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Die
Erfindung betrifft ein optisches Verbundelement für Lichtgitter
oder Lichtschranken, bestehend aus einer Leiterplatte aus transparentem
Material mit aufgebrachten Leiterbahnen und mindestens einem auf
den Leiterbahnen befestigten Bauelement, insbesondere ein optisches
Empfangs- und/oder Sendeelement.
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Derartige
Vorrichtungen werden in der Regel verwendet, um optoelektronische
Bauelemente für optoelektronische
Anwendungen anzuordnen.
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Aus
der
EP 0 690 515 A1 ist
eine optoelektronische Anordnung bekannt, welche als Empfänger oder
Sender verwendet werden kann. Die Anordnung beinhaltet einen flexiblen
Schaltungsträger,
welcher einen transparenten Teilbereich aufweist, welcher für eine bestimmte
Lichtmenge und ein bestimmtes Lichtspektrum durchlässig ist,
das durch ein biegsames Polyestermaterial bestimmt wird. Ein photoelektrisches
Bauelement mit einem photoaktiven Bereich an einer Vorderseite ist
mit der Vorderseite mit dem transparenten Bereich des Schaltungsträgers verbunden.
Ein elektrisches Bauteil ist auf dem Schaltungsträger aufgebracht
und mit dem photoelektrischen Bauelement über elektrische Leitungen verbunden.
Das photoelektronische Bauelement weist an der Vorderseite Verbindungsstellen
auf, mit denen das photoelektronische Bauelement mit den Leiterbahnen
verbunden werden kann. Zusätzlich
kann die Anordnung eine optische Linse zur Strahlfokussierung auf
dem Schaltungsträger
aufweisen.
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Solche
Anordnungen finden typischerweise in optischen Systemen mit Linsen
Anwendung. Weiterhin sind solche Anordnungen für Beleuchtungselemente und
Lichtsensoren im Einsatz.
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Diese
Vorrichtung weist jedoch wesentliche Nachteile auf. Durch die Verwendung
des flexiblen Schaltungsträgers
können
die optischen Eigenschaften bei mechanischen Belastungen verändert und verschlechtert
werden. Durch Wärmeausdehnung der
meist länglichen
Gehäuse
von Lichtgittern kann der flexible Schaltungsträger in seiner Form verändert werden
und damit auch eine Veränderung
der optischen Eigenschaften erfolgen. Insbesondere bei Anwendungen
in der Sicherheitstechnik müssen
die optischen Eigenschaften von optischen Baugruppen, besonders
unter veränderten
Umgebungsbedingungen, gewährleistet
werden.
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Ein
weiterer Nachteil der Vorrichtung aus der
EP 0 690 515 A1 ist die
Verwendung einer zusätzlichen
Linse. Die Linse muss mit dem Schaltungsträger verbunden werden. Hier
entsteht eine weitere nachteilige optische Schnittstelle mit zusätzlichen Streuverlusten
und Streulicht, welches insbesondere in der Sicherheitstechnik problematisch
ist.
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Die
Lichtschranken und Lichtgitter für
Sicherheitsanwendungen müssen
einen bestimmten Abstrahlwinkel für das gesendete und empfangene Licht
aufweisen. Dadurch ist eine Fremdbeeinflussung durch Störlicht minimiert.
Treten aber in den optischen Komponenten Störungen auf, kann dadurch Fremdlicht
von der Lichtschranke in unerwünschter Weise
empfangen werden oder Nutzlicht in falsche Richtungen ausgesendet
werden.
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Durch
die Verwendung von vielen Einzelkomponenten entstehen hohe Montagekosten.
Bei der Vorrichtung aus der
EP
0 690 515 A1 werden eine Vielzahl von Komponenten zu einer
Baugruppe zusammengefügt.
Dabei werden auch optische Komponenten zusammengefügt, wobei
sich die Verbindungsstellen nachteilig auf die optischen Eigenschaften
des Gesamtsystems auswirken. Durch die Verbindungsschicht zwischen
optischer Linse und transparentem Leiterplattenmaterial muss eine
Verbindungsschicht oder eine sonstige Befestigung für die Linse
angebracht werden.
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Insbesondere
müssen
die optischen Komponenten in der Vorrichtung aus der
EP 0 690 515 A1 auf das
Sende- oder Empfangselement ausgerichtet werden. Dies erfordert
die genaue Ausrichtung der Linse auf dem transparenten Leiterplattenmaterial auf
das optische Empfangs- oder Sendeelement.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes optisches
Verbundelement für
Lichtgitter oder Lichtschranken bereitzustellen, bestehend aus einer
Leiterplatte aus transparentem Material mit aufgebrachten Leiterbahnen
und mindestens einem auf den Leiterbahnen befestigten Bauelement,
insbesondere ein optisches Empfangs- und/oder Sendeelement.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß nach Anspruch
1 dadurch gelöst,
dass ein optisches Verbundelement für Lichtgitter oder Lichtschranken
verwendet wird. Das optische Verbundelement besteht aus einer Leiterplatte
aus transparentem Material mit aufgebrachten Leiterbahnen und mindestens
einem auf den Leiterbahnen befestigten Bauelement. Es handelt sich
dabei insbesondere um ein optisches Empfangs- und/oder Sendeelement,
dessen Lichteintrittsseite und/oder Lichtaustrittsseite in Richtung
der Leiterplatte gerichtet ist und die Leiterplatte an den Stellen
für den
Lichteintritt oder Lichtaustritt keine Leiterbahnen aufweist. Die
Leiterplatte ist starr und enthält eine
in die Leiterplatte integrierte optische Linse, die dem Sende- und/oder
Empfangselement zugeordnet ist.
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Vorteilhaft
ist keine Verbindungsstelle mehr zwischen Leiterplatte und Linse
vorhanden. Die Linse muss nicht mehr zusätzlich auf das optische Empfangs- oder Sendeelement
ausgerichtet werden. Auch treten keine störenden Lichtbrechungen an den Verbindungsstellen
auf.
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Durch
die Verwendung von Glas oder einem festen transparenten Kunststoff
als Leiterbahnenträger
und als Material für
die integrierte optische Linse kann die Linse in einer hohen Güte für die optische Anwendung
in Sicherheitssystemen hergestellt werden.
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Die
Leiterplatte aus festem transparentem Material mit der integrierten
Linse kann auch direkt als Frontscheibe eines Gehäuse z.B.
eines Lichtgitters verwendet werden. Dadurch entfallen zusätzliche
Komponenten und optische Schnittstellen. Dadurch wird das Licht
nicht unnötig
an zusätzlichen
optischen Schnittstellen gebrochen oder gestreut. Durch die Einsparung
einer zusätzlichen
Frontscheibe werden die Kosten für
die Frontscheibe sowie die Montagekosten für die zusätzliche Frontscheibe eingespart.
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In
die Leiterplatte kann vorteilhaft auch direkt eine optische Blende
integriert werden. Die optische Blende kann kostengünstig auf
die transparente Leiterplatte aufgedruckt werden. Die Blende kann
unterschiedlich in Form und Größe ausgeprägt werden. Dadurch
kann die Blende an die unterschiedlichsten Anforderungen angepasst
werden.
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Optische
Sicherheitssensoren werden häufig aufgrund
der Fremdlichtunterdrückung
mit Infrarotlicht-Sendeelementen und Infrarotlicht-Empfangselementen
ausgestattet und betrieben. Hierzu können z.B. auf der Frontscheibe
verschiedene Filter zur Fremdlichtunterdrückung aufgebracht werden. Diese Filter
können
auch direkt auf die transparente Leiterplatte aufgebracht werden
oder es können
für die transparente
Leiterplatte bestimmte optische Filtermaterialien verwendet werden.
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Zusätzlich lassen
sich die Lichtgitter durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Verbundelementes
auch in kleineren Bauformen herstellen. Durch kleinere Bauformen
lassen sich solche Lichtgitter einfacher und vielseitiger in die
Maschinen und Anlagen integrieren. Auch können kleinere Maschinen, insbesondere
in der Elektronikindustrie, mit solchen Lichtgittern ausgerüstet werden.
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Für besonders
kleine Sensorbauformen ist es vorteilhaft vorgesehen, die optische
Linse als Fresnel Linse direkt in die transparente Leiterplatte zu
integrieren. Die Fresnel Linse hat den Vorteil, dass diese flach
in die transparente Leiterplatte integriert werden kann, ohne zusätzlichen
Platz in Strahlrichtung zu benötigen.
Auf diese Weise kann die Fresnel Linse an der Vorderseite der Frontscheibe
oder aber auch auf der Seite, die dem optoelektronischen Bauelement
zugeordnet ist, angebracht werden. Die Frontscheibe hat dadurch
eine plane Oberfläche
zur Außenseite
des Sensors. Dadurch kann die Frontscheibe leicht abgewischt und
gereinigt werden.
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Bei
Lichtgittern werden mehrere einzelne Lichtschranken nebeneinander
angeordnet. Die einzelnen Lichtschranken werden in einem Gehäuse integriert.
Auf diese Weise können
Bereiche flächig überwacht
werden. Die einzelnen Lichtschranken können dabei in verschiedenen
Abständen
zueinander angeordnet werden. Dadurch entstehen Lichtgitter mit
einer bestimmten Schutzfeldhöhe.
Für Lichtgitter
können
die Linsen auch nacheinander in einer Reihe in der transparenten
Leiterplatte angeordnet werden. Auf der Leiterplatte werden hierzu
mehrere optoelektronische Sende- oder Empfangselemente in einer
Reihe angebracht. Für
jedes dieser Bauelemente wird auf der transparenten Leiterplatte
eine optische Linse vorgesehen. Bei diesen Linsenreihenelementen
brauchen nur die optischen Bauteile auf der transparenten Leiterplatte
bei der Bestückung der
Bauteile genau aufgebracht werden. Eine Justage der Linse entfällt. Es
sind keine weiteren Komponenten zu justieren. Bei Lichtgittern mit
mehreren hundert optischen Linsen und optoelektronischen Bauelementen
ist dadurch eine enorme Kostenreduzierung zu erreichen.
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Die
Linsenelemente können
vorteilhaft verschiedene Linsendurchmesser aufweisen. In der Sicherheitstechnik
werden zur Gefahrbereichsabsicherung insbesondere der Fingerschutz,
der Handschutz, der Armschutz und der Schutz weiterer Körperteile
von Personen wie Beine oder Oberkörper unterschieden. Zur Detektierung
dieser Körperteile
sind verschiedene Linsendurchmesser und somit verschiedene Strahldurchmesser
vorgesehen. Durch die verschiedenen Strahldurchmesser werden unter anderem
verschiedene Auflösungen
des Lichtgitters realisiert. Für
den Fingerschutz sind Linsendurchmesser von 7 mm vorgesehen. Für den Handschutz sind
Linsen und Strahldurchmesser von 10 mm vorgesehen. Es werden dabei
mehrere Linsen zum Aufbau eines Schutzfeldes nebeneinander angeordnet.
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Zur
Realisierung der verschiedenen Strahldurchmesser werden verschiedene
Linsendurchmesser auf dem transparenten Leiterplattenmaterial ausgebildet.
Der Linsendurchmesser und der Abstand der Linse bestimmt dabei die
Auflösung
der Lichtgitter. Für
geringere Auflösungen
können
bei einem Linsenarray auch abhängig
von der Auflösung nur
jede zweite oder dritte Linse mit einem optoelektronischen Bauteil
bestückt
werden. Mit Hilfe von optischen Linsen mit einem Strahldurchmesser
von 10 mm können
bei dieser Bestückung
auch Bereichsauflösungen
von 30 mm oder 40 mm realisiert werden. Auf diese Weise können mit
derselben Leiterplatte mit integrierten optischen Linsen verschiedene Auflösungen realisiert
werden.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert.
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In
der Zeichnung zeigt:
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1;
eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen optischen Verbundelementes;
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2 eine
schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des optischen Verbundelementes;
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3 eine
schematische Darstellung eines Lichtgitters;
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1 zeigt
ein optisches Verbundelement 1 bestehend aus einer transparenten
Leiterplatte 4, die vorzugsweise aus Glas ausgebildet ist.
Die Leiterplatte 4 weist an einer Seite eine integrierte
Linse 14 auf.
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Auf
der gegenüberliegenden
Seite sind auf der Leiterplatte 4 Leiterbahnen 20 untergebracht. Diese
Leiterbahnen 20 sind mit Harz auf der Leiterplatte 4 aufgebracht.
Auf diesen Leiterbahnen 20 sind elektronische Bauteile 8 untergebracht.
Die Bauteile 8 werden vorzugsweise in Oberflächenmontage
aufgelötet.
Der Bereich der optischen Linse 14 ist frei von Leiterbahnen 20.
Zentrisch zur optischen Linse 18 ist ein optoelektronisches
Bauelement 10, insbesondere ein optoelektronisches Empfangs-
und/oder Sendebauelement 10 auf der Leiterplatte bestückt. Die
Lichtaustrittsseite oder die Lichtempfangsseite des optoelektronischen
Empfangs- und/oder Sendebauelements 10 zeigt in Richtung
der Leiterplatte 4 zu der optischen Linse 14.
Eintretende Lichtstrahlen 16 treffen so auf die Linse 14,
werden gebündelt
und nach dem Durchdringen der Leiterplatte 4 treffen diese
auf das photoempfindliche Bauelement 10. Ausgehende Strahlen 16 durchdringen
die Leiterplatte 4 und werden von der Linse 14 zu
parallel austretenden Strahlen geformt.
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Die
optische Linse 14 ist in der transparenten Leiterplatte 4 integriert.
Dadurch ist nur ein optisches Element für die Strahlerzeugung pro Strahl
notwendig. Es entstehen keine unnötigen Übergangsstellen der Strahlen
mit zusätzlichen
Streuverlusten. Die Linse 14 kann dabei an der Seite der
Leiterbahnführung und
der aufgelöteten
Bauteile ausgeprägt
sein oder auf der gegenüberliegenden
Seite. Die Linse 14 kann je nach geforderter optischer
Eigenschaft verschieden ausgeprägt
sein. Zur Erzeugung eines parallelen Strahles ist in dem gezeigten
Beispiel eine Sammellinse vorgesehen.
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Die
Linse 14 kann wie in 2 dargestellt auch
als Fresnel Linse 28 ausgeführt werden. Dies hat den Vorteil,
dass die Linse 14 sehr flach in das transparente Leiterplattenmaterial
integriert werden kann. Die Linse 14 kann auch in einer
Aussparung versenkt in der transparenten Leiterplatte 4 integriert werden.
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Dadurch
wird die transparente Leiterplatte 4 kompakt und platzsparend
ausgeführt.
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Die
transparente Leiterplatte 4 wird vorzugsweise aus Glas
hergestellt. Es können
aber auch andere transparente Materialien wie z.B. verschiedene transparente
Kunststoffe verwendet werden.
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Zur
Verbesserung der optischen Eigenschaften kann in der transparenten
Leiterplatte 4 auch eine optische Blende 12 integriert
werden. Die optische Blende 12 kann aus auf die Leiterplatte 4 aufgedruckter
Farbe bestehen. Die Blende 12 kann dazu auf der Bestückungsseite
der Leiterplatte 4 zentrisch zu der optischen Linse 14 aufgedruckt
werden. Je nach geforderter optischer Eigenschaft kann die Blende 12 in ihrer
Form und Größe an bestimmte
Anforderungen angepasst werden.
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3 zeigt
eine weitere Ausführungsform des
optoelektronischen Verbundelements 1. Die transparente
Leiterplatte 4 weist mehrere optische Linsen 14 auf,
die nacheinander in gleichmäßigem Abstand
angeordnet sind. Wie in 2 gezeigt, sind mehrere einzelne
Strahlen zu einem Modul zusammengefasst. Diese Module können wiederum
in Reihe zusammengefasst werden. Dadurch lassen sich Lichtgitter
modular aufbauen und an vorgegebene Bedingungen der Anwendung anpassen.
So können zum
Beispiel die Module fünf
Strahlen beinhalten. Durch Kombination der Module sind dann Lichtgitter mit
den Abstufungen von fünf
Strahlen herstellbar. Die Lichtgitter können dadurch mit unterschiedlichen Schutzfeldhöhen modular
hergestellt werden.
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Die
transparente Leiterplatte 4 wird für das in 2 gezeigte
Modul in einem Stück
hergestellt. Dabei weist die transparente Leiterplatte 4 fünf optische Linsen 14 auf.
Die optischen Linsen 14 sind in einem bestimmten gleichmäßigen Abstand
angeordnet. Die Linsen 14 können wie in 1 beschrieben
unterschiedlich ausgeprägt
sein. Der Abstand der Linsen 14 bestimmt dabei die Auflösung des
Lichtgitters. So können
die Lichtgitter mit verschiedenen Auflösun gen zur Detektierung von
Fingern, Händen,
Armen oder Beinen hergestellt werden.
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Auf
der transparenten Leiterplatte 4 mit den integrierten Linsen 14 sind
die Leiterbahnen 20 für die
Aufnahme der elektronischen Bauelemente 8 aufgebracht.
Zentrisch zu den Linsen 14 sind die optoelektronischen
Bauelmente 10 angeordnet. Andere notwendige Bauelemente
zur Ansteuerung der optoelektronischen Bauelemente 10 werden
mit auf der Leiterplatte 4 untergebracht. Zwischen den
einzelnen Lichtschranken können
Steuerleitungen ausgeprägt sein.
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4 zeigt
das erfindungsgemäße Verbundelement 1,
eingebaut in einem Gehäuse 24 für Lichtgitter.
Die Lichtschranken oder Lichtgitter weisen an der Vorderseite eine
Frontscheibe 26 auf, durch die Sendestrahlen oder Empfangsstrahlen
dringen können.
Diese Frontscheibe 26 ist gleichzeitig die transparente
Leiterplatte 4 des optischen Verbundelementes 1.
Das Gehäuse 24 hat
die Form eines U-förmigen
Profils. An der Innenseite des Gehäuses 24 sind zwei
Aufnahmenuten 22 angebracht. In diese Aufnahmenuten 22 wird
das optische Verbundelement 1 eingeschoben. Es können auch
mehrere Verbundelemente 1 nacheinander eingeschoben werden.
Die einzelnen Verbundelemente 1 können hierzu aneinander befestigt
werden. Die transparente Frontscheibe 26 der einzelnen
Verbundelemente 1 bilden die Frontscheibe 26 des
Lichtgitters. Es ist keine zusätzliche
Frontscheibe 26 für
das Lichtgitter notwendig. Die Frontscheibe 26 kann zusätzliche
optische Eigenschaften aufweisen.
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Zur
Fremdlichtunterdrückung
kann die Frontscheibe mit verschiedenen Filtern realisiert werden. Dazu
wird die Frontscheibe zum Beispiel aus Infrarotdurchlässigem Material
hergestellt. Für
sichtbares Licht des menschlichen Auges ist die Frontscheibe allerdings
undurchlässig.
Die Sende- und Empfangsbauteile des Lichtgitters senden und empfangen
das Licht im Infrarotbereich. Dadurch wird das Lichtgitter unempfindlich
gegenüber
Fremdlichteinflüssen
aus der Umgebung wie zum Beispiel Stroboskoplampen oder Neonröhrenbeleuchtung.
Solche Störlichtquellen
finden sich oft in Industrieumgebungen. Durch die Störunterdrü ckung des
Lichtgitters wird die Verfügbarkeit
und die Sicherheit der Lichtgitter erhöht.
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Zur
Vermeidung von Oberflächenschäden auf
der Frontscheibe können
auch Oberflächenbeschichtungen
zur Vermeidung von Kratzern oder zur Verbesserung der Reinigungseigenschaften
aufgebracht sein.