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Optischer Schalter
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Die Erfindung betrifft einen optischen Schalter mit Sendelichtquelle,
mit Empfangsdetektor und daran angeschlossener Schaltelektronik.
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Optische Schalter finden als Reflex- und Lichtschrankensysteme vielfältige
Verwendung. Sie überwachen Vorgänge, lösen Ereignisse aus, zählen usw. Hierzu besitzen
sie eine Sendelichtquelle, häufig eine Lumineszenzdiode, die gepulst oder ungepulst
betrieben werden kann. Das direkte oder das reflektierte Licht wird von einem Empfangsdetektor
erfaßt, an den eine Schaltelektronik angeschlossen ist. Diese enthält im allgemeinen
Verstärker, Schwellwertbegrenzer und gegebenenfalls Impulsformer und löst die erforderlichen
Vorgänge je nach dem empfangenen Signal aus.
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Im allgemeinen ist der Detektor eine Halbleiterdiode, die als integriertes
Bauteil zusammen mit dem (Vor) Verstärker im Handel ist. Die nahe geometrische Zuordnung
von Empfangsdiode und Verstärker ist aber in jedem Falle erforderlich, um störende
Einstreuungen gering zu halten. Die Anordnung bekannter optischer
Schalter
erfolgt daher so, daß die Empfangsdiode samt Verstärker direkt an den Ort gebracht
wird, an dem das von der Sendediode herrührende Licht überwacht werden soll. Andererseits
wird die Sendediode samt einer entsprechenden Treiberstufe direkt an den Ort gebracht,
an dem der Überwachungslichtstrahl ins Freie treten soll.
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Diese bekannte Anordnung besitzt jedoch Nachteile, die insbesondere
in der Sanitärtechnik gravierend zu Tage treten. Optische Schalter finden hier beispielsweise
als Reflexsysteme zur berührungslosen Steuerung von Waschbecken, Duschen, Urinalen
oder Ähnlichem Verwendung. Betrachtet man den Einsatz an Waschbecken, so war es
aus Raumgründen bisher nicht möglich, die Sende- und Empfangsteile ohne erhebliche
Änderungen in Waschbecken armaturen einzugliedern. Die Gesamtkonstruktion und das
äuEere Styling der Armaturen hatte sich weitgehend den von den Sende- und Empfangsteilen
vorgegebenen geometrischen Erfordernissen unterzuordnen.
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Außerdem war es erforderlich, elektrische Leitungen in den Naßbereich,
z.B. direkt in die Armatur einzuführen. Elektrische Leitungen in diesem Bereich
bedeuten aber immer ein gewisses Sicherheitsrisiko. Außerdem ist die elektrische
Funktion der Teile im Naßbereich durch Spritz- und Schwitzwasser gefährdet. Zumindest
müssen aufwendige Isolationsmaßnahmen getroffen werden, die ihrerseits wiederum
zusätzlich Platz benötigen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen optischen Schalter
der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem der Lichtaustritt und/oder der Lichteintritt
unter beengten räumlichen Verhältnissen, auch in einer Naßzone, erfolgen kann.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zwischen Sendelichtquelle und
Lichtaustritt und/oder zwischen Lichteintritt und Empfangsdetektor ein optischer
Lichtleiter verläuft.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
erläutert.
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Bei der erfindungsgemäCen Anordnung können alle elektrischen Teile,
Schaltelektronik wie Sendelichtquelle und Empfangsdetektor an einem geeigneten Ort,
gegebenenfalls außerhalb der Naßzone, als Einheit untergebracht werden. Nur die
elektrisch isolierenden flexiblen Licht leiter erstrecken sich zum eigentlichen
Lichteintritt bzw, Lichtaustritt.
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Sie nehmen dabei im Idealfall nicht mehr Platz ein als es ihrem Eigenvolumen
entspricht. Sie können daher beispielsweise in bekannte Waschbeckenarmaturen integriert
werden, ohne daß deren äußere Gestalt und Abmessungen geändert zu werden bräuchten.
Lichteintritt, Lichtaustritt und Strahlengänge können fast beliebig gewählt werden.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit
Bezug auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen Fig. 1 schematisch die Anordnung
von Schaltelektronik und Lichtleitern an einem Waschbecken; Fig. 2 die Befestigung
eines Lichtleiters an der Waschbeckenarmatur von Fig. 1; Fig. 3 eine alternative
Befestigungsart des Lichtleiters an der Waschbeckenarmatur; Fig. 4 eine dritte Befestigungsart
des Lichtleiters an der Waschbeckenarmatur von Fig. 1; Fig. 5 die Befestigung eines
Lichtleiters auf einer als Sendel ichtquelle dienenden Lumineszenzdiode; Fig. 6
eine zusätzliche Sicherung zur Befestigung nach Fig. 5; Fig. 7 eine insbesondere
zum Nachrüsten geeignete Montageeinheit mit Lichteintritt und Lichtaustritt in Draufsicht;
Fig. 8 die Montageeinheit von Fig. 7 schematisch in Vorderansicht; Fig. 9 die Vorderansicht
einer Armatur mit integriertem Lichteintritt und Lichtaustritt; Fig.10 einen Teillängsschnitt
durch die Armatur von Fig. 9 Fig. 11 schematisch die Steuerung einer Dusche mit
dem erfindungsgemäßen optischen Schalter; Fig.12 eine Mischbatterie mit integriertem
Lichteintritt und Lichtaustritt.
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In Fig. 1 ist schematisch die Anordnung der verschiedenen Elemente
des erfindungsgemäßen optischen Schalters an einem Waschbecken 6 dargestellt. Unterhalb
des Waschbeckens 6, vorzugsweise an einer blickgeschützten Stelle, befindet sich
die Schaltelektronik 7, die mit Netzspannung gespeist werden kann und ein den Wasserfluß
regelndes Magnetventil (nicht dargestellt) ansteuert. Mittels Verbindungsnippeln
9 sind auf Sendelichtquelle und Empfangsdetektor, die nahe an der Gehäusewand in
der Schaltelektronik 7 angeordnet sind, optische Lichtleiter 5 aufgesetzt.
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Die Lichtleiter 5 sollten flexibel sein und bestehen aus einem Material,
das die von der Sendelichtquelle eliminierte Lichtwellenlänge nicht absorbiert.
Dabei kann es sich um Glas oder Kunststoff handeln.
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Bei größeren Lichtleiterquerschnitten empfiehlt sich die Verwendung
von Faserbündeln. Die Lichtleiter 5 verlaufen in etwa an den Wasser leitungen entlang
durch das Waschbecken 6 sowie die Waschbeckenarmatur 8 hindurch. Sie treten durch
eine auf die Waschbeckenarmatur 8 aufgesetzte Kappe 10 in noch zu beschreibender
Weise und enden dort an einem Lichtaustritt 2 bzw. einem Lichteintritt 3 Fig. 2
zeigt eine erste Befestigungsart des Lichtleiters 5 in der Kappe 10 . Hier ist der
Lichtleiter 5 einfach in eine entsprechende Paßbohrung in der Kappe 10 eingepreßt
oder eingeklebt. In vielen Fällen wird sich ein gesondertes Fenster erübrigen. Das
Licht wird dann direkt aus der Stimseite des Lichtleiters 5 gestrahlt bzw.
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tritt in diese ein. Besondere Fenster sind u. U. dann erwünscht, wenn
sie gleichzeitig als Lichtfilter dienen sollen. Solche Fenster 11 werden zweckmässig
in entsprechende Aussparungen in der Kappe eingeklebt. Der Raum 12 zwischen Fenster
11 und Lichtleiter 5 kann zur besseren optischen Ankoppelung mit einem Immersionsöl
oder dgl. gefüllt werden.
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In Fig. 3 ist der Lichtleiter 5 lösbar an der Kappe 10 befestigt.
Dies erfolgt durch eine Haarnadelfeder 13, die mit der Kappe 10 verbunden ist und
in Nuten oder Kerben am Lichtleiter 5 eingreift. Da hierbei der Raum 12 nicht strömungsmitteldicht
abgeschlossen ist, kann kein flüssiges Immersionsöl verwendet werden. Diese Befestigungsart
empfiehlt sich vor allem dann, wenn kein Fenster 11 verwendet werden soll.
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Auch die in Fig. 4 dargestellte Befestigung des Lichtleiters 5 an
der Kappe 10 ist lösbar. Hier ist der Lichtleiter 5 in einen Einsatz 14 eingeschraubt,
der an einer Stirnseite ein Fenster 11 trägt. Der Raum 12 im Einsatz 14 ist wieder
mit Immersionsöl gefüllt. Beim Einschrauben des Lichtleiters wird überschüssiges
Immersionsöl durch das Gewindespiel nach außen verdrängt, bis der Raum 12 durch
Festziehen des Lichtleiters abgedichtet wird.
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Fig. 5 zeigt, wie der Lichtleiter an die in der Schaltelektronik befindliche
Sendelichtquelle angekoppelt wird. Beim dargestellten Ausführungsoeispiel besteht
die Sendelichtquelle aus einer Lumineszenzdiode
1, die vorzugsweise
im Infrarotbereich arbeitet. Durch eine tjffnung 15 im Gehäuse 16 der Schaltelektronik
7 ist eine Buchse 17 geführt und dort in geeigneter Weise, beispielsweise durch
die Mutter 18, befestigt. Von beiden Stirnseiten her erstrecken sich Sackbohrungen
19, 20 in die Buchse 17, die über eine Durchgangsbohrung 21 miteinander verbunden
sind. In die untere Sackbohrung 20 ist die Sendediode 1 eingeklebt. Der Lichtleiter
5 ist durch die obere Sackbohrung 19 und die Durchgangsbohrung 21 bis in unmittelbare
Nähe der Sendediode geschoben. Er durchtritt dabei in der oberen Sackbohrung 19
ein elastomeres Teil 22, das durch die Überwur?mutter 23 gequetscht werden kann.
Auf diese Weise wird nicht nur der Lichtleiter 5 in der Buchse 17 befestigt; es
erfolgt gleichzeitig eine Abdichtung des Raumes zwischen Sendediode 1 und Licht
leiter 5, sodaß hier gegebenenfalls zur besseren optischen Ankoppelung ein Immersionsöl
eingefüllt werden kann.
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Wenn der Lichtleiter 5 erst an Ort und Stelle eingesetzt werden soll,
kann die obere Sackbohrung 19 zunächst durch eine Dichtmembran 24 verschlossen werden.
Diese wird dann bei der Endmontage vom Lichtleiter 5 durchstoßen.
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In Fig. 6 ist für eine zusätzliche Zugentlastung des Lichtleiters
5 gesorgt. Hierzu ist ein Bügel 25 vorgesehen, der in eine entsprechende Ringnut
26 am Lichtleiter 5 eingreift.
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Bgi der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung liegen
Lichtaustritt 2 und Lichteintritt 3 unmittelbar nebeneinander bzw.
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übereinander. Die beiden Lichtleiter 5 können daher über ihre gesamte
Länge parallel zueinander verlaufen und dabei von einer ge,neinsamen Schutzhülle
umgeben sein. Dies ist jedoch nicht notwendig; ein besonderer Vorzug der Erfindung
besteht gerade darin, daß sich die beiden Lichtwege in Anpassung an die gegebenen
geometrischen Vertiltnisse beliebig trennen und in größter Variabilität an beliebige
Orte fUhren lassen.
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Ein Beispiel für getrennte Lichtwege ist in den Fig. 7 und 8 dargestellt.
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Hier befinden sich Lichtaustritt und eintritt nicht an der Waschbeckenarmatur,
die daher vollständig unverändert bleiben kann. Diese Ausführungsform der Erfindung
eignet sich somit besonders zum Nach-Kasten bereits bestehender sanitärer Anlagen.
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Wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 befindet sich die Schaltelektronik
7 mit Sendediode 1 und Empfangsdetektor 4 in einem Kasten unterhalb des Waschbeckens
6. Die Lichtleiter 5 verlaufen von dort durch eine Schutzröhre 27 hinter dem Waschbecken
6 vorbei und münden in ein Kästchen 28, das auf den Putz oder Plattenbelag 29 der
Wand aufgeschraubt ist. Innerhalb des Kästchens 28 trennen sich die Lichtleiter
5 und erstrecken sich zu einem Lichteintritt 3 und einem Lichtaustritt 2 Lichteintritt
3 und Lichtaustritt 2 besitzen einen solchen Abstand voneinander, daß die vor dem
Kästchen 28 befindliche Waschbeckenarmatur 8 den Strahlengang nicht stört.
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Wie links in Fig. 7 im Teilschnitt dargestellt ist, reicht das Stirnende
des Lichtleiters 5 nicht bis ganz an das Fenster 11 heran.
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Vielmehr steckt es in einer Querbohrung 30, die senkrecht zu einer
vom Fenster 11 verschlossenen Sackbohrung 31 verläuft und in diese mündet. Diese
geometrische Anordnung bietet sich bei der vorliegenden Ausführungsform an. Aus
Intensitätsgründen eignet sie sich insbesondere für den Lichtaustritt. Gegebenenfalls
kann die Sackbohrung verspiegelt werden. Schließlich ist es auch möglich, einen
planen oder sphärischen Umlenkspiegel in der Sackbohrung 31 zu benutzen.
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Die Fig. 9 und 10 zeigen als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung
eine einfache Auslaufarmatur 32 mit integrierten Lichtleitern 5 . Letztere verlaufen
durch gesonderte, in den Armaturenkörper seitlich eingebrachte Kanäle 33, die sich
in schräg nach unten zeigende, seitliche Flächen 34 in der Vorderseite des Armaturenkörpers
öffnen. Die Richtung des austretenden bzw. in die Empfangsoptik reflektierenden
Lichtstrahles ist dabei derart, daß keine Störung durch das aus dem Auslauf 35 austretende
Wasser auftritt. Die Lichtleiter 5 werden im vorderen Ende der Kanäle 33 durch Einsätze
36 gehalten, die -abgesehen von geometrischen Veränderungen- den Einsätzen 14 aus
Fig. 4 voll entsprechen können. Das heißt, die Lichtleiter 5 können in den Einsatz
36 jeweils eingeschraubt sein, der seinerseits in den Kanal 33 eingepreßt, eingeklebt,
eingelötet oder sonstwie dort befeeti gt ist. Wenn die Einsätze 36 nach außen durch
Fenster 11 abgeschlossen sind, kann der Raum 12 zwischen Fenster 11 und Lichtleiter
5 durch ein geeignetes Koppelungsmedium,
beispielsweise ein Immersionsöl,
gefüllt sein.
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Fig. 11 zeigt die Anwendung des optischen Schalters in einer Duschkabine.
Die waagerecht gestrichelte Linie 37 markiert die obere Grenze des Spritzwasserraumes.
Unterhalb dieser Grenze befinden sich Duschwanne 38, Brause 39 und ein Unterputz-Montagekasten
40 mit Lichtaustritt 2 und Lichteintritt 3 . Der Kasten mit der Schaltelektronik
7 befindet sich oberhalb der Grenze 37 im spritzwassergeschützten Raum. Die Verbindung
zwischen der Schaltelektronik 7 und demMontagekasten 40 erfolgt über Lichtleiter,
die in einem Unterputzrohr 41 verlegt sind. Auf diese Weise befinden sich im Gebiet
der eigentlichen Naßzelle keinerlei elektrische Geräte oder Leitungen, die ein Sicherheitsrisiko
darstellen könnten.
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In Fig. 12 schließlich ist der Einsatz der Erfindung in einer Mischbatterie
42 dargestellt, die nicht nur durch die Schaltelektronik angesteuert, sondern auch
von Hand bedient und eingestellt werden kann.
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Hierzu dienen die schematisch dargestellten Ventile 43, 44 . Der Lichteintritt
3 und der Lichtaustritt 2 befinden sich hier im verbreiterten unteren Teil 45 des
Armaturenkörpers. Hierher verlaufen die Lichtleiter 5 durch besondere Kanäle, die
in dem Gewindeansatz 46 des Armaturenkörpers 45 sowie in den Armaturenkörper 45
selbst eingearbeitet sind. Die Befestigung der Lichtleiter 5 am Lichtaustritt bzw.
Lichteintritt kann in bereits geschilderter Weise erfolgen.
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Die geschilderten Ausführungsbeispiele betrafen optische Schalter,
die nach dem Reflexionsprinzip arbeiten. Hier wird der Schaltvorgang dadurch ausgelöst,
daß ein Gegenstand, beispielsweise die Hand des Benutzers, in den emittierten Lichtstrahl
gelangt und einenTeil dieses Lichtes zur Empfangsoptik reflektiert. Die Erfindung
läßt sich aber selbstverständlich auch bei solchen optischen Schaltern verwenden,
die auf dem Prinzip der Lichtschranke basieren.
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Bei Lichtschranken wird der Schaltvorgang durch Unterbrechung des
Lichtstrahls ausgelöst. Häufig liegen Lichtaustritt und Lichteintritt verhältnismäßig
weit auseinander. Deshalb werden bei Lichtschrankensystemen die Lichtleiter im allgemeinen
nur wenig parallel laufen.
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Häufig wird es auch möglich sein, auf einen der beiden Lichtleiter
zu verzichten. So wird es zuweilen ausreichen, nur das emittierte Licht von der
Schaltelektronik über einen Lichtleiter zum Lichtaustritt zu führen und den Empfangsdetektor
direkt zu beleuchten.
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Alle geschilderten Ausführungsbeispiele stammten aus dem Bereich der
Sanitärtechnik. Hier treten die Vorteile der Erfindung besonders deutlich zutage:
Absolute elektrische Sicherheit paaren sich mit geringstem Raumbedarf an der Stelle
des Lichteintritts bzw. Lichtaustritts und mit höchster Anpassungsfähigkeit eines
vorgegebenen Systems an die jeweiligen äußeren Umstände. In anderen Anwendungsgebieten
werden einzelne Vorteile stärker in den Vordergrund, andere dagegen weiter in den
Hintergrund treten. So kommt es bei der Anwendung optischer Schalter im Maschinen-
und Anlagenbau häufig stärker auf die Zugänglichkeit einer bestimmten Stelle und
den hierfür
erftderlichen Platzbedarf an. Beim Einsatz optischer
Schalter unter Wasser oder gar in elektrisch leitenden Flüssigkeiten ist die elektrische
Sicherheit des Systems von besonderer Bedeutung. In allen diesen Fällen leistet
die vorliegende Erfindung besonders gute Dienste.