DE10122134A1

DE10122134A1 - Optischer Sensor

Info

Publication number: DE10122134A1
Application number: DE10122134A
Authority: DE
Inventors: Ingolf Hoersch
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2001-05-08
Filing date: 2001-05-08
Publication date: 2002-12-05

Abstract

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor mit einem als LED-Chip ausgebildeten, auf einer Leiterplatte angeordneten Sendeelement und einer dem Sendeelement zugeordneten Sendelinse, wobei der der Sendelinse zugewandte Bereich des LED-Chips einen zentralen Leuchtbereich und ein diesen umgebendes Kontaktfeld aufweist, welches mittels eines Bonddrahts mit einer Leiterbahn der Leiterplatte verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor mit einem als LED-Chip ausgebildeten, auf einer Leiterplatte angeordneten Sendeelement und ei ner dem Sendeelement zugeordneten Sendelinse.

Derartige Sensoren gelangen in vielfältigen Anmeldungsfällen zum Ein satz, beispielsweise als Lichttaster oder Lichtschranken, die zur Feststel lung von Gegenständen innerhalb eines Überwachungsbereichs dienen. In bestimmten Anwendungsfällen, insbesondere beim Einsatz von Lichtta stern, ist es oftmals erforderlich, daß auch sehr kleine Gegenstände im Überwachungsbereich zuverlässig detektierbar sind.

Aus dem Stand der Technik bekannte optische Sensoren besitzen diesbe züglich den Nachteil, daß ein als LED-Chip ausgebildetes Sendeelement oftmals keinen ausreichend präzisen und scharf begrenzten Lichtspot auf dem zu detektierenden Gegenstand erzeugen kann, so daß kleine Gegen stände nicht immer erkannt werden können.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen optischen Sensor der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß mittels des Sendeele ments ein scharf begrenzter Lichtspot ohne äußeren Lichthof erzeugt wer den kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der der Sende linse zugewandte Bereich des LED-Chips einen zentralen Leuchtbereich und ein diesen umgebendes Kontaktfeld aufweist, welches mittels eines Bonddrahts mit einer Leiterbahn der Leiterplatte verbunden ist.

Im Rahmen der Erfindung wurde die Tatsache berücksichtigt, daß aus dem Stand der Technik bekannte LED-Chips Licht nicht nur in Richtung eines Sendeobjektivs abgeben, so daß durch neben dem Objektiv auftref fendes Licht Reflexionen hervorgerufen werden, die letztlich zu einem un scharfen Lichtspot auf dem zu detektierenden Gegenstand beziehungswei se zu einem den Lichtspot umgebenden Lichthof führen. Dementspre chend sollte im Rahmen der Erfindung erreicht werden, daß vom LED- Chip ausschließlich Licht in Richtung des Sendeobjektivs ausgesandt wird, so daß die genannten störenden Reflexionen beseitigt werden.

Um dieses Ziel zu erreichen, wird die Oberfläche des LED-Chips in zwei Bereiche unterteilt, nämlich einen zentralen Leuchtbereich und ein diesen umgebendes Kontaktfeld. Auf diese Weise wird erreicht, daß das Kontakt feld den Leuchtbereich scharf begrenzt und sicherstellt, daß vom Leucht bereich nur ein entsprechend scharf begrenzter Lichtkegel ausgeht. Der erfindungsgemäße LED-Chip kann dann unter Berücksichtigung des Ab stands zwischen Chip und Sendeobjektiv konkret so ausgebildet werden, daß der ausgesandte Lichtkegel vollständig auf das Sendeobjektiv auftrifft, so daß sichergestellt ist, daß kein Licht in den neben dem Sendeobjektiv liegenden Bereich gelangt und zu störenden Reflexionen führt.

Bevorzugt ist es, wenn sich die der Sendelinse zugewandte Oberfläche des Leuchtbereichs in einer zur optischen Achse der Sendelinse senkrechten Ebene erstreckt, so daß sich ein Lichtkegel erzeugen läßt, dessen Achse senkrecht zur Leiterplatte steht, auf der der erfindungsgemäße LED-Chip angeordnet ist.

Der Abstand zwischen der Ebene, in der sich die Oberfläche des Leuchtbe reichs erstreckt, und der Sendelinse ist bevorzugt genauso groß oder grö ßer wie beziehungsweise als der Abstand zwischen der Sendelinse und dem an den Leuchtbereich angrenzenden Randbereich des Kontaktfeldes. Wenn der genannte Abstand größer ist, das heißt, wenn der Leuchtbereich gegenüber dem genannten Randbereich zurückspringt, läßt sich ein be sonders scharfer Lichtkegel erzeugen.

Die der Sendelinse zugewandte Oberfläche des Kontaktfeldes kann sich - ebenso wie die Oberfläche des Leuchtbereichs - in einer zur optischen Achse der Sendelinse senkrechten Ebene erstrecken. Alternativ sind je doch auch andere Orientierungen der Oberfläche des Kontaktfeldes mög lich.

Die der Sendelinse zugewandte Oberfläche des Leuchtbereichs und die der Sendelinse zugewandte Oberfläche des Kontaktfeldes können sich zumin dest im wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene erstrecken, wobei es - wie bereits erwähnt - von Vorteil ist, wenn die Oberfläche des Leuchtbe reichs gegenüber der Oberfläche des Kontaktfeldes zumindest in geringem Maße zurückspringt.

Die dem Leuchtbereich zugewandte Konturlinie des Kontaktfeldes kann eine Form aufweisen, die zumindest im wesentlichen dem Querschnitt des vom Sendeelement zu erzeugenden Lichtstrahls beziehungsweise Lichtke gels entspricht. So können durch verschiedene Ausbildungen der ge nannten Konturlinie des Kontaktfeldes beliebig geformte Lichtstrahlen er zeugt werden. Im Standardfall ist es jedoch bevorzugt, wenn das Kontakt feld eine kreisringförmige Struktur aufweist, so daß letztlich ein kegelför miger Lichtstrahl erzeugt wird.

Besonders bevorzugt ist es, wenn sich der Bonddraht vom Kontaktfeld in einer vom Leuchtbereich weg orientierten Richtung erstreckt, so daß er außerhalb des zwischen Leuchtbereich und Sendelinse befindlichen Be reichs zu liegen kommt. Hierdurch wird ein weiterer wesentlicher Vorteil gegenüber dem Stand der Technik erzielt, da aus dem Stand der Technik bekannte LED-Chips auf ihrer Oberfläche in der Regel mittig gebondet sind, was dazu führt, daß sich ein Teil des Bonddrahts zwischen Leucht bereich und Sendelinse erstreckt, so daß aufgrund dieses Drahtbereichs und des Bondkontakts im zu erzeugenden Lichtspot auf dem Gegenstand eine bereichsweise Intensitätsverminderung auftritt. Eine solche Intensi tätsverminderung ist jedoch ausgeschlossen, wenn sich der Bonddraht erfindungsgemäß vom außerhalb des Leuchtbereichs angeordneten Kon taktfeld nach außen erstreckt, da in diesem Fall weder der Bondkontakt noch der Bonddraht in einem Bereich zwischen Leuchtbereich und Sen delinse zu liegen kommen.

In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung können auf einem LED-Chip mehrere Leuchtbereiche und diese jeweils umgebende Kontakt felder ausgebildet sein, wobei jedem Kontaktfeld ein Bonddraht zugeord net ist. So lassen sich mittels eines einzigen Chips mehrere Lichtstrahlen erzeugen. Bevorzugt ist es in diesem Fall natürlich, wenn alle Bonddrähte derart verlaufen, daß sie außerhalb aller zwischen den Leuchtbereichen und der bzw. den jeweils zugeordneten Sendelinse(n) befindlichen Berei chen zu liegen kommen. So wird erreicht, daß die Bonddrähte sowie die Bondkontakte keinen der erzeugten Lichtstrahlen bezüglich ihrer Intensi tät negativ beeinflussen.

Bevorzugt ist es, wenn die mehreren Leuchtbereiche unabhängig vonein ander bestrombar sind, so daß sie zu verschiedenen Zeiten zur Aussen dung von Lichtstrahlen angeregt werden können. Die mehreren Leuchtbe reiche können weiterhin zur Aussendung voneinander unterschiedlicher Emissionswellenlängen ausgelegt sein, so daß ein einziger LED-Chip wahlweise nacheinander oder auch gleichzeitig Lichtstrahlen unterschied licher Emissionswellenlängen aussenden kann.

Die dem Leuchtbereich abgewandte Rückseite des LED-Chips ist vorteil hafterweise mit einer Kontaktfläche versehen, die einem einzigen Leucht bereich zugeordnet ist, wenn nur ein einziger Leuchtbereich vorhanden ist oder allen Leuchtbereichen zugeordnet ist, wenn dementsprechend meh rere Leuchtbereiche vorhanden sind.

Der erfindungsgemäße LED-Chip kann mit seiner dem Leuchtbereich ab gewandten Rückseite auf die Leiterplatte geklebt sein.

Bevorzugt besteht der erfindungsgemäße LED-Chip aus einer Mesastruk tur.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Un teransprüchen genannt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines optischen Sensors gemäß Stand der Technik,

Fig. 2 den Lichtintensitätsverlauf eines optischen Sensors gemäß Fig. 1 im Bereich eines zu detektierenden Gegenstandes,

Fig. 3 eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Sensors, und

Fig. 4 den Lichtintensitätsverlauf eines optischen Sensors gemäß Fig. 3 im Bereich eines zu detektierenden Gegenstandes.

Fig. 1 zeigt einen auf einer Leiterplatte 1 angeordneten LED-Chip 2 gemäß Stand der Technik, welcher unterhalb und beabstandet von einer Sende linse 3 angeordnet ist, die ihrerseits im Gehäuse 4 eines optischen Sen sors gehalten ist.

Der LED-Chip 2 besitzt auf seiner der Leiterplatte 1 zugewandten Unter seite eine Kontaktfläche zur Herstellung eines leitenden Kontakts zwi schen Leiterplatte 1 und LED-Chip 2. Ferner besitzt der LED-Chip 2 in etwa mittig auf seiner der Sendelinse 3 zugewandten Oberseite einen Bondkontakt 5, über den der LED-Chip 2 mittels eines Bonddrahts 6 mit der Leiterplatte 1 leitend verbunden ist.

Oberhalb der Sendelinse 3 ist anhand einer schematischen Linie 7 eine Gegenstandsebene veranschaulicht, in der sich beispielsweise ein - nicht dargestellter - zu detektierender Gegenstand befinden kann.

Beim Betrieb des LED-Chips 2 wird dieser über den Bonddraht 6 und sei ne auf der Unterseite angeordnete Kontaktfläche bestromt, so daß eine Lichtaussendung hervorgerufen wird. Diese Lichtaussendung erfolgt in die in Fig. 1 mittels Pfeilen veranschaulichten Richtungen, wobei Fig. 1 deut lich macht, daß zum einen ein Lichtkegel in Richtung der Sendelinse 3 und zudem auch noch weitere Lichtstrahlen ausgesandt werden, die nicht in Richtung der Sendelinse 3 orientiert sind. Letztgenannte Lichtstrahlen können innerhalb des Gehäuses 4 mehrfach reflektiert werden, wobei die se Lichtstrahlen bedingt durch die genannten Mehrfachreflexionen schließlich auch wieder zur Sendelinse 3 gelangen und somit aus dem Gehäuse 4 austreten können.

Die in Fig. 1 zwischen Sendelinse 3 und Gegenstandsebene 7 eingezeich neten Lichtverläufe verdeutlichen, daß durch den direkt auf die Sendelin se 3 auftreffenden Lichtkegel des LED-Chips 2 zwar ein scharfer Lichtspot 8 in der Gegenstandsebene erzeugt werden kann, daß jedoch durch die genannten Mehrfachreflexionen neben dem Lichtspot 8 noch weitere "Nebenspots" 9 auftreten können, die letztlich zur Bildung eines insgesamt unscharfen Lichtspots führen, welcher einen aus den Nebenspots beste henden unerwünschten Lichthof aufweist.

Diese nachteilige Lichtverteilung ist in Fig. 2 veranschaulicht, die einen Verlauf der Lichtintensität I über dem Ort x im Bereich der Gegenstands ebene 7 zeigt. Die Position x₁ gemäß Fig. 2 entspricht dem Lichtspot 8 ge mäß Fig. 1. Es ist erkennbar, daß im Bereich x₁ ein Intensitätsmaximum vorhanden ist, welches jedoch mittig ein lokales Minimum 10 aufweist. Dieses lokale Minimum 10 entspricht im Bereich der Gegenstandsebene 7 einem zentralen Dunkelfeld, welches durch den Bondkontakt 5 des LED- Chips 2 hervorgerufen wird, der die Aussendung von Licht im zentralen Bereich des LED-Chips 2 verhindert.

Auf beiden Seiten des Intensitätsmaximums und des darin enthaltenen lokalen Minimums 10 treten gemäß Fig. 2 immer noch erhebliche Licht mengen 11 auf, die von den genannten Mehrfachreflexionen innerhalb des Gehäuses 4 herrühren und in der Gegenstandsebene 7 einen störenden Lichthof bilden.

Fig. 3 zeigt eine Fig. 1 entsprechende Anordnung, wobei der LED-Chip 2 durch einen erfindungsgemäßen LED-Chip 12 ersetzt ist. Dieser LED-Chip 12 besitzt auf seiner der Sendelinse 3 zugewandten Oberfläche einen zen tralen Leuchtbereich 13, welcher von einem ringförmigen Kontaktfeld 14 umgeben ist. Die Oberfläche des Kontaktfeldes 14 ist dabei weniger weit von der Sendelinse 3 beabstandet als der zentrale Leuchtbereich 13. Die Oberflächen sowohl des Leuchtbereichs als auch des Kontaktfeldes 14 er strecken sich senkrecht zur optischen Achse der Sendelinse 3.

Auf der Oberfläche des ringförmigen Kontaktfeldes 14 ist ein Bondkontakt 5 vorgesehen, von dem aus sich ein Bonddraht 6 in einer vom Leuchtbe reich 13 weg orientierten Richtung erstreckt, so daß er über seine gesamte Länge außerhalb des zwischen Leuchtbereich 13 und Sendelinse 3 befind lichen Bereichs zu liegen kommt. Der Bonddraht 6 ist mit seinem dem Kontaktfeld 14 abgewandten Ende an der Leiterplatte 1 kontaktiert.

Fig. 3 macht deutlich, daß das kreisringförmige Kontaktfeld 14 die Aussendung des vom Leuchtbereich 13 emittierten Lichts derart begrenzt, daß die gesamte ausgestrahlte Lichtmenge auf die Sendelinse 3 trifft. So wird zuverlässig verhindert, daß vom Leuchtbereich 13 ausgehendes Licht innerhalb des Gehäuses 4 reflektiert wird und dadurch zu einem stören den Lichthof im Bereich der Gegenstandsebene 7 führt. Ferner stellt der Verlauf des Bonddrahts 6 gemäß Fig. 3 sicher, daß weder der Bondkon takt 5 noch der Bonddraht 6 selbst eine Lichtaussendung vom Leuchtbe reich 13 in Richtung der Sendelinse 3 behindern. Dementsprechend stellt sich im Bereich der Gegenstandsebene 7 ein scharfer Lichtspot 8 ohne störenden Lichthof ein, was zusätzlich durch den Lichtintensitätsverlauf gemäß Fig. 4 veranschaulicht ist. Fig. 4 zeigt nämlich, daß der Lichtinten sitätsverlauf ein deutliches Maximum im Bereich x₁, welcher wiederum dem Lichtspot 8 gemäß Fig. 3 entspricht, aufweist, ohne daß im Bereich des Maximums ein durch den Bondkontakt 5 oder den Bonddraht 6 her vorgerufenes lokales Minimum 10 vorhanden wäre. Weiterhin fällt der Lichtintensitätsverlauf zu beiden Seiten des Maximums steil bis auf einen sehr geringen Wert ab, was verdeutlicht, daß außerhalb des Lichtspots 8 kein störender Lichthof vorhanden ist.

Bezugszeichenliste

1

Leiterplatte

2

LED-Chip

3

Sendelinse

4

Gehäuse

5

Bondkontakt

6

Bonddraht

7

Gegenstandsebene

8

Lichtspot

9

Nebenspot

10

lokales Minimum

11

Lichtmenge

12

LED-Chip

13

Leuchtbereich

14

Kontaktfeld

Claims

1. Optischer Sensor mit einem als LED-Chip (12) ausgebildeten, auf einer Leiterplatte (1) angeordneten Sendeelement und einer dem Sendeelement zugeordneten Sendelinse 3, dadurch gekennzeichnet, daß der der Sendelinse (3) zugewandte Bereich des LED-Chips (12) einen zentralen Leuchtbereich (13) und ein diesen umgebendes Kontaktfeld (14) aufweist, welches mittels eines Bonddrahts (6) mit einer Leiterbahn der Leiterplatte (1) verbunden ist.

2. Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die der Sendelinse (3) zugewandte Oberfläche des Leucht bereichs (13) in einer zur optischen Achse der Sendelinse (3) senk rechten Ebene erstreckt.

3. Optischer Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Ebene, in der sich die Oberfläche des Leuchtbereichs (13) erstreckt, und der Sendelinse (3) genauso groß oder größer ist wie bzw. als der Abstand zwischen der Sendelinse (3) und dem an den Leuchtbereich (13) angrenzenden Randbereich des Kontaktfeldes (14).

4. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die der Sendelinse (3) zugewandte Oberfläche des Kon taktfeldes (14) in einer zur optischen Achse der Sendelinse (3) senk rechten Ebene erstreckt.

5. Optischer Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die der Sendelinse (3) zugewandten Oberfläche des Leucht bereichs (13) und die der Sendelinse (3) zugewandten Oberfläche des Kontaktfeldes (14) zumindest im wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene erstrecken.

6. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Leuchtbereich (13) zugewandte Konturlinie des Kon taktfeldes (14) eine Form aufweist, die zumindest im wesentlichen dem Querschnitt des vom Sendeelement (12) zu erzeugenden Licht strahls entspricht.

7. Optischer Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktfeld (14) eine kreisringförmige Struktur aufweist.

8. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Bonddraht (6) vom Kontaktfeld (14) in einer vom Leuchtbereich (13) weg orientierten Richtung erstreckt, so daß er außerhalb des zwischen Leuchtbereich (13) und Sendelinse (3) be findlichen Bereichs zu liegen kommt.

9. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem LED-Chip mehrere Leuchtbereiche und diese umge bende Kontaktfelder ausgebildet sind, wobei jedem Kontaktfeld ein Bonddraht zugeordnet ist.

10. Optischer Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bonddrähte derart verlaufen, daß sie außerhalb aller zwi schen den Leuchtbereichen und der jeweils zugeordneten Sendelin se(n) befindlichen Bereichen zu liegen kommen.

11. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Leuchtbereiche unabhängig voneinander be strombar sind.

12. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Leuchtbereiche zur Aussendung voneinander un terschiedlicher Emissionswellenlängen ausgelegt sind.

13. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Leuchtbereich (13) abgewandte Rückseite des LED- Chips (12) mit einer Kontaktfläche versehen ist.

14. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der LED-Chip (12) mit seiner dem Leuchtbereich (13) abge wandten Rückseite auf die Leiterplatte (1) geklebt ist.

15. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der LED-Chip (12) aus einer Mesastruktur besteht.