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Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige optische Sensoren dienen zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich und weisen einen Sendelichtstrahlen emittierenden Sender und einen Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger auf. Prinzipiell können diese optischen Sensoren als Lichttaster ausgebildet sein. Weiterhin können die optischen Sensoren auch als Reflexionslichtschranken ausgebildet sein, wobei in diesem Fall der Überwachungsbereich von einem Reflektor begrenzt ist. In jedem Fall weist der optische Sensor eine Auswerteeinheit auf, in welcher die Empfangssignale des Empfängers zur Generierung eines Objektfeststellungssignals ausgewertet werden.
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Um im gesamten Überwachungsbereich eine sichere Objektdetektion zu gewährleisten, insbesondere auch im Nahbereich unmittelbar vor dem optischen Sensor, das heißt vor dem Sender, werden die Sendelichtstrahlen und Empfangslichtstrahlen über eine gemeinsame Sende- und Empfangsoptik geführt und verlaufen koaxial im Überwachungsbereich. Die koaxiale Strahlführung wird über einen im optischen Sensor integrierten Strahlteilerspiegel erreicht. Der Sender und Empfänger sind mit ihren optischen Achsen jeweils um 45° gegenüber der Ebene des Strahlteilerspiegels geneigt angeordnet. Damit sind die optischen Achsen des Senders und Empfängers um 90° zueinander versetzt und der Sender und der Empfänger sind in unterschiedlichen Ebenen liegend angeordnet.
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Für den elektrischen Anschluss des Senders und Empfängers sind dann entsprechend zwei um 90° gegeneinander gedrehte Leiterplatten erforderlich. Diese können von zwei separaten Leiterplatten gebildet sein oder von zwei Abschnitten einer flexiblen Leiterplatte. Das Vorsehen zweier starrer Leiterplatten erfordert einen hohen Montageaufwand und eine unerwünscht hohe Anzahl an einzelnen Bauteilen. Flexible Leiterplatten sind relativ teuer. Auch hier ist der Montageaufwand hoch, da die flexible Leiterplatte gefaltet werden muss.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Sensor der eingangs genannten Art bereitzustellen, welcher bei geringem konstruktivem Aufwand eine hohe Funktionalität aufweist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Der erfindungsgemäße optische Sensor dient zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich und weist einen Sendelichtstrahlen emittierenden Sender und einen Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger auf. Die Sendelichtstrahlen und Empfangslichtstrahlen sind über eine gemeinsame Sende- und Empfangsoptik geführt. Der Sender und der Empfänger sind auf einer in einer Ebene verlaufenden Leiterplatte angeordnet. Der Sender ist ein die Sendelichtstrahlen seitlich abstrahlendes Bauelement.
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Da der Sender und der Empfänger des erfindungsgemäßen optischen Sensors auf einer in einer Ebene liegenden, gemeinsamen Leiterplatte integriert sind, kann der konstruktive Aufwand und auch der Montageaufwand des optischen Sensors sehr gering gehalten werden.
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Besonders vorteilhaft ist die Leiterplatte dabei in Form einer starren Leiterplatte ausgebildet, welche besonders kostengünstig ist.
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Dieser Vorteil wird mit dem weiteren Vorteil verknüpft, dass die Sendelichtstrahlen und Empfangslichtstrahlen über eine gemeinsame Sende- und Empfangsoptik geführt sind, das heißt zur Strahlformung der Sendelichtstrahlen und Empfangslichtstrahlen wird nur ein optisches Element benötigt, dass besonders vorteilhaft von einer einzelnen Linse gebildet ist. Dadurch wird der konstruktive Aufwand des optischen Sensors weiter reduziert.
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Weiterhin ergibt sich durch die Führung über die gemeinsame Sende- und Empfangsoptik vorteilhaft ein koaxialer Verlauf der Sendelichtstrahlen und Empfangslichtstrahlen im Überwachungsbereich, wodurch eine sichere Objektdetektion im gesamten Überwachungsbereich, insbesondere auch im Nahbereich dicht vor dem optischen Sensor, gewährleistet ist.
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Um eine derartige koaxiale Strahlführung zu erhalten, ist im optischen Sensor ein Strahlteilerspiegel zur Strahlablenkung der Sendelichtstrahlen und Empfangslichtstrahlen vorgesehen.
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Hierzu ist es erforderlich, dass die optischen Achsen vorzugsweise um einen Winkel von 90° versetzt zueinander verlaufen. Dieser Versatz der optischen Achsen kann erfindungsgemäß trotz der Anordnung des Senders und des Empfängers auf einer in einer Ebene angeordneten Leiterplatte deshalb realisiert werden, da erfindungsgemäß ein sogenannter Sideview-Sender, das heißt ein seitlich abstrahlendes optisches Bauelement, eingesetzt wird, so dass dessen optische Achsen parallel zur Ebene der Leiterplatte verläuft. Die optische Achse des Empfängers kann dann in bekannter Weise senkrecht zur Ebene der Leiterplatte verlaufen.
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Alternativ könnte auch als Empfänger ein optisches Bauelement eingesetzt werden, das eine lichtempfindliche Fläche nicht an der Ober- oder Unterseite sondern an einer Seitenfläche aufweist. Dann kann ein herkömmlicher Sender eingesetzt werden, der die Sendelichtstrahlen an der Ober- oder Unterseite abstrahlt.
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Eine besonders günstige konstruktive Ausgestaltung des erfindungsgemäßen optischen Sensors sieht vor, dass der Strahlteilerspiegel in einer Aussparung der Leiterplatte gelagert ist, wobei der Strahlteilerspiegel von der Oberseite der Leiterplatte in einem Winkel von etwa 45° hervorsteht.
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Zudem sitzt der Sender auf der Oberseite der Leiterplatte auf. Die vom Sender emittierten Sendelichtstrahlen verlaufen parallel zur Ebene der Leiterplatte. Weiterhin ist der Empfänger an der Unterseite der Leiterplatte angeordnet. Die Empfangslichtstrahlen sind durch eine Bohrung in der Leiterplatte auf den Empfänger geführt, wobei vorteilhaft die Bohrung als Blende für die Empfangslichtstrahlen ausgebildet ist.
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Damit sind nicht nur der Sender und Empfänger sondern auch der Strahlteilerspiegel auf der Leiterplatte angeordnet, wodurch sich eine kompakte Bauform ergibt. Zudem ist vorteilhaft, dass von der Leiterplatte durch die Ausbildung der Blende für den Empfänger auch die Eigenschaft eines Optikelements übernommen wird. Die Anzahl der Bauelemente für den optischen Sensor kann so gering gehalten werden.
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Besonders vorteilhaft ist der Strahlteilerspiegel in der Leiterplatte zur Herstellung eines koaxialen Strahlverlaufs der Sendelichtstrahlen und Empfangslichtstrahlen justierbar gelagert, wobei in oder an der Leiterplatte Justiermittel zur Verstellung des Strahlteilerspiegels vorgesehen sind.
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Durch diese Justagemöglichkeit kann der Strahlverlauf der Sendelichtstrahlen und Empfangslichtstrahlen auf einfache Weise genau vorgegeben werden, wodurch die Nachweissicherheit des optischen Sensors erhöht wird. Da die Leiterplatte selbst zur Justage genutzt werden kann, wird der konstruktive Aufwand für die Justagemöglichkeit besonders gering gehalten.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1: Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen optischen Sensors.
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2: Darstellung von auf einer Leiterplatte angeordneten Komponenten des optischen Sensors.
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3: Variante der Leiterplatten-Anordnung gemäß 2.
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1 zeigt das Funktionsprinzip eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen optischen Sensors 1. Der optische Sensor 1 ist im vorliegenden Fall als Reflexionslichtschranke ausgebildet. Prinzipiell könnte der optische Sensor 1 auch als Lichttaster ausgebildet sein.
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Der optische Sensor 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in dem ein Sendelichtstrahlen 3 emittierender Sender 4 und ein Empfangslichtstrahlen 5 empfangender Empfänger 6 integriert sind. Der Sender 4 besteht aus einer Leuchtdiode, der Empfänger 6 ist als Photodiode ausgebildet. Weiterhin ist im Gehäuse 2 eine Auswerteeinheit 7 in Form eines Mikroprozessors oder dergleichen angeordnet, die zur Ansteuerung des Senders 4 und zur Auswertung der Empfangssignale des Empfängers 6 dient.
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Die Sendelichtstrahlen 3 und Empfangslichtstrahlen 5 werden über einen Strahlteilerspiegel 8 und eine gemeinsame Sende- und Empfangsoptik 9 in Form einer Linse geführt. Der Strahlteilerspiegel 8 ist ein halbdurchlässiger Spiegel. Dieser ist für einen Teil der vom Sender kommenden Sendelichtstrahlen 3 durchlässig und reflektiert einen Teil der Empfangslichtstrahlen 5 in Richtung des Empfängers 6.
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Die Sende- und Empfangsoptik 9 ist im vorliegenden Fall hinter einem Fenster 10 in der Frontwand des Gehäuses 2 angeordnet. Dem Sender 4 ist ein erstes Polarisationsfilter 11 nachgeordnet, dem Empfänger 6 ist ein zweites Polarisationsfilter 12 vorgeordnet. Die Polarisationsrichtungen der Polarisationsfilter 11, 12 sind um 90° gegeneinander gedreht.
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Das Gehäuse 2 des optischen Sensors 1 befindet sich an einem ersten Rand des Überwachungsbereichs. Am gegenüberliegenden Rand des Überwachungsbereichs befindet sich ein Retroreflektor 13, der Bestandteil des optischen Sensors 1 ist.
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1 zeigt den optischen Sensor 1 bei freiem Überwachungsbereich. Die vom Sender 4 emittierten Sendelichtstrahlen 3 werden mittels des ersten Polarisationsfilters 11 linear polarisiert, durchsetzen den Überwachungsbereich und treffen auf den Retroreflektor 13. Von dort werden die Sendelichtstrahlen 3 als Empfangslichtstrahlen 5 zum Empfänger 6 zurückreflektiert. Bei der Reflexion am Retroreflektor 13 wird die Polarisationsrichtung um 90° gedreht, so dass die Empfangslichtstrahlen 5 den zweiten Polarisationsfilter 12 durchsetzen und zum Empfänger 6 geführt sind. Damit wird bei freiem Überwachungsbereich eine große Lichtmenge am Empfänger 6 registriert.
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Tritt ein Objekt in den Überwachungsbereich, so treffen die Sendelichtstrahlen 3 nicht mehr auf den Retroreflektor 13 sondern werden vom Objekt in Richtung des Empfängers 6 reflektiert. Bei typischen Objekten, wie zum Beispiel diffus reflektierenden oder gerichtet reflektierenden Objekten mit metallischen oder spiegelnden Oberflächen, werden die Sendelichtstrahlen 3 bei der Reflexion am Objekt depolarisiert. Damit gelangt nur noch eine geringe Lichtmenge durch das zweite Polarisationsfilter 12 zum Empfänger 6.
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In der Auswerteeinheit 7 wird zur Generierung eines Objektfeststellungssignals in Form eines binären Schaltsignals eine Schwellwertbewertung der Empfangssignale des Empfängers 6 durchgeführt. Die Schaltzustände des so genierten Schaltsignals geben an, ob sich ein Objekt im Überwachungsbereich befindet oder nicht.
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2 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung der Komponenten des optischen Sensors 1 gemäß 1. Als zentrales Bauelement zur Aufnahme elektrischer und optischer Sensorkomponenten ist eine Leiterplatte 14 vorgesehen, die als starre Leiterplatte 14 ausgebildet ist, die in einer Ebene verläuft, die im Folgenden Leiterplattenebene genannt wird.
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Der Sender 4 sitzt mit seiner Unterseite auf der Oberseite der Leiterplatte 14 auf. Der Sender 4 ist als Sideview-Sender 4 ausgebildet, das heißt der Sender 4 weist eine seitliche Lichtaustrittsfläche auf, so dass die Sendelichtstrahlen 3 vom Sender 4 seitlich und parallel verlaufend zur Leiterplattenebene abgestrahlt werden, das heißt die optische Achse des Senders 4 verläuft parallel zur Leiterplattenebene.
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Der Empfänger 6 ist an der Unterseite der Leiterplatte 14 befestigt und liegt unterhalb einer Bohrung 15 in der Leiterplatte 14, die eine Blende für die Empfangslichtstrahlen 5 bildet. Der Empfänger 6 weist an seiner Oberseite eine lichtempfindliche Fläche auf, die optische Achse des Empfängers 6 verläuft senkrecht zur Leiterplatte 14. Der Bereich der Leiterplatte 14, der die Bohrung 15. begrenzt, kann vorteilhaft mit Kupfer ummantelt sein, um eine gute Blenden- und Abschirmwirkung zu erhalten.
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Neben dem Sender 4 und Empfänger 6 ist auch die in 2 nicht gesondert dargestellte Auswerteeinheit 7 auf der Leiterplatte 14 angeordnet.
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In der Leiterplatte 14 ist weiterhin der Strahlteilerspiegel 8 gelagert. Dabei liegt der Strahlteilerspiegel 8 in einer Aussparung 16 der Leiterplatte 14 und ist dort so gehalten, das die Ebene Strahlteilerspiegel 8 um 45° geneigt zur Leiterplattenebene verläuft.
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Auf der Leiterplatte 14 sitzt ein Tubus 17 auf, in dessen oberen Rand die Sende- und Empfangsoptik 9 gelagert ist. Der Sender 4 befindet sich innerhalb des Tubus 17.
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Direkt an der Lichtaustrittsfläche des Senders 4 ist das erste Polarisationsfilter 11 angebracht. Das zweite Polarisationsfilter 12 liegt auf den Rändern der Leiterplatte 14, die die Bohrung 15 begrenzen, auf, so dass das zweite Polarisationsfilter 12 die Bohrung 15 abdeckt.
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Die vom Sender 4 seitlich emittierten, parallel zur Leiterplattenebene verlaufenden Sendelichtstrahlen 3 werden durch das erste Polarisationsfilter 11 linear polarisiert und treffen dann auf den Strahlteilerspiegel 8. Dort werden die Sendelichtstrahlen 3 so abgelenkt, dass sie senkrecht zur Leiterplattenebene auf die Sende- und Empfangsoptik 9 verlaufen, diese durchsetzen und dann in den Überwachungsbereich geführt werden.
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Aus dem Überwachungsbereich kommende, koaxial zu den Sendelichtstrahlen 3 verlaufende Empfangslichtstrahlen 5 werden über die Sende- und Empfangsoptik 9 geführt, durchsetzen dazu teilweise den Strahlteilerspiegel 8 und werden dann über das zweite Polarisationsfilter 12 zum Empfänger 6 geführt, sofern diese nicht vom zweiten Polarisationsfilter 12 ausgefiltert werden.
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3 zeigt eine Variante der Anordnung gemäß 2. Die Anordnung gemäß 3 unterscheidet sich von der Anordnung gemäß 2 nur bezüglich der Lagerung des Strahlteilerspiegels 8, die in 3 ausschließlich dargestellt ist.
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Der Strahlteilerspiegel 8 ist in diesem Fall in einem halbkreisförmigen Durchbruch 18 der Leiterplatte 14 gelagert, wobei die Ebene des Strahlteilerspiegels 8 wieder um 45° bezüglich der Leiterplattenebene geneigt ist.
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Im vorliegenden Fall sind Justiermittel zur Justierung des Strahlteilerspiegels 8 vorgesehen, um durch optische Toleranzen bedingte Schielwinkel auszugleichen und so für einen exakt koaxialen Verlauf der Sendelichtstrahlen 3 und Empfangslichtstrahlen 5 in einer exakt senkrecht zur Leiterplattenebene verlaufenden Strahlrichtung zu sorgen.
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Als Justiermittel sind in der Leiterplatte 14 ein Langloch 19 und ein das Langloch 19 durchsetzender Bolzen 20 vorgesehen. Anstelle des Bolzens 20 kann auch eine Schraube verwendet werden. Der Bolzen 20 ist ortsfest im Gehäuse 2 des optischen Sensors 1 verankert. Durch das Langloch 19 kann die Leiterplatte 14 auf einer nicht dargestellten Halterung bezüglich des stationären Bolzens 20 verschoben werden. Durch diese Verschiebung der Leiterplatte 14 wird ein Taumeln des Strahlteilerspiegels 8, der im Durchbruch 18 der Leiterplatte 14 liegt, bewirkt. Durch diese Taumelbewegung kann die Strahlführung der Sendelichtstrahlen 3 und Empfangslichtstrahlen 5 justiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Optischer Sensor
- 2
- Gehäuse
- 3
- Sendelichtstrahlen
- 4
- Sender
- 5
- Empfangslichtstrahlen
- 6
- Empfänger
- 7
- Auswerteeinheit
- 8
- Strahlteilerspiegel
- 9
- Sende- und Empfangsoptik
- 10
- Fenster
- 11
- erstes Polarisationsfilter
- 12
- zweites Polarisationsfilter
- 13
- Retroreflektor
- 14
- Leiterplatte
- 15
- Bohrung
- 16
- Aussparung
- 17
- Tubus
- 18
- Durchbruch
- 19
- Langloch
- 20
- Bolzen
