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Die
Erfindung betrifft eine Positions- und Wegerfassungsvorrichtung.
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Es
sind optische Wegaufnehmer bekannt, welche eine Winkeländerung
oder eine lineare Wegänderung
erfassen können.
Hierzu zählen
Wegaufnahmevorrichtungen, bei denen eine oder mehrere Fotozellen über einen
kodierten Maßstab
verfahren werden und diesen Maßstab
abtasten. Dies macht eine aufwändige
Signalverarbeitung nötig.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Wegaufnahmevorrichtungen ist
in deren verhältnismäßig kostenintensiven
Herstellung zu sehen.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe
zugrunde, eine kostengünstige
Positions- und Wegerfassungsvorrichtung zu schaffen, welche bei
einer robusten und kompakten Ausbildung die Erfassung von Winkeln
und linearen Wegen mit hinreichender Genauigkeit ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Positions- und Wegerfassungsvorrichtung
gemäß Anspruch
1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen,
der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen.
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Die
Erfindung umfasst eine Lichtquelle und einen von der Lichtquelle
angestrahlten lichtempfindlichen Sensor, welcher zum Erfassen einer
Eigenschaft des von der Lichtquelle ausgesandten Lichts ausgebildet
ist. Der Sensor wird nicht direkt von der Lichtquelle angestrahlt,
stattdessen ist in dem Strahlengang zwischen der Lichtquelle und
dem Sensor ein Bauteil, bei dem es sich um ein optisches Übertragungsbauteil
handelt, angeordnet, welches das von der Lichtquelle ausgesandte
Licht zu dem Sensor überträgt. Dieses
Bauteil kann zumindest teilweise lichtdurchlässig ausgebildet sein, so dass
es die Richtung des von der Lichtquelle ausgehenden Strahlenganges
im Wesentlichen nicht beeinflusst, oder es kann derart ausgebildet
sein, dass es den Strahlengang zu dem Sensor hin ablenkt, insbesondere
reflektiert. Erfindungsgemäß ist das
Bauteil relativ zu der Lichtquelle und/oder dem Sensor bewegbar und
variiert in Abhängigkeit
von seiner Relativbewegung die Eigenschaft des Lichts, welche von
dem Sensor erfasst wird. Dabei ist die erfasste Eigenschaftsänderung
abhängig
von der erfolgten Bewegung des Bauteils, so dass eine Wegänderung
oder Position über
die erfasste Eigenschaft des Lichts bestimmbar ist. Die Änderung
der Lichteigenschaft kann dabei durch die Ausgestaltung des Bauteils
in Verbindung mit der Relativbewegung sowie durch die Relativbewegung
des Bauteils an sich hervorgerufen werden.
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Vorteilhafterweise
ist das Bauteil mit dem Körper
bewegungsgekoppelt, dessen Wegänderung erfasst
werden soll, so dass eine Bewegung des Körpers dementsprechend zu einer
Bewegung des Bauteils führt.
Indem das Bauteil aufgrund seiner Relativbewegung zu der Lichtquelle
und/oder dem Sensor eine Eigenschaft des von der Lichtquelle ausgesandten
Lichts ändert,
werden von dem Sensor unterschiedliche Werfe für die zu erfassende Lichteigenschaft
ermittelt. Diese Werte werden von dem Sensor in elektrische Spannungssignale
umgewandelt, die eindeutig unterschiedlichen Wegpositionen zugeordnet
werden können.
Mittels einer geeigneten elektronischen Steuerung können die
Spannungssignale in Positions- und Wegangaben umgewandelt werden. Das
Bauteil kann relativ zu der Lichtquelle und dem Sensor sowohl drehbar
als auch linear bewegbar angeordnet sein. Auf diese Weise können bei
der erfindungsgemäßen Positions-
und Wegerfassungsvorrichtung aufgrund der mit einer Drehung oder
Linearbewegung des Bauteils einhergehenden Eigenschaftsänderung
des Lichts Winkeländerungen
oder lineare Wegänderungen
erfasst werden.
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Bevorzugt
wird die Intensität
des von dem Sensor erfassten Lichts in Abhängigkeit von der Relativbewegung
zu der Lichtquelle und/oder dem Sensor variiert. Dementsprechend
ist der Sensor zum Erfassen der Lichtintensität ausgebildet. Das Bauteil
in dem Strahlengang zwischen der Lichtquelle und dem Sensor ist
zweckmäßigerweise
derart ausgebildet und/oder relativ zu der Lichtquelle und/oder
dem Sensor bewegbar, dass sich von der Lichtquelle ausgesandtes
Licht gleichbleibender Intensität
in Abhängigkeit
von der Relativbewegung ändert,
so dass während
der Relativbewegung von dem Sensor unterschiedliche Lichtintensitäten erfasst
werden, welche dann einer Positions- und Wegänderung zugeordnet werden können.
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Vorteilhaft
weist das Bauteil in Richtung seiner Bewegungsrichtung, d.h. über seine
Erstreckung in Bewegungsrichtung, unterschiedliche Übertragungseigenschaften
auf. Die Ausbildung des Bauteils ist also derart, dass das Bauteil
in Abhängigkeit der
Relativbewegung das Licht der Lichtquelle so zu dem Sensor überträgt, dass
sich eine von dem Sensor erfasste Lichteigenschaft, vorzugsweise
die Lichtintensität
mit der Relativbewegung des Bauteils ändert.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
ist hierzu das Bauteil zur Filterung des von der Lichtquelle ausgesandten
Lichts ausgebildet. Z. B. kann das Bauteil als ein im Strahlengang
zwischen der Lichtquelle und dem Sensor bewegbar angeordneter Filter
ausgebildet sein, welcher von dem Licht der Lichtquelle durchstrahlt
wird. Dementsprechend ist zumindest der den Filter bildende Teil
des Bauteils aus einem lichtdurchlässigen Material. Des Weiteren ist
der Filter derart ausgebildet, dass seine Filtereigenschaften kontinuierlich
oder auch stufenförmig
in der Bewegungsrichtung des Bauteils, d.h. in Richtung der Relativbewegung
bezüglich der
Lichtquelle und/oder dem Sensor variieren. Die Lichtquelle und der
Sensor sind bei dieser Ausbildung des Bauteils vorzugsweise in Durchstrahlrichtung
auf entgegengesetzen Seiten des Filters feststehend angeordnet. Der
Filter kann beispielsweise als ein Neutralfilter, welcher die Intensität des Lichtes
der Lichtquelle verändert,
oder als ein Spektralfilter, welcher bestimmte Farbbereiche des
Lichts ausfiltert, ausgebildet sein. Als Sensoren werden entsprechend
Sensoren zum Erfassen der Lichtintensität oder Farbsensoren zum Erfassen
einer Intensitätsänderung
eines Spektralbereichs oder einer Änderung des Spektrums eingesetzt.
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In
einer anderen vorteilhaften Ausführungsform
ist das Bauteil zur Reflektion des von der Lichtquelle ausgesandten
Lichts ausgebildet. Hierbei weist das Bauteil zweckmäßigerweise
eine Reflektionsfläche
auf, welche relativ zu der Lichtquelle und/oder dem Sensor derart
bewegbar ist, dass die Intensität
des von dem Sensor erfassten Lichts in Abhängigkeit von der Relativbewegung
variiert. Die Anordnung der Lichtquelle, der Reflektionsfläche und des
Sensors sind hierbei so, dass sich die Reflektionsfläche im Strahlengang
der Lichtquelle befindet und der Sensor an einer Position angeordnet
ist, an der er das von der Reflektionsfläche zurückgeworfene Licht erfassen
kann. Indem die Intensität
des von dem Sensor erfassten Lichts in Abhängigkeit von der Relativbewegung
variiert, liefert die von dem Sensor erfasste Lichtintensität einen
Wert, der eindeutig einer Bewegungsposition zugeordnet werden kann.
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Die
Reflektionsfläche
weist günstigerweise in
Bewegungsrichtung, d.h. über
die Erstreckung der Reflektionsfläche in Bewegungsrichtung, variierende Reflektionseigenschaften
auf. Beispielsweise kann der Reflektionsgrad der Reflektionsfläche in Bewegungsrichtung
variieren, so dass sich bei Bewegung der Reflektionsfläche die
Lichtintensität
des zu dem Sensor reflektierten Lichts bei gleichbleibender Anstrahlung
durch die Lichtquelle ändert.
Hierzu kann die Reflektionsfläche
z. B. eine Oberflä che
aufweisen, bei der sich kontinuierlich oder stufenweise in Bewegungsrichtung
des Bauteils das Absorbtionsvermögen
und/oder das Streuverhalten ändern.
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Besonders
bevorzugt sind bei der erfindungsgemäßen Positions- und Wegerfassungsvorrichtung
der Abstand zwischen der Reflektionsfläche und der Lichtquelle und/oder
der Abstand zwischen der Reflektionsfläche und dem Sensor veränderbar. Die
sich damit verändernde
Länge des
Strahlengangs von der Lichtquelle zu dem Sensor bewirkt dann eine Änderung
der Lichtintensität
an dem Sensor. Z. B. kann das Bauteil bzw. die Reflektionsfläche so mit
dem Körper,
dessen Position oder dessen Bewegungsweg erfasst werden soll, bewegungsgekoppelt
sein, dass die Reflektionsfläche
je nach Bewegungsrichtung des Körpers
auf die Lichtquelle und/oder den Sensor zu oder von der Lichtquelle und/oder
von dem Sensor weg bewegt wird.
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Vorzugsweise
ist die Reflektionsfläche
an dem Bauteil so gegenüber
der Lichtquelle und/oder dem Sensor ausgerichtet, dass sich bei
einer Relativbewegung des Bauteils gegenüber der Lichtquelle und/oder
dem Sensor der Abstand der Reflektionsfläche zu der Lichtquelle und/oder
dem Sensor verändert.
Dabei kann die Reflektionsfläche
schräg
zur Richtung der Relativbewegung zwischen Bauteil sowie Lichtquelle
und/oder Sensor ausgerichtet sein, so dass über die Erstreckung der Reflektionsfläche in Bewegungsrichtung
der Abstand der Reflektionsfläche
zu dem Sensor und/oder der Lichtquelle unterschiedlich ist. Die
Reflektionsfläche
kann in jedem von 0° und
180° abweichenden
Winkel zur Relativbewegung bzw. zu der Bewegungsebene ausgerichtet sein,
so dass der Strahlengang so reflektiert wird, dass das von der Lichtquelle
abgestrahlte Licht in jeder Position der Reflektionsfläche in ihrer
Bewegungsrichtung den Sensor erreicht. Besonders bevorzugt sind
die Lichtquelle sowie der Sensor in einer zur Bewegungsebene parallel
ausgerichteten und beabstandeten Ebene angeordnet, wobei die Reflekti onsfläche schräg zu dieser
Ebene sowie der Bewegungsebene angeordnet ist.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor,
dass sich die Reflektionsfläche
entlang einer Schraubenlinie wendelförmig in Richtung der Lichtquelle
und/oder des Sensors erstreckt. Die Reflektionsfläche ist
in diesem Fall als eine Wendelfläche
ausgebildet, welche sich insbesondere über einen Winkelabschnitt von
0° bis 360° erstrecken
kann. Über
den Verlauf in Umfangsrichtung, d.h. mit zunehmendem Winkel, ändert sich der
Abstand der Reflektionsfläche
zu der Lichtquelle und/oder dem Sensor, d.h. der Abstand nimmt zu oder
ab. Die Reflektionsfläche
ist vorzugsweise um eine Mittelachse der von ihr gebildeten Schraubenlinie
drehbar. Der Lichtstrahl der Lichtquelle ist an einer festen Winkelposition
auf die Reflektionsfläche gerichtet.
Durch Drehung der Reflektionsfläche
verändert
sich auf diese Weise der Abstand der Reflektionsfläche zu der
Lichtquelle und/oder dem Sensor. Aufgrund der Drehwinkelabhängigkeit
ist diese Ausbildung insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Positions-
und Wegerfassungsvorrichtung zur Erfassung von Winkeln und Winkeländerungen
vorgesehen ist. So kann die Reflektionsfläche mit einem drehbaren Körper bewegungsgekoppelt
sein, dessen Drehbewegung dadurch erfasst wird, das sich infolge der
Drehbewegung der Reflektionsfläche
deren Abstand zur Lichtquelle und/oder dem Sensor und damit die
von dem Sensor erfasste Lichtintensität ändert und analog von dem Sensor
eine Änderung
der Lichtintensität
erfasst wird. Weiter vorteilhaft kann die Reflektionsfläche freistehend
ausgebildet sein und beispielsweise von der wendelförmig ausgebildeten Stirnfläche eines
Hohlzylinders gebildet werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausbildung ist die Reflektionsfläche umfangsseitig
eines, vorzugsweise zylindrischen Körpers ausgebildet. Bei dieser Anordnung
sind die Lichtquelle und der Sensor zweckmäßigerweise radial zu der Reflektionsfläche angeordnet,
so dass der Strahlen gang des Lichtes vorzugsweise im Wesentlichen
radial verläuft.
Zumindest ein Abschnitt der der Lichtquelle und dem Sensor zugewandten
Mantelfläche
des Körpers
ist z.B. derart ausgebildet, dass in diesem Abschnitt der Querschnitt
des Körpers
von der Kreisform abweicht und eine Reflektionsfläche bildet,
die sich spiralförmig
umfangsseitig des Körpers
erstreckt, so dass sich in Abhängigkeit
von dem Umfangswinkel der Abstand der Reflektionsfläche von
der Mittelachse bzw. Drehachse des Körpers und damit auch der Abstand von
der Lichtquelle und/oder dem Sensor vorzugsweise kontinuierlich ändert, welche
ortsfest zu der Drehachse angeordnet sind. Alternativ kann die Umfangsfläche des
Körpers,
welche die Reflektionsfläche
bildet, in anderer Weise exzentrisch zu der Drehachse ausgebildet
sein, während
Lichtquelle und/oder Sensor einen konstanten Abstand zu der Drehachse
haben.
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Zum
Erzeugen und Erfassen eines Referenzsignals zum Normieren der Positions-
und Wegerfassung sind vorteilhaft eine zweite Lichtquelle und ein
zweiter Sensor vorgesehen. Auf diese Weise können Einflüsse auf das Messergebnis wie
z.B. Temperaturänderungen
oder die Alterung der ersten verwendeten Lichtquelle und des ersten
Sensors, die zur Messung verwendet werden, im Wesentlichen ausgeschlossen
werden und dementsprechend die Messgenauigkeit bei der erfindungsgemäßen Positions-
und Wegerfassungsvorrichtung verbessert werden. Zweckmäßigerweise
sind die zweite Lichtquelle und der zweite Sensor bezüglich Typ
und Alter zu der zur Messung verwendeten ersten Lichtquelle und dem
erste Sensor und über
den gesamten Messweg in geometrisch immer gleicher Anordnung zu
dem Bauteil angeordnet. Zur Erfassung von Positionen und Wegen kann
bei dieser Anordnung dann von einer Steuerung die Differenz der
an dem zweiten und an dem ersten Sensor anliegenden Spannung herangezogen
werden, d.h., die durch eine Wegänderung bedingte
Intensitätsänderung
wird auf ein Referenzsignal, welches von der zweiten Lichtquelle
und dem zweiten Sensor zur Verfügung
gestellt wird, normiert. Weiter zweckmäßig ist in dem Strahlengang
zwischen der zweiten Lichtquelle und dem zweiten Sensor eine zweite
Reflektionsfläche
angeordnet, deren Abstand zu der Lichtquelle und dem Sensor während der
Messung konstant ist.
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Nachfolgend
ist die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
Prinzipskizze einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Positions-
und Wegerfassungsvorrichtung mit linear bewegbarer Reflektionsfläche,
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2 ein
Bauteil mit einer spiralförmig
ausgerichteten Reflektionsfläche
umfangsseitig eines zylindrischen Körpers und
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3 ein
Bauteil mit einer freistehenden schraubenlinienförmig ausgerichteten Reflektionsfläche.
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1 zeigt
eine Positions- und Wegerfassungsvorrichtung mit einem Gehäuse 2,
in welchem ein Bauteil 4 in einer Bewegungsrichtung A linear
bewegbar ist. An einer dem Bauteil 4 in dem Gehäuse 2 gegenüberliegenden
Fläche 6 sind
eine Lichtquelle 8 sowie ein lichtempfindlicher Sensor 10 zur
Erfassung einer Lichtintensität
beabstandet voneinander angeordnet. Parallel zu der Fläche 6 ist
an dem Bauteil 6 in dem Gehäuse 2 der Lichtquelle 8 und
dem Sensor 10 zugewandt eine Reflektionsfläche 12 vorgesehen.
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Von
der Lichtquelle 8 wird ein Lichtstrahl B' auf die Reflektionsfläche 12 gerichtet,
welcher an der Reflektionsfläche 12 als
ein Reflektionstrahl B'' wieder in Richtung
der Fläche 6 reflektiert
wird. Der Sensor 10 ist an der Fläche 6 so angeordnet,
dass er den Reflektionsstrahl B'' erfasst.
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Das
Bauteil 4 mit der daran angeordneten Reflektionsfläche 12 ist
mit einem in 1 nicht dargestellten Körper bzw.
Bauteil bewegungsverbunden, dessen Position oder Wegänderung
mit Hilfe der Positions- und Wegerfassungsvorrichtung erfasst werden
soll. Wird dieser Körper
bzw. dieses Bauteil in Bewegungsrichtung A bewegt, werden das Bauteil 4 und
die Reflektionsfläche 12 ebenfalls
bewegt. Hierbei verändert
sich der Abstand der Reflektionsfläche 12 von der Fläche 6 und
entsprechend der Abstand zwischen der Reflektionsfläche 12 zu
der Lichtquelle 8 und dem Sensor 10. Je nach dem,
ob das Bauteil 4 und die Reflektionsfläche 12 in Richtung
der Fläche 6 zu
oder von dieser weg bewegt wird, verkürzt oder verlängert sich
der aus dem Lichtstrahl B' und
dem Reflektionsstrahl B'' bestehende Strahlengang
von der Lichtquelle 8 zu dem Sensor 10. Dies bewirkt
je nach Bewegungsrichtung A eine Verringerung oder Verstärkung der
von dem Sensor 10 erfassten Lichtintensität.
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Die
von dem Sensor 10 erfasste Lichtintensität wird von
dem Sensor 10 in einen Spannungswert umgewandelt, der dann
von einer elektronischen Steuerung 14 in eine Positionsangabe
umgewandelt wird. Die Steuerung 14 ist in dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel
innerhalb des Gehäuses 2 an
der der Reflektionsfläche 12 abgewandten
Seite der Fläche 6 angeordnet.
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In 2 ist
ein Bauteil 4' dargestellt,
welches für
die Erfassung von Winkeln und Winkeländerungen eines nicht dargestellten
Körpers
bzw. Bauteils ausgebildet ist. Mit diesem Körper bzw. Bauteil ist Bauteil 4' bewegungsgekoppelt
und in Drehrichtung C um eine Mittelachse D drehbar.
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Radial
beabstandet von der Mantelfläche des
Bauteils 4' sind
eine Lichtquelle 8' und
ein Sensor 10' angeordnet
. Die von der Lichtquelle 8' angestrahlte
Reflektionsfläche 12' wird in dieser
Ausführung
von einem Abschnitt der Mantelfläche
des Bauteils 4' gebildet.
Dabei ist die Reflektionsfläche 12' spiralförmig ausgebildet,
d.h., dass sich die Reflektionsfläche 12' über den Umfang des Bauteils 4' mit zunehmendem
Winkel in Richtung der Mittelachse D kontinuierlich zurückzieht.
Die Lichtquelle 8' und
der Sensor 10' sind
ortsfest in einem feststehenden Abstand von der Mittelachse D, d.h.
der Drehachse des Bauteils 4' derart
angeordnet, dass die Lichtquelle 8' die Reflektionsfläche 12' im wesentlichen
in radialer Richtung anstrahlt und der Sensor 10' das von der Reflektionsfläche 12' reflektierte
Licht bzw. dessen Lichtintensität
erfassen kann. Bei Drehung des Bauteils 4' um die Mittelachse D ändert sich
so der Abstand der Reflektionsfläche 12' von der Lichtquelle 8' und Sensor 10' und damit die
Länge des
Strahlenganges von der Lichtquelle 8' zu dem Sensor 10', was wiederum
mit einer Änderung
der von dem Sensor 10' erfassenden
Lichtintensität
einhergeht.
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3 zeigt
ein Bauteil 4'', welches einen
zylindrischen Grundkörper 18 aufweist.
Auch das Bauteil 4'' ist zur Erfassung
von Winkeln und Winkeländerungen
eines nicht dargestellten Körpers
bzw. Bauteils ausgebildet und mit diesem Körper bzw. Bauteil bewegungsgekoppelt
und in eine Drehrichtung C drehbar. Oberhalb einer Stirnfläche 16' des zylindrischen
Grundkörpers 18 sind
eine Lichtquelle 8" sowie
ein Sensor 10'' feststehend
angeordnet.
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Über einen
Winkel von ungefähr
270° erstreckt
sich ausgehend von der Stirnfläche 16' umfangsseitig
des zylindrischen Grundkörpers 18 eine wendelförmig ansteigende
Wandung 20 derart, dass die Außenseite der Wandung 20 eine
Verlängerung der
Mantelfläche
des Grundkörpers 18 bildet.
Die Stirnseite der Wandung 20 bildet eine der Lichtquelle 8'' und dem Sensor 10'' zugewandte und schräg zur Stirnfläche 16' ausgerichtete
Reflektionsfläche 12''. Die Lichtquelle 8'' ist derart von der Stirnfläche 16' und der Reflektionsfläche 12'' beabstandet angeordnet, dass sie
die Reflektionsfläche 12'' an einer ortsfesten Winkelposition
anstrahlt. Die Anordnung des Sensors 10'' ist
so, dass das von der Reflektionsfläche 12'' reflektierte
Licht von diesem erfasst werden kann. Aufgrund der mit zunehmendem
Umfangswinkel in Richtung der Lichtquelle 8'' und
des Sensors 10'' ansteigenden
Reflektionsfläche 12'' än dert sich auch bei dieser
Ausführung
bei Drehung des Bauteils 4'' in Drehrichtung
C der Abstand der Reflektionsfläche 12'' von der Lichtquelle 8'' und dem Sensor 10'', was zur Änderung der von dem Sensor 10'' erfassten Lichtintensität führt.
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- 2
- Gehäuse
- 4;
4'; 4''
- Bauteil
- 6
- Fläche
- 8;
8'; 8''
- Lichtquelle
- 10;
10'; 10''
- Sensor
- 12;
12'; 12''
- Reflektionsfläche
- 14
- Steuerung
- 16;
16'
- Stirnfläche
- 18
- Grundkörper
- 20
- Wandung
- A
- Bewegungsrichtung
- B'
- Lichtstrahl
- B''
- Reflektionstrahl
- C
- Drehrichtung
- D
- Mittelachse