DE19700836C1 - Optical sensor switch for ceramic cooking hob - Google Patents
Optical sensor switch for ceramic cooking hobInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Sensorschalter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige optische Sensorschalter sind z. B. aus der GB 2 133 137 A sowie der DE 295 12 298 U1 bekannt, in denen optische Sensorschalter gezeigt sind, in denen Lichtwellenleiter zur Führung des von einer Strahlungsquelle ausgesandten und von einem reflektierenden Körper zu einem Sensor zurückreflektierten Lichts verwendet werden.The present invention relates to an optical sensor switch according to the Preamble of claim 1. Such optical sensor switches are such. B. from GB 2 133 137 A and DE 295 12 298 U1, in which optical Sensor switches are shown in which optical fibers for guiding the emitted by a radiation source and by a reflecting body a sensor reflected back light can be used.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung sollen zunächst die grundlegenden strahlungsphysikalischen Gegebenheiten an Sensorschaltern, in denen keine Lichtwellenleiter verwendet werden, anhand der Fig. 1a, 1b und 2 erläutert werden.For a better understanding of the present invention, the basic radiation-physical conditions at sensor switches in which no optical waveguides are used will first be explained with reference to FIGS. 1a, 1b and 2.
Diese ebenfalls bekannten Sensorschalter umfassen eine Sensoreinheit, die ein Ausgabesignal abgibt, das von der Höhe der an einem zu detektierenden Körper reflektierten Strahlungsleistung abhängt. Wie in Fig. 1a und 1b zu sehen ist, besteht ein optischer Sensorschalter im allgemeinen aus einer Strah lungsquelle Q, aus einem strahlungsempfindlichen Sensor S und einer (optio nalen) für Strahlung zumindest teildurchlässigen transparenten Abdeckung A, in deren Nähe ein zu detektierender Körper zu bringen ist, der die die transpa rente Abdeckung durchdringende Strahlung zurückreflektiert.These sensor switches, which are also known, comprise a sensor unit which emits an output signal which depends on the level of the radiation power reflected on a body to be detected. As can be seen in FIGS. 1a and 1b, an optical sensor switch generally consists of a radiation source Q, a radiation-sensitive sensor S and an (optional) transparent cover A which is at least partially transparent to radiation, in the vicinity of which a body to be detected bring, which reflects back the transparent cover penetrating radiation.
Die Funktionsweise eines solchen optischen Sensorschalters beruht darauf, daß die Strahlungsquelle Q (Licht-)Strahlung der Leistung PQ aussendet. Die ausgesendete Lichtleistung PQ tritt durch die (optionale) transparente Abdeckung A hindurch und kann dann an einem zu detektierenden Körper reflektiert werden. Die reflektierte Strahlung PS wird von einem strahlungs empfindlichen Sensor S in ein von der empfangenen Strahlungsleistung PS abhängiges elektrisches Signal umgewandelt. Mit einer an den Sensor ange schlossenen Auswerteeinheit (vgl. Fig. 2) wird das elektrische Signal in ein Schaltsignal zur Schaltung weiterer Bauteile (nicht gezeigt) umgewandelt. Der Faktor F = PS/PQ wird dabei als Koppelfaktor zwischen der Strahlungsquelle Q und dem Sensor S bezeichnet.The functioning of such an optical sensor switch is based on the fact that the radiation source Q emits (light) radiation of the power P Q. The emitted light power P Q passes through the (optional) transparent cover A and can then be reflected on a body to be detected. The reflected radiation P S is converted by a radiation-sensitive sensor S into an electrical signal dependent on the received radiation power P S. With an evaluation unit connected to the sensor (cf. FIG. 2), the electrical signal is converted into a switching signal for switching further components (not shown). The factor F = P S / P Q is referred to as the coupling factor between the radiation source Q and the sensor S.
Das Kontrastverhältnis K = PS/PD ist dabei ein Maß für das Verhältnis der Strahlungsleistung PD, die, ohne daß sie vom zu detektierenden Körper reflek tiert wird, in den strahlungsempfindlichen Sensor gelangt, zu dem Leistungs anteil PS, der vom zu detektierenden Körper reflektiert in den Sensor tritt.The contrast ratio K = P S / P D is a measure of the ratio of the radiation power P D , which, without being reflected by the body to be detected, gets into the radiation-sensitive sensor, to the power component P S , which from detecting body reflected enters the sensor.
Weiterhin wird zur Charakterisierung eines solchen optischen Sensorschalters der Störstrahlungsfaktor S = PF/PS angegeben, welcher ein Maß ist für das Verhältnis der von anderen Strahlungsquellen auf den strahlungsempfind lichen Sensor eintreffenden Fremdstrahlungsleistung PF (nachfolgend auch mit Störlicht 25 bezeichnet) zu der vom detektierten Körper reflektierten Strah lungsleistung PS.Furthermore, to characterize such an optical sensor switch, the interference radiation factor S = P F / P S is specified, which is a measure of the ratio of the external radiation power P F (hereinafter also referred to as interference light 25 ) to the radiation-sensitive sensor detected body reflected radiation power P S.
Bei einem solchen optischen Sensorschalter gilt, daß ohne Anwesenheit eines reflektierenden Körpers die abgegebene Strahlungsleistung PQ im Umgebungs raum absorbiert wird.In such an optical sensor switch applies that the emitted radiation power P Q is absorbed in the ambient space without the presence of a reflecting body.
Optische Sensorschalter werden vor allem für die Steuerung von Systemen eingesetzt, die hermetisch, d. h. staub-, wasser- und luftdicht, von der Umge bung getrennt bzw. abgekapselt sind. Die optischen Sensorschalter werden dazu unter der Abdeckplatte A eingesetzt, die für die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung zumindest teilweise transparent ist.Optical sensor switches are mainly used to control systems used the hermetically, d. H. dust, water and airtight, from the reverse exercise are separated or encapsulated. The optical sensor switches are to do this under the cover plate A used for that of the radiation source emitted radiation is at least partially transparent.
In der Praxis liegt ein bevorzugtes Einsatzgebiet derartiger optischer Sensor schalter in ihrer Verwendung zur Steuerung von Glaskeramikkochfeldern von Elektroherden. Diese Verwendung ist aus der DE 40 07 971 A1 sowie aus der DE-PS 42 07 772 bekannt. Dabei werden Glaskeramikplatten als transparente Abdeckplatten eingesetzt. Bei dieser Verwendung ist der zu detektierende Körper in der Regel die reflektierende Oberfläche des Fingers einer Bedie nungsperson, die durch Auflegen ihres Fingers auf die Glaskeramikplatte die darunterliegenden optischen Sensorschalter auslösen will, um die Beheizung eines Kochfelds auszulösen oder zu unterbinden. Eine derartige Verwendung bekannter optischer Sensorschalter ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. In practice, a preferred area of use for such optical sensor switches is their use for controlling glass ceramic cooktops of electric cookers. This use is known from DE 40 07 971 A1 and from DE-PS 42 07 772. Glass ceramic plates are used as transparent cover plates. In this use, the body to be detected is usually the reflective surface of the finger of an operator who wants to trigger the underlying optical sensor switch by placing his finger on the glass ceramic plate in order to trigger or prevent the heating of a hob. Such a use of known optical sensor switches is shown schematically in FIG. 2.
Grundsätzlich gilt, daß an jeder Grenzfläche, an der Strahlung von einem Medium mit niedrigerem Brechungsindex in ein Medium mit höherem Brechungsindex eintritt, oder umgekehrt, ein Teil der eintreffenden Strahllei stung nach den strahlungsoptischen Gesetzen direkt reflektiert wird, während ein anderer Anteil vom ursprünglichen Medium in das neue Medium übertritt und sich in diesem weiter ausbreiten kann. Die Höhe des reflektierten Strah lungsanteils hängt dabei vom Auftreffwinkel der Strahlung auf der Grenz fläche sowie den optischen Brechungsindizes der an der Grenzfläche aufeinan dertreffenden Medien ab.Basically, at every interface, at the radiation from one Medium with a lower refractive index into a medium with a higher Refractive index occurs, or vice versa, part of the incoming beam is reflected directly according to the radiation-optical laws, while another part is transferred from the original medium to the new medium and can expand further in this. The height of the reflected beam The proportion depends on the angle of incidence of the radiation at the border area as well as the optical refractive indices of each other at the interface the relevant media.
Bei nicht transparenten Medien, wie etwa einem Finger, hängt die Höhe des nicht ungerichtet an diesem Körper reflektierten Strahlungsanteils von der Farbe des Mediums ab. Man nennt diese ungerichtete Reflexion Remission.With non-transparent media, such as a finger, the height of the not reflected in a directional manner on this body from the radiation component Color of the medium. This undirected reflection is called remission.
Im einzelnen wird die Empfindlichkeit eines bekannten optischen Sensorschal
ters demgemäß durch folgende Faktoren beeinflußt:
The sensitivity of a known optical sensor switch is accordingly influenced by the following factors:
- - Durch die wellenlängenspezifische Durchlässigkeit des Glaskeramik materials (transparente Abdeckung), die in einigen Spektralbereichen der Strahlung sehr gering ist.- Due to the wavelength-specific permeability of the glass ceramic materials (transparent cover), which in some spectral ranges of the Radiation is very low.
- - Durch die Struktur der Glaskeramikunterseite, die eine Ablenkung der Strahlung aus seiner ursprünglichen Ausbreitungsrichtung bewirkt.- Due to the structure of the glass ceramic underside, which is a distraction which causes radiation from its original direction of propagation.
- - Durch den Störlichteinfluß von in der Umgebung befindlichen zusätz lichen Strahlungsquellen auf den strahlungsempfindlichen Sensor.- Due to the influence of ambient light from additional radiation sources on the radiation-sensitive sensor.
- - Durch den Abstand der (primären) Strahlungsquelle und des strah lungsempfindlichen Sensors von der Glaskeramik.- By the distance between the (primary) radiation source and the beam sensor sensitive to glass ceramic.
- - Durch ein eventuelles direktes "Überstrahlen" der Strahlung von der Quelle Q zum Sensor S ohne Einwirkung einer reflektierenden Oberfläche (Strahlungsfluß PD in Fig. 1a und 1b).- By a possible direct "overexposure" of the radiation from the source Q to the sensor S without the action of a reflecting surface (radiation flux P D in Fig. 1a and 1b).
- - Durch die Reflektivität des reflektierenden Körpers (Fingers).- By the reflectivity of the reflecting body (fingers).
- - Durch die Eigentemperatur des Sensors, die sich auf die Strahlungs empfindlichkeit auswirkt.- By the sensor's own temperature, which affects the radiation affects sensitivity.
Bei den bekannten optischen Sensorschaltern werden als Strahlungsquellen meist handelsübliche, preiswerte (Infrarot)-Lichtemittierende Dioden und als strahlungsempfindliche Sensoren preisgünstige Phototransistoren bzw. teurere Photodioden in bedrahteten Bauformen (T1, T1S/4, T018) eingesetzt. Um das Kontrastverhältnis K zu erhöhen, unterbindet man bei den bekannten optischen Sensorschaltern das direkte Überstrahlen von der Strahlungsquelle S zum Sensor Q indem man die Bauteile zum Teil kostenintensiv per Hand in einem Haltesockel montiert, oder ihnen einen Schrumpfschlauch überzieht. Um ein gut auswertbares elektrisches Ausgabesignal vom Sensor zu erhalten, müssen die LEDs und Sensoren dann zum einen mit einer stark strahlbün delnden Linse versehen sein und zum anderen sehr nahe an der den optischen Sensorschalter abdeckenden Glaskeramikplatte montiert werden, wie dies in Fig. 2 schematisch dargestellt ist.In the known optical sensor switches, commercially available, inexpensive (infrared) light-emitting diodes are usually used as radiation sources and inexpensive phototransistors or more expensive photodiodes in wired designs (T1, T1S / 4, T018) are used as radiation-sensitive sensors. In order to increase the contrast ratio K, in the known optical sensor switches the direct overexposure from the radiation source S to the sensor Q is prevented, in that the components are sometimes installed in a cost-intensive manner by hand in a holding base, or by covering them with a shrink tube. In order to obtain an easily evaluable electrical output signal from the sensor, the LEDs and sensors must then be provided on the one hand with a strongly beam-focusing lens and on the other hand must be mounted very close to the glass ceramic plate covering the optical sensor switch, as shown schematically in FIG. 2 is.
Bei dem anhand Fig. 1a, 1b und 2 erläuterten bekannten Stand der Technik besteht dann allerdings die Gefahr der Zerstörung der sicherheitstechnisch oft nur bis ca. 85°C zugelassenen Bauteile durch teilweise auftretende Tempera turbelastungen von bis zu ca. 180°C an der Glaskeramikunterseite. Zudem treten beim Betrieb dieser bekannten optischen Sensorschalter im allgemeinen ungünstige Verhältnisse auf, so daß die die Empfindlichkeit des Sensorschal ters beeinflussenden Faktoren nur suboptimal vorliegen.In the known prior art explained with reference to FIGS. 1a, 1b and 2, however, there is then the risk of destruction of the components, which are often only approved up to approx. 85.degree. C. by safety, due to temperature stresses of up to approx . In addition, when these known optical sensor switches are operating, unfavorable conditions generally occur, so that the factors influencing the sensitivity of the sensor switch are only suboptimal.
Es wäre deshalb wünschenswert, einen optischen Sensorschalter zu haben, der
folgende Vorteile vereint:
It would therefore be desirable to have an optical sensor switch that combines the following advantages:
- - Erhöhung des Koppelfaktors F- Increase in the coupling factor F
- - Steigerung des Kontrastverhältnisses K- Increasing the contrast ratio K
- - Verringerung des Störstrahlungsfaktors S- Reduction of the interference radiation factor S
- - Erhöhung der Einsatztemperatur des optischer Sensorschalters- Increasing the operating temperature of the optical sensor switch
- - Verminderung optischer Fremdeinflüsse, hervorgerufen durch die weitverbreitete Noppenstruktur auf der Unterseite der als transparente Abdeckung dienenden Glaskeramikplatten- Reduction of external influences caused by the widespread nub structure on the bottom of the as transparent cover serving glass ceramic plates
- - Senkung der Herstellkosten von optischen Sensorschaltern durch den Einsatz von oberflächenmontierbaren Strahlungsquellen bzw. Strahlungsde tektoren.- Reduction of the manufacturing costs of optical sensor switches by the Use of surface-mountable radiation sources or radiation end detectors.
Ein Teil dieser Forderungen (Erhöhung des Koppelfaktors F, Steigerung des Kontrastverhältnisses K, Verringerung des Störstrahlungsfaktors S) wird bereits durch die aus der GB 2 133 137 A sowie der DE 295 12 298 U1 bekannten optischen Sensorschalter erfüllt, welche Lichtleiter zur Führung des von der Strahlungsquelle emittierten Lichts und des z. B. an einem aufgelegten Finger zurückreflektierten Lichts offenbaren.Part of these demands (increasing the coupling factor F, increasing the Contrast ratio K, reduction of the interference radiation factor S) already from GB 2 133 137 A and DE 295 12 298 U1 known optical sensor switch met, which light guide for guiding the light emitted by the radiation source and the z. B. on an on-hook Reveal fingers of reflected light.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist nunmehr die Verbesserung dieser bekannten optischen Sensorschalter unter Berücksichtigung möglichst aller obengenannter Aspekte.The object of the present invention is now to improve this known optical sensor switches taking into account as much as possible aspects mentioned above.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen optischen Sensor schalter mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen.According to the invention, this object is achieved by an optical sensor switch with the features of the independent claim. The dependent ones Claims relate to advantageous embodiments.
Der erfindungsgemäße optische Sensorschalter zeichnet sich aus durch die Verwendung eines speziellen Systems zur Führung der Strahlung von der Strahlungsquelle Q zum reflektierenden Körper und zurück zum strahlungs empfindlichen Sensor S mit Hilfe zweier Lichtleiter, wie sie z. B. in Form von Glasfasern vorliegen, und weiterhin dadurch, daß die Mantelflächen der Licht leiter in eine stark strahlungsabsorbierende Ummantelung eingebettet sind.The optical sensor switch according to the invention is characterized by Use of a special system for guiding the radiation from the Radiation source Q to the reflecting body and back to the radiation sensitive sensor S with the help of two light guides, such as z. B. in the form of Glass fibers are present, and further characterized in that the outer surface of the light conductors are embedded in a highly radiation-absorbing sheathing.
Die Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich auch aus den nachfolgenden Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren, in welchen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.The advantages and features of the present invention also result from the following embodiments in connection with the figures, in which same parts are provided with the same reference numerals.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1a das bekannte Wirkungsprinzip eines optischen Sensorschalters und die Strahlungsflüsse in demselben, wobei ein reflektierender Körper auf der transparenten Abdeckung des Sensorschalters aufliegt, um einen Schaltvorgang auszulösen; FIG. 1a to a shift trigger the known operating principle of an optical sensor switch and the radiation fluxes in the same, wherein a reflective body rests on the transparent cover of the sensor switch;
Fig. 1b das bekannte Wirkungsprinzip eines optischen Sensorschalters und die Strahlungsflüsse in demselben, wobei hier kein reflektierender Körper auf der transparenten Abdeckung des Sensorschalters aufliegt; 1b shows the known principle of operation of an optical sensor switch and the radiation fluxes in the same, in which case no reflective body rests on the transparent cover of the sensor switch.
Fig. 2 die Auslösung eines Schaltvorgangs in einem bekannten optischen Sensorschalter mittels eines auf diesen aufgelegten Fingers; Figure 2 illustrates the triggering a switching operation in a conventional optical switch by means of a sensor placed on this finger.
Fig. 3 den Aufbau eines erfindungsgemäßen optischen Sensorschalters und Auslösung eines Schaltvorgangs in diesem mittels eines auf diesen aufgelegten Fingers; Fig. 3 shows the structure of an inventive optical sensor switch, and triggering a switching process in this by means of a finger placed on this;
Fig. 4 den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen optischen Sensorschalters samt dem darin verwendeten Strahlführungssystem in Form von Lichtleitern. Fig. 4 shows the schematic structure of an optical sensor switch according to the invention together with the beam guidance system used therein in the form of light guides.
In Fig. 3 ist ein erfindungsgemäßer optischer Sensorschalter gezeigt. Dieser entspricht in seinem grundsätzlichen Aufbau dem eines bekannten optischen Sensorschalters, wie er schematisch in Fig. 1a, 1b und 2 dargestellt ist. D. h. bei dem in Fig, 3 gezeigten erfindungsgemäßen optischen Sensorschalter sind ebenfalls ein strahlungsempfindlicher Sensor S sowie eine lichtaussendende Strahlungsquelle Q unterhalb einer darüber liegenden Abdeckplatte in Form einer Glaskeramikplatte 12 angebracht. Von der Strahlungsquelle Q nach oben in Form eines Bestrahlungskegels 29 sich ausbreitendes Licht wird an der oberen Grenzfläche 14 der Glaskeramikplatte an dem auf dieser aufliegenden Finger 16 über einen Empfangskegel 30 zurückreflektiert und ein Teil des am Finger zurückreflektierten Lichts gelangt zum strahlungsempfindlichen Sensor S. Sowohl die Strahlungsquelle Q als auch der Sensor S sind hierbei auf einer Trägerplatine 18 aufgesetzt.An optical sensor switch according to the invention is shown in FIG. 3. The basic structure of this corresponds to that of a known optical sensor switch, as is shown schematically in FIGS. 1a, 1b and 2. That is, In the optical sensor switch according to the invention shown in FIG. 3, a radiation-sensitive sensor S and a light-emitting radiation source Q are likewise attached below an overlying cover plate in the form of a glass ceramic plate 12 . Light propagating upward from the radiation source Q in the form of an irradiation cone 29 is reflected back at the upper boundary surface 14 of the glass ceramic plate on the finger 16 resting thereon via a receiving cone 30 and part of the light reflected back on the finger reaches the radiation-sensitive sensor S. Both Radiation source Q and sensor S are placed on a carrier board 18 .
Bei dem in Fig. 3 gezeigten Aufbau eines erfindungsgemäßen optischen Sensor schalters wird eine Erhöhung des Koppelfaktors K dadurch erreicht, daß die aus der Lichtaustrittsöffnung der Strahlungsquelle ausgekoppelte Strahlstärke (= Strahlungsleistung pro Raumwinkel) in die Stirnseite eines darüber angeb rachten Lichtleiters 20 eingekoppelt, in diesem ohne Leistungsverlust zu einer gegenüberliegenden (Austritts-)Stirnseite geleitet und dort aus dem Lichtleiter emittiert wird. Damit kann mit nahezu der gesamten von der Strahlungsquelle ausgesandten Lichtleistung die Oberfläche des Fingers bestrahlt werden. Die optischen Einflüsse (Brechung) der aus Gründen der bruchmechanischen Stabilität strukturierten Glaskeramikunterseite haben dabei nur einen geringen Einfluß auf die Strahlführung.In the construction of an optical sensor switch according to the invention shown in FIG. 3, an increase in the coupling factor K is achieved in that the radiant intensity coupled out from the light exit opening of the radiation source (= radiation power per solid angle) is coupled into the end face of a light guide 20 arranged above it, in this is directed to an opposite (exit) end face without loss of power and is emitted from the light guide there. The surface of the finger can thus be irradiated with almost the entire light output emitted by the radiation source. The optical influences (refraction) of the glass ceramic underside, which is structured for reasons of fracture mechanical stability, have only a minor influence on the beam guidance.
Dieselbe Wirkung hat der Lichtleiter für die Strahlungsrückführung der vom Finger reflektierten Strahlungsleistung zum Sensor S. Die gesamte an der oberen Stirnfläche 23 des zweiten (in Fig. 3 linksliegenden) Lichtleiters 21 eintretende Strahlungsleistung wird nahezu ohne Verluste zum Sensor S geführt. Damit kann die durch die Strahlungsgesetze beschriebene Verringe rung der Strahlstärke ohne Lichtführung, die zu einer Abnahme der Intensität ungeführter Strahlung mit dem quadratischen Abstand vom Empfänger zur Fingerfläche abnimmt, vermieden werden, vor allem wenn Strahlungsquelle und strahlungsempfindlicher Sensor weit von der Glaskeramik entfernt auf der Elektronikplatine montiert werden.The light guide has the same effect for the radiation return of the radiation power reflected by the finger to the sensor S. The entire radiation power entering the upper end face 23 of the second (in FIG. 3 left) light guide 21 is conducted to the sensor S with almost no losses. In this way, the reduction of the radiation intensity without light guidance, which decreases with a square distance from the receiver to the surface of the finger as a result of a decrease in the intensity of unguided radiation, can be avoided, especially if the radiation source and the radiation-sensitive sensor are far away from the glass ceramic on the electronic circuit board to be assembled.
Die Erhöhung des Kontrastverhältnisses wird bei dem in Fig. 3 gezeigten erfin dungsgemäßen optischen Sensorschalter dadurch bewirkt, daß ein direktes Überstrahlen der Strahlung vom Lichtleiter über die Strahlungsquelle zum Lichtleiter über dem strahlungsempfindlichen Sensor verhindert wird durch die Einbettung der Mantelflächen der Lichtleiter in eine stark strahlungsab sorbierende Ummantelung 22.The increase in the contrast ratio is effected in the optical sensor switch according to the invention shown in FIG. 3 in that a direct overexposure of the radiation from the light guide via the radiation source to the light guide via the radiation-sensitive sensor is prevented by embedding the lateral surfaces of the light guide in a strongly radiation-absorbing Jacket 22 .
Es ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, daß der Lichtleiter entweder in einem Zweikomponenten-Spritzgießverfahren in eine entsprechende Ummante lung eingebettet wird oder daß zwischen der Ummantelung und dem Licht leiter z. B. bei mechanischer Montage ein Luftspalt verbleibt, welcher der Strahlungsabsorption dient. In diesem Fall liegt der Lichtleiter längs z. B. schmaler keilförmiger Stege an, die aus der Innenfläche einer Bohrung in der Ummantelung vorstehen.It is envisaged in this connection that the light guide either in a two-component injection molding process in a corresponding casing lung is embedded or that between the casing and the light head z. B. in mechanical assembly, an air gap remains, which is the Radiation absorption serves. In this case, the light guide lies along z. B. Narrow wedge-shaped webs from the inner surface of a hole in the Protrude sheathing.
Mit der Wahl eines geeigneten Abstands der beiden Lichtwellenleiter 20, 21 kann das Kontrastverhältnis K, das durch die Strahlungsleistungsreflexion an der Unterseite der Glaskeramikplatte - ohne Einfluß des Fingers - verschlech tert wird, wesentlich verbessert werden.With the choice of a suitable distance between the two optical fibers 20 , 21 , the contrast ratio K, which is worsened by the radiation power reflection on the underside of the glass ceramic plate — without the influence of the finger — can be significantly improved.
Eine Verringerung des Störstrahlungsfaktors S und damit einhergehend eine Verbesserung des Störstrahlungsfaktors wird dadurch erreicht, daß das Stör licht 25 ausgeblendet wird. Für diese Ausblendung wird einmal die Eigenschaft des Lichtleiters genutzt, Strahlung, die unter einem großen Winkel zur Flächennormalen f der Stirnfläche 23 des Lichtleiters eintrifft, zu einem wesentlich höheren Anteil an der Oberfläche zu reflektieren, im Gegensatz zur Strahlung, die senkrecht eintritt.A reduction in the interference radiation factor S and associated improvement in the interference radiation factor is achieved in that the interference light 25 is hidden. For this suppression, the property of the light guide is used once, to reflect radiation to a significantly higher proportion on the surface that arrives at a large angle to the surface normal f of the end face 23 of the light guide, in contrast to the radiation that occurs perpendicularly.
Diese Wirkungsweise ist in den Fig. 3 und 4 verdeutlicht: Störlicht 25 kann bei Betätigung des Sensorschalters - geometrisch bedingt - nur am Finger vorbei unter einem sehr großen Auftreffwinkel α auf die Stirnseite 23 der Lichtleiter einfallen. Ein Großteil des Störlichtes 25 wird dort reflektiert und gelangt erst gar nicht in den Lichtleiter 21 (siehe Fig. 3, obere Verzweigung des mit 25 gekennzeichneten Störlichtstrahls)This mode of operation is illustrated in FIGS. 3 and 4: stray light 25 , when actuated by the sensor switch, can - due to the geometry - only pass the finger at a very large angle of incidence α onto the end face 23 of the light guide. A large part of the stray light 25 is reflected there and does not even get into the light guide 21 (see FIG. 3, upper branch of the stray light beam labeled 25 ).
Weiterhin kann durch die genaue Abstimmung der Materialien für die Ummantelung 22 und den Kern der Lichtleiter 20, 21 verhindert werden, daß Störlicht 25 zum strahlungsempfindlichen Sensor S weitergeleitet wird. Die Materialien können in Bezug auf ihre Brechungsindizes nM und nC so ausge wählt werden, daß nur Strahlung, die bis zu einem durch die numerische Apertur festgelegten Auftreffwinkel α auf der Stirnseite eines Lichtleiters auftrifft, sich im Inneren des Lichtleiters ausbreiten kann.Furthermore, the precise coordination of the materials for the cladding 22 and the core of the light guides 20 , 21 can prevent the stray light 25 from being passed on to the radiation-sensitive sensor S. The materials can be chosen with respect to their refractive indices n M and n C so that only radiation that strikes the front side of a light guide up to a point of incidence α determined by the numerical aperture can spread inside the light guide.
Die numerische Apertur NA errechnet sich als NA = nC 2-nM 2 = sin α für einen im Umgebungsmedium Luft eingesetzten Lichtleiter aus dem Brechungs index des Lichtleiters (nC) und dem Brechungsindex der Ummantelung (nM). Strahlung, die unter einem größerem Winkel als α auf die Stirnfläche auftrifft und in den Lichtleiter 21 gelangt, wird allerdings bei der ersten Reflexion an der Mantelfläche 28 aus dem Lichtleiter 21 ausgekoppelt und von der Umman telung 22 absorbiert (siehe Fig. 3, untere Verzweigung des mit25 gekennzeich neten Störlichtstrahls).The numerical aperture NA is calculated as NA = n C 2 -n M 2 = sin α for a light guide used in the ambient medium air from the refractive index of the light guide (n C ) and the refractive index of the cladding (n M ). Radiation, which strikes the end face at a greater angle than α and enters the light guide 21 , is, however, decoupled from the light guide 21 during the first reflection on the outer surface 28 and absorbed by the jacket 22 (see FIG. 3, lower branching) of the stray light beam marked with 25 ).
Weiterhin tritt bei dem erfindungsgemäßen optischen Sensorschalter eine Verminderung der optischen Einflüsse der Oberflächenstruktur des Abdeckme diums ein: Die bei der Betätigung des optischen Sensorschalters sich in Form eines Bestrahlungskegels durch die Glaskeramik 12 ausbreitende und am Finger 16 reflektierte Strahlung tritt wieder in Richtung des Sensors in die Glaskeramik ein. Ihr Strahlengang wird allerdings durch die zur bruchmecha nischen Versteifung der Abdeckplatte notwendige Noppenstrukturierung der Glaskeramikunterseite wesentlich beeinflußt. Jede Noppe wirkt wie eine opti sche Linse, die die parallele Strahlung in einem Brennpunkt bündelt. Bei den herkömmlichen optischen Sensorschaltern ist darauf zu achten, daß die strah lungsempfindlichen Sensoren nicht in dem Brennpunkt einer Noppe positio niert wurden, da der begrenzte Aussteuerbereich der Sensoren überschritten werden könnte. Die Sensoren sollten nicht zu nahe an der Glaskeramik positio niert werden, da sie dann in der Brennebene der Noppen zu liegen kommen; sie sollten aber auch nicht zu weit von der Keramikplatte entfernt sein, weil sich damit die im Sensor eintretende Strahlleistung wesentlich verringert und damit der Koppelfaktor K verschlechtert.Furthermore, in the case of the optical sensor switch according to the invention, there is a reduction in the optical influences of the surface structure of the covering medium: the radiation which propagates through the glass ceramic 12 in the form of an irradiation cone and is reflected on the finger 16 when the optical sensor switch is actuated again occurs in the direction of the sensor Glass ceramic. Your beam path is, however, significantly influenced by the nub structure of the glass ceramic underside necessary for the mechanical stiffening of the cover plate. Each nub acts like an optical lens that focuses the parallel radiation in one focus. In the conventional optical sensor switches, care must be taken that the radiation-sensitive sensors have not been positioned in the focal point of a knob, since the limited modulation range of the sensors could be exceeded. The sensors should not be positioned too close to the glass ceramic, as they will then lie in the focal plane of the knobs; however, they should not be too far from the ceramic plate either, because this significantly reduces the beam power entering the sensor and thus deteriorates the coupling factor K.
Bei einem erfindungsgemäßen optischen Sensorschalter ist auch dieses Problem gelöst. Die gesamte durch den Empfangskegel 30 in die obere Stirn fläche des Lichtwellenleiters eintretende Strahlleistung wird weitgehenst ohne Verluste in den Sensor geleitet. Die Bündelungswirkung wird durch die Viel fach-Totalreflexionen der Strahlen an der Mantelfläche des Lichtleiters und durch Verwendung eines Lichtleitermaterials mit im wesentlichen gleichem Brechungsindex wie der der Glaskeramik wesentlich vermindert. Am oberen Sensorende des Rückführungslichtleiters 21 wird dadurch eine homogene Strahlleistungsdichte erreicht. Die Positionierung des optischen Sensorschal ters zu einer Noppe hat damit nur noch einen relativ geringen Einfluß auf die Abstimmung des Sensorschalters. Die Strahlungseintrittsfläche und damit der Querschnitt der Lichtleiter ist so zu wählen, daß unabhängig von seiner Posi tion zu den Noppen auf der Glaskeramikunterseite im Mittel immer die gleiche Strahlleistung in den Lichtleiter tritt.This problem is also solved in an optical sensor switch according to the invention. The entire beam power entering through the receiving cone 30 into the upper end face of the optical waveguide is conducted largely without losses into the sensor. The bundling effect is substantially reduced by the multiple total reflections of the rays on the outer surface of the light guide and by using a light guide material with essentially the same refractive index as that of the glass ceramic. A homogeneous beam power density is thereby achieved at the upper sensor end of the return light guide 21 . The positioning of the optical sensor switch to a knob has only a relatively minor influence on the tuning of the sensor switch. The radiation entrance surface and thus the cross section of the light guide is to be selected so that regardless of its position on the knobs on the glass ceramic underside, the same beam power always occurs on average in the light guide.
Bei im wesentlichen gleichen Brechungsindex für die Glaskeramik und die Lichtleiter ergeben sich Lichtbrechungen von etwa gleichem Winkel beim Übergang in die und aus der dazwischenliegenden Luftgrenzschicht, so daß sich im wesentlichen keine Ablenkung der Strahlrichtung sondern nur ein geringer Strahlungsenergieverlust ergibt.With essentially the same refractive index for the glass ceramic and the Optical fibers result in light refractions of approximately the same angle at Transition into and out of the intermediate air boundary layer, so that essentially no deflection of the beam direction but only a small one Radiant energy loss results.
Die Differenz der Brechungsindizes sollte maximal nicht größer als ± 0,2 bis 0,3 sein, um die gewünschte hohe Empfindlichkeit zu erhalten.The difference in the refractive indices should not exceed ± 0.2 to 0.3 to get the desired high sensitivity.
Mit dem erfindungsgemäßen Sensorschalter ist auch eine Erhöhung der Einsatztemperatur möglich: Der Betriebstemperaturbereich für optoelektroni sche Bauelemente, wie die Strahlungsquelle und den strahlungsempfindlichen Sensor reicht im allgemeinen nur bis ca. 85°C. Als Materialien für die Umman telung und den Lichtleiter in einem erfindungsgemäßen optischen Sensor schalter werden deshalb hochtemperaturfeste Kunststoffe oder andere geeignete Materialien gewählt, die kurzzeitige Temperaturspitzenbelastungen von über 200°C tolerieren. Derartige Spitzentemperaturen können unter der Glaskeramikplatte auftreten, wenn ein heißer, z. B. mit siedendem Fett gefüllter Topf über dem optischen Sensorschalter abgestellt wird. In diesem Fall von Fehlbedienung wird die bei den bislang eingesetzten optischen Sensor schaltern an der Glaskeramikplatte anliegende Strahlungsquelle unweigerlich beschädigt. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen optischen Sensorschalters können jedoch Strahlungsquelle und Sensor weit von der Glaskeramikplatte entfernt und damit in einem thermisch geschützten Bereich z. B direkt auf einer Elektronikplatine angebracht werden.With the sensor switch according to the invention is also an increase in Operating temperature possible: The operating temperature range for optoelektroni cal components, such as the radiation source and the radiation-sensitive The sensor generally only reaches up to approx. 85 ° C. As materials for the umman telung and the light guide in an optical sensor according to the invention switches are therefore high-temperature resistant plastics or others suitable materials selected, the short-term temperature peaks tolerate above 200 ° C. Such peak temperatures can be below the Glass ceramic plate occur when a hot, e.g. B. with boiling fat filled pot is placed over the optical sensor switch. In this In case of incorrect operation, the optical sensor used so far switches inevitably on the radiation source on the glass ceramic plate damaged. When using the optical sensor switch according to the invention However, the radiation source and sensor can be far from the glass ceramic plate removed and thus in a thermally protected area z. B directly on be attached to an electronic board.
Der erfindungsgemäße optische Sensorschalter garantiert auch eine kosten günstigere Fertigungsweise durch den Einsatz von oberflächenmontierbaren (SMD = surface mounted device) Strahlungsquellen bzw. Strahlungsdetektoren. Durch den Einsatz eines aus Lichtleitern bestehenden Strahlungsführsystems für die erfindungsgemäßen optischen Sensorschalter können Steuerungen, in denen bis zu 15 optische Sensorschalter eingesetzt werden, wesentlich kosten günstiger produziert werden. Statt die im Stand der Technik verwendeten bedrahteten IR-LEDs und die Photosensoren in einen Montagesockel einzufä deln und danach per Hand zu verlöten, werden beim erfindungsgemäßen Sensorschalter mit Lichtleitern die kostengünstigeren oberflächenmontierbaren IR-LEDs und Photosensoren mit den übrigen SMD Elektronik-Bauteilen von einem vollautomatischen SMD-Bestücker direkt auf eine Platine gesetzt und im Anschluß angelötet. Im letzten Prozeßschritt müssen nur noch die in einem Zweikomponentenspritzgießverfahren kostengünstig herzustellenden schnapp baren Lichtleitsockel entweder per Hand oder vollautomatisch auf der Platine über den IR-LEDs und den Photodetektoren bestückt werden.The optical sensor switch according to the invention also guarantees a cost cheaper production method by using surface mountable (SMD = surface mounted device) radiation sources or radiation detectors. By using a radiation guide system consisting of light guides for the optical sensor switches according to the invention, controls can be used which use up to 15 optical sensor switches, cost significantly be produced cheaper. Instead of those used in the prior art wired IR LEDs and the photo sensors in a mounting base deln and then soldered by hand, are in the invention Sensor switches with optical fibers are the more cost-effective, surface-mountable IR LEDs and photo sensors with the other SMD electronic components from a fully automatic SMD placement machine directly on a circuit board and then soldered on. In the last process step, only the one in one Two-component injection molding process snap to produce inexpensively light guide base either by hand or fully automatically on the circuit board above the IR LEDs and the photodetectors.
Auch die vorausstehend erwähnte mechanische Montage der Lichtleiter in der Ummantelung mit einem dazwischenliegenden Luftspalt bietet eine sehr ko stengünstige Herstellung. The aforementioned mechanical assembly of the light guide in the Sheathing with an air gap in between provides a very knockout cost-effective production.
Somit überwindet der erfindungsgemäße optische Sensorschalter in seinen ver schiedenen Ausführungsformen sämtliche oben dargestellten Nachteile des Stands der Technik.Thus, the optical sensor switch according to the invention overcomes in its ver different embodiments all the disadvantages of the above State of the art.
Claims (6)
wobei ein erster Lichtleiter (20) an die Lichtquelle (Q) und ein zwei ter Lichtleiter (21) an den Sensor (S) angekoppelt ist, wobei die freien Enden der beiden Lichtleiter so positioniert sind, daß vom ersten Lichtleiter (20) aus tretendes Licht durch einen in die Nähe der freien Stirnseiten zu bringenden Körper (16) in den zweiten Lichtleiter (21) reflektiert und in diesem zum Signalsensor (S) geführt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß die Mantelflächen der Lichtleiter (20, 21) in eine stark strah lungsabsorbierende Ummantelung (22) eingebettet sind.1. Optical sensor switch, in particular for a glass ceramic hob, with a light source (Q) and a light-sensitive signal sensor (S), which is connected to a circuit and receives light from the light source (Q), the circuit generating an output signal when the Signal sensor (S) receives light above a predetermined threshold value;
wherein a first light guide ( 20 ) is coupled to the light source (Q) and a second light guide ( 21 ) to the sensor (S), the free ends of the two light guides being positioned such that the first light guide ( 20 ) emerges Light is reflected by a body ( 16 ) to be brought into the vicinity of the free end faces into the second light guide ( 21 ) and is guided therein to the signal sensor (S), characterized in that
that the lateral surfaces of the light guides ( 20 , 21 ) are embedded in a highly radiation-absorbing jacket ( 22 ).
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