DE3408291A1

DE3408291A1 - Vorrichtung zur bestimmung von positionen bzw. lageaenderungen beweglicher maschinenteile

Info

Publication number: DE3408291A1
Application number: DE19843408291
Authority: DE
Inventors: Paul 7290 Freudenstadt Schwerdt; Albert Dr.-Ing. 7903 Laichingen Wiesmeier
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1984-03-07
Filing date: 1984-03-07
Publication date: 1985-09-19
Also published as: DE3408291C2

Description

Vorrichtung zur Bestimmung von Positionen bzw.
Lageänderungen beweglicher Maschinenteile Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung von Positionen bzw. Lageänderungen beweglicher Maschinenteile mittels Lichtschrankenanordnung mit an das Maschinenteil kuppelbarer Kodierscheibe, welche den stationären Lichtweg zwischen lichtemittierenden und lichtempfindlichen Elementen der Lichtschranke stellungsabhängig freigibt bzw. unterbricht, indem auf der Kodierscheibe als Kodierung angeordnete spiegelnde bzw. eine Spiegelfläche freigebende fensterartige Felder eine Reflexion eines vom lichtemittierenden Element erzeugten Lichtbündels zum lichtempfindlichen Element - je nach Stellung der Kodierscheibe - zulassen bzw. unterbinden.
Bei bekannten derartigen Vorrichtungen, die beispielsweise zur Bestimmung des Kurbelwinkels bei Meßreihen an Brennkraftmaschinen dienen, sind die lichtemittierenden Elemente, beispielsweise Leuchtdioden, sowie die lichtempfindlichen Elemente, beispielsweise Fotowiderstände, zu einer dicht bei der Kodierscheibe angeordneten Einheit zusammengefaßt. Diese Einheit wird bei den genannten Meßreihen an Brennkraftmaschinen u.dgl. durch Vibrationen sowie thermische Einflüsse stark belastet, so daß nur eine relativ begrenzte Lebensdauer der Vorrichtung erreichbar ist. Außerdem ist nachteilig, daß die genannte Einheit ein vergleichsweise großes Bauvolumen aufweist, welches bei der Anordnung der Vorrichtung an bzw. in Maschinen zu Schwierigkeiten führen kann.
Außerdem ist es aus der Druckschrift "IMEKO (International Measurement Confederation) 9th World Congress, 24. bis 28. Mai 1982, Berlin, aus einem Beitrag von H. Sohls-tröm und U. Holm (Fibre Optic Displacement Sensor) bekannt, einen Bewegungssensor dergestalt auszubilden, daß Licht einer Leucht- oder Laserdiode mittels einer Lichtleitfaser auf eine spiegelnde Fläche geleitet wird, von der das auftreffende Licht reflektiert und in eine weitere Lichtleitfaser eingestrahlt wird, die zu einem lichtempfindlichen Element führt.
Bei dieser Anordnung führt eine Bewegung der spiegelnden Fläche zu Änderungen der zum lichtempfindlichen Element gelangenden Lichtintensität. Es wird ausdrücklich hervorgehoben, daß solche Intensitätsänderungen nicht von wechselnden Verlusten unterschieden werden können, die innerhalb der Lichtleitfasern auftreten können. Somit ist dieser Druckschrift entnehmbar, daß die Anordnung von Lichtleitfasern in Geräten der Meßtechnik problematisch sein kann.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine zuverlässige und robuste sowie leicht installierbare Vorrichtung zu schaffen, mit der Positionen bzw. Lageänderungen mit großer Genauigkeit bestimmbar sind.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zwischen der Kodierscheibe und den lichtemittierenden sowie lichtempfindlichen Elementen Lichtleitfasern angeordnet sind, welche das Licht vom lichtemittierenden Element auf die Kodierung und/oder das dort gegebenenfalls reflektierte Licht zum lichtempfindlichen Element leiten, und daß die die Kodierung bildenden Felder als quer zur Bewegungsrichtung der Kodierscheibe ausgerichtete Striche bzw. Streifen ausgebildet und die kodierscheibenseitigen Enden der Lichtleitfasern etwa strich- bzw. streifenparallel nebeneinander angeordnet sind, derart, daß jedes Ende der mit dem lichtemittierenden Element verbundenen Fasern mindestens einem Ende einer mit dem lichtempfindlichen Element verbundenen Faser benachbart ist.
Durch die streifen- bzw. strichförmige Anordnung der Lichtleitfaserenden über der Kodierscheibe sowie die entsprechende Ausbildung der Felder wird ein Lichtbündel mit entsprechend streifen- bzw. strichförmigem Querschnitt erzeugt, so daß die strich- bzw. streifenförmigen Felder das auftreffende Lichtbündel nur innerhalb eines sehr schmalen Bereiches beidseitig der Mittelebene des Lichtbündels wirksam reflektieren können.
Bei bewegter Kodierscheibe empfängt also das lichtempfindliche Element Lichtimpulse mit sehr steilen Anstiegs- und Abfallflanken. Damit können aber auf die Lichtleitfasern einwirkende Außeneinflüsse, welche die übertragungsverluste der Fasern verändern, auf die Signale des lichtempfindlichen Elementes keinen störenden Einfluß haben.
Gleichzeitig wird eine hohe Meßgenauigkeit erreicht, da Beginn und Ende jedes Lichtimpulses mit geringsten Toleranzen bestimmbar sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können alle über der Kodierscheibe endenden Fasern über einen Lichtteiler jeweils mit dem lichtemittierenden sowie dem lichtempfindlichen Element verbunden sein.
Hier dient also jede Faser einerseits dazu, das vom lichtemittierenden Element erzeugte Licht auf die Kodierscheibe zu leiten, andererseits führt dieselbe Lichtleitfaser auch von der Kodierscheibe reflektiertes Licht zum Strahlteiler, welcher dieses Licht zumindest teilweise dem lichtempfindlichen Element zuführt.
Der Vorteil dieser Anordnung liegt vor allem darin, daß die kodierscheibenseitigen Enden der Lichtleitfasern außerordentlich dicht über der Kodierscheibe - theoretisch mit verschwindendem Abstand - angeordnet werden können. Damit kann die Querschnittsaufweitung des Lichtbündels beim Austreten aus den Lichtleitfasern praktisch vernachlässigt werden.
Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform sind die über der Kodierscheibe endenden Fasern alternierend entweder mit dem lichtemittierenden oder dem lichtempfindlichen Element verbunden. Diese Anordnung zeichnet sich durch besondere konstruktive Einfachheit bei gleichzeitig hoher Meßgenauigkeit aus. Das aus einer Lichtleitfaser austretende Licht kann nämlich bereits bei geringen Abständen zwischen den Faserenden und der Kodierscheibe von der letzteren in die mit dem lichtempfindlichen Element verbundenen Fasern reflektiert werden. Darüber hinaus ist vorteilhaft, daß der genannte relativ kleine Abstand insofern optimal ausgewählt werden kann, als Änderungen dieses Abstandes im Sinne einer Abstandsverminderung bzw. Abstandserhöhung jeweils nur zu einer sehr geringfügigen Änderung der Intensität des zum lichtempfindlichen Element gelangenden Lichtes führen.
Auch wenn also die Kodierscheibe eine gewisse Welligkeit aufweisen oder vibrieren sollte, können dann nur vernachlässigbare Modulationen der Intensität des vom lichtempfindlichen Element empfangenen Lichtes auftreten.
Die kodierscheibenseitigen Enden der Lichtleitfasern sind bevorzugt an einer Trägerhülse oder -platte innerhalb eines Schlitzes festgelegt, welcher sich an einem Ende trichterförmig erweitert. Bei der Montage lassen sich die Lichtleitfasern zunächst durch die trichterförmige Erweiterung schieben und dann seitwärts in den Schlitz einführen, wo sie mittels eines Klebers od.dgl. fixiert werden.
Im übrigen wird bezüglich der Merkmale bevorzugter Ausführungsformen auf die Unteransprüche verwiesen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles erläutert, welches in der Zeichnung dargestellt ist. Dabei zeigt Fig. 1 eine Draufsicht auf die Kodierscheibe und Fig. 2 die Anordnung der Lichtleitfasern.
Gemäß Figur 1 sind auf einer kreisförmigen Scheibe 1 aus schlecht reflektierendem Material radiale Streifen 2 aus gut reflektierendem Material angeordnet. Beispielsweise können diese Streifen 2 durch Aufdampfen einer Aluminiumschicht erzeugt werden, die danach mittels Fotoätzverfahren entsprechend dem gewünschten Streifenmuster strukturiert wird.
Wenn beispielsweise der Kurbelwinkel einer Verbrennungskraftmaschine gemessen werden soll, wird die Scheibe 1 auf der Kurbelwelle angeordnet. Nunmehr wird das Muster der Streifen 2 mittels eines Lichtstrahles begrenzten Querschnittes beleuchtet, so daß beim Umlauf der sich zusammen mit der Kurbelwelle drehenden Scheibe 1 taktweise ein reflektierter Strahl erzeugt wird, wenn einer der Streifen 2 vom Licht getroffen wird. Wird der reflektierte Strahl in ein lichtempfindliches Element eingeleitet, so kann eine entsprechende Meßimpulsfolge erzeugt werden.
Erfindungsgemäß wird nun das Licht eines lichtemittierenden Elementes, beispielsweise einer Leuchtdiode (nicht dargestellt) , mittels einer herkömmlichen Einkopplungsvorrichtung 3 in Lichtleitfasern 4 eingekoppelt, die das Licht zur Scheibe 1 auf deren Streifen 2 leiten.
Das dabei aus den scheibenseitigen Enden der Lichtleitfasern 4 austretende Licht wird, wenn es auf einen der Streifen 2 auftritt, reflektiert. Dabei tritt das reflektierte Licht in Lichtleitfasern 5 ein, die über eine Auskopplungsvorrichtung 6 mit einem lichtempfindlichen Element, beispielsweise einem Fotowiderstand (nicht dargestellt), verbunden sind.
Die Lichtleitfasern 4 und 5 sind mit ihren scheibenseitigen Enden innerhalb einer Trägerhülse 7 angeordnet, deren von der Scheibe 1 abgewandtes Stirnende offen ist.
Der das andere Ende der Trägerhülse 7 verschließende Boden besitzt eine Schlitzöffnung 8, deren Querabmessung nur geringfügig größer als der Durchmesser der Lichtleitfasern 4 und 5 ist. Am einen Ende erweitert sich die Schlitzöffnung 8 trichterförmig in eine Öffnung 9, welche im dargestellten Beispiel etwas über den Umfangsmantel der Trägerhülse 7 erstreckt ist.
Zur Montage können die Lichtleitfasern 4 und 5 zunächst durch die öffnung 9 geschoben werden. Dann werden die Fasern 4 und 5 seitwärts in die Schlitzöffnung 8 eingeführt. Dort werden die Fasern fixiert, indem die Trägerhülse 7 vom offenen Stirnende aus oder durch die öffnung 9 mit einem Kleber od.dgl. - zumindest teilweise - ausgegossen wird. Nach Aushärten des Klehers können die aus der Schlitzöffnung 8 gegebenenfalls noch herausstehenden Endstücke der Lichtleitfasern 4 und 5 abgebrochen und zusammen mit der der Kodierscheibe 1 zugewandten Stirnfläche der Hülse 7 poliert werden.
Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, sind die mit dem lichtemittierenden Element verbundenen Lichtleitfasern 4 innerhalb der Schlitzöffnung 8 alternierend mit den an das lichtempfindliche Element angeschlossenen Lichtleitfasern 5 nebeneinander angeordnet. Aufgrund dieser Anordnung ist gewährleistet, daß ein großer Teil des aus den Lichtleitfasern 4 in Richtung der Scheibe 1 austretenden Lichtes bei Auftreffen auf einen der Streifen 2 in die Lichtleitfasern 5 reflektiert wird, wenn die Schlitzöffnung 8 etwa parallel zu den jeweils benachbarten Streifen 2 in solchem Abstand angeordnet ist, daß sich die aus den Lichtleitfasern 4 austretenden Lichtkegel mit den "Gesichtsfeldern" der Lichtleitfasern 5 überschneiden. Der optimale Abstand zwischen den Streifen 2 und den scheibenseitigen Enden der Lichtleitfasern 4 und 5 ist dann erreicht, wenn sowohl eine Abstandserhöhung als auch eine Abstandsverminderung zu einer Verminderung der Intensität des von den Lichtleitfasern 5 zum lichtempfindlichen Element geleiteten Lichtes führen.
Abweichend von der dargestellten Anordnung können die Lichtleitfasern 4 und 5 an ihren von der Hülse 7 abgewandten Enden auch zu einem einzigen Bündel zusammengefaßt sein, wenn als Ein- und Auskopplungsvorrichtung ein Strahlteiler angeordnet ist, welcher einerseits das vom lichtemittierenden Element erzeugte Licht zumindest teilweise in die Fasern 4 und 5 einkoppelt und von den Streifen 2 in die Fasern 4 und 5 reflektiertes Licht zumindest teilweise auf das lichtempfindliche Element lenkt. Als derartige Strahlteiler können beispielsweise in bekannter Weise halbdurchlässige Spiegel u.dgl. dienen.
Bei der zuletzt beschriebenen Anordnung haben die Lichtleitfasern 4 und 5 jeweils eine Doppelfunktion, d.h. sie leiten einerseits das Licht vom lichtemittierenden Element zur Scheibe 1, andererseits führen die gleichen Fasern 4 und 5 das von den Streifen 2 reflektierte Licht zurück, so daß das lichtempfindliche Element erregt werden kann.
Aufgrund der genannten Doppelfunktion können die scheibenseitigen Enden der Lichtleitfasern 4 und 5 beliebig dicht über der Scheibe 1 angeordnet sein, wobei die Intensität des am lichtempfindlichen Element ankommenden Lichtes umso größer ist, je geringer der genannte Abstand eingestellt wird.
Bei beiden dargestellten Ausführungsformen müssen also zur Bestimmung von Positionen bzw. Lageänderungen von Maschinenteilen lediglich die Scheibe 1 sowie die Trägerhülse 7 mit den darin befestigten Lichtleitfasern 4 und 5 an bzw. in der Maschine angeordnet werden. Die lichtemittierenden sowie lichtempfindlichen Elemente können extern angeordnet werden, so daß innerhalb bzw. an der Maschine Raum gespart wird und die genannten Elemente weder Vibrationen noch thermischen Einflüssen oder sonstigen Störungen ausgesetzt sind.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform ist der Schlitz 8 in Draufsicht auf die Kodierscheibe 1 vorzugsweise genau parallel zu den unter ihm vorbeilaufenden Feldern bzw. Streifen 2 ausgerichtet.
Bei einer alternativen Ausführungsform bildet jedoch der Schlitz 8 mit den jeweils unter ihm vorbeilaufenden Streifen 2 einen gewissen Winkel. Außerdem sind die Lichtleitfasern 5 mit mehreren, d.h. mindestens zwei lichtempfindlichen Elementen verbunden, und zwar gruppenweise derart, daß das erste lichtempfindliche Element mit solchen Lichtleitfasern 5 verbunden ist, deren kodierscheibenseitige Enden am einen Endbereich des Schlitzes 8 angeordnet sind, während das jeweils letzte lichtempfindliche Element mit solchen Lichtleitfasern 5 verbunden ist, deren kodierscheibenseitige Enden innerhalb des anderen Endbereiches des Schlitzes 8 aufgenommen sind. In entsprechender Weise können zwischen diesen beiden Gruppen weitere Gruppen von Lichtleitfasern 5 angeordnet sein.
Aufgrund der Schrägstellung des Schlitzes 8 gelangt das von den Feldern 2 reflektierte Licht zu unterschiedlichen Zeitpunkten in die verschiedenen Lichtleitfasergruppen 5, so daß die mehrfach angeordneten lichtempfindlichen Elemente gegeneinander phasenverschobene Ausgangssignale erzeugen. Aus der Reihenfolge der Signale kann damit eine Information über die Bewegungs- bzw. Drehrichtung der Kodierscheibe entnommen werden. Außerdem wird die Genauigkeit der Messung von Positionen bzw. Lageänderungen erhöht, da jeder der Streifen 2 beim Vorbeilauf an der Hülse 7 entsprechend der Zahl der lichtempfindlichen Elemente mehrere Signale hintereinander erzeugt.
Zur optimalen Justierung im Hinblick auf möglichst hohe Meßgenauigkeit kann dabei wie folgt vorgegangen werden: Die Signale der lichtempfindlichen Elemente werden mittels eines Oszillographen dargestellt. Die Ausgangssignale jedes lichtempfindlichen Elementes bilden dabei eine wellenförmige Kurve, etwa nach Art einer eine Sinusfunktion darstellenden Kurve, wobei die unterschiedlichen lichtempfindlichen Elementen zugeordneten Kurven gegeneinander phasenverschoben sind. Durch entsprechende Umschaltung des Oszillographen kann erreicht werden, daß anstelle der genannten Kurven eine Kurve dargestellt wird, welche der überlagerung der vorgenannten Kurven entspricht.
Nun wird die Schrägstellung des Schlitzes 8 unter Drehung der Hülse 7 derart verändert, daß die Welligkeit, d.h. die Modulation, der "überlagerungskurve" möglichst minimal wird. Dieser Fall tritt dann ein, wenn die Ausgangssignale derjenigen lichtempfindlichen Elemente, welche jeweils den Lichtleitfasern 5 an den Endbereichen des Schlitzes 8 zugeordnet sind, gegeneinander um eine halbe Periodenlänge der jeweiligen Impulsfolgen verschoben sind. In diesem Falle weisen die Impulse jeweils nacheinander erregter lichtempfindlicher Elemente bei gleichbleibender Bewegungsgeschwindigkeit der Kodierscheibe 1 gleiche zeitliche Abstände voneinander auf.

Claims

Ansprüche 1. Vorrichtung zur Bestimmung von Positionen bzw. Lageänderungen beweglicher Maschinenteile mittels Lichtschrankenanordnung mit an das Maschinenteil kuppelbarer Kodierscheibe, welche den stationären Lichtweg zwischen lichtemittierenden und lichtempfindlichen Elementen der Lichtschranke stellungsabhängig freigibt bzw. unterbricht, indem auf der Kodierscheibe als Kodierung angeordnete spiegelnde bzw. eine Spiegelfläche freigebende fensterartige Felder eine Reflektion eines vom lichtemittierenden Element erzeugten Lichtbündels zum lichtempfindlichen Element - je nach Stellung der Kodierscheibe - zulassen bzw. unterbinden, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß zwischen der Kodierscheibe (1) und den lichtemittierenden sowie lichtempfindlichen Elementen Lichtleitfasern (4,5) angeordnet sind, welche das Licht vom lichtemittierenden Element auf die Kodierung (Streifen 2) und/oder das dort gegebenenfalls reflektierte Licht zum lichtempfindlichen Element leiten, und daß die die Kodierung bildenden Felder als quer zur Bewegungsrichtung der Kodierscheibe (1) ausgerichtete Striche bzw. Streifen (2) ausgebildet und die kodierscheibenseitigen Enden der Lichtleitfasern (4,5) etwa strich- bzw. streifenparallel nebeneinander angeordnet sind, derart, daß jedes Ende der mit dem lichtemittierenden Element verbundenen Fasern (4) mindestens einem Ende einer mit dem lichtempfindlichen Element verbundenen Faser (5) benachbart ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle über der Kodierscheibe endenden Lichtleitfasern (4,5) über einen Strahlteiler jeweils sowohl mit dem lichtemittierenden als auch mit dem lichtempfindlichen Element verbunden sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die über der Kodierscheibe (1) endenden Fasern (4,5) alternierend entweder mit dem lichtempfindlichen oder dem lichtemittierenden Element verbunden sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die kodierscheibenseitigen Enden der Lichtleitfasern (4,5) an einer Trägerhülse (7) oder -platte in einem Schlitz (8) festgelegt sind, welcher sich an einem Ende trichterförmig erweitert (öffnung 9).
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die als Kodierung angeordneten Spiegel felder (Streifen 2) durch Aufdampfen einer Metallschicht und nachfolgendes Fotoätzverfahren auf der Kodierscheibe (1) erzeugt werden.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die kodierscheibenseitigen Enden der Lichtleitfasern (4,5) - in Draufsicht auf die Kodierscheibe (1) - schräg zu den Strichen bzw. Streifen (2) angeordnet sind, wobei die mit dem lichtempfindlichen Element verbundenen Lichtleitfasern (5) zumindest zwei nebeneinanderliegende Gruppen bilden, von denen jede mit einem gesonderten lichtempfindlichen Element verbunden ist.