Optischer Sensor

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*DE102013000761B420150319*
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DE 10 2013 000 761 B4 2015.03.19
Patentschrift
(21) Aktenzeichen: 10 2013 000 761.5
(22) Anmeldetag: 18.01.2013
(43) Offenlegungstag: 24.07.2014
(45) Veröffentlichungstag
der Patenterteilung: 19.03.2015
(51) Int Cl.:
G01D 5/26 (2006.01)
G01V 8/10 (2006.01)
H01L 33/62 (2010.01)
H01L 33/58 (2010.01)
Innerhalb von neun Monaten nach Veröffentlichung der Patenterteilung kann nach § 59 Patentgesetz gegen das Patent
Einspruch erhoben werden. Der Einspruch ist schriftlich zu erklären und zu begründen. Innerhalb der Einspruchsfrist ist
eine Einspruchsgebühr in Höhe von 200 Euro zu entrichten (§ 6 Patentkostengesetz in Verbindung mit der Anlage zu §
2 Abs. 1 Patentkostengesetz).
(73) Patentinhaber:
Baumer Electric AG, Frauenfeld, CH
(74) Vertreter:
Nowlan & Stadler Patentanwälte Partnerschaft,
88045 Friedrichshafen, DE
(72) Erfinder:
Thio, Christian, Tegna, CH; Hediger, Michael,
Ohringen, CH; Tiedeke, Joachim, Kreuzlingen, CH
(54) Bezeichnung: Optischer Sensor
(57) Hauptanspruch: Optischer Sensor (1), umfassend wenigstens:
einen Lichtsender,
ein optisches System (6) und einen Lichtempfänger (11),
vorzugsweise ein Gehäuse (3) und
vorzugsweise eine Steuerungseinheit (4),
dadurch gekennzeichnet, dass
der Lichtsender als ein LED-Chip (2) mit einer strahlungsemittierenden Oberfläche (18) ausgebildet ist, wobei die
strahlungsemittierende Oberfläche (18) von einem optischen
Blendenbauteil (14) teilweise abgedeckt ist und wobei das
optische Blendenbauteil (14) als ein gesondertes Bauteil in
Ergänzung zu dem LED-Chip (2) ausgebildet ist und das
optische Blendenbauteil (14) wenigstens teilweise aus einem stromleitenden Material besteht, wobei die strahlungsemittierende Oberfläche (18) eine Elektrode (16) des LEDChips (2) bildet und mit dem optischen Blendenbauteil (14)
in elektrischer Verbindung zur Bestromung des LED-Chips
(2) steht.
(56) Ermittelter Stand der Technik:
DE
29 42 508
DE 10 2009 051 026
FR
2 531 814
US 2005 / 0 002 317
US
4 342 944
EP
0 101 368
A1
A1
A1
A1
A
A2
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dehnung aufweisen als senkrecht zu dieser Ebene,
welcher von dem LED-Chip aufgespannt ist. Derartige LED-Chips sind in der Herstellung preiswert und
weisen einen großen Wirkungsgrad bezüglich des
emittierten Lichts auf. Das Licht wird von dem LEDChip großflächig an einer strahlungsemittierenden
Oberfläche erzeugt, sodass derartige LED-Chips als
flächenförmige Lichtquellen für den optischen Sensor bei einer herkömmlichen Bauweise oder Verwendung des LED-Chips nicht geeignet sind.
Beschreibung
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
[0002] Optische Sensoren werden in verschiedenen
technischen Anwendungen zur optischen Erfassung
wenigstens eines Objektes eingesetzt. Der optische
Sensor weist hierzu einen Lichtsender zur punktförmigen Emittierung von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Licht, auf. Der Lichtsender ist in
der Regel als eine Pin-Point-LED ausgeführt. Innerhalb eines Gehäuses sind dabei im Allgemeinen eine Schalteinrichtung zur Bestromung der Pin-PointLED sowie eine Steuerungseinheit angeordnet. Das
von der Pin-Point-LED emittierte Licht wird anschließend durch ein optisches System mit wenigstens einer Linse und daran anschließend zu einem zu erfassenden Objekt geleitet. Die punktförmige Emittierung
von elektromagnetischer Strahlung ist für das optische System erforderlich. Beispielsweise nach einer
Reflektion des Lichtes an dem zu erfassenden Objekt kann das reflektierte Licht von einem Strahlungssensor, insbesondere einem Lichtempfänger, erfasst
werden. Dadurch kann eine Veränderung des Objektes, beispielsweise die Lage des Objektes oder die
Farbe des Objektes, erfasst werden.
[0007] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, einen optischen Sensor mit einer
LED zur Verfügung zu stellen, welcher preiswert und
einfach in der Herstellung ist.
[0008] Diese Aufgabe wird gelöst mit einem optischen Sensor, umfassend einen Lichtsender, ein optisches System, einen Lichtempfänger, sowie vorzugsweise ein Gehäuse, vorzugsweise eine Steuerungseinheit, insbesondere einen Mikrocontroller,
wobei der Lichtsender als ein LED-Chip ausgebildet
ist mit einer strahlungsemittierenden Oberfläche und
die strahlungsemittierende Oberfläche von einem optischen Blendenbauteil teilweise abgedeckt ist und
wobei das optische Blendenbauteil als ein gesondertes Bauteil in Ergänzung zu dem LED-Chip ausgebildet ist. Das optische Blendenbauteil deckt die
strahlungsemittierende Oberfläche des LED-Chips
teilweise ab, sodass dadurch von dem LED-Chip mit
dem optischen Blendenbauteil eine im Wesentlichen
punktförmige Strahlungsquelle, insbesondere Lichtquelle, für das optische System des optischen Sensors zur Verfügung gestellt werden kann.
[0003] Aus der US 2005/0 002 317 A1 ist ein optischer Sensor bekannt, der eine Belichtungsvorrichtung mit einem Leselichtstrahl, welche eine Lochblende aufweist, umfasst. Die Lochblende dient hierbei
zur Begrenzung des Lichtstrahls.
[0004] Aus der DE 10 2009 051 026 A1 ist eine LED Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere für
einen Scheinwerfer eines Kraftfahrzeugs, bekannt,
welche eine Blende aufweist, die über wenigstens
ein Antriebsmittel verstellbar ist. Die Blende ist als eine Lochblende ausgeführt, welche durch zusätzliche
Führungsmittel oder Träger gehalten wird und einen
definierten Abstand zur LED hat.
[0009] Bei diesem Sensor dient das optische Blendenbauteil als Elektrode zur Bestromung des LEDChips, sodass durch das optische Blendenbauteil
Strom zu dem LED-Chip geleitet wird. Das optische
Blendenbauteil kann dabei auf dem LED-Chip, insbesondere der strahlungsemittierenden Oberfläche des
LED-Chips, aufliegen.
[0010] Ergänzend hierzu bildet die strahlungsemittierende Oberfläche eine erste Elektrode des LEDChips. Die strahlungsemittierende Oberfläche bildet
somit eine erste Elektrode des LED-Chips zum Leiten von Strom durch das optische Blendenbautteil
und zu dem LED-Chip. Eine zweite Elektrode ist vorzugsweise von einer Seite oder Oberfläche des LEDChips gebildet, welches gegenüberliegend zu der
strahlungsemittierenden Oberfläche ausgebildet ist.
[0005] Aus den Dokumenten DE 29 42 508 A1,
US 4 342 944 A, EP 0 101 368 A2, sowie
FR 2 531 814 A1 ist der prinzipielle Aufbau von lichtemittierenden Dioden, sowie deren Herstellverfahren
bekannt.
[0006] Die in den optischen Sensoren eingesetzten
Pin-Point-LEDs sind in der Herstellung teuer und weisen bezüglich des emittierten Lichts einen geringen
Wirkungsgrad auf. Die Pin-Point-LEDs sind dabei im
Allgemeinen würfel- oder kugelförmig ausgebildet.
Das Licht wird im Inneren der Pin-Point-LEDs erzeugt. Aus dem Stand der Technik sind bereits LEDChips bekannt, welche flächen- bzw. plattenförmig
ausgebildet sind. Das heißt diese LED-Chips können
innerhalb einer Ebene eine wesentlich größere Aus-
[0011] Zweckmäßig besteht das optische Blendenbauteil wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus einem stromleitenden Material, vorzugsweise Metall, beispielsweise Kupfer, Stahl oder einer
Kupferlegierung.
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[0012] In einer zusätzlichen Ausführungsform liegt
das optische Blendenbauteil unter einer Druckkraft auf der strahlungsemittierenden Oberfläche des
LED-Chips auf. Das optische Blendenbauteil kann
zusätzlich oder alternativ kraft- und/oder stoff- und/
oder formschlüssig mit dem LED-Chip verbunden
sein.
Chip eine Beschichtung auf. Die Beschichtung kann
beispielsweise aus Gold oder Platin ausgeführt sein.
Dadurch soll eine ständig elektrisch leitende Verbindung zwischen dem optischen Blendenbauteil und
dem LED-Chip gewährleistet sein.
[0020] Vorzugsweise ist die LED in einem Pulsbetrieb bestromt.
[0013] Das optische Blendenbauteil kann stoffschlüssig beispielsweise mit einer Klebeverbindung
stromleitend mit der strahlungsemittierenden Oberfläche des LED-Chips verbunden sein oder auch
formschlüssig aufgrund einer entsprechenden Geometrie des Blendenbauteils und des LED-Chips.
[0021] Im Nachfolgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
[0022] Fig. 1 eine stark vereinfachten Ansicht eines
erfindungsgemäßen optischen Sensors und
[0014] In einer ergänzenden Ausgestaltung ist das
optische Blendenbauteil als eine Feder ausgebildet,
so dass aufgrund einer Vorspannung der Feder das
optische Blendenbauteil unter einer Druckkraft auf
der strahlungsemittierenden Oberfläche des LEDChips aufliegt.
[0023] Fig. 2 eine vereinfachte perspektivische Ansicht eine Leiterplatte, eines LED-Chips und eines optischen Blendenbauteils des optischen Sensors gemäß Fig. 1.
[0024] Ein in Fig. 1 vereinfacht dargestellter optischer Sensor 1 wird in verschiedenen technischen
Anwendungen zur Erfassung eines Objektes 8, in
dem dargestellten Beispiel zur Erfassung einer Flasche, eingesetzt. Innerhalb eines Gehäuses 3 des
optischen Sensors 1 ist ein LED-Chip 2 angeordnet.
Der LED-Chip 2 emittiert elektromagnetische Strahlung als Licht. Der LED-Chip 2 wird in einem Pulsbetrieb mit einem Betriebsstrom bestromt, so dass
nur während des Durchleitens des Betriebsstromes
durch den LED-Chip 2 Licht emittiert wird. Das von
dem LED-Chip 2 emittierte Licht wird durch ein optisches System 6 geleitet. Das optische System 6 weist
eine oder mehrere Linsen auf, mit denen das Licht gebündelt und zu dem Objekt 8 geleitet wird. Anschließend wird das von dem Objekt 8 veränderte Licht,
beispielsweise aufgrund von Reflektion oder eines
Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins des Objektes 8 an dem Lichtstrahl 12, von einem Lichtempfänger 11 erfasst. Dadurch kann von dem optischen
Sensor 1 eine Veränderung des emittierten Lichtes
durch das Objekt 8 erfasst bzw. erkannt werden. Die
Bestromung des LED-Chips 2 wird von einer Steuerungseinheit 4, vorzugsweise von einem Mikrocontroller ausgeführt. Die Bestromung des LED-Chips 2
wird mit einer Schalteinrichtung 13 gesteuert. Der optische Sensor 1 ist mit einer Stromquelle außerhalb
des Gehäuses 3 mit einer nicht dargestellten Stromleitung in Fig. 1 mit elektrischer Energie versorgt.
[0015] In einer zusätzlichen Variante umfasst der optische Sensor eine Leiterplatte mit Leiterbahnen. Eine zweite Elektrode des LED-Chips ist elektrisch mit
einer Leiterbahn verbunden, insbesondere durch eine Löt-, Press- oder Klemmverbindung.
[0016] In einer ergänzenden Ausführungsform ist
das optische Blendenbauteil an dem auf der strahlungsemittierenden Oberfläche aufliegenden Teil
plattenförmig ausgebildet mit einer Aussparung zum
Durchleiten der Strahlung. Die Aussparung ist im Wesentlichen kreis-, ellipsen- oder rechteckförmig ausgebildet.
[0017] Die strahlungsemittierende Oberfläche des
LED-Chips kann zu wenigstens 20% von dem optischen Blendenbauteil abgedeckt sein. Der LED-Chip
kann als ein Dünnschicht-LED-Chip ausgebildet sein.
Der Dünnschicht-LED-Chip weist in einer von dem
Dünnschicht-LED-Chip aufgespannten Ebene eine
wesentlich größere Ausdehnung auf als senkrecht
zu dieser aufgespannten Ebene. Die strahlungsemittierende Oberfläche ist von einer Dünnschicht, das
heißt, einer Schicht mit einer sehr kleinen Dicke gebildet. Die elektromagnetische Strahlung wird von der
Dünnschicht flächenförmig erzeugt.
[0018] In einer zusätzlichen Ausführungsform umfasst das optische System wenigstens eine Linse
und/oder einen Spiegel. Die Linse ist an einem Träger, beispielsweise dem Gehäuse, befestigt. Das
Blendenbauteil liegt auf dem Träger auf, so dass die
Aussparung an dem optischen Blendenbauteil bezüglich der Linse und/oder dem Spiegel ausgerichtet
ist.
[0025] Der LED-Chip 2 ist als ein Dünnschicht-LEDChip 2 ausgebildet und weist an einer ersten Seite
oder Oberfläche eine strahlungsemittierende Oberfläche 18 auf, welche in Fig. 2 dargestellt ist. An dieser strahlungsemittierenden Oberfläche 18 ist eine
Dünnschicht ausgebildet, welche die elektromagnetische Strahlung, insbesondere das Licht, emittiert.
Dabei dient die strahlungsemittierende Oberfläche 18
auch als eine erste Elektrode 16 zur Bestromung
[0019] Zweckmäßig weist das optische Blendenbauteil als Elektrode an der Kontaktstelle zu dem LED-
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des LED-Chips 2. Eine zweite Seite des LED-Chips
2 liegt auf einer Leiterplatte 17 auf. An der Leiterplatte 17 sind nicht dargestellte Leiterbahnen aus einem elektrisch leitenden Material angeordnet. Mittels
einer Lötverbindung ist eine zweite Seite des LEDChips 2 als zweite, nicht in Fig. 2 sichtbare Elektrode mit den nicht dargestellten Leiterbahnen der Leiterplatte 17 elektrisch verbunden. Auf der strahlungsemittierenden Oberfläche 18 des LED-Chips 2 liegt
ein Teil eines optischen Blendenbauteils 14 aus Federstahl unter einer Druckkraft auf. Hierzu ist das optische Blendenbauteil 14 als eine Feder ausgebildet,
welche vorgespannt ist, sodass aufgrund dieser Vorspannung des optischen Blendenbauteils 14 der Teil
des optischen Blendenbauteils 14, welcher auf der
strahlungsemittierenden Oberfläche 18 aufliegt, auf
dieser unter einer Druckkraft aufliegt. Das optische
Blendenbauteil 14 besteht aus dem elektrisch leitenden Material Federstahl und dient dabei zusätzlich
als Elektrode 15 zur Bestromung des LED-Chips 2.
Dabei ist ein in Fig. 2 links unten dargestelltes Ende des optischen Blendenbauteils 14 durch eine Bohrung 20 der Leiterplatte 17 geführt. Dadurch kann eine elektrische Kontaktierung des optischen Blendenbauteils 14 bezüglich der Unterseite der Leiterplatte 17 ermöglich werden. Die Bohrung 20 ist bezüglich des optischen Blendenbauteils 14 mit einem nicht
dargestellten Isolierelement isoliert.
optische Blendenbauteil 14 liegt außenseitig auf diesem Träger auf. Dadurch kann mechanisch aufgrund
der Geometrie des optischen Blendenbauteils 14 und
der Anordnung der Linsen 7 an dem nicht dargestellten Träger die Aussparung 19 als punktförmige Lichtquelle zu dem optischen System 6 einfach ausgerichtet werden. Bei einer nur ungenauen Befestigung des
LED-Chips 2 an der Leiterplatte 7 bezüglich des optischen Systems 6 kann die genaue Ausrichtung der
Aussparung 19 mechanisch mittels des Trägers des
optischen Systems 6 und des optischen Blendenbauteils 14 erfolgen.
[0028] Insgesamt betrachtet sind mit dem optischen
Sensor 1 wesentliche Vorteile verbunden. An dem
optischen System 1 kann ein in der Herstellung preiswerter LED-Chip 2 als Lichtquelle eingesetzt werden.
Ferner kann die optische Ausrichtung des LED-Chips
2 zu dem optischen System 6 in vorteilhafter Weise mittels des optischen Blendenbauteils 14 erfolgen. Der Lichtsender des optischen Sensors 1 stellt in
der Kombination von LED-Chip 2 und dem optischen
Blendenbauteil 14 aufgrund der Aussparung 19 des
optischen Blendenbauteils 14 mit einer nur sehr kleinen Ausdehnung eine im Wesentlichen punktförmige Lichtquelle bzw. Lichtsender zur Verfügung, da
nur derjenige Teil des emittierten Lichts an der strahlungsemittierenden Oberfläche 18 zu dem optischen
System 6 geleitet wird, welcher an der Aussparung
19 emittiert wird.
[0026] In Fig. 2 ist das optische Blendenbauteil 14
nur teilweise in einem Schnitt dargestellt. Eine Aussparung 19 an dem auf der strahlungsemittierenden
Oberfläche 18 aufliegenden Teil des optischen Blendenbauteils 14 weist eine Kreisform auf. Aufgrund
der Schnittbildung in Fig. 2 ist nur etwa die Hälfte dieser Kreisform der Aussparung 19 sichtbar. Auf
der strahlungsemittierenden Oberfläche 18 liegt somit ein ringförmiger Teil des optischen Blendenbauteils 14 auf, sodass an der strahlungsemittierenden
Oberfläche 18 nur dasjenige emittierte Licht zu dem
optischen System 6 gelangen kann, welches durch
die Aussparung 19 hindurchstrahlt. Das übrige von
der strahlungsemittierenden Oberfläche 18 emittierte Licht wird von dem optischen Blendenbauteil 14
abgeschirmt und nicht zu dem optischen System 6
geleitet. Hierzu weist das optische Blendenbauteil
14 einen kegelförmigen Abschnitt auf, welcher sich
gemäß der Darstellung in Fig. 2 nach oben an die
Aussparung 19 anschließt. Die strahlungsemittierende Oberfläche 18 weist als quadratisch ausgebildete strahlungsemittierende Oberfläche 18 eine Länge
des Quadrates von 500 μm auf. Die Aussparung 19
weist einen Durchmesser von 200 μm auf.
Patentansprüche
1. Optischer Sensor (1), umfassend wenigstens:
einen Lichtsender,
ein optisches System (6) und einen Lichtempfänger
(11),
vorzugsweise ein Gehäuse (3) und
vorzugsweise eine Steuerungseinheit (4),
dadurch gekennzeichnet, dass
der Lichtsender als ein LED-Chip (2) mit einer strahlungsemittierenden Oberfläche (18) ausgebildet ist,
wobei die strahlungsemittierende Oberfläche (18)
von einem optischen Blendenbauteil (14) teilweise
abgedeckt ist und wobei das optische Blendenbauteil (14) als ein gesondertes Bauteil in Ergänzung
zu dem LED-Chip (2) ausgebildet ist und das optische Blendenbauteil (14) wenigstens teilweise aus
einem stromleitenden Material besteht, wobei die
strahlungsemittierende Oberfläche (18) eine Elektrode (16) des LED-Chips (2) bildet und mit dem optischen Blendenbauteil (14) in elektrischer Verbindung
zur Bestromung des LED-Chips (2) steht.
[0027] Bei der Herstellung des optischen Sensors
1 können Fertigungsungenauigkeiten auftreten. Hierbei ist eine optische Ausrichtung der Aussparung 19
zu dem optischen System 6 mit den Linsen 7 erforderlich. Die Linsen 7 des optischen Systems 6 sind
an einem nicht dargestellten Träger befestigt. Das
2. Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass das optische Blendenbauteil
(14) auf dem LED-Chip (2), insbesondere der strahlungsemittierenden Oberfläche (18) des LED-Chips
(2), aufliegt.
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3. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das
stromleitende Material Metall ist.
4. Optischer Sensor nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, dass das Metall Kupfer, Stahl oder
eine Kupferlegierung ist.
5. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das
optische Blendenbauteil (14) unter einer Druckkraft
auf der strahlungsemittierenden Oberfläche (18) des
LED-Chips (2) aufliegt.
6. Optischer Sensor nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, dass, das optische Blendenbauteil
(14) als eine Feder ausgebildet ist, so dass aufgrund
einer Vorspannung der Feder das optische Blendenbauteil (14) unter einer Druckkraft auf der strahlungsemittierenden Oberfläche (18) des LED-Chips
(2) aufliegt.
7. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche
1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Blendenbauteil (14) kraft- und/oder stoff- und/
oder formschlüssig mit dem LED-Chip (2) verbunden
ist.
8. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der
optische Sensor (1) eine Leiterplatte (17) mit Leiterbahnen umfasst und eine Elektrode des LED-Chips
(2) elektrisch mit einer Leiterbahn verbunden ist, insbesondere durch eine Löt-, Press- oder Klemmverbindung.
9. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das
optische Blendenbauteil (14) an dem auf der strahlungsemittierenden Oberfläche (18) aufliegenden Teil
plattenförmig ausgebildet ist mit einer Aussparung
(19) zum Durchleiten der Strahlung, wobei insbesondere die Aussparung im Wesentlichen kreis-, ellipsen- oder rechteckförmig ausgebildet ist.
10. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das optische System (6) wenigstens eine Linse und/
oder einen Spiegel umfasst und die Linse an einem
Träger, vorzugsweise an dem Gehäuse, befestigt ist
und das Blendenbauteil (14) auf dem Träger aufliegt,
so dass die Aussparung (19) an dem optischen Blendenbauteil (14) bezüglich der Linse und/oder dem
Spiegel ausgerichtet ist.
Es folgen 2 Seiten Zeichnungen
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Anhängende Zeichnungen
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