DE102008009213B4

DE102008009213B4 - Strahlungsleiter, Detektor, Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102008009213B4
Application number: DE102008009213A
Authority: DE
Inventors: Arthur Dr. Barlow
Original assignee: PerkinElmer Optoelectronics GmbH and Co KG
Current assignee: Excelitas Technologies Singapore Pte Ltd
Priority date: 2008-02-15
Filing date: 2008-02-15
Publication date: 2010-09-02
Anticipated expiration: 2028-02-16
Also published as: WO2009100804A1; DE102008009213A1; TW200941416A

Abstract

Strahlungsleiter (10) mit
einem ersten Kopplungsabschnitt (11a) zu einer ersten elektrooptischen Komponente (21a) hin, die eine Strahlungsquelle ist,
einem zweiten Kopplungsabschnitt (11b) zu einer zweiten elektrooptischen Komponente (21b) hin, die ein Strahlungssensor ist,
einem ersten Strahlungsleitungsabschnitt (12a, 13a), der einen ersten Strahlungsweg (14a) in Beziehung zu der ersten elektrooptischen Komponente ergibt, und
einem zweiten Strahlungsleitungsabschnitt (12b, 13b), der einen zweiten Strahlungsweg (14b) in Beziehung zu der zweiten elektrooptischen Komponente ergibt,
wobei der erste und der zweite Strahlungsleitungsabschnitt so angeordnet sind, dass sie den ersten und den zweiten Strahlungsweg (14a, 14b) so bilden, dass diese sich in einem Erfassungsbereich (15) außerhalb des Strahlungsleiters schneiden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Strahlungsleiter und einen Detektor sowie ein Herstellungsverfahren gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
Als ein Beispiel kann die Erfindung Rauchmelder betreffen, die zur Erfassung von Teilchen, wie etwa festen Teilchen oder flüssigen Tröpfchen in einem Fluid, wie etwa der Umgebungsluft, bereitgestellt sind. Sie kann zur Erfassung von Feuer oder unzulässigem Rauchen oder Dampf oder Nebel oder ähnlichen Bedingungen eingesetzt werden. Ein Typ von Rauchmelder nutzt die Tatsache, dass Rauchpartikel Strahlung streuen. Somit kann Rauch erfasst werden, indem entweder die gestreute Lichtintensität in einem spezifischen Streuwinkel überwacht wird (wobei sich die Intensität erhöht, wenn Rauch vorhanden ist) oder indem die übertragene Strahlungsintensität (welche abnimmt, wenn Rauch vorhanden ist) zur Erfassung der Anwesenheit von Rauch überwacht wird. US 4 103 997 offenbart einen Rauchmelder, der die gestreute Lichtintensität nutzt und ein Gehäuse umfasst, das eine Lichtquelle, ein Lichtempfangselement und einen Rauchsammlungsbereich sowie einzelne Komponenten, zum Beispiel Linsen oder Lichtleiter, enthält, um einen Strahlungsleiter für Quelle und Detektor zu ergeben. Die optischen Achsen der Lichtquelle und des Empfangselements schneiden sich in einem Streuwinkel von 30° bis 75°. EP 0 105 199 zeigt eine ähnliche Vorrichtung.
Diese bekannten Vorrichtungen sind einerseits von vergleichsweise voluminösem Aufbau und andererseits ist es schwierig, sie auf präzise Weise zusammenzubauen, so dass die optischen Achsen der verschiedenen Komponenten korrekt justiert sind.
Die früher eingereichte Anmeldung DE 10 2007 045 018.6 derselben Anmelderin offenbart reflektierende oder lichtbrechende Strahlungsleiter für jeweils eine oder beide der elektrooptischen Komponenten.
Die EP 0102189 A2 beschreibt ein Reflektometer. Es weist mehrere Strahlungsquellen auf, die durch ein Gehäuse hindurch ein flaches Testelement beleuchten. Von ihm ausgehend fällt Strahlung auf einen Detektor.
Die WO 2004/053429 A2 beschreibt einen Trübungssensor für Flüssigkeiten. Er weist ein wasserdichtes Gehäuse auf, in dem eine lichtemittierende Diode und eine Photodiode aufgenommen sind.
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Strahlungsleiters, eines Detektors und eines Herstellungsverfahren dafür, das einen Detektor, insbesondere einen Rauchmelder, ergibt, der von kleiner Größe und leicht zusammenzubauen ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Abhängige Ansprüche richten sich auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
Ein Strahlungsleiter umfasst einen ersten Übergangsabschnitt zu einer ersten elektrooptischen Komponente hin, die eine Strahlenquelle ist, etwa einer LED, einen zweiten Übergangsabschnitt zu einer zweiten elektrooptischen Komponente hin, die ein Strahlungssensor ist, etwa eine Fotodiode oder einen anderen Infrarotdetektor, einen ersten Strahlungsleitungsabschnitt, der einen ersten Strahlungsweg in Beziehung zu der ersten elektrooptischen Komponente ergibt, und einen zweiten Strahlungsleitungsabschnitt, der einen zweiten Strahlungsweg in Beziehung zu der zweiten elektrooptischen Komponente ergibt, wobei der erste und der zweite Strahlungsleitungsabschnitt so angeordnet sind, dass sie den ersten und den zweiten Strahlungsweg so bilden, dass diese sich in einem Erfassungsbereich außerhalb des Strahlungsleiters schneiden.
Ein derartiger Strahlungsleiter ergibt einen kleinen Rauchmelder, da die Strahlungswege einen vergleichsweise kleinen Streuwinkel an dem Erfassungsbereich, wie etwa 30° oder weniger oder 25° oder weniger oder sogar 20° oder weniger, beinhalten können. Die Über gangsabschnitte ergeben eine Selbstausrichtungs- und Integrationsfunktion, die durch Formen des Strahlungsleiters direkt auf eine oder beide der entsprechend gehaltenen elektrooptischen Komponenten oder durch Vorsehen von einer oder mehreren Vertiefungen mit formschlüssigen Oberflächenbereichen in einer oder beiden Vertiefungen hergestellt werden kann. Der spitze Winkel ergibt eine Vorrichtung von kleiner Größe und die Schnittstelle zu den elektrooptischen Komponenten hin entweder durch direktes Formen oder durch Vorsehen von Vertiefungen macht es einfach, dieselbe zusammenzubauen, so dass die Aufgabe der Erfindung durch die obige Konstruktion gelöst wird. Anstelle von oder zusätzlich zu dem direkten Formen des Strahlungsleiters auf die elektrooptischen Komponenten können andere Einkapselungs- bzw. Vergusseinrichtungen oder Techniken verwendet werden. Der Strahlungsleiter und die Komponenten werden dann in der Tat zu einer einzelnen bzw. einzigen Festkörperkomponente.
Ein Rauchmelder umfasst einen Strahlungsleiter, wie oben, in den die elektrooptischen Komponenten eingepasst sind, und Schaltungen für die Stromversorgung, Strahlungsquellenansteuerung und Strahlungssensorsignalerfassung. Außerdem kann der Rauchmelder ein rauchdurchlässiges Gehäuse umfassen, das den Erfassungsbereich umgibt und ihn gegen Umgebungslicht, Insekten und dergleichen schützt. Das Gehäuse kann auch zumindest einen Teil des Strahlungsleiters aufnehmen oder an diesem angebracht sein.
Der Strahlungsleiter kann ebenfalls bei anderen Detektoranwendungen eingesetzt werden, die die Erfassung emittierter Strahlung und somit eine Strahlungsquelle und einen Strahlungssensor nutzen. Auch werden derartige andere Detektoren klein und leicht zusammenzubauen, da die Strahlungsquelle und der Strahlungssensor eng zusammenkommen, da ihre jeweiligen zugeteilten optischen Wege ei nen kleinen Winkel einschließen, der auch 0° sein kann, und weil die Komponenten in ausgerichtetem Zustand zusammengeformt werden können.
Nachstehend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine schematische Seitenansicht eines Strahlungsleiters ist,
2 eine Schnittansicht eines Rauchmelders im Ganzen ist,
3 eine schematische Darstellung der in dem Rauchmelder verwendeten Schaltungen ist, und
4 verschiedene Ansichten eines Strahlungsleiters zeigt.
Allgemein bezeichnen in dieser Beschreibung gleiche Bezugsziffern die gleichen Merkmale. Merkmale sollen als miteinander kombinierbar betrachtet werden, auch wenn dies nicht explizit gesagt ist, bis zu dem Ausmaß, dass technische Gründe eine solche Kombination nicht ausschließen.
Die folgende Beschreibung betrifft Rauchmelderanwendungen der Erfindung als eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Aber die beschriebenen Merkmale können auch für andere Detektoranwendungen anwendbar sein. „Detektor” kann vorliegend sowohl die qualitative als auch die quantitative Erfassung eines Zustands von Interesse bedeuten.
In 1 bezeichnet die Bezugsziffer 1 den Strahlungsleiter, 11a und 11b bezeichnen Strahlungsübergangsabschnitte, die als Vertiefungen gezeigt sind, 12a und 12b bezeichnen einen ersten und einen zweiten Strahlungsleitungsabschnitt, 13a und 13b bezeichnen strahlungsdurchlässige Oberflächenbereiche, die kuppelförmig oder konvex oder linsenartig (auch wie eine Fresnel-Linse) sein können, 14a und 14b bezeichnen den idealen ersten und zweiten Strahlungsweg, wie er von den Mitten der Strahlungsübergangsabschnitte 11 und transparente Oberflächenbereiche 13 begrenzt wird. Mit 15 ist ein Erfassungsbereich bezeichnet, 16a und 16b bezeichnen eine erste und eine zweite Oberfläche des Strahlungsleiters und 17 bezeichnet eine weitere Vertiefung.
Die Strahlungsübergangsabschnitte 11a und 1lb können für elektrooptische Komponenten, insbesondere für eine Strahlungsquelle 21a bzw. einen Strahlungssensor 21b, vorgesehen sein. Die Strahlungsübergangsabschnitte 11a und 11b gestatten einen Strahlungsübergang zwischen dem Strahlungsleiter 10 und der jeweiligen elektrooptischen Komponente. Sie können entsprechend geformt und entworfene Oberflächenbereiche des Strahlungsleiters 10 sein, die etwas entfernt von den jeweiligen elektrooptischen Komponenten sein können oder die teilweise oder vollständig formschlüssig sind.
Gleichermaßen kann der Strahlungsleiter direkt auf die elektrooptische Komponente geformt sein, so dass der Übergangsabschnitt die innige Verbindung zwischen der elektrooptischen Komponente und dem darauf geformten Material ist. Die Strahlungsübergangsabschnitte 11a, 1lb können sich darin unterscheiden, dass einer von ihnen als deutliche Vertiefung ausgebildet ist und der andere ausgebildet wird, indem der Strahlungsleiter direkt auf die elektrooptische Komponente geformt wird.
Die elektrooptischen Komponenten 21a, 21b können die Form von in einem Gehäuse eingesetzten Komponenten annehmen, wie etwa die üblichen kunststoffverkapselten Vorrichtungen von LEDs oder regu lär in Gehäuse eingesetzten Strahlungssensoren, oder sie können ein bloßer Emitter-Halbleiterchip (wie etwa ein LED-Chip, eine Laserquelle, wie etwa eine Laserdiode, oder dergleichen) und Sensor-Halbleiterchip (wie etwa eine Fotodiode oder ein lichtabhängiger Widerstand (LDR) auf einem Substrat) sein, der jeweils auf Verbindungs-Leiterrahmen platziert wird. In letzterem Fall bildet der Strahlungsleiter 10 eine Einkapselung rund um die Quelle 21a und den Strahlungssensor 21b zusätzlich zur Begrenzung der optischen Wege 14a und 14b.
In 1 wird angenommen, dass der obere Strahlungsweg 14a Licht aus der Strahlungsquelle 21a über den Übergangsabschnitt 11a, den Strahlungsleiterkörper und dessen ersten strahlungsdurchlässigen Oberflächenbereich 13a zu dem Erfassungsbereich 15 führt, während der untere Strahlungsweg 14b möglicherweise gestreutes Licht von dem Erfassungsbereich 15 über den zweiten strahlungsdurchlässigen Oberflächenbereich 13b, den Strahlungsleiterkörper und den Übergangsabschnitt 11b zum Strahlungssensor 21b hin führt. Die Strahlungswege 14a und 14b schneiden sich am Erfassungsbereich 15 in einem Winkel α, der kleiner als 20° oder kleiner als 15° sein kann.
Die Gesamtform des Strahlungsleiters kann diejenige eines rechteckigen Parallelepipeds mit drei Paar gegenüberliegenden Oberflächen sein. In einem allgemeineren Sinn weist der Strahlungsleiter zumindest zwei gegenüberliegende Oberflächen 16a und 16b auf, wobei eine von ihnen die Übergangsabschnitte 11a und 11b für die elektrooptischen Komponenten aufweist und die andere strahlungsdurchlässige Oberflächenbereiche 13a und 13b aufweist, die Strahlung durchtreten lassen. Der Schnittpunkt der Strahlungswege 14a und 14b kann optisch erreicht werden, indem Strahlung entsprechend abgelenkt und auf eine solche Weise gebeugt wird, dass der gewünschte Schnittpunkt erhalten wird. Er kann jedoch auch erreicht werden, indem die Übergangsabschnitte 11a und 11b weiter von einander entfernt als die transparenten Oberflächenbereiche 13a und 13b beabstandet werden. Die jeweiligen Abstände der jeweiligen Mitten sind mit d2 und d1 bezeichnet, und somit ist d2 bei dieser Ausführungsform kleiner als d1.
Die Vertiefungen und gleichermaßen die strahlungsdurchlässigen Oberflächenbereiche oder die optischen Achsen der elektrooptischen Komponenten können, verglichen mit der vertikalen und horizontalen Richtung, geneigt sein, vorzugsweise um α/2 gegen die horizontale Richtung in 1. Die strahlungsdurchlässigen Oberflächenbereiche 13a und 13b können linsenförmig sein, um eine Art Fokussierung oder Lichtbeschränkung zu bewirken, wie etwa diejenige, die in der früher eingereichten Anmeldung DE 10 2007 045 018.6 derselben Anmelderin beschrieben ist, die reflektierende oder lichtbrechende Strahlungsleiter für jeweils eine oder beide der elektrooptischen Komponenten offenbart. Der Fokus muss nicht am Erfassungsbereich 15 sein. Die Fokussierungswirkung kann es auch sein, einen divergierenden Lichtstrahl von der Quelle in einen mehr oder weniger parallelen Strahl in Richtung des Erfassungsbereichs zu wandeln. Fokussierende Oberflächenbereiche können auf eine solche Weise bereitgestellt werden, dass sie dem Erfassungsbereich 15 zugewandt sind, wie in 1 gezeigt, und/oder sie können auf eine solche Weise bereitgestellt werden, dass sie der elektrooptischen Komponente am Übergangsabschnitt 11a, 11b zugewandt sind (in 1 nicht gezeigt).
Allgemein kann die Fokussierung so entworfen sein, dass auf der Seite von einer oder beiden der elektrooptischen Komponenten die Apertur des optischen Wegs eine bestimmte Beziehung zu dem jeweiligen aktiven oder effektiven Bereich der Komponente (aktiver Bereich des LED-Chips, LED-Apertur, Sensorchipbereich, Sensorapertur) aufweist. Es kann so sein, dass die Apertur im Wesentlichen die gleiche wie der aktive oder effektive Bereich der jeweiligen Komponente ist Auf der Seite des Erfassungsbereichs 15 kann die Apertur so eingestellt sein, dass der Erfassungsbereich eine gewünschte Größe aufweist. Es wird bemerkt, dass der Erfassungsbereich durch das Raumvolumen begrenzt ist, das durch den Schnittspunkt der Strahlungswege zu den elektrooptischen Komponenten hin begrenzt ist.
Der gesamte Strahlungsleiter 10 kann ein gegossener und bevorzugt massiver Körper aus strahlungsdurchlässigem Material sein oder diesen umfassen. Er kann Harzmaterial mit irgendwelcher gewünschter spektraler Verteilungscharakteristik sein. Dessen Strahlungsdämpfung sollte niedrig oder angemessen sein, aber ein bestimmter Betrag an Strahlungsdämpfung entlang des optischen Wegs kann akzeptiert werden. Dennoch kann er innere Hohlräume umfassen, zum Beispiel, um ungewollte Strahlungsdämpfung zu vermeiden. In einem solchen Körper können die strahlungsdurchlässigen Oberflächenbereiche 13a und 13b mit Fokussierungswirkung mit dem Rest des Körpers einstückig geformt sein und somit aus demselben Material bestehen, oder sie können in den Körper geformte separate Teile sein.
Der Abstand d3 der Mitte des Erfassungsbereichs 15 von der zweiten Oberfläche 16b kann kleiner als die zweifache Länge des Strahlungsleiters (maximaler Abstand der zwei Oberflächen 16a und 16b), vorzugsweise kleiner als das 1,5-Fache der Länge, sein. Der Abstand d3 kann kleiner als 5 cm oder kleiner als 4 cm oder kleiner als 3 cm sein. Die Länge l des Strahlungsleiters kann kleiner als seine Höhe h sein (in der Richtung, in der die Übergangsabschnitte voneinander entfernt sind) oder sie kann von gleicher Größe oder sie kann größer sein. Die Breite w kann kleiner als die Höhe des Strahlungsleiters 10 sein. Der Mittenabstand d2 unter den Übergangsabschnitten, wie in 1 angegeben, kann kleiner als 3 cm oder kleiner als 1 cm sein.
Eine der Vertiefungen oder beide können zumindest teilweise formschlüssige Oberflächen vorgeformt haben. Der Formschluss kann für eine elektrooptische Komponente vorgesehen sein, die in der jeweiligen Vertiefung unterzubringen ist, oder er kann in Beziehung zu einem Adapter für die elektrooptische Komponente vorgesehen sein. Somit kann die elektrooptische Komponente direkt in die jeweilige Vertiefung formschlüssig eingepasst sein oder sie kann in einen Adapter formschlüssig eingepasst sein, der wiederum formschlüssig in die Vertiefung eingepasst ist. Wie vorstehend angegeben, werden bei einer weiteren Ausführungsform der bloße Emitter-Halbleiterchip und der Sensor-Halbleiterchip, die jeweils auf Verbindungs-Leiterrahmen platziert sind, unter Verwendung des Strahlungsleiters 10 geformt oder eingekapselt bzw. vergossen, wobei in diesem Fall die Vertiefungen 11a und 11b weggelassen und ununterscheidbare Teile des Strahlungsleiters 10 sind. Durch dieses Merkmal richtet sich die Konstruktion selbst aus, so dass der Zusammenbau des gesamten Rauchmelders einfach wird. Der Formschluss kann in dem Maß vorgesehen sein, dass der translatorische und rotatorische Freiheitsgrad beim Platzieren einer Komponente nach Bedarf festgelegt sind.
Ein mechanischer Adapter kann zwischen einer elektrooptischen Komponente und der Strahlungsleitervertiefung vorgesehen sein. Dies kann von Vorteil sein, wenn es gewünscht ist, einen linsenförmigen oder kuppelförmigen oder fokussierenden Oberflächenbereich zu haben, der zu der elektrooptischen Komponente hin gerichtet ist, der schwierig zu formen wäre, wenn gleichzeitig ein Formschluss mit der unmittelbaren elektrooptischen Komponente erfolgen müsste.
Auf einer entsprechenden Außenoberfläche kann der Strahlungsleiter mit Merkmalen einer oberflächenmontierbaren Vorrichtung versehen sein. Insbesondere kann er Kontaktflächen 24 umfassen, die in Richtung der elektrooptischen Komponenten und der dazugehörigen Schaltungen entsprechend verdrahtet sind. Die Merkmale der oberflächenmontierbaren Vorrichtung können unmittelbar auf dem Strahlungsleiterkörper selbst oder auf einem Hilfskörper vorgesehen sein, zum Beispiel einer Leiterplatte, die an dem Strahlungsleiterkörper angebracht ist.
Der Strahlungsleiter 10 kann eine weitere Vertiefung 17 umfassen. Die Vertiefung kann bereitgestellt sein, um darin Schaltungselemente aufzunehmen, die möglicherweise von einer Leiterplatte vorstehen. Gleichermaßen kann sie dazu dienen, eine zweite Strahlungsquelle aufzunehmen, so dass die weitere Vertiefung 17 gebildet werden kann und Eigenschaften wie die vorstehend angegebenen Übergangsabschnitte 11a und 11b aufweist. Eine derartige zweite Strahlungsquelle kann von einer spektralen Verteilungscharakteristik sein, die sich von derjenigen der ersten Strahlungsquelle unterscheidet. Sie kann einen eigenen Strahlungsweg (in 1 nicht gezeigt) mit den gleichen oder ähnlichen Merkmalen wie denjenigen der bereits beschriebenen Strahlungswege 14a und 14b aufweisen. Der Strahlungsrückweg für Strahlung von der zweiten Strahlungsquelle zu dem Sensor hin kann der gleiche wie der Strahlungsrückweg für Strahlung von der ersten Strahlungsquelle 21a sein. Die erste und die zweite Strahlungsquelle können jedoch auch nahe zusammen positioniert sein, so dass sie mit ausreichender Präzision beim Fokussieren und der Strahlungsleitung denselben Strahlungsweg 14a begrenzen oder benutzen.
Anders als in 1 gezeigt, wenn zwei Strahlungsquellen vorgesehen sind, können sie Seite an Seite platziert sein, d. h. in 1 in einer zur Zeichnungsebene vertikalen Richtung entfernt. Dann würden die jeweiligen Strahlungswege im Wesentlichen den gleichen Winkel α mit dem Strahlungsrückweg zu dem Sensor hin einschließen. Es kann jedoch auch gewünscht sein, verschiedene Winkel herzustellen, indem die Strahlungsquellen und ihre entsprechenden Übergangsabschnitte in 1 in vertikaler Richtung entfernt vorgesehen werden.
Das Modul kann zur Aufnahme von entweder verkapselten LEDs entworfen sein, oder es kann nur LED-Chips aufnehmen. Für die Strahlung vorgesehene Farbcharakteristiken können direkt von der emittierten Strahlung der LED kommen oder sie können von dem Verkapselungsmittel der LED (LED-Paket) oder von Farbbereichen des Strahlungsleiterkörpers 10 kommen. Einzelne derartige farbige transparente Teile können in den Strahlungsleiterkörper geformt sein, oder er kann vollständig aus entsprechend farbigem Material bestehen.
Wenn der Strahlungsleiter nur LED-Chips aufnimmt, können zwei oder mehrere solcher Chips von bevorzugt unterschiedlicher spektraler Verteilungscharakteristik nahe beieinander vorgesehen sein, so dass sie denselben optischen Weg 14a und optische Strukturen in Richtung des Erfassungsbereichs 15 benutzen.
Es wird hier bemerkt, dass Strahlungsquellen mit unterschiedlicher spektraler Verteilungscharakteristik identische Strahlungsemitter, aber danach eine Art von spektraler Differenziation irgendwo auf dem optischen Weg, d. h. ebenfalls jenseits und weg von der Strahlungsquelle in einem technischen Sinn, beinhalten können. Wenn Quellen mit mehreren spektralen Verteilungscharakteristiken verwendet werden, können sie gleichzeitig oder auf abwechselnde Weise angesteuert werden Wenn sie auf abwechselnde Weise angesteuert werden, kann eine Signalauswertung entsprechend abwechselnd erfolgen, so dass abwechselnde Ausgaben empfangen werden. Sie können entsprechend verarbeitet oder separat ausgegeben werden.
Wenn mehrere spektrale Verteilungscharakteristiken verwendet werden, können sie sichtbares Licht und UV-Strahlung und IR-Strahlung beinhalten. Wenn nur eine Strahlungsquelle verwendet wird, kann sie sichtbare Strahlung und/oder UV-Strahlung und/oder Infrarotstrahlung verwenden.
Der Strahlungsleiter 10 kann weiterhin Anbringungsmittel zum Anbringen einer Komponente an dem Strahlungsleiter aufweisen. Die Anbringungsmittel können einteilig geformte elastische Bereiche zum Vorsehen einer Art Schnappwirkung sein. Sie können bereitgestellt sein, um zum Beispiel eine Leiterplatte oder einen Leiterrahmen an dem Strahlungsleiterkörper zu befestigen, und/oder sie können auch vorgesehen sein, um den Strahlungsleiter an einer anderen größeren Komponente oder Leiterplatte oder Befestigungsstelle anzubringen.
2A zeigt einen Rauchmelder im Ganzen. Er umfasst den Strahlungsleiter 10, wie er bis jetzt beschrieben wurde. Außerdem umfasst er die elektrooptischen Komponenten 21a (Strahlungsquelle, LED, Laserlichtquelle, Laserdiode) und 21b (Strahlungssensor, Infrarotsensor, Thermosäule, Fotodiode) an dem jeweiligen Übergangsabschnitt. Eine Leiterplatte oder ein Leiterrahmen 23 kann vorgesehen und an dem Strahlungsleiter 10 in geeigneter Weise angebracht sein, zum Beispiel durch Zusammenklammern oder Zusammenkleben der Komponenten oder durch Formen des Strahlungsleiters auf den Leiterrahmen oder die Leiterplatte 23. Die Leiterplatte kann eine Verdrahtung und möglicherweise auch Schaltungselemente zur Stromversorgung, Strahlungsquellenansteuerung und Sensorsignalerfassung und -auswertung und zur Signalausgabe tragen. Weiterhin kann sie die bereits genannten Aufbauten für oberflächenmontierbare Vorrichtungen, wie etwa Kontaktstellen 24, tragen. Die Leiterplatte oder der Leiterrahmen 23 können wie gezeigt angebracht sein, um die erste Oberfläche 24a abzudecken. Jedoch kann sie oder er auch auf einer Seitenoberfläche (wie etwa der oberen Oberfläche oder der unteren Oberfläche in 2A) vorgesehen sein.
Die transparenten Oberflächenbereiche 13a und 13b sind als Oberflächenbereiche des Formungsmaterials selbst gezeigt. Sie können geformt werden, indem die zum Formen verwendete Form entsprechend geformt wird. In einer anderen, nicht gezeigten, Ausführungsform kann ein transparenter Oberflächenbereich 13a, 13b eine Oberfläche eines getrennt geformten Körpers (zum Beispiel einer Linse) sein, die in oder auf den Strahlungsleiterkörper geformt wurde.
Der Rauchmelder kann ein rauchdurchlässiges, aber Strahlung abschirmendes Gehäuse 22 umfassen. Das Gehäuse kann den Erfassungsbereich 15 zum Vermeiden von Umgebungslicht/-strahlung (UV, sichtbar, IR) umgeben, das/die zu Falscherfassungen führen kann. Das Gehäuse kann Umgebungsstrahlung auf eine solche Weise abschirmen, dass sie nicht in den Strahlungsrückweg zum Sensor hin reicht, was zu Falscherfassungen führen würde. Das Gehäuse kann auch zumindest einen Teil oder alles von dem Strahlungsleiter aufnehmen, vorzugsweise so, dass ein Oberflächenteil des Strahlungsleiters zur elektrischen Anschlussfähigkeit zugänglich bleibt, oder das Gehäuse kann an dem Strahlungsleiter anbringbar sein. Die Konstruktion kann derart sein, dass wesentliche Teile des Strahlungsleiters in das Gehäuse rutschen bzw. gleiten. Das Gehäuse wiederum kann Befestigungsteile zum Befestigen des Rauchmelders an einer Anbringungsseite und/oder oberflächenmontierbare Vorrichtungsaufbauten, wie bereits vorstehend erwähnt, für den Strahlungsleiter selbst aufweisen. Das Gehäuse kann eine einteilige Komponente oder eine mehrteilige Komponente sein.
Das Gesamterscheinungsbild des Rauchmelders kann auf eine solche Weise verlängert sein, dass er zwei Enden 28 und 29 aufweist. Der Erfassungsbereich 15 kann an oder nahe dem einen Ende 28 sein, während das andere Ende 29 von dem Strahlungsleiter und insbesondere den elektrooptischen Komponenten eingenommen ist. Die Gesamtlänge L kann weniger als 8 cm oder weniger als 6 cm betragen. Die Gesamthöhe H kann weniger als 4 cm oder weniger als 3 cm sein. Die Gesamtbreite kann weniger als 2 cm oder weniger als 1,5 cm betragen.
2B zeigt als Teilzeichnung der Ausführungsform, wo der Strahlungsleiter 10 direkt auf die elektrooptischen Komponenten 21a, 21b geformt ist. Sie können auf einem Leiterrahmen oder einer Leiterplatte 23 sitzen, können aber auch gleichermaßen nur ihre eigenen elektrischen Verbindungen aufweisen, die in dem Zusammenbau zugänglich sind, ohne dass ein Leiterrahmen oder eine Leiterplatte vorgesehen ist. Die Übergangsabschnitte 11a, 11b sind hier die mechanischen Kontaktoberflächen zwischen der jeweiligen elektrooptischen Komponente 21a, 21b und dem Material des Strahlungsleiters 10.
3 zeigt schematisch Schaltungen, die für den Rauchmelder verwendet werden können. Die linke Seite ist die Strahlungsquellenseite. Die rechte Seite ist die Strahlungssensorseite. Eine Stromversorgung 31 dient zur Energieversorgung einer Stromquelle, wie etwa einer LED oder mehreren davon. In einer unkomplizierten Ausführungsform kann die Strahlungsquelle kontinuierlich ausstrahlen oder kann intermittierend ausstrahlen, um Strom zu sparen, wenn zum Beispiel die Stromquelle eine Batterie ist.
Jedoch kann die Strahlungsquelle auch nach Maßgabe eines gegebenen oder gesetzten Musters angesteuert werden. Sie kann zum Beispiel eine variierende Intensität aufweisen, wobei die Variation mit einer bestimmten Frequenz erfolgt. Die Variation kann sinusförmig sein oder kann einem schnellen Ein/Aus-Muster folgen, das wieder um selbst intermittierend zugeführt werden kann. Somit zeigt die zu dem Erfassungsbereich 15 hin gesendete Strahlung ein bestimmtes Muster im Lauf der Zeit und dieses Muster erscheint auch in dem Sensorsignal. Umgekehrt ist es sehr wahrscheinlich, dass Rauschstrahlung dieses Muster nicht zeigt und somit ausgefiltert werden kann. Das Muster kann eine bestimmte Frequenz sein und auf der Empfangsseite kann ein Bandpass entsprechend der Ansteuerungsfrequenz der Strahlungsquelle vorgesehen sein.
Auf der Strahlungssensorseite ist der Sensor 21b selbst vorgesehen. Er kann eine Fotodiode oder irgendeine andere Art von Strahlungssensor oder Infrarotsensor sein. Ein Verstärker 35 kann zum Verstärken eines potenziell schwachen Sensorsignals bereitgestellt sein. Zur Sensorsignalauswertung kann ein Lock-in-Verstärker 34 vorgesehen sein, wobei dessen Betrieb der Art entspricht, wie die Strahlungsquelle angesteuert wird. Das Ausgangssignal kann auf eine mehr oder weniger komplexe Weise ausgewertet werden. Die Auswertung kann in Bezug auf das zum Ansteuern der durch das Kästchen 36 symbolisierten Strahlungsquelle verwendete Ansteuerungsmuster erfolgen.
Es wird darauf hingewiesen, dass dieses Kästchen 36 keine eigene Komponente zu symbolisieren braucht. Vorrangig soll es jenen Quellen- und Senderbetrieb mit passenden Charakteristiken symbolisieren, ungeachtet dessen, wie dies hergestellt wird. Jedoch kann in komplexeren Ansteuerungsaufbauten in der Tat eine Art variabler Mustergenerator vorhanden sein, der sowohl das Ansteuerungsteil für die Strahlungsquelle als auch den Auswertungsteil für den Strahlungssensor zum Betrieb mit passenden Mustern einstellt.
Eine Art von mehr oder weniger verfeinertem Ausgangssignal kann schließlich am Ausgangsanschluss 35 verfügbar sein. Der Ausgangs anschluss 35 kann eine einzelne Leitung sein und kann ein analoges Signal sein, aber er kann auch ein digitales Signal, möglicherweise in einer Zeitreihenübertragung, sein. Gleichermaßen können mehrere Ausgangsanschlüsse für parallelen Eingang/Ausgang, möglicherweise digital nach einer AD-Umwandlung, bereitgestellt sein.
Allgemein kann der Rauchmelder ohne ein lichtabschirmendes Gehäuse kommen und kann somit aus dem Strahlungsleiter als seiner Hauptkomponente bestehen. Dieses Merkmal wird insbesondere ermöglicht, wenn eine komplexere Strahlungsquellenansteuerung und Sensorsignalauswertung als beschrieben erfolgen. Der Hauptzweck des Gehäuses ist die Abschirmung unerwünschter Strahlung gegen ein Eintreten in den Sensor. Es muss auch insektendicht sein, da ansonsten Insekten und anderes Kleingetier hereinkommen und zu Falscherfassungen führen könnten. Wenn kein Gehäuse zu Strahlungsabschirmungszwecken vorgesehen ist, kann der Erfassungsbereich im freien Raum sein. In der angegebenen Montage kann der Rauchmelder von einer Decke nach unten zeigen (Montageposition im Vergleich zu 2A um 90° im Uhrzeigersinn gedreht). Der Erfassungsbereich 15 kann der freie Raum in dem zu überwachenden Zimmer sein. Um in diesem Fall Falscherfassungen zu vermeiden, kann eine besonders angepasste Signalauswertung verwendet werden. Beispielsweise kann das Vorhandensein von Rauch nur bestimmt werden, wenn das Vorhandensein über eine bestimmte Dauer hinweg oder währenddessen wiederholt erfasst wird, um Falscherfassungen aufgrund von zufälligen einmaligen Reflexionen zu vermeiden.
4a zeigt eine modifizierte Ausführungsform des Strahlungsleiters 10. Wo in 1 die Fokussierungsbereiche auf der zweiten Oberfläche 16b voneinander getrennt waren, sind sie – in der Ausführungsform gemäß 4a – so groß, dass sie „zusammenwachsen” und die gesamte zweite Oberfläche 16b einnehmen. Dies erhöht die numerische Apertur und somit die Intensität oder kann gestatten, dass dieselbe Intensität weniger Ansteuerungsleistung verwendet. Somit sind die Linsenbereiche oder kuppelförmigen Bereiche oder konvexen Bereiche 13a und 13b so geformt, dass sie einander auf der zweiten Oberfläche 16b berühren und sie vorzugsweise vollständig einnehmen. Die Fokussierungsbereiche können als klassische Linsen oder als Fresnel-Linsen geformt sein.
In 4a kann die Linie 41, wo die zwei kuppelförmigen Bereiche 13a und 13b aneinander stoßen, näher an der ersten Oberfläche (d. h. weiter links in 4a) als eine oder beide der seitlichen Begrenzungen 42a und 42b der kuppelförmigen Bereiche 13a und 13b sein.
4b zeigt eine Draufsicht auf die linke Oberfläche in 1. Erkennbar sind die zwei Übergangsabschnitte 11a und 11b für die elektrooptischen Komponenten und eine dritte Vertiefung 17, die entweder für Schaltungskomponenten oder für eine andere elektrooptische Komponente verwendet werden können. Die Formen 11a, 11b und 17 können den Umriss der in den Strahlungsleiter geformten elektrooptischen Komponente angeben oder können den Rand einer deutlichen Vertiefung angeben. Wie bereits gesagt, kann, wenn eine zweite Strahlungsquelle verwendet wird, der dafür verwendete Übergangsabschnitt Seite an Seite mit dem Übergangsabschnitt für die erste Strahlungsquelle platziert werden. Die Breite w des Strahlungsleiters kann kleiner als 2 cm oder kleiner als 1 cm sein.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Rauchmelders umfasst die Schritte des Vormontierens der elektrooptischen Komponenten in einen Leiterrahmen und des Formens eines Strahlungsleiters, wie vorstehend beschrieben, auf den Zusammenbau. Das Herstellungsverfahren kann weitere Merkmale wie oben beschrieben aufweisen. Die Form wird nach Maßgabe der gewünschten Form des Strahlungsleiters geformt und kann Ausrichtungsbereiche aufweisen, um vor dem Formen in den Detektor zu formende Komponenten, wie etwa den Leiterrahmen, optische Filter, Linsenbereiche und dergleichen, in ausgerichteter Weise zu halten.
Rauch ist ein Gemisch von festen Partikeln, die in einem gasförmigen Fluid getragen werden. Aber der Detektor kann auch für andere Gemische eingesetzt werden. Das tragende Fluid kann eine Flüssigkeit sein. Gleichermaßen können die Streupartikel Tröpfchen einer Flüssigkeit in einem gasförmigen Fluid (Dampf) oder in einer anderen tragenden Flüssigkeit sein, mit der sie nicht vermischbar sind.
Andere Detektoranwendungen als Rauchmelder können reflektiertes Licht auswerten. Sie können Strahlung mit bekannter oder gesteuerter Polarisierung oder kohärente Strahlung (Laserlicht) oder modulierte Strahlung (AM, FM, FMCW (frequenzmodulierte kontinuierliche Welle)) aussenden. Sie können eint Quantität in Bezug auf Strahlung, wie etwa eine oder mehrere von Ein/Aus, Intensität, Frequenz (insbesondere Modulation, Verschiebung, Schwebung), Laufzeit, Polarisierungszustand oder Phase, auswerten. Die optischen Achsen schließen einen Winkel ein, der kleiner als 20° oder 10° oder 5° sein kann. Sie können parallel sein (0°).

Claims

Strahlungsleiter (10) mit einem ersten Kopplungsabschnitt (11a) zu einer ersten elektrooptischen Komponente (21a) hin, die eine Strahlungsquelle ist, einem zweiten Kopplungsabschnitt (11b) zu einer zweiten elektrooptischen Komponente (21b) hin, die ein Strahlungssensor ist, einem ersten Strahlungsleitungsabschnitt (12a, 13a), der einen ersten Strahlungsweg (14a) in Beziehung zu der ersten elektrooptischen Komponente ergibt, und einem zweiten Strahlungsleitungsabschnitt (12b, 13b), der einen zweiten Strahlungsweg (14b) in Beziehung zu der zweiten elektrooptischen Komponente ergibt, wobei der erste und der zweite Strahlungsleitungsabschnitt so angeordnet sind, dass sie den ersten und den zweiten Strahlungsweg (14a, 14b) so bilden, dass diese sich in einem Erfassungsbereich (15) außerhalb des Strahlungsleiters schneiden.
Strahlungsleiter nach Anspruch 1, mit einem oder mehreren entsprechend geformten, vorzugsweise konvexen Oberflächenbereichen (13a, 13b) zum Herstellen einer Strahlungskonvergenz an dem Erfassungsgebiet und/oder an einer oder beiden elektrooptischen Komponenten.
Strahlungsleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem massiven Gusskörper aus strahlungsdurchlässigem Material, das den ersten und zweiten Kopplungsabschnitt und den ersten und zweiten Strahlungsleitungsbereich bildet.
Strahlungsleiter nach Anspruch 3, wobei der massive Körper zwei gegenüberliegende Oberflächen (16a, 16b) aufweist, wobei der erste und zweite Kopplungsabschnitt in einer (16a) der Oberflächen ausgebildet sind und die andere (16b) der Oberflächen strahlungsdurchlässige Oberflächenbereiche (13a, 13b) für den ersten und zweiten Strahlungsweg aufweist.
Strahlungsleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest einer der Kopplungsabschnitte eine Vertiefung mit einem formschlüssigen Bereich umfasst, der an zumindest einen Teil der Form der unterzubringenden elektrooptischen Komponente oder einen Adapter davon angepasst ist.
Strahlungsleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest einer der Kopplungsabschnitte von einem geformten Bereich des Strahlungsleiters gebildet wird, der an zumindest einen Teil der Form der elektrooptischen Komponente angepasst oder auf diesen geformt ist.
Strahlungsleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem strahlungsdurchlässigen Oberflächenbereich (13a, 13b) in jedem der Strahlungswege, wobei der Mittenabstand (d1) unter den Oberflächenbereichen kleiner als der Mittenabstand (d2) unter den Kopplungsabschnitten ist.
Strahlungsleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der Aufbauten (24) einer oberflächenmontierbaren Vorrichtung an einer Außenoberfläche davon aufweist.
Strahlungsleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem oder mehreren der folgenden Merkmale: • die optischen Achsen des ersten und des zweiten Strahlungswegs schließen einen Winkel (α) von weniger als 45°, bevorzugt weniger als 30°, ein, • der Mittenabstand (d2) unter den Kopplungsabschnitten beträgt weniger als 3 cm, bevorzugt weniger als 2,5 cm, • der Abstand (d3) der Mitte des Erfassungsbereichs (15) von der zweiten Oberfläche (16b) beträgt weniger als 5 cm.
Strahlungsleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer weiteren Vertiefung (17) zum Aufnehmen einer Komponente, insbesondere eines Schaltungselements und/oder einer zweiten Strahlungsquelle.
Strahlungsleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Anbringungseinrichtung zum Anbringen einer Einrichtung an dem Strahlungsleiter.
Detektor (20) mit: einem Strahlungsleiter (10) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, einer Strahlungsquelle (21a) und einem Strahlungssensor (21b), die jeweils in Beziehung zu einem der Kopplungsabschnitte (11a, 11b) angebracht sind, und Schaltungen (30) für die Stromversorgung (31), Strahlungsquellenansteuerung (32) und Strahlungssensorsignalerfassung und -verarbeitung (33 bis 35).
Detektor gemäß Anspruch 12, mit einem teilchendurchlässigen Gehäuse (22), das den Erfassungsbereich (15) begrenzt, wobei das Gehäuse auch zumindest einen Teil des Strahlungsleiters (10) aufnimmt oder daran befestigt ist.
Detektor gemäß Anspruch 12 oder 13, wobei die Schaltung einen Ansteuerungsabschnitt (32) zum Ansteuern der Strahlungsquelle mit einem vorgegebenen Muster und einen Auswertungsabschnitt (34) zum Erfassen des Strahlungssensorsignals und zu dessen Auswertung mit Bezugnahme auf das vorgegebene Muster umfasst.
Detektor nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 14, der eine verlängerte äußere Ansicht aufweist, wobei der Erfassungsbereich (15) an seinem einen Ende (28) positioniert ist und die elektrooptischen Komponenten (21a, 21b) an seinem anderen Ende (29) positioniert sind.
Detektor nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 15, wobei der Strahlungsleiter auf zumindest eine der elektrooptischen Komponenten geformt ist, die eine Komponente ohne ein eigenes Gehäuse sein kann.
Detektor nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 16, wobei die elektrooptischen Komponenten als ein Leiterrahmen zusammengesetzt sind, an dem der Strahlungsleiter (10), vorzugsweise, indem er an den Leiterrahmen geformt ist, angebracht ist.
Detektor nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 15, mit einem oder mehreren der folgenden Merkmale: • die Strahlungsquelle (21a) umfasst eine LED, • der Strahlungssensor (21b) umfasst einen IR-Sensor, insbesondere eine Thermosäule, • das Antriebsmuster der Strahlungsquelle ist ein Amplitudenmuster über Zeit, vorzugsweise ein Muster einer gesetzten Frequenz, • der Detektor ist ein Rauchmelder.
Verfahren zur Herstellung eines Detektors, mit den folgenden Schritten: Vormontieren elektrooptischer Komponenten, von denen eine eine Strahlungsquelle und eine ein Strahlungssensor ist, in einen Leiterrahmen, und Formen eines Strahlungsleiters nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auf den Zusammenbau.