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Optoelektronischer Näherungsschalter
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Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Näherungsschalter
mit einem Gehäuse, welches in einer eine aktive Seite bildenden Gehäusewand mindestens
eine Linse aufweist und in welchem im Bereich des Brennpunkts dieser Linse eine
Fotodiode sowie ein Fototransistor angeordnet sind.
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Bei bekannten optoelektronischen Näherungsschaltern sind in der die
aktive Seite des Näherungsschalters bildenden Gehäusewand nebeneinander zwei Linsen
angeordnet, wobei hinter der einen, u.z. in deren optischer Achse, eine Fotodiode,
und hinter der anderen, gleichfalls in deren optischer Achse, ein Fototransistor
angeordnet ist, u.z.
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jeweils im Linsenbrennpunkt bzw. an der engsten Stelle des hinter
der Linse erzeugten Strahlenbündels. Da in den meist genormte Gehäusen dieser optoelektronischen
Näherungsschalter wegen der Elektronik für den optischen Teil nicht viel Platz zur
Verfügung steht, musste man bisher Fototransistoren mit einer verhältnismässig grossen
lichtempfindlichen Fläche einsetzen oder darauf verzichten, das ganze einfallende
Licht für das Ansprechen des Fototransistors wirksam werden zu lassen: Aus Platzmangel
weisen die Linsen der bekannten optoelektronischen Näherungsschalter eine verhältnismässig
kleine Brennweite oder genauer gesagt ein verhältnismässig kleines Offnungsverhältnis
(Brennweite : freier Linsendurchmesser) auf, d.h. es handelt sich um verhältnismässig
dicke Linsen mit infolgedessen relativ grossem öffnungsfehler.
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Dicke Linsen führen zu empfindlichen Reflexions- und Absorptionsverlusten
bei dem in den Näherungsschalter einfallenden Licht, und ein erheblicher öffnungsfehler,
welcher ja mit einer mangelnden Konzentration des einfallenden Lichts im Linsenbrennpunkt
einhergeht, bedingt einen Fototransistor mit einer verhältnismässig grossen lichtempfindlichen
Fläche soll das ganze einfallende Licht für die Steuerung des Fototransistors ausgenutzt
werden. Da der Querabstand von Fotodiode und Fototransistor jedoch in den sogenannten
Ansprechabstand des Näherungsschalters eingeht (als Ansprechabstand wird der grösste
Abstand eines Gegenstands bezeichnet, dessen Anwesenheit durch den Näherungsschalter
noch erkannt werden kann) und dieser Ansprechabstand ausserdem mit dem Grad der
Ausnutzung des in den Näherungsschalter einfallenden Lichts durch den Fototransistor
ansteigt, ist man bestrebt, einerseits Diode und Transistor möglichst nahe nebeneinander
anzuordnen und infolgedessen Fototransistoren mit möglichst kleiner lichtempfindlicher
Fläche zu verwenden, andererseits jedoch soll das einfallende Licht vollständig
auf die lichteepfindliche Fläche des Fototransistors gelangen. Bei einem typischen
bekannten optoelektronischen Näherungsschalter der vorstehend geschilderten Art
betragen der freie Linsendurchmesser 25 mm, die Brennweite 26 mm, infolgedessen
das öffnungsverhältnis ungefähr 1 und der maximale öffnungsfehler ca.12 mm; wird
die lichtempfindliche Fläche des Fototransistors an der engsten Stelle des Strahlenbündels
hinter der Linse in der Linsenachse angeordnet, so muss diese lichtempfindliche
Fläche einen Durchmesser von ca. 7 mm haben, um das gesamte, in den Näherungsschalter
einfallende Licht empfangen zu können.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, die bekannten Näherungsschaiter
dahingehend zu verbessern, dass bei vorgegebener Gehäusegrösse und Linsenöffnung
Fototransistoren
mit kleinerer lichtempfindlicher Fläche verwendet
werden können, ohne dass der Grad der Ausleuchtung des Fototransistors, d.h. der
Grad der Nutzung des in den Näherungsschalter einfallenden Lichts für die Steuerung
des Fototransistors, vermindert wird, so dass sich im Vergleich zu bekannten Näherungsschaltern
gleicher Abmessungen der Abstand zwischen Fotodiode und Fototransistor verringern
und infolgedessen der Ansprechabstand des Näherungsschalters vergrössern lässt.
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Ausgehend von einem Näherungsschalter der eingangs erwähnten Art lässt
sich diese Aufgabe erfindungsgemäss dadurch lösen, dass eine Linse verwendet wird,
deren öffnungsverhältnis (Brennweite : freier Linsendurchmesser) wesentlich grösser
als 1 ist, dass Fotodiode und Fototransistor seitlich der optischen Achse der Linse
angeordnet werden und dass hinter der Linse im Strahlengang mindestens ein Lichtumlenkelement
vorgesehen ist, um den Strahlengang des optischen Systems "zu falten", so dass sich
Linsen grösserer Brennweite und damit geringerer Dicke und geringeren öffnungsfehlers
verwenden lassen, ohne dass der in Richtung der Linsenachse hinter der Linse innerhalb
des Schaltergehäuses zur Verfügung stehende Raum vergrössert werden muss, sondern
vielmehr der neben der Linsenachse in den herkömmlichen Gehäusen zur Verfügung stehende,
bisher ungenutzte Raum für den Strahlengang des optischen Systems genutzt werden
kann. Selbstverständlich lässt sich die Erfindung mit einer einmaligen oder mehrfachen
Strahlumlenkung verwirklichen, auch kann für Fotodiode und Fototransistor nur eine
einzige Linse verwendet werden, jedoch wird man zweckmässigerweise vor jedem dieser
optoelektronischen Bauelemente eine Linse anordnen. Vorteile der
Erfindung
sind also infolge der Verwendung dünnerer Linsen geringere Reflexions- und Absorptionsverluste
des in den Näherungsschalter einfallenden Lichts, die Möglichkeit, kleinere optoelektronische
Bauelemente zu verwenden und damit diese näher beieinander anzuordnen sowie geringeres
Gewicht und geringere Empfindlichkeit gegenüber Fertigungstoleranzen.
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Hinsichtlich der angestrebten, möglichst voll ständigen Ausleuchtung
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Nutzung der optoelektronischen Bauelemente lassen sich gute Ergebnisse
mit Linsen erzielen, deren öffnungsverhältnis mindestens ca. 2 beträgt; als besonders
günstig hat sich ein öffnungsverhältnis von ca. 2,5 bis 3 erwiesen. Bei einem typischen
erf indunasgemä s sen Näherung s schalter mit einem freien Linsendurchmesser von
25 mm wird eine Linse mit einer Brennweite von 80 mm und einem öffnungsverhältnis
von ca.
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3 (bzw. 3:1) verwendet; bei einer Linsendicke von 4 mm, einem Brechungsindex
des Linsenmaterials von 1,5 und einem maximalen öffnungsfehler von ca. 2 bis 2,5
mm ergibt sich, dass die an der Stelle des engsten Strahlenbündelquerschnitts angeordneten
optoelektronischen Bauelemente lediglich eine lichtemittierende bzw. lichtempfindliche
Fläche von ungefähr 0,15 mm Durchmesser haben müssen, um zumindest nahezu vollständig
genutzt zu werden. Im Vergleich zu dem vorstehend geschilderten bekannten Näherungsschalter
können also ca. 50 mal kleinere optoelektronische Bauelemente wie beim Stand der
Technik verwendet werden.
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Verzichtet man auf den Vorteil, dass der bei den herkömmlichen Näherungsschaltergehäusen
neben der Linsenachse gelegene, bisher ungenutzte Gehäuseraum für die Unterbringung
der optoelektronischen Bauelemente sowie ggf. einer den
dem Fototransistor
nachgeschalteten Vorverstärker tragenden Platine herangezogen wird, so liegt es
natürlich auch im Rahmen der Erfindung, die optoelektronischen Bauelemente hinter
der Linse bzw. den Linsen in deren optischer Achse anzuordnen, wenn der Strahlengang
mit mehreren Lichtumlenkelementen mehrfach so umgelenkt wird, dass sie dennoch an
der Stelle des engsten Querschnitts des betreffenden Strahlenbündels angeordnet
werden können. Bevorzugt wird jedoch eine Ausführungsform, bei der Fotodiode und
Fototransistor neben einer zweiten Gehäusewand angeordnet sind, welche der aktiven
Gehäuseseite benachbart ist.
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Wie sich aus dem Vorstehenden ergibt, ist es ferner vorteilhaft, den
bei den bekannten Näherungsschaltern bisher ungenutzten Raum auch zur Unterbringung
einer einen Vorverstärker tragenden Platine auszunutzen, so dass bei einer bevorzugten
Ausführungsform des erfindungsgemässen Näherungsschalters zwischen der optischen
Achse der Linse für den Fototransistor und der zweiten Gehäusewand eine einen Vorverstärker
tragende Platine angeordnet ist.
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Desweiteren kann es vorteilhaft sein, die Linse bzw. die Linsen und
das Lichtumlenkelement bzw. die Lichtumlenkelemente aus einem Block aus Glas oder
einem geeigneten transparenten Kunststoff zu bilden, welcher Block an einer reflektierenden
Fläche insbesondere verspiegelt ist.
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Dadurch ergibt sich der Vorteil einer einfacheren Fertigung und der
Verringerung der Justierprobleme, insbesondere dann, wenn dieser Block Aufnahmen
bzw. Halterungen für die optoelektronischen Bauelemente aufweist.
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Z.B. aus der DE-AS 29 09 048 ist ein Näherungsschalter mit einem umsetzbaren,
die aktive Seite des Näherungsschalters bildenden Gehäuseteil, auch Tastkopf genannt,
bekannt,
welcher ungefähr die Gestalt eines Würfels aufweist, dessen
einer Kantenbereich mit zwei Ecken abgeschnitten ist. Wegen der Abschrägung des
Tastkopfs war es bisher nicht möglich, diesen vorteilhaften und vielfältig einsetzbaren
Näherungsschalter als optoelektronischen Näherungsschalter aus zu bilden, weil infolge
der Abschrägung kein Platz für die Unterbringung der optoelektronischen Bauelemente
hinter der Linse bzw. den Linsen zur Verfügung steht. Die Erfindung ermöglicht es
jedoch, auch einen solchen Näherungsschalter mit einem umsetzbaren, ungefähr würfelförmigen
Tastkopf mit abgeschnittenem Kantenbereich als optoelektronischen Näherungsschalter
auszubilden, indem derjenige Kantenbereich des Würfels abgeschnitten wird, welcher
der aktiven Gehäuseseite gegenüberliegt und der dieser Gehäuseseite benachbarten
zweiten Gehäusewand benachbart ist, und indem ferner das von Linse bzw. Linsen und
Umlenkelement gebildete optische System so gestaltet wird, dass seine Achse hinter
dem Umlenkelement schräg zur zweiten Gehäusewand verläuft Weitere Merkmale, Vorteile
und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Ansprüchen und/oder
aus der nachfolgenden Beschreibung sowie der beigefügten zeichnerischen Darstellung
einiger bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemässen Näherungsschalters;
in der Zeichnung zeigen: Fig. 1: Eine schaubildliche Darstellung einer ersten Ausführungsform
mit umsetzbarem, abgenommenem Tastkopf; Fig. 2: einen Schnitt durch den Tastkopf
der Ausführungsform nach Fig. 1 sowie durch den angrenzenden Bereich eines zweiten
Gehäuseteils;
Fig. 3: einen Schnitt nach der Linie 3-3 in Fig.
2; Fig. 4: einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform eines Tastkopfs eines
erfindungsgemässen Näherungsschalters, und Fig. 5: einen Schnitt nach der Linie
5-5 in Fig. 4.
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Der in den Figuren 1 bis 3 dargestellte optoelektronische Näherungsschalter
besitzt ein Trägerteil 10, welches eine nicht dargestellte und nicht zu beschreibende,
da bekannte elektrische Schaltung aufnimmt, ein Befestigungsteil 12 und einen Tastkopf
14. Das Gehäuse des Trägerteils 10 weist an seiner Frontseite eine abgestufte Bohrung
16 auf, welche eine Schulter 16a bildet. Das Befestigungsteil 12 hat ungefähr Giebeldachform
und ist mit einem abgestuften, zapfenförmigen Ansatz 18 versehen, welcher passend
in die Bohrung 16 des Trägerteils 10 eingesetzt und in dieser kontinuierlich über
3600 gedreht werden kann; die durch die Abstufung des Ansatzes 18 gebildete Schulter
wurde mit 18a bezeichnet. An seinem dem Innern des Trägerteils 10 zugewandten Ende
besitzt der Ansatz 18 ein Aussengewinde, auf welches eine Spannmutter 20 aufgeschraubt
ist. Auf diese Weise lässt sich nicht nur das Befestigungsteil 12 gegenüber dem
Trägerteil 10 festlegen, sondern es kann auch noch ein elastomerer Dichtring 22
zwischen den Schultern 16a und 18a zusammengepresst werden, um an dieser Stelle
den Innenraum des Trägerteils 10 abdichten zu können.
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Der Ansatz 18 weist schliesslich einen zentralen Kabelkanal 24 auf,
und um eine Leckstelle an der Kabeldurchführung zu vermeiden, ist dieser Kabelkanal
abgestuft, so dass er eine Schulter bildet, und ausserdem ist am
trägerteilseitigen
Ende des Kabelkanals ein Inngengewinde vorgesehen, so dass sich ein elastomerer
Dichtring 26 mittels einer in dieses Innengewinde eingeschraubten Druckringschraube
28 so verformen lässt, dass er in radialer Richtung gegen das nicht gezeigte Kabel
abdichtend angepresst wird.
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Der in der Seitenansicht dreieckige Bereich des Befestigungsteils
12 besitzt eine öffnung 30 für eine Befestigungsschraube 32, welche sich senkrecht
zu einer in Fig. 1 mit 34 bezeichneten Ansetzfläche des Befestigungsteils und unter
450 zu der Achse des Ansatzes 18 bzw. der Bohrung 16 erstreckt. Ferner sind an das
Befestigungsteil 12 Sicherungsstifte 36 angeformt.
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Der Tastkopf 14 besässe Würfelform, wäre nicht ein Kantenbereich mit
einem giebeldachförmigen Teilstück abgenommen worden. Dadurch ergab sich am Gehäuse
40 des Tastkopfs 14 eine Ansetzfläche 42, deren Lage und Form derjenigen der Ansetzfläche
34 des Befestigungsteils 12 entspricht. Beide Ansetzflächen definieren ein Quadrat.
An das Gehäuse 40 ist eine Gewindebuchse 44 für die Befestigungsschraube 32 angeformt
und ausserdem besitzt es Löcher 46 für den Eingriff der Sicherungsstifte 36. Schliesslich
weist das Gehäuse 40 im Bereich der denLBefestigungsteil 12 zugekehrten Wand eine
Kabeldurchführungsöffnung 48 auf, durch welche ein Kabel aus dem Innern des Tastkopfs
14 herausgeführt werden kann; dieses Kabel verläuft dann durch das Befestigungsteil
12 und den Kabelkanal 24 in das Innere des Trägerteils 10.
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Durch Lösen und Wiederanziehen der Befestigungsschraube 32 sowie durch
Drehen des Befestigungsteils 12 lässt sich der Tastkopf 14 in fünf verschiedenen
Stellungen am Trägerteil 10 befestigen, u.z. durch Drehen des Befestigungsteils
12 um die Achse des Kabelkanals 24 sowie durch Drehen des Tastkopfs 14 um die Achse
der Befestigungsschraube 32.
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Insoweit ist die Konstruktion des Näherungsschalters bereits aus der
DE-AS 29 09 048 bekannt.
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Der Tastkopf 14 hat eine aktive Seite 52 mit einer vorderen Gehäusewand
54, welche eine Öffnung 56 aufweist, in die zwei Linsen 58 und 60 eingesetzt sind.
Diese als Sammellinsen ausgebildeten optischen Elemente sind Bestandteil eines in
den Tastkopf 14 eingesetzten, optisch transparenten Acrylharzblockes 62, dessen
Gestalt sich der Fig. 2 entnehmen lässt und dessen den Linsen 58, 60 gegenüberliegende,
schräg zu den Linsenachsen 64, 66 verlaufende Begrenzungsfläche verspiegelt ist
und infolgedessen eine Spiegelfläche 70 bildet. Diese ist gegenüber den Linsenachsen
64, 66 so geneigt, dass sie die Linsenachsen auf die Zentren zweier Aufnahmeöffnungen
74 und 76 für eine Fotodiode und einen Fototransistor abbildet. Von diesen optoelektronischen
Bauelementen ist lediglich der in der Aufnahmeöffnung 76 angeordnete Fototransistor
80 dargestellt, während die nicht gezeigte Fotodiode in die Aufnahmeöffnung 74 einzusetzen
ist. Die Linsenachsen 64, 66 sind also Teil der mit 84 und 86 bezeichneten optischen
Achsen der beiden optischen Systeme, die vom Acrylharzblock 62, d.h. von den Linsen
58, 60 und der Spiegelfläche 70 gebildet werden.
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Eine untere Begrenzungsfläche 88 des Blocks 62 verläuft erfindungsgemäss
so schräg zu einer unteren Seitenwand 91 des Gehäuses 40, dass sich keine Platzprobleme
mit der die Ansetzfläche 42 bildenden Wand des Gehäuses 40 ergeben und sich auf
der Begrenzungsfläche 88 noch eine Platine 90 unterbringen lässt, auf der ein dem
Fototransistor 80 nachgeschalteter Vorverstärker untergebracht ist. Zu erwähnen
ist noch, dass die inneren Stirnwände der Aufnahmeöffnungen 74, 76 poliert sind,
so dass sich keine Streuverluste für das von der Fotodiode ausgesandte Licht bzw.
das auf den Fototransistor 80 auftreffende Licht ergeben können.
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Die nicht dargestellte Fotodiode wird von einer im Trägerteil 10 untergebrachten
Schaltung so angesteuert, dass sie wie üblich frequenzmoduliertes, im Infrarotbereich
des Spektrums liegendes Licht aussendet, so dass der erfindungsgemässe Näherungsschalter
Fremdlicht-unempfindlich ist.
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Befindet sich innerhalb des Ansprechabstands des Näherungsschalters
ein Gegenstand, der das von der Fotodiode über die Spiegelfläche 70 und die Linse
58 ausgesandte Licht in die Linse 60 reflektiert, so fällt dieses nach Reflexion
durch die Spiegelfläche 70 auf den Fototransistor 80 und löst einen Schaltvorgang
des Näherungsschalters aus, wie dies bei optoelektronischen Näherungsschaltern bekannt
ist, so dass die Schaltung nicht erläutert zu werden braucht.
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Bei der in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemässen
Näherungsschalters wird der Strahlengang nur einmal umgelenkt, nämlich durch die
Spiegelfläche 70. Bei der Ausführungsform nach den Fig. 4 und 5 erfolgt eine zweimalige
Umlenkung des Strahlengangs: Zu diesem
Zweck nimmt ein Gehäuse
40' eines Tastkopfs 14', welches zwei Linsen 58' und 60' hält, für jede dieser Linsen
zwei Spiegel 70a' und 70b' auf, und die optischen Achsen der beiden optischen Systeme
wurden mit 84' und 86' bezeichnet.
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Der Befestigung der Spiegel 70a' und 70b' dienen an das Gehäuse 40'
angeformte Halter 100' und 102'. An einem weiteren, an das Gehäuse 40' angeformten
Halter 104' ist eine Platine 90' befestigt, welche eine Fotodiode 78' und einen
Fototransistor 80' trägt und auf der ein nicht dargestellter Vorverstärker für den
Fototransistor 80' untergebracht ist.
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An die Stelle einer Spiegelfläche könnte als Lichtumlenkelement auch
ein Prisma oder eine Linse treten.
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Bei der Ausführungsform nach den Fig. 4 und 5 soll der freie Durchmesser
der beiden identischen Linsen 58' und 60' 25 mm betragen, die Dicke der beiden Linsen
4 mm, ihre Brennweite 80 mm und der Brechungsindex des die Linsen bildenden Materials
1,5, woraus sich ein öffnungsverhältnis von 3,2 : 1 und ein maximaler Öffnungsfehler
von 2,3 mm errechnen lässt. Ordnet man die lichtemittierende Fläche bzw. die lichtempfindliche
Fläche der optoelektronischen Bauelemente 78' und 80' an der Stelle des engsten
Querschnitts der Strahlenbündel an, so muss diese Fläche lediglich einen Durchmesser
von ca. 0,15 mm haben.
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Es wäre auch denkbar, den Strahlengang mehrfach so umzulenken, dass
schliesslich Fotodiode und -transistor wieder ungefähr in der optischen Achse der
Linse bzw. der Linsen angeordnet werden können. Eine solche Ausführungsform wäre
gleichfalls als erfindungsgemässe Lösung anzusehen.
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