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Die Erfindung betrifft eine Optikhalterung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige Optikhalterungen dienen zur Aufnahme von Optikelementen in einem optischen Sensor. Die optischen Sensoren können beispielsweise in Form von Lichttastern, Lichtschranken, Reflexionslichtschranken oder dergleichen gebildet sein. Die in diesem optischen Sensor integrierten Optikelemente sind typischerweise von Lichtstrahlen emittierenden Sendern in Form von Leuchtdioden, Laserdioden oder dergleichen oder von Lichtstrahlen empfangenden Empfängern wie zum Beispiel Photodioden gebildet.
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Eine Optikhalterung zur Aufnahme eines solchen Optikelements ist von einem Tubus gebildet, der einen im Wesentlichen hohlzylindrischen Abschnitt aufweist, an dessen Innenwand Verdrängungsrippen angeordnet sind. In diesen Abschnitt wird das Optikelement eingesetzt. An diesen Abschnitt schließt ein ebenfalls hohlzylindrisches Vorderteil des Tubus an, dessen Wände zur Abschirmung der auf das Optikelement geführten oder von diesem emittierten Lichtstrahlen dienen.
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Bei Einsetzen des Optikelements in den hohlzylindrischen Abschnitt des Tubus wird die Mantelfläche des Optikelements gegen die Verdrängungsrippen gedrückt, wodurch diese verdrängt, das heißt abgetragen oder umgebogen werden. Dadurch wird das Optikelement in dem hohlzylindrischen Abschnitt lagefixiert.
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Ein Problem hierbei besteht darin, dass das Optikelement mit Druck in den hohlzylindrischen Abschnitt eingepresst werden muss, um die Verdrängungsrippen verdrängen zu können. Wird das Optikelement nicht exakt in axialer Richtung in den hohlzylindrischen Abschnitt eingeführt, kann das Optikelement in einer schiefen Einbaulage an den Verdrängungsrippen verkanten. Das Optikelement ist dann im Tubus falsch ausgerichtet, was zu einer Beeinträchtigung der Nachweißsicherheit des optischen Sensors führt.
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Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass durch unvermeidbare toleranzbedingte Schwankungen der Durchmesser der Optikelemente deren Befestigung in der hohlzylindrischen Aufnahme entweder beeinträchtigt oder sogar nicht mehr möglich ist. Ist der Durchmesser des Optikelements kleiner als der jeweilige Sollwert, können gegebenenfalls die Verdrängungsrippen das Optikelement nicht mehr zuverlässig halten. Ist der Durchmesser des Optikelements größer als der jeweilige Sollwert, ist das Einführen des Optikelements in die hohlzylindrische Aufnahme erschwert, wobei gegebenenfalls der Durchmesser des Optikelements so groß ist, dass bei Einführen des Optikelements die Verdrängungsrippen nicht mehr ausreichend verdrängt werden können, wodurch der Halt des Optikelements beeinträchtigt werden kann. Ebenso besteht die Gefahr einer Beschädigung des Optikelements in Form eines Materialabriebs, da das Optikelement mit großer Kraft gegen die Verdrängungsrippen gedrückt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Optikhalterung bereitzustellen, mittels derer eine zuverlässige Lagefixierung eines Optikelements ermöglicht wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die erfindungsgemäße Optikhalterung für ein Optikelement eines optischen Sensors umfasst eine hohlzylindrische Wandung, welche einen Hohlraum umschließt, in welchen das Optikelement eingesetzt ist. Zur Ausbildung der Wandung sind Federlaschen vorgesehen, wobei durch die von den Federlaschen ausgeübten Federkräfte das Optikelement im Hohlraum zentriert ist.
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Mit der erfindungsgemäßen Optikhalterung wird eine zuverlässige und positionsgenaue Lagefixierung eines Optikelements ermöglicht. Die von den Federlaschen ausgeübten Federkräfte zentrieren das Optikelement innerhalb der Optikhalterung in einer exakt vorgegebenen Sollposition. Das Optikelement ist somit exakt innerhalb eines optischen Sensors positioniert.
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Wird das Optikelement für eine Objektdetektion verwendet, ist durch die exakte Positionierung des Optikelements in der Optikhalterung eine hohe Detektionssicherheit gewährleistet. Beispiele für derartige Optikelemente sind Lichtstrahlen emittierende Sender oder Lichtstrahlen empfangende Empfänger.
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Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Optikhalterung besteht darin, dass auch bei toleranzbedingten Größenschwankungen der Optikelemente ein sicherer, positionsgenauer Halt in der Optikhalterung gewährleistet ist. Je nachdem ob die Größe, insbesondere der Außendurchmesser des Optikelements, durch toleranzbedingte Schwankungen etwas größer oder kleiner ist als ein bestimmter Sollwert, werden die Federlaschen durch das Optikelement mehr oder weniger aufgebogen, wodurch sich die Beträge der ausgeübten Federkräfte ändern, nicht deren Richtungen, so dass das Optikelement unabhängig von dessen Größe immer in derselben Sollposition gehalten wird. Die Federlaschen gleichen somit toleranzbedingte Schwankungen des Optikelements selbsttätig aus.
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Mit den Federlaschen ist somit im Vergleich zu Systemen, die mit Verdrängungsrippen arbeiten, eine exaktere und vor allem reproduzierbarere Halterung des Optikelements in einer Sollposition möglich. Anders als bei Verdrängungsrippen erfolgt bei Einführen des Optikelements in der Optikhalterung keine Materialverdrängung von Fixierelementen, die nicht reproduzierbar und nicht reversibel ist, sondern eine elastische federnde Bewegung der Federlaschen, die bei einer Mehrfacheinführung eines Optikelements jederzeit wiederholbar ist.
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Besonders vorteilhaft ist die Wandung kreisringförmig ausgebildet. Die Federlaschen bilden Segmente eines Kreisrings.
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Die Optikhalterung ist somit optimal an die typischerweise rotationssymmetrische, insbesondere kreiszylindrische Außenkontur angepasst. Die Federlaschen sind dabei so angeordnet und ausgebildet, dass durch diese das Optikelement exakt im Zentrum der Optikhalterung lagefixiert wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind zwei identische, diametral gegenüberliegende Federlaschen vorgesehen.
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Diese Ausführungsform weist, da nur zwei Federlaschen benötigt werden, einen besonders einfachen Aufbau auf.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Wandung um ihren oberen und unteren Rand jeweils ein Ringsegment auf, wobei die Federlaschen mit den Ringsegmenten über Laschensegmente verbunden sind.
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Durch die Anbindung der Federlaschen über die Laschensegmente an die starre Elemente bildenden Ringsegmente können die Federlaschen federnde Bewegungen gegen die Ringsegmente ausführen, wodurch die Federkräfte der Federlaschen erzeugt werden.
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Weiterhin ist vorteilhaft vorgesehen, dass die Ringsegmente über Stege verbunden sind, wobei die Stege in Abstand zu den Federlaschen angeordnet sind und so ausgebildet sind, dass das Optikelement nur an den Federlaschen und nicht an den Stegen anliegt.
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Die Stege bilden mit den Ringsegmenten ein starres Gerüst der Optikhalterung, das heißt die Federlaschen bilden die einzigen federnden, beweglichen Elemente der Optikhalterung. Da das Optikelement in der Optikhalterung nur an den Federlaschen, nicht jedoch an den Stegen anliegt, werden die von den Federlaschen ausgeübten Federkräfte nicht beeinträchtigt, so dass mit den Federlaschen eine exakte Zentrierung und eine sichere Lagefixierung des Optikelements durchgeführt wird.
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Besonders vorteilhaft weisen die Federlaschen Anlageflächen auf, an welchen das Optikelement anliegt, wobei an den Anlageflächen Klemmrippen vorgesehen sind, welche in Ausnehmungen des Optikelements greifen.
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Durch die Klemmrippen wird das Optikelement in einer exakten Relativposition zu den Federlaschen positioniert, wodurch die Genauigkeit der Zentrierung des Optikelements in der Optikhalterung weiter erhöht wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform bildet ein Ringsegment eine Einführöffnung für das Optikelement aus. Dieses Ringsegment weist einen Anschlag für das Optikelement auf, wodurch die Bewegung des Optikelements in axialer Richtung der Optikhalterung begrenzt ist.
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Weiterhin weist das Ringsegment eine an dessen äußeren Rand ausmündende Aussparung auf, in welche bei Einführen des Optikelements in die Optikhalterung eine von der Mantelfläche des Optikelements hervorstehende Nase greift, wodurch eine Verdrehsicherung des Optikelements in der Optikhalterung ausgebildet ist.
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Damit ist durch konstruktiv einfache Maßnahme eine exakte Positionierung des Optikelements in der Optikhalterung gewährleistet.
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Besonders vorteilhaft besteht die Optikhalterung aus einem Kunststoff-Spritzgussteil, wobei die Felderlaschen mit den Laschensegmenten Bestandteile des Kunststoff-Spritzgussteils sind. Durch die Wandstärken der Federlaschen und Laschensegmente sind deren federnde Eigenschaften vorgegeben.
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Die so ausgebildete Optikhalterung kann somit kostengünstig hergestellt werden.
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Die Optikhalterung kann als funktionelle Erweiterung einen an diese anschließenden Tubus aufweisen. Diese Ausführungsform eignet sich für Optikelemente, die Lichtstrahlen emittieren oder empfangen. Diese Laschensegmente werden durch den Tubus gegen Störeinflüsse, insbesondere Fremdlicht, abgeschirmt.
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Die erfindungsgemäße Optikhalterung kann in optischen Sensoren unterschiedlicher Ausprägung eingesetzt werden, beispielsweise in Lichttastern, Lichtschranken, Reflexionslichtschranken oder Distanzsensoren. Das in der Optikhalterung gelagerte Optikelement besteht dann vorteilhaft aus einem Lichtstrahlen emittierenden Sender oder einem Lichtstrahlen empfangenden Empfänger.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1: Seitenansicht einer Optikhalterung mit einem darin gelagerten Optikelement.
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2: Perspektivische Darstellung der Optikhalterung gemäß 1.
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3: Schnittdarstellung der Optikhalterung mit Federlaschen im gespannten und ungespannten Zustand.
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Die 1 bis 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Optikhalterung 1. Die Optikhalterung 1 dient zur Halterung eines Optikelements 2, wie in 1 dargestellt. Das Optikelement 2 besteht im vorliegenden Fall aus einer Lichtstrahlen 8 emittierenden Leuchtdiode oder Laserdiode. Prinzipiell kann das Optikelement 2 auch von einer Lichtstrahlen empfangenden Photodiode gebildet sein. Das Optikelement 2 weist einen rotationssymmetrischen Grundkörper mit einer zylindrischen Mantelfläche auf. An der Unterseite des Optikelements 2 münden elektrische Anschlüsse 3 aus. Die Oberseite des Optikelements 2 bildet eine Abstrahlfläche, über welche die Lichtstrahlen ausgesendet werden.
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Die Optikhalterung 1 besteht aus einem Kunststoff-Spritzgussteil, welches eine an die Form des aufzunehmenden Optikelements 2 angepasste rotationssymmetrische Form aufweist. Die Optikhalterung 1 weist dabei eine im Wesentlichen hohlzylindrische Wandung auf, in welche das Optikelement 2 eingesetzt werden kann.
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Diese Wandung weist zur Ausbildung eines starren Gerüsts am oberen Rand ein erstes Ringsegment 4 auf, das in der Anordnung gemäß 1 in einer horizontalen Ebene orientiert ist. Weiterhin weist die Optikhalterung 1 am unteren Rand ein zweites Ringsegment 5 auf, welches parallel zur Ebene des ersten Ringsegments orientiert ist. Diese Ringsegmente 4, 5 sind über Stege 6 verbunden, deren Längsachsen senkrecht zu den Ebenen der Ringsegmenten 4, 5 verlaufen. Wie aus den 1 und 2 ersichtlich, sind zwei identische Stege 6 vorgesehen, die um 180° in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet sind.
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Die Ringsegmente 4, 5 mit den Stegen 6 bilden ein starres Gerüst der Optikhalterung 1, in welchem zwei Federlaschen 7 federnd gelagert sind. Die beiden Federlaschen 7 sind identisch ausgebildet und weisen jeweils einen kreisbogenförmigen Querschnitt auf. Die Federlaschen 7 bilden somit Elemente eines Kreisrings, das heißt Elemente der hohlzylindrischen Wandung der Optikhalterung 1. Am oberen und unteren Rand einer Federlasche 7 mündet jeweils ein Laschensegment 8 aus, das mit dem oberen beziehungsweise unteren Ringsegment 4, 5 verbunden ist. Die Materialstärke der identisch ausgebildeten, flächigen Laschensegmente 8 ist so ausgebildet, dass diese elastisch verformbar sind. Dadurch sind die Federlaschen 7 federnd an die Ringsegmente 4, 5 angekoppelt, das heißt bei Ausüben von Kräften in radialer Richtung der Optikhalterung 1 üben die Federlaschen 7 elastische Rückstellkräfte, das heißt Federkräfte aus. Auch die Federlaschen 7 können derartige Wandstärken aufweisen, dass diese selbst elastische, federnde Eigenschaften aufweisen.
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Die Innenseiten der Federlaschen 7 bilden Anlageflächen, an welchen die Mantelfläche des in die Optikhalterung 1 eingeführten Optikelements 2 anliegt. An der Innenseite jeder Federlasche 7 sind zwei Klemmrippen 9 vorgesehen, die zu dieser Innenseite hervorstehen. Die identisch ausgebildeten Klemmrippen 9 weisen einen konstanten, dreieckigen Querschnitt auf. Die Klemmrippen 9 erstrecken sich jeweils über die gesamte Höhe der Federlaschen 7.
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Korrespondierend zu den Klemmrippen 9 sind in die Mantelflächen des Optikelements 2 Ausnehmungen 10 eingearbeitet, die identisch ausgebildet sind und sich jeweils über die gesamte Höhe des Optikelements 2 erstrecken. Die Ausnehmungen 10 weisen einen an die Querschnitte der Klemmrippen 9 angepassten dreieckigen Querschnitt auf.
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An dem unteren Ringsegment 5 ist eine rechteckförmige Aussparung 11 vorgesehen, die am unteren Rand des Ringsegments 5 ausmündet. In diese Aussparung 11 kann eine von der Mantelfläche des Optikelements 2 hervorstehende Nase 12 eingeführt werden.
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An der Innenseite des unteren Ringsegments 5 ist, wie aus 2 ersichtlich, ein ringförmiger, in Umfangsrichtung der Ringsegmente 4, 5 umlaufender Absatz 13 vorgesehen, der einen Anschlag für das Optikelement 2 bildet. Zur Anlage am Anschlag weist das Optikelement 2 an seinem unteren Rand eine entsprechende Verbreiterung auf.
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An dem oberen Rand des oberen Ringsegments 4 schließt ein Tubus 14 an, wobei in den 1 und 2 nur die untere Wand des Tubus 14 dargestellt ist. Der Tubus 14 dient zur Abschirmung der von Optikelementen 2 emittierten Lichtstrahlen.
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Das Ringsegment 5 am unteren Rand der Optikhalterung 1 begrenzt eine Einführöffnung, über welche das Optikelement 2 in den Hohlraum der Optikhalterung 1 eingeführt werden kann.
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Das Optikelement 2 wird in den Hohlraum der Optikhalterung 1 so eingeführt, dass die Klemmrippen 9 der Federlaschen 7 in den Ausnehmungen 10 an der Mantelfläche des Optikelements 2 geführt sind. Die Einführbewegung des Optikelements 2 wird durch den vom Absatz 13 der Optikhalterung 1 gebildeten Absatz 13 begrenzt, so dass das Optikelement 2 in axialer Richtung eine vorgegebene, definierte Sollposition in der Optikhalterung 1 einnimmt. Sobald das Optikelement 2 am Anschlag anliegt, greift die Nase 12 am Optikelement 2 in die Aussparung 11 am unteren Ringsegment 5, wodurch das Optikelement 2 in einer definierten Winkelposition in der Optikhalterung 1 verdrehsicher gelagert ist.
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Das so in die Optikhalterung 1 eingeführte Optikelement 2 wird durch die Federlasche 7 in der Mitte des Hohlraums der Optikhalterung 1 zentriert und lagefixiert. Wie insbesondere aus 3 ersichtlich, sind die Stege 6 gegenüber den Federlaschen 7 nach hinten versetzt, so dass das Optikelement 2 nur an den Federlaschen 7, nicht aber an den Stegen 6 anliegt.
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Bei Einführen des Optikelements 2 werden die Federlaschen 7 aus ihren Ruhepositionen (in 3 mit durchgezogenen Linien dargestellt) ausgelenkt und durch Aufbiegen der Laschensegmente 8 nach außen gedrückt. Dadurch werden von den Federlaschen 7 elastische Rückstellkräfte, das heißt Federkräfte ausgeübt, die auf das Optikelement 2 wirken. Durch die konzentrische, gegenüberliegende Anordnung der identisch ausgebildeten Federlaschen 7 wirken die Rückstellkräfte auf das Zentrum des Hohlraums der Optikhalterung 1, wodurch das Optikelement 2 exakt im Zentrum des Hohlraums der Optikhalterung 1 lagefixiert wird. Diese Zentrierung erfolgt in gleichem Maße für verschiedene Optikelemente 2, die durch Bauteiltoleranzen leicht unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Je nachdem, ob das Optikelement 2 einen größeren der kleineren Durchmesser aufweist, werden die Federlaschen 7 stärker oder schwächer aufgebogen. Dadurch sind die Beträge der von den Federlaschen 7 ausgeübten Rückstellkräfte zwar größer oder kleiner, deren Richtungen bleiben jedoch erhalten, so dass in allen Fällen eine exakte Zentrierung des Optikelements 2 in der Optikhalterung 1 gegeben ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Optikhalterung
- 2
- Optikelement
- 3
- Anschluss
- 4
- Ringsegment
- 5
- Ringsegment
- 6
- Stege
- 7
- Federlasche
- 8
- Laschensegment
- 9
- Klemmrippen
- 10
- Ausnehmung
- 11
- Aussparung
- 12
- Nase
- 13
- Absatz
- 14
- Tubus
