WO1992015841A1 - Einrichtung für das übertragen von licht auf einer drehenden welle - Google Patents

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WO1992015841A1
WO1992015841A1 PCT/EP1992/000464 EP9200464W WO9215841A1 WO 1992015841 A1 WO1992015841 A1 WO 1992015841A1 EP 9200464 W EP9200464 W EP 9200464W WO 9215841 A1 WO9215841 A1 WO 9215841A1
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WO
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light
light guide
ring
rotatable part
guiding ring
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Application number
PCT/EP1992/000464
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French (fr)
Inventor
Hans-Ulrich Wyss
Hanspeter Heer
Original Assignee
Elcede Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/42—Devices characterised by the use of electric or magnetic means
    • G01P3/44—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/347—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells using displacement encoding scales
    • G01D5/34707—Scales; Discs, e.g. fixation, fabrication, compensation
    • G01D5/34715—Scale reading or illumination devices
    • G01D5/34723—Scale reading or illumination devices involving light-guides

Definitions

  • the invention relates to a device for the transmission of light between a stationary part and a movable part, preferably rotatable about an axis, according to the preamble of claim 1, the preamble of claim 2 or the preamble of claim 3.
  • German Offenlegungsschrift 3200204 A1 shows a system in which a light transmitter and a light receiver are accommodated in one measuring location of a rotatable part. Both the transmitter and the receiver are routed to the front ends of a shaft via flexible light guides. Opposite the exit or Entry areas of these flexible conductors are also in the resting part. With this device it is possible to feed light into a rotatable part without friction and wear and from there e.g.
  • the invention has for its object to provide a device that enables the transmission of light even with unfree end faces of rotatable parts.
  • a design according to the invention according to claims 1 and 3 fulfills the stated task and makes it possible to introduce light to locations of rotatable parts without wear and friction, wherein only a radial access to the rotatable part is required and the end faces of the rotatable parts can be installed. Light signals can also be read out of the rotatable part in the same way.
  • a second reverse path, as described in claim 2 is usually provided.
  • a construction is also within the scope of the invention in which polarization-maintaining light guides are used and the measurement location is designed such that there is a polarization rotation in the light signal to be emitted from the measurement location (for example by using a / 4 plate), so that the back-reflected signal to be sent back has a different polarization direction than the irradiated one.
  • both the input and the output signal can be transported in a single light guide part.
  • the application in the area of angle encoders refer to the patent application mZ: P-2410-CH, which was filed on the same day. Their content is considered to be fully disclosed here.
  • the features of claim 4 make the light guides simply e.g. can be manufactured using the (injection molding) process and can be optimally designed for total reflection at the boundary layer between plastic and air.
  • the features of claim 5 further support this, the light guides becoming more robust against surface damage due to the covering. This is important because, as is well known, surface damage to totally reflective surfaces leads to loss of light. However, if the surface of the enveloping plastic is destroyed, this has no effect on the enveloped plastic or its total reflection surface. For the same reason, the outside of the enveloping plastic can also be coated so that it is opaque, which has the advantage that any scattered light cannot enter the conductor in an undesirable and disruptive manner, or light cannot emerge from the light guide at undesired locations.
  • the effect of collecting light is surprisingly enhanced by the features of claim 6, wherein when using dyes the light transmitted in the conductor may have a different color than normal, white light. Then, if one wishes to split a light beam into multiple color ranges for the multi-channel utilization, one must endeavor to go back as far as possible to white or colorless dyes or fluorescent substances, or possibly to do without them.
  • the features of claim 7 increase the luminous efficacy, which in principle compared to the radiated energy is relatively small. Sloping surfaces or the like, which arise, for example, from embossing conical recesses in the plastic and which promote total reflection, are always essential. In any case, when the light is fed in, care will be taken to ensure that it is incident at such an angle, which allows the light rays after the refraction at the air / plastic surface, to continue to radiate at such an angle to the plastic / air surface that it then turns on the surfaces of plastic / air are totally reflected as completely as possible, ie for example transmitted in the light-guiding ring.
  • the light collecting property is fundamentally also improved by the features of claim 9.
  • the features of claim 10 describe a practical measurement application, which advantageously also makes the relative position of two parts that can be rotated independently of one another visible, and this with a narrow measurement location, and independently of any contacting connections to the stationary environment.
  • the features of claim 12 improve the light collection and transmission possibilities of the light-guiding ring, while the features of claim 13 show a variant in which as much light as possible can be brought out of the light-guiding ring to a relatively small light-transmitting point.
  • the features of claim 14 describe a type of hybrid solution that can achieve good efficiency under certain conditions compared to the pure light transmission variant without an electrical intermediate piece.
  • this variant makes it possible to keep the desired luminous intensity at the light transmission point in the rotatable part optimally constant by means of electronic current regulation for the light-emitting diode.
  • electronic current regulation for the light-emitting diode.
  • For such a strora regulation e.g. Constant current diodes with a limiting voltage of 0.55 to 4.5 volts.
  • Light emitting diodes with an SMD design may be considered.
  • FIG. 1 schematically shows a measuring arrangement on two independently rotatable shafts for determining the relative speed or relative position of these shafts to one another;
  • FIG. 3 shows a light collecting device with an annular light source
  • FIG. 5 shows an annular light collecting device with a plurality of outputs combined into a bundle
  • FIG. 6 shows a variant with a longitudinal light guide in the form of elongated end faces of the ring-shaped light guide
  • Fig. 11 to 13 views and sections through a similar
  • Fig. 14 shows a measuring arrangement schematically with a rigid ring light - without feeding the light via light guide
  • 16 shows a glass fiber system for the ring-shaped light feed
  • 17 shows an evaluation device of the same type as the variant according to FIG. 16 for the use of multi-channel information in an optical fiber
  • 19 shows an illumination system for the bundled feeding of light from a light source into two ring-shaped light guides
  • 20a and b each have a coupling device for coupling light from the edge of an annular light guide into a longitudinal optical fiber;
  • Fig. 21 a variant with a conical light deflecting surface.
  • measuring point 9 which is schematically represented by a measuring plate 13 with measuring marks 14 on one shaft end and by signal transmitters 3a and 3b and signal receivers 4a and 4b on the other shaft end.
  • the measuring marks 14 can be individual bores or just a single bore. However, you can also e.g. can be represented by a gray code.
  • the signal transmitter 3 and signal receiver 4 are shown only to illustrate the principle. Basically there can be several but only one transmitter and receiver.
  • the signal transmitter 3 and signal receiver 4 are mounted on a measuring bracket 15a, which is connected to the rotatable part 2a in a rotationally rigid manner. They are, for example, exits and entrances of optical fibers, which may have a rounded light refractive surface at their ends 20 (FIG. 2).
  • Light guides 5b2 and 5b1 go from the signal receivers and signal transmitters to ring-shaped light guides 5a2 and 5a1.
  • the ring Shaped light guides 5a1 are each juxtaposed with a light source 7 that shines light into them, which is guided via the light guides 5b1 to the signal transmitters 3a, b.
  • the signal receivers 4a, b are connected to the ring-shaped light guides 5a2, each of which is contrasted with a light receiving device, for example a photodiode - possibly with a connected transimpedance amplifier at a certain point 6a.
  • a light receiving device for example a photodiode - possibly with a connected transimpedance amplifier at a certain point 6a.
  • ends 16a, 16b of the two rotatable parts 2a and 2b are either connected via couplings or rigidly to connected devices.
  • FIG. 2 shows the section through a light feeding and receiving device on a rotatable part 2a.
  • the variant shown consists of ring-shaped (5a3, 5a4) and longitudinal light guides connected to one another in one piece
  • two light sources 7 illuminate the light-guiding ring 5a via a condenser 17.
  • the condenser 17 causes light to be collected, so that the width of the ring-shaped light guide 5a can be kept small and the light density in the ring large.
  • the second light-guiding ring 5a3 together with the longitudinal light guide 5b3 serves in a manner not shown either for the transmission of a measurement signal from the signal receivers into the stationary part or for the feeding of light into the rotatable part 2.
  • the ring-shaped light guide 5a In contrast to the previously described three longitudinal light guides 5b5, the ring-shaped light guide 5a according to FIG. 3 has the task of guiding light from the same light source to three different signal transmitters. In order to distribute the light as evenly as possible. shape is concentric to the light-guiding ring 5a, an annular light source 7a with a radial reflector 19 is provided.
  • the Fig. 4 shows a variant of FIG. 3, in which a plurality of longitudinal light guides 5b7 to 9 protrude from a single light-guiding ring 5a6, which, however, are connected in different planes.
  • a color filter 25a is drawn symbolically between the longitudinal light guide 5b7 and the light-guiding ring 5a6, which enables light from one and the same light source to be separated into different color areas.
  • the various color areas can, as will be explained later, ver as different measuring channels be applied. There must be a sufficient distance between the individual longitudinal light guides in order to avoid mutual interference or light transfer.
  • FIG. 5 A further variant with a plurality of longitudinal light guides 5b1 consisting of an annular light guide 5a1 is shown in FIG. 5, the longitudinal light guides 5b1 being formed from flexible optical fibers and being combined to form a light guide bundle 5dl at their end facing away from the light-guiding ring.
  • This variant enables a very high light density in the signal transmitter 3c, which is formed by the ends of the optical fibers 5b1.
  • only a very small part of the light from the light-guiding ring can be introduced into the respective longitudinal light guide and can therefore be used.
  • the majority of the light in the light-guiding ring can theoretically be drawn off by the optical fibers 5b1 if these are so large that the front edge of the light-guiding ring is practically completely covered.
  • the area at the signal transmitter 3c which can for example also be designed to refract light through a convex lens, is generally corresponding to the sum of the areas of the longitudinal light guides 5b1 at their connection point to the ring-shaped light guide 5a1.
  • the longitudinal light guides can also be designed to taper in cross-section, so that the exit area for the light at the signal transmitter 3c is smaller.
  • FIG. 6 An alternative to the variants according to FIGS. 3 to 5 is that according to FIG. 6, in which the longitudinal light guides (5b) are dispensed with, just like the ring-shaped ones
  • Light guides 5a7 and 5a8, are designed as annular tubes. The light that is guided in them is thus initially unselectively directed to the measuring location 9. In the case shown there is a measuring plate 13 with the measuring marks 14. Depending on the presence of passage openings, light can now selectively penetrate the measuring plate 13.
  • the inner tube is an example of this construction
  • a reversing reflector 22 which essentially consists of two mutually angular mirrors facing the measuring plate 13, serves to reflect the light passing through the measuring marks 14 at one location (end face of a light guide) into another (end face another light guide).
  • the symbolically represented reversing reflector 22 can be provided at certain points, but can also be dependent on the system of the measurement marks, e.g. be annular.
  • FIG. 7 shows a piece of longitudinal light guide 5b, which is provided with a plastic sheathing 23 which has a lower refractive index than the material of the light guide 5b itself. This results in total reflection at the interface between the light guide 5b and its sheathing 23 .
  • the plastic jacket 23 prevents damage to the surface of the light guide 5b and serves to avoid loss of light.
  • An additional coating 24 made of opaque paint is applied to the plastic casing 23 in order to prevent any light scattering or scattering losses to the outside. Any light that escapes is absorbed there.
  • FIG. 8 shows a possibility of how an increased light reflection into a longitudinal light guide 5bl0 can be achieved from a ring-shaped light guide 5a9 by dividing the ring-shaped light guide 5a9 by an air gap 25 which extends at an angle to the longitudinal direction of the ring-shaped light guide 5a9 is provided in plan view.
  • the ring 5a9 can be divided into two at this point; however, the air gap can also only be embossed.
  • total reflection occurs corresponding to the angle of the air gap 25, which reflects a large part of the light directly into the longitudinal light guide 5b10.
  • the longitudinal light guide 5b10 is connected in one piece to the ring-shaped light guide 5a9, its outer walls adjoining the outer walls of the ring-shaped light guide 5a9 via a groove 27 each.
  • the ring-shaped light guide 5a9 is trapezoidal in cross-section, the end face which lies opposite the longitudinal light guide 5b10 being beveled conically and thus forming an inclined surface 30 which causes light falling from the light source onto the light guide 5a9 due to total reflection in the direction of any longitudinal light guides reflected.
  • the light source 7 is directed at an oblique angle to a tangent to the outer jacket of the ring-shaped light guide 5a9 in such a way that as much light as possible is scattered into the ring-shaped light guide in the direction of the arrow and circulates there in the circumferential direction until it circulates meets an inclined surface (hollow wedge) 31, which marks the entrance into a longitudinal light guide 5b. From the inclined surface 31 they are reflected in the conductor 5b.
  • the symbolically drawn rays do not necessarily correspond to the real ray path.
  • the inclined surface 31 can be seen in more detail in FIGS. 12 to 15.
  • a hybrid solution can be seen, in which a solar cell 11 is constructed in a tubular manner on a rotatable part 2 a, which with its electrical output via a voltage regulator 10 or current regulator has two light-emitting diodes 12 via electrical lines 29 with voltage or. Electricity supplied.
  • the light-emitting diodes 12 are mounted on a holding plate 28 which is connected to the rotatable part 2a in a rotationally rigid manner.
  • light-emitting diodes 12 act as signal transmitters 3.
  • other light-directing, electronic or. electrical components are provided which are to be excited by electrical current.
  • the voltage or current regulator 10 is also an example of any electronics that can be interposed here. In particular, however, it is used for uniform control of the light flow from the light emitting diodes 1 2 by precise regulation of the amount of electricity made available to the light emitting diodes.
  • the solar cell 1 1 can preferably consist of vapor-deposited polycrystalline or amorphous silicon on an insulation tube, which may also be coated with a light-collecting lacquer or with a plastic body.
  • An annular light source 7a which emits enough light to excite the solar cell 11 sufficiently, is located concentrically with the solar cell 11. Electrical interference signals play less of a role here, since it is a closed electrical system within a device and the lines 29 are independent of the earth potential. As not shown in FIG. 9, one of the other solutions disclosed in the description is used for reading out the measured signals.
  • FIGS. 11, 12 and 13 representing the elevation, foundation and side elevation of a cut-open and flat-rolled annular light guide 5a13 according to FIG. 10.
  • the proportions are not to scale and are only used to illustrate the individual components.
  • the ring-shaped light guide 5a13 is cylindrical in shape on its upper side. Its inside has ribs 32 which extend in the direction of the axis of rotation 8 of the rotatable part 2a.
  • One or two longitudinal light guides 5b are connected to an end face of the ring-shaped light guide. At the entrance of these light guides 5b there are wedge-shaped impressions (hollow wedges) 31 in the ring-shaped light guide 5a13, which are stamped into the ring-shaped light guide 5a13 from the end face opposite the longitudinal light guides 5b and point into the center of the longitudinal light guide 5b.
  • the end face opposite the light guides 5b is conical, so that it forms an inclined surface 30.
  • the effect of this inclined surface 30 is described in Fig.8.
  • the effect of the hollow wedges 31 is approximately the same as that of the air gap 25 according to FIG. 8. They are used for the total reflection of light circulating in the ring-shaped light guide 5a13 into the longitudinal light guides 5b.
  • the ribs 32 also serve for the total reflection of incident light beams, in such a way that they are at such an angle as possible radiate at the plastic / air interface which is larger than the critical angle for total reflection. They therefore have the effect that incident light rays cannot possibly be reflected outwards again through the cylindrical jacket of the ring-shaped light guide 5a13.
  • the ribs 32 shown can be dimensioned quite differently within the scope of the invention, just as they can also be replaced by various other geometrical designs found in the course of examinations and tests.
  • a bearing part 40 made of plastic with a lower refractive index than the light-guiding ring 5a13 is located inside the ribs 32. It supports total reflection at the interfaces of the ribs 32, prevents damage to the ring-shaped light guide 5a13 on its inside and enables a good fit on the rotatable part 2a.
  • a number of light rays emanating from the light source 7 are shown in FIG. They are largely reflected on the hollow wedge 31 or in the longitudinal light guide 5b.
  • the bearing part 40 can also be made of metal with e.g. polished surface.
  • the measuring device shown symbolically in FIG. 14 is in many respects different from that in FIG. 1.
  • the same is the principle of the measuring plate 13, the measuring marks 14 and the signal receiver 4c and the forwarding of the received light via longitudinal light guides 5b11 to an annular light guide 5a10 and from there into the quiescent part.
  • the difference is, however, that only one signapapapfan ger 4c is provided in the form of a single receiver surface (drawn black), which collects all the light that comes through the measurement marks 14 and reflects it into a single longitudinal light guide 5b11 - as not shown in more detail.
  • the signal receiver 4c is constructed similarly to the system of the ring-shaped light guides 5a only in a flat design. It receives light on an upper side and transmits it on, for example, an end face.
  • a converging lens can be provided between the signal receiver 4c and the measuring marks, which bundles all light onto the signal receiver 4c and the geometric extent of which can thus be small. It can then e.g. be formed directly from the entrance surface of a curved end of an optical fiber.
  • An annular light source 7a with an axial reflector 41 which is fixedly mounted in the stationary part, transmits light in the axial direction in the direction of the measuring plate 13. Between this and the light source there is a transmitting disk 42 which has bores or the like. These holes 44 form the actual signal transmitter. They are compared to the measuring marks 14.
  • a pot-shaped housing 53 which is connected in a rotationally rigid manner to the rotatable part 2a or the rotating disk 42, is located concentrically to the transmitting disk 42 and to the measuring plate 13, which are connected to the rotatable part 2a or to the rotatable part 2b, optionally alternatively can also be connected to the stationary part, in which case no ring light 7a would be required.
  • the housing 53 carries in the area of the bores 44 an optical system 54 and a reversing mirror 43.
  • a focusing lens 25 and a reflecting spectral grating 45 for example a blaze grating or such a spectral grating Other optical systems (such as a holographic optical element with reflector or a simple prism) are built into the beam path and split the light spectrally.
  • the spectral grating 45 then faces the annular light source 7a accordingly.
  • the light incident from the light source 7a is now spectrally divided by the focusing lens 26 onto the reversing mirror 43 and from there the optical system 54 is sent to the individual bores 44.
  • This system converts the white light from the light source 7a into a multichannel - spectrally divided - measuring beam path.
  • the individual bores 44 are thus irradiated with light of different colors, each color being assigned a channel or a track at the measuring marks 14. All colors are received simultaneously via signal receiver 4c, which results in white light or mixed light again.
  • signal receiver 4c When it is read out of the ring-shaped light guide 5ac, this is sent through a focusing lens to a further spectral grating 45, as a result of which it is divided up again into the individual channels or colors.
  • the individual colors are then received by individual light-optical measuring cells 6a1 to 6a7 assigned to them and can thus be evaluated on their own.
  • FIG. 14a An alternative to FIG. 14 is indicated in FIG. 14a, in which the spectral light distribution is dispensed with and instead, color filters 21a, each with a condenser 17, are used in the bores 44 (FIG. 14). In this case, the light is divided into different channels by the different color filters. This should be done analogously when reading out. Instead of spectral gratings 45 (FIG. 14), only obliquely stepped mirrors would then occur. The essence of Fig.
  • the multi-part longitudinal light guides 5b12 and 5b13 are made up of plastic parts that can be assembled or plugged together.
  • connecting pieces 37 of the longitudinal light guide pieces 5b13 are attached. They have beveled surfaces 38a and 38b, each of which brings about total reflection and deflection of the light in the direction of the arrows 46.
  • These or all of the above-mentioned inclined surfaces can also be mirrored at 3darf, but the goal is always total reflection, since less light loss must be expected.
  • a layer must be applied between the connection pieces 37 and the end pieces of the longitudinal light guides 5b12, e.g. a glue or Canada balm 49 or the like which has the same refractive index as the two longitudinal light guide pieces 5bl2 and 5b13. This is important in order to avoid loss of light reflection at the interfaces between the three-part components.
  • the design of the ring-shaped light guide 5a corresponds to that according to FIGS. 10 to 13. Different from this, an ring-shaped light source 7a with a radial reflector 19 is provided.
  • the hollow wedges 31 are shown enlarged. They have inclined side surfaces 38c and 38d as well as a beveled top surface 38e, which on the one hand causes light that is mirrored all around in the annular light guide 5a not to be completely reflected at the surfaces 38c and d, but at least partly to be able to circulate around to meet any other hollow wedges 31.
  • the surface 38e also causes the di right reflecting radially incident on the ring-shaped light guide in the longitudinal light guide 5b12.
  • optical fibers 5b16 to achieve the effects according to the invention is illustrated by way of example in FIGS. 16 and 17, a light source 7 with reflector 41 being shown schematically in FIG. 17, which directs its light onto the entry surface of an optical fiber bundle 5d2.
  • the light guide bundle consists of so many longitudinal light guide fibers 5b16 that these - arranged radially next to one another along a circle concentric around the rotatable part 2c - result in a completely closed ring of light from light exit surfaces 48.
  • a single light entry surface 47 of a longitudinal light guide 5b14 attached to the rotatable part 2c is perpendicular to a diameter of the light ring.
  • the light distribution in the light guide bundle 5d2 is such that there is a uniform light intensity on the light entry surface 47 when the rotatable part 2c rotates.
  • the exit surfaces 48 can have optical refractive surfaces in a suitable shape.
  • FIG. 17 The counterpart to FIG. 16 is shown in FIG. 17, a longitudinal optical fiber 5b15 or its light exit surface 50, which is arranged on a rotatable part 2d, serving as the light or pulse transmitter.
  • a longitudinal optical fiber 5b15 or its light exit surface 50 which is arranged on a rotatable part 2d, serving as the light or pulse transmitter.
  • the example shown is a multi-channel system, for example similar to that of the variant according to FIG. 14 or 14a.
  • the light emerging from the light exit surface 50 thus contains multi-channel information.
  • each individual channel there are individual color-dependent sensors 6a1 to 6a4, each of which is connected to the respective associated light collecting surfaces 51 by means of optical fibers 5b16, and in such a way that four optical fibers 5b16 go away from each location on the rim, one of which in each case has a sensor 6a1 is assigned to 4.
  • Appropriate devices such as filters are then located in the sensors in order to filter out the information of the other light color channels that is not associated in each case.
  • the structure is similar if z.3. parts of the division into color channels, the division into channels with different polarization direction is made. Then polarization filters will be provided instead of the color filters.
  • 18a and 18b show an outwardly curved ring-shaped light guide 5a12 which, in contrast to all previous variants, is connected to longitudinal light guides 5b11 not radially on its inside but on its end face.
  • Using an annular light source with a radius reflector 19 results in good light utilization, in which a wide variety of forms such as air gaps 25, hollow wedges 31, etc. can be dispensed with.
  • Light guides 5a12 are preferably mirrored.
  • the longitudinal light guide 5b11 shown in FIG. 18b is widened conically away from its origin with the ring-shaped light guide 5a12. This means that it has a very large aperture at its entrance. At the end of the light guide 5b11, this is then provided with a curved refractive surface, which helps to collect the emerging light rays again at a very small point.
  • the curvature 35 of the longitudinal light guide should generally have a larger radius than the diameter of the light guide 5b11 on the ge have steep slopes so as not to cause unnecessary aperture reduction.
  • FIG. 19 shows a variant for the light source 7, which can be used both with individual light sources 7 and with ring-shaped light sources 7a or with several individual light sources 7b.
  • It is a light conductive material from two sectors 36a and 36b, which has a parabolic curvature on one side, which is formed on the outside by mirroring to form a radial reflector 19.
  • the solid material 36a and 36b is each curved in the manner of a collective lens in such a way that the light is concentrated in one area each.
  • An annular light guide 5a16 is then juxtaposed to this area.
  • a single light source 7 thus supplies two different light guide systems with light of the same color and with the same wavelength.
  • the advantage here is, on the one hand, in the energy saving, on the other hand, in the same quality of light in both lighting systems, which in particular also in the case of ripple in the luminous flux - e.g. with AC operation of the light source - can be of considerable importance.
  • ripple in the luminous flux - e.g. with AC operation of the light source - can be of considerable importance.
  • due to the additional division of the light only a small part of the light is lost through scattering.
  • the 20a shows a section of an annular light guide 5a14, to the side of which there is a collecting lens 39a for coupling into a longitudinal light guide 5b14.
  • the collecting lens 39a effects the collecting of the light, as represented by the light arrows 46.
  • the converging lens 39a can be spherical, anamorphic or also mixed-format, depending on the entrance surface of the longitudinal light guide 5b14, which, like the ring-shaped light guide 5a14, is shown with a plastic sheath 23.
  • FIG. 20b A variant of this can be seen from FIG. 20b, where the converging lens 39a is replaced by a self-focusing lens 39b.
  • the collection systems shown in FIG. 20 can be omitted if the longitudinal light guides 5b14 are connected directly to the ring-shaped light guides 5a14.
  • the separation may, however, under certain conditions, e.g. a certain flexibility of the system.
  • FIG. 21 shows the diagram of a system with equally radial light irradiation from a light source 7, the light being to be transmitted in a longitudinal light guide 5b15, which is arranged concentrically to the axis of rotation 8 within the rotatable part 2.
  • the longitudinal light guide 5b15 can also be mounted on the surface of the rotatable part 2, as in all the variants described so far.
  • the incident light is, according to the invention, using an optical system e.g. of an anamorphic lens 52 so that it strikes the surface of the reflector 38c with only a narrow contact surface in the radial direction with respect to the axis of rotation (and if possible only hits a generating line there), which incidentally can also be coated with a reflective coating. That through the
  • Scattering effect on the reflector 38c resulting residual scattering of the light is extremely by the measure according to the invention limited, so that it is reflected for the most part in the longitudinal light guide 5b15, regardless of the relative rotational position of the ring-shaped light guide 5a15 to the light source 7.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung für das Einspeisen und/oder Auslesen von Licht aus einem ruhenden Teil (1) in einen drehbaren Teil (2) bzw. umgekehrt, wobei eine Lichtquelle (7) oder eine bestimmte Stelle (6a) zum Empfangen des Lichtes von dem drehbaren Teil radial entfernt angeordnet ist und das axiale Einspielen von Licht daher nicht möglich ist. Es kommen ringförmige Lichtleiter (5a) zum Einsatz, die mit longitudinalen Lichtleitern (5b) verbunden sind, welche letzteres Licht zu Signalsendern (3) leiten bzw. von Signalempfängern (4) zurückbringen. Verschiedene spezielle Ausbildungsformen der Lichtleiter (5a und b) durch Schrägflächen für Totalreflexion sind beschrieben.

Description

EINRICHTUNG FÜR DAS ÜBERTRÄGEN VON LICHT AUF EINER DREHENDEN
WELLE.
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung für das Übertragen von Licht zwischen einem ruhenden Teil und einem bewegbaren, vorzugsweise um eine Achse drehbaren Teil nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, dem Oberbegriff des Anspruchs 2 oder dem Oberbegriff des Anspruchs 3.
Die Beeinflussung von Messergebnissen durch elektromagnetische Störsignale z.B. von elektrischen Schleifringen oder aber auch im Bereich von Maschinen mit starken elektromagnetischen Feldern führten dazu, dass z.B. für Winkelsensoren oder Drehzahlanzeiger Übertragungsmöglichkeiten gesucht und gefunden wurden, die auf elektrische Leitungen bzw. elektrische Ausspeisung von aussen verzichten. Beispielsweise zeigt die Deutsche Offenlegungsschrift 3200204 A1 ein System, bei dem ein Lichtsender und ein Lichtempfänger in einem Messort eines drehbaren Teiles untergebracht sind. Sowohl Sender als auch Empfänger sind über flexible Lichtleiter an die stirnseitigen Enden einer Welle geführt. Gegenüber den Austrittsbzw. Eintrittsflachen dieser flexiblen Leiter befinden sich ebensolche im ruhenden Teil. Durch diese Einrichtung ist es möglich, Licht reibungs- und verschleissfrei in einen drehbaren Teil einzuspeisen und von dort z.B. als Lichtsignal zu Messzwecken auch wieder auszulesen. Eine ähnliche Konstruktion mit mehreren Lichtleitern, die konzentrisch um die Drehachse des drehbaren Teiles angeordnet sind und ihre Ein- bzw. Austrittsflächen ebenso stirnseitig haben im Bereich der Drehachse, ist in der Deutschen Offenlegungsschrift 36 05 521 geoffenbart.
Beide Lösungsvarianten haben einen entschiedenen Nachteil: Die drehbaren Teile müssen an ihrer Stirnseite freigehalten sein, um das Einspeisen und Auslesen von Licht zu ermöglichen. Bei einer Vielfalt von Maschinenanordnungen stehen je doch keine freien Wellenenden zur Verfügung. Die Anwendung der in den beiden Offenlegungsschriften vorgestellten Übertragungstechnologie ist daher dort unmöglich.
Die Erfindung setzt sich die Aufgabe eine Einrichtung zu schaffen, die das Übertragen von Licht auch bei unfreien Stirnseiten von drehbaren Teilen ermöglicht.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Kennzeichens der Ansprüche 1, 2 und 3. Besondere Ausbildungen und Varianten der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Auf sie wird im Zuge der Figurenbeschreibung näher eingegangen. Vorweg sind jedoch die Vorteile der erfindungsgemässen Ausgestaltungen angeführt:
Eine erfindungsgemässe Ausbildung nach Anspruch 1 und 3 erfüllt die gestellte Aufgabe und ermöglicht es, Licht an Orte von drehbaren Teilen verschleiss- und reibungsfrei einzuleiten, wobei einzig eine radiale Zutrittsmöglichkeit zum drehbaren Teil erforderlich ist und die Stirnseiten der drehbaren Teile verbaut sein können. Auf dem gleichen Wege können auch Lichtsignale aus dem drehbaren Teil wieder herausgelesen werden. Dazu ist üblicherweise ein zweiter umgekehrter Weg, wie er im Anspruch 2 beschrieben ist, vorgesehen.
Im Rahmen der Erfindung liegt jedoch aber auch eine Konstruktion, bei der polarisationserhaltende Lichtleiter verwendet werden und der Messort derart ausgelegt ist, dass es dort zu einer Polarisationsdrehung beim abzusendenden Lichtsignai aus dem Messort kommt (z.B. durch Verwendung einer /4 -Platte), so dass das zurückreflektierte zurückzusendende Signal eine andere Polarisationsrichtung hat als das eingestrahlte. In diesem Fall kann in einem einzigen Lichtleitteil sowohl das Eingangs- als auch das Ausgangssignal transportiert werden. Bezüglich der Anwendung im Bereich von Winkelcodierern wird auf die Patentanmeldung mZ:P-2410-CH verwiesen, die am selben Tag eingereicht wurde. Deren Inhalt gilt hier als vollständig geoffenbart.
Die Merkmale des Anspruches 4 bewirken, dass die Lichtleiter einfach z.B. im (Spritzguss)-Verfahren herstellbar sind und für Totalreflexion an der Grenzschicht zwischen Kunststoff und Luft bestens ausgebildet werden können.
Die Merkmale des Anspruches 5 unterstützen dies noch, wobei die Lichtleiter durch die Umhüllung robuster gegen Oberflächenverletzungen werden. Dies ist wichtig, da bekanntlich Oberflächenverletzungen an total reflektierenden Flächen zu Lichtverlusten führen. Wird jedoch die Oberfläche des umhüllenden Kunststoffes zerstört, wirkt sich dies auf den umhüllten Kunststoff bzw. dessen Totalreflexionfläche nicht aus. Aus demselben Grund kann auch der umhüllende Kunststoff an seiner Aussenseite lichtundurchlässig beschichtet werden, was den Vorteil mit sich bringt, dass allfälliges Streulicht nicht unerwünscht und störend in den Leiter eindringen kann, bzw. Licht aus dem Lichtleiter nicht an unerwünschten Stellen austreten kann.
Der Effekt des Lichtsammelns wird durch die Merkmale des Anspruches 6 in überraschend starker Weise verstärkt, wobei bei Anwendung von Farbstoffen das im Leiter weitergesandte Licht unter Umständen eine andere Farbe hat als normales, weisses Licht. Dann, wenn man gegebenenfalls zur mehrkanaligen Ausnutzung eines Lichtstrahles diesen in verschiedene Farbbereiche aufspalten will, muss man bestrebt sein, möglichst auf weisse bzw. farblose Farbstoffe bzw. Fluoreszenzstoffe zurückzugehen, oder gegebenenfalls ohne diese auszukommen.
Die Merkmale des Anspruches 7 erhöhen die Lichtausbeute, die an sich grundsätzlich im Vergleich zur eingestrahlten Energie relativ gering ist. Wesentlich sind dabei immer Schrägflächen oder dergleichen, die z.B. durch Einprägen von konischen Ausnehmungen im Kunststoff entstehen und die Totalreflexion begünstigen. Man wird in jedem Fall bereits beim Einspeisen von Licht darauf achten, dass es in einem solchen Winkel einfällt, der den Lichtstrahlen nach der Brechung an der Fläche Luft/Kunststoff erlaubt, in einem solchen Winkel zur Fläche Kunststoff/Luft weiterzustrahlen, das sie dann an den Flächen Kunststoff/Luft möglichst vollständig total reflektiert, d.h. z.B. im lichtleitenden Ring weitergeleitet werden.
Die Verwendung einer ringförmigen Lichtquelle nach Anspruch 8 verbessert die Lichtverteilung im iichtleitenden Ring derart, dass unabhängig von seiner Drehstellung in die jeweilig betroffenen longitudinalen Lichtleiter eine konstante Lichtmenge einfHessen kann. Der gleiche Effekt wird annähernd auch durch die Alternativmerkmale des Anspruches 8 erzielt. Sollte bei einer solchen Ausbildung jedoch noch immer eine Schwankung in der Helligkeit des eingespeisten Lichtstromes übrig bleiben, könnte diese bei der elektronischen Auswertung der durch das Licht übertragenen Impulse extrapoliert werden.
Die Lichtsammeieigenschaft wird grundsätzlich auch durch die Merkmale des Anspruches 9 verbessert.
Die Merkmale des Anspruches 10 beschreiben eine praktische Messanwendung, wobei diese in vorteilhafter Weise insbesondere auch die Relativstellung zweier voneinander unabhängig drehbarer Teile sichtbar macht und das mit einem engen Messort, und unabhängig von irgendwelchen berührenden Verbindungen zum ruhenden Umfeld.
Die Merkmale des Anspruches 11 erhöhen die von elektrischem Strom unabhängige Auswertemöglichkeit weitgehend. Sowohl die Lichteinspeisung als auch das Auslesen der Lichtimpulse kann über weite Strecken ausschliesslich durch lichtleitende Fasern oder Kabel erfolgen, so dass Messeinrichtungen mit dem erfindungsgemässen Prinzip gegenüber Spannungs- und Magnetfeldeinflüssen absolut unabhängig sein können. Dies kann unter anderem auch in Anwendungsfällen mit aggressiven oder explosiven Gasen von Bedeutung sein.
Die Merkmale des Anspruches 12 verbessern die Lichtsammeiund Weiterleitmöglichkeiten des lichtleitenden Ringes, während die Merkmale des Anspruches 13 eine Variante zeigen, bei der möglichst viel Licht aus dem lichtleitenden Ring an eine relativ kleine Lichtsendestelle gebracht werden kann.
Die Merkmale des Anspruches 14 beschreiben eine Art Hybridlösung, die im Vergleich zur reinen Lichtübertragungsvariante ohne elektrisches Zwischenstück unter bestimmten Voraussetzungen einen guten Wirkungsgrad erreichen kann. Ausserdem ist es durch diese Variante möglich, die an der Lichtsendestelle im drehbaren Teil gewünschte Lichtstärke durch elektronische Stromregelung für die Leuchtdiode optimal konstant zu halten. Für eine solche Stroraregelng bieten sich z.B. Konstantstromdioden mit einer BegrenzungsSpannung von 0,55 bis 4,5 Volt an. Als Leuchtdioden kommen eventuell solche in SMD-Bauform in Frage.
Die Verwendung einer erfindungsgemässen Einrichtung gemäss Anspruch 15 bietet sich an, wobei durch die Erfindung die Auswerteelektronik klein gehalten werden kann.
Anhand der Figuren wird die Erfindung bespielhaft näher beschrieben. Die Figuren werden zum Teil zusammenhängend erläutert, wobei ähnliche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen aber unterschiedlichen Indizes, gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen und gleichen Indizes bezeichnet sind. Es erge ben sich aus der Figurenbeschreibung auch weitere Vorteile, erfinderische Varianten und Anwendungsmöglichkeiten.
Es zeigen dabei:
Fig.1 schematisch eine Messanordnung an zwei voneinander unabhängig drehbaren Wellen zur Bestimmung der Relativ- Drehzahl bzw. Relativposition dieser Wellen zueinander;
Fig.2 den Schnitt durch eine Lichteinspeis- und empfangseinrichtung an einer Welle;
Fig.3 eine Lichtsammeieinrichtung mit ringförmiger Lichtquelle;
Fig.4 eine ringförmige Lichtsammeieinrichtung mit Lichtausgängen in drei Ebenen;
Fig.5 eine ringförmige Lichtsammeieinrichtung mit mehreren zu einem Bündel zusammengeführten Ausgängen;
Fig.6 eine Variante mit longitudinalem Lichtleiter in Form von verlängerten Stirnflächen der ringförmigen Lichtleiter;
Fig.7 einen Schnitt durch ein Stück longitudinalen Lichtleiters mit Kunststoffummantelung und Beschichtung;
Fig.8 eine Variante für den Lichtleitring mit Luftspalt;
Fig.9 eine Variante der Erfindung mit Einspeisung von Licht über Solarzellen;
Fig.10 den Schnitt durch eine Variante des lichtleitenden
Ringes mit gerippter Grundfläche;
Fig.11 bis 13 Ansichten und Schnitte durch eine ähnliche
Variante wie nach Fig.10;
Fig.14 eine Messanordnung schematisch mit einer starren Ringleuchte - ohne Einspeisung des Lichtes über Lichtleiter;
Fig.15 eine Variante mit zusammensetzbaren, starren longitudinalen Lichtleitern;
Fig.16 ein Glasfasersystem zur ringförmigen Lichteinspeisung; Fig.17 eine gegengleiche Auswerteeinrichtung zur Variante nach Fig.16 für die Anwendung von mehrkanaligen Informationen in einem Lichtleiter;
Fig.18a und b eine Variante mit speziell gekrümmtem Lichtleitring und longitudinalen Lichtleitern mit grosser Eingangsapertur;
Fig.19 ein Beleuchtungssystem für das gebündelte Einspeisen von Licht einer Lichtquelle in zwei ringförmige Lichtleiter;
Fig.20a und b je eine Kopplungseinrichtung für das Einkoppeln von Licht aus der Kante eines ringförmigen Lichtleiters in eine longitudinale Lichtleitfaser; und
Fig.21 eine Variante mit kegelförmiger Lichtumlenkfläche.
Die Messanordnung nach Fig.1 besteht im wesentlichen aus einem ruhenden Teil 1 und zwei unabhängig voneinander drehbaren Teilen 2a und 2b. Die Teile 2a und 2b verfügen an ihren einander zugewandten Enden über einen Messort 9, der durch eine Messplatte 13 mit Messmarken 14 an dem einen Wellenende und durch Signalsender 3a und 3b sowie Signalempfänger 4a und 4b am anderen Wellenende schematisch dargestellt ist. Die Messmarken 14 können im einfachsten Fall einzelne Bohrungen oder auch nur eine einzige Bohrung sein. Sie können jedoch auch z.B. durch einen Graycode dargestellt werden.
Die Signalsender 3 und Signalempfänger 4 sind nur zur Verdeutlichung des Prinzipes dargestellt. Es können dort grundsätzlich mehrere aber auch nur ein einziger Sender und Empfänger vorhanden sein. Die Signalsender 3 und Signalerapfänger 4 sind an einem Messbügel 15a montiert, der mit dem drehbaren Teil 2a drehstarr verbunden ist. Sie sind z.B. Aus- bzw. Eingänge von Lichtleitefasern, die gegebenenfalls an ihren Enden 20 (Fig.2) eine abgerundete Lichtbrechfläche aufweisen. Von den Signalempfängern bzw. Signalsendern gehen Lichtleiter 5b2 bzw. 5b1 zu ringförmigen Lichtleitern 5a2 bzw. 5a1. Die ring förmigen Lichtleiter 5a1 sind je einer Lichtquelle 7 gegenübergestellt, die Licht in sie einstrahlt, das über die Lichtleiter 5b1 zu den Signalsendem 3a,b geleitet wird. Umgekehrt sind die Signalempfänger 4a,b mit den ringförmigen Lichtleitern 5a2 verbunden, denen je eine Lichtempfangseinrichtung z.B. eine Fotodiode - eventuell mit angeschlossenem Transimpedanzverstärker an einer bestimmten Steile 6a gegenübergestellt ist.
Licht wird also aus den Lichtquellen 7 kommend über die Lichtleitringe 5a1 und über die longitudinalen Lichtleiter 5b1 zu den Signalsendern 3a,b geleitet, von wo aus es durch die Messraarken auf die Signalempfänger 4a,b gestrahlt wird. Von dort wird es über die longitudinalen Lichtleiter 5b2 in die ringförmigen Lichtleiter 5a2 geleitet, von wo aus es durch die Lichtsensoren an den Stellen (6a) detektiert werden kann. In Abhängigkeit von der Reiativstellung der beiden drehbaren Teile 2a und 2b zueinander wird es, bedingt durch die unterschiedlichen Messmarken 14, unterschiedliche Signale geben, die eine Reiativstellung der beiden drehbaren Teile 2a, 2b genauestens detektieren lassen.
Die noch nicht erwähnten Enden 16a, 16b der beiden drehbaren Teile 2a und 2b sind entweder über Kupplungen oder starr mit angeschlossenen Geräten verbunden.
Die Fig.2 zeigt den Schnitt durch eine Lichtspeise- und Empfangseinrichtung an einem drehbaren Teil 2a. Die dargestellte Variante besteht aus einstückig miteinander verbundenen ringförmigen - (5a3,5a4) und longitudinalen Lichtleitern
(5b3,5b4), die in unterschiedlichen Ebenen um den drehbaren Teil 2a gelegt sind. Da die ringförmigen Lichtleiter 5a3 und 5a4 zueinander konzentrisch sind, ist der grössere lichtleitende Ring 5a4 durch einen Stützring 18 zum drehbaren Teil 2a abgestützt. Die dargestellte. Anordnung ist in den Proportionen übertrieben. In aller Regel werden die Lichtleiter 5 nur bis zu wenigen mm dick sein, so dass mehrere Lagen übereinander möglich sind. Bei flexiblen longitudinalen Lichtleitern 5b können diese allerdings auch in einer Ebene geführt werden, wobei sie dann nebeneinander gelegt werden müssen.
In der dargestellten Variante beleuchten zwei Lichtquellen 7 über einen Kondensor 17 den lichtleitenden Ring 5a. Der Kondensor 17 bewirkt das Sammeln von Licht, so dass die Breite des ringförmigen Lichtleiters 5a gering gehalten werden kann und die Lichtdichte im Ring gross. Der zweite lichtleitende Ring 5a3 dient zusammen mit dem longitudinalen Lichtleiter 5b3 in nicht näher dargestellter Weise entweder für das Übertragen eines Messignales von den Signalempfängern in den ruhenden Teil oder ebenso für das Einspeisen von Licht in den drehbaren Teil 2.
Der ringförmige Lichtleiter 5a gemäss Fig.3 verfügt im Gegensatz zu den bisher beschriebenen drei longitudinale Lichtleiter 5b5, deren Aufgabe es ist, Licht aus derselben Lichtquelle an drei unterschiedliche Signalsender zu leiten. Um die Lichtverteilung .möglichst gleichmässig zu. gestalten ist konzentrisch zum lichtleitenden Ring 5a eine ringförmige Lichtquelle 7a mit einem radialen Reflektor 19 vorgesehen.
Die Fig . 4 zeigt eine Variante zu Fig .3 , bei der von einem einzigen lichtleitenden Ring 5a6 mehrere longitudinale Lichtleiter 5b7 bis 9 abragen, die allerdings in unterschiedlichen Ebenen angeschlossen sind. Symbolhaft ist zwischen dem longitudinalen Lichtleiter 5b7 und dem lichtleitenden Ring 5a6 ein Farbfilter 25a eingezeichnet, das es ermöglicht, Licht aus ein und derselben Lichtquelle in ver 3chiedene Farbbereiche aufzutrennen. Die verschiedenen Farbbereiche können, wie noch später erläutert wird, als unterschiedliche Messkanäle ver wendet werden. Zwischen den einzelnen longitudinalen Lichtleitern muss ein ausreichender Abstand sein, um gegenseitige Beeinflussungen bzw. Lichtübertritte zu vermeiden.
Eine weitere Variante mit mehreren longitudinalen Lichtleitern 5b1 aus einem ringförmigen Lichtleiter 5a1 ist in der Fig.5 dargestellt, wobei die longitudinalen Lichtleiter 5b1 aus flexiblen Lichtleitfasern gebildet sind und an ihrem dem lichtleitenden Ring abgewandten Ende zu einem Lichtleiterbündel 5dl zusammengefasst sind. Diese Variante ermöglicht eine sehr hohe Lichtdichte beim Signalsender 3c, der durch die Enden der Lichtleitfasern 5b1 gebildet wird. Bei allen bisher dargestellten Varianten kann ja jeweils nur ein sehr geringer Teil des Lichtes aus dem lichtleitenden Ring in den jeweiligen longitudinalen Lichtleiter eingebracht und daher ausgenutzt werden. Bei dieser Variante kann theoretisch der grösste Teil des Lichtes im lichtleitenden Ring durch die Lichtleitfasern 5b1 abgezogen werden, wenn diese in so grosser Zahl sind, dass die Stirήkante des lichtleitenden Rings praktisch vollständig abgedeckt ist. Die Fläche beim Signalsender 3c, der beispielsweise noch durch eine konvexe Linse lichtbrechend ausgebildet sein kann, ist in aller Regel entsprechend der Summe der Flächen der longitudinalen Lichtleiter 5b1 an deren Verbindungsstelle zum ringförmigen Lichtleiter 5a1. Die longitudinalen Lichtleiter können jedoch querschnittsraässig auch sich verjüngend ausgebildet sein, so dass die Austrittsfläche für das Licht beim Signalsender 3c kleiner ist.
Eine Alternative zu den Varianten nach Fig.3 bis 5 ist jene nach Fig.6, bei der auf die longitudinalen Lichtleiter (5b) verzichtet wird, indem sie, ebenso wie die ringförmigen
Lichtleiter 5a7 und 5a8, als ringförmige Röhren ausgebildet sind. Das in ihnen geleitete Licht wird also zunächst unseiektiv zum Messort 9 geleitet. Im gezeichneten Fall befindet sich dort eine Messplatte 13 mit den Messmarken 14. In Abhängigkeit von dem Vorhandensein von Durchtrittsöffnungen kann nun Licht selektiv die Messplatte 13 durchdringen.
Beispielhaft ist bei diesem Aufbau das innere Rohr
(Lichtleiter 5a8) der Bauteil für das Einspeisen von Licht aus einer Lichtquelle 7, während das äussere Rohr (Lichtleiter 5a7) für das Auslesen von Lichtsignalen dient und einem dritten Lichtleiter 5c gegenübergestellt ist, der als flexibler Lichtleiter das ausgelesene Licht an einen anderen Ort bringt, wo es z.B. mit einer Fotozelle 6a' empfangen und in elektrische Signale umgewandelt werden kann. Dabei dient ein Umkehrreflektor 22, der im wesentlichen aus zwei zueinander im Winkel stehenden Spiegeln besteht, die der Messplatte 13 zugewandt sind, dazu, das von an einem Ort (Stirnfläche eines Lichtleiters) durch die Messmarken 14 durchtretende Licht in einen anderen zu spiegeln (Stirnfläche eines anderen Lichtleiters). Der symbolisch dargestellte Umkehrreflektor 22 kann an bestimmten Stellen vorgesehen sein, kann aber auch in Abhängigkeit mit dem System der Messmarken z.B. ringförmig ausgebildet sein.
Die Fig.7 zeigt ein Stück longitudinalen Lichtleiters 5b, der mit einer Kunststoffummantelung 23 versehen ist, die einen geringeren Brechungsindex aufweist, als das Material des Lichtleiters 5b selbst. Dadurch kommt es bereits an der Grenzfläche zwischen dem Lichtleiter 5b und seiner Ummantelung 23 zu Totalreflexion. Der Kunststoffmantel 23 verhindert eine Beschädigung der Oberfläche des Lichtleiters 5b und dient der Vermeidung von Lichtverlusten. Eine zusätzliche Beschichtung 24 aus undurchsichtiger Farbe ist auf der Kunststoffummantelung 23 aufgebracht, um allfällige Lichteinstreuungen oder Streuverluste nach aussen zu verhindern. Allfällig austretendes Licht wird dort absorbiert. Die Fig.8 zeigt eine Möglichkeit, wie aus einem ringförmigen Lichtleiter 5a9 eine erhöhte Lichteinspiegelung in einen longitudinalen Lichtleiter 5bl0 zu erzielen ist, indem der ringförmige Lichtleiter 5a9 durch einen Luftspalt 25 geteilt ist, der mit seiner Erstreckung in einem Winkel zur Längsrichtung des ringförmigen Lichtleiters 5a9 in Draufsicht vorgesehen ist. Dar Ring 5a9 kann an dieser Stelle überhaupt zweigeteilt sein; der Luftspalt kann aber auch nur eingeprägt sein. An der Grenzfläche zwischen dem Material des Lichtleiters 5a9 und dem Luftspalt 25 kommt es entsprechend dem Winkel des Luftspaltes 25 zu Totalreflexion, die einen grossen Teil des Lichtes direkt in den longitudinalen Lichtleiter 5b10 spiegelt.
Der longitudinale Lichtleiter 5b10 ist im dargestellten Fall einstückig mit dem ringförmigen Lichtleiter 5a9 verbunden, wobei seine Aussenwandungen über je eine Kehle 27 an die Aussenwandungen des ringförmigen Lichtleiters 5a9 anschliessen. Der ringförmige Lichtleiter 5a9 ist in seinem Querschnitt trapezförmig ausgebildet, wobei jene Stirnfläche, die dem longitudinalen Lichtleiter 5b10 gegenüberliegt, konisch abgeschrägt ist und somit eine Schrägfläche 30 bildet, die aus der Lichtquelle auf den Lichtleiter 5a9 fallendes Licht bedingt durch Totalreflexion in Richtung allfälliger longitudinaler Lichtleiter reflektiert. Die Lichtquelle 7 ist, wie nicht näher dargestellt, in einem schrägen Winkel auf eine Tangente auf den äusseren Mantel des ringförmigen Lichtleiters 5a9 gerichtet und zwar derart, dass möglichst viel Licht in Pfeilrichtung in den ringförmigen Lichtleiter eingestreut wird und dort in Umfangsrichtung zirkuliert, bis es auf eine Schrägfläche (Hohlkeil) 31 trifft, die den Eingang in einen longitudinalen Lichtleiter 5b markiert. Von der Schrägfläche 31 werden sie in den Leiter 5b gespiegelt. Die symbolisch gezeichneten Strahlen entsprechen nicht unbedingt dem wirklichen Strahlengang .
Die Schrägfläche 31 ist aus den Fig. 12 bis 15 näher ersichtlich.
Aus Fig .9 ist eine Hybridlösung zu sehen, bei der an einem drehbaren Teil 2a eine Solarzelle 1 1 röhrenförmig aufgebaut ist, die mit ihrem elektrischen Ausgang über einen Spannungsregler 10 oder Stromregler zwei Leuchtdioden 12 über elektrische Leitungen 29 mit Spannung bzw . Strom versorgt. Die Leuchtdioden 12 sind an einer Halteplatte 28 montiert, die mit dem drehbaren Teil 2a drehstarr verbunden ist . Die
Leuchtdioden 12 fungieren in diesem Fall als Signalsender 3 . Anstelle von Leuchtdioden können selbstverständlich auch andere lichterai tierende, elektronische bzw . elektrische Bauteile vorgesehen werden, die durch elektrischen Strom zu erregen sind. Der Spannungs- bzw. Stromregler 10 steht beispielhaft ausserdem auch für jede beliebige Elektronik die hier zwischengeschaltet sein kann . Insbesondere dient er aber zur gleichmässigen Steuerung des Lichtflusses aus den Leuchtdioden 1 2 durch genaues Regeln der den Leuchtdioden zur Verfügung gestellten Elektrizitätsmenge .
Die Solarzelle 1 1 kann mit Vorzug aus auf einem Isolationsrohr aufgedampftem polykristallinen oder amorphem Silizium bestehen, das eventuell noch mit einem lichtsammelnden Lackoder mit einem Kunststoffkörper beschichtet ist . Konzentrisch zur Solarzelle 11 befindet sich eine ringförmige Lichtquelle 7a, die genügend Licht aussendet , um die Solarzelle 1 1 ausreichend zu erregen . Elektrische Störsignale spielen hier weniger eine Rolle, da es sich um ein geschlossenes elektrisches System innerhalb eines Gerätes handelt, und die Leitungen 29 vom Erdpotential unabhängig sind . Wie in Fig.9 nicht dargestellt, dient eine der anderen in der Beschreibung geoffenbarten Lösungen für das Auslesen der gemessenen Signale.
Die Fig.10 bis 13 werden zusammenhängend beschrieben, wobei die Fig.11, 12 und 13 den Auf-, Gründ- und Seitenriss eines aufgeschnittenen und flach gerollten ringförmigen Lichtleiter 5a13 gemäss Fig.10 darstellen. Die Proportionen sind nicht massstabsgerecht und dienen lediglich der Verdeutlichung der einzelnen Bauelemente.
Der ringförmige Lichtleiter 5a13 ist an seiner Oberseite zylindermantelförmig. Seine Innenseite verfügt über Rippen 32, die in Richtung der Drehachse 8 des drehbaren Teiles 2a erstreckt sind. Ein bzw. zwei longitudinale Lichtleiter 5b sind an einer Stirnfläche des ringförmigen Lichtleiters angeschlossen. Am Eingang dieser Lichtleiter 5b befinden sich keilförmige Einprägungen (Hohlkeile) 31 in den ringförmigen Lichtleiter 5a13, die von der den longitudinalen Lichtleitern 5b gegenüberliegenden Stirnseite den ringförmigen Lichtleiter 5a13 eingeprägt sind und in die Mitte der longitudinalen Lichtleiter 5b zeigen.
Die den Lichtleitern 5b gegenüberliegende Stirnseite ist konisch ausgebildet, so dass sie eine Schrägfläche 30 bildet. Die Wirkung dieser Schrägfläche 30 ist bei Fig.8 beschrieben.
Die Wirkung der Hohlkeile 31 ist in etwa dieselbe wie die des Luftspalts 25 gemäss Fig.8. Sie dienen der Totalreflexion von im ringförmigen Lichtleiter 5a13 zirkulierendem Licht in die longitudinalen Lichtleiter 5b.
Die Rippen 32 dienen, wie aus Fig.10 am besten ersichtlich ist, ebenso der Totalreflexion von einfallenden Lichtstrahlen und zwar derart, dass diese möglichst in einem solchen Winkel an die Grenzfläche Kunststoff/Luft strahlen, der grösser als der Grenzwinkel für Totalreflexion ist. Sie bewirken also, dass einfallende Lichtstrahlen möglichst nicht wieder durch den zylinderförmigen Mantel des ringförmigen Lichtleiters 5a13 nach aussen reflektiert werden können. Dabei besteht stets ein sehr enger Zusammenhang von Einstrahlrichtung des Lichtes aus der Lichtquelle 7, dem Brechungsindex des ringförmigen Lichtleiters 5a13, dem Durchmesser desselben und den geometrischen Ausbildungen der Rippen 32 sowie dem Brechungsindex des Mediums innerhalb der Rippen 32.
Die dargestellten Rippen 32 können im Rahmen der Erfindung durchaus anders dimensioniert sein, ebenso wie sie auch durch verschiedene andere, im Zuge von Untersuchungen und Versuchen gefundene geometrische Ausbildungen ersetzt werden können.
Im gezeigten Fall befindet sich innerhalb der Rippen 32 ein Lagerteil 40 aus Kunststoff mit einem geringeren Brechungsindex als der lichtleitende Ring 5a13. Er unterstützt die Totalreflexion an den Grenzflächen der Rippen 32, verhindert eine Beschädigung des ringförmigen Lichtleiters 5a13 an seiner Innenseite und ermöglicht einen guten Sitz auf dem drehbaren Teil 2a. In Fig.10 sind einige Lichtstrahlen von der Lichtquelle 7 ausgehend eingezeichnet. Sie werden grösstenteils auf den Hohlkeil 31 bzw. in den longitudinalen Lichtleiter 5b reflektiert. Der Lagerteil 40 kann auch aus Metall sein mit z.B. polierter Oberfläche.
Die in Fig.14 symbolisch dargestellte Messeinrichtung ist in vielerlei Hinsicht unterschiedlich zu jener in Fig.1. Gleich ist das Prinzip der Messplatte 13, der Messmarken 14 und des Signalempfängers 4c sowie der Weiterleitung des empfangenen Lichtes über longitudinale Lichtleiter 5b11 zu einem ringförmigen Lichtleiter 5a10 und von dort in den ruhenden Teil. Unterschiedlich ist jedoch, dass nur ein einziger Signaierapfän ger 4c in Form einer einzigen Empfängerfläche (schwarz ausgezogen) vorgesehen ist, der sämtliches Licht, das durch die Messmarken 14 kommt, auffängt und in einen einzigen longitudinalen Lichtleiter 5b11 - wie nicht näher gezeigt - einspiegelt. Der Signalempfänger 4c ist dabei ähnlich dem System der ringförmigen Lichtleiter 5a lediglich in flacher Bauweise aufgebaut. Er empfängt Licht an einer Oberseite und sendet es z.B. an einer Stirnseite weiter.
Gegebenenfalls kann zwischen dem Signalempfänger 4c und den Messmarken noch eine Sammellinse vorgesehen sein, die alles Licht auf den Signalempfänger 4c bündelt und dessen geometrische Erstreckung somit gering sein kann. Sie kann dann z.B. unmittelbar von der Eintrittsfläche eines gekrümmten Endes einer Lichtleitfaser gebildet sein.
Unterschiedlich ist auch der übrige Aufbau. Eine im ruhenden Teil fix montierte ringförmige Lichtquelle 7a mit einem Axialreflektor 41 sendet Licht in axialer Richtung in Richtung der Messplatte 13. Zwischen dieser und der Lichtquelle befindet sich eine Sendescheibe 42, die Bohrungen oder dergleichen aufweist. Diese Bohrungen 44 bilden die eigentlichen Signalsender. Sie sind den Messmarken 14 gegenübergestellt. Konzentrisch zu der Sendescheibe 42 und zur Messplatte 13, die mit dem drehbaren Teil 2a bzw. mit dem drehbaren Teil 2b verbunden sind, befindet sich ein topfförmiges Gehäuse 53, das mit dem drehbaren Teil 2a bzw. der Seπdescheibe 42 drehstarr verbunden ist, gegebenenfalls alternativ auch mit dem ruhenden Teil verbunden sein kann, wobei in diesem Fall keine Ringleuchte 7a erforderlich wäre.
Das Gehäuse 53 trägt im Bereich der Bohrungen 44 ein optisches System 54 und einen Umkehrspiegel 43. Eine Fokussierlinse 25 und ein reflektierendes Spektralgitter 45 z.B. ein Blazegitter oder ein ein solches Spektralgitter darstellendes übriges optisches System (wie z.B. ein holografisch optisches Element mit Reflektor oder auch ein einfaches Prisma) sind in den Strahlengang eingebaut und teilen das Licht spektral auf. Das Spektralgitter 45 ist der ringförmigen Lichtquelle 7a dann entsprechend zugewandt. Das von der Lichtquelle 7a einfallende Licht wird nun spektral aufgeteilt durch die Fokussierlinse 26 auf den Umkehrspiegel 43 und von dort durcn das optische System 54 auf die einzelnen Bohrungen 44 gesandt. Durch dieses System wird aus dem weissen Licht der Lichtquelle 7a ein mehrkanaliger - spektral aufgeteilter - Messstrahlengang gemacht. Die einzelnen Bohrungen 44 werden also mit unterschiedlich färbigem Licht durchstrahlt, wobei jeder Farbe ein Kanal bzw. eine Spur bei den Messmarken 14 zugeordnet ist. Per Signalempfänger 4c empfängt alle Farben gleichzeitig, woraus sich wieder weisses Licht bzw. Mischlicht ergibt. Dieses wird beim Auslesen aus dem ringförmigen Lichtleiter 5ac durch eine Fokussierlinse auf ein weiteres Spektralgitter 45 gesandt, wodurch es wieder in die einzelnen Kanäle bzw. Farben aufgeteilt wird. Die einzelnen Farben werden sodann von einzelnen, ihnen zugeordneten lichtoptischen Messzellen 6a1 bis 6a7 empfangen und können so für sich ausgewertet werden.
In der Gesamtauswertung aller gemessenen Signale aus den einzelnen Kanälen ergibt sich sodann eine genaue Auswertemöglichkeit der Relativstellung der beiden drehbaren Teile 2a und 2b zueinander. In Fig.14a ist eine Alternative zur Fig. 14 angedeutet, in der auf die spektrale Lichtaufteilung verzichtet wird und stattdessen in den Bohrungen 44 (Fig.14) Farbfilter 21a gegebenenfalls mit je einem Kondensor 17 eingesetzt sind. In diesem Fall wird das Licht durch die einzelnen unterschiedlichen Farbfilter in unterschiedliche Kanäle geteilt. Beim Auslesen wäre dies analog zu gestalten. Anstelle der Spektralgitter 45 (Fig.14) würden dann lediglich schräggesteiite Spiegel treten. Das Wesentliche an Fig.15 sind die mehrteiligen longitudinalen Lichtleiter 5b12 und 5b13, die aus zusammensetz- bzw. zusammensteckbaren Kunststoffeinzelteiien aufgebaut sind. An dem dem ringförmigen Lichtleiter 5a abgewandten Ende der longitudinalen Lichtieiterstücke 5b12 sind Anschlussstücke 37 der longitudinalen Lichtleiterstücke 5b13 aufgesteckt. Sie verfügen über abgeschrägte Flächen 38a bzw. 38b die jeweils die Totalreflexion und Umlenkung des Lichtes in Richtung der Pfeile 46 bewirken. Diese, bzw. alle bisher erwähnten Schrägflächen können bei 3edarf auch verspiegelt ausgeführt sein, jedoch ist das Ziel stets die Totalreflexion, da bei dieser mit weniger Lichtverlusten gerechnet werden muss.
Zwischen den Anschlussstücken 37 und den Endstücken der longitudinalen Lichtleiter 5b12 muss eine Schicht aufgetragen sein, z.B. ein Leim oder Kanadabalsam 49 oder dergleichen, die denselben 3rechungsindex wie die beiden longitudinalen Lichtleiterstücke 5bl2 und 5b13 aufweist. Dies ist wichtig, um Lichtreflexionsverluste an den Grenzflächen zwischen den 3eweiligen Bauteilen zu vermeiden.
Die Ausbildung des ringförmigen Lichtleiters 5a entspricht jener nach Fig.10 bis 13. Unterschiedlich dazu ist eine ringförmige Lichtquelle 7a mit einem radialen Reflektor 19 vorgesehen.
In der Fig.15a sind die Hohlkeile 31 vergrössert dargestellt. Sie verfügen über schräge Seitenflächen 38c und 38d sowie ebenso über eine abgeschrägte Deckflache 38e, die einerseits bewirkt, dass im ringförmigen Lichtleiter 5a rundum gespiegelte Licht nicht vollständig an den Flächen 38c und d reflektiert wird, sondern zumindest i.um Teil auch weiterzirkulieren kann, um eventuelle auf weitere Hohlkeile 31 zu treffen. Andererseits bewirkt die Fläche 38e aber auch das di rekte Reflektieren von radial auf den ringförmigen Lichtleiter einfallenden Lichtes in den longitudinalen Lichtleiter 5b12.
Die Anwendung von Lichtleitfasern 5b16 zur Erreichung der erfindungsgemässen Effekte ist beispielhaft in Fig.16 und 17 dargestellt, wobei in Fig.17 schematisch eine Lichtquelle 7 mit Reflektor 41 gezeigt ist, die ihr Licht auf die Eintrittsflache eines Lichtleiterbündels 5d2 richtet. Das Lichtleiterbündel besteht aus so vielen longitudinalen Lichtleiterfasern 5b16, dass diese - radial nebeneinander entlang eines um den drehbaren Teil 2c konzentrischen Kreises angeordnet - einen vollständig geschlossenen Lichtkranz aus Lichtaustrittsflächen 48 ergeben. Eine einzige Lichteintrittsfläche 47 eines am drehbaren Teil 2c befestigten longitudinalen Lichtleiters 5b14 liegt senkrecht auf einem Durchmesser des Lichtkranzes.
Die Lichtverteilung im Lichtleiterbündel 5d2 ist so, dass an der Lichteintrittsfläche 47 bei Drehung des drehbaren Teiles 2c eine gleichmässige Lichtstärke vorliegt. Zu diesem Zweck können die Austrittsflächen 48 optische Lichtbrechfiächen in geeigneter Form aufweisen.
Das Gegenstück zu Fig.16 ist in der Fig.17 dargestellt, wobei als Licht- oder Impulssender eine longitudinale Lichtieiterfaser 5b15 bzw. deren Lichtaustrittsfläche 50 dient, die an einem drehbaren Teil 2d angeordnet ist. Analog zur Variante nach Fig.16 gibt es einen Kranz von Lichtleitereintrittsbzw. Sammelflächen 51 rundum den drehbaren Teil 2d, der der Lichteintrittsfläche 50 eines longitudinalen Lichtleiters 5b15 gegenübergestellt ist.
In dem gezeigten Beispiel handelt es sich um ein Mehrkanalsystem, beispielsweise ähnlich jenem der Variante nach Fig.14 bzw. 14a. Das aus der Lichtaustrittsflache 50 austretende Licht beinhaltet also mehrkanalige Informationen. Zum Abtasten jeden einzelnen Kanales gibt es einzelne farbabhängige Sensoren 6a1 bis 6a4, die jeweils mit Lichtleitfasern 5b16 mit den jeweils zugehörigen Lichtsammeiflächen 51 verbunden sind und zwar derart, dass praktisch von jeder Stelle am Kranz vier Lichtleitfasern 5b16 weggehen, von denen jeweils eine einem Senor 6a1 bis 4 zugeordnet ist. In den Sensoren befinden sich sodann entsprechende Einrichtungen wie z.B. Filter, um die jeweils nicht zugehörigen Informationen der anderen Lichtfarbkanäle auszufiltern. Ähnlich ist der Aufbau auch, wenn z.3. ansteile der Aufteilung in Farbkanäle, die Aufteilung in Kanäle mit unterschiedlicher Polarisationsrichtung vorgenommen ist. Dann werden statt der Farbfilter Polarisationsfilter vorgesehen sein.
Die Fig.18a und 18b zeigen einen nach aussen gekrümmten ringförmigen Lichtleiter 5a12, der mit longitudinalen Lichtleitern 5b11 im Gegensatz zu allen bisherigen Varianten nicht an seiner Stirnseite sondern radial an seiner Innenseite verbunden ist. Unter Anwendung einer ringförmigen Lichtquelle mit Radiaireflektor 19 ergibt sich dadurch eine gute Lichtausnutzung, bei der auf unterschiedlichste Ausprägungen wie Luftspalte 25, Hohlkeile 31, usw. verzichtet werden kann. Die Stirnflächen dieser gekrümmt ausgebildeten ringförmigen
Lichtleiter 5a12 sind mit Vorzug verspiegelt. Der in Fig.18b dargestellte longitudinale Lichtleiter 5b11 ist von seinem Ursprung beim ringförmigen Lichtleiter 5a12 weg konisch aufgeweitet. Dies bewirkt, dass er an seinem Eingang über eine sehr grosse Apertur verfügt. Am Ende des Lichtleiters 5b11 ist dieser sodann mit einer gekrümmten Lichtbrechfläche versehen, die die austretenden Lichtstrahlen wieder auf einen sehr kleinen Punkt zu sammeln hilft. Die Krümmung 35 des longitudinalen Lichtleiters soll in aller Regel einen grcsseren Radius als den Durchmesser des Lichtleiters 5b11 an der ge krümraten Steile haben, um keine unnötige Aperturverkleinerung zu bewirken.
Die Fig.19 zeigt eine Variante für die Lichtquelle 7, die sowohl bei einzelnen Lichtquellen 7 als auch bei ringförmigen Lichtquellen 7a oder mehreren einzelnen Lichtquellen 7b zur Anwendung gelangen kann. Es handelt sich dabei um ein Lichtieitvollmaterial aus zwei Sektoren 36a und 36b, das eine parabolische Krümmung auf der einen Seite aufweist, die durch Verspiegeln an der Aussenseite zu einem Radialreflektor 19 ausgebildet ist. An der dieser Seite gegenüberliegenden Oberfläche ist das Vollmaterial 36a und 36b jeweils derart sammeilinsenartig gekrümmt ausgebildet, dass das Licht in je einen Bereich konzentriert wird. Diesem Bereich ist sodann je ein ringförmiger Lichtleiter 5a16 gegenübergestellt.
Eine einzige Lichtquelle 7 versorgt also mit gleichfarbigem und gleichwelligem Licht zwei unterschiedliche Lichtieitsysteme. Der Vorteil liegt hier zum einen in der Energieeinsparung zum anderen in der gleichen Qualität des Lichtes in beiden Lichtieitsystemen, was inbesondere auch bei Welligkeit des Lichtstromes - z.B. bei Wechselstrombetrieb der Lichtquelle - von erheblicher Messbedeutung sein kann. Ausserdem wird durch die zusätzliche 3ündeiung des Lichtes nur ein geringer Teil des Lichtes durch Streuung verloren.
Die Fig.20a zeigt einen Ausschnitt aus einem ringförmigen Lichtleiter 5a14, dem an seiner Stirnfläche eine Sammellinse 39a zur Einkoppelung in einen longitudinalen Lichtleiter 5b14 zur Seite gestellt ist. Die Sammellinse 39a bewirkt das Sammeln des Lichtes, wie durch die Lichtpfeile 46 dargestellt ist. Die Sammellinse 39a kann dabei kugelförmige, anamorphotisch oder auch gemischt-formatig sein, jeweils in Abhängigkeit von der Eintrittsfläche des lrngitudinalen Lichtleiters 5b14, der ebenso wie der ringförmige Lichtleiter 5a14 übrigens mit einer Kunststoffummantelung 23 dargestellt ist.
Eine Variante dazu ist aus der Fig.20b zu sehen, wobei dort die Sammellinse 39a durch eine selbstfokussierende Linse 39b ersetzt ist.
Die in beiden Fig.20 gezeigten Sammelsysteme können entfallen, wenn die longitudinalen Lichtleiter 5b14 unmittelbar an die ringförmigen Lichtleiter 5a14 angeschlossen sind. Die Trennung mag jedoch unter bestimmten Voraussetzungen, z.B. einer gewissen Beweglichkeit des Systems, von Vorteil sein.
Die Fig.21 zeigt das Schema eines Systems mit ebenso radialer Lichteinstrahlung aus einer Lichtquelle 7, wobei das Licht in einem longitudinalen Lichtleiter 5b15 weitergesandt werden soll, der konzentrisch zur Drehachse 8 innerhalb des drehbaren Teiles 2 angeordnet ist. Bei entsprechender Adaption kann der longitudinale Lichtleiter 5b15 aber auch wie bei allen bisher beschriebenen Varianten an der Oberfläche des drehbaren Teiles 2 montiert sein. Entscheidend ist jedenfalls, dass ein Reflektor 38c innerhalb des ringförmigen Lichtleiters 5a15 dadurch gebildet ist, dass dieser eine konische Eintragung bzw. Ausnehmung aufweist. Da diese im Hinblick auf Totalreflexion eine grundsätzlich aufweitende Streuwirkung auf einfallendes Licht hat (es handelt sich dabei um einen konvex gekrümmten Spiegel), wird das einfallende Licht erfindungsgemäss mittels eines optischen Systems z.B. eines Anamorphoten 52 so gebündelt, dass es mit nur einer schmalen Auftreffläche in radialer Richtung in bezug auf die Drehachse auf die Oberfläche des Reflektors 38c auf trifft (und dort möglichst nur eine erzeugende Linie trifft), der übrigens auch reflektierend beschichtet sein kann. Die sich durch die
Streuwirkung an dem Reflektor 38c ergebende Reststreuung des Lichtes ist durch die erfindungsgemässe Massnahme äusserst begrenzt, so dass es zum grossten Teil in den longitudinalen Lichtleiter 5b15 emgespiegeit wird, unabhängig von der relativen Drehstellung des ringförmigen Lichtleiters 5a15 zur Lichtquelle 7.

Claims

PATENTANSPRÜCHE 1. Einrichtung für das Übertragen von Licht für den Transport von Signalen zwischen einem ruhenden Teil (1) und einem bewegbaren, vorzugsweise um eine Achse (8) drehbaren Teil (2), an welchen Teilen zumindest je ein Signalsender (3) und/oder zumindest je ein Signaiempfänger (4) angeordnet ist, wobei die beiden Teile (1,2,) zueinander im wesentlichen berührungslos sind, und wobei zumindest am bewegbaren bzw. drehbaren Teil (2) zumindest ein Lichtleiter (5) für den Transport des Lichtes angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im statisch ruhenden Teil (1) eine Lichtquelle ( 7 ) mit einer radialen S trahlrichtung in bezug auf die Achse (8) vorgesehen ist, der ein ringförmiger Lichtleiter (5a) um den drehbaren Teil (2) gegenübergestellt ist, wobei der lichtieitende Ring (5a) mit zumindest einem longitudinalen Lichtleiter (5b) am drehbaren Teil 2 verbunden ist, weicher Lichtleiter (5b) so ausgebildet ist, dass durch ihn Licht an einen Messort (9) ieitbar ist.
2. Einrichtung für das Übertragen von Licht, vorzugsweise von Lichtimpuisen, von einem drehbaren Teil (2) an einen Sensor (6a) in einem statisch ruhenden Teil, dadurch gekennzeichnet, dass am drehbaren Teil (2) zumindest ein longitudinaler Lichtleiter (5b) angeordnet ist, der in einen lichtieitenden Ring (5a), welcher in um den drehbaren Teil (2) erstreckt ist, mündet, wobei dieser Ring (5a) mit seinem Mantel dem Sensor (6a) gegenübergestellt ist.
3. Einrichtung für das Übertragen von Licht für den Transport von Signalen zwischen einem ruhenden Teil (1) und einem bewegbaren, vorzugsweise um eine Achse (8) drehbaren Teil (2), an welchen Teilen zumindest je ein Signal sender (3) und/oder zumindest je ein Signaiempfänger (4) angeordnet ist, wobei die beiden Teile (1,2,) zueinander im wesentlichen berührungsios sind, und wobei zumindest am bewegbaren bzw. drehbaren Teil (2) zumindest ein Lichtleiter (5) für den Transport des Lichtes angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im ruhenden Teil (1) eine Lichtσuelle (7) mit einer radialen Strahlrichtung in bezug auf die Achse (8) vorgesehen ist, der ein ringförmiger Lichtleiter (5a) um den drehbaren Teil (2) gegenübergestellt ist, wobei der lichtleitende Ring (5a) - gegebenenfalls aus einzelnen kranzförmig nebeneinanderliegenden Austrittsflächen (48) von Lichtleitern gebildet - im ruhenden Teil angeordnet ist und ihm die Ein- trittsflache (47) eines longitudinalen- Lichtleiters (5b) am drehbaren Teil (2) zugewandt ist, oder dass im ruhenden Teil (1) ein Sensor (6a) mit einer radialen Empfangsstrahleinrichtung in bezug auf die Achse (8) vorgesehen ist, dass ein ringförmiger Lichtleiter (5a) um den drehbaren Teil (2) gegenübergestellt ist, wobei der lichtleitende Ring (5a) - gegebenenfalls aus einzelnen kranzförmig nebeneinanderiiegenden Austrittsflachen (48) von Lichtleitern am drehbaren Teil (2) festgelegt ist. 4. Einrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3 , dadurch gekennzeichnet, dass der bzw. die Lichtleiter (5) aus transparentem Kunststoff mit einem 3rechungsindex von vorzugsweise über 1,
4 besteht bzw. bestehen und der ringförmige Lichtleiter (5a) an seiner Oberfläche jeweils für das Empfangen oder Absenden bzw. Weiterleiten von Licht geeignete Strukturen (30-39) aufweist. (Fig.3-6; 8; 10-15; 18a, 18b; 20a, 20b; 21)
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
dass der bzw. die Lichtleiter (5) zumindest teilweise von transυarentem Kunststoff (23,40) umhüllt ist, der einen geringeren Brechungsindex als der Brechungsindex des Lichtleiters (5) aufweist, und dass gegebenenfalls bei longitudinalen Lichtleitern (5b) der umhüllende Kunststoff (23) an seiner Aussenseite (8) vorzugsweise lichtundurchlässig beschichtet (24) ist. (Fig.7; 10; 20a, 20b)
6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurcn gekennzeichnet, dass der Kunststoff ringförmigen Lichtleiters (5a) aus optisch reinen Polymeren mit amorpher Molekülanordnung z.B. Polykarbonat besteht, und dass ihm ein fluoreszierender Farbstoff z.3. auf Basis PMMA, Polycarbonat oder PVC beigesetzt sind.
7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der iichtieitende Ring (5a) Schrägflächen aufweist, die so gestaltet sind, dass sie Lichtstrahlen innerhalb des lichtleitenden Materials möglichst an jene Stellen reflektieren, an denen sie entweder in longitudinale Lichtleiter (5b) münden oder bestimmte Stellen (6b) optimal erreichen. (Fig.8; 10-15; 20a, 20b; 21)
8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das Einspeisen des Lichtes in den drehbaren Teil (2) eine ringförmige Lichtquelle (7a) vorgesehen sind, die konzentrisch zum lichtleitenden Ring (5a) angeordnet ist, oder dass mindestens drei Lichtquellen vorgesehen sind, die um je 120°- zueinander versetzt um den lichtieitenden Ring (5a) angeordnet sind, oder dass das Licht einer Lichtquelle (7) von flexiblen Lichtleitern kranzförmig um den lichtleitenden Ring (5a) bringbar ist. (Fig,3;9; 14-16; 18a, 18b)
9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das Einspeisen von Licht in den Lichtleiter (5) bzw. den lichtieitenden Ring (5a) je zumindest eine Lichtquelle (7b) vorgesehen ist, deren Lichtstrahl in einem solchen Winkel auf den Lichtleiter (5) bzw. den lichtieitenden Ring (5a) gerichtet ist, dass ein Maximum an Licht in den Lichtleiter (5) gebrochen wird und in Erstreckungsrichtung des Lichtleiters (5) bzw. in Umfangsrichtung des lichtieitenden Ringes (5a) weitergeleitet wird. (Fig.8; 10; 19)
10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie an einer Maschine mit mindestens zwei voneinander unabhängig drehbaren Bauteilen vorgesehen ist und dort zu Messzwecken einsetzbar ist, derart, dass von einer ruhenden Lichtquelle (7) Licht in einen Messort (9) gegebenenfalls über einen lichtieitenden Ring (5a) am ersten drehbaren Teil einspeisbar ist, welches Licht vom lichtieitenden Ring (5a) durch Lichtleiter (5b) an eine Messstelie (5b) weiterieitbar ist, von welcher ein weiterer Lichtleiter (5b) lichtoptische Messinformation an einen weiteren lichtleitenden Ring (5a1) ieitbar macht, weicn letzterem (5a) zumindest ein Lichtsensor (6a) im statisch ruhenden Teil (1) für die Erfassung und Auswertung des lichtoptischen Messignals zugeordnet ist. (Fig.1;14)
11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtsensor (6a) unter Zwischenschaltung eines dritten Lichtleiters (5c) vom lichtleitenden Ring (5a) beabstandet ist. (Fig.6)
12. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der iichtleitende Ring (5a) an seiner Oberseite (23) zylindermantelförmig ausgebil det und an seiner dem drehbaren Teil (2) nächstiiegenden Unterseite mit flachem - in der Seitenansicht sägezahnförmigen Rippen (32) versehen ist, die gegebenenfalls gegenüber dem drehbaren Teil mit einem gegengieichen Lagerten (40) aus Kunststoff mit geringerem Brechungsindex abgedeckt sind. (Fig.10-13; 15,15a) 13. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den lichtieitenden Ring (5a) mehrere longitudinale, vorzugsweise biegsame Lichtleiter (5b) angeschlossen sind, die gegebenenfalls im Bereich der bestimmten Steile (6b) zu einem Leiterbündei (5d) zusammengefasst sind, oder dass der lichtieitende Ring (5a) an seiner Stirnseite insgesamt verlängert ist und bis zum Messbereich (9) reicht. (Fig.3-6;11-13 ) 14. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadrch gekennzeichnet, dass zur Einspeisung von Licht in den drehbaren Teil diesem eine Lichtquelle (7) zur Seite gestellt ist, aus der Lichtenergie in eine Solarzeile (11) am drehbaren Teil sendbar ist, weiche Solarzeile (11) an ihrem elektrischen Ausgang vorzugsweise über einen Spannungsregler (10) mit Leuchtdioden (12 ) im Messbereich (9) verbunden ist. (Fig.9)
Verwendung einer Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Übertragung von Licht an und/oder von einem Messort, an dem eine Einrichtung für das Drehzal- oder Winkeistellungsmessen angeordnet ist.
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