DE10232028A1

DE10232028A1 - Optischer Sensor

Info

Publication number: DE10232028A1
Application number: DE2002132028
Authority: DE
Inventors: Rainer Knöller
Original assignee: Leuze Electronic GmbH and Co KG
Current assignee: Leuze Electronic GmbH and Co KG
Priority date: 2002-07-16
Filing date: 2002-07-16
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2022-07-17
Also published as: DE10232028B4; DE10232028C5

Abstract

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor (1) mit wenigstens einem Gehäuse (2), in welchem ein Sendelichtstrahlen (3) emittierender Sender (4), ein Empfangslichstrahlen (5) empfangender Empfänger (6), eine Steuereinheit zur Ansteuerung des Senders (4) und eine Auswerteeinheit (10) zur Auswertung der am Ausgang des Empfängers (6) anstehenden Empfangssignale integriert sind. In einer Gehäusewand ist wenigstens eine Öffnung (14) vorgesehen, welche mit einem gasdurchlässigen, flüssigkeitsabweisenden Segment (13) abgeschlossen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige Sensoren dienen zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich und können beispielsweise als Lichtschranken, Reflexionslichtschranken, Lichttaster, Distanzsensoren ausgebildet sein.

Derartige Sensoren sind in Gehäusen integriert, die aus Metall und/oder aus Kunststoff bestehen. In den Wänden derartiger Gehäuse sind Fenster integriert, durch welche die vom Sender des optischen Sensors emittierten Sendelichtstrahlen und/oder die auf den Empfänger des optischen Sensors auftreffenden Empfangslichtstrahlen geführt sind.

Die optischen Sensoren werden in unterschiedlichen industriellen Applikationen eingesetzt. Dabei werden die optischen Sensoren je nach Applikation in Umgebungen mit unterschiedlichen Witterungsbedingungen eingesetzt, wobei die optischen Sensoren zudem Verschmutzungen ausgesetzt sind.

Zum Schutz gegen derartige Witterungs- und Verschmutzungseinflüsse sind die optischen Sensoren in Gehäusen integriert. Dabei sind die Gehäuse insbesondere derart ausgebildet, dass ein Eindringen von Flüssigkeit, wie zum Beispiel Spritzwasser, in den Innenraum des Gehäuses verhindert wird.

Je nach Ausbildung des Gehäuses weist der optische Sensor unterschiedliche Grade der Beständigkeit gegen derartige Verschmutzungen auf. Dementsprechend werden derartige optische Sensoren in unterschiedlichen Schutzarten, sogenannten IP-Klassen klassifiziert.

Selbst bei flüssigkeitsdichten optischen Sensoren, die in hohen Schutzklassen, insbesondere in der Klasse IP 67, eingeordnet sind, besteht jedoch das Problem, dass feiner Flüssigkeitsdampf durch geringfügig undichte Stellen des Gehäuses, wie zum Beispiel Klebestellen, in den Innenraum des Gehäuses dringt. Insbesondere bei optischen Sensoren mit aus Kunststoff bestehenden Gehäusen wird dieses Problem dadurch noch verschärft, dass die Gehäusewände hygroskopisch sind, so dass durch diese ebenfalls Flüssigkeitsdampf in den Innenraum des Gehäuses eindringt.

Derartiger Flüssigkeitsdampf im Innenraum des Gehäuses führt zu einer unerwünschten Funktionsbeeinträchtigung der elektronischen und optoelektronischen Komponenten der optischen Sensoren. Sind derartige Komponenten über längere Zeiträume Flüssigkeitsdämpfen ausgesetzt, so wird deren Lebensdauer in unerwünschter Weise reduziert.

Um diesen Nachteil zu beseitigen, können prinzipiell derartige Komponenten, insbesondere Leuchtdioden, die als Sender oder Anzeigelemente derartiger optischer Sensoren verwendet werden, hermetisch dicht gekapselt sein. Der Kostenaufwand für derartige hermetische Bauelemente ist jedoch äußerst groß, wodurch die Herstellkosten der optischen Sensoren beträchtlich erhöht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Sensor der eingangs genannten Art so auszubilden, dass dieser bei geringen Herstellkosten möglichst unempfindlich gegen äußere Störeinflüsse ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Der erfindungsgemäße optische Sensor weist wenigstens ein Gehäuse auf, in welchem ein Sendelichtstrahlen emittierender Sender, ein Empfangslichtstrahlen empfangender Empfänger, eine Steuereinheit zur Ansteuerung des Senders und eine Auswerteeinheit zur Auswertung der am Ausgang des Empfängers anstehenden Empfängersignale integriert sind. In einer Gehäusewand ist wenigstens eine Öffnung vorgesehen, welche mit einem gasdurchlässigen, flüssigkeitsabweisenden Segment abgeschlossen ist.

Das gasdurchlässige, flüssigkeitsabweisende Segment schützt den optischen Sensor ebenso wie die Gehäusewände gegen das Eindringen von Verschmutzungen und Flüssigkeiten wie zum Beispiel Spritzwasser. Dabei ist das Segment vorzugsweise völlig flüssigkeitsdicht. Damit sind mit dem erfindungsgemäßen optischen Sensor die Anforderungen gemäß der einzuhaltenden IP-Schutzklassen erfüllbar.

Gleichzeitig können über das gasdurchlässige Segment Flüssigkeitsdämpfe aus dem Innenraum des optischen Sensors ausgeleitet werden. Durch die erfindungsgemäße Ausleitung von Flüssigkeitsdämpfen über das Segment wird erreicht, dass die Konzentration an Flüssigkeitsdämpfen im Innenraum des optischen Sensors so gering gehalten werden kann, dass diese die Lebensdauer von optoelektronischen und elektronischen Komponenten nicht oder nur unwesentlich beeinträchtigen.

Ein wesentlicher Vorteil hierbei ist, dass zum Schutz gegen Feuchtigkeit im Innenraum des optischen Sensors keine hermetisch dichten optoelektronischen oder elektronischen Komponenten eingesetzt werden müssen. Das erfindungsgemäße gasdurchlässige Segment bietet bereits einen hinreichenden Schutz gegen Feuchtigkeit im Innenraum. Das Segment ist dabei kostengünstig herstellbar und kann zudem schnell und einfach in der Gehäusewand montiert werden.

Besonders vorteilhaft besteht dabei das Segment aus einer Folie, wie zum Beispiel einer Kunststoff-Folie, oder aus einer Membran, die bevorzugt aus PTFE besteht. Die Folie oder die Membran kann unmittelbar an der Gehäusewand beispielsweise durch Klebemittel fixiert werden. Weiterhin kann das Segment in einen Rahmen oder dergleichen eingesetzt werden, welcher dann am Gehäuse fixiert wird.

Eine Voraussetzung dafür, dass über das Segment Flüssigkeitsdämpfe aus dem Innenraum des Gehäuses ausgeführt werden können, ist, dass dort ein gegenüber der äußeren Umgebung erhöhter Druck herrscht. Dieser erhöhte Druck ist dann gegeben, wenn die Temperatur im Innenraum des optischen Sensors gegenüber der Außentemperatur erhöht ist. Bei typischen industriellen Einsatzbereichen optischer Sensoren im Bereich von Förderanlagen und dergleichen, die in Fabrikhallen installiert sind, ist dieses Temperaturgefälle bereits aufgrund der im Innenraum des optischen Sensors vorhandenen optoelektronischen und elektronischen Komponenten gegeben, bei deren Betrieb beträchtliche Wärmeentwicklung entsteht.

In anderen Applikationen kann jedoch die Außentemperatur gegenüber der Innenraumtemperatur des optischen Sensors erhöht sein. Dies ist beispielsweise bei optischen Sensoren der Fall, die zur Überwachung an Maschinen eingesetzt werden, an welchen große Wärmemengen generiert werden. Weiterhin können erhöhte Außentemperaturen durch starke Sonneneinstrahlungen entstehen.

Um auch in derartigen Fällen im Innenraum des optischen Sensors einen Überdruck zu generieren, ist dort zweckmäßigerweise ein Heizelement vorgesehen. Die Leistung des Heizelements ist vorzugsweise temperatur- und/oder druckgeregelt, so dass das Heizelement nur im Bedarfsfall aktiviert ist.

Die Erfindung wird im Nachstehenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt.
1: Schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen optischen Sensors.
1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines optischen Sensors 1. Der optische Sensor 1 ist im vorliegenden Fall als Lichttaster ausgebildet, dessen Komponenten in einem gemeinsamen Gehäuse 2 integriert sind. Alternativ kann der optische Sensor 1 als Reflexionslichtschranke, Distanzsensor oder dergleichen ausgebildet sein. Weiterhin können die Komponenten des optischen Sensors 1 auch in mehreren Gehäusen 2 integriert sein, wie dies beispielsweise bei Lichtschranken der Fall ist.
Das Gehäuse 2 des optischen Sensors 1 besteht im vorliegenden Fall aus Kunststoff, insbesondere aus Polycarbonat. Das Gehäuse 2 besteht dabei aus einem oder mehreren Kunststoff-Spritzteilen. Alternativ kann das Gehäuse 2 auch zumindest teilweise aus Metall bestehen.
Der optische Sensor 1 weist einen Sendelichtstrahlen 3 emittierenden Sender 4 und einen Empfangslichtstrahlen 5 empfangenden Empfänger 6 auf. Der Sender 4 ist von einer Leuchtdiode oder einer Laserdiode gebildet. Der Empfänger 6 ist von einer Photodiode gebildet. Zur Strahlformung der Sendelichtstrahlen 3 ist dem Sender 4 eine Sendeoptik 7 nachgeordnet. Zur Fokussierung der Empfangslichtstrahlen 5 auf den Empfänger 6 ist diesem eine Empfangsoptik 8 vorgeordnet. Die Sendeoptik 7 und die Empfangsoptik 8 sind jeweils von einer Linse gebildet.
Zur Detektion von nicht dargestellten Objekten in einem Überwachungsbereich werden die Sendelichtstrahlen 3 sowie die an einem Objekt zurück zum optischen Sensor 1 reflektierten Empfangslichtstrahlen 5 durch ein Fenster 9 in der Frontwand des Gehäuses 2 geführt. Das Fenster 9 ist vorzugsweise in der Frontwand des Gehäuses 2 durch Klebemittel fixiert und besteht aus transparentem Kunststoff.
Die Auswertung der am Ausgang des Empfängers 6 anstehenden Empfangssignale erfolgt in einer Auswerteeinheit 10, die vorzugsweise von einem Micro controller gebildet ist. Die Auswerteeinheit 10 bildet gleichzeitig auch eine Steuereinheit zur Ansteuerung des Senders 4.
Die Auswerteeinheit 10 ist mit weiteren nicht dargestellten elektronischen Komponenten auf einer nicht dargestellten Leiterplatte integriert.
In der Auswerteeinheit 10 wird aus den Empfangssignalen ein binäres Schaltsignal generiert, welches angibt, ob sich ein Objekt im Überwachungsbereich befindet oder nicht. Das Schaltsignal wird über einen Schaltausgang ausgegeben, der vorzugsweise auf einen Steckeranschluss 11 des optischen Sensors 1 geführt ist.
Über die Auswerteeinheit 10 wird zudem ein Anzeigeelement 12 angesteuert, welches von einer Leuchtdiode gebildet ist, die in einer Gehäusewand integriert ist.
Während des Betriebs des optischen Sensors 1 in Industrieumgebungen kann Feuchtigkeit in den Innenraum des optischen Sensors 1 gelangen. Die Feuchtigkeit kann beispielsweise über die Klebestellen zur Fixierung des Fensters 9 oder des Anzeigeelements 12 in den Innenraum des Gehäuses 2 eindringen. Zudem ist das aus Polycarbonat bestehende Gehäuse hygroskopisch, so dass auch über die Gehäusewände Feuchtigkeit in den Innenraum des Gehäuses 2 eindringen kann.
Derartige Feuchtigkeit im Innenraum des optischen Sensors 1 beeinträchtigt die Lebensdauer der elektronischen und optoelektronischen Komponenten, insbesondere der Leuchtdioden, die im optischen Sensor 1 integriert sind.
Zur Ausleitung von Feuchtigkeit weist der optische Sensor 1 ein gasdurchlässiges, flüssigkeitsabweisendes Segment 13 auf. Dieses Segment 13 ist in einer Öffnung 14 in der Gehäusewand des optischen Sensors 1 fixiert. Die Fläche des Segments 13 ist an das Volumen des Gehäuses 2 angepasst, damit über das Segment 13 möglichst vollständig Feuchtigkeit aus dem Innenraum des Gehäuses 2 ausgeleitet werden kann. Je nach Ausbildung des Gehäuses 2 können auch mehrere Segmente 13 vorgesehen sein, die in unterschiedliche Öffnungen 14 der Gehäusewände integriert sind.
Eine wesentliche Eigenschaft des Segments 13 besteht darin, dass dieser nur für gasförmige Medien durchlässig ist. Vorzugsweise ist das Segment 13 vollständig flüssigkeitsdicht und verhindert somit ein Eindringen von Flüssigkeit in den Innenraum des Gehäuses 2.
Das Segment 13 besteht im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einer Membran, mit zumindest geringfügig elastischen Eigenschaften, die aus PTFE (Polytetrafluorethylen) besteht. Vorzugsweise werden gereckte PTFE-Folien zur Herstellung derartiger Folien eingesetzt.
Prinzipiell kann das Segment 13 auch von einer Folie, insbesondere einer Kunststoff-Folie gebildet sein. Diese kann zudem eine geeignete Beschichtung, beispielsweise eine Metallbeschichtung aufweisen. Durch geeignete Auswahl des Kunststoffs und geeignete Vorgabe der Metallbeschichtung kann der Grad der Gasdurchlässigkeit in geeigneter Weise variiert werden.
Das gasdurchlässige Segment 13 ist im vorliegenden Fall in einer als Rahmen 15 aus gebildeten Aufnahme gelagert. Die so gebildete Baueinheit ist in der Öffnung 14 der Gehäusewand fixiert. Beispielsweise kann die Baueinheit in der Öffnung 14 mittels Klebemitteln fixiert sein. Die Baueinheit bestehend aus der Aufnahme und dem Segment 13 bildet im vorliegenden Fall das Typenschild des optischen Sensors 1, wobei die Typenbezeichnung des optischen Sensors als Bedruckung auf das Segment 13 aufgebracht ist.
Damit über das Segment 13 Flüssigkeitsdämpfe aus dem Innenraum des Gehäuses 2 ausgeführt werden können, muss dort gegenüber der äußeren Umge bung ein erhöhter Druck herrschen. Dies setzt voraus, dass die Temperatur im Innenraum des Gehäuses 2 größer ist als die Außentemperatur.
Während des Betriebs des optischen Sensors 1 wird durch die Wärmeabgabe der optoelektronischen und elektronischen Komponenten des optischen Sensors 1 im Innenraum bereits ein gewisser Heizeffekt erzielt, der gewährleistet, dass in vielen Anwendungsgebieten des optischen Sensors 1, beispielsweise in Fabrikhallen, in welchem Raumtemperaturbedingungen herrschen, die Temperatur im Innenraum erhöht ist.
Da der optische Sensor 1 zumindest temporär auch in Umgebungen mit erhöhter Außentemperatur einsetzbar ist, ist im Innenraum des Gehäuses 2 zusätzlich ein Heizelement 16 integriert, mittels dessen die Temperatur im Innenraum Bedarfsweise erhöht werden kann. Das Heizelement 16 wird dabei von der Auswerteeinheit 10 angesteuert.
Im vorliegenden Fall wird das Heizelement 16 über einem Regelkreis angesteuert. Als Eingangsgrößen des Regelkreises werden die Ausgangssignale eines Temperatursensors 17 und eines Drucksensors 18 verwendet, welche im Innenraum des Gehäuses 2 platziert sind. Prinzipiell kann auch nur ein Temperatursensor 17 oder ein Drucksensor 18 im Innenraum des Gehäuses 2 vorgesehen sein.
Anhand der Ausgangssignale des Druck- und des Temperatursensors 17 wird der Betrieb des Heizelements 16 gesteuert. Zweckmäßigerweise wird in der Auswerteeinheit 10 ein vorgegebener Referenzdruck und eine Referenztemperatur, welche repräsentativ für die Außenbedingungen am Einsatzort des optischen Sensors 1 sind, in der Auswerteeinheit 10 abgespeichert. Demgemäß wird das Heizelement 16 über die Auswerteeinheit 10 dann aktiviert, wenn die Ausgangssignale des Druck- und Temperatursensors 17 einen Unterdruck im Innenraum des Gehäuses 2 bezüglich der abgespeicherten Referenzwerte anzeigen.
Wie aus 1 ersichtlich, ist das Heizelement 16 im Bereich des Fensters 9 des optischen Sensors 1 angeordnet. Damit wird mittels des Heizelements 16 das Fenster 9 direkt beheizt, so dass ein Beschlagen des Fensters 9 durch Kondensation von Flüssigkeit auf der Fensteroberfläche verhindert wird.

(1): Optischer Sensor
(2): Gehäuse
(3): Sendelichtstrahlen
(4): Sender
(5): Empfangslichtstrahlen
(6): Empfänger
(7): Sendeoptik
(8): Empfangsoptik
(9): Fenster
(10): Auswerteeinheit
(11): Steckeranschluss
(12): Anzeigeelement
(13): Segment
(14): Öffnung
(15): Rahmen
(16): Heizelement
(17): Temperatursensor
(18): Drucksensor

Claims

Optischer Sensor mit wenigstens einem Gehäuse, in welchem ein Sendelichtstrahlen emittierender Sender, ein Empfangslichtstrahlen empfangender Empfänger, eine Steuereinheit zur Ansteuerung des Senders und eine Auswerteeinheit zur Auswertung der am Ausgang des Empfängers anstehenden Empfangssignale integriert sind, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Gehäusewand wenigstens eine Öffnung (14) vorgesehen ist, welche mit einem gasdurchlässigen, flüssigkeitsabweisenden Segment (13) abgeschlossen ist.
Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Segment (13) flüssigkeitsdicht ist.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Segment (13) von einer Folie gebildet ist.
Optischer Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie als Kunststoff-Folie ausgebildet ist.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Segment (13) von einer Membran gebildet ist.
Optischer Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran aus Polytetrafluorethylen (PTFE) besteht.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass das Segment (13) Bestandteil eine Typenschildes ist.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusewände mehrere Öffnungen (14) in Form von Bohrungen aufweisen, welche jeweils mit einem Segment (13) abgeschlossen sind.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass das oder jedes Segment (13) an den Rändern der zugeordneten Öffnung (14) der Gehäusewand festgeklebt ist.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass das Segment (13) in einer Aufnahme integriert ist, welche in der Öffnung (14) der Gehäusewand fixierbar ist.
Optischer Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme von einem Rahmen (15) gebildet ist, in welche das Segment (13) eingespannt ist.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1–11, dadurch gekennzeichnet, dass im Innenraum des Gehäuses (2) ein Heizelement (16) integriert ist.
Optischer Sensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (16) von der Steuereinheit oder der Auswerteeinheit (10) angesteuert ist.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Innenraum des Gehäuses (2) ein Temperatursensor (17) und/oder ein Drucksensor (18) zur Messung des Luftdruckes integriert ist, wobei deren Ausgangssignale zur Ansteuerung des Heizelements (16) dienen.
Optischer Sensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangssignale des Temperatur- und/oder Drucksensors (17, 18) Eingangsgrößen eines Regelkreises bilden.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1–15, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) aus Kunststoff besteht.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 12–16, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Gehäusewand ein Fenster (9) integriert ist, durch welches die Sendelichtstrahlen (3) und/oder die Empfangslichtstrahlen (5) geführt sind, und welches mittels des Heizelements (16) beheizbar ist.