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DE19604337A1 - Light barrier wall generator for detection of small objects - Google Patents

Light barrier wall generator for detection of small objects

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Publication number
DE19604337A1
DE19604337A1 DE1996104337 DE19604337A DE19604337A1 DE 19604337 A1 DE19604337 A1 DE 19604337A1 DE 1996104337 DE1996104337 DE 1996104337 DE 19604337 A DE19604337 A DE 19604337A DE 19604337 A1 DE19604337 A1 DE 19604337A1
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DE
Germany
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light
arrangement
wall according
guiding strip
producing
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DE1996104337
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German (de)
Inventor
Manfred Dr Ing Rauch
Joachim Dr Ing Markert
Karsten Schmidt
Carsten Hartig
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CMS Mikrosysteme GmbH Chemnitz
Original Assignee
CMS Mikrosysteme GmbH Chemnitz
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Publication date
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    • G—PHYSICS
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Abstract

The equipment consists of the oscillating micromechanical plane mirror (1), a lightguiding moulding (2), a collimated light source (4), a photoreceiver (5), a controller (3) and a processor (6). The photoreceiver attached to one end of the moulding responds to any occultation by an object (7) moving through the beam. The mirror is preferably plane, suspended from springs coupled to opposite sides, and provided with electrodes for its oscillation about an axis. The moulding may be of transparent plastics or glass.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung einer Lichtwand.The invention relates to an arrangement for generating a Light wall.

Lösungen in denen ein Lichtstrahl zu einem lichtempfindlichen Empfänger geleitet wird, sind als Lichtschranke allgemein bekannt. Diese dienen unter anderem der Überwachung, Zählen von den Lichtstrahl durchlaufenden Teilen oder der galvanischen Trennung von elektrischen Leitungen.Solutions in which a light beam becomes a light sensitive Receivers are routed are general as light barriers known. Among other things, these are used for monitoring and counting the parts passing through the light beam or the galvanic parts Separation of electrical lines.

Bei diesen Lösungen kommt es vor allem auf einen gebündelten Lichtstrahl an, so daß die Flächen der Lichtempfänger minimiert werden können.These solutions primarily focus on one bundle Beam of light on so that the areas of the light receivers are minimized can be.

Dagegen wird in der DE PS 39 23 788 eine Vorrichtung zur Erzeu­ gung eines Lichtvorhanges beschrieben. Diese besteht aus einer Strahlungsquelle, einer Lichtablenkvorrichtung und einem Hohl­ spiegel. Der Strahlaustritt und der Strahleintritt liegen in zwei verschiedenen Ebenen, so daß eine Abschattung durch die Ablenkeinheit und damit eine Unterbrechung des Lichtstrahles vermieden wird. Die Lichtablenkvorrichtung stellt ein Spiegel­ rad dar, das mit einem Motor angetrieben wird. Um den Gerad­ lauffehler zu minimieren wird ein Hohlspiegel eingesetzt, wobei der Hohlspiegelstreifen in sich verdreht ist.In contrast, in DE PS 39 23 788 a device for generating described a light curtain. This consists of a Radiation source, a light deflector and a hollow mirror. The beam exit and the beam entry are in two different levels, so that shadowing by the Deflection unit and thus an interruption of the light beam is avoided. The light deflector is a mirror wheel, which is driven by a motor. To the straight To minimize running errors, a concave mirror is used, whereby the concave mirror strip is twisted.

Bei dieser Lösung kommen spezielle und teure Spezialbauein­ heiten in Form des Drehspiegels und des Hohlspiegels zum Ein­ satz. In seinen dynamischen Eigenschaften und damit großen Abtastraten und in der Miniaturisierung wird dieses System durch diese Baueinheiten begrenzt. Zur Abtastung und Regis­ trierung kleiner Teile oder sehr schneller Vorgänge ist damit diese Anordnung wenig geeignet.This solution comes with special and expensive special components units in the form of the rotating mirror and concave mirror sentence. In its dynamic properties and therefore great Sampling rates and in miniaturization this system limited by these units. For scanning and directing small parts or very fast processes this arrangement is not very suitable.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, das Vorhandensein oder das Fehlen von sehr kleinen und schnellen Objekten zu registrieren.The invention specified in claim 1 is the problem underlying, the presence or absence of very small and register fast objects.

Dieses Problem wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.This problem is with those listed in claim 1 Features resolved.

Die Erfindung zeichnet sich vor allem in ihrem einfachen Aufbau und leichten Realisierung aus. Besondere geometrische Anfor­ derungen an die Objekte oder die zu überwachende Öffnung werden nicht gestellt. Eine komplizierte Justage in Abhängigkeit optischer Bedingungen ist nicht vonnöten. Die einzelnen Be­ standteile können in ihren geometrischen Abmessungen miniaturi­ siert werden, so daß damit gleichzeitig die Dynamik des Gesamt­ systems erhöht werden kann. Dies ergibt einen deutlichen Zeit­ gewinn bis zur Auslösung, das besonders bei sehr schnellen Objekten oder bei langen Abschaltzeiten günstig ist. Lange Abschaltzeiten sind besonders im Bereich des Arbeitsschutzes oder der Betriebssicherheit zu finden, wobei z. B. nicht häufige Reaktionen des Bedienpersonals angezeigt oder auf diese reagiert werden muß.The invention is particularly notable for its simple structure and easy realization. Special geometric requirements changes to the objects or the opening to be monitored not posed. A complex adjustment depending optical conditions is not necessary. The individual Be components can be miniaturi in their geometric dimensions Siert, so that at the same time the dynamics of the whole systems can be increased. This gives a clear time gain until it triggers, especially with very fast ones Objects or with long switch-off times is cheap. Long Switch-off times are particularly important in the area of occupational safety or to find operational security, z. B. not common Reactions of the operating personnel are displayed or to them must be reacted to.

Durch den Einsatz eines mikromechanischen Spiegels und einer entsprechend ausgestalteten lichtleitenden Leiste können sehr kleine und schnelle Objekte erfaßt werden.By using a micromechanical mirror and a appropriately designed light-guiding strips can be very small and fast objects can be detected.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, daß Öffnungen überwacht werden können, die in ihrer Form in weiten Grenzen frei wählbar sind.Another major advantage is that openings can be monitored in their form within wide limits are freely selectable.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patent­ ansprüchen 2 bis 10 angegeben.Advantageous embodiments of the invention are in the patent claims 2 to 10 specified.

Mit dem Einsatz eines mikromechanischen Spiegels nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 ist die Anordnung wesent­ lich minaturisierbar, wobei technologisch bekannte Verfahren der Mikroelektronik zur Realisierung eines Schwingspiegels eingesetzt werden, so daß eine kostengünstige Fertigung gegeben ist.With the use of a micromechanical mirror after the Further development of claim 2, the arrangement is essential  Lich miniaturizable, using technologically known processes microelectronics for the realization of an oscillating mirror are used, so that an inexpensive production is given is.

Die Weiterbildungen der Patentansprüche 3 bis 6 zeigen einfache Realisierungsvarianten für die lichtleitende Leiste auf. Im einfachsten Fall besteht diese aus einem Balken, der aus einem lichtdurchlässigem Material besteht. Diese Varianten unter­ streichen die einfache Realisierung der Anordnung zur Erzeugung einer Lichtwand.The developments of claims 3 to 6 show simple Realization variants for the light-guiding bar. in the In the simplest case, this consists of a bar that consists of a translucent material. These variants below delete the simple realization of the arrangement for generation a wall of light.

Mit der Maßnahme der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 wird die Empfindlichkeit der Anordnung wesentlich gesteigert.With the measure of the further development of claim 7 the sensitivity of the arrangement increased significantly.

Anordnungen der Photoempfänger werden in den Weiterbildungen der Patentansprüche 8 und 9 aufgezeigt.Arrangements of the photo receivers are in the training courses of claims 8 and 9 shown.

In der Weiterbildung des Patentanspruchs 10 werden zwei Anord­ nungen zur Erzeugung einer Lichtwand derart hintereinander angeordnet, daß die Lichtwände parallel zueinander verlaufen. Damit ist eine Richtungserkennung der Objekte möglich. Durch den Einsatz von mikromechanischen Spiegeln und dem entsprechend ausgebildeten lichtleitenden Leisten können sehr schnelle und kleine Objekte erfaßt werden.In the development of claim 10, two arrangements Solutions to create a light wall in a row arranged that the light walls run parallel to each other. This enables direction detection of the objects. By the use of micromechanical mirrors and the corresponding trained light-guiding strips can be very fast and small objects can be detected.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.Embodiments of the invention are in the drawings are shown and are described in more detail below.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau der Anordnung zur Erzeugung einer Lichtwand mit einer balkenförmigen lichtleitenden Leiste und Fig. 1 shows the basic structure of the arrangement for generating a light wall with a bar-shaped light-conducting strip and

Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau zweier Anordnungen zur Erzeu­ gung zweier parallel verlaufender Lichtwände und recht­ winklig zueinander angeordneter balkenförmiger licht­ leitenden Leisten zur Erhöhung der Fläche der licht­ durchflutenden Wand. Fig. 2 shows the basic structure of two arrangements for generating two parallel light walls and at right angles to each other arranged bar-shaped light-guiding strips to increase the area of the light-flooding wall.

Ein erstes Ausführungsbeispiel entsprechend der Fig. 1 besteht aus einem Schwingspiegel 1, einer lichtleitenden Leiste 2, einer Lichtquelle 4, einem Photoempfänger 5, einer Steuerung 3 und einer Auswertung 6. Weiterhin ist ein Objekt 7, das die Lichtwand passiert dargestellt.A first exemplary embodiment corresponding to FIG. 1 consists of an oscillating mirror 1 , a light-guiding strip 2 , a light source 4 , a photo receiver 5 , a controller 3 and an evaluation 6 . Furthermore, an object 7 that passes through the light wall is shown.

Die Lichtquelle 4 und sendet einen kollimierten Lichtstrahl auf den Schwingspiegel 1. Dieser besteht aus einem mikromecha­ nischen ebenen Spiegel, der an zwei sich gegenüberliegenden Seiten angeordneten Federn schwenkbar aufgehängt ist. Elektroden an der Unterseite des mikromechanischen Spiegels und korrespondierende Elektroden auf einem Grundkörper sorgen bei einer Spannung für die erforderlichen Kräfte, so daß der mikro­ mechanische Spiegel um eine Achse kippt. Bei wechselseitigem Betrieb schwingt der mikromechanische Spiegel. Die Steuerung 3 gewährleistet eine konstante Frequenz der Schwingung des mikro­ mechanischen Spiegels. Der auf diesem fallende Lichtstrahl wird damit aufgefächert und bildet die Lichtwand. Diese Licht­ strahlen fallen auf die lichtleitende Leiste 2. Im einfachsten Fall besteht diese aus einem Balken, der aus einem lichtdurch­ lässigem Plast besteht. Die Länge des Balkens richtet sich nach der zu überwachenden Fläche, die durch den aufgefächerten Strahl, der wiederum durch den Kippwinkel des mikromechanischen Spiegels und dem Abstand desselben zum Balken bestimmt wird, gebildet wird. An einer Stirnseite des Balkens befindet sich der Photoempfänger 5 in Form einer Photodiode, die die Licht­ menge, die auf dem Balken fällt, empfängt und in einem äquivalenten elektrischen Strom wandelt. Die Lichtmenge basiert auf der diffusen Brechung der Lichtstrahlen der Lichtwand an der Wand des Balkens und der Lichtleitung im Inneren des Balkens durch Reflexion. The light source 4 and sends a collimated light beam onto the oscillating mirror 1 . This consists of a micromechanical flat mirror, which is pivotally suspended on two opposite sides of the springs. Electrodes on the underside of the micromechanical mirror and corresponding electrodes on a base body provide the necessary forces when the voltage is applied, so that the micro-mechanical mirror tips over an axis. The micromechanical mirror swings during mutual operation. The controller 3 ensures a constant frequency of the vibration of the micro-mechanical mirror. The light beam falling on this is thus fanned out and forms the wall of light. These light rays fall on the light-guiding bar 2 . In the simplest case, this consists of a bar made of a translucent plastic. The length of the bar depends on the area to be monitored, which is formed by the fanned-out beam, which in turn is determined by the tilt angle of the micromechanical mirror and the distance from the same to the bar. At one end of the bar is the photoreceiver 5 in the form of a photodiode that receives the amount of light that falls on the bar and converts it into an equivalent electrical current. The amount of light is based on the diffuse refraction of the light rays of the light wall on the wall of the beam and the light conduction inside the beam by reflection.

Passiert ein Objekt 7 die Lichtwand, ist die auf den Photo­ empfänger 5 fallende Lichtmenge geringer.If an object 7 passes the light wall, the amount of light falling on the photo receiver 5 is less.

Durch eine hohe Frequenz des mikromechanischen Spiegels ist es somit leicht möglich, die die Lichtwand passierenden Objekte 7 in ihrer Kontur abzutasten und diese mit der Auswertung 6 zu bestimmen. Um so größer die Frequenz dabei ist, um so kleiner und schneller können die die Lichtwand passierenden Objekte 7 sein.Due to a high frequency of the micromechanical mirror, it is thus easily possible to scan the contours of the objects 7 passing through the light wall and to determine them with the evaluation 6 . The greater the frequency, the smaller and faster the objects 7 passing the light wall can be.

Bei vorher bekannten Konturen können damit weiterhin Änderungen dieser erfaßt werden. Somit können die Konturen z. B. bei schnell ablaufenden Ziehprozessen erfaßt werden und bei Än­ derungen Herstellungsparameter angepaßt werden.Changes can be made to previously known contours this can be recorded. Thus, the contours z. B. at fast-running drawing processes are recorded and at Än Manufacturing parameters are adjusted.

In einen zweiten Ausführungsbeispiel sind entsprechend der Fig. 2 zwei Anordnungen entsprechend des ersten Ausführungs­ beispiels hintereinander so angeordnet, daß sich die Lichtwände parallel zueinander befinden. Gleichzeitig besteht die licht­ leitende Leiste 2 aus jeweils zwei rechtwinklig zueinander angeordneten Balken. Die Photoempfänger 5 befinden sich bei einer derartigen Anordnung im Winkel der zusammengefügten Balken und erfassen die einfallende Lichtmenge der einzelnen Balken.In a second embodiment, according to FIG. 2, two arrangements corresponding to the first embodiment are arranged one behind the other so that the light walls are parallel to each other. At the same time, the light-conducting bar 2 consists of two bars arranged at right angles to each other. With such an arrangement, the photodetectors 5 are located at the angle of the joined bars and detect the incident light quantity of the individual bars.

Die Spiegel sind mit einer Steuerung 3 verbunden.The mirrors are connected to a controller 3 .

Mit einer derartigen Anordnung sind die Richtungen der die Lichtwände passierenden Objekte 7 feststellbar.With such an arrangement, the directions of the objects 7 passing through the light walls can be determined.

In weiteren Ausführungsbeispielen wird die Geometrie der balkenförmigen lichtleitenden Leisten 2 den zu überwachenden Öffnungen angepaßt. Dabei kann in jeder Winkeländerung ein Photoempfänger 5 vorhanden, so daß die Lichtmenge der einzelnen Balken erfaßt wird.In further exemplary embodiments, the geometry of the bar-shaped light-guiding strips 2 is adapted to the openings to be monitored. A photoreceiver 5 can be present in every change in angle, so that the light quantity of the individual bars is detected.

Mit dem Einsatz von flächenhaften Photoempfängern wird in weiteren Ausführungsbeispielen die einfallende Lichtmenge entsprechend der Kontur des Objektes 7 mit diesen erfaßt.With the use of planar photo receivers, the incident quantity of light is detected in accordance with the contour of the object 7 in further exemplary embodiments.

Claims (10)

1. Anordnung zur Erzeugung einer Lichtwand, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Strahlengang einer vorzugsweise einen kollimierten Lichtstrahl aussendenden Lichtquelle (4) ein Schwingspiegel (1) angeordnet ist, daß entweder mindestens eine lichtleitende Leiste (2), daß an und/oder in dieser mindestens ein Photoempfänger (5) angeordnet ist, oder mindestens ein flächenhafter Photoempfänger derart im Strahlengang des abgelenkten Lichtstahles plaziert ist, daß bei Ablenkung des Lichtstrahles durch den Schwingspiegel (1) dieselbe oder derselbe in ihrer oder seiner Längsrichtung linienförmig überstrichen wird, daß der Schwingspiegel (1) elektrisch mit einer Steuerung (3) und der Photoempfänger (5) oder der flächenhafte Photoempfänger mit einer Auswertung (6) verbunden ist.1. Arrangement for generating a light wall, characterized in that in the beam path of a preferably a collimated light beam emitting light source ( 4 ) an oscillating mirror ( 1 ) is arranged that either at least one light-guiding strip ( 2 ) that on and / or in this at least one photoreceiver ( 5 ) is arranged, or at least one planar photoreceptor is placed in the beam path of the deflected light steel in such a way that when the light beam is deflected by the oscillating mirror ( 1 ), the same or the same is swept linearly in its or its longitudinal direction in such a way that the oscillating mirror ( 1 ) is electrically connected to a controller ( 3 ) and the photo receiver ( 5 ) or the planar photo receiver is connected to an evaluation ( 6 ). 2. Anordnung zur Erzeugung einer Lichtwand nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingspiegel (1) ein mikromechanischer vorzugsweise ebener Spiegel ist, der mindes­ tens an zwei sich gegenüberliegenden Seiten an Federn aufge­ hängt ist und mit Elektroden derart versehen ist, daß dieser um eine Achse kippt.2. Arrangement for producing a light wall according to claim 1, characterized in that the oscillating mirror ( 1 ) is a micromechanical, preferably plane mirror, which is suspended at least at least on two opposite sides of springs and is provided with electrodes in such a way that this around an axis tilts. 3. Anordnung zur Erzeugung einer Lichtwand nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtleitende Leiste (2) aus einem lichtdurchlässigem Plastwerkstoff oder Glas besteht.3. Arrangement for producing a light wall according to claim 1, characterized in that the light-guiding strip ( 2 ) consists of a translucent plastic or glass. 4. Anordnung zur Erzeugung einer Lichtwand nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtleitende Leiste (2) balkenförmig ausgebildet ist. 4. Arrangement for producing a light wall according to claim 1, characterized in that the light-guiding strip ( 2 ) is bar-shaped. 5. Anordnung zur Erzeugung einer Lichtwand nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtleitende Leiste (2) aus mindestens zwei winklig zueinander angeordneten balkenförmigen Körpern besteht.5. Arrangement for producing a light wall according to claim 1, characterized in that the light-guiding strip ( 2 ) consists of at least two bar-shaped bodies arranged at an angle to one another. 6. Anordnung zur Erzeugung einer Lichtwand nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtleitende Leiste (2) eine langgestreckte beliebige Form besitzt.6. Arrangement for producing a light wall according to claim 1, characterized in that the light-guiding strip ( 2 ) has an elongated shape. 7. Anordnung zur Erzeugung einer Lichtwand nach Patentanspruch 1 und einen der Patentansprüche 4 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mantelflächen der lichtleitende Leiste (2) bis auf einem im Strahlengang angeordneten Spalt auf der dem Schwingspiegel (1) gegenüberliegenden Seite mit einer nach innen reflektierenden Schicht versehen sind.7. Arrangement for generating a light wall according to claim 1 and one of claims 4 to 6, characterized in that the lateral surfaces of the light-guiding strip ( 2 ) up to a gap arranged in the beam path on the opposite side of the oscillating mirror ( 1 ) with one after inside reflective layer are provided. 8. Anordnung zur Erzeugung einer Lichtwand nach den Patentan­ sprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Photoempfänger (5) an mindestens einer Stirnseite der lichtleitenden Leiste (2) angeordnet ist.8. Arrangement for producing a light wall according to patent claims 1 and 4, characterized in that the photoreceiver ( 5 ) is arranged on at least one end face of the light-guiding strip ( 2 ). 9. Anordnung zur Erzeugung einer Lichtwand nach den Patentan­ sprüchen 1 und einen der Patentansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß Photoelemente (5) an den Stirnseiten und/oder den Knick- oder den Biegestellen der lichtleitenden Leiste (2) angeordnet sind.9. Arrangement for generating a light wall according to patent claims 1 and one of claims 5 or 6, characterized in that photo elements ( 5 ) on the end faces and / or the bends or the bends of the light-guiding strip ( 2 ) are arranged. 10. Anordnung zur Erzeugung einer Lichtwand nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Anordnungen zur Erzeugung einer Lichtwand derart hintereinander angeordnet sind, daß die Lichtwände parallel zueinander verlaufen.10. Arrangement for generating a light wall according to claim 1, characterized in that two arrangements for generating a light wall are arranged one behind the other so that the Light walls run parallel to each other.
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