DE102005008885A1 - Optoelektronisches Verbundelement - Google Patents

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Abstract

Optisches Verbundelement für Lichtgitter oder Lichtschranken, bestehend aus einer Leiterplatte aus transparentem Material mit aufgebrachten Leiterbahnen und mindestens einem aus den Leiterbahnen befestigten Bauelement, insbesondere 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, wobei die Leiterplatte starr ist und eine in die Leiterplatte integrierte optische Linse enthält, die dem Sende- und/oder Empfangselement zugeordnet ist.

Description

  • 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.
  • Derartige Vorrichtungen werden in der Regel verwendet, um optoelektronische Bauelemente für optoelektronische Anwendungen anzuordnen.
  • 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.
  • Solche Anordnungen finden typischerweise in optischen Systemen mit Linsen Anwendung. Weiterhin sind solche Anordnungen für Beleuchtungselemente und Lichtsensoren im Einsatz.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert.
  • In der Zeichnung zeigt:
  • 1; eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen optischen Verbundelementes;
  • 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des optischen Verbundelementes;
  • 3 eine schematische Darstellung eines Lichtgitters;
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Dadurch wird die transparente Leiterplatte 4 kompakt und platzsparend ausgeführt.
  • Die transparente Leiterplatte 4 wird vorzugsweise aus Glas hergestellt. Es können aber auch andere transparente Materialien wie z.B. verschiedene transparente Kunststoffe verwendet werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Zur Vermeidung von Oberflächenschäden auf der Frontscheibe können auch Oberflächenbeschichtungen zur Vermeidung von Kratzern oder zur Verbesserung der Reinigungseigenschaften aufgebracht sein.

Claims (11)

  1. Optisches Verbundelement für Lichtgitter oder Lichtschranken, bestehend aus einer Leiterplatte (4) aus transparentem Material mit aufgebrachten Leiterbahnen (20) und mindestens einem auf den Leiterbahnen (20) befestigten Bauelement (10), insbesondere ein optisches Empfangs- und/oder Sendeelement (10), dessen Lichteintrittsseite und/oder Lichtaustrittsseite in Richtung der Leiterplatte (4) gerichtet ist und die Leiterplatte (4) an den Stellen für den Lichteintritt oder Lichtaustritt keine Leiterbahnen (20) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (4) starr ist und eine in die Leiterplatte (4) integrierte optische Linse (14) enthält, die dem Sende- und/oder Empfangselement (10) zugeordnet ist.
  2. Optisches Verbundelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine optische Blende (12) direkt in die Leiterplatte (4) integriert ist.
  3. Optisches Verbundelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (14) auf der dem Sende- und/oder Empfangselement (10) zugeordneten Seite der Leiterplatte (4) integriert ist und die gegenüberliegende Seite der Leiterplatte (4) eine ebene Oberfläche aufweist.
  4. Optisches Verbundelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (20) aus Glas ist.
  5. Optisches Verbundelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (20) aus transparentem Kunststoff ist.
  6. Optisches Verbundelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Leiterplatte (4) ein optisches Filter aufweist.
  7. Optisches Verbundelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Linse (14) als Fresnel- oder Stufenlinse (28) ausgeprägt ist.
  8. Optisches Verbundelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Linsen (14) nebeneinander in die Leiterplatte (4) integriert sind.
  9. Optisches Verbundelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (14) einen Strahldurchmesser von 7 mm, 10 mm oder 23 mm aufweist.
  10. Optisches Verbundelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (4) als Frontscheibe (26) in einem Gehäuse (24) ausgebildet ist und die dem Sende- und/oder Empfangselement zugeordnete Seite der Leiterplatte (4) in die Gehäuseinnenseite gerichtet ist.
  11. Verwendung eines optischen Verbundelements (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Senden oder Empfangen von Licht in einem Lichtgitter oder Lichtschranke.
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