DE3338807C2 - Optoelektronischer Näherungsschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Näherungsschalter mit einem Gehäuse, welches in einer eine aktive Seite bildenden Gehäusewand mindestens

ίο eine Linse aufweist und in welchem im Bereich des Brennpunkts dieser Linse eine Fotodiode sowie ein Fototransistor angeordnet sind.

Bei bekannten optoelektronischen Näherungsschaltern (Druckschrift »Optoelektronische Näherungsschalter«, Ausgabe 811, Januar 1981 der Fa. Gerhard Balluff GmbH Co. KG, 7303 Neuhausen) 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. zw. jeweils im Linsenbrennpunkt bzw. an der engsten Steile des hinter der Linse erzeugten Strahlenbündels. Da in den meist genormten 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 weise« die Linsen der bekannten optoelektronischen Näherungsschalter eine verhältnismäßig kleine Brennweite oder genauer gesagt eine verhältnismäßig kleine öffnungzah! (Brennweite : freier Linsendurchmesser) auf, d. h. es handelt sich um verhältnismäßig dicke Linsen mit infolgedessen relativ großem Öffnungsfehler.

Dicke Linsen führen /u empfindlichen Reflexions- und Absorptionsverlusten bei dem in den Näherungs-

schalter einfallenden Licht, jnd ein erheblicher Öff nungsfehler. welcher ja mit einer mangelnden Konzentration des einfallenden Lichts im Linsenbrcnnpunkt 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 Ansprechabstaid wird der größte Abstand eines Gegenstands bezeichnet, dessen Anwesenheit durch den Näherungsschalter noch erk.innt 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 möglichst kleiner lichtempfindlicher Flache zu verwenden, andererseits jedoch soll das einfallende Licht vollständig auf die lichtempfindliche Fläche des

b0 Fototransistors gelangen. Bei einem typischen bekannten optoelektronischen Näherungsschalter der vor.ue

·- hend geschilderten Art betragen der freie Linsendürchfhesser25 mm, die Brennweite 26 mm, infolgedessen die Öffnungszühl ungefähr 1 und der maximale Üffnungs-

b5 fehler ca. 12 mm; wird die lichtempfindliche Fläche des Fototransistors an der engsten Stelle des Strahlcnbün-' dels hinter der Linse in der Linsertachsc angeordnet, so muß diese lichtempfindliche Fläche einen Durchmesser

von ca- 7 mm haben, um du.s gesamte, in den Näherungsschalter einfallende Licht empfangen zu können.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, die bekannten Näherungsschalter 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 :n den Näherungsschalter einfallenden Lichts für die Steuerung des Fototransistors, vermindert wird, so daß sich im Vergleich zu bekannten Näherungsschakern gleicher Abmessungen der Abstand zwischen Fotodiode und Fototransistor verringern und infolgedessen der Ansprechabstand des Näherungsschalters vergrößern läßt.

Ausgehend von einem Näherungsschalter der eingangs erwähnten Art läßt sich diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch lösen, daß eine Linse verwendet wird, deren Öffnungszahl (Brennweite : freier Linsendurchmesser) wesentlich größer als 1 ist, daß Fotodiode und Fototransistor seitlich der optischen Achse der Linse angeordnet werden und daß hinter de.' 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 /erwendung dünnerer Linsen geringere Reflexions- und Absorptionsverluste des in den Näherungsschalter einfallenden Lichts, die Möglichkeit, kleinere optoelektronische Bauelemente zu verwenden und damit diese näher beeinander anzuordnen sowie geringeres Gewicht und geringere Empfindlichkeit gegenüber Fertigungstoleranzen.

Hinsichtlich der angestrebten, möglichst vollständigen Ausleuchtung bzw. Nutzung der optoelektronischen Bauelemente lassen sich gute Ergebnisse mit Linsen erzielen, deren Öffnungszahl mindestens ca. 2 beträgt; als besonders günstig hat sich eine Öffnungszahl von ca. 2.J bis 3 erwiesen. Bei einem typischen erfindungsgemäßen Näherungsschalter mit einem freien Linsendurchmesser von 25 mm wird eine Linse mit einer Brennweite von 80 mm und einer Öffnungszahl von ca. 3 (bzw. 3:1) verwendet; bei einer Linsendicke von 4 mm, einem Brechungsindex des Linsenmaterials von 1.5 und einem maximalen Öffnungsfehlcr 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 vollstandig genutzt zu werden. Im Vergleich zu dem vorstehend geschilderte® bekannten Näherungsschalter können also ca. 50mal kleinere optoelektronische Bauelemente wie beim Stand de/·Technik verwendet werden.

Verzichtet man auf den Vorteil, daß der bei den herkömmlichen Näherungsschal lergehäusen neben der Linsenachse gelegene, bisher ungenutzte Gehäuseraym 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, weiche der aktiven Gehäuseseite benachbart ist.

Wie sich aus dem Vorstehenden <:rgibt, ist es ferner vorteilhaft, den bei den bekannten Näherungsschaltern bisher ungenutzten Raum auch zur Unterbringung einer einen Vorverstärker tragenden Pia-■ ,e auszunutzen, so daß bei einer bevorzugten AusführUiigsforrn des erfindungsgemäßen Näherungsschalters zwischen der optischen Achse der Linse für den Fototransistor und der zweiten Gehäusewand eine einen Vorverstärker tragende Platine angeordnet ist.

Desweiteren kann es vorteilhaft sein, die Linse bzw. die Linsen und das Lichtumlenkelement bzw. die Lichtumlenkelemente aus einem Block aus Glas und einem geeigneten transparenten Kunststoff zu bilden, welcher Block an einer reflektierenden Fläche insbesondere verspiegelt ist. Dadurch ergibt sich der Vorteil einer einfacheien Fertigung und der Verringerung der Justierprobleme, insbesondere dann, wenn dieser Block Aufnahmen bzw. Halterungen für die optoelektronischen Bauelemente aufweist.

Zum Beispiel aus der DE-AS 29 09 048 ist ein Näherungsschalter mit einem umsetzbaren. die aktive Seite des Näherungsschalters bildenden Gehäjsetei". auch Tastkopf genannt, bekannt, welcher ungefähr die Gestalt eines Würfels aufweist, dessen einer Kantenbereich mi. zwei Ecken abgeschnitten ist. Wegen der Abschrägung des Tastkopfs war es bisher nicht möglich, diesen vorteilhaften und vielfältig einsetzbaren Näherungsschalter als optoelektronischen Näherungsschalter auszubilden, 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 Gerippewand benachbart isu und indem ferner das von Linse bzw. Linsen und Umlenkelemen. gebildete optische System so gestaltet wird, daß seine Achse hinter dem Umlenkelement schräg zur zweiten Gehäusewand vet läuft.

Weitere Merkmale. Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben;sich aus den Ansprüchen uricfeder aus der nachfolgenaeriiBeschreibün'gÄSowiei'-der'zeichnerischen Darstellung einiger bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Näherüngsschalters; in der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine schaubildliche Darstellung einer ersten Ausführungsform mit umsetzbarem, abgenommenem Tastkopf;

F i g. 2 einen Schnitt durch den Tastkopf der Ausführungsform nach F i g. 1 sowie durch den angrenzenden Bereich eines zweiten Gehäuseteils;

F i g. 3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 in F i g. 2;

Fig.4 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform eines Tastkopfs eines erfindurigsgemäßen Näherungsschalters, und

F i g. 5 einen Schnitt nacbder Linie 5-5 in F i g. 4.

Der in den Fig. 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 Trägerteiis iö eingesetzt und in dieser kontinuierlich über 360° 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 Befestigungstcil 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. D r Ansatz 18 weist schließlich einen zentralen Kabelkanal 24 auf, und um eine Leckstelle an der Kabeldurchführung zu vermeiden, ist dieser Kabelkabel abgestuft, so daß er eine Schulter bildet, und außerdem ist am trägerteilseitigen Ende des Kabelkanals ein Innengewinde vorgesehen, so daß sich ein elastomerer Dichtring 26 mittels einer in dieses Innengewinde siiiA^schruüb'Ci· Druckriü^schfäülv* 2S so verfrirmpn läßt, daß er in radialer Richtung gegen das nicht gezeigte Kabel abdichtend angepreßt wird.

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 45° zu der Achse des Ansatzes 18 bzw. der Bohrung 16 erstreckt. Ferner sind an das Befestigungsteil 12 Sicherungsstifte 36 angeformt.

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 dem Befestigungsteil 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 Befestigungsfeil 12 und den Kabelkanal 24 in das Innere des Trägerteils 10.

Durch Lösen und Wiederanziehen der Befestigungsschraube 32 sowie durch Drehen des Befestigungsteils 12 läßt sich der Tastkopf 14 in fünf verschiedenen Siellungen 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.

Insoweit ist die Konstruktion des Näherungsschalters bereits aus der DE-AS 29 09 048 bekannt.
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 Gcstalt sich der Fig.2 entnehmen läßt und dessen den Linsen 58,60 gegenüberliegende, schräg zu den Linsenachsen 64, 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 Aufnahme öffnungen 74 und 76 für eine Fotodiode und einen Fototransistor abbildet. Von diesen optoelektronischen Bauelementen ist lediglich der in der Aufnahmeöffnung 76 äiigcuidncic rOiOiränSiäiur SO dörgCSiCÜt, <VährCnd diC 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.

Eine untere Begrenzungsfläche 88 des Blocks 62 verläuft erfindungsgemäß so schräg zu einer unteren Seitenwand 91 des Gehäuses 40. daß sich keine Platzpro bleme 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 nachgcschalteter Vorverstärker untergebracht ist. Zu erwähnen ist noch, daß die inneren Stirnwände der Aufnahrneöffnungcn 74, 76 poliert sind, so daß sich keine Strcuvcrluste für das von der Fotodiode ausgesandte Licht bzw. das auf den FotoiransistorSQ auftreffcnde Licht ergehen können.

Die nicht dargestellte Fotodiode wird von einer im Trägerteil 10 untergebrachten Schaltung so angesteu-

■so ert, daß sie wie üblich frequenzmoduliertes, im Infrarotbereich des Spektrums liegendes Licht aussendet, so daß der erfindungsgemäße Näherungsschalter Fremdlicht-unempfindlich ist. 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 braucnt.

Bei der in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Näherungsschalter 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'

so auf, und die optischen Achsen der beiden optischen Systeme wurden mit 84' und 86' bezeichnet Der Befestigung der Spiegel 70a'und 706'dienen an das Gehäuse 40' angeformte Halter 100' und 102'. An einem weiteren, an das Gehäuse 40' angeformtenHalter 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

An die Stelle einer Spiegelfläche könnte als Lichtumlenkelement auch ein Prisma oder eine Linse treten.

Bei der Ausführungsform nach den F i g. 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 eine öffnüngszahl von 3,2 :1 und ein maximaler öffnungsfehler von 23 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.

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 erfindungsgemäßc Lösung anzusehen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (11)

Patentansprüche:

1. Optoelektronischer Näherungsschalter mit einem Gehäuse, welches in einer eins aktive Seite bildender. Gehäusewand mindestens eine Linse aufweist und in welchem im Bereich des Brennpunkts dieser Linse eine Fotodiode sowie ein Fototransistor angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungszahl (Brennweite: freier Linsendurchmesser) der Linse (58, 60; 58', 60') wesentlich größer als 1 ist, daß Fotodiode (78') und Fototransistor (SO'; 8Q) seitlich der Achse (64, 66) der Linse angeordnet sind und daß hinter der Linse im Strahlengang mindestens ein Umlenkelement (70; 70a', "Qb') vorgesehen ist

2. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungszahl der Linse mindestens ca. 2 beträgt

3 Näherungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Fotodiode (78') und Fototransistor (80'; 80) neben einer zweiten Gehäusewand (91) angeordnet sind, welche der aktiven Gehäuseseite (52) benachbart ist.

4. Näherungsschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der optischen Achse (t>4, 66) der Linse (58,60) und c-er zweiten Gehäusewand (91) eine einen Vorverstärker tragende Platine (90) angeordnet ist.

5. Näherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (58, 60) und das Lichtumlenkelement (70) von einem Block (62) mis GIa- oder einem transparenten Kunststoff gebildjt werden, welcher an einer reflektierenden Fläche (70) insb sondere verspiegelt ist.

6. Näherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, mit einem an einem Gehäuse umsetzbar gehaltenen Tastkopf, welcher ungefähr die Gestalt eines Würfels aufweist, dessen einer Kantenbereich mit zwei Ecken abgeschnitten ist,dadurch gekennzeichnet, daß der der zweiten Gehäusewand (91) benachbarte und der aktiven Gehäuseseite (52) gegenüberliegende Kantenbereich abgeschnitten ist und die Achse (84,86) des von Linse (58, 60) und Umlenkelement (70) gebildeten optischen Systems hinter dem Umlenkelement schräg zur zweiten Gehäusewand (91) verlauft.

7. Näherungsschalter nach den Ansprüchen 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Platine (90) schräg zur zweiten Gehäusewand (91) verläuft sowie dieser benachbart angeordnet ist.

8. Näherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß für die Fotodiode (78) und den Fototransistor (80') jeweils eine Linse (58', 60') vorgesehen ist.

9. Näherungsschalter nach den Ansprüchen 5 und

8, dadurch gekennzeichnet, daß beide Linsen (58,60) von dem Block (62) gebildet werden, dessen reflektierende Fläche (70) ein beiden Linsen zugeordnetes Umlenkelemenl bildet.

''tf'

lO.Näherungsschaltec nach.den Ansprüchen 5 bis

9, dadurch gekennzeichnet,,daß der Block (62) eine zur Platine (90) parallele Begrenzungsfläche (88) aufweist, neben der die Platine angeordnet ist.

11. Näherungsschalter nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungs'/ahl der Linse höchstens 4 beträgt und insbesondere zwischen ca. 2,5 und ca. 3 liegt