DE102007060767A1 - Optical element e.g. positive lens, for use in opto-electronic sensor arrangement on e.g. flexprint, is provided with focal length of less than three millimeter and arranged before light emitter and/or light receptor - Google Patents

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Abstract

The element is coupled with a heating element e.g. heating web, where the element has a focal length of less than 3 millimeter. The element is designed as a lens e.g. positive and negative lens, where the positive lens is made of thermoplastic plastic, and the negative lens is made of a silicon-containing material i.e. silicone. The negative lens partially or completely encloses the positive lens, and the heating web is connected directly with the element. The element is arranged before a light emitter and/or a light receptor. An independent claim is also included for an opto-electronic sensor arrangement.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Element gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The The invention relates to an optical element according to the Preamble of claim 1.

In optoelektronischen Schutzeinrichtungen wie beispielsweise Lichtgittern, Lichtschranken, Scannern oder Ähnlichem, welche in der Regel einen Lichtsender und einen Lichtempfänger aufweisen, werden Linsen zur Strahlformung auf der Sende- und der Empfangsseite eingesetzt. Diese Linsen bestehen vielfach aus thermoplastischen Kunststoffen, die preisgünstig mittels Spritzgusstechnik hergestellt werden können. Wird eine hohe Strahlqualität verlangt, ist insbesondere die Lage der Sende- und Empfangselemente entlang der optischen Achse von Bedeutung. Die relative Lage der Sende- und Empfangselemente zum Brennpunkt der Linse bestimmt die Divergenz des Strahlengangs, welche entscheidend für die Eigenschaften der Schutzeinrichtung ist.In optoelectronic protective devices such as light grids, Photoelectric sensors, scanners or the like, which in the Usually have a light emitter and a light receiver are Lens used for beam shaping on the transmitting and the receiving side. These lenses are often made of thermoplastic materials, which are inexpensively manufactured by injection molding can. If a high beam quality is required, is in particular the position of the transmitting and receiving elements along the optical axis of importance. The relative position of the transmitters and receiving elements to the focal point of the lens determines the divergence the beam path, which is crucial for the properties the protective device is.

Aus der DE 199 56 353 C1 ist es bekannt, zur Optimierung der Abbildungseigenschaften einer optischen Anordnung ein Heizelement vorzusehen.From the DE 199 56 353 C1 It is known to provide a heating element for optimizing the imaging properties of an optical arrangement.

Aus Kunststoffen gefertigte Linsen haben jedoch lediglich eine begrenzte Temperaturstabilität und zeigen teilweise ein ungünstiges Änderungsverhalten des Brechwerts in Abhängigkeit von der Temperatur. Dies führt unter anderem dazu, dass die Linsen nicht direkt auf einem Elektroträger aufgebracht werden können, bevor elektronische Bauteile in Reflow-Technik oder durch Lötprozesse aufgebracht werden. Dies ist jedoch notwendig, falls die strahlformenden optischen Elemente direkt mit dem Lichtsende- oder Lichtempfangselement verbunden werden sollen, um preiswerte und miniaturisierte Lösungen zu erzeugen.Out However, plastic-made lenses have only a limited Temperature stability and show some unfavorable change behavior of the refractive power as a function of the temperature. This causes, among other things, that the lenses are not directly can be applied to an electric carrier, before electronic components in reflow technology or by soldering processes be applied. However, this is necessary if the jet-forming optical elements directly to the light-emitting or light-receiving element to be connected to inexpensive and miniaturized solutions produce.

Aus der US 4 838 665 sind Linsen aus Silikongel sowie kombinierte Linsen aus Silikongel und Kunststoffen zur Kompensation von Temperatureffekten bekannt.From the US 4,838,665 silicone gel lenses and silicone gel and plastic lenses are known for compensating for temperature effects.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine preiswerte Lösung für ein optisches Element bereitzustellen, welche weiterhin eine gute Strahlqualität ermöglicht.The The object of the invention is an inexpensive solution for an optical element, which continue to provide a good beam quality allows.

Die Erfindung wird gelöst durch ein optisches Element mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.The Invention is achieved by an optical element with the Features of claim 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.advantageous Embodiments and developments of the invention are specified in the subclaims.

Erfindungsgemäß wird das optische Element zumindest teilweise auf einem silikonhaltigen Material, insbesondere aus Silikon, gefertigt. Silikon hat eine höhere Temperaturstabilität als ein thermoplastischer Kunststoff und widersteht auch den Temperaturen, welche bei einem Lötprozess erreicht werden. Zudem lässt sich Silikon auch in einem Spritzgussverfahren verarbeiten, so dass die Herstellungskosten gering sind. Insbesondere, falls das optische Element als Linse ausgebildet werden soll, kann Silikon in Form von klaren Linsen in einem Spritzgussverfahren billig hergestellt werden. Silikon hat weiter den Vorteil, dass sich bei einer Linse aus Silikon der Brennpunkt in Abhängigkeit von der Temperatur stark verschiebt, so dass die Steuerung der optischen Eigenschaften des optischen Elements durch das Heizelement bei aus Silikon gefertigten optischen Elementen besonders gut und präzise möglich ist. Insbesondere wird es bei optischen Elementen durch die Kombination eines Heizelements mit einem aus silikonhaltigen Material gefertigten optischen Element ermöglicht, sehr kurze Brennweiten im Bereich von weniger als 3 mm zu realisieren, so dass die optischen Elemente sehr klein ausgebildet und insbesondere bei optoelektronischen Schutzeinrichtungen, die soweit wie möglich miniaturisiert werden sollen, eingesetzt werden können.According to the invention the optical element at least partially on a silicone-containing Material, in particular made of silicone. Silicone has one higher temperature stability than a thermoplastic Plastic and also withstands the temperatures, which at one Soldering process can be achieved. In addition, can be silicone also process in an injection molding process, so that the manufacturing cost are low. In particular, if the optical element as a lens Silicone can be formed in the form of clear lenses be produced inexpensively in an injection molding process. silicone has the further advantage that the focus is on a silicone lens strongly shifts depending on the temperature, so that the control of the optical properties of the optical element through the heating element made of silicone optical elements especially good and precise is possible. Especially It is in optical elements by the combination of a heating element with an optical element made of silicone-containing material, to realize very short focal lengths in the range of less than 3 mm, so that the optical elements are made very small and in particular with opto-electronic protective devices as far as possible be miniaturized, can be used.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das optische Element wenigstens einen Bereich, vorzugsweise wenigstens eine Linse, aus einem thermoplastischen Kunststoff auf, auf oder um welchen wenigstens ein Bereich, vorzugsweise wenigstens eine Linse, aus einem silikonhaltigen Material angeordnet ist. Dadurch wird es möglich, eine preiswerte Linse für berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen vollständig mittels Spritzguss zu erstellen, die ihre Divergenz auch bei Temperaturschwankungen konstant hält. Insbesondere wird es durch eine derartige Kombination möglich, teure Glaslinsen durch preiswertere im Spritzguss hergestellte Linsen zu ersetzen, wobei der Wirkungsgrad aufgrund höherer numerischer Aperturen und besserer geometrischer Abberationen verbessert werden kann. Insbesondere führt dies beispielsweise bei optoelektronischen Anordnungen wie beispielsweise Scannern dazu, dass Lichtquellen, insbesondere Laserdioden geringer Leistung verwendet werden können, was die Kosten auch für die Anordnung, in der das optische Element zur Anwendung kommt, verringert.According to one preferred embodiment of the invention comprises the optical Element at least one region, preferably at least one lens, from a thermoplastic on, on or around which at least one area, preferably at least one lens a silicone-containing material is arranged. This will make it possible an inexpensive lens for non-contact To completely create protective devices by means of injection molding, which keeps its divergence constant even with temperature fluctuations. In particular, it becomes possible by such a combination expensive glass lenses through cheaper injection-molded lenses to replace, the efficiency due to higher numerical Apertures and better geometric aberrations can be improved. In particular, this leads, for example, to optoelectronic Arrangements such as scanners to allow light sources, especially laser diodes of low power can be used what the cost also for the arrangement in which the optical Element comes into use, reduced.

Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Linse aus dem thermoplastischen Kunststoff als Positivlinse, welche auch als Konvexlinse oder Sammellinse bezeichnet wird, und die Linse aus dem silikonhaltigen Material als Negativlinse, welche auch als Konkavlinse oder Zerstreuungslinse bezeichnet wird, ausgebildet. Aufgrund des großen Verhältnisses zwischen der Differenz der Brechwerte und der Differenz der Temperaturen des Silikon kann eine schwache Negativlinse aus Silikon eine thermische Kompensation der thermoplastischen Positivlinse erzielen, was besonders hohe numerische Aperturen ermöglicht.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the lens of the thermoplastic material as a positive lens, which is also referred to as a convex lens or converging lens, and the lens of the silicone-containing material as a negative lens, which is also referred to as a concave lens or diverging lens is formed. Due to the large ratio between the difference of the refractive indices and the difference of the temperatures of the silicone, a weak negative lens of silicone can provide a thermal compensation of the thermoplasti achieve positive lens, which allows very high numerical apertures.

Vorzugsweise umschließt die Linse aus dem silikonhaltigen Material die Linse aus dem thermoplastischen Kunststoff zumindest teilweise, insbesondere vollständig. Eine derartige Linse kann direkt in Zweikomponentenspritzgusstechnik gefertigt werden, bei der auch eine gute mechanische Bindung gewährleistet ist. Insbesondere kann das hoch temperaturfeste Silikon gleichzeitig auch als Isolator für das weniger temperaturfeste Thermoplast dienen, falls die derartig gefertigte Linse nachfolgend über Lötprozesse auf einem Elektroträger angeordnet werden soll.Preferably encloses the lens of the silicone-containing material the Lens made of the thermoplastic at least partially, especially complete. Such a lens can be directly in Two-component injection molding technology to be manufactured, at the same time a good mechanical bond is ensured. Especially The high-temperature-resistant silicone can also act as an insulator at the same time for the less temperature resistant thermoplastic, if the lens manufactured in this way subsequently via soldering processes to be placed on an electric carrier.

Vorzugsweise sind bei derartigen optischen Elementen Gesamtdivergenzen von weniger als 10°, insbesondere von weniger als 1° und Aperturen von mehr als 0,5 möglich.Preferably are overall divergences of less with such optical elements as 10 °, in particular less than 1 ° and apertures of more than 0.5 possible.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Heizelement als Heizbahn ausgebildet, welches vorzugsweise direkt mit dem optischen Element verbunden ist. Derartige optische Elemente sind insbesondere kostengünstig und kompakt zu fertigen.at a particularly preferred embodiment of the invention the heating element is designed as a heating track, which is preferably is directly connected to the optical element. Such optical In particular, elements are inexpensive and compact too finished.

Vorzugsweise ist die Temperatur des Heizelements über einen NTC-Widerstand bzw. einen PTC-Widerstand bestimmbar. Derartige Widerstandselemente ermöglichen eine sehr genaue Temperaturbestimmung, welche insbesondere in sicherheitsrelevanten Anwendungen der Schutzeinrichtungen, in welchen die optischen Elemente zur Anwendung kommen, vonnöten ist.Preferably is the temperature of the heating element via an NTC resistor or a PTC resistor determinable. Such resistance elements allow a very accurate temperature determination, which especially in safety applications of protective devices, in which the optical elements are used, needed is.

Das erfindungsgemäße optische Element kommt insbesondere in optoelektronischen Sensoranordnungen mit wenigstens einem Lichtsender und/oder wenigstens einem Lichtempfänger zur Anordnung. Besonders bevorzugt werden die optischen Elemente in optoelektronischen Sensoranordnungen verwendet, welche einen Überwachungsbereich auf Eindringen von Objekten überwachen und in Abhängigkeit davon ein Schaltsignal ausgeben, welches dazu verwendet wird, eine Anlage oder eine Maschine bei Eintreten einer Sicherheitsanforderung in einen sicheren Zustand zu überführen. Derartige Sicherheitssensoren sind vorzugsweise als sichere Sensoren im Sinne von Maschinensicherheit ausgebildet, was bedeutet, dass diese Sensoren oder die mit ihnen verbundenen Auswerte- und/oder Steuereinheiten den einschlägigen Normen EN 954 oder EN 61508 genügen.The optical element according to the invention comes in particular in optoelectronic sensor arrangements with at least one light transmitter and / or at least one light receiver for arrangement. Particularly preferably, the optical elements are used in optoelectronic sensor arrangements which monitor a surveillance area for intrusion of objects and output a switching signal in dependence thereon, which is used to transfer a plant or a machine to a safe state when a security request occurs. Such safety sensors are preferably designed as safe sensors in the sense of machine safety, which means that these sensors or the evaluation and / or control units connected to them comply with the relevant standards EN 954 or EN 61508 suffice.

Vorzugsweise ist der Lichtempfänger der optoelektronischen Sensoranordnung als ortsauflösender Lichtempfänger ausgebildet, wodurch die optoelektronische Sensoranordnung in verschiedenen Anwendungen einsetzbar wird.Preferably is the light receiver of the optoelectronic sensor arrangement designed as a spatially resolving light receiver, whereby the optoelectronic sensor arrangement in various applications can be used.

Besonders bevorzugt ist das optische Element in der optoelektronischen Sensoranordnung direkt mit einer Auswerte- und/oder Steuerelektronik verbunden, um auf diese Art und Weise in die Heizelemente direkt ansteuern zu können, oder ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform direkt mit dem Lichtsender bzw. dem Lichtempfänger verbunden, um eine Miniaturisierung der Komponenten der optoelektronischen Sensoranordnung zu ermöglichen.Especially preferred is the optical element in the optoelectronic sensor arrangement directly connected to an evaluation and / or control electronics, to drive in this way in the heating elements directly or is according to a preferred Embodiment directly with the light emitter or the light receiver connected to miniaturization of the components of the optoelectronic To allow sensor arrangement.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das optische Element der optoelektronischen Sensoranordnung direkt auf einem Elektroträger, beispielsweise einem Flexprint oder einem PCB (Printed Circuit Board) angeordnet, so dass aufwändige Koppelelemente zum Anbringen der optischen Elemente auf dem Elektroträger entfallen. Das aus silikonhaltigem Material gefertigte optische Element lässt sich direkt auf den Elektroträger löten, ohne dass die hohen Temperaturen des Lötprozesses das optische Element beeinflussen würden. Die Temperierung des optischen Elements erfolgt mit Heizbahnen, die direkt mit der Silikonlinse kontaktiert sind, um die Verluste gering zu halten. Die Temperatur liegt dabei bevorzugt in einem Bereich oberhalb der Umgebungstemperatur, so dass keine Kühlung der Komponenten vonnöten ist.According to one particularly preferred embodiment of the invention the optical element of the optoelectronic sensor array directly on an electric carrier, for example a Flexprint or a PCB (Printed Circuit Board) arranged, so that consuming Coupling elements for attaching the optical elements on the electric carrier omitted. The made of silicone-containing material optical Element can be soldered directly onto the electret carrier, without the high temperatures of the soldering process the optical Element would influence. The temperature of the optical Elements takes place with heating tracks, which contacts directly with the silicone lens are to keep the losses low. The temperature is here preferably in a range above the ambient temperature, so that no cooling of the components is needed.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 19956353 C1 [0003] - DE 19956353 C1 [0003]
  • - US 4838665 [0005] - US 4838665 [0005]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • - EN 954 [0016] - EN 954 [0016]
  • - EN 61508 [0016] - EN 61508 [0016]

Claims (13)

Optisches Element, welches mit wenigstens einem Heizelement gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element zumindest teilweise aus einem silikonhaltigen Material gefertigt ist.Optical element, which is coupled to at least one heating element, characterized in that the optical element is at least partially made of a silicone-containing material. Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element als Linse ausgebildet ist.Optical element according to claim 1, characterized in that that the optical element is designed as a lens. Optisches Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element aus Silikon gefertigt ist.An optical element according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the optical element made of silicone is. Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element wenigstens einen Bereich, vorzugsweise wenigstens eine Linse, aus einem thermoplastischen Kunststoff aufweist, auf oder um welchen wenigstens ein Bereich, vorzugsweise wenigstens eine Linse, aus einem silikonhaltigen Material angeordnet ist.Optical element according to one of the preceding claims, characterized in that the optical element at least one Area, preferably at least one lens, made of a thermoplastic Plastic, on or around which at least one area, preferably at least one lens, arranged from a silicone-containing material is. Optisches Element nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse aus dem thermoplastischen Kunststoff als Positivlinse und die Linse aus dem silikonhaltigen Material als Negativlinse ausgebildet ist.Optical element according to Claim 4, characterized that the lens of the thermoplastic material as a positive lens and the lens of the silicone-containing material as a negative lens is trained. Optisches Element nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse aus dem silikonhaltigen Material die Linse aus dem thermoplastischen Kunststoff zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, umschließt.An optical element according to claim 4 or 5, characterized characterized in that the lens is made of the silicone-containing material the lens of the thermoplastic at least partially, preferably completely, encloses. Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element eine Brennweite von weniger als 3 mm ausweist.Optical element according to one of the preceding claims, characterized in that the optical element has a focal length less than 3 mm. Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement als Heizbahn ausgebildet ist, welche vorzugsweise direkt mit dem optischen Element verbunden sind.Optical element according to one of the preceding claims, characterized in that the heating element is designed as a heating track which is preferably connected directly to the optical element are. Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Heizelements über einen NTC-Widerstand bzw. einen PTC-Widerstand bestimmbar ist.Optical element according to one of the preceding claims, characterized in that the temperature of the heating element via an NTC resistor or a PTC resistor can be determined. Optoelektronische Sensoranordnung mit wenigstens einem Lichtsender und/oder wenigstens einem Lichtempfänger, vor welchem ein optisches Element angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.Optoelectronic sensor arrangement with at least a light emitter and / or at least one light receiver, in front of which an optical element is arranged, characterized that the optical element according to one of the preceding Claims is formed. Optoelektronische Sensoranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtempfänger als ortsauflösender Lichtempfänger ausgebildet ist.Optoelectronic sensor arrangement according to claim 10, characterized in that the light receiver as Location-resolving light receiver is formed. Optoelektronische Sensoranordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element direkt mit einer Auswerte- und/oder Steuerelektronik verbunden ist oder direkt mit dem Lichtsender bzw. dem Lichtempfänger verbunden ist.Optoelectronic sensor arrangement according to claim 10 or 11, characterized in that the optical element directly is connected to an evaluation and / or control electronics or directly connected to the light transmitter or the light receiver is. Optoelektronische Sensoranordnung nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element direkt auf einem Elektroträger angeordnet ist.Optoelectronic sensor arrangement according to claim 10, 11 or 12, characterized in that the optical element is arranged directly on an electric carrier.
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