DE4113720A1 - Gabellichtschranke - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gabellichtschranke, bei der eine lichtaussendende Fläche in einem ersten Teil auf eine im Abstand angeordnete lichtempfangende Fläche in einem zweiten Teil gerichtet ist.

Bei Gabellichtschranken bildet die Strecke zwischen der lichtsenden­ den und lichtempfangenden Fläche einen optischen Kanal, der von lichtundurchlässigen oder weitgehend lichtundurchlässigen Gegenstän­ den unterbrochen wird. Eine Unterbrechung wird in einer Empfangs­ schaltung, die einen lichtelektrischen Empfänger und eine Signalaus­ wertschaltung enthält, erkannt und zur Steuerung von Vorgängen ausgenutzt.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Gabellichtschranke zu entwickeln, die konstruktiv sehr einfach ausgebildet ist und keine Justage des optischen Strahlenganges benötigt.

Das Problem wird bei einer Gabellichtschranke der eingangs be­ schriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das erste und das zweite Teil längliche, parallele Längsachsen aufweisende massive Lichtleiter sind, die jeweils an einem Ende über mindestens ein Zwi­ schenstück starr miteinander verbunden und am anderen Ende durch plane, gegen die Längsachsen unter einem Winkel von fünfundvierzig Grad geneigte Flächen abgeschlossen sind, die sich auf den einander abgewandten Seiten der Lichtleiter befinden und bezüglich der Längsachsen auf gleichem Niveau angeordnet sind, daß an einem der schrägen Fläche abgewandten Ende des einen Lichtleiters ein Sender angeordnet ist, der überwiegend Licht in Richtung der Längsachse einspeist, und daß an dem der schrägen Fläche abgewandten Ende des anderen Lichtleiters ein Empfänger für von den schrägen Flächen reflektiertes Licht vorgesehen ist. Bei dieser Gabellichtschranke wird der optische Weg durch die beiden Lichtleiter und die Strecke zwischen den Lichtleitern gebildet. Das vom Sender ausgehende Licht wird an der geneigten Fläche reflektiert und tritt an einer Längs­ seite des Lichtleiters aus. Wenn sich in der Strecke zwischen den beiden Lichtleitern kein Gegenstand befindet, dann tritt das Licht in eine Längsseite des anderen Lichtleiters ein und gelangt zur geneigten Fläche, an der es zum Empfänger reflektiert wird. Durch die starre Verbindung der Lichtleiter ist eine feste Ausrichtung der geneigten Flächen aufeinander vorhanden, so daß keine Justage am Aufstellungsort notwendig ist. Die Gabellichtschranke hat eine hohe mechanische Stabilität. Außerdem ist die Lichtschranke auch unempfindlich gegen gewisse Abweichungen der länglichen Lichtleiter in bezug auf die Parallelität der Längsachsen. Dies bedeutet, daß stoßartige mechanische Beanspruchungen, die Schwingungen der Lichtleiter verursachen können, keinen Einfluß auf die einwandfreie Funktion haben.

Vorzugsweise sind die Lichtleiter ein tückig jeweils an einem Ende über ein Joch miteinander verbunden. Bei dieser Ausführungsform ist keinerlei Justage mehr erforderlich. Außerdem kann die Einheit in einem Arbeitsgang, insbesondere durch Spritzgießen, d. h. besonders wirtschaftlich, hergestellt werden.

Die Lichtleiter haben vorzugsweise in etwa parallele, in Längsrich­ tung rechteckige, ebene Seitenwände. Eine Einheit mit einer so einfachen geometrischen Gestalt läßt sich kostengünstig herstellen. Insbesondere können die Lichtleiter in Richtung der geneigten Flächen konisch sich verjüngen. Eine solche Form eignet sich besonders gut für das Spritzgußverfahren.

Bei einer anderen zweckmäßigen Ausführungsform sind die Lichtleiter in Längsrichtung zylindrisch ausgebildet. Mit einer derartigen Gabellichtschranke lassen sich auch Gegenstände mit kleinen Abmessun­ gen erkennen. Diese Eigenschaft ist auf eine gewisse Fokussierung des Lichtbündels zwischen den Lichtleitern durch die zylindrische Wand zurückzuführen.

Es ist günstig, wenn in den Lichtleitern an ihren den schrägen Flächen abgewandten Enden jeweils Bohrungen vorgesehen sind, in die jeweils ein Lichtsender oder Lichtempfänger eingesetzt ist. Die Lichtleiter bilden hierbei zugleich Halter für die Sende- bzw. Empfangselemente. Die Böden der Bohrungen sind zweckmäßigerweise plan ausgebildet. Dies ist günstig für die Ausbeute, d. h. den Anteil des Lichts der zum Empfänger gelangt. Der Lichtempfänger weist insbesondere eine Linse auf, die das einfallende Licht zu einer lichtempfindlichen Schicht leitet. Mit dieser Maßnahme wird die Ansprechempfindlichkeit erhöht.

Die oben beschriebene Gabellichtschranke kann auch als Drehzahlsensor oder Drehwinkelgeber verwendet werden. Während bei der Verwendung als Drehzahlsensor der Strahlengang durch ein drehzahlabhängiges Element periodisch unterbrochen und freigegeben wird, ist für einen Dreh­ winkelgeber eine gewisse Anpassung notwendig. Ein Drehwinkelgeber ist vorzugsweise so aufgebaut, daß ein länglich an einem Ende den Lichtsender enthaltender Lichtleiter am andren Ende mit mindestens einer schrägen Fläche abgeschlossen und in der Mitte eines topfförmi­ gen Lichtleiters drehbar angeordnet ist, der an seinem oberen Rand in gleichmäßigen Abständen plane nach außen gerichtete Flächen aufweist, denen am Boden des topfförmigen Lichtleiters jeweils Lichtempfänger zugewandt sind. Diesen Lichtempfängern ist eine Winkelskala zugeordnet.

Anstelle der Lichtempfänger können Lichtleitfaserbündel vorgesehen sein, deren andere Enden an eine Skala die Winkelmasse beleuchten. Durch einen den mittleren Lichtleiter umgebenden einstellbaren Schirm mit Aussparungen ist es möglich, zusätzlich auch die Drehrichtung zu bestimmen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Gabellichtschranke in Seitenansicht, teilweise im Schnitt.

Fig. 2 die in Fig. 1 dargestellte Gabellichtschranke von einer Frontseite aus

Fig. 3 eine Gabellichtschranke mit zylindrischen Lichtleitern von der Frontseite aus

Fig. 4 eine Gabellichtschranke mit einem Anzeigeelement in Seitenansicht, teilweise im Schnitt

Fig. 5 einen Drehwinkelgeber im Längsschnitt

Eine Gabellichtschranke 1 enthält als lichtaussendendes Teil 2 einen länglichen, massiven Lichtleiter 3, der nicht näher bezeichnete parallele Seitenwände hat. Der Lichtleiter 3 hat rechteckige Querschnitte. Als lichtempfangendes Teil 4 ist ein länglicher, massiver Lichtleiter 5 mit nicht näher bezeichneten, parallelen Seitenwänden vorgesehen. Ein Joch 6 verbindet die Lichtleiter 3, 5 an jeweils einem Ende. Das Joch 6 ist vorzugsweise aus dem gleichen Material wie die Lichtleiter 3, 5 und einstückig mit diesen ausgebil­ det. Die Wände der Lichtleiter 3, 5 verlaufen im wesentlichen parallel zueinander. Die durch die Mitte der Lichtleiter 3, 5 verlaufenden Längsachsen 7, 8, die in Fig. 1 strichpunktiert dargestellt sind, verlaufen ebenfalls parallel zueinander.

An den, dem Joch 6 abgewandten Enden weisen die Lichtleiter 3, 5 je eine plane Fläche 9, 10 auf. Die Flächen 9, 10 sind gegen die Längsachen 7, 8 jeweils unter 45° geneigt. Die Abschrägung der Enden durch die Flächen 9, 10 betrifft nicht die einander zugewandten Flächen der Lichtleiter 3, 5. Die Flächen 9, 10 sind daher nach außen gerichtet. Die Längen der beiden Lichtleiter 3, 5 sind gleich. In bezug auf die Längsachen 7, 8 haben die Flächen 9, 10 das gleiche Niveau, d. h. die Abstände von den Enden sind gleich groß. Die auf die Ebenen durch die Längsachen 7, 8 projizierten Flächen der beiden Flächen 9, 10 sind demnach deckungsgleich.

An den jochseitigen Enden der Lichtleiter 3, 4 sind jeweils Bohrungen 11, 12 angeordnet, deren Mittelachsen deckungsgleich mit den Längsachsen 7, 8 sind. Die Bohrungen 11, 12 haben plane Stirnflächen 13, 14. In die eine Bohrung 17 ist ein Lichtsender 15 in Form einer Sendediode für infrarote Strahlung eingesetzt. Die Sendediode kann eine Linse aufweisen. Dies ist jedoch nicht unbedingt notwendig. Eine geeignete Sendediode ist z. B. die unter der Type TSHA 5203 von der Firma Telefunken Electronic GmbH in Heilbronn hergestellte und vertriebene Sendediode.

In die andere Bohrung 12 ist als Lichtempfänger 16 ist eine fotoelek­ trische Empfängerdiode eingesetzt. Der Lichtempfänger hat vor­ zugsweise eine Linse 17. Bei der Empfängerdiode kann es sich um eine unter der Type BPW 77A von der Firma Telefunken Electronic GmbH in Heilbronn hergestellt und vertriebene Empfängerdiode handeln. Wie sich aus der Fig. 1 ersehen läßt, ist die Gabellichtschranke symmetrisch in bezug auf die Lichtleiter 3, 5, das Joch 6 und die Bohrungen 11, 12 aufgebaut. Daher können der Lichtsender 15 und der Lichtempfänger 16 auch umgekehrt in den Bohren 12 bzw. 11 angeordnet sein. Die Lichtleiter 3, 5 und das Joch 6 sind insbesondere aus Acryl oder Polycarbonat hergestellt. Sie können aber auch aus anorganischem Glas bestehen. Es eignet sich jedes transpartente Material mit einem Brechungsindex größer ν2.

Acrylglas, z. B. Plexiglas oder Makrolon, hat eine gute Durchlässig­ keit für infrarote Strahlung.

In Fig. 1 ein Teil des Strahlengangs des Lichts zwischen Lichtsender 15 und Lichtempfänger 16 dargestellt. Vom Lichtsender 15 ausgehende Strahlen 18 breiten sich in Längsrichtung des Lichtleiters 3 aus und treffen auf die Fläche 9 auf, von der sie unter dem Auftreffwinkel zu der Normalen auf die Fläche 9 reflektiert werden. Es findet dabei eine Totalreflexion statt. Die Wellenlänge des Lichts und die optischen Eigenschaften des Lichtleitermaterials sind so aufeinander abgestimmt, daß an den Flächen 9, 10 Totalreflexion stattfinden kann. Strahlen 19, die von der Fläche 9 reflektiert werden, ändern ihre Richtung um 90°, treten aus der inneren Längswand des Lichtlei­ ters 3 aus und durchlaufen den Raum 20 zwischen den Lichtleitern 3, 5. Wenn sich in diesem Raum kein Gegenstand befindet, dann treffen die Strahlen 19 auf den Lichtleiter 5 auf und treten in diesen ein.

Die Strahlen 19 gelangen zu der Fläche 10, an der sie in Richtung des Lichtempfängers 16 reflektiert werden. Es gelangt ein großer Teil des vom Lichtsender 15 ausgesandten Lichts insbesondere dann zum Lichtempfänger, wenn dieser mit einer Sammellinse 17 versehen ist. Beispielsweise gelangt auch Licht, das an den Seitenwänden des Lichtleiters reflektiert wird und dann erst auf die Fläche 9 auftrifft, ebenfalls zum Lichtempfänger.

Die aus den Lichtleitern 3, 5 und dem Joch 6 bestehende einstückige Einheit ist bei einer zweckmäßigen Ausführungsform an einem Ende in einem Gehäuse 21 untergebracht, aus dessen Öffnungen die Lichtleiter 3, 5 herausragen. Längs des Jochs 6 ist auf der den Lichtleitern 3, 5 abgewandten Seite eine Leiterplatte 22 angebracht, auf der der Lichtsender 11 und der Lichtempfänger 16 sowie weitere elektronische Bausteine, z. B. ein Schwellwertdiskriminator 23, befestigt sind.

Die aus den Lichtleitern 3, 5 und dem Joch 6 bestehende Einheit wird vorzugsweise als Spritzgußteil hergestellt. Die Wände der Lichtlei­ ter 3, 5 können dabei an die fertigungstechnischen Bedingungen für Spritzgußteile angepaßt werden und leicht konisch verlaufen. Wegen der einfachen geometrischen Formen läßt sich bereits ein kosten­ günstiges Spritzgußwerkzeug für die vorstehend beschriebenen Teile herstellen. Die elekttronischen Teile, wie Lichtsender 15, Licht­ empfänger 16, Schwellwertdiskriminator 23, Gleichrichter usw., werden auf der Leiterplatte 22 befestigt. Danach wird die Leiterplatte 22 unter Einfügung des Lichtsenders 15 in die Bohrung 11 und des Licht­ empfängers 16 in die Bohrung 12 mit dem Joch 6 verbunden. Einstell- und Justierarbeiten für die optischen Elemente sind nicht erforder­ lich.

Es ist nicht notwendig, daß die Lichtleiter 3, 5 rechteckige Querschnitte haben. Die Querschnittsform bestimmt die Form der Flächen 9, 10 und damit die Form des Lichtbündels in der Luftstrecke. Vorteilhaft ist ein kreisförmiger Querschnitt, wenn kleine Gegen­ stände erfaßt werden sollen. Die Fig. 3 zeigt zylindrische Lichtlei­ ter 24, 25, deren schräge Flächen elliptisch ausgebildet sind.

Für Anwendungsfälle, bei denen am Einsatzort eine Anzeige über den Zustand der Gabellichtschranke erwünscht ist, eignet sich die in Fig. 4 gezeigte Lichtschranke 26. Bei dieser Gabellichtschranke 26 sind neben den Lichtleitern 27, 28 für die Führung der Strahlen zwischen Lichtsender 30 und Lichtempfänger 31 und dem Joch 29 ein Vorsprung 32 des Jochs 29 vorhanden, dessen Ende einen abgewinkelten Abschnitt 33 aufweist. In das eine Ende 34 ist in einer nicht näher bezeichneten Bohrung eine Lumineszenzdiode 35 eingesetzt, die gemeinsam mit Lichtsender 30 und Lichtempfänger 31 und weiteren elektronischen Teilen auf einer Leiterplatte 36 befestigt ist. Die Lumineszenzdiode 35 zeigt z. B. an, ob die Gabellichtschranke 26 auf einen Gegenstand angesprochen hat.

Anstelle von Lichtempfängern 16, 31 in zylindrischen Gehäusen können auch anders ausgebildete Lichtempfänger - z. B. flächige - verwendet werden. Eine Bohrung im Joch 6 oder 29 ist für derartige Licht­ empfänger nicht notwendig.

Die Fig. 5 zeigt eine weiterentwickelte Gabellichtschranke, die als Drehstellungsgeber 37 ausgebildet ist. Ein Lichtleiter 38 ist über Befestigungsmittel 39 mit einem drehbaren Körper verbunden, der nicht dargestellt ist. Der Lichtleiter 38 ist in nicht dargestellter Weise drehbar gelagert. Ein stationärer Lichtsender speist in eine Stirnseite des Lichtleiters 38 Licht ein. Das andere Ende des Lichtleiters weist zwei unter 45° gegen die Längsachse geneigte Flächen 42, 41 auf. Der Lichtleiter 38 ist zentrisch in einem stationären topfförmigen Körper 43 aus lichtleitendem Material angeordnet. An dem oberen Rand des Körpers 43 ist ein Kranz von gleich großen schrägen Flächen 44 angeordnet. Unterhalb der Flächen 44 sind am Boden des Körpers 43 Fotoelemente 45 vorgesehen. Jedem Fotoelement 45 ist eine bestimmte Winkelstellung des Lichtleiters 38 zugeordnet. Wenn sich der Lichtleiter 38 in der entsprechenden Stellung befindet, gelangt Licht vom Lichtsender 40 über den Lichtleiter 38, den Abstand zwischen Lichtleiter 38 und dem Körper 43 und den Seitenwänden des Körpers 43 zum jeweiligen Lichtempfänger 45. Die Drehstellung kann auf einer Skala angezeigt werden, die An­ zeigelemente aufweist, die von den Fotoelementen 45 gespeist werden.

Der Lichtleiter 38 ist zumindest teilweise von einem Zylinder 46 konzentrisch umgeben, der Wanddurchlässe 47 aufweist. Der Zylinder 46 ist stationär und kann durch ungleiche Abstände zwischen den Wanddurchlässen dann verwendet werden, um neben der Drehzahl auch die Drehrichtung anzugeben.

Claims (8)

1. Gabellichtschranke bei der eine lichtaussendende Fläche in einem ersten Teil auf eine im Abstand angeordnete, lichtempfan­ gende Fläche in einem zweiten Teil gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Teil (2, 3) jeweils längliche, parallele Längsachsen (7, 8) aufweisende massive Lichtleiter (3, 5) sind, die jeweils an einem Ende mindestens über ein Zwi­ schenstück starr miteinander verbunden und am anderen Ende durch plane, gegen die Längsachsen (7, 8) unter einem Winkel von fünfundvierzig Grad geneigte Flächen (9, 10) abgeschlossen sind, die sich auf den einander abgewandten Seiten der Lichtleiter (3, 5) befinden und bezüglich der Längsachsen (7, 8) auf gleichem Niveau angeordnet sind, daß an einem der schrägen Fläche (9) abgewandten Ende des einen Lichtleiters (3) ein Sender an­ geordnet ist, der Licht überwiegend in Richtung der Längsachse (7) einspeist, und daß an dem der schrägen Fläche (10) abgewandten Ende des anderen Lichtleiters (5) ein Empfänger für von den schrägen Flächen (9, 10) reflektiertes Licht vorgesehen ist.

2. Gabellichtschranke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiter (3, 5) einstückig jeweils an einem Ende über ein Joch (6) miteinander verbunden sind.

3. Gabellichtschranke nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwellenleiter (3, 5) in etwa parallele, in Längsrichtung rechteckige, ebene Seitenwände haben.

4. Gabellichtschranke nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiter (24, 25) in Längsrichtung zylindrisch ausgebildet sind.

5. Gabellichtschranke nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Lichtleitern (3, 5) an ihren den schrägen Flächen (9, 10) abgewandten Enden jeweils Bohrungen (11, 12) vorgesehen sind, in die jeweils ein Lichtsender (15) oder Lichtempfänger (16) eingesetzt ist.

6. Gabellichtschranke nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen (13, 14) der Bohrungen (11, 12) plan ausgebildet sind.

7. Gabellichtschranke nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtempfänger (16) eine Linse (17) aufweist.

8. Gabellichtschranke nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein drehbar gelagerter, massiver, länglicher Lichtleiter (38) Befestigungsmittel für die Verbindung mit einem drehbaren Gegenstand aufweist und von einem topfförmigen Lichtleiter (43) konzentrisch umgeben ist, daß am Rand des topfförmigen Lichtleiters (43) ein Kranz von abgeschrägten Flächen (44) vorgesehen ist, denen am Boden des Lichtleiters (43) Fotoele­ mente (45) gegenüberstehen, und daß der drehbare Lichtleiter (38) in Höhe des Rands des topfförmigen Lichtleiters (43) mindestens eine abgeschrägte Fläche (41) aufweist und an einem Ende einem stationären Lichtsender (40) gegenübersteht.