DE4013743C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Abstandsschalter gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei einem derartigen bekannten in der Zeitschrift "Elektronik Praxis", 1990, Seite 96 beschriebenen Abstandsschalter läßt sich ein Umlenkspiegel, der zwischen Detektorlinse und Detektor angeordnet ist, durch einen Gewindetrieb in seiner Neigung verstellen. Auf diese Weise wird die Detektorachse gekippt, entsprechend die durch Schnittpunkt von Lichtquel­ lenachse und Detektorachse vorgegebene Ansprechzone in größeren oder kleineren Abstand vor das Schaltergehäuse gelegt.

Eine derartige mechanische Verstellung ist jedoch aufwendig, da von dem Verstellgetriebe hohe Präzision und Spielfrei­ heit gefordert wird, um einerseits die Lage der Ansprechzone präzise einstellen zu können und andererseits die einmal vorgenommene Einstellung auch unter den widrigen Umweltbe­ dingungen (z. B. Erschütterungen) im Betrieb einzuhalten.

In der DE-PS 33 38 807 ist ein optischer Abstandsschalter beschrieben, bei dem der Strahlengang gefaltet ist. Man kann so bei kompakten Gehäuseabmessungen zur Abbildung der Lichtquelle in die Ansprechzone und zum Bündeln aus der Ansprechzone zurückgeworfenen Lichtes auf die Detektor­ einheit Linsen mit langer Brennweite verwenden, was im Hinblick auf die Verwendung von Detektoreinheiten mit kleinen Abmessungen vorteilhaft ist. Die Faltung des Strah­ lenganges erfolgt durch Spiegel oder ein Dachkantprisma. Bei diesem bekannten optischen Abstandsschalter kann aber der Schaltabstand nicht eingestellt werden.

Durch die vorliegende Erfindung soll daher ein einstellbarer optischer Abstandsschalter gemäß dem Oberbegriff des Anspru­ ches 1 geschaffen werden, bei dem die Justiereinrichtung zum Einstellen der Lage der Ansprechzone spielfrei ist und mechanisch einfachen Aufbau aufweist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch einen opti­ schen Abstandsschalter gemäß Anspruch 1 bzw. Anspruch 11.

Bei dem erfindungsgemäßen Abstandsschalter ist nur eine auch in Großserie ohne weiteres preisgünstig und spielfrei herstellbare Führung zwischen Prismenkörper und Lichtschran­ keneinheit notwendig. Da die Neigungsverstellung von Licht­ quellenachse und/oder Detektorachse durch ein einstellbares Prisma erfolgt, läßt sich die Lage der Ansprechzone auch fein aus einer großhubigen mechanischen Verstellbewegung ableiten. Würde man eine ähnlich feine Ansprechzonen-Ein­ stellung rein mechanisch vornehmen, müßte man ein mechani­ sches Untersetzergetriebe vorsehen, welches teuer ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteran­ sprüchen angegeben.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 2 ist zum einen deshalb vorteilhaft, weil der Prismenkörper gleich­ zeitig eine Schmutzabdeckung für die Lichtschrankeneinheit darstellen kann. Darüber hinaus hat der Abstandsschalter eine von der jeweils eingestellten Ansprechzonenlage un­ abhängige Außengeometrie. Auch läßt sich eine Drehlagerung für den Prismenkörper besonders kreisgünstig herstellen. Schließlich läßt sich so auch die Verstellung einfach, nämlich von dem Prismenkörper gegenüberliegenden Seite her, durchführen, die zum Herstellen der elektrischen Verbindungen sowieso auch bei eingebautem Abstandsschalter gut zugänglich ist.

Bei einem Abstandsschalter gemäß Anspruch 3 hat man ein unabhängig von der eingestellten Ansprechzonenlage stehen­ des Außengehäuse, was im Hinblick auf einfache Befestigung an Maschinenteilen von Vorteil ist.

Gemäß Anspruch 4 erhält man auf einfache Weise eine Verbes­ serung der sowieso durch das Drehlager schon bewirkten Kapse­ lung des Gehäuseinneren. Man kann auf diese Weise insbeson­ dere feuchtigkeitsdichte optische Abstandsschalter zu gerin­ gem Preis realisieren.

Ein erfindungsgemäßer optischer Abstandsschalter läßt sich auch leicht massenmäßig rotationssymmetrisch ausbilden, so daß auf ihn bei Erschütterungen und Schlägen keine Dreh­ momente einwirken, durch welche sich die einmal eingestellte Winkelstellung zwischen Prismenkörper und Lichtschrankenein­ heit verlieren würde. Es wäre aber noch möglich, diese Win­ kelstellung durch unbeabsichtigtes manuelles Verdrehen ab­ zuändern. Diese Gefahr ist durch die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 5 ebenfalls ausgeräumt.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 6 ist im Hinblick auf kostengünstige Herstellung des Prismenkörpers von Vorteil, der mindestens eine zweifach im Raum geneigte Prismenfläche aufweist.

Bei einem Abstandsschalter gemäß Anspruch 9 kann sich der Prismenkörper gleichzeitig über die gesamte Lichtschranken­ einheit erstrecken, wobei durch die Umfangserstreckung der Prismenfläche gewährleistet ist, daß diese nicht unbeab­ sichtigt zwischen Lichtquelle und Detektor umgestellt wird.

Gemäß Anspruch 10 kann man den Einstellbereich des Abstands­ schalters auf einfache Weise weiter vergrößern ohne die Steilheit der Prismenfläche zu vergrößern, was eine größere Dicke des Prismenkörpers notwendig machen würde.

Der Abstandsschalter gemäß Anspruch 11 zeichnet sich durch einen nochmals besonders einfachen mechanischen Aufbau aus und läßt sich besonders preisgünstig herstellen, insbesondere wenn Prismenkörper und Stellköpfe Abschnittes eines einzigen einstückigen Formteiles sind, wie im Anspruch 12 angegeben.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 13 wird erreicht, daß das Betätigungsteil der Justiereinrichtung nicht über das Gehäuse übersteht. Damit ist ein unbeab­ sichtigtes Betätigen der Justiereinrichtung verhindert; auch kann der Abstandsschalter dann, wenn der Prismenkörper mit zwei gegenüberliegenden Stellköpfen verbunden ist, mit einer einen Stellkopf enthaltenden Gehäusewand unmittel­ bar gegen ein Maschinenteil gerückt werden.

Bei einem Abstandsschalter gemäß Anspruch 14 hat die durch Prismenkörper und Stellköpfe gebildete Untereinheit sehr einfachen geometrischen Aufbau und wirkt darüber hinaus als Zylinderlinse.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen einstellbaren opti­ schen Abstandsschalter;

Fig. 2 eine Aufsicht auf die Oberseite eines scheibenför­ migen Prismenkörpers des Abstandsschalters nach Fig. 1;

Fig. 3 eine seitliche Ansicht des Prismenkörpers in Fig. 2 von links;

Fig. 4 eine Abwicklung von Abschnitten der Ränder einer Prismenfläche, aufgetragen über dem Drehwinkel;

Fig. 5 eine axiale Aufsicht auf einen abgewandelten Pris­ menkörper;

Fig. 6 einen Längsschnitt durch einen abgewandelten ein­ stellbaren optischen Abstandsschalter; und

Fig. 7 einen Längsschnitt durch einen weiteren einstell­ baren optischen Abstandsschalter.

Ein in Fig. 1 wiedergegebener einstellbarer optischer Ab­ standsschalter hat ein zylindrisches Außengehäuse 10, welches auf seiner Außenfläche mit einem Befestigungsgewinde 12 versehen ist. An seinem in Fig. 1 oberen oder hinteren Ende ist das Außengehäuse 10 mit einem nach innen vorsprin­ genden Lagerbund 14 versehen. An diesem ist das hintere Ende einer zylindrischen Lagerhülse 16 abgestützt, die mit ihrer zylindrischen Außenfläche auf der zylindrischen Innen­ fläche des Außengehäuses 10 im Gleitspiel läuft. Das zweite, untere Ende der Lagerhülse 16 ist durch einen am Außenge­ häuse 10 abgestützten Sprengring 18 gehalten. Auf diese Weise ist die Lagerhülse 16 in vorgegebener axialer Stellung im Außengehäuse 10 drehbar.

In die Außenfläche der Lagerhülse 16 sind bei den beiden Enden Nuten 20, 22 eingestochen, in welchen O-Ringe 24, 26 sitzen.

Bei seinem oberen Ende hat das Außengehäuse 10 eine radiale Gewindebohrung 28, in welcher eine an der Lagerhülse 16 angreifende Madenschraube 30 läuft, um die Winkelstellung der Lagerhülse 16 nach Einstellung bleibend zu arretieren.

In das Außengehäuse 10 ist beim unteren Ende ein Prismen­ körper 32 so eingekittet, daß seine ebene untenliegende Basisfläche 34 mit der unteren Stirnfläche des Außengehäuses 10 bündig ist.

Wie aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich, sind auf der zum Gehäuseinneren weisenden Stirnfläche des Prismenkörpers 32 zwei gleiche Prismenflächen 36 ausgebildet. Deren innen­ liegender Rand 38 ist von der Achse des scheibenförmigen Prismenkörpers 32 entfernt und hat gleichbleibenden Abstand von der Basisfläche 34. Der radial außenliegende Rand 40 der Prismenfläche 36 fällt dagegen jeweils linear vom einen Ende der Prismenfläche zum anderen Ende hin ab, so daß man insgesamt eine im Raum doppelt geneigte Prismenfläche 36 erhält. Die Winkelerstreckung der Prismenfläche 36 beträgt jeweils 120°.

Die Lagerhülse 16 trägt bei ihrem unteren Ende drehfest eine scheibenförmige Lagerplatte 42. In dieser ist zum einen eine Leuchtdiode 44 gehaltert, zum anderen der Leuchtdiode 44 bezüglich der Hülsenachse gegenüberliegend eine insge­ samt mit 46 bezeichnete Detektoreinheit. Letztere besteht aus einer Sammellinse 48 sowie einem hinter dieser liegenden Quadrantendetektor 50 und einem vor diesem liegenden Farb­ filter 51, welches nur das von der Leuchtdiode 44 erzeugte Licht (in der Regel IR-Licht) durchläßt, Tageslicht aber zurückhält.

Die Leuchtdiode 44 wird von einem Pulsgenerator 52 her mit vorgegebener Frequenz gespeist.

Das Ausgangssignal des Quadrantendetektors 50 wird auf einen Differenzverstärker 54 gegeben, der ein der Unsymmetrie der Detektorausleuchtung entsprechendes elektrisches Aus­ gangssignal bereitstellt. Letzteres wird über einen Demodu­ latorkreis 56 auf eine Endstufe 58 gegeben, deren Ausgangs­ signal über eine Leitung 60 zur externen Weiterverarbeitung bereitgestellt wird.

Fig. 1 zeigt mit ausgezogenen Linien denjenigen Strahlen­ gang zwischen Leuchtdiode 44 und Detektoreinheit 46, der dann erhalten wird, wenn das am stärksten geneigte Ende der Prismenfläche 36 unter der Leuchtdiode 44 steht.

Die gesamte Elektronik ist so eingestellt, daß man auf der Leitung 60 dann ein Signal erhält, wenn sich ein licht­ reflektierender Gegenstand 62 in der in der Zeichnung mit 64 bezeichneten Ansprechzone befindet, die sich aus der Überlappung der Lichtquellen-Richtcharakteristik 66 und der Detektor-Richtcharakteristik 68 ergibt. Diese Richtcharak­ teristiken sind in der Praxis durch Kegel mit geringem Öffnungswinkel von beispielsweise 4° annäherbar.

In Fig. 1 ist durch gestrichelte Linien der Strahlengang für den Fall wiedergegeben, in welchem das wenig geneigte Ende der Prismenfläche 36 unter die Leuchtdiode 44 gestellt ist. Man erkennt, daß in dieser Stellung der Ansprechzone 64 etwa doppelt so weit vom unteren Gehäuseende entfernt ist wie im ersten Fall. Durch Einstellen der Winkelstellung der Lagerhülse 16 lassen sich beliebige Zwischenstellungen der Ansprechzone 64 erhalten.

In der Praxis sind die Schaltkreise 54 bis 58 zusammen mit einer Steckbuchse 70, die Versorgungs- und Signalklemmen umfaßt, zu einem insgesamt mit 72 bezeichneten Elektronik­ block vergossen. In Fig. 1 ist ferner ein Stecker 74 ange­ deutet, an welchen ein Verbindungskabel 76 angeschlossen ist, das zu einer Steuereinheit einer mit dem optischen Abstandsschalter ausgerüsteten Maschine führt.

Fig. 5 zeigt einen abgewandelten Prismenkörper, der mit nur einer Prismenfläche 36 versehen ist. Ein Drehen des abgewandelten Prismenkörpers 32 führt somit nur zu einem Verkippen der Lichtquellencharakteristik, wodurch sich ein grob gesprochen nur halb so großer Verstellbereich für die Ansprechzone 64 bei gleicher Geometrie der Prismenfläche 36 ergibt, dessen Mittelpunkt aber weiter vom Gehäuse entfernt ist. Man kann so bei ansonsten unveränderten Komponenten durch Austausch des Prismenkörpers nach den Fig. 2 bis 4 gegen einen nach Fig. 5 einen Abstands­ schalter für größere Entfernungen bauen.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wurde der Strahlen­ gang für den Fall einer spiegelnden Oberfläche des zu detek­ tierenden Gegenstandes 62 gezeichnet. Hat dieser Gegenstand eine diffus reflektierende Oberfläche, so liegt die Ansprech­ zone 64 auf der Achse der Sammellinse 48. Diese Verhält­ nisse sind beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 angenommen. Beim dort wiedergegebenen optischen Abstandsschalter sind Schalterteile, die obenstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 5 schon erläutert wurden, wieder mit denselben Bezugszeichen versehen.

Der Prismenkörper 32 ist nun der in Fig. 5 wiedergegebene Prismenkörper mit nur einer einzigen Prismenfläche 36, wobei der planparallele Abschnitt des Prismenkörpers 32 unter der Sammellinse 48 liegt.

Die Lagerhülse 16 ist oben durch einen eingeklebten Deckel 78 verschlossen, von welchem zwei Stellstäbe 80 nach oben überstehen. Diese erstrecken sich durch kreisbogenförmige Langlöcher 82, die in einem unteren Scheibenabschnitt 84 vorgesehen sind, der an die Steckbuchse 70 angeformt ist und durch eine Bördelung 86 fest mit dem Außengehäuse 10 verbunden ist.

Der Scheibenabschnitt 84 bildet somit zusammen mit dem Prismenkörper 32 das Axiallager für die Lagerhülse 16.

Die Enden der Stellstäbe 82 greifen in Sacklöcher 88 ein, die in der Unterseite eines Stellringes 90 vorgesehen sind. Der Stellring 90 ist auf seiner Außenseite mit einer Rände­ lung 92 versehen und gegen die Steckbuchse 70 durch eine Dichtlippe 94 sowie gegen den Scheibenabschnitt 84 durch eine Dichtlippe 96 abgedichtet.

Durch Drehen des Stellringes 90 kann somit die Lagerhülse 16 um einen durch die Umfangserstreckung der Langlöcher 82 begrenzten Winkel (entsprechend der Winkelerstreckung der Prismenfläche 36) gedreht werden, wobei jedoch die Steck­ buchse 70 stehenbleibt. Auf diese Weise können die vom Elektronikblock 72 zur Steckbuchse 70 führenden Drähte 98 nicht abgerissen werden, und das Verstellen der Ansprech­ zone 64 kann auch bei angeschlossenem Verbindungskabel 76 leicht erfolgen. Dieses Kabel hat in der Praxis nämlich einen größeren Torsionswiderstand. Durch die drehmomenten­ mäßige Entkopplung von Lagerhülse 16 und Verbindungskabel 76 ist auch ein unbeabsichtigtes Verstellen der Ansprech­ zone 64 durch Verändern der Lage des Verbindungskabels 76 ausgeräumt.

Bei dem abgewandelten Abstandsschalter nach Fig. 7 hat das Außengehäuse 10 die Form eines Quaders. In der vorderen und hinteren Gehäusewand 100 sind Lageröffnungen 102 vor­ gesehen. In diesen sind im engen Gleitspiel Endabschnitte 104 eines wiederum insgesamt mit 32 bezeichneten Prismen­ körpers dicht gelagert, wobei eine Axialpositionierung und zugleich Abdichtung durch einen Dichtring 106 erfolgen kann, der gleichermaßen in eine Nut des zugeordneten Endabschnit­ tes 104 und eine Nut der gegenüber liegenden Lageröffnung 102 eingreift.

Der im wesentlichen zylindrische Prismenkörper 32 hat eine Abplattung 108, die zwischen den Endabschnitten 104 liegt und eine Prismenfläche bildet. Der in Fig. 7 gezeigte Prismenkörper 32 stellt somit zugleich eine Zylinderlinse und ein Prisma dar.

In den Stirnflächen der Endabschnitte 104 sind Vertiefungen 110 vorgesehen, an denen ein Schraubenzieher angesetzt wer­ den kann. Auf der Außenseite der Gehäusewand 100 ist eine Skala 112 angebracht, die zusammen mit einer auf der Stirn­ fläche des zugehörigen Endabschnittes 104 vorgesehenen Marke, als welche auch die Vertiefung 110 dienen kann, das Einstel­ len der Winkelstellung des Prismenkörper 32 und damit der axialen Lage der Ansprechzone 64, also des Schaltabstandes des Abstandsschalters, erlaubt.

Claims (14)

1. Optischer Abstandsschalter mit einem Gehäuse (10), mit einer eine Richtcharakteristik (66) aufweisenden Lichtquelle (44), mit einer eine Richtcharakteristik (68) aufweisenden Detektoreinheit (46), die neben der Lichtquelle (44) so angeordnet ist, daß sich die beiden Richtcharakteri­ stiken (66, 68) in einer vor dem Abstandsschalter liegenden Ansprechzone (64) schneiden, und mit einer Justiereinrich­ tung zum Einstellen der Lage der Ansprechzone (64), dadurch gekennzeichnet, daß die Justiereinrichtung umfaßt: einen Prismenkörper (32), der bezüglich Lichtquelle (44) und De­ tektoreinheit (46), die fest in einem gemeinsamen Lager­ körper (42) angeordnet sind, in einer senkrecht auf der durch die Richtcharakteristiken (66, 68) aufgespannten Strahlebene stehenden Richtung verstellbar ist und mindestens eine Prismenfläche (36) aufweist, deren Neigung sich in Verstellrichtung ändert.

2. Abstandsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Prismenkörper (32) scheibenförmig ist und die durch Lichtquelle (44), Detektoreinheit (46) und Lagerkörper (42) gebildete Lichtschrankeneinheit vollständig überdeckt, und daß zwischen dieser Lichtschrankeneinheit und dem Prismenkörper (32) ein Drehlager vorgesehen ist.

3. Abstandsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Prismenkörper (32) fest mit dem feststehenden Außengehäuse (10) verbunden ist und die durch Lichtquelle (44), Detektoreinheit (46) und Lagerkörper (42) gebildete Lichtschrankeneinheit von einer Lagerhülse (16) getragen ist, die im Gleitspiel auf einer zylindrischen Innenfläche des Außengehäuses (10) läuft.

4. Abstandsschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerhülse (16) über vorzugsweise bei ihren Enden liegende Dichtringe (24, 26) drehbar gegen das Außen­ gehäuse (10) abgedichtet ist.

5. Abstandsschalter nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch Mittel (28, 30) zum lösbaren Arretieren der Win­ kelstellung zwischen Lagerhülse (16) und Außengehäuse (10).

6. Abstandsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der Prismenkörper aus einem Glasrohling durch Warmverformung in einem entsprechenden Gesenk hergestellt ist.

7. Abstandsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die in Verstellrichtung ge­ fertigte Abwicklung des äußeren Randes (40) des Prismen­ körpers (32) durch eine abfallende Gerade, die entsprechende Abwicklung des inneren Randes der Prismenfläche (36) durch eine parallel zur Basisfläche (34) des Prismenkörpers (32) verlaufende Gerade begrenzt ist.

8. Abstandsschalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Prismenfläche (36) bei ihrem einen Ende um etwa 20°, bei ihrem zweiten Ende um etwa 10° zur Basisfläche (34) des Prismenkörpers (32) geneigt ist.

9. Abstandsschalter nach einem der Ansprüche 2 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß sich die Prismenflächen (36) über einen Winkel von etwa 120° erstrecken.

10. Abstandsschalter nach einem der Ansprüche 2 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß der Prismenkörper (32) zwei einander bezüglich der Prismenkörperachse gegenüberliegende zur Achse punktsymmetrische Prismenflächen (36) aufweist.

11. Optischer Abstandsschalter mit einem Außengehäuse (10), mit einer eine Richtcharakteristik (66) aufweisenden Lichtquelle (44), mit einer eine Richtcharakteristik (68) aufweisenden Detektoreinheit (46), die neben der Lichtquelle (44) so angeordnet ist, daß sich die beiden Richtcharakteri­ stiken (66, 68) in einer vor dem Abstandsschalter liegenden Ansprechzone (64) schneiden, und mit einer Justiereinrich­ tung zum Einstellen der Lage der Ansprechzone (64), dadurch gekennzeichnet, daß die Justiereinrichtung umfaßt: einen um eine zur Prismenkante parallele Achse drehbaren Prismen­ körper (32), der im Lichtweg zwischen Lichtquelle (44) und Ansprechzone (64) oder im Lichtweg zwischen Ansprech­ zone (64) und Detektoreinheit (46) angeordnet ist und mit mindestens einem zylindrischen Stellkopf (104) verbunden ist, der in einer Gehäuseöffnung (102) im dichten Gleitspiel gelagert ist und dessen zugängliche Stirnfläche Formschluß­ mittel (110) aufweist.

12. Abstandsschalter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die Stellköpfe (104) an den Prismenkörper (32) angeformt sind.

13. Abstandsschalter nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche der Stellköpfe (104) jeweils zur Gehäuseaußenfläche bündig ist.

14. Abstandsschalter nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Prismenfläche durch eine mittige achsparallele Abplattung (108) eines trans­ parenten zylindrischen Grundkörpers gebildet ist, dessen zylindrische Restabschnitte die Stellköpfe (104) bilden.