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Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Erfassungsvorrichtung zum Erfassen eines Drehwinkels einer rotierenden Welle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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In vielfältigen Industrieanwendungen werden optoelektronische Erfassungsvorrichtungen, beispielsweise in Form von optoelektronischen Sensoren bzw. Drehgebern, dazu verwendet, um einen Drehwinkel von sich um eine Drehachse rotierenden Welle zu bestimmen. Hierzu ist die Erfassungsvorrichtung als separater eigenständiger Drehgeber oder als Bestandteil eines Motorfeedbacksystems vorgesehen. Sowohl als eigenständiger Drehgeber als auch als Bestandteil des Motorfeedbacksystems weist die Erfassungsvorrichtung zumindest eine Lichtquelle auf, die eine an der Welle befestigte und mit der Welle mitdrehende Codescheibe bestrahlt. Die Codescheibe reflektiert das Licht mit einer Codierung auf Lichtempfänger zurück, wobei die Lichtempfänger das rückreflektierte Licht mit der Codierung zu Signalen verarbeiten und einer Auswerteeinheit zur Verfügung stellen.
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Die Auswerteeinheit, beispielsweise in Form eines Prozessors, wertet die Signale aus und ermittelt daraus den Drehwinkel der rotierenden Welle.
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Solch eine Ausgestaltung einer optoelektronischen Erfassungsvorrichtung hat den Nachteil, dass eine Ermittlung des Drehwinkels der Welle aufgrund der Codierung der Codescheibe kompliziert und schwierig ist. Ferner ist die Erfassungsvorrichtung teuer in der Herstellung, da ein sehr genauer Zusammenbau der Erfassungsvorrichtung gewährleistet sein muss, um eine hohe Erfassungsgenauigkeit der Erfassungsvorrichtung gegenüber mechanischen Störgrößen, wie beispielsweise eine ungenaue Montage der Codescheibe an die Welle oder eine nicht exakte Ausrichtung der optischen Komponenten (Lichtquelle, Lichtempfänger und Codescheibe) zueinander, zu erhalten.
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Als Bestandteil eines Motorfeedbacksystems benötigt die bekannte optoelektronische Erfassungsvorrichtung viel Bauraum, aufgrund beispielsweise der an dem Motor vorzusehenden Codescheibe und Lagern für die optischen Komponenten.
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EP 2 700 911 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Ermittlung eines Drehwinkels, einer Drehgeschwindigkeit und/oder einer Drehrichtung eines um eine Drehachse verdrehbaren Teils gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine optoelektronische Erfassungsvorrichtung der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass eine genauere Bestimmung eines Drehwinkels einer Welle erzielbar ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine optoelektronische Erfassungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Es ergibt sich der Vorteil, dass aus dem einfachen Aufbau der Erfassungsvorrichtung eine erhöhte Robustheit der Erfassungsvorrichtung gegenüber mechanischen Störungen, wie beispielsweise Stöße oder Fehlstellung der Welle zu den optischen Komponenten, erzielbar ist. Hierbei werden unter den optischen Komponenten die Lichtquelle und die Lichtempfänger verstanden.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Lichtempfänger symmetrisch um die Lichtquelle angeordnet und jeder Lichtempfänger weist einen gleichen Abstand zu der Lichtquelle auf. Hierdurch ist eine gleiche Voraussetzung für alle Lichtempfänger gegeben, um das Intensitätsmaximum des reflektierten Lichts zu detektieren, so dass eine genaue Bestimmung des Drehwinkels ermöglicht ist.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ermittelt die Auswerteeinheit eine Winkelgeschwindigkeit oder eine Winkelbeschleunigung der Welle aus einer Frequenz zumindest eines der Signale. Erfindungsgemäß gibt die Auswerteeinheit eine z-Koordinate aus, die einem Schwanken der Amplitudenwerte zumindest eines der Signale entspricht, und die Auswerteeinheit aus der z-Koordinate ein Taumeln oder eine Neigung der Welle ermittelt. Mit anderen Worten, die Auswerteeinheit ermittelt aus den Signalen der Lichtempfänger sowohl x-y-Koordinaten als auch z-Koordinaten des Intensitätsmaximums, so dass zusätzliche Kenngrößen der Rotation der Welle ermittelbar sind. Hierbei ist eine Größe der Amplitude durch einen Abstand der Lichtquelle und der Lichtempfänger zu der Welle vorgebbar. Das heißt, je geringer der Abstand zwischen den optischen Komponenten und der Endfläche der Welle ist, desto größer ist die Amplitude der Signale der Lichtempfänger.
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Ferner ist gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ein erster Bereich der Oberfläche mit lichtabsorbierendem Material beschichtet oder derart verarbeitet, dass Lichtreflexion unterdrückt ist. Vorteilhafterweise ist das lichtabsorbierende Material auf die Oberfläche geklebt, gesprüht oder gepresst. Weiterhin ist vorzugsweise ein zweiter Bereich der Oberfläche mit einem lichtreflektierenden Material vorgesehen.
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Mit anderen Worten, lediglich die Oberfläche der Endfläche der Welle wird bzgl. Lichtreflexion kontrastreich bearbeitet, so dass eine signifikante Intensitätsverteilung mit einem eindeutigen Intensitätsmaximum des reflektierten Lichts erzielbar ist. Es ist auf einfachste Weise möglich, einen großen Helligkeitskontrast der Endfläche der Welle zu erhalten, so dass ein deutlich verbesserter Signalempfang bei den Lichtempfängern erzielbar ist. Hierdurch ist auf die Codescheibe verzichtbar, da die Endfläche der Welle die Funktionalität einer Codescheibe aufweist, wodurch eine Kompaktheit des Sensors deutlich erhöht und die Kosten des Sensors reduziert sind. Mit Wegfall der Codescheibe entfällt auch die exakte Montage der Codescheibe auf die Welle, so dass die Herstellung der Erfassungsvorrichtung kostengünstiger möglich ist.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel erstellt die Auswerteeinheit einen Raumvektor aus den x- und y-Koordinaten des Intensitätsmaximums und der ermittelten zugehörigen z-Koordinate, der visuell darstellbar ist. Die visuelle Darstellung kann für eine präzise und einfache Montage der Erfassungsvorrichtung genutzt werden.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der zweite Bereich als eine definierte, symmetrische Form, vorzugweise als Punkt oder Strich, auf der Oberfläche vorgesehen. Hierdurch ergibt sich ein eindeutiges Signalbild mit einer erhöhten Signalqualität.
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Es ist ferner eine Aufgabe der Erfindung, ein Motorfeedbacksystem zur Verfügung zu stellen, das kompakt ist.
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Die Aufgabe wird durch ein Motorfeedbacksystem gelöst, das eine optoelektronische Erfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, einen Motor mit einer Welle und ein Motorgehäuse umfasst, wobei die Erfassungsvorrichtung innerhalb des Motorgehäuses und gegenüber der Endfläche der Welle angeordnet ist
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Die Figur der Zeichnung zeigt in:
- 1 eine schematische Perspektivdarstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung,
- 2 die schematische Perspektivdarstellung des Ausführungsbeispiels der Erfassungsvorrichtung, und
- 3 eine beispielhafte Signalaufzeichnung der Erfassungsvorrichtung.
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In der 1 ist eine schematische Perspektivdarstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen optoelektronischen Erfassungsvorrichtung 1 zum Erfassen eines Drehwinkels einer um eine Drehachse 1A rotierenden Welle W gezeigt. Hierbei ist nur ein Wellenende der Welle W gezeigt, die beispielsweise zu einem nicht gezeigten Motor eines Motorfeedbacksystems gehört.
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Die Erfassungsvorrichtung 1 umfasst zumindest eine Lichtquelle 2, die eine Oberfläche O einer Endfläche A der Welle W bestrahlt. Die Lichtquelle 2 ist beispielweise eine LED Lampe, die auf eine Leiterplatte befestigt ist. Die Lichtquelle 2 ist insbesondere koaxial zu der Drehachse 1A der Welle W angeordnet, so dass die Oberfläche O bzw. die Endfläche A der Welle W deckend und gleichmäßig ausgestrahlt ist. Hierzu sendet die Lichtquelle 2 Licht, das wie in den 1 und 2 als Lichtstrahlen 2a dargestellt ist und im Folgenden mit Lichtstrahlen 2a beschrieben wird, in Richtung der Oberfläche O bzw. der Endfläche A der Welle W. Die Lichtstrahlen 2a werden von der Oberfläche O der Welle W teilweise als reflektiertes Licht zurückreflektiert, das wie in den 1 und 2 in Form von Rückstrahlen 2b dargestellt ist und im Folgenden als Rückstrahlen 2b beschrieben wird.
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Zusätzlich sind mindestens drei Lichtempfänger 3a - 3d vorgesehen, wobei in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in der 1 vier Lichtempfänger 3a - 3d abgebildet sind. Die Lichtempfänger 3a - 3d empfangen jeweils das von der Oberfläche O reflektierte Licht bzw. die Rückstrahlen 2b. Die Lichtempfänger 3a - 3d generieren jeweils ein entsprechendes Signal aus den Rückstrahlen 2b. Hierbei bestehen die Lichtempfänger 3a - 3d vorzugsweise aus Fototransistoren oder Fotodioden, die ebenfalls auf der Leiterplatte befestigt sind. Die Lichtempfänger 3a - 3d sind derart zueinander angeordnet, dass eine Empfangsebene für das reflektierte Licht gebildet ist, in der eine x-y Ebene eines Koordinatensystems x, y und z definiert ist.
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Eine Position jeder Lichtempfänger 3a - 3d ist insbesondere zu der Lichtquelle 2 ausgerichtet und in der definierten x-y Ebene bekannt, so dass die Position der Lichtempfänger 3a - 3d zu der Lichtquelle 2 in einer Auswerteeinheit 4, beispielweise in Form eines Prozessors CPU, hinterlegt ist. Die Auswerteeinheit 4 ist vorgesehen, um den Drehwinkel der Welle W zu bestimmen.
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Mit anderen Worten, die Lichtempfänger 3a - 3d sind, insbesondere symmetrisch, um die Lichtquelle 2 angeordnet und jeder Lichtempfänger 3a - 3d weist einen gleichen Abstand zu der Lichtquelle 2 auf. Hierdurch ist gewährleistet, dass alle Lichtempfänger 3a - 3d gleich stark von der Lichtquelle 2 ausgestrahlt sind, im Falle, dass die Oberfläche Oder Endfläche A der Welle W einen einheitlichen Reflexionsgrad hat. Ferner ermöglicht eine symmetrische Anordnung der Lichtempfänger 3a - 3d um die Lichtquelle 2 eine unkompliziertere und leichtere Auswertung des reflektierten Lichts gegenüber einer unsymmetrischen Anordnung.
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Erfindungsgemäß weist die Oberfläche O Bereiche 5 und 5a mit unterschiedlichem Reflexionsgrad auf. Hierbei ist vorzugsweise ein erster Bereich 5 der Oberfläche O mit lichtabsorbierendem Material beschichtet oder derart verarbeitet, dass Lichtreflexion unterdrückt ist. Das lichtabsorbierende Material ist auf die Oberfläche O geklebt, gesprüht oder gepresst. Weiterhin ist vorzugsweise ein zweiter Bereich 5a der Oberfläche O mit einem lichtreflektierenden Material vorgesehen, so dass die Oberfläche O mit dem ersten und zweiten Bereich 5 und 5a einen hohen lichtreflektierenden Kontrast besitzt.
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Die Auswerteeinheit 4 ermittelt x-y-Koordinaten eines Intensitätsmaximums des reflektierten Lichts bzw. der Rückstrahlen 2b in der Empfangsebene aus den Signalen der Lichtempfänger 3a - 3d. Anhand dieser x-y-Koordinaten bestimmt die Auswerteeinheit 4 den Drehwinkel der rotierenden Welle W.
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Mit Bezug auf die 1 bedeutet dies, dass die Lichtquelle 2 die Oberfläche O mit dem ersten, lichtabsorbierenden Bereich 5 und dem zweiten, lichtreflektierenden Bereich 5a bestrahlt, so dass die Lichtstrahlen 2a von dem ersten und zweiten Bereich 5 und 5a der Oberfläche unterschiedlich reflektiert werden. Durch die unterschiedlichen Abstände zwischen den Lichtempfängern 3a - 3d zu dem zweiten, lichtreflektierenden Bereich 5a der Oberfläche O treffen die Rückstrahlen 2b unterschiedlich stark bzw. mit unterschiedlicher Intensität auf die Lichtempfänger 3a - 3d auf. Das heißt, das Intensitätsmaximum liegt näher zu dem Lichtempfänger 3a als zu den übrigen Lichtempfängern 3b - 3d.
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Die Auswerteeinheit 4 ermittelt auf Basis der Signale der Lichtempfänger 3a - 3d die x-y-Koordinaten des Intensitätsmaximums der Rückstrahlen 2b bezogen auf das Koordinatensystem x, y und z der Erfassungsvorrichtung 1 in der x-y Ebene der Lichtempfänger 3a - 3d, so dass aus dem Intensitätsmaximum bzw. dessen x-y-Koordinaten die Auswerteeinheit 4 exakt eine Absolutposition des Intensitätsmaximums in der x-y Ebene der Lichtempfänger 3a - 3d und somit den die x-y-Koordinaten zugeordneten Drehwinkel der Welle W bestimmt.
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Weiterhin gibt die Auswerteeinheit 4 vorzugsweise eine z-Koordinate aus, die einem Schwanken der Amplitudenwerte zumindest eines der Signale entspricht. Die Auswerteeinheit 4 ermittelt aus der z-Koordinate ein Taumeln oder eine Neigung der Welle W.
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Das heißt, aus den x-y- und z-Koordinaten des Intensitätsmaximums kann die Auswerteeinheit 4 unterschiedliche Kenngrößen der Rotation der Welle W ableiten. Hierbei kann auch eine nicht ebene Oberfläche O der Welle W verwendet werden, so dass sich durch die Unebenheiten der Oberfläche O eine Abstandsänderung zwischen der unebenen Oberfläche O der Welle W und der Lichtquelle 2 sowie den Lichtempfängern 3a - 3d ergibt, wobei die Abstandsänderung zu einer Änderung der Reflexion führt. Die Änderung ist als Signal in z-Richtung auswertbar.
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Vorzugsweise bestimmt die Auswerteeinheit 4 aus den x-y- und z-Koordinaten einen Raumvektor V zwischen einem vorgegebenen Nullpunkt, der in den 1 und 2 als Nullpunkt des Koordinatensystems x, y und z der Erfassungsvorrichtung 1 dargestellt ist, und dem zweiten, lichtreflektierenden Bereich 5b der Oberfläche O. Aus dem Raumvektor V, der vorzugsweise visuell darstellbar ist, ist insbesondere eine Ausrichtung der Leiterplatte mit der Lichtquelle 2 und den Lichtempfängern 3a - 3d zu der Endfläche A der Welle W herleitbar.
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Das heißt mit anderen Worten, anhand des Raumvektors V kann eine Montage der Erfassungsvorrichtung 1 gegenüber der Endfläche A der Welle W derart durchgeführt werden, dass der Raumvektor V vorgegebene x-y- und z-Koordinaten bzw. die Form und Orientierung wie in der 1 dargestellt aufweist. Hierdurch sind die Lichtquelle 2 und die Lichtempfänger 3a - 3d zu dem zweiten Bereich 5b der Oberfläche O ausgerichtet und die x-y-Koordinaten des Intensitätsmaximums in der x-y Ebene und die Amplitude des Signals in z-Richtung als Ausgangspunkt kalibriert.
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Wie in der 2 schematisch gegenüber der 1 dargestellt, ist der zweite, lichtreflektierende Bereich 5a auf der Oberfläche O der Endfläche A der Welle W mit der Rotation der Welle W entsprechend dem weißen Pfeil um ca. 45° weitergedreht. Der zweite Bereich 5a befindet sich näher an dem Lichtempfänger 3d als zuvor an dem Lichtempfänger 3a in der 1. Entsprechend treffen die Rückstrahlen 2b intensiver auf den Lichtempfänger 3d auf als auf die anderen Lichtempfänger 3a - 3c.
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Somit ermittelt die Auswerteeinheit 4 neue x-y-Koordinaten des Intensitätsmaximums in der x-y Ebene, aus denen der aktuelle Drehwinkel der Welle W bestimmbar ist.
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Hierbei ist während eines Betriebs der erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung 1 selbstverständlich, dass die Ermittlung der x-y-Koordinaten des Intensitätsmaximums in der x-y Ebene kontinuierlich durchgeführt wird, so dass der Drehwinkel der Welle W kontinuierlich bestimmt ist.
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Zur Verbesserung der Bestimmung des Drehwinkels ist bereits erwähnt, dass der erste und zweite Bereich 5 und 5a lichtreflektierend kontrastreich zueinander ausgebildet sind. Die Genauigkeit der Bestimmung lässt sich dadurch verbessern, indem der zweite Bereich 5a als eine definierte, symmetrische Form, vorzugsweise als Punkt wie in den 1 und 2 oder als Strich, auf der Oberfläche O der Welle W vorgesehen ist. Durch die definierte, symmetrische Form ist ein klar abgegrenzter Reflexionsbereich mit einer eindeutigen Intensität erhältlich.
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Aus der 3 ist eine beispielhafte Signalaufzeichnung der Erfassungsvorrichtung 1 gezeigt, bei der die Signale der Lichtempfänger 3a - 3d von der Auswerteeinheit 4 ausgewertet werden und die x-y-Koordinaten des Intensitätsmaximums als x- und y-Kurve über die Zeit aufgetragen sind. Hierbei stellt die horizontale Koordinatenachse des Diagramms eine Zeitachse dar und die vertikale Koordinatenachse stellt eine Intensitätsachse der Signale der Lichtempfänger 3a - 3d dar.
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Bezogen auf das Koordinatensystem x, y und z der Erfassungsvorrichtung 1 wiederholen sich die Signale der Lichtempfänger 3a - 3d bei der Rotation der Welle W periodisch. Die periodische Wiederholung des Intensitätsmaximums in der x-y Ebene der Lichtempfänger 3a - 3d ist als separate x-Kurve und y-Kurve in dem Diagramm aufgetragen. Zusätzlich ist eine Amplitudenänderung der Signale als z-Kurve in dem Diagramm dargestellt, die die Information liefert, dass der zweite, lichtreflektierende Bereich 5a nicht planparallel zu der x-y Ebene der Lichtempfänger 3a - 3d ist.
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So beträgt beispielsweise die Intensität der x-Kurve zum Zeitpunkt „0“ -100 Einheiten, wobei der Zeitpunkt „0“ als Startpunkt der Rotation der Welle W angesehen werden kann. Sowohl der Verlauf der x-Kurve, y-Kurve als auch z-Kurve wiederholt sich nach einer Zeitdauer T, so dass eine volle Drehung bzw. Rotation der Welle W ermittelt ist.
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Die Auswerteeinheit 4 berechnet aus den Werten der dargestellten x-, y- und z-Kurve die x-y-Koordinaten des Intensitätsmaximums zu jedem Zeitpunkt der Rotation der Welle W. Aus den x-y-Koordinaten leitet die Auswerteeinheit 4 die Absolutposition der Welle W und somit den Drehwinkel der Welle W.
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Aus einer Frequenz zumindest eines der Signale ist eine Winkelgeschwindigkeit oder eine Winkelbeschleunigung der Welle W mittels der Auswerteeinheit 4 ermittelbar. Weiterhin ist aus der z-Koordinate ein Taumeln oder eine Neigung der Welle W um die Drehachse 1A ermittelbar. Hierbei ist eine Größe der Amplitude der Signale durch einen Abstand zwischen der Lichtquelle 2 und der Lichtempfänger 3a - 3d zu der Endfläche A der Welle W vorgebbar, so dass bei einer Positionierung der Erfassungsvorrichtung 1 die Amplitudengröße der Signale als Orientierungshilfe genutzt werden kann. Hierdurch vereinfacht sich ein Zusammenbau der Erfassungsvorrichtung 1.
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Ferner ist in 3 zum Zeitpunkt P eine Umkehrung der periodischen Verläufe der x-, y- und z-Kurve erkennbar. Hieraus lässt sich ein Richtungswechsel der Rotation der Welle W ableiten.
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Die erfindungsgemäße Erfassungsvorrichtung 1 benötigt keine rotierenden Teile, wie beispielsweise Kugellager, so dass die Erfassungsvorrichtung 1 mechanisch verschleißfrei arbeitet. Weiterhin ist die Erfassungsvorrichtung 1 besonders kompakt aufgebaut, da sie lediglich die optischen Komponenten (Lichtquelle 2 und Lichtempfänger 3a - 3d) und die Auswerteeinheit 4 umfasst, wobei die optischen Komponenten gegenüber einer lichtreflektierend kontrastreichen Endfläche A einer Welle W angeordnet sind. Hierdurch ist die Erfassungsvorrichtung 1 äußert kostengünstig herstellbar.
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Ferner sieht die Erfindung ein Motorfeedbacksystem vor, das einen Motor mit der Welle W und ein Motorgehäuse umfasst. Die Welle W weist die lichtreflektierend kontrastreichen Endfläche A auf, der gegenüberliegend die optoelektronische Erfassungsvorrichtung 1 innerhalb des Motorgehäuses angeordnet ist. Hierdurch ist ein kompaktes Motorfeedbacksystem möglich.
