn-Lücken-Flanken mit dem Effekt -;iner gleichmäßigen Verjüngung des Zahnes in Richtung Zahnfuß und entsprechend bei der Zahnlücke ist trotz der durch Einbautoleranzen gegebenen verschiedenen radialen Eingriffstiefen des Strahlenganges der Lichtschranke ein gleichbleibendes Zahn-Lücken-Verhältnis gewährleistet. Mit der kombinierten Schlitzscheibenblende lassen sich auch die unterschiedlichen elektronischen Bauteiletoleranzen, insbesondere hinsichtlich der effektiven Schaltzeitpunkte, die fast ausschließlich von der Beleuchtungsintensität abhängig sind, ausgleichen. Durch eine von der üblichen, radialen Anordnung von Zahn und Lücke abweichende Art der Modulatorzone in einer Ausbildungsform als Schrägzahnprofil läßt sich die elektronische Schalthysteresis der Lichtschranke auf einen vergrößerten Überdeckungswinkel ausdehnen. Das bedeutet, die Rücklaufsperrtoleranz eines Rollengesperres wird durch die mit vergrößertem Überdekkungswinkel erzielbare Schalthysteresis aufgefangen und damit im Hinblick auf die Erzeugung eines Fehlimpulses unwirksam.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend beschrieben und in Zeichnungen dargestellt. Es zeigt die

Fig. 1 eine Ansicht eines kompletten Impulsgebers mit einseitig abgenommenem Gehäusedeckel,

F i g. 2 ein Schnittbild durch den Impulsgeber,

F i g. 3 eine aus zwei gleichartigen Schlitzscheiben gebildete Schlitzscheibenblende,

Fig.4 ausschnittweise die Ausbildung und Anordnung der Zahn-Lücken-Zone.

In der Darstellung nach F i g. 1 ist in einem Gehäuse 1 ein vollständiges Impulsgeber-System mit zwei getrennten Lichtschrankeneinheiten 2 und 3 gezeigt. Bei den Lichtschranken 2 und 3 handelt es sich um handelsübliehe, opto-elektronische Lichtschranken mit beispielsweise Ga-As-Dioden als Sender und jeweils einem Photo-Transistor als Empfänger. Zur Verstärkung des Photostromes empfängerseitig ist ein zweiter Transistor vorgesehen, der nach der bekannten Darlington-Schaltung zu einer Gesamtanordnung mit dem Photo-Transistor verbunden, ausgangsseitig einen großen Photostrom liefert. Die Diode als Lichtquelle und der Photo-Transistor als Empfänger sind in einigem Abstand voneinander derart fest, beispielsweise in einem Gießharzblock 8 angeordnet, daß im wesentlichen nur das Licht der Lichtquelle auf den Detektor des Empfängers fällt. Zwischen Lichtquelle und Detektor ist ein Luftspalt 4 vorgesehen, durch welcher sich ein Gegenstand durch den Strahlengang bewegen kann. Dadurch wird die auf den Detektor einfallende Lichtintensität verändert, was am Ausgang der Darlington-Schaltung ein Signal erzeugt, welches in der beabsichtigten Weise verarbeitet wird. Gemäß einer amtlichen Forderung nach zweifacher Sicherheit für die Impulserzeugung sind bei dem in F i g. 1 dargestellten Impulsgeber zwei Lichtschranken 2 und 3 vorgesehen, deren Abgangssignale in der auswertenden Elektronik zu Kontrollzwecken verglichen werden. Es werden dadurch Fehlerimpulse leichter erkannt. Da beide Lichtschranken 2 und 3 zu diesem Zwecke mit dem gleichen Modulatorelement 5 zusammenwirken, müssen diese wiederum in einem bestimmten Abstand zueinander und auch in einer gewissen örtlichen Anordnung zu der bewegten Modulatorzone 6 stehen. Zu diesem Zwecke sind die Lichtschranken 2 und 3 auf einer Leiterplatte aufgelötet und mit Gießharz zu einem Block 8 vergossen. Als Führungselement zur Positionierung der Lichtschranke 2 und 3 in dem Gehäuse 1 und einem entsprechenden Deckel 9 sind an der Leiterplatte 7 über den Gießharzblock 8 vorstehende Lappen 10,11 und 12,13 vorgesehen, die in entsprechend ausgebildete Nuten 14 der Gehäuseinnenwand aufgenommen werden. Ein aus dem Block 8 herausführendes mehradriges Kabel 15 führt zu den die Signale auswertenden Einheiten.

In den gleichen Gehäuseteilen 1 und 9 mit den Aufnahmevorrichtungen für die Lichtschranken 2 und 3 sind unmittelbar Bohrungen 16 und 17 für die Lagerung einer Welle 18 vorgesehen (F i g. 2), die das Modulatorelement 5 trägt. In dem im Durchmesser erweiterten Teil der Bohrung 16 ist verdrehfest ein Nadelfreilauf 19 eingelassen, der das Rückdrehen der Welle 18 gemäß dem Ausführungsbeispiel nach F1 g. 1 im Gegenuhrzeigersinn weitgehend verhindern soll. Wie weiter aus der F i g. 1 und 2 ersichtlich ist, besteht das Modulatorelement 5 aus zwei gleichartigen Schlitzscheiben 20 und 21, wovon die Schlitzscheibe 21 fest mit einer Buchse 22 vernietet ist. Die Buchse 22 ist verdrehfest und axial gesichert über einen Stift 36 mit der Welle 18 verbunden. Die Schlitzscheibe 20 lagert koaxial und verdrehbeweglich auf der Buchse 22 und weist diametral angeordnet zwei kreisbogenförmige Langlöcher 23, 24 auf. In gleichem Abstand vom Mittelpunkt in entsprechender radialen Lage sind in der Schlitzscheibe 21 Gewindebohrungen 25, 26 vorgesehen. Mittels zwei Schrauben 27 ist die verdrehbewegliche Schlitzscheibe 20 in einer bestimmten Winkelstellung zur Schlitzscheibe 21 verdrehsicher einstellbar. Die bestimmte Winkelstellung der beiden Schlitzscheiben 20, 21 ist für die Impulserzeugung von wesentlicher Bedeutung, weil sich aufgrund der einstellbaren Winkelstellung die Modulatorzone 6 auf ein beliebiges Verhältnis der den Strahlengang schneidenden Hell-Dunkel-Zone einstellen läßt.

Die möglichst genaue Lage der Modulatorzone 6, bezogen auf den Strahlengang der Lichtschranken 2 und 3, ist im Bereich der Fertigungstoleranzen gewährleistet

aufgrund der fest in den gleichen Gehäuseteilen 1 und 9 angeordneten Bohrungen 16, 17 für die Welle 18 und gleichzeitig der Fixierung des Lichtschrankenblocks 8 mittels Lampen 10, 11, 12, 13 in Nuten 14 der beiden Gehäuseteile 1 und 9. Die Lage der Gehäuseteile 1 und 9 zueinander wird bestimmt durch einen angegossenen Paßstift 28 im Deckel 9 und eine entsprechend tolerierte Bohrung 29 im Gehäuse 1 und ist gesichert durch mehrere Schraubverbindungen 30.

Die durch die Kombination der beiden Schlitzscheiben 20 und 21 gebildete, in einer bestimmten Winkelposition zueinander fest einstellbaren Schlitzscheibenblende 31 läßt durch die verschiebliche Überdeckung von in ihrer Flächenausdehnung und Gestaltung deckungsgleich ausgebildeten Zähnen 32 und Lücken 33, ausgehend von einem durch die Lichtschranke 2,3 erkennenden Tastverhältnis von Lücke zu Zahnverhältnis 1:1, jedes andere beliebige Tastverhältnis einstellen. Mit dieser Möglichkeit der variablen Einstellbarkeit des Tastverhältnisses läßt sich über die Wahl der Zahnbreiteneinstellung entsprechend die Beleuchtungsintensität verändern. Das bedeutet, man kann mit dieser Einrichtung die den elektronischen Bauteilen unvermeidlich anhaftenden Toleranzen hinsichtlich der Schalteigenschaften eliminieren.

Die Formgebung für den Zahn 32 und die Lücke 33 (siehe Ausschnitt A gemäß F i g. 4) sieht eine gleichmäßig nach innen verlaufende Verjüngung der Zahn-Lükken-Flanken 34,35 vor.

Damit ist für ein an der Schlitzscheibenblende 31 eingestelltes Tastverhältnis eindeutig die Gewähr gegeben, daß im Bereich der gesamten Modulatorzone 6, d. L in radialer Sicht auf der ganzen Zahnhöhe, immer das gleiche Tastverhältnis gegeben ist. Dadurch wird die Position der Lichtschranke 2,3 unabhängig in bezug auf die radiale Anordnung (Eingriffstiefe) des Strahlenganges im Bereich der Modulatorzone 6. Die gleichmäßige Verjüngung der Zahn-Lücken-Flanken 34,35 wird erreicht durch das Einhalten gleicher Teilungsabschnitte auf dem Kopfkreis 37 und dem Fußkreis 38 für die Zähne 32 und Lücken 33.

Wie weiter an einem Ausführungsbeispiei gemäß der F i g. 4 gezeigt ist, ist die Lage der Zähne 32 und Lücken 33, bezogen auf die kreisförmige Schlitzscheibe 20, 21, gekennzeichnet durch eine von der radialen Anordnung abweichenden und zur tangentialen Richtung gleichermaßen geneigten Lage. Diese Anordnung der Zahn-Lücken-Elemente 32, 33 in einer Art Schrägzahnprofil hat zum Ziele, daß die elektronischen Hysteresis der Lichtschranke auf einen vergrößerten Überdeckungswinkel α ausdehnbar ist Nimmt man an, wie am Beispiel in F i g. 4 angezeigt ist, ein Strahlengang 39 einer Lichtschranke 2 oder 3 habe einen bestimmten, beispielsweise kreisförmigen, Querschnitt, so überstreicht eine üblicherweise radial verlaufende Ranke den Strahlengang 39 auf einem Überdeckungswinkel ß. Bei der gemäß F i g. 4 gezeigten Ausführungsform mit Schrägzahnprofil erweitert sich der Überdeckungswinkel, bezogen auf denselben Mittelpunktkreis 40 des Strahlenganges 39 auf einen Winkel x, der in Abhängigkeit der beispielsweise angezeigten Schräglage der vorauseilenden Flanke 34 sehr viel größer ist als bei Zahnformen für eine Schlitzscheibe mit radial verlaufenden Flanken. Wie in F i g. 4 angezeigt ist, läßt sich der Überdeckungswinkel bei einer Schlitzscheibe herkömmlicher Art im Vergleich zu der Schlitzscheibe 20,21 mit der hierzu angegebenen Maßnahme zur Anordnung der Zähne 32 und Lücken 33 im Verhältnis ß:x = 3 :5 verändern. Dadurch daß sich damit der Überdeckungswinkel von der Phase des Anschneidens des Strahlenganges 39 bis zur Halbdeckung und entsprechend für die vollständige Abdeckung der zweiten Hälfte des Strahlenganges 39 um jeweils eine ganze Winkeleinheit erweitern läßt, bezogen auf drei Winkeleinheiten für die Gesamtüberdekkung, lassen sich Rücklaufsperrtoleranzen eines Nadelfreilaufs 19 leichter kompensieren. Fehlerimpulse einer Lichtschranke, die aufgrund zu großer Rücklaufsperrtoleranz des mechanischen Nadelfreilaufes 19 entstehen, lassen sich also eliminieren, indem durch die Maßnahmen zur Erweiterung des Überdeckungswinkels automatisch auch der Winkelbereich der elektronischen Hysteresis eine wesentliche Ausdehnung erfährt. Ist die Bedingung erfüllt, daß der der elektronischen Hysteresis der Lichtschranke entsprechende Winkclbcreich auf der Schlitzscheibenblenden 31 größer ist als der durch die Rücklaufsperrtoleranz angegebene Winkel, so wird die Erzeugung eines Fehlerimpulses durch den möglichen Rücklauf der Schlitzscheibenblende 31 absolut verhindert.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Rotationsimpulsgeber mit wenigstens einer optoelektronischen Lichtschranke zur Auflösung von Drehbewegung in einzelne Impulse, bei der die Impulse durch die Bewegung einer Schlitzscheibe mit gleichmäßig nach innen verlaufender Verjüngung der Zahn-Lücken-Flanken im Lichtstrahlengang zwischen einer Lichtquelle und einem Lichtempfänger erzeugt werden, gekennzeichnet durch eine koaxial aus zwei gleichartigen Schlitzscheiben (20, 21) zusammensetzbare und gegeneinander verdrehbeweglich auf ein bestimmtes Zahn-Lücken-Verhältnis fest einstellbare Schlitzscheibenblende (31) und durch eine von der radialen Anordnung abweichende und zur tangentialen Richtung gleichermaßen geneigte Anordnung der Zähne (32) und Lücken (33).