DE102022134473A1

DE102022134473A1 - Scanner zum Nachweisen von Objekten in einem Überwachungsbereich

Info

Publication number: DE102022134473A1
Application number: DE102022134473.8A
Authority: DE
Inventors: Jörg Geipel; Tilo Wünsche; Frank Steinhäuser
Original assignee: Pepperl and Fuchs SE
Current assignee: Pepperl and Fuchs SE
Priority date: 2022-12-22
Filing date: 2022-12-22
Publication date: 2024-06-27

Abstract

Die Erfindung betrifft einen optischen Scanner zum Nachweisen von Objekten in einem Überwachungsbereich mit einem Sender zum Aussenden von Sendelicht in den Überwachungsbereich, mit einem Empfänger zum Nachweisen von von einem Objekt im Überwachungsbereich zurückgestrahltem Licht, mit einer Empfangsoptik zum Leiten von nachzuweisendem Licht in Richtung des Empfängers, mit einer Steuereinheit zum Ansteuern des Senders und des Empfängers und zum Auswerten von Nachweissignalen des Empfängers, mit einem Rotor zum Rotieren einer Richtung, in der das Sendelicht in den Überwachungsbereich gestrahlt wird, um eine Rotationsachse, wobei auf dem Rotor mindestens Teile der Empfangsoptik angeordnet sind, mit einem Statorgehäuse, bezüglich dem der Rotor drehbar angeordnet ist, und mit einem Antrieb für den Rotor. Der optische Scanner ist dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor ein mitdrehendes Rotorgehäuse aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Scanner zum Nachweisen von Objekten in einem Überwachungsbereich nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein gattungsgemäßer Scanner ist beispielsweise beschrieben in EP 2 715 396 A1 und weist folgende Merkmale auf: einen Sender zum Aussenden von Sendelicht als Sendestrahlung in den Überwachungsbereich, einen Empfänger zum Nachweisen von von einem Objekt im Überwachungsbereich zurückgestrahltem Licht, eine Steuereinheit zum Ansteuern des Senders und des Empfängers und zum Auswerten von Nachweissignalen des Empfängers, einen Rotor zum Rotieren einer Richtung, in der das Sendelicht in den Überwachungsbereich gestrahlt wird, um eine Rotationsachse, ein Statorgehäuse, relativ zu dem der Rotor drehbar angeordnet ist.
Solche Scanner sind in zahlreichen Ausgestaltungen, beispielsweise als optische Scanner, Radarscanner, Ultraschallscanner und/oder kapazitive Scanner, bekannt und werden insbesondere auch in industriellen Umgebungen eingesetzt.
Für die ordnungsgemäße Funktion solcher Scanner ist wesentlich, dass der Weg der Sendestrahlung vom Sender in den Überwachungsbereich einerseits und zurück vom Überwachungsbereich zum Empfänger frei ist oder Störungen jedenfalls nicht erheblich sind.
Im dem Fall eines optischen Scanners kann ein Gehäuse, in dem optische und elektronische Komponenten dieses optischen Scanners untergebracht sind, eine Frontscheibe aufweisen, durch welche das ausgesendete und das nachzuweisende Licht jeweils hindurchtritt. Beim Einsatz des Scanners in industriellen Umgebungen kann es zu Schwierigkeiten aufgrund von Verschmutzungseintrag auf die Frontscheibe des optischen Scanners kommen.
In ähnlicher Weise können auch bei Radarsensoren, Ultraschallsensoren und/oder kapazitiven Sensoren Verschmutzungen zu Beeinträchtigungen von deren Funktion führen.
Als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann angesehen werden, einen Scanner, der oben angegebenen Art zu schaffen, der im Hinblick auf den Verschmutzungseintrag in industriellen Umgebungen verbesserte Eigenschaften aufweist.
Diese Aufgabe wird durch den Scanner mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Der Scanner der oben angegebenen Art ist erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass der Rotor ein mitdrehendes Rotorgehäuse aufweist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele und vorteilhafte Varianten des erfindungsgemäßen Scanners werden im Folgenden, insbesondere im Zusammenhang mit den abhängigen Ansprüchen und den Figuren erläutert.
Als eine wesentliche Idee der vorliegenden Erfindung kann angesehen werden, den Rotor nicht mehr innerhalb eines statischen Gehäuses anzuordnen, sondern das Gehäuse des Rotors so auszugestalten, dass es sich selbst mitdreht. Der wesentliche Gedanke dabei ist, dass Verschmutzungspartikel, die sich eventuell auf einer Oberfläche des Gehäuses angelagert haben und den Weg der Sendestrahlung, beispielsweise den optischen Weg für das Sendelicht, und/oder die nachzuweisende zurückgestrahlte Sendstrahlung, beispielsweise das nachzuweisende Licht, aus dem Überwachungsbereich beeinträchtigen, aufgrund der durch die Rotation generierten Zentrifugalkraft von der Oberfläche weggeschleudert werden. Praxistests haben gezeigt, dass dieses Prinzip funktioniert und dass deutliche Verbesserungen im Hinblick auf den Verschmutzungseintrag erreicht werden können.
Mit dem Begriff Scanner ist für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung eine Messanordnung gemeint, bei der ein Strahl der Sendestrahlung abtastend über oder durch den Überwachungsbereich geführt wird. Als Überwachungsbereich wird derjenige Raumbereich in der Umgebung des Scanners verstanden, in dem Objekte nachgewiesen werden können. Mit dem erfindungsgemäßen Scanner können jedwede Objekte nachgewiesen werden, die die Sendestrahlung, beispielsweise das Sendelicht, in hinreichendem Umfang zurückstrahlen, sei es durch Reflexion oder Streuung.
Die Sendestrahlung kann elektromagnetische Strahlung sein, insbesondere im Mikrowellenbereich, im sichtbaren Bereich, im Infrarotbereich und oder im UV-Bereich. Das ist der Fall bei optischen Scannern, bei Radarscanner und bei kapazitiven Scannern.
Im Fall von optischen Scanner kann die Sendestrahlung als Sendelicht bezeichnet werden, wobei damit Licht im sichtbaren Bereich, aber auch im Infrarotbereich und im Ultraviolett UV-Bereich gemeint sein soll. Als Sender für das Sendelicht als Sendestrahlung kann jede ansteuerbare Lichtquelle in Betracht kommen, welche das Licht in der gewünschten Intensität und mit der gewünschten Wellenlänge bereitstellt. Besonders bevorzugt werden Halbleiterkomponenten, insbesondere Leuchtdioden oder Halbleiterlaser, verwendet. Typischerweise wird Sendelicht im sichtbaren Bereich oder Infrarotlicht verwendet.
Als Empfänger für zurückgestrahltes Sendelicht können wiederum bekannte Komponenten verwendet werden, die das Licht in dem verwendeten Wellenlängenbereich hinreichend empfindlich nachweisen. Bevorzugt werden Halbleiterkomponenten, insbesondere Photodioden, insbesondere Avalanche-Dioden, PIN-Dioden oder SPAD-Detektoren, verwendet.
Bei optischen Scannern kann eine Empfangsoptik vorhanden sein, wobei mit dem Begriff der Empfangsoptik alle lichtführenden und/oder den Strahlengang des Lichts manipulierenden Elemente bezeichnet werden, mit denen das nachzuweisende Licht auf den Empfänger geleitet wird, beispielsweise Linsen, Spiegel, Blenden. Es kann auch eine Sendeoptik vorhanden sein, zum Leiten des Sendelichts von dem Sender in den Überwachungsbereich. Mit dem Begriff der Sendeoptik werden alle lichtführenden und/oder den Strahlengang des Lichts manipulierenden Elemente bezeichnet, mit denen das Sendelicht von dem Sender in den Überwachungsbereich geleitet wird, beispielsweise Linsen, Spiegel, Blenden.
Das Sendelicht wird typischerweise quer, insbesondere senkrecht zur Rotationsachse abgestrahlt, sodass der Sendestrahl einen im wesentlichen flachen Überwachungsbereich überstreicht. Es ist aber auch möglich, den Sendestrahlengang auf einem Kegelmantel oder einer anderen Kontur zu bewegen.
Die Sendestrahlung kann aber auch Ultraschallstrahlung sein. Für die Ultraschallsender und Empfänger können dann wiederrum grundsätzlich bekannte Komponenten verwendet werden.
Der erfindungsgemäße Scanner kann ein optischer Scanner, ein Radarscanner oder ein kapazitiver Scanner sein oder er kann als Ultraschallscanner ausgestaltet sein.
Als Steuereinheit können bekannte elektronische, insbesondere programmierbare, Einrichtungen verwendet werden, beispielsweise Mikrocontroller oder vergleichbare Einrichtungen.
Mit dem Begriff Gehäuse, insbesondere Rotorgehäuse oder Statorgehäuse, sind Einrichtungen gemeint, welche die jeweiligen Komponenten, insbesondere vollständig umschließen.
Wesentlich für den erfindungsgemäßen Scanner ist, dass die Senderichtung der Sendestrahlung um eine Rotationsachse verschwenkt oder gedreht wird. Dieses Prinzip kann mit unterschiedlichen Anordnungen verwirklicht werden. Beispielsweise ist es möglich, dass der Sender selbst nicht rotiert, sondern beispielsweise das Sendelicht auf einen auf dem Rotor befindlichen Drehspiegel strahlt, von dem aus das Sendelicht sodann mit rotierender Strahlrichtung in den Überwachungsbereich reflektiert wird.
Der Sender kann aber auch auf dem Rotor angeordnet sein. Zum Beispiel kann der Sender auf der Rotationsachse des Rotors angeordnet sein und die Sendestrahlung, insbesondere das Sendelicht, in Richtung der Rotationsachse abstrahlen und Sendestrahlung kann von einem einer Umlenkeinrichtung, insbesondere einem Sendespiegel, auf dem Rotor in den Überwachungsbereich gelenkt werden. Ungenauigkeiten, die von torkelnder Relativbewegung eines statisch angeordneten Senders relativ zu einem drehenden Sendespiegel können so vermieden werden.
Schließlich ist auch möglich, dass der Sender so auf dem Rotor angeordnet ist, dass die Sendestrahlung im Wesentlichen in radialer Richtung, mithin quer oder senkrecht zur Rotationsachse, abgestrahlt wird.
Auch der Empfänger muss sich nicht notwendig mitdrehen. Vielmehr kann das die aus dem Überwachungsbereich zurückgestrahlte Sendestrahlung, beispielsweise Sendelicht, über eine drehende Optik, insbesondere einen auf dem Rotor angeordneten Hohlspiegel auf einen statisch angeordneten Empfänger geleitet werden. Bei bevorzugten Ausgestaltungen, insbesondere eines erfindungsgemäßen optischen Scanners, ist aber auch der Empfänger auf dem Rotor angeordnet. Ungenauigkeiten, die von einer torkelnder Relativbewegung eines statisch angeordneten Empfängers relativ zu einer drehenden Empfangsoptik resultieren, können so vermieden werden.
Für die Empfangsoptik können bei einem optischen Scanner grundsätzlich bekannte Komponenten verwendet werden; insbesondere kann die Empfangsoptik einen Hohlspiegel aufweisen.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen optischen Scanners sind der Sendespiegel und der Hohlspiegel, der die Empfangsoptik bildet oder Teil der Empfangsoptik ist, als ein gemeinsames Spiegelelement gebildet.
Eine wesentliche Aufgabenstellung bei dem erfindungsgemäßen Scanner ist, einerseits die Abdichtung der Gehäuse zu gewährleisten, um ein Eindringen von Verschmutzungen, beispielsweise von Staub, zu verhindern, und andererseits einen möglichst ungehinderten und energiesparenden Antrieb des Rotors zu ermöglichen. Im Stand der Technik ist bekannt, ein Statorgehäuse relativ zu einem drehenden Rotorgehäuse mit einem Wellendichtring abzudichten. Ungünstig sind dabei die vergleichsweise großen Reibungskräfte, insbesondere bei größeren Durchmessern der abzudichtenden Flächen. Diese Reibungskräfte erfordern einerseits entsprechend starke Antriebe und führen außerdem zu Wärmeeintrag an den gegeneinander reibenden Flächen. Wenn Wellendichtungen eingesetzt werden sollen, müssen außerdem die abzudichtenden Flächen eine hohe Oberflächengüte aufweisen und außerdem genau relativ zueinander positioniert werden. Es sind, mit anderen Worten hohe Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit der Komponenten sowie die Genauigkeit von deren Einbau gestellt.
Im Unterschied dazu ist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Scanners zwischen dem Statorgehäuse und dem Rotorgehäuse ein in Umlaufrichtung umlaufender Durchtritt gebildet, der einen Gasaustausch, insbesondere einen Luftaustausch, zwischen einem Innenraum des Statorgehäuses und/oder des Rotorgehäuses und der Umgebung ermöglicht, und es ist eine Einrichtung zum Reduzieren eines Strömungsleitwerts für den Gasaustausch durch den Durchtritt vorhanden.
Die Abdichtung zwischen dem Statorgehäuse und dem Rotorgehäuse erfolgt im Bereich des Durchtritts kontaktlos, das heißt das Statorgehäuse und das Rotorgehäuse berühren sich im Bereich des Durchtritts nicht.
Wegen der kontaktlosen Abdichtung reichen im Betrieb kleinere Drehmomente aus, um das Rotorgehäuse zu drehen. Dieser Vorteil macht sich insbesondere bei größeren Durchmessern bemerkbar, bei denen die Reibungskräfte bei Verwendung von Wellendichtringen vergleichsweise groß werden. Weil für die Rotation geringere Drehmomente ausreichend sind, können kleinere Motoren mit weniger Verlustleistung eingesetzt werden und somit kann das Bauvolumen des Scanners insgesamt reduziert werden.
Grundsätzlich kann der Durchtritt an einer beliebigen radialen Position zwischen dem Statorgehäuse und dem Rotorgehäuse und insbesondere in der Nähe der Rotationsachse gebildet sein. Im Hinblick auf die anzustrebenden vergleichsweise hohen Drehzahlen ist es aber bevorzugt, ein Drehlager zwischen dem Statorgehäuse und dem Rotorgehäuse auf der Drehachse oder jedenfalls nahe der Drehachse vorzusehen. Der umlaufende Durchtritt zwischen dem Statorgehäuse und dem Rotorgehäuse kann dann bevorzugt an einer radialen Außenseite des Statorgehäuses und des Rotorgehäuses gebildet sein.
Grundsätzlich ist es möglich, dass die Einrichtung zum Reduzieren des Strömungsleitwerts gebildet ist durch eine vergleichsweise enge Passage zwischen dem Rotorgehäuse und dem Statorgehäuse. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Einrichtung zum Reduzieren des Strömungsleitwerts durch eine Labyrinthdichtung gebildet. Labyrinthdichtungen sind beispielsweise aus der Turbinentechnik bekannt.
Im Vergleich zur Verwendung von Wellendichtringen sind bei dem Scanner der vorliegenden Erfindung deutlich geringere Anforderungen an die Güte der Oberflächen in Bereich der Labyrinthdichtung, mithin geringere Anforderungen an die Fertigungstoleranzen und die Form- und Lagetoleranzen gestellt. Die Komponenten des erfindungsgemäßen Sensors können vergleichsweise einfach montiert werden. Insgesamt können somit die Bauteil- und her Herstellkosten reduziert werden.
Beispielsweise kann die Labyrinthdichtung mindestens eine Druckrippe und eine zugehörige Nut aufweisen, in die die Druckrippe eingreift, wobei entweder die Druckrippe an dem Statorgehäuse und die korrespondierende Nut an dem Rotorgehäuse gebildet ist oder die Druckrippe an dem Rotorgehäuse und die korrespondierende Nut an dem Statorgehäuse gebildet ist.
Eine Labyrinthdichtung wird schon mit einer einzigen Druckrippe und einer zugehörigen Nut verwirklicht. Noch effektiver wird das Eindringen von Verschmutzungspartikeln, insbesondere von Staub, in das Statorgehäuse und/oder in das Rotorgehäuse verhindert, bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante, bei der die Labyrinthdichtung mehrere Druckrippen und mehrere zugehörige Nuten aufweist, wobei jeweils eine Druckrippen in eine der Nuten eingreift.
Mindestens eine der Druckrippen kann und insbesondere können mehrere oder alle Druckrippen an dem Statorgehäuse gebildet sein und die jeweils zugehörigen Nuten sind dann an dem Rotorgehäuse gebildet. Ergänzend oder alternativ kann mindestens eine der Druckrippen und insbesondere können mehrere oder alle Druckrippen an dem Rotorgehäuse gebildet sein und die jeweils zugehörigen Nuten sind dann an dem Statorgehäuse gebildet. Allgemein gilt, dass eine Druckrippe entweder an dem Statorgehäuse oder dem Rotorgehäuse gebildet ist und dass die zugehörigen Nut, in die die jeweilige Druckrippe eingreift, an dem jeweils anderen Gehäuse gebildet ist. Mit dem Eingreifen der Druckrippe in die zugehörige Nut ist gemeint, dass die Druckrippe in die Nut hineinragt, ohne die Nut jedoch zu berühren. Der Strömungsleitungswert der Anordnung wird so reduziert.
Im Hinblick auf die konkrete geometrische Ausgestaltung der Druckrippen und der zugehörigen Nuten besteht Gestaltungsfreiheit. Beispielsweise können mindestens eine der Druckrippen und die zugehörige Nut und mehrere oder alle Druckrippen und die jeweils zugehörigen Nuten, sich bezogen auf eine Rotationsachse des Rotors in der Umlaufrichtung und der Axialrichtung erstrecken. Damit ist gemeint, dass die Druckrippen in der Axialrichtung in die Nuten hineinragen. Ergänzend oder alternativ können mindestens eine der Druckrippen und die jeweils zugehörige Nut, insbesondere mehrere oder alle Druckrippen und die jeweils zugehörigen Nuten, sich bezogen auf die Rotationsachse des Rotors in der Umlaufrichtung und der Radialrichtung erstrecken. Damit ist gemeint, dass die Druckrippen in der Radialrichtung in die Nuten hineinragen.
Bei Ausgestaltungen mit mehreren Druckrippen können mindestens zwei der Druckrippen axial beabstandet sein. Ergänzend oder alternativ können mindestens zwei der Druckrippen radial beabstandet sein.
Grundsätzlich können mindestens eine Druckrippe und die zugehörige Nut oder mehrere oder alle Druckrippen und die jeweils zugehörigen Nuten an beliebigen radialen Positionen an dem Statorgehäuse und dem Rotorgehäuse und insbesondere in der Nähe der Rotationsachse gebildet sein.
Im Hinblick auf die anzustrebenden vergleichsweise hohen Drehzahlen ist es aber bevorzugt, ein Drehlager zwischen dem Statorgehäuse und dem Rotorgehäuse auf der Drehachse oder jedenfalls nahe der Drehachse vorzusehen. Die mindestens eine Druckrippe und die zugehörige Nut oder mehrere oder alle Druckrippen und die jeweils zugehörigen Nuten können dann vorteilhaft an dem Statorgehäuse beziehungsweise dem Rotorgehäuse in Radialrichtung außen angeordnet sein.
Grundsätzlich ist es möglich, dass ein Innenraum des Statorgehäuses luftdicht abgeschlossen ist. Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist ein Innenraum des Rotorgehäuses luftdicht abgeschlossen. Im Hinblick beispielsweise auf die Erhaltung der Funktionsfähigkeit von im Rotorgehäuse untergebrachten optischen Komponenten auch bei Verschmutzungseintrag am Einsatzort ist das von Vorteil.
Ein Innenraum des Statorgehäuses kann von einem im Betrieb rotierenden Boden des Rotors begrenzt sein. Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel kann in dem Innenraum des Statorgehäuses mindestens eine Einrichtung zum Umwälzen der Luft vorhanden sein. Diese Einrichtung zum Umwälzen der Luft kann dazu beitragen, das Eindringen von Verschmutzungspartikeln in den Innenraum des Statorgehäuses zu verhindern oder jedenfalls zu reduzieren.
Beispielsweise kann die Einrichtung zum Umwälzen der Luft gebildet sein durch mindestens einen Radialverdichter. Die Einrichtung zum Umwälzen der Luft kann grundsätzlich einen separaten Motor aufweisen, der insbesondere unabhängig von dem Rotationsantriebs selbst betrieben werden kann. Der mindestens eine Radialverdichter kann vorteilhaft aber auch gebildet sein durch mindestens eine an einem Boden des Rotors gebildete Schaufel.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind an dem Boden des Rotors mehrere Schaufeln vorhanden. Die Wirkung des Radialverdichters, das Eindringen von Verschmutzungspartikeln in den Innenraum des Statorgehäuses zu verhindern oder jedenfalls zu reduzieren, kann so gesteigert werden. Wenn an dem Boden des Rotors mehrere, insbesondere in Umlaufrichtung äquidistant, d.h. in jeweils gleichem Winkelabstand angeordnete, Schaufeln vorhanden sind, wird außerdem das Auswuchten des Rotors erleichtert.
Mindestens eine der Schaufeln kann oder mehrere oder alle Schaufeln können vorteilhaft dazu eingerichtet sein, die Luft im Innenraum des Statorgehäuses bei drehendem Rotor in Radialrichtung nach außen zu verdichten. Insbesondere kann mindestens eine der Schaufeln oder es können mehrere oder alle Schaufeln dazu eingerichtet sein, die Luft bei drehendem Rotor in Richtung der Labyrintdichtung zu verdichten. Dieses ist von Vorteil Im Hinblick auf das Verhindern oder das Reduzieren des Eindringens von Verschmutzungspartikeln in den Innenraum des Statorgehäuses.
Weitere Verbesserungen im Hinblick auf das Fernhalten von Verschmutzungspartikeln vom Innenraum des Statorgehäuses können erreicht werden, bei einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Scanners, bei dem an dem Statorgehäuse mindestens ein Einlass zum Einlassen von Druckluft, Spülluft und/oder eines Schutzgases vorhanden ist. Auf diese Weise kann im Betrieb eine viskose Luft- oder Gasströmung aus dem Innenraum des Statorgehäuses durch den Durchgang oder Durchtritt zwischen dem rotierenden Rotorgehäuse und dem Statorgehäuse, insbesondere durch die Labyrinthdichtung, erreicht werden. Diese viskose Luft- oder Gasströmung kann das Eindringen von Fremdpartikeln in den Innenraum des Statorgehäuse unterdrücken und kann auch bewirken, dass, etwa an den Oberflächen anhaftende Verschmutzungspartikel, durch die Strömung entfernt und mitgenommen und durch den Durchtritt, insbesondere durch die Labyrinthdichtung, nach außen abgeführt werden.
Die Verwendung eines Schutzgases kann insbesondere für Anwendungen des erfindungsgemäßen Scanners im explosionsgeschützten Bereich infrage kommen.
Zweckmäßig kann an dem Einlass ein Partikelfilter, insbesondere ein Staubfilter, vorhanden sein.
Der Antrieb, bei dem es sich beispielsweise um einen Elektromotor handeln kann, kann vorteilhaft dazu eingerichtet sein, den Rotor zu einer Drehzahl von größer als 10 Hz, bevorzugt größer als 30 Hz und besonders bevorzugt größer als 40 Hz anzutreiben.
Eine wesentliche Idee der vorliegenden Erfindung ist, die Einsatztauglichkeit eines Scanners für Orte mit vergleichsweise hohem Schmutzeintrag, beispielsweise hohem Staubeintrag, dadurch zu verbessern, dass ein Rotor mit einem mitdrehenden Rotorgehäuse verwendet wird, wodurch Verschmutzungspartikel durch Zentrifugalkraft von dem Rotorgehäuse weggeschleudert werden. In diesem Zusammenhang kann es außerdem von Vorteil sein, das Fenster, durch welches das Sendelicht aus dem Rotorgehäuse austritt und das nachzuweisende Licht aus dem Überwachungsbereich in das Rotorgehäuse eintritt, mit Eigenschaften auszustatten, die einer Verschmutzung von vornherein abträglich sind. In dieser Hinsicht besteht eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Scanners darin, dass das Rotorgehäuse Bereiche mit antistatischen Eigenschaften aufweist. Insbesondere kann bei optischen Scannern, das Rotorgehäuse ein Fenster mit antistatischen Eigenschaften aufweisen.
Die antistatischen Eigenschaften, insbesondere des Fensters, können bereitgestellt werden durch eine antistatische Beschichtung des Fensters.
Es ist auch möglich, dass der gesamte Rotor oder das gesamte Rotorgehäuse antistatische Eigenschaften aufweist oder mit einer antistatischen Beschichtung versehen ist.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden im Zusammenhang mit den beigefügten Figuren erläutert. Darin zeigt:

1: eine schematische Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Scanners und
2: ein Detail des Ausführungsbeispiels aus 1.

Gleiche und gleichwirkende Komponenten sind in den Figuren in der Regel mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Das im Zusammenhang mit den 1 und 2 beschriebene Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Scanners ist ein optischer Scanner 100. Bei der Sendestrahlung handelt es sich mithin um Sendelicht um Sendelicht 14.
Der in 1 schematisch in einer Querschnittsansicht dargestellte optische Scanners 100 zum Nachweisen von Objekten in einem Überwachungsbereich 30 weist als wesentliche Komponenten zunächst einen Rotor 20 mit einem Rotorgehäuse 22 und einen Stator mit einem Statorgehäuse 40 auf. Der Rotor 20 ist mit dem Rotorgehäuse 22 relativ zu dem Statorgehäuse 40 um eine Drehachse 26 in einer Umlaufrichtung φ drehbar. Die Drehachse 26 erstreckt sich in der in 1 gezeigten Ansicht in Richtung einer z-Achse. Im gezeigten Beispiel ist zum Antrieb des Rotorgehäuses 22 in dem Statorgehäuse 20 ein Elektromotor 90 mit einem Stator 91 und einen Rotor 92 vorhanden. Diese Komponenten sind bekannter Natur und sind deshalb nur schematisch gezeigt. Der Antrieb 90 kann dazu eingerichtet sein, den Rotor 20 mit einer Drehzahl anzutreiben, die größer ist als 10 Hz, bevorzugt größer ist als 30 Hz und besonders bevorzugt größer ist als 40 Hz. Ein Innenraum 48 des Statorgehäuses 40 wird von einem im Betrieb mitdrehenden Boden 28 des Rotors 20 begrenzt.
In dem Rotorgehäuse 22 sind ein Sender 12 zum Aussenden von Sendelicht 14 in den Überwachungsbereich 30 und ein Empfänger 18 zum Nachweis von von einem Objekt 10 im Überwachungsbereich 30 zurückgestrahltem Licht 16 vorhanden. An dem Rotorgehäuse 22 ist ein Fenster 26 gebildet, durch welches das Sendelicht 14 aus dem Rotorgehäuse 22 austritt. Das von dem Objekt 10 zurückgestrahlte Licht 16 tritt durch das Fenster 26 wieder in das Innere des Rotorgehäuses 22 ein. Bei dem Sender 12 kann es sich beispielsweise um eine Laserdiode handeln. Der Empfänger 18 kann typischerweise eine Photodiode, beispielsweise eine PIN-Diode, sein. Auf dem Rotor 20 ist außerdem eine Empfangsoptik vorhanden, welche dazu dient, von dem Objekt 10 im Überwachungsbereich 30 zurückgestrahltes Licht in Richtung des Empfängers 18 zu leiten. Um möglichst einen großen Anteil des zurückgestrahlten Lichts 16 auf den Empfänger 18 zu leiten, ist die Empfangsoptik 17 im Ausführungsbeispiel der 1 als Hohlspiegel 17 gebildet.
Der erfindungsgemäße Scanner 100 kann insbesondere nach dem Laufzeitprinzip arbeiten. Dabei sendet der Sender 12 Lichtpulse 14 aus, die von einem Objekt 10 zurückgestrahlt und mit dem Empfänger 18 detektiert werden. Die Steuereinheit 50 berechnet sodann aus einer Zeitdifferenz zwischen einem Empfangszeitpunkt der zurückgestrahltem Lichtpulse und dem Aussendezeitpunkt dieser Lichtpulse unter Verwendung der Lichtgeschwindigkeit eine Entfernung des Objekts 10 von dem Sensor 100. Aus einer zum Zeitpunkt der Messung bestehenden Winkelstellung des Senders 12 und des Empfängers 18 in der Umlaufrichtung φ erhält man außerdem eine Information über die Lokalisierung des zurückstrahlenden Objekts 10 in der Umlaufrichtung φ.
Alternativ kann der erfindungsgemäße optische Scanner die Entfernung des zurückstrahlenden Objekts 10 auch feststellen durch Messen eines Phasenversatzes des zurückgestrahlten Lichts 16 relativ zu dem Sendelicht 14.
Der erfindungsgemäße optische Scanner kann also insbesondere ein entfernungsmessender Scanner sein. Es ist aber auch möglich, dass der erfindungsgemäße optische Scanner nur als energetischer Taster arbeitet.
Im Arbeitsbetrieb rotiert das Rotorgehäuse 22 um die Drehachse, 26, also um die z-Achse. Die Senderichtung, mit welcher das Sendelicht 14 in den Überwachungsbereich 30 ausgesendet wird, rotiert deshalb ebenfalls in der Umlaufrichtung φ. Das Sendelicht 14 wird in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen in einer radialen Richtung, bezeichnet mit r, ausgesendet, d. h. der Strahl des Sendelichts 14 durchstreicht im Wesentlichen einen ebenen Überwachungsbereich 30. Es ist aber auch möglich, dass der Sendestrahlengang sich auf einen Kegelmantel bewegt.
In dem Statorgehäuse 40 ist eine Steuereinheit 50 zum Ansteuern des Senders 12 und des Empfängers 18 und zum Auswerten von Nachweissignalen des Empfängers 18 vorhanden.
Erfindungsgemäß ist das Rotorgehäuse 22 als mitdrehendes Rotorgehäuse gebildet. Dem liegt die Idee zugrunde, dass Verschmutzungspartikel, die sich eventuell auf einer Oberfläche des Gehäuses angelagert haben und den optischen Weg für das Sendelicht und/oder das nachzuweisende Licht aus dem Überwachungsbereich beeinträchtigen, aufgrund der durch die Rotation generierten Zentrifugalkraft von der Oberfläche weggeschleudert werden. In praktischen Tests konnte gezeigt werden, dass so deutliche Verbesserungen im Hinblick auf den Verschmutzungseintrag erreicht werden können. Um das Anhaften von Verschmutzungspartikeln, beispielsweise von Staubpartikeln, an dem Fenster 25 nach Möglichkeit von vornherein zu vermeiden oder jedenfalls zu unterdrücken, kann das Fenster 25 eine in 1 nicht dargestellte antistatische Beschichtung aufweisen.
Es ist auch möglich, dass der gesamte Rotor oder das gesamte Rotorgehäuse antistatische Eigenschaften aufweist oder mit einer antistatischen Beschichtung versehen ist.
An dem Statorgehäuse 40 ist ein Einlass 42 zum Einlassen von Druckluft, Spülluft und/oder eines Schutzgases mit einem Partikelfilter 44 vorhanden. Im Betrieb kann eine viskose Luft- oder Gasströmung aus dem Innenraum des Statorgehäuses durch die Labyrinthdichtung nach außen erreicht werden. Diese viskose Luft- oder Gasströmung kann das Eindringen von Fremdpartikeln in den Innenraum des Statorgehäuses unterdrücken oder ganz verhindern und kann auch bewirken, dass, etwa an den Oberflächen anhaftende Verschmutzungspartikel, durch die Strömung entfernt und mitgenommen werden und durch den Durchtritt, insbesondere durch die Labyrinthdichtung, nach außen abgeführt werden.
Zwischen dem Rotorgehäuse 22 und dem Statorgehäuse 40 ist im Bereich A an einer radialen Außenseite 46 des Statorgehäuses 40 und des Rotorgehäuses 22 ein in Umlaufrichtung φ umlaufender Durchtritt 68 gebildet, der einen Gasaustausch, insbesondere einen Luftaustausch, zwischen dem Innenraum 48 des Statorgehäuses 40 und der Umgebung ermöglicht. Außerdem ist eine Einrichtung 60 zum Reduzieren eines Strömungsleitwerts für den Gasaustausch durch den Durchtritt 68 vorhanden, die im Ausführungsbeispiel der 1 als Labyrinthdichtung 60 gebildet ist.
Details des Bereichs A werden im Zusammenhang mit 2 erläutert. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel weist die Labyrinthdichtung 60 insgesamt drei Druckrippen 62, 63, 64 und mit jeweils zugehörige Nuten 72, 73, 74 auf. Jede einzelne der Druckrippen 62, 63, 64 greift jeweils in eine zugehörige Nut 72, 73, 74 ein. D. h., dass die Druckrippe 62, 63, 64 in die jeweils zugehörige Nut 72,73, 74 hineinragt, diese aber nicht berührt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Druckrippen 62, 63, 64 an dem Statorgehäuse 40 in Radialrichtung r außen gebildet und die zugehörigen Nuten 72, 73, 74 sind an dem Rotorgehäuse 22 ebenfalls in Radialrichtung r außen gebildet. Konkret sind in dem dargestellten Beispiel die Nuten 72, 73, 74 an einem Boden 28 des Rotorgehäuses 22 gebildet. Die Angabe in Radialrichtung r außen ist hier in Abgrenzung zu einer Anordnung in Radialrichtung r innen, mithin in der Nähe der Rotationsachse gemeint.
Die Druckrippen 62, 63 und die zugehörige Nuten 72, 73 erstrecken sich bezogen auf die Rotationsachse 26 des Rotors 20 in der Umlaufrichtung φ und der Axialrichtung z. Damit ist gemeint, dass die Druckrippen 62, 63 in der Axialrichtung z in die Nuten 72, 73 hineinragen. Die Druckrippe 64 und die zugehörige Nut 74 erstrecken sich bezogen auf die Rotationsachse 26 in der Umlaufrichtung φ und der Radialrichtung r. Damit ist gemeint, dass die Druckrippe 64 in der Radialrichtung in die Nut 74 hineinragen.
Die Druckrippen 62 sind axial beabstandet sowohl zur Druckrippe 63 als auch zur Druckrippe 64.
Die Druckrippen 62 sind radial beabstandet zur Druckrippe 64. Die radial gesehen äu-ßere der Druckrippen 62 ist außerdem radial beabstandet zur inneren Druckrippe 62 sowie den Druckrippen 63 und 64.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist im Innenraum 48 des Statorgehäuses 40 eine Einrichtung 80 zum Umwälzen der Luft vorhanden, die im konkreten Beispiel als Radialverdichter 80 gebildet ist.
Im dargestellten Beispiel weist der Radialverdichter 80 zwei an dem Boden 28 des Rotors 20 gebildete Schaufeln 82 auf, die dazu eingerichtet sind, die Luft im Innenraum 48 des Statorgehäuses 40 bei drehendem Rotor 20 in Radialrichtung r nach au-ßen in Richtung eines Eingangsbereichs 66 der Labyrinthdichtung 60 im Innenraum 48 der Labyrintdichtung 60 zu verdichten. Des Eindringen von Verschmutzungspartikeln in den Innenraum des Statorgehäuses kann so unterdrückt werden.
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein neuartiger Scanner mit verbesserten Eigenschaften im Hinblick auf den Einsatz in Umgebungen mit hohem Eintrag von Verschmutzungspartikeln, insbesondere Staub, bereitgestellt. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen wird eine Abdichtung zwischen dem Statorgehäuse und dem Rotorgehäuse berührungslos, insbesondere durch eine Labyrinthdichtung, bewerkstelligt. Vorteile ergeben sich außerdem bei weiteren Ausgestaltungen durch gezielte Beeinflussung der Luftzirkulation im Inneren des Statorgehäuses, insbesondere im Bereich der Labyrinthdichtung. Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung mindestens eines Radialverdichters erwiesen.
Bezugszeichenliste

10: Objekt in einem Überwachungsbereich
12: Sender zum Aussenden von Sendestrahlung, insbesondere Sendelicht, z. B. Laserdiode
14: Sendestrahlung, insbesondere Sendelicht
17: Empfangsoptik, Hohlspiegel
18: Empfänger, z.B. PIN-Diode
16: vom Objekt 10 zurückgestrahlte Sendestrahlung, zurückgestrahltes Licht
20: Rotor
22: mitdrehendes Rotorgehäuse
25: Fenster für Sendelicht 14 und zurückgestrahltes Licht 16, insbesondere antistatisches Fenster
26: Rotationsachse
28: Boden des Rotors
30: Überwachungsbereich
40: Statorgehäuse
42: Einlass zum Einlassen von Druckluft und/oder eines Schutzgases
44: Partikelfilter, Staubfilter
46: radiale Außenseite des Statorgehäuses 40 und des Rotorgehäuses 22
48: Innenraum des Statorgehäuses
50: Steuereinheit, z.B. Mikrocontroller
60: Labyrinthdichtung
62: axiale Druckrippe, die in axiale Nut 72 eingreift
63: axiale Druckrippe, die in axiale Nut 73 eingreift
64: radiale Druckrippe, die in radiale Nut 74 eingreift
66: Eingangsbereich der Labyrinthdichtung 60 im Innenraum 48
68: umlaufender Durchtritt, der Luftaustausch zwischen Innenraum 48 und Umgebung ermöglicht
72: axiale Nut, in die axiale Druckrippe 62 eingreift
73: axiale Nut, in die axiale Druckrippe 63 eingreift
74: radiale Nut, in die radiale Druckrippe 64 eingreift
80: Einrichtung zum Umwälzen der Luft im Innenraum 48, Radialverdichter
82: Schaufel
90: Antrieb für Rotor, Elektromotor
91: Stator von Elektromotor 90
92: Rotor von Elektromotor 90
100: erfindungsgemäßer Scanner
A: Ausschnitt, der Bereich der Labyrinthdichtung 60 zeigt
r: radiale Richtung
z: Axialrichtung
φ: Umlaufrichtung, Azimutalrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2715396 A1 [0002]

Claims

Scanner zum Nachweisen von Objekten in einem Überwachungsbereich mit einem Sender (12) zum Aussenden von Sendestrahlung (14) in den Überwachungsbereich (30), mit einem Empfänger (18) zum Nachweisen von von einem Objekt (10) im Überwachungsbereich (30) zurückgestrahlter Sendestrahlung (16), mit einer Steuereinheit (50) zum Ansteuern des Senders (12) und des Empfängers (18) und zum Auswerten von Nachweissignalen des Empfängers (18), mit einem Rotor (20) zum Rotieren einer Richtung (r), in der das Sendelicht (14) in den Überwachungsbereich (30) gestrahlt wird, um eine Rotationsachse (26), und mit einem Statorgehäuse (40), relativ zu dem der Rotor (20) drehbar angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (20) ein mitdrehendes Rotorgehäuse (22) aufweist.
Scanner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Statorgehäuse (40) und dem Rotorgehäuse (22) ein in Umlaufrichtung (φ) umlaufender Durchtritt (68) gebildet ist, der einen Gasaustausch, insbesondere einen Luftaustausch, zwischen einem Innenraum (48) des Statorgehäuses (40) und/oder des Rotorgehäuses (22) und der Umgebung ermöglicht, und dass eine Einrichtung (60) zum Reduzieren eines Strömungsleitwerts für den Gasaustausch durch den Durchtritt (68) vorhanden ist.
Scanner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der umlaufende Durchtritt (68) in der Nähe der Rotationsachse (26) gebildet ist.
Scanner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der umlaufende Durchtritt (68) an einer radialen Außenseite (46) des Statorgehäuses (40) und des Rotorgehäuses (22) gebildet ist.
Scanner nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Reduzieren des Strömungsleitwerts durch eine Labyrinthdichtung (60) gebildet ist.
Scanner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Labyrinthdichtung (60) mindestens eine Druckrippe (62, 64) und eine zugehörige Nut (72, 74) aufweist, in die die Druckrippe (62, 64) eingreift, wobei entweder die Druckrippe (62, 64) an dem Statorgehäuse (40) und die zugehörige Nut (72, 74) an dem Rotorgehäuse (22) gebildet ist oder die Druckrippe (62, 64) an dem Rotorgehäuse (22) und die korrespondierende Nut (72, 74) an dem Statorgehäuse (40) gebildet ist.
Scanner nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Labyrinthdichtung (60) mehrere Druckrippen (62, 64) und mehrere zugehörige Nuten (72, 74) aufweist, wobei jeweils eine Druckrippe (62, 64) in eine der Nuten (72, 74) eingreift.
Scanner nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Druckrippen (62, 64), insbesondere mehrere oder alle Druckrippen (62, 64), an dem Statorgehäuse (40) gebildet ist oder sind und dass die jeweils zugehörigen Nut oder Nuten (72, 74) an dem Rotorgehäuse (22) gebildet ist oder sind.
Scanner nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Druckrippen (62, 64), insbesondere mehrere oder alle Druckrippen (62, 64), an dem Rotorgehäuse (22) gebildet ist oder sind und dass die jeweils zugehörigen Nuten (72, 74) an dem Statorgehäuse (40) gebildet ist oder sind.
Scanner nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Druckrippen (62) und die zugehörige Nut (72), insbesondere mehrere oder alle Druckrippen (62) und die jeweils zugehörigen Nuten (72), sich bezogen auf eine Rotationsachse (26) des Rotors (20) in der Umlaufrichtung (φ) und der Axialrichtung (z) erstrecken.
Scanner nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Druckrippen (64) und die jeweils zugehörige Nut (74), insbesondere mehrere oder alle Druckrippen (64) und die jeweils zugehörigen Nuten (74), sich bezogen auf die Rotationsachse (26) des Rotors (20) in der Umlaufrichtung (φ) und der Radialrichtung (r) erstrecken.
Scanner nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der Druckrippen axial beabstandet sind.
Scanner nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der Druckrippen (62) radial beabstandet sind.
Scanner nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Druckrippe (62, 64) und die zugehörige Nut (72, 74) an dem Statorgehäuse (40) und dem Rotorgehäuse (22) in Radialrichtung (r) innen in der Nähe der Rotationsachse (26) angeordnet sind.
Scanner nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Innenraum (48) des Statorgehäuses (40) von einem Boden (28) des Rotors (20) begrenzt wird.
Scanner nach einem der Ansprüche 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Druckrippe (62, 64) und die zugehörige Nut (72, 74) an dem Statorgehäuse (40) und dem Rotorgehäuse (22) in Radialrichtung (r) außen angeordnet sind.
Scanner nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Innenraum des Rotorgehäuses (20) luftdicht abgeschlossen ist.
Scanner nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Innenraum des Statorgehäuses (40) mindestens eine Einrichtung (80) zum Umwälzen der Luft vorhanden ist.
Scanner nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Umwälzen der Luft gebildet ist durch mindestens einen Radialverdichter (80).
Scanner nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Radialverdichter (80) gebildet ist durch mindestens eine an einem Boden (28) des Rotors (20) gebildete Schaufel (82).
Scanner nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Boden (28) des Rotors (20) mehrere Schaufeln (82) vorhanden sind.
Scanner nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Schaufeln (82) dazu eingerichtet ist oder mehrere oder alle Schaufeln (82) dazu eingerichtet sind, die Luft im Innenraum des Statorgehäuses (40) bei drehendem Rotor (20) in Radialrichtung (r) nach au-ßen zu verdichten.
Scanner nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Schaufeln (82) dazu eingerichtet ist oder mehrere oder alle Schaufeln (82) dazu eingerichtet sind, die Luft bei drehendem Rotor (20) in Richtung der Labyrintdichtung (60) zu verdichten.
Scanner nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Statorgehäuse (40) mindestens ein Einlass (42) zum Einlassen von Druckluft, Spülluft und/oder eines Schutzgases vorhanden ist.
Scanner nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Einlass (42) ein Partikelfilter (44), insbesondere ein Staubfilter, vorhanden ist.
Scanner nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass ein Antrieb für den Rotor (20) vorhanden ist, der dazu eingerichtet ist, den Rotor (20) zu einer Drehzahl von größer als 10 Hz, bevorzugt größer als 30 Hz und besonders bevorzugt größer als 40 Hz anzutreiben.
Scanner nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorgehäuse (22) Bereiche, insbesondere ein Fenster (25), mit antistatischen Eigenschaften aufweist.
Scanner nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die antistatischen Eigenschaften, insbesondere des Fensters (25), bereitgestellt werden durch eine antistatische Beschichtung.
Scanner nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendestrahlung elektromagnetische Strahlung, insbesondere im Mikrowellenbereich, sichtbaren Bereich, im Infrarotbereich und/oder im UV-Bereich, und/oder dass die Sendestrahlung Ultraschallstrahlung ist.
Scanner nach einem der Ansprüche 1 bis 29, der als optischer Scanner, Radarscanner, kapazitiver Scanner, oder als Ultraschallscanner ausgestaltet ist.