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Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor und ein Verfahren zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 beziehungsweise 10.
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Für Abstandsmessungen, die einen großen horizontalen Winkelbereich des Messsystems erforderlich machen, eignen sich optoelektronische Systeme und besonders Laserscanner. In einem Laserscanner überstreicht ein von einem Laser erzeugter Lichtstrahl mit Hilfe einer Ablenkeinheit periodisch einen Überwachungsbereich. Das Licht wird an Objekten in dem Überwachungsbereich remittiert und in dem Scanner ausgewertet. Aus der Winkelstellung der Ablenkeinheit wird auf die Winkellage des Objektes und aus der Lichtlaufzeit unter Verwendung der Lichtgeschwindigkeit zusätzlich auf die Entfernung des Objektes von dem Laserscanner geschlossen.
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Mit den Winkel- und Entfernungsangaben ist der Ort eines Objektes in dem Überwachungsbereich in zweidimensionalen Polarkoordinaten erfasst. Damit lassen sich die Positionen von Objekten ermitteln oder durch mehrere Abtastungen desselben Objekts an verschiedenen Stellen dessen Kontur bestimmen. Die dritte Raumkoordinate kann durch eine Relativbewegung in Querrichtung ebenfalls erfasst werden, beispielsweise durch einen weiteren Bewegungsfreiheitsgrad der Ablenkeinheit in dem Laserscanner oder indem das Objekt relativ zu dem Laserscanner befördert wird. So können auch dreidimensionale Konturen ausgemessen werden.
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Neben solchen Messanwendungen werden Laserscanner auch in der Sicherheitstechnik zur Überwachung einer Gefahrenquelle eingesetzt, wie sie beispielsweise eine gefährliche Maschine darstellt. Ein derartiger Sicherheitslaserscanner ist aus der
DE 43 40 756 A1 bekannt. Dabei wird ein Schutzfeld überwacht, das während des Betriebs der Maschine vom Bedienpersonal nicht betreten werden darf. Erkennt der Laserscanner einen unzulässigen Schutzfeldeingriff, etwa ein Bein einer Bedienperson, so löst er einen Nothalt der Maschine aus. In der Sicherheitstechnik eingesetzte Sensoren müssen besonders zuverlässig arbeiten und deshalb hohe Sicherheitsanforderungen erfüllen, beispielsweise die Norm EN13849 für Maschinensicherheit und die Gerätenorm EN61496 für berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen (BWS).
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Die Abtastung der Überwachungsebene in einem Laserscanner wird üblicherweise dadurch erreicht, dass der Sendestrahl auf einen rotierenden Drehspiegel trifft. Lichtsender, Lichtempfänger sowie zugehörige Elektronik und Optik sind im Gerät fest montiert und vollziehen die Drehbewegung nicht mit. Durch den Spiegel ergeben sich sehr hohe Anforderungen an die Ausrichtung der Lichtsender und Lichtempfänger zur Drehachse. Abweichungen davon führen zu einer verbogenen Überwachungsebene. Außerdem sind solche Optikeinheiten baugroß, weil sich immer ein Teil der Objektweite über den Spiegel bis zur Empfangsoptik in das Gerät erstreckt. Streulichteffekte an der Frontscheibe durch die Frontscheibe selbst oder deren Verunreinigung führen zu einer Beeinträchtigung der Sensorfunktion.
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Es ist auch bekannt, den Drehspiegel durch eine mitbewegte Abtasteinheit zu ersetzten. Beispielsweise rotiert in der
DE 197 57 849 B4 der gesamte Messkopf mit Lichtsender und Lichtempfänger. Die
EP 2 388 619 A1 sieht ebenfalls eine drehbare Sende-/Empfangseinheit vor. Diese Abtasteinheit wird beispielsweise nach dem Transformationsprinzip von den drehfesten Bereichen des Sensors mit Energie versorgt.
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Obwohl somit die abstrakte Idee bekannt ist, den rotierenden Messkopf kontaktlos mit Energie zu versorgen, zeigen sich erhebliche Probleme bei der praktischen Umsetzung. Es entstehen ein hoher Montageaufwand und erhebliche Herstellkosten für aufwändige Mechaniken und die Anbindung des Messkopfs an den Motor. Außerdem sind für die Energieübertragung auf großem Durchmesser meistens drehende Eisenteile erforderlich, die eine entsprechende Antriebsleistung erfordern und die Welle belasten.
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Aus der
DE 101 14 362 A1 ist ein Hybrides Laserscanner-System für eine Entfernungsmessung bekannt, das ein rotierendes Teil mit ein- oder mehrkanaligem Lasersender einschließlich Optik und einen Umlenkspiegel, der das Empfangslicht auf eine in einem stehenden Teil befindliche Empfangsdiode lenkt. Zur Energieübertragung für den Lasersender sind zwei Schalenkernhälften mit jeweiligen Wicklungen vorgesehen, die von einem Ringmagneten und einer Flachspulenanordnung für den Antrieb umgeben sind. In einer alternativen Ausführungsform sind anstelle der Schalenkernhälften auch für die Energieversorgung ein Ringmagnet und ein Flachspulensatz vorgesehen.
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Die
DE 10 2009 035 984 A1 offenbart einen Multifunktionalen Laufzeitsensor mit einer rotierenden Einheit, die induktiv versorgt wird. Dabei ist eine Ausführungsform vorgesehen, in der sich ein Laser und ein Mehrfachdetektor in der rotierenden Einheit befinden.
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Daher ist Aufgabe der Erfindung, den Aufbau eines Sensors mit mitbewegter Abtasteinheit zu vereinfachen.
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Diese Aufgabe wird durch einen optoelektronischen Sensor zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich nach Anspruch 1 gelöst. Dabei ist der Sensor zweiteilig mit einer Sockeleinheit und einer Abtasteinheit aufgebaut. Die Abtasteinheit wird relativ zu der Sockeleinheit in Drehbewegung versetzt, um den Überwachungsbereich periodisch abzutasten. Die Sockeleinheit bleibt stationär und umfasst alle weiteren ruhenden Elemente des Sensors, beispielsweise ein Gehäuse. Dabei bezieht sich stationär oder ruhend auf ein übliches Bezugssystem des Sensors, der dennoch insgesamt bewegt werden kann, beispielsweise in mobilen Anwendungen an einem Fahrzeug, welches dann das hier als stationär bezeichnete Bezugssystem bildet. Die Erfindung geht dann von dem Grundgedanken aus, für die kontaktlose Versorgung der Abtasteinheit keine Zusatzelemente einzusetzen, sondern stattdessen einen besonderen Antrieb zu verwenden, der bereits eine kontaktlose Versorgung bereitstellt.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass die kontaktlose Energieübertragung erheblich vereinfacht wird. Aufgrund der in den Antrieb integrierten Versorgungseinheit können alle die kontaktlose Versorgung betreffenden Maßnahmen bereits im Design des Antriebs berücksichtigt werden. So kann auf die umfangreichen Erfahrungen und Lösungen von Motorenherstellern zurückgegriffen werden. Es werden für die Versorgung nur sehr geringe Massen bewegt, es gibt damit wenig Anlaufträgheit im Antrieb sowie eine nur äußerst geringe Zusatzbelastung für die Motorlager. Durch die hohe Integration wird das System sehr bauklein und im Gegensatz zu dem herkömmlichen diskreten Aufbau der Versorgungseinheit dessen Herstellung und Montage deutlich kostengünstiger. Insgesamt entsteht ein sehr kompakter, kostengünstiger und robuster Sensor.
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Der Lichtsender und der Lichtempfänger sind bevorzugt in der Abtasteinheit angeordnet. Damit wird die Abtasteinheit zu einem weitgehend autarken Messkopf. Mit Lichtsender und Lichtempfänger sind vorzugsweise auch zugehörige Sende- und Empfangsoptiken sowie zumindest ein Teil der Sende- und Empfangselektronik in der Abtasteinheit untergebracht.
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Der Antrieb weist bevorzugt an seiner Welle einen Versorgungsanschluss für die mit der Welle mitbewegte Abtasteinheit auf. Damit ergibt sich eine integrierte, kontaktlose Energieübertragung an der Welle. Der Antrieb stellt also selbst einen direkt verwendbaren Anschluss für ein mit der Welle mitdrehendes System bereit, der hier für die Versorgung der Abtasteinheit genutzt wird.
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Die Versorgungseinheit weist einen Transformator mit mindestens einer bezüglich der Sockeleinheit fixen Primärspule und mindestens einer mit der Abtasteinheit mitdrehenden Sekundärspule auf. Damit ruht die Primärspule bezüglich des Sensors in dessen stationärem Teil, während die Sekundärspule mit der Abtasteinheit rotiert und auf diese Weise die kontaktlos übertragene Energie zur Verfügung stellt. Über die Spulenauslegung, also deren Parameter wie Höhe, Durchmesser, Lage oder Wicklungsablauf, kann die Leistungsübertragung in die Abtasteinheit skaliert werden. Prinzipiell wäre statt einer Übertragung nach dem Transformatorprinzip auch eine Übertragung nach dem Dynamoprinzip denkbar, bei dem die Sekundärspule Energie aus der Drehbewegung generiert.
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Die Primärspule und die Sekundärspule weisen einen gemeinsamen Spulenkern auf. Der Begriff Spulenkern bezieht sich dabei auf dessen Funktion, es ist nicht notwendig, dass sich ein Kern geometrisch im Inneren der Spulen befindet. Der Spulenkern ist vorzugsweise aus einem magnetischen Material wie Eisen hergestellt.
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Der Spulenkern ist als Ring ausgebildet, der im Querschnitt ein Hohlprofil aufweist, das die Primärspule und die Sekundärspule aufnimmt. Ein derartiger Ring ist als einfaches Drehteil herstellbar, beispielsweise aus einem Mehrlagenblech. Der Ring ist mit geringen Kosten herstellbar und montierbar. Ein Beispiel für ein Hohlprofil ist ein U-Profil, das zusätzlich nach oben hin durch Vorsprünge annähernd zu einem Kreis geschlossen werden kann.
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Der Ring umgibt bevorzugt den Antrieb. Dazu wird der Ring beispielsweise mit einem Kunststoffhalter am Antrieb fixiert. Dadurch steht ein großer Durchmesser für die Versorgungseinheit zur Verfügung, und die Bauhöhe des Sensors bleibt unverändert.
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Die Sekundärspule ist bevorzugt eisenlos gewickelt. Sie hat anders ausgedrückt keinen Spulenkern in ihrem Inneren, und dies funktioniert mit gutem Wirkungsgrad insbesondere dann, wenn ein gemeinsamer Spulenkern als umgebender Ring vorgesehen ist. Durch die eisenlose Wicklung muss nur eine besonders geringe Masse bewegt werden, um die Abtasteinheit kontaktlos zu versorgen. Auch die Primärspulen könnten eisenlos gewickelt sein, aber da sie nicht bewegt werden, kommt es hier weniger auf deren Masse als auf einen hohen Wirkungsgrad der Energieübertragung an, so dass die Primärspulen ohne Weiteres einen Spulenkern im Inneren aufweisen dürfen.
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In einer bevorzugten Weiterbildung ist die Welle als Hohlwelle ausgebildet, die Versorgungseinheit der Abtasteinheit gegenüberliegend an dem Antrieb angeordnet und eine Versorgungsleitung durch die Welle zu der Abtasteinheit geführt. Die Versorgungseinheit kann so unterhalb des eigentlichen Antriebs untergebracht werden, sofern diese Anordnung mit einer etwas größeren Bauhöhe und dafür kleinerem Durchmesser für den Sensor und dessen Anforderungen günstiger ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf ähnliche Weise durch weitere Merkmale ausgestaltet werden und zeigt dabei ähnliche Vorteile. Derartige weitere Merkmale sind beispielhaft, aber nicht abschließend, in den sich an die unabhängigen Ansprüche anschließenden Unteransprüchen beschrieben.
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen in:
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1 eine schematische Schnittdarstellung durch einen optoelektronischen Sensor;
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2 eine schematische Schnittdarstellung durch eine weitere Ausführungsform eines optoelektronischen Sensors; und
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3 eine sehr vereinfachte schematische Schnittdarstellung eines Antriebs mit mitdrehendem Versorgungsanschluss zur Verwendung in einem optoelektronischen Sensor.
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1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch einen optoelektronischen Sensor in einer Ausführungsform als Laserscanner 10. Der Laserscanner 10 umfasst in grober Aufteilung eine bewegliche Abtasteinheit 12 und eine Sockeleinheit 14. Die Abtasteinheit 12 ist der optische Messkopf, während in der Sockeleinheit 14 weitere Elemente wie eine Versorgung, Auswertungselektronik, Anschlüsse und dergleichen untergebracht sind. Im Betrieb wird mit Hilfe eines Antriebs 16 der Sockeleinheit 14 die Abtasteinheit 12 in eine Drehbewegung um eine Drehachse 18 versetzt, um so einen Überwachungsbereich 20 periodisch abzutasten.
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In der Abtasteinheit 12 erzeugt ein Lichtsender 22 mit Hilfe einer Sendeoptik 24 einen Sendelichtstrahl 26, der in den Überwachungsbereich 20 ausgesandt wird. Trifft der Sendelichtstrahl 26 in dem Überwachungsbereich 20 auf ein Objekt, so kehrt ein entsprechender Lichtstrahl als remittiertes Licht 28 zu dem Laserscanner 10 zurück. Das remittierte Licht 28 wird von einer Empfangsoptik 30 auf einen Lichtempfänger 32 geführt und dort in ein elektrisches Empfangssignal gewandelt. Lichtsender 22 und Lichtempfänger 32 sind auf einer Leiterkarte 34 angeordnet, die auf der Drehachse 18 liegt und mit der Welle 36 des Antriebs 16 verbunden ist.
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Der in 1 gezeigte Aufbau der Abtasteinheit 12 ist schematisch und ohnehin rein beispielhaft zu verstehen. So wäre alternativ jede andere an sich von einstrahligen optoelektronischen Sensoren oder Laserscannern bekannte Anordnung wie etwa eine Anordnung des Lichtsenders 22 vor dem Lichtempfänger 32 statt der gezeigten Doppelaugenanordnung oder die Verwendung eines Strahlteilerspiegels möglich. Die Erfindung befasst sich weniger mit der konkreten Ausgestaltung von Lichtsender, Lichtempfänger und deren Optiken und Elektronik, sondern mit einer kontaktlosen Energieversorgung der Abtasteinheit 12.
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Dazu ist nämlich in den Motor oder Antrieb 16 eine Versorgungseinheit 38 integriert, die vorzugsweise nach dem Transformatorprinzip kontaktlos Energie an die Abtasteinheit 12 überträgt. Über einer Halterung 40 ist ein Eisenring 42 an dem Antrieb 16 befestigt, welcher den Antrieb 16 umgibt. In dem Eisenring 42 befindet sich mindestens eine dort fixierte Primärspule 44, die folglich bezüglich der Sockeleinheit 14 ruht und damit innerhalb des Laserscanners 10 stationär ist, und mindestens eine Sekundärspule 46. Im Gegensatz zu der Primärspule 44 ist die Sekundärspule 46 an der Welle 36 fixiert und dreht sich somit mit der Abtasteinheit 16 mit. Dadurch kann die von der Primärspule 44 auf die Sekundärspule 46 übertragene Energie in der drehenden Abtasteinheit 12 ohne jede weitere besondere Maßnahme direkt abgegriffen werden und beispielsweise die Leiterkarte 34 mit Lichtsender 22 und Lichtempfänger 32 versorgen. In 1 umgibt der Rahmen der Sockeleinheit 14 auch die Sekundärspule 46, was allein einer vereinfachten Darstellung geschuldet ist, denn die Sekundärspule 46 dreht sich wie mehrfach betont mit der Abtasteinheit 12 mit, gehört also nicht zum stationären Teil des Laserscanners 12.
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Die somit den rotierenden Transformatorteil bildende Sekundärspule 46 ist vorzugsweise eine eisenlose Glockenwicklung, um die mitzubewegende Masse minimal zu halten. Der bevorzugt einteilige Eisenring 42 wirkt wie ein Spulenkern, der jedoch in der Sockeleinheit 14 ruht und damit nicht zur Trägheit der Abtasteinheit 12 beiträgt.
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Antrieb 16 und Versorgungseinheit 38 bilden damit eine einzige gemeinsame Baugruppe, so dass sich der Herstell- und Montageaufwand für den Laserscanner 10 verringert. Die Versorgungseinheit 38 und insbesondere der rotierende Transformatorteil, also die Sekundärspule 46, ist direkt am oder sogar im Antrieb 16 integriert.
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Die Elektronikkarte 34, möglicherweise gemeinsam mit weiteren Leiterkarten der Abtasteinheit 12, kann außer Lichtsender 22 und Lichtempfänger 32 auch zugehörige Elektronik und zumindest einen Teil der Steuer- und Auswertungselektronik des Sensors umfassen. Eine weitere Steuer- und Auswertungseinheit 48 ist stationär in der Sockeleinheit 14 untergebracht. Die Leiterkarte 34 und die Steuer- und Auswertungseinheit 48 sind untereinander beispielsweise durch eine nicht dargestellte drahtlose Schnittstelle verbunden, um so letztlich aus funktionaler Sicht als gemeinsame Steuerung und Auswertung zu arbeiten. Die Aufteilung zwischen Abtasteinheit 12 und Sockeleinheit 14 kann in dieser Hinsicht in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung praktisch beliebig variieren.
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Die Steuer- und Auswertungseinheit 48 aktiviert in Kombination mit der Leiterkarte 34 den Lichtsender 22 und erhält das Empfangssignal des Lichtempfängers 32 zur weiteren Auswertung. Sie steuert außerdem den Antrieb 16 und erhält das Signal einer nicht gezeigten, von Laserscannern allgemein bekannten Winkelmesseinheit, welche die jeweilige Winkelstellung der Abtasteinheit 14 bestimmt.
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Zur Auswertung wird vorzugsweise mit einem Lichtlaufzeitverfahren die Distanz zu einem angetasteten Objekt gemessen. Dazu wird in einem phasenbasierten System das Sendelicht des Lichtsenders 22 moduliert und eine Phasenbeziehung zu dem Empfangssignal des Lichtempfängers 32 ausgewertet. Alternativ werden in einem pulsbasierten System kurze Lichtpulse zu einem Sendezeitpunkt als Sendelicht ausgesandt und aus dem Empfangssignal deren Empfangszeitpunkt ermittelt. Dabei sind sowohl Einzelpulsverfahren, die jeweils aus einem einzigen Sendepuls eine Entfernung bestimmen, als auch Pulsmittelungsverfahren denkbar, in denen das Empfangssignal nach einer Vielzahl aufeinanderfolgende Sendepulse gesammelt und statistisch ausgewertet wird. Die jeweilige Winkelstellung, unter welcher der Sendelichtstrahl 26 jeweils ausgesandt wurde, ist von der Winkelmesseinheit ebenfalls bekannt. Somit stehen nach jeder Scanperiode über den Winkel und die Entfernung zweidimensionale Polarkoordinaten aller Objektpunkte in einer Abtastebene zur Verfügung. Durch eine zusätzliche Verkippung der Abtasteinheit 14 kann auch ein dreidimensionaler Überwachungsbereich 20 erfasst werden.
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Damit sind die Objektpositionen beziehungsweise Objektkonturen bekannt und können über eine Sensorschnittstelle 50 ausgegeben werden. Die Sensorschnittstelle 50 oder ein weiterer, nicht gezeigter Anschluss dienen umgekehrt als Parametrierschnittstelle. Bei Anwendungen in der Sicherheitstechnik werden Schutzfelder, die in dem Überwachungsbereich 20 konfiguriert werden können, auf unzulässige Eingriffe überwacht, und daraufhin wird gegebenenfalls ein sicherheitsgerichtetes Abschaltsignal über die dann sicher ausgebildete Schnittstelle 50 (OSSD, Output Signal Switching Device) ausgegeben.
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Der Lichtsender 22 kann als einfache Lichtquelle mit einer Wellenlänge beispielsweise im sichtbaren, ultravioletten oder infraroten Spektrum etwa in Form einer Halbleiterdiode, aber auch als beispielsweise zeilen- oder matrixförmige Anordnung zahlreicher Lichtquellen aufgebaut sein. Entsprechend kann es sich bei dem Lichtempfänger 32 um eine einfache Empfangsfläche, etwa einer Photodiode, oder um eine beispielsweise zeilen- oder matrixförmige Anordnung von Lichtempfangselementen handeln, wie einen CCD- oder CMOS-Chip. Damit entsteht dann nicht nur ein einzelner Abtaststrahl, sondern eine entsprechende Vielzahl zur Aufnahme von zweidimensionalen Bilddaten oder dreidimensionalen Bilddaten mit Hilfe eines Lichtlaufzeitverfahrens. Prinzipiell können nahezu beliebige Sensoreinheiten in der Abtasteinheit 12 rotieren und so den Überwachungsbereich 20 erfassen, beispielsweise auch mehrere Sensoreinheiten in unterschiedlichen Winkelstellungen, die einander mit gleichen oder unterschiedlichen physikalischen Messprinzipien ergänzen.
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Erfindungsgemäß wird ein Antrieb 16 mit einer integrierten kontaktlosen Energieübertragung zwischen Stator und Rotor in einem Laserscanner 10 mit mitdrehender Abtasteinheit 12 genutzt. Ein solcher Antrieb 16 stellt also ohne weitere Maßnahmen an seiner Welle 36 einen mitdrehenden Versorgungsanschluss zur Verfügung, so dass man eine klare Trennung zwischen stationärem und bewegtem Anteil des Laserscanners 10 bekommt, ohne sich um deren Verbindung kümmern zu müssen. Die Versorgung der drehenden Abtasteinheit 12 ist damit ohne weitere Überlegungen gesichert. Nach ganz analogem Prinzip wäre auch denkbar, einen Antrieb einzusetzen, der an seiner Welle 36 zusätzlich oder alternativ zu einem Versorgungsanschluss eine Datenschnittstelle zur Verfügung stellt, wobei die Daten mittels einer in den Antrieb integrierten kontaktlosen Datenübertragung zwischen Stator und Rotor ausgetauscht werden.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform des Laserscanners 10 ebenfalls in schematischer Schnittdarstellung. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen die gleichen oder einander entsprechende Merkmale. Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß 2 ist hier die Versorgungseinheit 38 unter dem Antrieb 16 angeordnet. Dementsprechend kann der Durchmesser der Versorgungseinheit 38 und insbesondere des Eisenrings 42 kleiner ausfallen, und es ergibt sich eine klare Dreiteilung des Antriebs 16 von oben nach unten in eine (Nutz)welle 36, den eigentlichen Antrieb 16 und die Versorgungseinheit 38. Weiterhin ist die Versorgungseinheit 38 am oder sogar im Antrieb 16 integriert. Um die Energie von der unten angeordneten Versorgungseinheit 38 nach oben zu der Nutzwelle und damit zu der Abtasteinheit 12 zu bringen, ist die Welle 36 hier als Hohlwelle ausgeführt, in deren Inneren die erforderlichen Leitungen untergebracht werden können.
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3 zeigt in einer sehr vereinfachten Darstellung noch einmal das Prinzip eines Antriebs 16 mit einem integrierten mitdrehenden Versorgungsanschluss 52 an der Welle 36. Der dargestellte Block des Antriebs 16 ist zugleich mit dem Bezugszeichen der Versorgungseinheit 38 versehen, um deren Integration in den Antrieb 16 zu symbolisieren. An den Versorgungsanschluss 52 können ohne jede Zusatzmaßnahme Kabel einer mitdrehenden Einheit wie der Abtasteinheit 12 angeschlossen werden.
