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Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Näherungsschalter zur triangulären Abstandsmessung zu einem sich nähernden Gegenstand, umfassend eine Lichtquelle, welche einen Lichtstrahl in einen dem Näherungsschalter vorgelagerten Überwachungsbereich emittiert, eine von der Lichtquelle beabstandete Empfangseinheit, welche auf einem Erfassungsbereich eine Reflexion des Lichtstrahls detektiert und in ein auswertbares Signal umsetzt, wobei die Empfangseinheit von einer Blende zum selektiven Ausblenden von auf dem Erfassungsbereich eintreffendem Fremdlicht übergriffen ist.
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In der
EP 2 560 208 B1 ist ein Näherungsschalter vorgesehen. Eine Lichtquelle emittiert Licht, welches nach einer Reflexion auf dem erfassten Gegenstand auf eine Empfangseinheit des Näherungsschalters zurückgeworfen wird. Um Effekte zu vermeiden, welche durch Streulicht oder Fremdlicht erzeugt werden, sieht der Näherungsschalter eine Blende vor, welche einen engen Bereich für den Empfang von Reflexionen eines fernen Gegenstands, sowie einen sich aufweitenden Bereich für den Empfang von Reflexionen eines sich nähernden Gegenstands aufweist.
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Optische Näherungsschalter mit Hintergrundausblendung erkennen Gegenstände vor einem Hintergrund unabhängig davon, welche Farbe der Gegenstand oder der Hintergrund haben. Um dies zu erreichen, wird der Gegenstand mit einem Lichtstrahl beleuchtet und der darauf erzeugte Lichtpunkt durch einen Empfänger ausgewertet. Der Empfänger erkennt aufgrund der Position des Lichtpunkts, unter welchem Einfallswinkel das reflektierte Licht auf den Empfänger zurück reflektiert wird.
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Hierbei wird der Einfallswinkel immer steiler, je näher sich der Gegenstand vor dem Sensor befindet. Die Helligkeit des Lichtstrahls spielt bei der Erfassung keine Rolle so dass auch ein dunkler Gegenstand vor einem hellen Hintergrund erfasst werden kann. Der Sensor überwacht den Winkel, wenn ein bestimmter Wert überschritten ist, wird der Gegenstand erkannt und der Sensor schaltet. In der Patentschrift
DE 10 2015 009 619 B4 ist ein solcher optischer Lichttaster beschrieben.
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Ein störender Effekt für einen solchen optischen Lichttaster mit Hintergrundausblendung ergibt sich durch ungewollte Spiegelungen des Lichtes vom erfassten Gegenstand in den Empfänger. Hierdurch wird in der ortsauflösenden Empfangseinheit ein Lichtfleck im Bereich naher Gegenstände empfangen, obgleich der Gegenstand eigentlich fern ist und keine Schaltung auslösen soll. Die Folge ist eine Anfälligkeit für fehlerhaftes Erfassen von Gegenständen aufgrund dieses im Folgenden als Umspiegelung bezeichneten Effekts.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen optischen Näherungsschalter zu schaffen, welcher fehlerhafte Schaltvorgänge infolge von Umspiegelungen über von dem erfassten Gegenstand entfernte Reflexionsflächen vermeidet.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch einen optischen Näherungsschalter gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Sinnvolle Ausgestaltungen eines solchen Näherungsschalters können den sich anschließenden abhängigen Ansprüchen entnommen werden.
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Erfindungsgemäß ist ein optischer Näherungsschalter zur triangulären Abstandsmessung zu einem sich nähernden Gegenstand vorgesehen, umfassend eine Lichtquelle, welche einen Lichtstrahl in einen dem Näherungsschalter vorgelagerten Überwachungsbereich emittiert, eine von der Lichtquelle beabstandete Empfangseinheit, welche auf einem Erfassungsbereich eine Reflexion des Lichtstrahls detektiert und in ein auswertbares Signal umsetzt, wobei die Empfangseinheit von einer Blende zum selektiven Ausblenden von auf dem Erfassungsbereich eintreffendem Fremdlicht übergriffen ist. Ein solcher Näherungsschalter unterscheidet sich vom bekannten Stand der Technik dadurch, dass die Blende einen Teil des Erfassungsbereichs freihält, welcher durch eine Blendenzunge zumindest abschnittsweise gabelförmig geteilt ist.
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Die erfindungsgemäße Ausformung der Blende mit einer Blendenzunge bewirkt, dass in der Mitte der Gabelung ein Lichtpunkt auftreten kann, welcher jedoch nicht von der Empfangseinheit erfasst wird, so lange es sich um einen kleinen Lichtpunkt handelt, welcher also von einem fernen Gegenstand oder einer ganz fernab liegenden Reflexionsfläche reflektiert wird. Handelt es sich hingegen bei dem Gegenstand um einen nahen Gegenstand, so wird der Lichtpunkt aufgrund der Reflexion größer und überragt den Bereich der Blendenzunge, so dass der Lichtpunkt wiederum von der Empfangseinheit erfasst werden kann. Es ist somit möglich, trotz des Umspiegelungseffekts die Reflexionen ferner Gegenstände auszublenden und lediglich dann zu schalten, wenn eine Reflexion eines tatsächlich angenäherten Gegenstands auf der Empfangseinheit auftrifft.
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In konkreter Ausgestaltung eines solchen Näherungsschalters kann die Blende einen Blendenrahmen aufweisen, welcher vor dem Erfassungsbereich angeordnet ist, wobei die Blendenzunge mit dem Blendenrahmen verbunden ist. Dies hat den Vorteil, dass die Blende nach Bedarf ausgetauscht und der Sensor auf verschiedene Lichtpunkte eingestellt werden kann, etwa um auf unterschiedliche Entfernungen zu reagieren.
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Alternativ dazu ist es möglich, dass die Blende auf dem Erfassungsbereich aufgebracht, nämlich aufgedruckt, aufgedampft, aufgeklebt oder aufkaschiert ist. Dies stellt eine unlösbare Verbindung dar, welche kostengünstig und einfach, jedoch auch unveränderlich auf der Empfangseinheit angebracht wird.
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Weiter kann die Blendenzunge spiegelsymmetrisch zu einer Längsachse des Erfassungsbereichs angeordnet sein. Aufgrund der gegenseitigen Anordnung von Lichtquelle und Empfangseinheit ist zu erwarten, dass Reflexionen des von der Lichtquelle emittierten Lichts mittig auf der Empfangseinheit eintreffen. Soweit es sich um eine angesprochene Umspiegelung an einer insbesondere parallel zur Abstrahlrichtung der Lichtquelle liegenden Reflexionsfläche handelt, so wird der Lichtpunkt der Umspiegelung ebenfalls auf dieser Längsachse liegen, so dass auch die Verblendung auf der Längsachse stattfinden soll.
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Es erscheint sinnvoll, dass die Blendenzunge zumindest abschnittsweise rechteckig und/oder zumindest abschnittsweise dreieckig geformt ist und/oder zumindest abschnittsweise eine längliche Freiformfläche ausbildet. Hierdurch kann die Blendenzunge an die auftretenden Umspiegelungen angepasst werden, so dass die Vermeidung von fehlerhaften Lichtpunkten optimiert und angepasst werden kann.
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Bevorzugtermaßen kann der Blende eine Empfangsoptik, diese umfassend zumindest eine optische Linse, vorgeschaltet sein. Eine solche Empfangsoptik fokussiert die Reflexionen erfasster Gegenstände auf die Empfangseinheit, wobei die Brennweite der Linse vorzugsweise auf den maximalen Schaltabstand justiert ist. Bei einer Annäherung wird der Lichtfleck ausgehend hiervon größer, bei einer Entfernung kleiner.
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Weiter kann auch der Lichtquelle eine Sendeoptik, diese umfassend zumindest eine optische Linse, vorgeschaltet sein. Dies fokussiert den ausgesandten Lichtstrahl und sorgt dafür, dass nach der Reflexion auf dem erfassten Gegenstand noch genügend Lichtstärke für das Auslösen des Näherungsschalters vorhanden ist.
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Die vorstehend beschriebene Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen
- 1 einen optischen Näherungssensor mit einem sich nähernden, erfassten Gegenstand in schematischer Darstellung,
- 2 den optischen Näherungssensor gemäß 1 mit einer Umspiegelung in schematischer Darstellung,
- 3 einen Erfassungsbereich der Empfangseinheit aus dem Näherungssensor bei einer Annäherung eines Gegenstands gemäß 1 in schematischer Draufsicht,
- 4 den Erfassungsbereich der Empfangseinheit gemäß 3 bei einer Umspiegelung gemäß 2,
- 5 einen Erfassungsbereich einer Empfangseinheit mit einer erfindungsgemäßen Blende bei einer Annäherung eines Gegenstands gemäß 1 in schematischer Draufsicht,
- 6 den Erfassungsbereich der Empfangseinheit gemäß 5 bei einer Annäherung eines Gegenstands gemäß 2, sowie
- 7 eine erfindungsgemäße Blende in einer schematischen Draufsicht.
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1 zeigt einen optischen Näherungssensor, welcher in einem Gehäuse 4 angeordnet ist. Darin ist eine Lichtquelle 5 vorgesehen, welche durch eine Sendeoptik 6 einen Lichtstrahl 2 in das Vorfeld des Näherungssensors emittiert. Der Lichtstrahl 2 trifft auf einen Gegenstand 1, welcher in mehreren Positionen im Zuge einer Annäherung an den Näherungssensor gezeigt ist. In einer entferntesten Position trifft der Lichtstrahl 2 den Gegenstand und es wird Licht in alle Richtungen reflektiert. Unter anderem erfolgt eine Reflexion auch in der als Reflexion 3 angegebenen Richtung, wobei das Licht hier durch eine Empfangsoptik 7 geleitet und auf eine Empfangseinheit 8 fokussiert wird. Die Brennweite der Empfangsoptik 7 ist hierbei so eingestellt, dass der Brennpunkt der Empfangsoptik 7 in einem Abstand, an welchem sich der Gegenstand 1 zum frühesten Schaltzeitpunkt befindet, liegt. Auf der Empfangseinheit 8 wird durch die Reflexion 3 und deren Fokussierung ein Lichtpunkt 14, 15 erzeugt, welcher mit zunehmender Nähe auf der Empfangseinheit 8 nach unten wandert. Die Richtung ist hierbei nicht vorgegeben und willkürlich gewählt, ebenso gut könnte die Richtung umgekehrt vorgesehen sein.
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Befindet sich eine glänzende Reflexionsfläche 17 oberhalb und in etwa parallel zum Lichtstrahl 2, wie in 2 dargestellt, dann kann auf der Empfangseinheit eine Reflexion 3 unter einem steileren Winkel auftreffen, was den Sensor dann zum Einschalten bewegt, da er diesen zweiten Lichtstrahl so interpretiert, als würde er von einem Gegenstand im Vordergrund des Erfassungsbereiches zurück reflektiert. Dieses fehlerhafte Schaltverhalten wird Umspiegelungseffekt genannt.
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Wenn sich dem optischen Sensor ein Gegenstand 1 nähert, so wie in 1 dargestellt, ändert sich nicht nur der Einfallswinkel auf der Empfangseinheit 8, sondern auch der auf einem Erfassungsbereich 9 der Empfangseinheit 8 abgebildete Lichtpunkt wird immer größer, je näher der Gegenstand 1 zum Sensor kommt. Dies ist in 3 dargestellt.
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Die Zunahme des Durchmessers der Lichtpunkte 14, 15 in 3, je näher der Gegenstand 1 zur Empfangseinheit 8 kommt, rührt daher, dass die Empfangsoptik 7 mit der Brennweite der Linse auf den maximalen Schaltabstand justiert ist. Nähert sich der Gegenstand 1 an, so wird die Abbildung immer unschärfer und der Lichtpunkt immer größer. Gleichzeitig nimmt die empfangene Lichtenergie umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands immer mehr zu, je näher der Gegenstand 1 heranrückt. Grundsätzlich gilt, dass ferne Lichtpunkte 14 klein und an einem Ende des Erfassungsbereichs 9 aufzufinden sind, während nahe Lichtpunkte 15, also von nahen Gegenständen 1 reflektierte Lichtpunkte, groß und am gegenüberliegenden, hier unteren Ende des Erfassungsbereichs 9 auftreten.
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Nehmen der Lichtstrahl 2 und seine Reflexion 3 so wie in 2 abgebildet, einen Umweg über eine seitliche spiegelnde Fläche, kommt das Licht zwar aus dem gleichen Winkel als würde es von einem nahen Objekt reflektiert, aber da der Lichtweg mit dem Lichtweg des Hintergrundlichts vergleichbar ist, wird dieses Licht auf dem Empfänger genau so scharf abgebildet wie das Licht von einem entfernten Objekt, wie in 4 dargestellt. Es findet sich also am Ort eines nahen Lichtpunkts 15 tatsächlich ein fremder Lichtpunkt 16, welcher in der Größe einem fernen Lichtpunkt 14 entspricht.
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Es ist anzustreben, dass die lichtempfindliche Fläche der Empfangseinheit 8 so geformt ist, dass das von dem erfassten Gegenstand 1 reflektierte Licht möglichst ohne Verlust von der Empfangseinheit 8 empfangen wird, aber unnötiges diffuses Störlicht nur einen möglichst geringen Effekt verursacht. Da die Empfangseinheit 8 im Allgemeinen von rechteckigem Querschnitt ist, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den lichtempfindlichen Erfassungsbereich 9 durch eine vor das Empfangsbauelement positionierte Blende 11 genau dem Lichtfleckdurchmesser für die verschiedenen Empfangswinkel anzupassen.
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In 5 und 6 ist jeweils eine Bauform einer verbesserten Blende 11 auf einer Empfangseinheit 8 dargestellt, mit einer zur Längsachse 10 der Empfangseinheit spiegelsymmetrischen Blendenzunge 12, welche auf dem Erfassungsbereich 9 der Empfangseinheit 8 angebracht ist, auf welchem das reflektierte Licht eines Gegenstands 1 im Vordergrund des Überwachungsbereiches auftrifft. Diese speziell geformte Blendenzunge 12, welche den Erfassungsbereich gabelförmig teilt, blendet den fremden Lichtpunkt 16, der durch eine Umspiegelung verursacht wird, aus, lässt aber das Licht von einem Gegenstand im Vordergrund des Überwachungsbereiches mit nur geringen Verlusten durch. Der geringe Verlust an Signal durch diese Blendenzunge im unteren Bereich der Empfangseinheit 8 wird durch die extreme Zunahme der Lichtmenge aufgrund der umgekehrten Proportionalität der Lichtenergie zum Abstand mehr als ausgeglichen. Im Gegenteil wird durch die Blendenzunge 12 störendes sonstiges Fremdlicht ebenfalls unterdrückt, so dass diese speziell geformte Blende 11 auch zu einer verbesserten Fremdlichtfestigkeit führt.
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Die Blende 11, die separat nochmals in 7 gezeigt ist und zur Befestigung vor einer Empfangseinheit 8 einen Blendenrahmen 13 aufweisen kann, kann auf unterschiedliche Weise angebracht werden. Möglichkeiten sind unter anderem, ein lasergeschnittenes dünnes Metallblech, das möglichst nahe am Empfangsbauelement aufliegt, oder ein entsprechend geformtes Kunststoffteil mit Blende 11, welches die Empfangseinheit umfasst.
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Vorstehend beschrieben ist somit ein optischer Näherungsschalter, welcher fehlerhafte Schaltvorgänge infolge von Umspiegelungen über von dem erfassten Gegenstand entfernte Reflexionsflächen vermeidet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gegenstand
- 2
- Lichtstrahl
- 3
- Reflexion
- 4
- Gehäuse
- 5
- Lichtquelle
- 6
- Sendeoptik
- 7
- Empfangsoptik
- 8
- Empfangseinheit
- 9
- Erfassungsbereich
- 10
- Längsachse
- 11
- Blende
- 12
- Blendenzunge
- 13
- Blendenrahmen
- 14
- ferner Lichtpunkt
- 15
- naher Lichtpunkt
- 16
- fremder Lichtpunkt
