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Lichtschranken-Anordnung Die Erfindung betrifft eine Lichtschranken-Anordnung
mit einei Sendeeinrichtung zum Ausstrahlen von gebündelten elektromagnetischen Strahlen,
insbesondere Lichtstrahlen, sowie einer Empfangseinrichtung zum Empfangen der Strahlen
und deren Umwandlung in elektrische Signale.
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Derartige Lichtschranken-Anordnungen sind in den verschiedensten Einsatzgebieten
bekannt und gebräuchlich. In der Regel finden sie Anwendung zur Bestimmung der Position
eines Körpers zwischen Sendeeinrichtung und Empfangseinrichtung.
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Dabei sind sowohl Anordnungen bekannt, welche lediglich das Vorhandensein
oder Nichtvorhandensein eines Kbrpers feststellen und zur Anzeige bringen, oder
aber auch die Position des Körpers in wenigstens einer Ebene ermitteln einen. Dabei
sind sowohl Einrichtungen bekannt, welche lediglich die Position des Körpers zur
Anzeige bringen, als auch solche, bei welchen aus dem der Position entsprechenden
Signalhilfseinrichtungen, wie z B. Steuer- oder Regelvorrichtungen aktiviert werden.
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Die Einbeziehung derartiger Lichtschranken-Anordnungen in Steuer-
und Regelkreise ist allgemein bekannt und gebräuchlich und dem Fachmann ohne weiteres
geläufig. Darauf wird in der nachfolgenden Beschreibung deshalb nicht weiter eingegangen.
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Zur Feststellung der Position eines Körpers in einem relativ grossen
räumlichen Bereich ist es bereits bekannt, die Sendeeinrichtung und/oder die Empfangseinrichtung
im Zentrum eines Parabolspiegels anzuordnen, welcher durch entsprechende Auslenkung
in einer oder mehrerer Ebenen einen bestimmten Bereich zu überwachen in der Lage
ist und wobei die Position und damit der Strahlengang beim Verschwenken des Spiegels
Jeweils derart überwacht wird, dass bei Unterbrechung des Strahlengangs durch einen
Körper dessen Position exakt feststellbar ist.
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Ein grosser Nachteil dieser bekannten Anordnung liegt im knstruktionsbedingten
Aufwand bei elektronischen und mechanischen Bauteilen begründet, welche insbesondere
bei grösseren Spiegeln zum Tragen kommt und ausserdem auch Probleme bei der Justierung
mit sich bringt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Bekannten
zu vermeiden, insbesondere also eine Lichtschranken-Anordnung zu schaffen, welche
einfach justierbar, rationell herzustellen und zu montieren ist und darüber hinaus
auch bei ungünstigen Betriebsbedingungen betriebssicher und wartungsfreundlich ist.
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Erfindungsgemäss wird dies bei einer Lichtschranken-Anordnung der
eingangs genannten Art insbesondere dadurch erreicht, dass die Sendeeinrichtung
eine Mehrzahl von wenigstens in einer Ebene liegenden Strahlungsquellen aufweist,
dass die Empfangseinrichtung eine Mehrzahl von wenigstens in einer Ebene liegenden
Empfangselementen aufweist, dass jeder Strahlungsquelle ein in deren Strahlungsbereich
liegendes Empfangselement zugeordnet ist, dass jede Strahlungsquelle einzeln und/oder
zusammen mit dem zugeordneten Empfangselement aktivierbar ist, und dass eine Schalteinrichtung
zum kontinuierlichen und sequentiellen Aktivieren und Deaktivieren der einzelnen
Strahlungsquellen, sowie der jeweils zugeordneten Empfangselemente vorgesehen ist.
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Ersichtlicherweise wird erfindungsgemäss durch das sequentielle Abfragen
der in einer Ebene liegenden Empfangselemente auf optimal einfache Weise ein Signal
abgeleitet, welches unmittelbar dem Abstand eines im Strahlengang liegenden Körpers
vom ersten Empfangselement im Abfragezyklus entspricht. Die Lichtschranken-Anordnung
ist dabei ohne besondere Schwierigkeiten durch einfache Vergrcsserung der Anzahl
von Elementen in praktisch Jeder beliebigen Länge herstellbar und auch in Jeder
beliebigen Form ausführbar.
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Z.B. ist es durchaus denkbar, in Abhängigkeit von der speziellen Ueberwachungs-Anforderung
auch gekrümmte Anordnung oder räumliche Anordnung vorzusehen.
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Das Abfragen der Empfangselemente kann sowohl immer nur von einer
Seite zyklisch vorgenommen werden, wobei dann auf die Position des im Strahlengang
befindlichen Körpers aus dessen Einfluss auf die erste im Abfragezyklus betroffene
Strahlungsquelle geschlossen wird, als auch derart ausgebildet sein, dass z.B. von
den beiden räumlichen Enden der Empfangselement-Anordnung her der Aktivierungsvorgang
beginnt und dabei dann sowohl die Begrenzung des Körpers auf der einen Seite, als
auch auf der anderen Seite durch entsprechenden Einfluss auf den Strahlengang ermittelt
wird.
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Die Ausbildung derartiger Abfrageeinrichtungen, bzw. sequentiellen
Schalteinrichtungen sind dem Fachmann durchaus geläufig und werden hier deshalb
nicht näher erläutert.
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Besonders betriebssicher lässt sich die Erfindung dabei ersichtlicherweise
realisieren, wenn im Aktivierungs-Zyklus jeweils immer nur eine Strahlungsquelle
sowie das zugehörige Empfangselement aktiviert wird, sodass der Empfang von Lichtstrahlen
durch das Empfangselement zuverlässig darauf schliessen lässt, dass der Strahlengang
frei ist und die empfangenen Lichtstrahlen nicht durch Reflexionen von nicht zugeordneten
Strahlungsquellen herrühren. Auf diese Weise lässt sich insbesondere auch der Aufwand
für Justierarbeiten verringern.
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Besonders kompakt und einfach lässt sich die Erfindung realisieren,
wenn Empfangselemente und Strahlungsquellen in jeweils zwei Reihen angeordnet sind
und die Strahlen durch Reflexion an einer Reflektoreinrichtung von der Strahlungsquelle
Jeweils auf das Empfangselement gerichtet werden.
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Dabei lässt sich sowohl der mechanische Aufwand für die Gesamtanordnung,
als auch für das Justieren der Reflektoreinrichtung auf ein Minimum reduzieren,
wenn Empfangselemente und Strahlungsquellen in zwei nebeneinander liegenden Reihen
angeordnet sind und die Reflektoreinrichtung die Strahlen um etwa 1800 reflektiert.
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Die Genauigkeit der Positions-Bestimmung lässt sich erfindungsgemäss
auf einfachste Weise dadurch verbessern, dass Empfangselemente und Strahlungsquellen
jeweils in mindestens zwei nebeneinander liegenden Reihen versetzt angeordnet sind.
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Dadurch lässt sich bei gegebenem Mindest-Durchmesser von Strahlungsquellen
und Empfangselementen die Auflösung jeweils auf einen Bruchteil des Durchmessers
eines einzelnen Elements reduzieren.
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Mechanisch stabiler Aufbau und geringer Abstand zwischen den einzelnen
Elementen, bzw. Strahlungsquellen und damit gute Auflösung lässt sich insbesondere
dann erreichen, wenn Strahlungsquellen und Empfangselemente in zylindrischen Halterungen
befestigt sind, welche ihrerseits miteinander verbunden sind.
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Die mechanische Festigkeit einer derartigen Anordnung lässt sich noch
verbessern, wenn die Halterungen wabenfrmig ausgebildet sind und flächig aneinander
liegend zu einer Gesamtanordnung verbunden sind.
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Die Position eines Körpers in einer Lichtschranken-Anordnung lässt
sich ganz besonders einfach feststellen, wenn die Strahlungsquellen und/oder die
Empfangselemente der Lichtschranken-Anordnung in der Reihenfolge ihrer geometrischen
Anordnung und nacheinander aktiviert werden, wenn die Ein-Signale der nacheinander
aktivierten Empfangselemente addiert und gespeichert werden, und wenn beim Erreichen
des ersten Null-Signals der Aktivierungs-Zyklus gestoppt und der gespeicherte Wert
der Ein-Signale in Relation zum Abstand zwischen dem letzten ein Ein-Signal abgebenden
Empfangselement und dem ersten, zu Beginn des Aktivierungs-Zyklus aktivierten Empfangselement
gesetzt wird. Die Addition der Signale kann dabei ersichtlicherweise auf verschiedene
Arten digital oder analog vorgenommen werden.
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Ganz besonders hat es sich erfindungsgemäss bewährt, wenn in Abhängigkeit
vom Vorhandensein von Ein-Signalen Impulse jeweils gleicher Spannung erzeugt werden,
und wenn die Impuls-Spannungen zu einem resultierenden Analogsignal addiert werden.
Dieses Analogsignal kann dann entweder unmittelbar oder nach Verstärkung zur Anzeige
der Position oder aber zur Ansteuerung von Steuer- oder Regeleinrichtungen verwendet
werden und gegebenenfalls auch andere Signale wie z.B. von Alarmvorrichtungen auslösen.
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Ersichtlicherweise werden der erfinderische Inhalt und der technische
Fortschritt des Anmeldungsgegenstands, sowohl durch die neuen Einzelmerkmale, als
auch insbesondere durch Kombination und Unterkombination der Verwendung findenden
Merkmale gewährleistet.
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Die Erfindung ist im folgenden in Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 Die schematische Darstellung einer
Lichtschranken-Anordnung mit den Merkmalen der Erfindung, Fig. 2 das von der Lichtschranken-Anordnung
abgebene Signal, Fig. 3 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Sende-und Empfangseinrichtung
gemäss Fig. 1, Fig. 4 eine Draufsicht auf die Sende- und Empfangseinrichtung gemäss
Fig. 3, Fig. 5 ein weiter abgewandeltes Ausführungsbeispiel einer Sende- und Empfangseinrichtung,
Fig. 6 die schematische Darstellung einer Sende- und Empfangseinrichtung mit quadratischen
Halterungen, Fig. 7 eine Sende- und Empfangseinrichtung mit verbessertem Auflösungsvermögen,
Fig. 8 eine Draufsicht auf die Sendeeinrichtung gemäss Fig. 7,
Fig.
9 eine Draufsicht auf eine Empfangseinrichtung mit weiter verbessertem AuflösungsvermBgen,
Fig. 10 eine Draufsicht auf eine Halterung für eine Strahlungsquelle, und Fig.ll
eine Seitenansicht der Darstellung gemäss Fig. 10 im Halbschnitt.
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Gemäss Fig. 1 weist eine Lichtschranken-Anordnung eine Sendeeinrichtung
A und eine Empfangseinrichtung B auf.
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Die Sendeeinrichtung A weist eine Mehrzahl von Strahlungsquellen 1
bis 11 auf, deren Strahlengänge parallel auf jeweils zugeordnete Empfangselemente
la bis lla gerichtet sind. Die Strahlungsquellen 1 bis 11 sind, wie dargestellt,
an eine Schalteinrichtung 12 angeschlossen, durch welche die Strahlungsquellen sequentiell
aktiviert werden.
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Synchron zur Aktivierung der Strahlungsquellen 1 bis 11 werden durch
die Schalteinrichtung 12 auch die als lichtempfindliche Dioden ausgebildeten Empfangselemente
la bis lla an Spannung gelegt. Die Schalteinrichtung 12 wird, wie symbolisch dargestellt,
durch einen Impulsgeber 13 angesteuert.
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Im Betriebsablauf wird zunächst Strahlungsquelle 1 und Empfangselement
la aktiviert. Da der Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle 1 und dem Empfangselement
la ungestört ist, wird durch letzteres eine Ausgangsspannung an einen Impulserzeuger
14 abgegeben, welcher seinerseits eine Additions-Einrichtung 15, sowie eine Vergleichseinrichtung
16 ansteuert.
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Der Spannungswert des vom Impulserzeuger 14 abgegebenen Impulses wird
in der Additions-Einrichtung 15 gespeichert.
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Im zeitlichen Ablauf wird sodann die Strahlungsquelle 2 und das Empfangselement
2a aktiviert, wobei wiederum vom Impulserzeuger 14 ein Impuls an die Additions-Einrichtung
15 abgegeben wird, welcher durch diese spannungsessig zum bereits gespeicherten
Wert addiert wird. Der Vorgang wiederholt sich solange bis beim Erreichen der Strahlungsquelle
7 durch die Unterbrechung des Strahlengangs durch einen Körper 17 vom Empfangselement
7a kein Ausgangssignal an den Impulserzeuger 14 abgegeben werden kann. Solange nämlich
bei offenem Strahlengang durch ein Empfangselement la bis lla der Impulserzeuger
14 aktiviert wird und letzterer Impulse an die Vergleichseinrichtung 16 abgibt,
liegt an deren Eingang A ein Signal an, welches zeitlich mit dem vom Impulsgeber
13 erzeugten und an den Eingang B gelegten Signal übereinstimmt. Die Vergleichseinrichtung
16 ist dabei so ausgelegt, dass nur dann am Ausgang C ein Signal abgegeben wird,
wenn am Eingang A kein Impuls anliegt, während am Eingang B ein Impuls anliegt.
Wie dargestellt, ist dies der Fall, sobald eine der Strahlungsquellen 1 bis 11 über
Schalteinrichtung 12 und Impulsgeber 13 aktiviert wird, gleichzeitig jedoch ein
Empfangselement la bis lla ein Signal abgibt und damit den Impulserzeuger 14 ansteuert.
In diesem Fall gibt die Vergleichseinrichtung 16 über Ausgang C ein Steuer-Signal
an die Additions-Einrichtung 15 ab, welches den Additionsvorgang unterbricht. Ersichtlicherweise
entspricht damit der gespeicherte Wert dem räumlichen Abstand der Unterbrechung
eines Strahlengangs bzw. des Körpers 17
von der Strahlungsquelle
1 bzw. vom Empfangselement la.
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Die Vergleichseinrichtung 16 betätigt ausserdem durch ein Steuer-Signal
einen Schalter 18, welcher den Ausgang der Additions-Einrichtung 15 mit einer Anzeigeeinrichtung
19 verbindet, welche den in der Anzeigeeinrichtung 19 gespeicherten Wert darstellt
und somit die Position des Körpers 17 zur Anzeige bringt.
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Ausserdem verbindet der Schalter 18 die Anzeigeeinrichtung 19 noch
mit einem Verstärker 20, durch welche nicht dargestellte Regeleinrichtungen mit
einem dem Positions-Wert entsprechenden Signal beaufschlagt werden. Um den sequentiellen
Ablauf der Positions-Bestimmung sicher zu stellen, gibt die Schalteinrichtung 12
über eine Leitung 21 jeweils am Ende eines Zyklus und nach Ansteuerung der Strahlungsquelle
11 bzw.
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des Empfangselements lla ein Rückstell-Signal an die Additions-Einrichtung
15 ab, durch welches der in der Additions-Einrichtung 15 gespeicherte Wert auf Null
gestellt wird, sodass unmittelbar eine neue Positions-Bestimmung, beginnend mit
Strahlungsquelle 1 und Empfangselement la beginnen kann.
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Selbstverständlich sind sämtliche Schaltelemente, wie insbesondere
auch die Schalteinrichtung 12 nur symbolisch dargestellt. Dem Fachmann sind beliebige
Ausführungsformen elektromechanischer Art oder aber elektronischer Art (z.B. Scanner,
Ringzähler) für die Schalteinrichtung 12, sowie auch für die anderen Verwendung
findenden Bauelemente bekannt.
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Ersichtlicherweise kann der Akt ivierungsvorgang statt mit Strahlungsquelle
1 auch mit Strahlungsquelle 11 beginnen, sodass der Abstand des Körpers 17 von oben
nach unten verlaufend festgestellt wird. Auch ist es ohne welteres denkbar, die
Aktivierung mit Strahlungsquelle 1 zu beginnen und nach Beendigung des Zyklus den
nächsten Zyklus mit der letzten Strahlungsquelle, also Strahlungsquelle 11 zu beginnen.
Auf diese Weise lässt sich insbesondere auch die Aussenabmessung von Körpern bestimmen,
welche den Strahlungsgang von mehr als einer Strahlungsquelle unterbrechen.
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Fig. 2 zeigt den Spannungsverlauf in der Additions-Einrichtung 15,
wobei U den Wert darstellt, welcher in der Additions-Einmax richtung 5 erreicht
würde, sofern sich im Strahlengang zwisehen Sendeeinrichtung A und Empfangseinrichtung
B kein Körper befinden würde. Sobald jedoch, wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel
bei Sendequelle 7 eine Unterbrechung eintritt, wird die erreichte Spannung Ueff
erreicht, welche dem Abstand des Körpers 17 von der Strahlungsquelle 1 unmittelbar
proportional ist.
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Fig. 3 und 4 zeigen ein Ausführungsbeispiel, bei welchem Strahlungsquellen
1 bis 4, Empfangselementen la bis 4a in Reihen angeordnet benachbart liegen. Die
von den Strahlungsquellen 1 bis 4 abgegebenen Lichtstrahlen werden dabei durch eine
Reflektor-Einrichtung auf die Empfangselemente la bis 4a zurück geworfen.
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Die Anordnung ist dabei in gleicher Weise einsetzbar, wie die Anordnung
gemäss Fig. 1, Die Justierung der Strahlengänge lässt sich dabei auf einfachste
Weise durch einmaliges Richten der Reflektor-Rinrichtung 22 erreichen.
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Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf die Anordnung gemßiss Fig. 3 in Richtung
des Pfeils A, Wie aus der Darstellung ersichtlich wird, sind die Strahlungsquellen
1 bis 4, sowie die Empfangseleente la bis 4a in kreisförmigen Fassungen 31 bis 34,
bzw. 31a bis 34a angeordnet. Derartige Bauelemente sind handelsüblich und allgemein
gebräuchlich. Die Gesamtanordnung ist auf optimal einfache Weise mechanisch stabil
und betriebssicher dadurch aufgebaut, dass jede der Strahlungsquellen 1 bis 4, sowie
jedes der Empfangselemente la bis 4a in einer wabenförmigen Halterung 23 befestigt
ist, wobei die Waben 23 ihrerseits an den berührenden Flächen miteinander verklebt
und zu einer Baueinheit verbunden sind.
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Fig. 5 zeigt eine mit Fig. 4 vergleichbare Anordnung, wobei jedoch
statt der Waben 23 zylindrische Halterungen 24 vorgesehen sind. Der Strahlengang
zwischen Strahlungsquellen 1 bis 3 über einen in der Draufsicht nicht sichtbaren
Reflektor zu den Empfangselementen la bis 3a ist dabei wie bei Fig. 4 durch gestrichelte
Pfeile symbolisch angedeutet. Ersihtlicherweise wird bei beiden Anordnungen auf
besonders raumsparende Weise der Aufbau von Sendeneinrichtung und Empfangseinrichtung
gewährleistet.
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Fig. 6 zeigt eine Anordnung, bei welcher rechteckige Halterungen 25
vorgesehen sind, welche die Einhaltung eines horizontalen Strahlengangs zwischen
den Strahlungsquellen 1 bis 4 und den Empfangselementen la bis 4a ermöglichen.
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In Fig. 7 und 8 ist dagegen eine Anordnung gezeigt, welche bei bauteilmässig
vorgegebener Mindesthöhe h Verbesserung des Auflosungsvermögens auf h/2 ermöglicht.
(Fig. 8).
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Wie dargestellt, sind nämlich Strahlungsquellen 1 bis 7 derart in
vertikaler Richtung, d h. also in Aktivierungs-Richtung, versetzt angeordnet, dass
mit einer um den Faktor 2 verbesserten Genauigkeit die Bestimmung der Position des
Körpers 17 erfolgen kann.
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Selbstverständlich sind die Empfangselemente la bis 7a in gleicher
Weise angeordnet, wie die Strahlungsquellen 1 bis 7 gemäss Fig. 8. Beim Abfragen
der Empfangselemente la bis 7a bedeutet dabei jedes Signal, welches einem freien
Strahlungsgang entspricht, Abgabe eines Impulses, welcher der Höhe h/2 entspricht
anstatt der Höhe h wie beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 bis 6.
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Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 9 ist weitere Der besserung der
Auflösung auf h/5 erreicht, wobei die durch Anordnung von 5 Strahlungsquellen und
Empfangselementen nebeneinander eine gewisse Verbreiterung des Messbereichs auftritt,
welche jedoch in den meisten Anwendungsfällen keinerlei Einfluss auf das Messergebnis
hat.
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Dies gilt insbesondere, wenn, wie beim Ausführungsbeispiel, der Körper
17 ein kontinuierlich ablaufender Streifen ist, dessen jeweilige Höhe in der Lichtschranken-Anordnung
gemessen werden soll.
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Selbstverständlich lässt sich das erfindungsgemässe Prinzip abwandeln,
insbesondere auch auf die Bestimmung der Position in mehr als einer Ebene ausdehnen,
ohne dass dadurch der Rahmen der Erfindung verlassen wird. Auch lassen sich Strahlungsquellen
und Empfangselemente auf Kurven anordnen und generell den jeweiligen Anforderungen
des speziellen Anwendungsgebiets anpassen.
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Insgesamt schafft die Erfindung eine billige, robuste, einfachst zu
justierende und servicefreundliche Lichtschranken-Anordnung mit einem den jeweiligen
Erfordernissen anpassbaren Auflösungsvermögen, welches erheblich unter der Baugrösse
der Strahlungsquellen, bzw. der Empfangselemente liegen kann. Der abgegebene Messwert
enspricht dabei unmittelbar der Position des überwachten Körpers, wobei durch Verwendung
entsprechender elektronischer Bauelement, wie Gatter oder Analog-Digitalwandler
auch Anzeige und/oder Weiterverarbeitung der Signale in digitaler Form erfolgen
kann. Ganz besonders vorteilhaft ist der mechanische Aufbau in regelmässiger geometrischer
Form, wie insbesondere Wabenform bei der Halterung der einzelnen Elemente, wobei
jedoch auch hier in Anpassung an die Bedürfnisse des Einzelfalls Abwandlungen möglich
sind.
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Fig. 10 und 11 zeigen im Detail die Anordnung einer mit einer Infrarot-Leuchtdiode
40 bestückten Strahlungsquelle, welche in einer wabenförmigen Halterung 23 befestigt
ist.
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Um einfachste Montage und Justierbarkeit zu gewährleisten, ist die
Leuchtdiode 40 dabei auf einem Befestigungse element >41 aus Kunststoff angeordnet,
welches einfach in die Wabe 23 formschlüssig eingesteckt ist. Die Befestigung der
Leuchtdiode 40 auf dem Befestigungselement 41 wird dabei mittels Schrauben 42 erreicht,
welche eine seitliche Verschiebung und damit seitliche Justierung der Leuchtdiode
40 relativ zu Befestigungselement 41 zulassen. Zur Bündelung der von der Leuchtdiode
40 abgebenen Strahlen ist an der Stirnseite der Halterung 23 eine Linse 43 vorgesehen,
welche auf optimal einfache Weise im Durchmesser derart gewählt ist, dass der Aussendurchmesser
in Aussparungen 44 an der Stirnseite der Wabe 23 eingreift wobei die Aussparungen
44 zuverlässige Planlage der Linse >43 gewährleisten. Die mechanische Halterung
kann dabei formschlüssig durch Deformierung der zwischen den Aussparungen 44 verbleibenden
Stege 45 erreicht werden.
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Ersichtlicherweise lässt sich durch die beschriebene Anordnung einfachste
Fertigung der Strahlungsquellen 33 auch in grösseren Serien erreichen und dadurch
den Herstellungspreis erheblich senken. Auch der Justierungsvorgang wird dabei auf
ein Minimum vereinfacht und trotzdem robuste Anordnung sichergestellt.
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Selbstverständlich lassen sich die Empfangselemente auf gleiche Weise
anordnen und in den Waben 23 befestigen. Je nach Ausführungsform kann dabei jedoch
unter Umständen auf die Verwendung einer Linse verzichtet werden.