DE4217696C2 - Optoelektronischer Signalgeber - Google Patents

Description

Es ist bekannt, einen optoelektronischen Signalgeber mit zumindest zwei nach einer Ausgangsseite lichtemittierenden Dioden und gegenüberliegenden Fotozellen zu bilden (DE 31 11 862 A1). Nach einer spezielleren Ausführung einer Lichtschranke wird das Licht der Leuchtdioden durch eine mit Durchgangsabstand gegenüberliegenden Spiegelfläche reflektiert, so daß die Fotozelle auf der Seite der Leuchtdioden angeordnet werden kann. Das in dem Empfänger (Fotozelle) ankommende Licht wird bekanntlich in ein Signal umgewandelt, das solange ansteht, solange das Licht einfällt. Durch Unterbrechung des Strahlengangs, nämlich, wenn in den Durchgangsabstand ein Gegenstand mit einer geraden Kante eingeschoben wird, wie z. B. bei Druckergeräten ein Blatt Papier, wird das Signal abgeschaltet und ist nach Freiwerden des Durchgangsabstandes wieder anstehend schaltbar. Das anstehende oder nicht anstehende Signal kann für die Auslösung eines Folgevorgangs oder für eine optische oder akustische Anzeige verwendet werden.

Die bekannten Signalgeber nehmen noch einen erheblichen Raum ein und sind nur schwierig zu justieren, so daß die Schaltgenauigkeit leidet.

Der Schaltpunkt hängt dann weniger vom eingeführten Gegenstand als von äußeren Umständen, wie z. B. Streulicht, Lichtstärke, Spannungshöhe des Signals, von der Fotozelle u. dgl. ab.

Aus der DE 36 33 181 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Optokopplers mit einer Reflexlichtschranke bekannt. Der Optokoppler besitzt Blenden, die beschreibungsgemäß dazu dienen, das Licht vom Sender nicht unmittelbar zum Empfänger gelangen zu lassen, ohne die Eigenschaft, eine genaue Wegauflösung zu erreichen. Im Gegenteil ist die dort erwähnte Reflexbeschichtung der Blenden dazu dienlich, eine möglichst große Leucht- bzw. Empfängerfläche zu erzeugen, was zu einer eher ungenauen Wegauflösung führt.

Es ist außerdem bekannt (FR 2 135 819 A1), in einem optoelektronischen Signalgeber einen Spiegel mit Sensor zu verwenden. Durch die Eigenart der Anordnung ergibt sich bei Verwendung von Linsen entweder keine feine Ortsauflösung, wenn der Spiegel sich - innerhalb gewisser, aber weiter Grenzen in einem beliebigen Abstand vom Sensor befinden können soll oder aber man erhält die angestrebte feine Ortsauflösung nur in einer eng begrenzten Schärfenebene und nur bei einer genauen festgelegten Entfernung des Spiegels.

Aus der DE 22 47 717 A1 ist ferner eine Lichtschranke bekannt, bei der optische und elektronische Bauelemente des Sende- oder des Empfangsteils auf Leiterplatten angeordnet sind und für den Sende- und den Empfangsteil jeweils eine Optik vorgesehen ist, in deren Brennpunkt ein optisches Bauelement liegt. Hier bildet jedoch eine durchsichtige Vergußmasse mit ihrer Oberfläche die Optik für das optische Bauelement. Als Einheit bildet der bekannte Gegenstand eine integrierte Empfängerschaltung.

Schließlich ist aus der DE 31 37 835 C2 ein optischer Näherungsschalter bekannt, der auf einer Lichtbündelgeometrie basiert. Dabei sind divergierende Sendebündel vorgesehen, die sich überlappen.

Keine der bekannten Lösungen kann demgegenüber volumenmäßig kleinstmöglich gehalten werden, so daß sie auf einer einzigen Leiterplatte untergebracht werden könnte.

Der in Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen volumenmäßig kleinstmöglichen Signalgeber zu schaffen, der leicht justierbar ist oder bei dem sich eine einfachere Justierung ergibt und dessen Schaltgenauigkeit verbessert wird.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Zusammenfassung von Fotozelle mit der zugehörigen Empfängerschaltung schon zu einem sehr kleinen aber genau arbeitenden Empfänger führt. Insbesondere ist es vorteilhaft, daß zu der Fotozelle lange Leitungswege vermieden werden. Der Empfänger schaltet mit einer Genauigkeit, die bei einer Papierkante erreicht wird, von ca. 0,1 bis ca. 0,3 mm.

Außerdem erhält man einen sehr großen Schärfenbereich, so daß Gegenstände die bis zu 15 mm dick sind in den Durchgangsabstand eingeführt werden können.

Der Empfänger kann außerdem auf besondere focussierende Elemente verzichten.

Um Streustrahlungen zu vermeiden, wird vorgeschlagen, daß die Kappe um die Strahlenöffnung herum mit einer lichtundurchlässigen Schicht versehen ist.

Zur Vermeldung von Fremdlicht und damit zur Vermeidung von Fehlschaltungen oder Ungenauigkeiten ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die zwei Leuchtdioden derart in einer Verbindungs-Ebene angeordnet sind, daß sich ihre Lichtbündel in Form von Strahlenkegeln, in derselben Verbindungs-Ebene überlappen.

Die Effizienz des Strahlengangs wird außerdem noch dadurch gesteigert, daß die Kappe nichtleitend ist, sind auch die Leuchtdioden abgedeckt, und daß der Spalt die Verbindungs-Ebene definiert.

Der Signalgeber wird insgesamt leicht handhabbar verwendbar und überall dort einsetzbar, wo wenig Raum zur Verfügung steht, indem auf einer gemeinsamen Leiterplatte zumindest die Leuchtdioden, der Empfänger auf der Grundplatte mit der integrierten Empfängerschaltung, die Kappe und eine Steckverbindung für die notwendige Energieversorgung bzw. Steuerspannung angeordnet sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben:

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des optoelektronischen Signalgebers,

Fig. 2 einen senkrechten Schnitt durch den Strahlengang der Leuchtdioden und des Empfängers,

Fig. 3 einen senkrechten Schnitt durch die Kappe mit der im Innern liegende Fotodiode und

Fig. 4 die Empfängerschaltung.

Der optoelektronische Signalgeber besteht aus zwei Leuchtdioden 1a und 1b, die an ihrer Ausgangsseite 2 Licht durch einen Durchgangsabstand 3 hindurch aussenden, der bis zu 15 mm betragen kann, ohne daß die Schärfentiefe leidet. Der Durchgangsabstand 3 wird durch eine Spiegelfläche 4 begrenzt, die an einem Glasspiegel oder einer metallischen Fläche angebracht sein kann. Von der Spiegelfläche 4 gelangen Lichtstrahlen 5 auf dem dargestellten Strahlengang 5a zurück in einen Empfänger 6. Die Lichtstrahlen 5 treten durch eine Strahlenöffnung 5b mit einer Erweiterung 5c, die ähnlich einer Fotoöffnung 7 wirkt.

Der Empfänger 6 besteht zunächst aus der Fotoöffnung 7 mit einer Fotodiode 7a, die unmittelbar an eine integrierte Empfängerschaltung 8 auf einer gemeinsamen Chip-Grundplatte 9 angeschlossen ist.

Die Fotoöffnung 7 bildet die sich im Strahlengang 5a erweiternde Strahlenöffnung 5b, wobei die Fotodiode 7a sich im Bereich der größten Erweiterung 5c nahezu auf der Grundplatte 9 befindet, d. h. Bestandteil der integrierten Empfängerschaltung 8 ist.

Außen neben die Strahlenöffnung 5b fallende reflektierte Streulichtstrahlen 5d werden an der kegelförmigen Erweiterung abgelenkt (Fig. 3). Es ist jedoch auch möglich, auf der Fotoöffnung 7 um die Strahlenöffnung 5b herum eine lichtundurchlässige Schicht 10 anzubringen, so daß Streulichtstrahlen 5d erst gar nicht in den aus künstlichem Glas gefertigten Teil eindringen können.

Gemäß Fig. 2 sind die zwei Leuchtdioden 1a und 1b derart in einer Ebene 11 angeordnet, daß die Strahlenkegel 12 sich in derselben Ebene 11 in einem Teil 12a überlappen.

Der Empfänger 6, also ein Chip 18 mit der Fotodiode 7a und der integrierten Empfängerschaltung 8 und die beiden Leuchtdioden 1a und 1b sind mittels einer elektrisch nicht leitenden Kappe 13 aus transparentem oder nicht transparentem Kunststoff abgedeckt. Die Kappe 13 bildet einen Spalt 14, der die Bildung der gemeinsamen Ebene 11 bewirkt. Durch den Spalt 14 wird daher die Ebene 11 der Strahlenkegel 12 eindeutig bestimmt. Dementsprechend treten die Lichtstrahlen 5 in dieser Ebene aus den Leuchtdioden 1a und 1b aus und fallen in derselben Ebene reflektiert von der Spiegelfläche 4 in den Empfänger 6 ein.

Auf einer gemeinsamen Leiterplatte 15 sind nicht nur die Leuchtdioden 1a und 1b, sondern auch der Empfänger 6 mit der Fotodiode 7a und der Empfängerschaltung 8, die Kappe 13 und eine Steckverbindung 16 für die Energieversorgung zu einer Einheit zusammengefaßt.

Die Empfängerschaltung 8 (Fig. 4) sieht die parallel geschalteten, an einem Spannungspotential von 5 V liegenden Leuchtdioden 1a und 1b vor, Fotodiode 7a, die an einen Verstärker 17 angeschlossen ist, der neben der Verstärkung eine Digitalisierung bewirkt, und einen externen Widerstand R zur Empfindlichkeitseinstellung. Die Fotodiode 7a und der Verstärker 17 bilden den auf der Grundplatte 9 angeordneten Chip 18. Der Chip 18 der Empfängerschaltung 8 ist ohne eigenes Gehäuse direkt auf die gemeinsame Leiterplatte 15 gebondet.

Sobald Papier 19 mit seiner Papierkante 19a in Papiertransportrichtung 19b eingeschoben wird, was für jeden anderen flachen Gegenstand ebenfalls zutrifft, gelangt die Papierkante 19a in das Licht, das aus einem sehr kleinen Winkel (ca. 2 Grad) auf die ebenfalls sehr kleine Empfänger-Strahlenöffnung 5b gelangt. In Richtung der Verbindungs-Ebene 11 der beiden Leuchtdioden 1a und 1b kann aus einem wesentlich größeren Winkel Licht zur Fotodiode 7a gelangen. Bewegt sich ein Hindernis (z. B. die beschriebene Papierkante 19a) senkrecht zur Verbindungs-Ebene 11, so können ab einem durch die kleine Breite des Spaltes 14 in der Kappe 13 bestimmten Punkt keine Lichtstrahlen 5 mehr von den Leuchtdioden 1a und 1b über die Spiegelfläche 4 zum Empfänger 6 kommen. Je nach Lage des Papiers 19 zwischen der Kappe 13 und der Spiegelfläche 4 werden verschieden große Bereiche des Papiers 19 beleuchtet. Das Papier 19 (auch sehr weißes) strahlt diffus in alle Richtungen, so daß sich die eingestrahlte Lichtmenge in alle Richtungen verteilt. Die dann auf der Fläche der Fotodiode 7a ankommende Lichtmenge liegt weit unter jenem Pegel, den die Spiegelfläche 4 erzeugt. Die nachfolgende Empfängerschaltung 8 bewirkt dennoch ein digitales Ausgangssignal.

Die Empfindlichkeit und damit auch der zulässige Abstandsbereich (Durchgangsabstand 3) ist durch den Widerstand R in einem gewissen Bereich einstellbar.

Für die strahlbegrenzende Kappe 13 gibt es zwei Ausführungsformen:

Zum einen kann eine wie gekennzeichnet keilförmige Ausführung im Innern des aus einem künstlichen Glas hergestellten Teils (nur in Richtung senkrecht zu einer Verbindungslinie der Leuchtdioden 1a und 1b) dazu führen, daß alle Strahlen, welche nicht an der parallel ausgebildeten Nahtstelle der beiden Keile von außen auf die Kappe 13 auftreffen, durch Totalreflexion nach außen wieder weg reflektiert werden. Daneben wird auch bei voller Transparenz eine Spaltwirkung erzeugt. Voraussetzung ist hier aber eine sehr gute Ausführung dieses Glasteils.

Um die hohen Anforderungen des aus gespritztem Kunststoff hergestellten Teils der Kappe 13 reduzieren zu können, gibt es die nachfolgend beschriebene Ausführungsform:

Danach ist die Kappe 13 zum anderen über den Empfänger 6 aus lichtundurchlässigem Material gespritzt. An der Nahtstelle der beiden Keile ist der offene Spalt 14 über die Länge der Kappe 13 und der Breite ca. 0,1 mm. Über der Kappe 13 befindet sich als Verschlußstück ein Tageslichtsperrfilter, welches nur infrarotdurchlässig ist und auch den Spalt 14 gegen Auffüllen durch Staub schützt.

Eine andere Variante ist außerdem möglich:

Der hochintegrierte Chip 18 steuert die Leuchtdioden 1a und 1b mit moduliertem Licht an und wertet auch nur dieses aus.

Durch eine andere Wahl des Widerstandes R für die Empfindlichkeits-Einstellung ist der Empfänger 6 auch einsetzbar für die Erkennung von schwarzen Markierungen auf weißem Papier oder eines relativ groben Strich-Codes.

Zwecks Verminderung des erforderlichen Raums für den Signalgeber sowie Vereinfachung der Justierung und Verbesserung der Schaltgenauigkeit, wird vorgeschlagen, daß der Empfänger 6 aus einer Fotodiode 7a besteht, die zusammen mit einer integrierten Empfängerschaltung 3 auf einer gemeinsamen Grundplatte 9 angeordnet ist, wobei die Fotodiode 7a unmittelbar an die integrierte Empfängerschaltung 8 angeschlossen ist.

Bezugszeichenliste

 1a Leuchtdiode
 1b Leuchtdiode
 2 Ausgangsseite
 3 Durchgangsabstand
 4 Spiegelfläche
 5 Lichtstrahlen
 5a Strahlengang
 5b Strahlenöffnung
 5c Erweiterung, größte
 5d Streulichtstrahlen
 6 Empfänger
 7 Fotoöffnung
 7a Fotodiode
 8 Empfängerschaltung, integrierte
 9 Grundplatte
10 Lichtundurchlässige Schicht
11 Ebene
12 Strahlenkegel
12a Überlappender Teil der Strahlenkegel
13 Kappe
14 Spalte
15 Leiterplatte, gemeinsame
16 Steckverbindung
17 Verstärker
18 Chip
19 Papier
19a Papierkante
19b Papiertransportrichtung
R Widerstand

Claims (5)

1. Optoelektronischer Signalgeber mit in einem Strahlengang zumindest zwei nach einer Ausgangsseite Lichtbündel emittierenden Leuchtdioden und einer diesen in einem Durchgangsabstand gegenüberliegenden Spiegelfläche, von der die Lichtbündel zu einem fotoelektrischen Empfänger reflektierbar sind, wobei

• - ein im Empfänger anstehendes Signal durch Unterbrechung des Strahlengangs bei Belegung des Durchgangsabstandes abschaltbar und nach Freiwerden des Durchgangsabstandes wieder anstehend schaltbar ist,
• - der Empfänger (6) aus einer Fotodiode (7a) besteht, die zusammen mit einer integrierten Empfängerschaltung (8) auf einer gemeinsamen Grundplatte (9) angeordnet ist,
• - die Fotodiode (7a) unmittelbar an die integrierte Empfängerschaltung (8) angeschlossen ist und
• - eine zumindest über der Fotodiode (7a) angeordnete Kappe (13) einen Spalt (14) und eine sich im Strahlengang (5a) erweiternde Strahlenöffnung (5b) derart aufweist, daß die Fotodiode (7a) im Bereich der größten Erweiterung (5c) der Strahlenöffnung (5b) liegt.

2. Signalgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kappe (13) um die Strahlenöffnung (5b) mit einer lichtundurchlässigen Schicht (10) versehen ist.

3. Signalgeber nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Leuchtdioden (1a, 1b) derart in einer Verbindungs-Ebene (11) angeordnet sind, daß sich ihre Lichtbündel in Form von Strahlenkegeln (12) in derselben Verbindungs-Ebene (11) überlappen.

4. Signalgeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kappe (13) elektrisch nicht leitend ist, auch die Leuchtdioden (1a, 1b) abdeckt und daß der Spalt (14) die Verbindungsebene definiert.

5. Signalgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer gemeinsamen Leiterplatte (15) zumindest die Leuchtdioden (1a, 1b), der Empfänger (6) auf der Grundplatte (9) mit der integrierten Empfängerschaltung (8), die Kappe (13) und eine Steckverbindung (16) für die notwendige Energieversorgung bzw. Steuerspannung (17) angeordnet sind.