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Die
Erfindung betrifft einen fotoelektrischen Drehwertgeber, mit dem
ein Rotationswinkel, eine Rotationsgeschwindigkeit und eine vergleichbare Größe einer
rotierenden Einrichtung detektiert werden kann. Insbesondere betrifft
die Erfindung einen fotoelektrischen Drehwertgeber, der eine kleine
Größe aufweist
und mit einer hohen Genauigkeit zusammengefügt werden kann.
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Ein
fotoelektrischer Drehwertgeber ist ein Sensor, der zum Feststellen
eines Rotationswinkels, einer Drehzahl, einer Rotationsgeschwindigkeit
und dergleichen Größen einer
rotierenden Einheit in Form von digitalen Signalen verwendet wird.
Derartige fotoelektrische Drehwertgeber finden bekanntlich als Sensoren
im Rahmen unterschiedlicher Anwendungsgebiete industrieller Maschinenanlagen
eine breite Anwendung, die beispielsweise bei Robotern oder als
Maschinenhilfsmittel eine Stellung und eine Rotationsgeschwindigkeit
eines Motors ermitteln und Informationen an eine Steuerung übertragen.
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Aus
der
US 2002/0000515
A1 ist ein Drehwertgeber zum Detektieren von Bewegungsinformationen
bekannt. Ein Lichtstrahl wird von einer Lichtquelle über ein
Linsensystem, eine optische Skala, einen konkaven Spiegel zu einem
Lichtempfangsbereich (Fotodetektoren) geführt, um Informationen über eine
Rotation zu erhalten. Lichtquelle und Empfangsbereich sind auf einem
Trägerelement
zusammen angeordnet.
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Die
DE 198 54 733 A1 zeigt
eine Abtasteinheit einer Positionsmesseinrichtung zur Längen- und Winkelmessung.
Die Abtasteinheit umfasst eine Lichtquelle, mehrere Lichtempfänger und
ein Abtastgitter. Abtastgitter, Lichtempfänger und Lichtquelle sind auf
einer Glasscheibe aufgebracht. Lichtempfänger und Lichtquelle sind als
ein Optochip aufgebaut. Ein Raum zwischen Optochip und Glasscheibe wird
mit einem Underfiller, insbesondere zur Stabilisierung der Anordnung,
aufgefüllt,
wobei ein Raum im Bereich der Hauptabstrahlrichtung der Lichtquelle frei
zu halten ist. Der Underfiller wird derart eingebracht, dass sich
eine Grenzfläche
zwischen dem Underfiller und dem freien Raum ausbildet. Diese Grenzfläche ist
eine Oberfläche
des Underfillers, welche die Transmission des Lichtes erheblich
reduziert, indem das auftreffende Licht reflektiert und/oder absorbiert
wird.
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Ein
fotoelektrischer Drehwertgeber vom konventionellen Typ weist eine
Lichtquelle und einen Lichtdetektor auf, die auf einer Seite des
Wertgebers angeordnet sind und eine Umlenkeinheit, die auf der gegenüberliegenden
Seite hinter einer Scheibe angeordnet ist. Der Wertgeber hat einen
reflektierenden Abschnitt, der das von einer Lichtquelle emittierte Licht
zu einem Lichtdetektor auf der anderen Seite des Wertgebers umleitet.
Der Wertgeber weist weiterhin eine lichtabschirmende Fläche auf,
die Streulicht beseitigt, das aus der Lichtquelle ohne ein Passieren
der Umlenkeinheit ausgetreten ist. Ein solcher Typ eines Drehwertgebers
ist in dem
US-Patent US 4,152,589 beispielhaft
als eine konventionelle Technik beschrieben.
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Der
konventionelle Drehwertgeber vom Umlenktyp hat eine Lichtquelle
und einen Lichtdetektor, die nahe beieinander liegend auf einer
Seite des Wertgebers angeordnet sind. Deshalb ist es nicht möglich, den
Lichtstrahl der Lichtquelle aufzuweiten, da die Erzeugung von Streulicht
zu vermeiden ist, das direkt von der Lichtquelle zum Lichtdetektor
austritt. Daraus ergibt sich, dass es eine Obergrenze für eine Reduzierung
des Abstandes zwischen der Lichtquelle und der Umlenkeinheit gibt
und somit eine Verkleinerung des Wertgebers beschränkt ist.
Es ist ebenfalls notwendig, Komponenten wie etwa die lichtabschirmende
Platte (entsprechend eines Stators in der konventionellen Technik)
und dergleichen vorzusehen. Daher werden für den Wertgeber sehr viele
Einzelteile erforderlich. Weil in Verbindung damit die Lichtquelle
und der Lichtdetektor unterschiedliche Baugruppen bilden, ist es
schwierig, die Lichtquelle, den Lichtdetektor und den reflektierenden
Teil zueinander mit hoher Genauigkeit anzuordnen.
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Die
Aufgabe der hier beschriebenen Erfindung ist es, mindestens die
im Rahmen der konventionellen Technologie bestehenden Probleme zu
lösen.
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Diese
Aufgabe wird durch einen fotoelektrischen Drehwertgeber nach Patentanspruch
1 gelöst.
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Die
weiteren Einzelteile, Ausgestaltungen und Vorteile der hier dargestellten
Erfindung sind im Einzelnen dargestellt oder gehen aus den folgenden genauen
Beschreibungen der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Figuren
hervor.
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Es
zeigen:
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1:
einen Bauplan, der schematisch einen Hauptschnitt eines fotoelektrischen
Drehwertgebers entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
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2:
ein Diagramm zur Darstellung eines Zustandes, bei dem ein Streustrahlanteil
durch wiederholte Reflexion zur Außenseite einer Lichtquelle und
eines Detektionsmoduls austritt, bei der in 1 gezeigten
Lichtquelle und dem Detektionsmodul;
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3:
als Hintergrundinformation einen schematischen Bauplan einer Lichtquelle
und eines Detektionsmoduls eines fotoelektrischen Drehwertgebers,
wobei diese Anordnung keine Variante des beanspruchten Gegenstands
darstellt;
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4A und 4B:
schematische Baupläne
einer Lichtquelle und eines Detektionsmoduls eines fotoelektrischen
Drehwertgebers entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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5:
einen schematischen Bauplan einer Lichtquelle und eines Detektionsmoduls
eines fotoelektrischen Drehwertgebers entsprechend einer weiteren
Ausführungsform
der Erfindung;
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6:
einen schematischen Bauplan eines Hauptteiles eines fotoelektrischen
Drehwertgebers entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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7:
einen schematischen Bauplan eines Hauptteiles eines fotoelektrischen
Drehwertgebers entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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8A und 8B:
Seitenansichten eines in 7 gezeigten Umlenkabschnittes;
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9:
einen schematischen Bauplan eines Hauptabschnittes eines fotoelektrischen
Drehwertgebers entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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10:
eine verchromte Schablone von einer Lichtquelle aus betrachtet;
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11:
einen schematischen Bauplan eines Hauptabschnittes eines fotoelektrischen
Drehwertgebers entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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12:
als Hintergrundinformation einen schematischen Bauplan einer Lichtquelle
und eines Detektionsmoduls eines fotoelektrischen Drehwertgebers,
wobei diese Anordnung keine Variante des beanspruchten Gegenstands
darstellt;
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13:
einen schematischen Bauplan einer Lichtquelle und eines Detektionsmoduls
eines fotoelektrischen Drehwertgebers entsprechend einer weiteren
Ausführungsform
der Erfindung; und
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14:
einen schematischen Bauplan eines Hauptabschnittes eines fotoelektrischen
Drehwertgebers entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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Beispielhafte
Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen fotoelektrischen
Drehwertgebers werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die entsprechenden
Figuren genauer beschrieben.
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1 ist
ein Bauplan, der schematisch einen Hauptabschnitt eines fotoelektrischen
Drehwertgebers entsprechend einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Wie in 1 dargestellt, enthält der fotoelektrische Drehwertgeber
eine Lichtquelle und ein Detektionsmodul 1, eine Umlenkeinheit 5 und eine
Scheibe 6.
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Die
Lichtquelle und das Detektionsmodul 1 enthalten eine Lichtquelle 11,
einen Fotodetektor 12, einen Träger 13, ein optisches
Element 14 und eine erste Linse 21. Die Lichtquelle 11 und
der Fotodetektor 12 sind auf dem Träger 13 befestigt.
Das optische Element 14 ist auf den Träger 13 aufgepaßt und bedeckt
die Lichtquelle 11 und den Fotodetektor 12. Die erste
Linse 21 ist auf der Oberfläche des optischen Elementes 14 angeordnet.
Die Lichtquelle und das Detektionsmodul 1 weisen eine zylindrische
Höhlung 25 auf,
die einen kleineren äußeren Durchmesser
als die erste Linse 21 hat. Die zylindrische Höhlung 25 hat
eine Blende 26 und eine Seitenbegrenzung 27 zum
Ausbilden der Blende 26.
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Die
Umlenkeinheit 5 weist eine Reflexionsoberfläche 22 und
eine Reflexionsoberfläche 23 auf. Die
Reflexionsoberfläche 22 reflektiert
einen von der Lichtquelle 11 emittierten und dann von der
ersten Linse 21 gebündelten
Lichtstrahl 101. Die Reflexionsoberfläche 23 reflektiert
einen von der Reflexionsoberfläche 22 reflektierten
Lichtstrahl 102 in Richtung der Lichtquelle und des Detektionsmoduls 1.
Die Reflexionsoberfläche 23 ist
so angeordnet, dass ein Einfallswinkel des Lichtstrahles 101 bezüglich zur Reflexionsoberfläche 22 45° beträgt. Dadurch
reflektiert die Reflexionsoberfläche 22 den
Lichtstrahl 101 zur Reflexionsoberfläche 23 total. Weiterhin
ist die Reflexionsoberfläche 23 so
angeordnet, dass der Einfallswinkel des Strahles 102 zur
Reflexionsoberfläche 23 45° beträgt. Somit
reflektiert auch die Reflexionsoberfläche 23 den Lichtstrahl 102 total.
Daher wird ein Lichtstrahl 103 von der Reflexionsoberfläche 23 zur
Lichtquelle und dem Detektionsmodul 1 zurück reflektiert.
Wenn der Lichtstrahl 101, der durch die erste Linse 21 gebündelt wurde,
paralleles Licht ist, ist der von der Reflexionsoberfläche 23 reflektierte
Lichtstrahl 103 ebenfalls ein paralleler Lichtstrahl.
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Die
Scheibe 6 hat einen Detektionsrasterabschnitt 24,
der beispielsweise zum Detektieren eines Rotationswinkels verwendet
wird. Wenn die rotierende Scheibe 6 mit dem Lichtstrahl 103 durchstrahlt wird,
moduliert der Detektionsrasterabschnitt 24 auf der Scheibe 6 den
Lichtstrahl 103. Der Fotodetektor 12 empfängt den
modulierten Lichtstrahl 103 über das optische Element 14.
Aufgrund der Detektion durch den Fotodetektor 12 ist es
möglich,
eine erforderliche Information, beispielsweise einen Rotationswinkel,
eine Rotationsgeschwindigkeit oder eine Drehzahl zu erhalten.
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2 ist
ein Diagramm zur Darstellung eines Zustandes, bei dem ein Streulichtanteil
zu der Außenseite
der Lichtquelle und des Detektionsmoduls unter einer wiederholten
Reflexion in der in 1 gezeigten Lichtquelle und
dem Detektionsmodul austritt. In 2 ist das
optische Element 14 aus einem Polycarbonat mit einem Brechungsindex
von 1.58 ausgeführt,
wobei dieser Wert bei der Wellenlänge der Natrium-D-Linie gemessen
wurde. Die Blende 26 des optischen Elementes 14 ist
so ausgebildet, dass diese innerhalb eines Innenringes angeordnet
ist, wobei dessen Oberseite sich in Kontakt mit der Lichtquelle 11 befindet
und deren Mittelachse mit der optischen Achse des von der Lichtquelle 11 ausgestrahlten
Lichtstrahles zusammenfällt.
Der Innenring weist insbesondere einen vertikalen Winkel von 90° auf.
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Der
Durchmesser der ersten Linse 21 ist etwas größer als
die zylindrische Höhlung 25 ausgeführt. Aufgrund
dessen fällt
ein Anteil des von der Lichtquelle 11 emittierten Lichtes
innerhalb eines Winkelbereiches von weniger als 45° zur optischen Achse
von der Blende 26 der zylindrischen Höhlung 25 durch die
erste Linse 21. Dieser Lichtanteil läuft durch die nicht dargestellte
Umlenkeinheit. Andererseits wird ein Anteil des von der Lichtquelle 11 emittierten
Lichtes innerhalb eines Winkelbereiches von mehr als 45° zur optischen
Achse an der Seitenbegrenzung 27 der zylindrischen Höhlung 25 gebrochen.
Dieser Lichtanteil wiederholt eine Totalreflexion zwischen der oberen
und der unteren Fläche
des optischen Elements 14, die in einem rechten Winkel
zur Seitenbegrenzung 27 angeordnet sind. Dieser Lichtanteil
pflanzt sich zur Außenseite
der Lichtquelle und des Detektionsmoduls 1 fort.
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Ein
Lichtstrahl 104 aus 2 ist ein
beispielhafter Lichtanteil, der einen Winkel von nicht mehr als 45° zur optischen
Achse aufweist. Dieser Lichtstrahl 104 fällt auf
die erste Linse 21 und läuft zur Umlenkeinheit 5.
Ein Lichtstrahl 105 aus 2 ist ein
Lichtanteil, der einen Winkel von mehr als 45° zur optischen Achse aufweist.
Dieser Lichtstrahl 105 pflanzt sich zur Außenseite
des optischen Elementes 14 von der Seitenbegrenzung 27 der
zylindrischen Höhlung 25 beginnend
fort, ohne durch die erste Linse 21 hindurch zu treten.
Dieser Lichtstrahl 105 tritt nicht durch die Umlenkeinheit 5.
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Wie
in 2 gezeigt ist, wird der Lichtstrahl 106 als
ein Strahl angenommen, der einen Winkel von 50° zur optischen Achse aufweist
und zu dem Fotodetektor 12 weiterläuft. Dieser Strahl 106 hat
mit anderen Worten einen Einfallswinkel von 40° zur Seitenbegrenzung 27 und
wird auf der Einfallsoberfläche
in einem Brechungswinkel von etwa 24° gebrochen. Dieser Strahl 106 fällt mit
einem Einfallswinkel von etwa 66° auf
die untere Oberfläche
des optischen Elements 14 ein. Wenn das optische Element 14 aus einem
Polycarbonat mit einem Brechungsindex von 1.58 besteht, beträgt der kritische
Winkel des Strahles für
die untere Oberfläche
des optischen Elements 14 39.3°. Daher wird der gesamte Strahl 106 totalreflektiert.
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Entsprechend
dazu wird der Strahl 106 an der oberen Oberfläche des
Elements 14 total reflektiert und pflanzt sich schließlich zur
Außenseite
des optischen Elements 14 fort. Somit erreicht der Strahl 106 nicht
den Fotodetektor 12. Der Streulichtanteil, der sonst von
der Lichtquelle 11 zu dem Fotodetektor 12 läuft, wird
auf diese Weise beseitigt.
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Die
erste Linse 21 ist auf dem optischen Element 14 angeordnet
und das optische Element 14, die Lichtquelle 11 und
der Fotodetektor 12 sind als ein Ganzes ausgebildet. Daher
ist es möglich,
die Größe des Wertgebers
im Vergleich zu den Abmessungen konventioneller Wertgeber beträchtlich
zu reduzieren. Weiterhin ist das optische Element 14 in den
Träger 13 integriert.
Die gegenseitige Lage ist mit anderen Worten zwischen dem optischen
Element 14 und dem Träger 13,
auf dem die Lichtquelle 11 und der Fotodetektor 12 befestigt
sind, fest vorgegeben. Weil die Lichtquelle 11 und der
Fotodetektor 12 miteinander integriert ausgeführt sind,
ist es möglich,
die optische Achse durch ein Bewegen beider Elemente als Ganzes
zu justieren. Ebenso ist es möglich,
das Zusammenfügen
und die Justierung zu unterstützen und
zu vereinfachen. Während
die Reflexionsoberfläche 22 und
die Reflexionsoberfläche 23 in
der ersten Ausführungsform
total reflektierende Oberflächen sind,
ist ebenso ein Aufbau einer vergleichbaren Struktur möglich, bei
der die reflektierenden Oberflächen
von der Art eines Spiegels oder dergleichen Art sind, die anstelle
der total reflektierenden Oberflächen
verwendet werden.
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Wie
bereits anhand dieser Ausführungsform gemäß 1 verdeutlicht
wurde, ist in einfacher Weise ein Aussenden eines Lichtstrahles
in eine geforderte Richtung möglich,
weil die erste Linse 21 auf dem optischen Element 14 angeordnet
ist. Weiterhin ist die zylindrische Höhlung 25 so geformt,
das diese einen kleineren äußeren Durchmesser
als die erste Linse 21 aufweist und die Blende 25 und
die Seitenbegrenzung 27 beinhaltet. Damit ist die Ausbildung eines
fotoelektrischen Drehwertgebers möglich, bei dem der zu dem Fotodetektor 12 gerichtete
Streulichtanteil zu einem Verlassen der Außenseite der Lichtquelle und
des Detektionsmoduls ohne ein Passieren der Linse 21 durch
ein Einschließen
dieses Anteils innerhalb des optischen Elementes 14 durch eine
Totalreflexion gebracht wird. Mit dieser Anordnung ist es möglich, einen
Einfall des Streulichtanteils auf den Fotodetektor 12 zu
verhindern.
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Weiterhin
sind das optische Element 14, die Lichtquelle 11 und
der Fotodetektor 12 als eine Ganzheit ausgeführt und
die Linse 21 auf dem optischen Element 14 ausgebildet.
Somit ist die Ausführung
eines fotoelektrischen Drehwertgebers möglich, der eine kompaktere
Lichtquelle mit einem Detektionsmodul 1 aufweist, wobei
der fotoelektrische Drehwertgeber eine Justierung zwischen der Lichtquelle 11 und
dem Fotodetektor 12 vereinfacht.
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In
dieser Ausführungsform
ist die in das optische Element 14 eingearbeitete Höhlung 25 zylindrisch
geformt, um den Einfluss des Streulichtanteils zu reduzieren. Diese
Form ist jedoch nicht auf die Zylinderform beschränkt. Gleiche
Effekte können
auch dann erzielt werden, wenn die Höhlung eine andere Form aufweist,
sofern der Streulichtanteil durch ein Einschließen dieses Anteils in die Innenseite
des optischen Elements 14 durch Totalreflexion zur Außenseite
der Lichtquelle und des Detektionsmoduls 1 hin abgeleitet
wird.
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3 zeigt
als Hintergrundinformation einen schematischen Bauplan einer Lichtquelle
und eines Detektionsmoduls eines fotoelektrischen Drehwertgebers.
Der Aufbau des fotoelektrischen Drehwertgebers unterscheidet sich
von der in 1 dargestellten Ausführungsform
darin, dass nur die Lichtquelle 11 mit einem optischen
Element 17 bedeckt und der Fotodetektor 12 mit
Silizium 28 versiegelt ist. Dieser fotoelektrische Drehwertgeber
weist ebenfalls die bezüglich
der in 1 dargestellten Umlenkeinheit 5 und Scheibe 6 die
gleichen Bestandteile auf, die aus diesem Grund in 3 nicht
dargestellt sind. Bei diesem Aufbau ist es möglich, das optische Element
kleiner auszubilden. Somit bietet dieser Aufbau den Vorteil der
Möglichkeit
einer verkleinert gestalteten Lichtquelle und eines kleineren Detektionsmoduls 1.
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Wie
bereits erwähnt,
ist die Lichtquelle 11 mit dem optischen Element 17 bedeckt
und der Fotodetektor 12 mit Silizium 28 versiegelt.
Damit ist die Ausbildung eines kompakteren fotoelektrischen Drehwertgebers
möglich.
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4A ist
ein schematischer Bauplan einer Lichtquelle und eines Detektionsmoduls 1 eines
fotoelektrischen Drehwertgebers entsprechend einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung. Der Aufbau des fotoelektrischen Drehwertgebers unterscheidet sich
von der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform
darin, dass ein fester Spalt 51 an einem dem Fotodetektor 12 zugewandten
Abschnitt des optischen Elements 14 angeordnet ist. 4B ist
eine vergrößerte Schnittdarstellung
des festen Spaltes 51. Wie in 4B gezeigt,
weist der feste Spalt 51 V-förmige Rillen auf, die Strahlen
von der Umlenkeinheit im Winkel von 45° empfangen und somit einen einfallenden
Strahl selektiv abschirmen. Andere Abschnitte, wie beispielsweise
die Umlenkeinheit 5 und die Scheibe 6 sind zu
den in 1 gezeigten Einheiten ähnlich und werden somit in 4A nicht
dargestellt.
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Wenn
das optische Element 14 beispielsweise aus einem Polycarbonat
mit einem Brechungsindex von 1.58 ausgeführt ist, beträgt der kritische
Winkel des Strahles 39.3°.
Damit wird der gesamte parallele Strahl, der auf die V-förmigen Rillen
des festen Spaltes 51 trifft, reflektiert und somit abgeschirmt. Somit
ist es möglich
den fotoelektrischen Drehwertgeber mit dem lichtabschirmenden Spalt
zu versehen, indem lediglich V-förmige
Rillen in das optische Element 14 eingearbeitet werden.
Es ist ebenfalls möglich,
mit den V-förmigen
Rillen ein Amplitudengitter bei einer Verminderung der Größen und
der räumlichen
Anordnung der Periode der V-förmigen
Rillen zu bilden. Darüber
erlaubt eine beträchtliche
Verkleinerung der räumlichen
Periode der V-förmigen
Rillen der Lichtquelle und dem Detektionsmodul 1 eine komplette
Abschirmung des Strahles von der Umlenkeinheit 5.
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Wie
bereits dargestellt, ist dieser Ausführungsform gemäß 4A, 4B entsprechend
der V-förmige
Rillen aufweisende feste Spalt 51 an dem Abschnitt des
optischen Elementes 14 angeordnet, der dem Fotodetektor 12 gegenüber liegt.
Damit ist die Ausbildung eines fotoelektrischen Drehwertgebers möglich, der
auf der Grundlage einer einfachen Bearbeitung des optischen Elementes 14 mit
dem lichtabschirmenden Spalt oder dem Amplitudengitter ausgebildet
ist.
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5 ist
ein schematischer Bauplan einer Lichtquelle und eines Detektionsmoduls
eines fotoelektrischen Drehwertgebers nach einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung. Der Aufbau des fotoelektrischen Drehwertgebers unterscheidet
sich von der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform
dadurch, dass eine rückwärtige Oberflächenlinse 29 auf der
Rückseite
der ersten Linse 21 angeordnet ist. Andere Elemente, beispielsweise
die Umlenkeinheit 5 und die Scheibe 6 sind zu
den in 1 gezeigten Teilen ähnlich und werden daher in 5 nicht
darstellt.
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Daraus
ergibt sich, dass es im Vergleich zur Verwendung von nur einer Linse
möglich
ist, die Parallelität
eines von dem optischen Element 14 emittierten Lichtstrahles
zu verbessern. Weiterhin kann es bei einem derartigen fotoelektrischen
Drehwertgeber ermöglicht
werden, die Lichtquelle und das Detektionsmodul zusätzlich zu
den Linsen auf einer Reihe von Oberflächen des optischen Elements 14 mit
einem Beugungsgitter unter Verwendung von Konkavitäten, Konvexitäten und
V-förmigen
Rillen auszustatten. Durch dieses Beugungsgitter wird die optische Funktion
und die Leistungsfähigkeit
des fotoelektrischen Drehwertgebers weiter verbessert.
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Wie
vorhergehend beschrieben, ist entsprechend dieser Ausführungsform
gemäß 5 die Rückseitenlinse 29 auf
der Rückseite
der ersten Linse 21 auf dem optischen Element 14 angeordnet.
Damit ist es möglich,
bei dem fotoelektrischen Drehwertgeber eine Parallelität des von
dem optischen Element 14 emittierten Lichtstrahles zu gewährleisten, bei
der die optische Funktion und Leistungsfähigkeit des Wertgebers nochmals
verbessert werden.
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6 ist
ein schematischer Bauplan eines Hauptteils eines fotoelektrischen
Drehwertgebers entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Der
Aufbau des fotoelektrischen Drehwertgebers unterscheidet sich von
der ersten in 1 gezeigten Ausführungsform
darin, dass eine zweite Linse 30 auf der Umlenkeinheit 5 angeordnet ist.
Die anderen Elemente sind zu denen in der ersten Ausführungsform
gleich und identische Bestandteile sind mit den gleichen Bezugsziffern
versehen. Wie in der ersten Ausführungsform
emittiert die Lichtquelle 11 einen Lichtstrahl. Die erste
Linse 21 bündelt
den Strahl zu einem Lichtstrahl 101 und die zweite Linse 30 bündelt den
Lichtstrahl 101 zu einem Lichtstrahl 102. Die
Reflexionsoberfläche 22 und
die Reflexionsoberfläche 23 der
Umlenkeinheit 5 führen
die Totalreflexion des Lichtstrahles 102 aus. Der Detektionsrasterabschnitt 24 auf
der rotierenden Scheibe 6 moduliert den Lichtstrahl 103.
Der Fotodetektor 12 empfängt den modulierten Lichtstrahl über das
optische Element 14.
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Entsprechend
dieser Ausführungsform
gemäß 6 ist
die zweite Linse 30 auf der Umlenkeinheit 5 ausgebildet.
Daher erlaubt das Einstellen des Abstandes zwischen den Linsen 21 und 30 eine
Verbesserung der optischen Leistungsfähigkeit des fotoelektrischen
Drehwertgebers. So ist es beispielsweise möglich, den Strahldurchmesser
zu vergrößern und
die Parallelität
des Strahls zu verbessern. Weiterhin ist es durch eine Kombination
derartiger Linsen möglich,
die Krümmungen
jeder Linse zu reduzieren. Daher ist es möglich, eine gegenseitige Abstimmung der
Genauigkeit der Anordnung der ersten Linse 21 und der Fügegenauigkeit
der Umlenkeinheit 5 zu bewirken und eine einfache Gestaltung
des Wertgebers zu erreichen.
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7 ist
ein schematischer Bauplan eines Hauptteils eines fotoelektrischen
Drehwertgebers entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Der
Aufbau des fotoelektrischen Drehwertgebers unterscheidet sich von
der ersten in 1 gezeigten Ausführungsform
darin, dass der Wertgeber statt des Fotodetektors 12 einen
ersten Fotodetektor 18 und einen zweiten Fotodetektor 19 aufweist.
Der Aufbau des fotoelektrischen Drehwertgebers unterscheidet sich
weiterhin darin, dass der Wertgeber ein erstes Phasengitter 31 auf
der Lichteinfalloberfläche
der Umlenkeinheit 5 und ein zweites Phasengitter 32 auf
der Lichtaustrittsoberfläche
der Umlenkeinheit 5 aufweist. Die Phasengitter 31, 32 sind
als konkave und konvexe Oberflächen
mit einer optischen Weglängendifferenz
von λ/2
ausgebildet. 8A ist eine Seitenansicht der
in 7 gezeigten Umlenkeinheit 5 aus Sicht
des mit A bezeichneten Pfeiles und 8B ist
eine Seitenansicht der in 7 gezeigten
Umlenkeinheit 5 aus Sicht des mit B bezeichneten Pfeiles.
In 7 und den 8A und 8B sind
die mit denen in der ersten Ausführungsform
identischen Teile mit den selben Bezugsziffern versehen.
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Entsprechend
der 8A und 8B fällt der
von der ersten Linse 21 emittierte Lichtstrahl 101 auf
das Phasengitter 31 der Umlenkeinheit 5. Durch die
Beugung wird der Lichtstrahl 101 in einen Strahl plus erster
Ordnung (+1) 111 und einen Strahl minus erster Ordnung
(-1) 112 geteilt. Die Reflexionsoberfläche 22 ist so angeordnet,
dass die Einfallswinkel der Strahlen 111 und 112 45° betragen.
Die Reflexionsoberfläche 22 reflektiert
beide Strahlen auf die Reflexionsoberfläche 23 total. Die
Reflexionsoberfläche 23 ist
ebenfalls so angeordnet, dass die Einfallswinkel der Strahlen 111 bzw. 112 jeweils
45° betragen.
Die Reflexionsoberfläche 23 reflektiert
den Strahl 111 und den Strahl 112 total zu Lichtquelle
und Detektionsmodul 1. Das Phasengitter 32 auf
der Umlenkeinheit 5 beugt einen Strahl 113 als
einen Strahl minus erster Ordnung (-1) des Strahls 111 und
einen Strahl 114 als einen Strahl plus erster Ordnung (+1) des
Strahls 112 in Richtung der Scheibe 6. Der Strahl 113 und
der Strahl 114 beleuchten den Detektionsrasterabschnitt 24,
der zu einer Detektion des Rotationswinkels der Scheibe 6 dient.
Der Detektionsrasterabschnitt 24 moduliert die Strahlen 113 und 114. Der
erste Fotodetektor 18 und der zweite Fotodetektor 19 empfangen
die modulierten Strahlen der Lichtstrahlen 113 bzw. 114.
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Solange
der Strahl 101 das Phasengitter 31 bestrahlt,
teilt daher das Phasengitter 31 den Strahl 101 gleichmäßig. Dadurch
ist es unkompliziert, die Lichtquelle 11 und die Umlenkeinheit 5 zueinander optisch
auszurichten und ebenso die Fügegenauigkeit
zu verbessern. Es ist möglich,
den optischen Abstand zwischen dem Phasengitter 31 und
dem Phasengitter 32 aufgrund der Form der Umlenkeinheit 5 einzustellen.
Damit wird eine Handhabung des Abstandes zwischen den beiden Gittern
einfacher. Weiterhin ist es möglich,
einen festen Spalt mit V-förmigen
Rillen statt der Phasengitter anzuordnen und Abschirmfunktionen
für einen
ausgewählten
Strahl und eine Beugung und Teilung eines Strahls unter Verwendung
eines Amplitudengitters mit V-förmigen
Rillen anzufügen.
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Wie
bereits anhand dieser Ausführungsform gemäß 7 verdeutlicht,
sind der erste Fotodetektor 18 und der zweite Fotodetektor 19 in
der Lichtquelle und dem Detektionsmodul 1 vorgesehen, während das
erste Phasengitter 31 und das zweite Phasengitter 32 auf
der Umlenkeinheit 5 angeordnet sind. Damit erleichtert
der fotoelektrische Drehwertgeber die optische Anordnung und verbessert
die Fügegenauigkeit.
Es ist ebenfalls möglich,
einen multifunktionellen fotoelektrischen Drehwertgeber auszubilden,
der einen gewählten
Strahl abschirmt, einen Strahl beugt und einen Strahl in eine Mehrzahl
von Strahlen teilt.
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9 ist
ein schematischer Bauplan eines Hauptabschnittes eines fotoelektrischen
Drehwertgebers entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Der
Aufbau des fotoelektrischen Drehwertgebers unterscheidet sich von
der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform darin, dass eine kreisförmige verchromte
Schablone 33 mit einem kleineren Durchmesser als derjenige
der ersten Linse 21 auf der inneren Oberfläche des
optischen Elementes 14 angeordnet ist. Andere Bestandteile
sind mit denen der ersten Ausführungsform
gleich und identische Teile sind mit den gleichen Bezugsziffern versehen. 10 stellt
die kreisförmige
verchromte Schablone 33 aus Richtung der Seite der Lichtquelle 11 gesehen
dar. Wie in 10 dargestellt, hat die kreisförmige verchromte
Schablone 33 eine innere Begrenzung 34.
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Weil
die kreisförmige
verchromte Schablone 33 auf dem optischen Element 14 angeordnet
ist, wird der durch den Kreis der kreisförmigen verchromten Schablone 33 hindurch
laufende Strahl infolge der inneren Begrenzung 34 zu einem
kreisförmigen Strahl
geformt. Andere verchromte Schablonen mit einem anderen als einem
kreisförmigen
Muster können
an Stelle der kreisförmigen
verchromten Schablone 33 zum Ausbilden einer erwünschten
Strahlform verwendet werden. Es ist weiterhin ebenso möglich, diese
Struktur zum Beseitigen eines Streustrahles in Verbindung mit dem
Ausbilden eines Strahles anzuwenden. Weiterhin ist es ebenso möglich, selektiv
einen Strahl mittels eines festen Spaltes auf der Oberfläche des
optischen Elementes 14, der durch eine verchromte Schablone
ausgebildet ist, über
dem Fotodetektor 11 abzuschirmen.
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Wie
vorhergehend anhand dieser Ausführungsform
gemäß 9 beschrieben
wurde, ist die kreisförmige
verchromte Schablone 33, die einen kleineren Durchmesser
als die erste Linse aufweist, auf der inneren Oberfläche des
optischen Elementes 14 angeordnet. Damit ist es möglich, einen
multifunktionalen fotoelektrischen Drehwertgeber auszubilden, der
einen Strahl formen, einen ausgewählten Strahl abschirmen und
einen Streustrahl beseitigen kann.
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11 ist
ein schematischer Bauplan eines Hauptabschnittes eines fotoelektrischen
Drehwertgebers entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Der
Aufbau des fotoelektrischen Drehwertgebers unterscheidet sich von
der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform darin, dass ein
fester Spalt unter Verwendung einer verchromten Schablone 35 auf
der der Scheibe 6 gegenüberliegenden Emissionsoberfläche der
Umlenkeinheit 5 angeordnet ist. Andere Einheiten stimmen
mit denen in der ersten Ausführungsform überein und
identische Teile sind mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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Wie
in 11 gezeigt, ist der feste Spalt als verchromte
Schablone 35 in der Umlenkeinheit 5 vorgesehen.
Die Form der verchromten Schablone 35 ist allerdings nicht
auf die Form eines festen Spaltes beschränkt. Beispielsweise kann die
verchromte Schablone 35 als ein Beugungsgitter zum Beugen
oder Teilen eines Strahls ausgeführt
sein. Wenn die verchromte Schablone 35 eine kreisförmige verchromte Schablone
ist, ist es darüber
hinaus möglich,
die Form eines parallelen Strahles in einfacher Weise in eine kreisförmige Form
zu verändern.
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Wie
bereits anhand dieser Ausführungsform gemäß 11 verdeutlicht,
ist der feste Spalt unter Verwendung der verchromten Schablone auf
der Emissionsoberfläche
der Umlenkeinheit 5 angeordnet. Somit ist es möglich, einen
multifunktionalen fotoelektrischen Drehwertgeber auszubilden, der
einen Strahl ausformen oder einen Strahl in eine Mehrzahl von Strahlen
aufteilen kann.
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12 zeigt
als Hintergrundinformation einen schematischen Bauplan einer Lichtquelle
und eines Detektionsmoduls 1 eines fotoelektrischen Drehwertgebers.
Der Aufbau des fotoelektrischen Drehwertgebers unterscheidet sich
von der in der 1 gezeigten ersten Ausführungsform
darin, dass die Lichtquelle 11 und der Fotodetektor 12 auf
einem Träger 41 angeordnet
sind, dass ein optisches Element 15 mit einer ersten Linse 21 auf
diesem Träger 41 angeordnet
ist und dass der Träger 41 einen
lichtabschirmenden Abschnitt zwischen der Lichtquelle 11 und
dem Fotodetektor 12 aufweist. Der Aufbau des fotoelektrischen
Drehwertgebers unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform
insbesondere besonders stark darin, dass das optische Element 15 keine
zylindrische Höhlung
aufweist. Andere Teile entsprechen denen in der ersten Ausführungsform gezeigten
Teilen und identische Abschnitte sind mit den gleichen Bezugsziffern
versehen. Der Aufbau der Umlenkeinheit 5 und der Scheibe 6 ist
mit 1 gleich. Daher sind diese Teile in 12 nicht
dargestellt.
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Demnach
wird ein Streustrahl, wie etwa ein Strahl 121, der von
der Lichtquelle 11 zu dem fotoelektrischen Drehwertgeber 12 ohne
ein Passieren der ersten Linse 21 gelangt, von dem lichtabschirmenden
Abschnitt des Trägers 41 abgeblendet.
Damit ist es nicht notwendig, eine zylindrische Höhlung innerhalb
des optischen Elementes 15 wie bei dem Aufbau nach der
ersten und der anderen Ausführungsformen vorzusehen.
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Wie
vorhergehend dargestellt, hat der Träger, auf dem die Lichtquelle 11 und
der Fotodetektor 12 angeordnet sind, einen lichtabschirmenden
Abschnitt zwischen der Lichtquelle 11 und dem Fotodetektor 12.
Somit ist die Ausbildung eines fotoelektrischen Drehwertgebers möglich, der
die Streustrahlanteile ausblendet, die direkt von der Lichtquelle 11 zu
dem Fotodetektor 12 gerichtet sind. Weil es nicht notwendig
ist, eine zylindrische Höhlung
innerhalb des optischen Elementes 15 vorzusehen, wird darüber hinaus
die Gestaltung des fotoelektrischen Drehwertgebers vereinfacht.
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13 ist
ein schematischer Bauplan einer Lichtquelle und eines Detektionsmoduls 1 eines
fotoelektrischen Drehwertgebers entsprechend einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung. Der Aufbau des fotoelektrischen Drehwertgebers unterscheidet sich
von der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform
darin, dass eine Stufe zwischen der Grundfläche, auf welcher die Lichtquelle 11 angeordnet
ist und der anderen Grundfläche, auf
der sich der Fotodetektor 12 befindet, ausgebildet ist,
wobei jede Grundfläche
einen Abschnitt des Trägers 42 bildet. Weiterhin
ist der Fotodetektor 12 etwas näher zur Scheibe 6 als
die Lichtquelle 11 verlegt. Andere Teile stimmen mit denen
in der ersten Ausführungsform überein und
identische Bestandteile sind mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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Die
Stufe weist eine Lage, eine Höhe
und eine Form auf, die von der Form des Trägers 42 abhängt und
kann einen von der Lichtquelle 11 zu dem Fotodetektor 12 gerichteten
Streustrahlanteil, etwa einen Strahl 122, abschirmen. Weiterhin
fällt ein Streustrahlanteil,
wie der Strahl 123, der von der Lichtquelle 11 auf
den Fotodetektor 12 gerichtet ist, auf die Seitenbegrenzung 27 der
zylindrischen Höhlung 25 ein
und wird zur Außenseite
der Lichtquelle und des Detektionsmoduls 1 durch das optische
Element 14 abgeleitet. Außerdem ist es möglich, einen Abstand
zwischen dem Detektionsrasterabschnitt 24 auf der Scheibe 6 und
dem Fotodetektor 12 auf der Grundlage der Form des Trägers 42 abzustimmen, was
eine wichtige optische Eigenschaft darstellt.
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Wie
vorhergehend in Verbindung mit dieser Ausführungsform gemäß 13 erklärt wurde,
ist die Stufe zwischen den Grundflächen, auf denen die Lichtquelle 11 bzw.
der Fotodetektor 12 angeordnet sind, ausgebildet und die
Befestigungsposition des Fotodetektor 12 etwas näher in Richtung
der Scheibe als die Position der Lichtquelle versetzt. Somit ist
das Ausbilden eines fotoelektrischen Drehwertgebers möglich, der
die von der Lichtquelle 11 zu dem Fotodetektor 12 ohne
ein Passieren der Linse gerichteten Streustrahlanteile abschirmt,
oder den Streustrahl zu der Außenseite
der Lichtquelle und des Detektionsmoduls 1 hinaus zu leiten.
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14 ist
ein schematischer Bauplan eines Hauptabschnittes eines fotoelektrischen
Drehwertgebers entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Der
Aufbau des fotoelektrischer Drehwertgebers unterscheidet sich von
der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform darin, dass die
erste Linse auf der Oberfläche
des optischen Elementes weggelassen und die zweite Linse 30 auf
der Umlenkeinheit 5 angeordnet ist. Andere Teile stimmen
mit denen in der ersten Ausführungsform überein und identische
Bestandteile sind mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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Entsprechend
dieser Ausführungsform
gemäß 14 weist
die Oberfläche
des optischen Elementes 14 eine flache Oberfläche auf
und die zweite Linse 30 ist auf der Umlenkeinheit 5 angeordnet.
Somit ist es möglich,
einen fotoelektrischen Drehwertgeber auszubilden, der eine verbesserte
optische Leistungsfähigkeit,
z.B. einen vergrößerten Strahlquerschnitt
und eine verbesserte Parallelität,
aufweist und eine leichtere Gestaltung des Wertgebers bei der Ausführung der
Abstimmung der Fertigungsgenauigkeit der Komponenten gewährleistet.
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In
dieser Ausführungsform
ist, sofern die Oberfläche
des optischen Elementes 14 flach und die zweite Linse 30 auf
der Umlenkeinheit 5 angeordnet ist, der Ort der Anordnung
dieser Linse nicht auf die Umlenkeinheit 5 beschränkt. So
ist es zum Beispiel möglich,
einen gleichen Effekt zu erzielen, wenn die Linse an der Blende 26 der
zylindrischen Höhlung 25 des
optischen Elementes 14 angeordnet ist.
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Die
hier beschriebene Ausführungsform
benutzt einen Aufbau, bei dem die Oberfläche des optischen Elementes 14 flach
und die zweite Linse 30 auf der Umlenkeinheit 5 angeordnet
ist. Es ist ebenfalls möglich
diesen Aufbau auch bei den Ausführungsformen
gemäß den 4A und 4B, 9, 11 und 13 der
Erfindung zu verwenden. In diesem Fall ist es ebenfalls möglich, einen
gleichen Effekt wie bei Ausführungsform
zu erreichen.
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Wie
bereits in Verbindung mit der hier dargestellten Erfindung beschrieben
wurde, sind eine Lichtquelle und ein Fotodetektor auf einem Träger angeordnet
und ein optisches Element vor dem Träger angeordnet und mit diesem
integriert, um den Träger
zu bedecken. Dieses Element kann einen Streustrahlanteil eines von
der Lichtquelle einfallenden Strahles zu der Außenseite über die Seite des optischen
Elementes ableiten. Somit ist es möglich, unerwünschte Strahlen
zu beseitigen, ohne notwendigerweise eine lichtabschirmende Platte
vorzusehen. Daraus ergibt sich die Möglichkeit zum Ausbilden eines
fotoelektrischen Drehwertgebers mit einer reduzierten Anzahl von
Einzelteilen. Weil die Lichtquelle und der Fotodetektor auf dem
selben Träger angeordnet
sind, ist es möglich,
einen fotoelektrischen Drehwertgeber mit einer kompakten Lichtquelle
und einem Detektionsmodul auszubilden, der einen einfachen Aufbau
des Wertgebers auf der Grundlage einer einfachen Einstellung zwischen
der Lichtquelle und dem Fotodetektor sicherstellt.
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Weiterhin
sind entsprechend der hier dargestellten Erfindung Höhlungen
in den Träger
eingeformt. Diese Höhlungen
schirmen einen Streustrahlanteil eines Strahles ab, der von der
Lichtquelle zu dem Fotodetektor gerichtet ist. Somit ist es möglich, unerwünschte Strahlen
ohne Anwendung einer abschirmenden Platte zu entfernen. Infolgedessen
besteht die Möglichkeit
zum Ausbilden eines fotoelektrischen Drehwertgebers, der eine reduzierte
Anzahl von Einzelteilen aufweist. Weil die Lichtquelle und der Fotodetektor
auf dem selben Träger
angeordnet sind, ist eine Ausführung
eines fotoelektrischen Drehwertgebers mit einer kompaktem Lichtquelle und
einem Detektionsmodul bei einem einfachen Aufbau des Wertgebers
auf der Grundlage einer einfachen Abstimmung zwischen der Lichtquelle
und dem Fotodetektor gewährleistet.
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Obwohl
die Erfindung für
eine umfassende und klare Darstellung anhand einer spezifischen Ausführungsform
beschrieben wurde, sind die angefügten Ansprüche nicht darauf beschränkt, sondern schließen alle
durch einen Fachmann ausführbaren Modifikationen
und alternativen Konstruktionen ein, die unter die hier grundlegend
gegebenen Beschreibungen fallen.