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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Winkelencoder zur Ermittlung einer Winkeländerung zwischen zwei sich um eine Rotationsachse relativ zueinander bewegenden Gegenständen. Der Winkelencoder weist eine Auswerteeinheit auf, die einen optischen Sensor umfasst, welcher drehfest mit dem ersten Gegenstand gekoppelt ist. Der Winkelencoder umfasst weiterhin eine Markierung, welche drehfest mit dem zweiten Gegenstand gekoppelt ist. Die Markierung weist zumindest einen Leuchtbereich und zumindest einen Absorptionsbereich auf. Dabei ist die Auswerteeinheit ausgebildet, die Markierung zu erfassen und anhand der Markierung eine Drehung der Markierung zu erkennen.
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Solche Winkelencoder werden in vielen technischen Bereichen eingesetzt und zwar immer dort, wo ein absoluter oder relativer Drehwinkel zwischen zwei sich gegeneinander verdrehenden Gegenständen bekannt sein muss. Beispielsweise kann ein Winkelencoder in einem Laserscanner eingesetzt sein, um eine momentane Winkelposition eines Scan-Kopfes zu ermitteln. Auch in Werkzeugmaschinen finden Winkelencoder ihre Anwendung, um z.B. eine momentane Drehposition eines Werkzeugs zu bestimmen.
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Herkömmlicherweise ist die Markierung des Winkelencoders häufig auf einer Codescheibe angeordnet, die z.B. als geätzte Metallscheibe ausgebildet sein kann. Zudem verwenden herkömmliche Winkelencoder üblicherweise eine Gabellichtschranke, die es erforderlich macht, dass die Codescheibe frei zwischen dem Sender und dem Empfänger der Gabellichtschranke hängt und somit in die Gabellichtschranke hineinragt. Hierdurch sind herkömmliche Winkelencoder vibrationsempfindlich und müssen aufwendig und kostspielig mit sehr geringen Toleranzen gefertigt werden. Auch das Herstellen einer geätzten Metallscheibe kann die Herstellungskosten für einen Winkelencoder zusätzlich erhöhen.
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Es ist deshalb die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, einen Winkelencoder anzugeben, der besonders einfach und wirtschaftlich herstellbar ist und zugleich eine hohe Genauigkeit bei der Winkelerfassung erreicht.
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Diese Aufgabe wird durch einen Winkelencoder gemäß Anspruch 1 und insbesondere dadurch gelöst, dass die Markierung auf einer Leiterkarte angeordnet ist, wobei der Leuchtbereich zumindest eine Leiterbahn umfasst und/oder wobei der Absorptionsbereich einen Lötstopplack aufweist.
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Die Erfindung macht sich zunutze, dass Leiterkarten (z.B. PCBs – Printed Circuit Boards) in hohen Stückzahlen und damit wirtschaftlich herstellbar sind. Zudem können die Leiterbahnen und/oder der Lötstopplack auf einer solchen Leiterkarte sehr fein ausgebildet sein, beispielsweise im Bereich von wenigen Mikrometern (z.B. 10 bis 150 µm). Die Herstellung der Markierung auf einer Leiterkarte (d.h. einer Platine) ermöglicht also die Kombination von geringen Herstellungskosten mit einer großen Genauigkeit der Winkelerfassung.
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Die Leucht- und/oder Absorptionsbereiche der Markierung können beispielsweise eine Strukturbreite von weniger als 150 µm, bevorzugt von weniger als 100 µm, aufweisen. Die Markierung dient somit als Maßverkörperung.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind der Beschreibung, den Unteransprüchen sowie den Zeichnungen zu entnehmen.
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Bevorzugt umfasst der optische Sensor eine Lichtquelle, die die Markierung beleuchtet. Ebenfalls bevorzugt erfasst der Sensor von der Markierung reflektiertes Licht der Lichtquelle. Durch die reflektive Erfassung der Markierung ist von Vorteil, dass keine Gabellichtschranke zur Erfassung der Markierung verwendet werden muss. Auf diese Weise muss die Markierung nicht in die Gabellichtschranke hineinragen, wodurch die Anforderungen an die Fertigungstoleranzen für den Winkelencoder geringer ausfallen können.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Leuchtbereich bzw. die Leuchtbereiche eine metallische Oberfläche der Leiterbahn/der Leiterbahnen. Die Leiterbahnen, die als Leuchtbereiche dienen, sind somit nicht z.B. von einem Lötstopplack bedeckt. Hierdurch ergibt sich eine hohe Reflektivität der Leuchtbereiche, was durch den optischen Sensor auf einfache Weise erfasst werden kann.
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Benachbart zu den Leuchtbereichen kann Lötstopplack auf die Leiterkarte aufgebracht sein, um einen Absorptionsbereich zu bilden. In diesem Absorptionsbereich wird sehr viel Licht der Lichtquelle absorbiert, wodurch die Reflektivität des Absorptionsbereichs deutlich geringer ist als die des Leuchtbereichs. Ergänzend zu dem Lötstopplack kann die Leiterkarte auch z.B. mittels Tintenstrahldruck bedruckt werden, um den Kontrast des Lötstopplacks durch mittels des Tintenstrahldrucks aufgebrachte Farbe zusätzlich zu erhöhen.
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Erfolgt nun eine Drehung des zweiten Gegenstandes relativ zu dem ersten Gegenstand, so bewegen sich abwechselnd Leucht- und Absorptionsbereiche an dem optischen Sensor vorbei, wodurch der optische Sensor abwechselnd ein starkes und ein schwaches Lichtsignal empfängt. Beispielsweise kann der Sensor oder die Auswerteeinheit anhand der Anzahl der starken Lichtsignale eine Winkelveränderung und/oder eine Winkelgeschwindigkeit der Drehung erfassen.
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Bevorzugt ist die Leiterbahn aus Kupfer gebildet und/oder umfasst eine vergoldete Oberfläche. Hierdurch kann eine besonders gute Reflektivität erzielt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Absorptionsbereich eine Vertiefung, beispielsweise ein Langloch oder ein Durchgangsloch (ein sogenanntes "Via") auf. Durch die Ausbildung als Loch kann die Reflexion von Licht ebenfalls reduziert werden.
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Bevorzugt ist die Markierung nur einseitig auf der Leiterkarte aufgebracht. Durch die Verwendung einer reflektiven Messung genügt eine einseitig aufgebrachte Markierung.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Leiterkarte scheibenförmig ausgebildet. Dies bedeutet, die Leiterkarte kann eine Dicke aufweisen, die im Vergleich zu ihrem Durchmesser sehr klein ist. Die Leiterkarte kann zudem eine runde oder kreisförmige Außenkontur aufweisen.
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Bevorzugt ist der optische Sensor an einer weiteren Leiterkarte angebracht. Die Leiterkarte mit der Markierung und die weitere Leiterkarte können in etwa die gleiche Größe aufweisen und beispielsweise konzentrisch um die Rotationsachse herum angeordnet sein. Ein Vorteil der Verwendung der weiteren Leiterkarte besteht darin, dass weitere elektronische Komponenten ebenfalls auf der weiteren Leiterkarte angeordnet werden können, beispielsweise eine Elektronik zur Ausgabe eines digitalen Winkelsignals.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich die Markierung über den gesamten Umfang der Leiterkarte. Hierdurch kann die momentane Drehposition oder eine Änderung der Drehposition unabhängig von der momentanen Drehposition der Gegenstände zueinander ermittelt werden.
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Bevorzugt wechseln sich die Leuchtbereiche und die Absorptionsbereiche in Umfangsrichtung ab. In Umfangsrichtung können also abwechselnde Hell-/Dunkel-Bereiche vorgesehen sein, die auf die oben beschriebene Art und Weise zur Winkelmessung herangezogen werden können.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Markierung einen Nullpositionsabschnitt auf, der nur einmalig vorhanden ist. Der Nullpositionsabschnitt kann von dem optischen Sensor bzw. von der Auswerteeinheit erkannt werden, wodurch auch eine absolute Winkelmessung ermöglicht wird, d.h. es kann eine absolute Position des ersten Gegenstands bezüglich des zweiten Gegenstands und nicht nur eine Winkeländerung ermittelt werden.
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Grundsätzlich kann der Winkelencoder aufgrund des Nullpositionsabschnitts also eine absolute Winkelposition angeben. Ebenso ist es möglich, dass der Winkelencoder ein Signal ausgibt, das einer jeweiligen relativen Winkeländerung entspricht.
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Besonders bevorzugt weist die Markierung eine eindeutige Winkelcodierung für zumindest zwei Winkelstellungen der Gegenstände zueinander auf. Bevorzugt kann die Markierung auch eine eindeutige Winkelcodierung für zumindest 180 Winkelstellungen aufweisen. Die Markierung kann hierfür einen binären Code aus Leuchtbereichen und Absorptionsbereichen umfassen, der die absolute Winkelstellung codiert.
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Unter einer Winkelstellung ist ein Winkelstellungsbereich zu verstehen.
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Beispielsweise kann bei einer Codierung von zwei Winkelstellungen festgestellt werden, ob die beiden Gegenstände zueinander zwischen 0° und 180° oder zwischen 180° und 360° verdreht sind. Dementsprechend kann bei einer Codierung von 180 Winkelstellungen die Drehposition mit einer Genauigkeit von 2° angegeben werden. Es können auch mehr als 180 Winkelstellungen codiert werden, beispielsweise 360, 720, 1024 oder 2048 Winkelstellungen.
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Bevorzugt umfasst die Markierung mehrere konzentrische kreisförmige Bahnen, wobei auf den Bahnen in Umfangsrichtung abwechselnd Leuchtbereiche und Absorptionsbereiche angeordnet sind. Zwischen zwei Bahnen kann jeweils eine konzentrische, kreisförmige Lücke von beispielsweise etwa 75 µm vorgesehen sein.
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Bevorzugt weisen die Leuchtbereiche und die Absorptionsbereiche in Umfangsrichtung in jeder Bahn die gleiche kumulierte Länge auf. Beispielsweise kann in jeder Bahn jeweils die Hälfte der umfangsmäßigen Länge der Bahn von Leuchtbereichen bzw. von Absorptionsbereichen bedeckt sein. Die Leuchtbereiche und die Absorptionsbereiche können also jeweils einen Winkelbereich von 180° überdecken.
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Besonders bevorzugt verdoppelt sich die Anzahl der Leuchtbereiche und der Absorptionsbereiche jeweils bei jeder radial aufeinanderfolgenden Bahn. Eine benachbarte Bahn kann also jeweils doppelt so viele Leuchtbereiche aufweisen, wie die radial vorhergehende Bahn. Beispielsweise kann die Anzahl der Leuchtbereiche mit größer werdendem Abstand von der Rotationsachse steigen. Durch die verschiedene Anzahl der Leucht- und Absorptionsbereiche in jeder Bahn kann eine eindeutige Codierung durch die Markierung vorgenommen werden, wodurch eine absolute Winkelposition der zwei Gegenstände zueinander bestimmt werden kann. Die Codierung kann dabei ähnlich einer Gray-Codierung sein. Alternativ kann die Markierung auch eine Gray-Codierung umfassen.
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Insbesondere kann eine erste Bahn (beispielsweise eine innerste Bahn) genau einen Leuchtbereich und genau einen Absorptionsbereich aufweisen, wobei sich der Leucht- und der Absorptionsbereich jeweils über 180° erstrecken. Eine zweite Bahn kann zwei Leuchtbereiche und zwei Absorptionsbereiche aufweisen, wobei in Umfangsrichtung sich Leucht- und Absorptionsbereiche abwechseln, die sich jeweils über 90° erstrecken. Eine dritte Bahn kann bereits vier Leucht- und vier Absorptionsbereiche aufweisen, die jeweils 45° überdecken. Bei entsprechenden weiteren Bahnen können die Leucht- und Absorptionsbereiche entsprechend kürzer ausgebildet werden, wodurch sich eine genauere Winkelauflösung ergeben kann.
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Bevorzugt sind zumindest zehn Bahnen vorgesehen, wobei auf der zehnten Bahn beispielsweise 512 Leuchtbereiche und 512 Absorptionsbereiche vorgesehen sein können. Bei zehn Bahnen kann sich eine Genauigkeit der Winkelmessung von 0,36° ergeben (360°/1024).
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform umfasst der optische Sensor eine Fotodiodenzeile. Bei dem optischen Sensor kann es sich um einen streifenförmigen Sensor handeln, der insbesondere für jede Bahn der Markierung eine separate Fotodiode umfasst. Die Fotodiodenzeile kann beispielsweise in einem Schlitz der weiteren Leiterkarte angebracht sein und sich radial erstrecken. Alternativ kann der Sensor auch eine einzelne Fotodiode sein, die dann nur auf die Bahn mit den meisten Leucht- und Absorptionsbereichen blickt. Im Falle einer Verwendung einer einzelnen Fotodiode kann ein Nullpositionsabschnitt auf der Bahn mit den meisten Leucht- und Absorptionsbereichen vorgesehen sein, um ebenfalls eine absolute Winkelposition bestimmen zu können.
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Alternativ oder zusätzlich zu der Fotodiodenzeile oder der einzelnen Fotodiode kann auch ein CCD- oder CMOS-Sensor oder eine Kamera verwendet werden.
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Zudem können Linsen zwischen den Fotodioden und der Markierung angeordnet sein, um eine exaktere Auswertung der Markierung durch die Fotodioden zu ermöglichen.
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Weiter bevorzugt wird die Markierung mittels einer flächigen Beleuchtung beleuchtet, welche die Leiterkarte zumindest einseitig und bevorzugt homogen ausleuchtet. Aufgrund der flächigen Beleuchtung kann die Markierung unabhängig von der Drehposition immer gleich beleuchtet sein, so dass eine Auswertung der Markierung mittels des optischen Sensors erleichtert wird. Die Beleuchtung kann dabei so angebracht sein, dass die Leuchtbereiche der Markierung Licht zu dem optischen Sensor reflektieren.
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Bevorzugt umfasst die flächige Beleuchtung einen flächigen Lichtleiter, der an mehreren Speisepunkten mit Lichtquellen gekoppelt ist. Der Lichtleiter kann eine flächige Beleuchtung ermöglichen, obwohl die Lichtquellen nicht flächig angeordnet sind. Ein solcher Lichtleiter kann ähnlich einer Hintergrundbeleuchtung eines Tastenfelds eines Mobiltelefons ausgebildet sein. Insbesondere kann der Lichtleiter in Größe und Form der Markierung entsprechen, so dass die Markierung an allen Positionen von dem Lichtleiter beleuchtet werden kann.
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Alternativ oder zusätzlich zu der flächigen Beleuchtung kann auch eine Ausschnittsbeleuchtung vorgesehen sein. Die Ausschnittsbeleuchtung kann jeweils den Ausschnitt der Markierung beleuchten, der sich im Sichtbereich der Fotodiode oder der Fotodiodenzeile befindet, wohingegen der Rest der Markierung nicht beleuchtet wird und im Dunkeln liegt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Markierung sich radial von der Rotationsachse weg erstreckende Streifen, die durch die Leuchtbereiche und/oder die Absorptionsbereiche gebildet sind. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise durch ein Abzählen der Anzahl der radialen Streifen ein Winkelsignal generieren.
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Nachfolgend wird die Erfindung rein beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 den schematischen Aufbau eines Winkelencoders;
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2 eine erste Ausführungsform einer Markierung; und
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3 eine zweite Ausführungsform einer Markierung.
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1 zeigt einen Winkelencoder 10, bei welchem ein erster Gegenstand 12 mit einer ersten Leiterkarte 14 drehfest gekoppelt ist. An der ersten Leiterkarte 14 sind eine Lichtquelle 16 sowie eine Fotodiodenzeile 18 angebracht. Die Fotodiodenzeile 18 umfasst mehrere einzelne Fotodioden (nicht gezeigt). Die Lichtquelle 16 bildet zusammen mit der Fotodiodenzeile 18 einen optischen Sensor. Die Lichtquelle 16 emittiert Sendelicht 20 in Richtung einer Markierung 22. Die Markierung 22 wirft das Sendelicht 20 als reflektiertes Licht 24 zurück. Das reflektierte Licht 24 wird von der Fotodiodenzeile 18 erfasst.
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Die Markierung 22 ist an einer zweiten Leiterkarte 26 angebracht, welche drehfest mit einem zweiten Gegenstand 28 gekoppelt ist. Der zweite Gegenstand 28 ist um eine Rotationsachse A gegenüber dem ersten Gegenstand 12 drehbar. Die zweite Leiterkarte 26 entspricht der oben erwähnten "Leiterkarte", wohingegen die erste Leiterkarte 14 der oben erwähnten "weiteren Leiterkarte" entspricht.
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Die Markierung 22 weist Leucht- und Absorptionsbereiche 32, 34 auf, wie nachfolgend noch näher erläutert. Bei einer Drehung der Gegenstände 12, 28 relativ zueinander ändert sich aufgrund der Leucht- und Absorptionsbereiche 32, 34 die Stärke des reflektierten Lichts 24. Diese Änderung in der Intensität des reflektierten Lichts 24 kann von der Fotodiodenzeile 18 erfasst werden, wodurch der optische Sensor 16, 18 eine Winkeländerung zwischen dem ersten und dem zweiten Gegenstand 12, 28 ermitteln kann.
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2 zeigt eine erste Ausführungsform der Markierung 22 in schematischer Draufsicht. Die Markierung 22 umfasst vier konzentrische Bahnen 30, wobei jede Bahn 30 zumindest einen Leuchtbereich 32 und einen Absorptionsbereich 34 umfasst. Die Leuchtbereiche 32 sind durch nicht bedeckte Leiterbahnen mit vergoldeter Oberfläche gebildet, wohingegen die Oberfläche der Absorptionsbereiche 34 durch einen Lötstopplack gebildet wird. Der Lötstopplack kann beispielsweise eine grüne oder schwarze Farbe aufweisen. Die Lücken zwischen den Bahnen 30 sind der Übersichtlichkeit halber in weiß gezeichnet. Die Lücken zwischen den Bahnen 30 können aber beispielsweise ebenfalls von einem Lötstopplack bedeckt sein.
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Die Bahn 30, die der Rotationsachse A am nächsten liegt, weist genau einen Leuchtbereich 32 und genau einen Absorptionsbereich 34 auf. Weiter außen liegende Bahnen 30 umfassen jeweils doppelt so viele Leucht- und Absorptionsbereiche 32, 34, wie die nächste, weiter innenliegende Bahn 30. Dementsprechend weist die vierte Bahn 30, die den größten Abstand zur Achse A besitzt, acht Leuchtbereiche 32 und acht Absorptionsbereiche 34 auf.
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Mit der gezeigten beispielhaften Markierung 22 kann eine absolute Winkelermittlung mit einer Genauigkeit von 22,5° vorgenommen werden. Es versteht sich, dass die Genauigkeit durch das Hinzufügen weiterer Bahnen 30, bei welchen sich jeweils die Anzahl der Leucht- und Absorptionsbereiche 32, 34 verdoppelt, stark gesteigert werden kann.
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3 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Markierung 22 in schematischer Draufsicht. Die Ausführungsform von 3 umfasst eine Vielzahl von sich streifenförmig radial von der Rotationsachse A weg erstreckenden Leucht- und Absorptionsbereichen 32, 34. Die Leucht- und Absorptionsbereiche 32, 34 wechseln sich in Umfangsrichtung (um die Rotationsachse A) gesehen jeweils ab. Dabei sind alle Leuchtbereiche 32 gleichförmig ausgebildet und werden von gleichförmig ausgebildeten Absorptionsbereichen 34 voneinander getrennt. Ein einzelner Absorptionsbereich 34 ist breiter ausgebildet als die übrigen Absorptionsbereiche 34 und bildet damit einen Nullpositionsabschnitt 36.
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Wie bei der Ausführungsform von 2 sind die Leuchtbereiche 32 durch Leiterbahnen mit einer offenliegenden, vergoldeten Oberfläche gebildet. Die Absorptionsbereiche 34 sind durch einen Lötstopplack gebildet.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Winkelencoder
- 12
- erster Gegenstand
- 14
- erste Leiterkarte
- 16
- Lichtquelle
- 18
- Fotodiodenzeile
- 20
- Sendelicht
- 22
- Markierung
- 24
- reflektiertes Licht
- 26
- zweite Leiterkarte
- 28
- zweiter Gegenstand
- 30
- konzentrische Bahn
- 32
- Leuchtbereich
- 34
- Absorptionsbereich
- 36
- Nullpositionsabschnitt
- A
- Rotationsachse
