DE19718157A1 - Opto-elektronischer Sensor - Google Patents
Opto-elektronischer SensorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine opto-elektronische Sensoranord
nung mit einem Lichtsender und einem Lichtempfänger.
Derartige Sensoranordnungen sind bekannt und weisen oftmals
den Nachteil hoher Herstellungskosten auf. Weiterhin ist die
Baugröße bekannter Sensoranordnungen oftmals nicht in ausrei
chendem Maße miniaturisierbar.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine opto-elek
tronische Sensoranordnung der eingangs genannten Art der
art weiterzuentwickeln, daß sich sowohl die Herstellungsko
sten als auch die Baugröße reduzieren lassen.
Gemäß einem ersten erfindungsgemäßen Lösungsansatz wird dies
dadurch erreicht, daß der Sender gemeinsam mit einer ihm zu
geordneten Sendeoptik und der Empfänger gemeinsam mit einer
ihm zugeordneten Empfangsoptik auf einander gegenüberliegen
den Seiten eines optisch undurchlässigen, Sender und Empfän
ger und/oder Sende- und Empfangsoptik optisch voneinander
trennenden Flächenelements, insbesondere einer Platine ange
ordnet sind, wobei Sende- und Empfangsoptik jeweils einen mit
dem Flächenelement verbundenen, auf seiner Außenseite zumin
dest bereichsweise verspiegelten optischen Formkörper umfas
sen.
Erfindungsgemäß kann also beispielsweise eine Platine, welche
in üblicher Weise Leiterbahnen und elektronische Bauteile
aufweist, zusätzlich als Trägerelement für Sender und Empfän
ger dienen, wobei die Platine gleichzeitig aufgrund ihrer op
tisch undurchlässigen Ausbildung dafür sorgt, daß Sender und
Empfänger optisch voneinander getrennt werden, wenn sie auf
unterschiedlichen Seiten der Platine befestigt sind.
Weiterhin kann die Platine als Trägerelement für Sende- und
Empfangsoptik dienen, wobei die Platine auch hier für eine
optische Entkopplung von Sende- und Empfangsoptik sorgt, wenn
die jeweiligen Optiken - ebenso wie Sender und Empfänger -
auf einander gegenüberliegenden Seiten der Platine befestigt
sind.
Sende- und Empfangsoptik umfassen erfindungsgemäß jeweils ei
nen auf seiner Außenseite zumindest bereichsweise verspiegel
ten optischen Formkörper, der als einheitliches und kompaktes
Bauteil auf der Platine benachbart zum Sender bzw. zum Emp
fänger befestigt werden kann. Die bereichsweise Verspiegelung
des Formkörpers kann wahlweise für eine Strahlformung
und/oder Umlenkung von Sende- bzw. Empfangsstrahl sorgen.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung kann somit auf einfach
ste Weise montiert werden, indem auf einer Platine Sender,
Sendeoptik, Empfänger und Empfangsoptik befestigt werden. Die
nach der genannten Montage zumindest im wesentlichen bereits
funktionsfähige Sensoranordnung kann dann noch einem gehäuse
bildendem Prozeß unterworfen oder in ein vorgefertigtes Ge
häuse eingebaut werden.
Dadurch, daß Sender, Empfänger, Sendeoptik und Empfangsoptik
direkt auf einer Platine befestigt werden, läßt sich eine mi
nimale Baugröße der Gesamt-Sensoranordnung erreichen.
Bevorzugt ist es, wenn die verspiegelte Fläche der Sende- und/oder
Empfangsoptik zur Umlenkung eines Lichtstrahlbündels
um ungefähr 90° ausgebildet ist, so daß letztlich Sende- und
Empfangsstrahl parallel zum insbesondere als Platine ausge
bildeten Flächenelement gerichtet sind.
Die verspiegelte Fläche der Sende- und/oder Empfangsoptik
kann einen Hohlspiegel bilden, welcher insbesondere als Off-
Axis-Paraboloid ausgeführt ist. Mit einem solchen Hohlspiegel
kann eine Doppelfunktion des die Sende- und/oder Empfangsop
tik bildenden Formkörpers erreicht werden, da sowohl eine Um
lenkung eines Lichtstrahls als auch eine Strahlformung mit
tels eines Hohlspiegels realisierbar ist.
Alternativ ist es möglich, die verspiegelte Fläche der Sende- und/oder
Empfangsoptik als Planspiegel auszubilden, wobei die
verspiegelte Fläche in diesem Fall lediglich eine Umlenkfunk
tion erfüllt.
Die verspiegelte Fläche der Sende- und/oder Empfangsoptik
kann - unabhängig davon, ob sie einen Hohlspiegel oder einen
Planspiegel bildet - durch eine auf den jeweiligen optischen
Formkörper aufgebrachte metallische Schicht realisiert sein.
Sende- und/oder Empfangsoptik sind so besonders einfach her
stellbar und als einheitliches, optisch bereits voll funkti
onsfähiges Modul am Flächenelement befestigbar.
Die Befestigung der optischen Formkörper am Flächenelement
ist besonders einfach dann zu realisieren, wenn der optische
Formkörper eine mit dem Flächenelement verbindbare Planfläche
aufweist, über die der optische Formkörper und das Flä
chenelement miteinander verklebbar sind. Eine derartige Kle
beverbindung kann sowohl mittels eines Klebstoff als auch
mittels einer dünnen Klebefolie hergestellt werden.
Der optische Formkörper weist bevorzugt auf seiner dem Flä
chenelement zugewandten Seite eine Ausnehmung zur Aufnahme
des Senders bzw. Empfängers auf, so daß Sender bzw. Empfänger
durch den jeweiligen optischen Formkörper und das mit ihm
verbundene Flächenelement zumindest weitgehend, insbesondere
vollständig umschlossen sind.
Zwischen dem optischen Formkörper und dem Sender bzw. Empfän
ger kann ein Luftspalt ausgebildet sein. Alternativ ist es
möglich, den optischen Formkörper mit dem Sender bzw. Empfän
ger optisch zu verkitten.
Eine besonders einfache Montage der Formkörper auf dem Flä
chenelement ist dadurch erreichbar, daß der optische Formkör
per mit Positionierungsfortsätzen versehen wird, die mit in
das Flächenelement eingebrachten Positionierbohrungen in Ein
griff bringbar sind. Die genannten Positionierungsfortsätze
können an den optischen Formkörper beispielsweise im Rahmen
eines die optischen Formkörper schaffenden Spritzvorgangs an
gebracht werden, so daß sich hierdurch keinerlei Verteuerung
des Herstellungsprozesses ergibt. Ebenso können die Positio
nierbohrungen des Flächenelements im Rahmen der Fertigung des
beispielsweise als Platine ausgebildeten Flächenelements ein
gebracht werden, ohne die Herstellungskosten zu erhöhen, da
eine Platine ohnehin mit einer Vielzahl von Bohrungen zu ver
sehen ist.
Von Vorteil ist es, wenn die Positionierungsfortsätze mit
Klemmsitz in den Positionierbohrungen fixierbar sind und auf
diese Weise die erforderliche Verbindung zwischen optischem
Formkörper und Flächenelement bewirken. Eine Verklebung zwi
schen optischem Formkörper und Flächenelement ist in diesem
Fall nicht mehr nötig und kann demzufolge auf wirtschaftlich
vorteilhafte Weise eingespart werden. Allerdings ist es in
letztgenanntem Fall sinnvoll, zwischen optischem Formkörper
und Flächenelement ein Dichtungsmaterial vorzusehen, welches
beispielsweise während des gehäusebildenden Prozesses verhin
dert, daß Gehäusematerial in den Bereich von Lichtsender bzw.
Lichtempfänger gelangt. Eine besonders gute Abdichtung wird
dann erreicht, wenn das Dichtungsmaterial zwischen optischem
Formkörper und Flächenelement zusammengedrückt wird, wobei
die hierfür erforderlichen Kräfte durch den Klemmsitz zwi
schen Positionierbohrungen und Positionierungsfortsätzen er
zeugbar sind.
Der die Sende- und Empfangsoptik bildende optische Formkörper
kann eine Linse umfassen, deren optische Achse zumindest im
wesentlichen senkrecht zum Flächenelement verläuft. Alterna
tiv oder zusätzlich kann eine solche Linse vorgesehen werden,
deren optische Achse zumindest im wesentlichen parallel zum
Flächenelement verläuft.
Jeder optische Formkörper kann somit mit einer oder mit zwei
Linsen ausgestattet werden, wobei bei Ausstattung mit nur ei
ner Linse deren optische Achse entweder senkrecht oder paral
lel zum Flächenelement verläuft. Bei Ausstattung des opti
schen Formkörpers mit zwei Linsen verlaufen deren optische
Achsen im wesentlichen senkrecht zueinander, wobei eine opti
sche Achse im wesentlichen senkrecht und die andere optische
Achse im wesentlichen parallel zum Flächenelement verläuft.
Durch die Vorsehung der genannten Linsen kann eine jeweils
gewünschte Strahlformung von Sende- und/oder Empfangsstrahl
erreicht werden, wobei von Vorteil ist, daß die jeweilige
Linse bzw. die jeweiligen Linsen fest in den optischen Form
körper eingebracht sind und mit ihm gemeinsam somit eine kom
pakt handhabbare Einheit bilden.
Die genannten Linsen können mit den bereits erwähnten ver
spiegelten Bereichen der optischen Formkörper derart zusam
menwirken, daß sowohl eine Strahlformung als auch eine
Strahlumlenkung realisierbar wird.
Besonders bevorzugt ist es, wenn das Flächenelement sowie die
Sende- und Empfangsoptik einer erfindungsgemäßen Sensoranord
nung mit einer gehäusebildenden Masse umhüllt sind. Die Um
hüllung kann beispielsweise durch einen Spritz-, Gieß- oder
Preßvorgang, oder aber auch durch beliebige andere gehäuse
bildende Verfahren erzeugt werden. Bei einer derartigen be
vorzugten Ausführungsform der Erfindung läßt sich der Her
stellungsprozeß auf einfachste Weise beispielsweise durch ei
nen einzigen Spritzvorgang komplettieren. Neben dem einfachen
und kostengünstigen Herstellungsverfahren ist in diesem Fall
von Vorteil, daß auch eine besonders kleine Bauform der fer
tigen Sensoranordnung erzielbar ist, da das Umhüllen bzw. das
Umspritzen beispielsweise in der Weise stattfinden kann, daß
der äußere Umfang der Gesamtanordnung lediglich so groß ist
wie der äußere Umfang der beiden auf eine Platine aufgesetz
ten optischen Formkörper.
Bei der vorstehend genannten bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist es weiterhin vorteilhaft, wenn der optische
Formkörper bzw. die optischen Formkörper aus einem hochtempe
raturbeständigen Werkstoff bestehen. Bei Verwendung tempera
turbeständiger Materialien ist sichergestellt, daß die opti
schen Formkörper durch den gehäusebildenden Umhüllungsvorgang
in keiner Weise beeinflußt bzw. verändert werden, da der
Schmelzpunkt des für die optischen Formkörper verwendeten
Werkstoffs oberhalb der Verarbeitungstemperatur liegt.
In bestimmten Anwendungsfällen, beispielsweise bei der Her
stellung von Rundlichtschranken kann der gehäusebildende Um
hüllungsvorgang so ausgeführt werden, daß die gehäusebildende
Masse letztlich eine zumindest im wesentlichen zylindrische
Form aufweist.
Dabei ist es von Vorteil, wenn die optischen Formkörper je
weils eine im wesentlichen halbkreisförmige, sich senkrecht
zum Flächenelement erstreckende Abschlußfläche aufweisen, die
gemeinsam eine im wesentlichen kreisrunde Stirnseite der Sen
soranordnung bilden. Durch diese Stirnseite der zumindest im
wesentlichen zylindrischen Sensoranordnung tritt dann jeweils
über die optischen Formkörper Licht in die Sensoranordnung
ein und aus. Der Umfang der kreisrunden Stirnseite, welche
durch die beiden Formkörper gebildet ist, entspricht dabei
dem Umfang der zylindrischen Gesamt-Sensoranordnung.
Gemäß einem zweiten erfindungsgemäßen Lösungsansatz wird eine
opto-elektronische Sensoranordnung der eingangs genannten Art
derart weitergebildet, daß der Sender gemeinsam mit einer ihm
zugeordneten Sendeoptik und/oder einem ihm zugeordnetem Sen
detubus und der Empfänger gemeinsam mit einer ihm zugeordne
ten Empfangsoptik und/oder einem ihm zugeordneten Empfangstu
bus voneinander beabstandet auf der gleichen Seite eines Flä
chenelements, insbesondere einer Platine angeordnet sind, wo
bei Sende- und Empfangsoptik bzw. Sendetubus und Empfangstu
bus durch optische Formkörper gebildet sind, die durch op
tisch dichte Kunststoffmasse optisch voneinander getrennt
sind.
Auch bei dieser Ausführungsform der Erfindung läßt sich eine
besonders kompakte Bauweise der Sensoranordnung bei niedrigen
Herstellungskosten erreichen.
Im Unterschied zum ersten erfindungsgemäßen Lösungsansatz
werden Sender und Empfänger auf der gleichen Seite eines Flä
chenelements angeordnet, wobei eine optische Trennung der
Sende- und Empfangsbereiche durch eine optisch dichte Kunst
stoffmasse erreicht wird, die insbesondere gleichzeitig si
cherstellt, daß Sende- und Empfangstubus bzw. Sende- und Emp
fangsoptik unverrückbar zueinander positioniert sind. Das
Einbringen der Kunststoffmasse kann beispielsweise durch ei
nen Spritz-, Gieß- oder Preßvorgang, oder aber auch durch be
liebige andere gehäusebildende Verfahren bewerkstelligt wer
den.
Bei der Ausführungsform gemäß des zweiten Lösungsansatzes ist
von Vorteil, daß keine Strahlumlenkung erfolgen muß, so daß
die Vorsehung von verspiegelten Bereichen eingespart wird.
Sende- und Empfangslichtstrahl verlaufen gemäß des zweiten
Lösungsansatzes zumindest im wesentlichen senkrecht zum Flä
chenelement, welches Sender und Empfänger trägt.
Bevorzugt können Sende- und Empfangstubus und/oder Sende- und
Empfangsoptik als optische Formkörper ausgebildet werden, die
aus hochtemperaturbeständigem Werkstoff bestehen, wobei der
Schmelzpunkt des Werkstoffs insbesondere oberhalb 200°C
liegt. Als Werkstoff bietet sich auch hier die Verwendung von
Apec an.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die Kunststoffmasse, die
den Sendebereich optisch vom Empfangsbereich trennt, aus du
roplastischem Werkstoff besteht, der insbesondere bei einer
vergleichsweise niedrigen Temperatur verarbeitbar ist. Hier
durch werden die in Verbindung mit dem ersten Lösungsansatz
bereits erläuterten Vorteile erreicht.
Das Flächenelement, der Sender, der Empfänger, der Sendetubus
und der Empfangstubus können insgesamt mit der genannten, op
tisch dichten Kunststoffmasse umhüllt werden, so daß die
Kunststoffmasse letztlich das Gehäuse der Gesamt-
Sensoranordnung bildet. Neben der Bildung eines Gehäuses wird
so auf vorteilhafte Weise erreicht, daß alle wesentlichen Be
standteile der Sensoranordnung fest und unverrückbar zueinan
der positioniert sind.
Falls die Sende- bzw. Empfangsoptik nicht in den Sende- bzw.
Empfangstubus integriert ist, ist es möglich, die Sende- bzw.
Empfangsoptik auf den Sende- bzw. Empfangstubus aufzusetzen
Dieser Aufsetzvorgang kann stattfinden, nachdem die die opti
sche Trennung von Sende- und Empfangstubus bewirkende Kunst
stoffmasse eingebracht wurde.
Alternativ zu dem vorstehend beschriebenen nachträglichen
Aufsetzvorgang kann Sendetubus und Sendeoptik zu einem ein
heitlichen optischen Formkörper zusammengefaßt werden, so daß
das nachträgliche Aufsetzen entfällt. Entsprechend kann mit
Empfangstubus und Empfangsoptik vorgegangen werden.
Gemäß einem dritten erfindungsgemäßen Lösungsansatz wird eine
opto-elektronische Sensoranordnung der eingangs genannten Art
derart weitergebildet, daß der Sender, eine ihm zugeordnete
Sendeoptik, der Empfänger sowie eine ihm zugeordnete Emp
fangsoptik auf einem im wesentlichen optisch undurchlässigen
Flächenelement, insbesondere einer Platine angeordnet sind,
wobei Sende- und Empfangsoptik jeweils einen mit dem Flä
chenelement verbundenen, auf seiner Außenseite zumindest be
reichsweise verspiegelten optischen Formkörper umfassen, und
wobei Sender und Sendeoptik auf einander gegenüberliegenden
Seiten des zwischen Sender und Sendeoptik optisch durchlässi
gen Flächenelements angeordnet sind, und/oder wobei Empfänger
und Empfangsoptik auf einander gegenüberliegenden Seiten des
zwischen Empfänger und Empfangsoptik optisch durchlässigen
Flächenelements angeordnet sind.
Der Unterschied zum ersten Lösungsansatz besteht darin, daß
Sender und Sendeoptik und/oder Empfänger und Empfangsoptik
auf einander gegenüberliegenden Seiten des Flächenelements
angeordnet sein können, wobei das Flächenelement zwischen
Sender und Sendeoptik bzw. zwischen Empfänger und Empfangsop
tik einen optisch durchlässigen Bereich aufweist, welcher
beispielsweise als Durchbrechung einer Platine ausgebildet
sein kann. Dieser optisch durchlässige Bereich gewährleistet,
daß Licht vom Sender zur Sendeoptik bzw. von der Empfangsop
tik zum Empfänger gelangen kann.
Sende- und Empfangsoptik sind weiterhin auf einander gegen
überliegenden Seiten des Flächenelements vorgesehen.
Besonders bevorzugt bei einer Anordnung gemäß der dritten Lö
sungsvariante ist es, wenn Sender und/oder Empfänger mittels
Flip-Chip-Technik mit elektrischen Leiterbahnen des Flä
chenelements bzw. der Platine verbunden sind. Eine derartige
Verbindung sowie auch die erwähnten optisch durchlässigen Be
reiche des Flächenelements sind in der deutschen Patentanmel
dung 196 43 911.6 der Anmelderin beschrieben.
Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Lösungsvariante werden
Sender und Empfänger auf der gleichen oder auf gegenüberlie
genden Seiten eines Flächenelements, insbesondere einer Pla
tine angeordnet und jeweils mit einem Faseroptikanschluß aus
gestattet. Dieser Faseroptikanschluß ist entweder aus Metall
oder einem temperaturbeständigen Kunststoff gefertigt. Die
Gesamtanordnung aus Flächenelement, Sender, Empfänger sowie Fa
seroptikanschlüssen kann dann mit einer gehäusebildenden Mas
se umhüllt werden.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprü
chen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie
len unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben; in die
sen zeigt:
Fig. 1a eine schematische, aufgebrochene Seitenansicht des
vorderen Bereichs einer erfindungsgemäßen Sensoran
ordnung gemäß der ersten Lösungsvariante,
Fig. 1b eine Ansicht der Stirnseite einer Sensoranordnung
gemäß Fig. 1a,
Fig. 2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer
Sensor-Gesamtanordnung gemäß der ersten Lösungsva
riante,
Fig. 3a eine Ansicht der Unterseite eines im Rahmen der er
sten Lösungsvariante einsetzbaren optischen Form
körpers,
Fig. 3b eine Seitenansicht eines Formkörpers gemäß Fig. 3a,
Fig. 3c eine perspektivische Ansicht eines optischen Form
körpers gemäß den Fig. 3a und 3b,
Fig. 4 den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen
Sensoranordnung gemäß der zweiten Lösungsvariante,
und
Fig. 5 eine schematische, aufgebrochene Seitenansicht des
vorderen Bereichs einer erfindungsgemäßen Sensoran
ordnung gemäß der dritten Lösungsvariante.
Die schematische Darstellung einer Sensoranordnung entspre
chend der ersten Lösungsvariante gemäß Fig. 1a zeigt eine
Platine 1, auf deren Oberseite ein Sender 2 und auf deren Un
terseite ein Empfänger 3 angeordnet sind. Sender 2 und Emp
fänger 3 sind dabei auf der Ober- und Unterseite der Plati
ne 1 auf einander entsprechenden Bereichen angeordnet, so daß
sie sich direkt gegenüberliegen.
Oberhalb des Senders 2 ist eine mit der Platine 1 fest ver
bundene Hohlspiegelanordnung 4 vorgesehen, welche die Sen
deoptik bildet.
In entsprechender Weise ist unterhalb des Empfängers 3 eine
Hohlspiegelanordnung 5 vorgesehen, die die Empfangsoptik bil
det.
Die beiden Hohlspiegel 4, 5 sind dabei in der dargestellten
Ausführungsform als Off-Axis-Parabolide ausgebildet, so daß
sie sowohl eine Strahlformung als auch eine Umlenkung der je
weiligen Strahlen bewirken. Der Strahlverlauf ist aus den in
Fig. 1a eingezeichneten Pfeilen ersichtlich.
Der Hohlspiegel 4 lenkt das vom Sender 2 ausgestrahlte Licht
bündel derart um, daß es die Sensoranordnung im wesentlichen
parallel zur Oberfläche der Platine 1 in Pfeilrichtung durch
die Lichtaustrittsfläche 6 verläßt.
Der Hohlspiegel 5 ist derart ausgebildet, daß er parallel zur
Oberfläche der Platine 1 einfallendes Licht auf die lichtemp
findliche Fläche des Empfängers 3 lenkt, wobei sich die
lichtempfindliche Fläche des Empfängers 3 zumindest im we
sentlichen parallel zur Unterseite der Platine 1 erstreckt,
auf der der Empfänger 3 befestigt ist. Das vom Hohlspiegel 5
zum Empfänger 3 geleitete Licht tritt durch die Lichtein
trittsfläche 7 in die Sensoranordnung ein.
Die Hohlspiegel 4, 5 sowie die Platine 1 sind in eine gehäu
sebildende Masse 8 eingebettet, mit der die genannten Kompo
nenten nach Zusammenfügen der Bauteile 1 bis 5 umhüllt bzw.
umspritzt wurden.
Durch das genannte gehäusebildende Verfahren, welches insbe
sondere als Spritzverfahren ausgeführt wird, kann die erfin
dungsgemäße Sensoranordnung durch Auswahl geeigneter Spritz
formen ohne Schwierigkeiten hinsichtlich ihrer äußeren Gehäu
seform an unterschiedliche Anwendungsfälle angepaßt werden.
Die gehäusebildende Masse 8 bildet somit - mit Ausnahme der
Lichteintrittsfläche 7 und der Lichtaustrittsfläche 6 - die
äußere Oberfläche der erfindungsgemäßen Sensoranordnung und
stellt gleichzeitig eine Fixierung der Hohlspiegel 4, 5 an
der Platine 1 sicher. Zudem umgibt die gehäusebildende Masse
8 auch auf der Platine 1 angeordnete, aus Gründen der Über
sichtlichkeit nicht dargestellte elektronische Komponenten.
Die in Fig. 1a dargestellte Ausführungsform der erfindungsge
mäßen Sensoranordnung weist ein im wesentlichen zylindrisches
Gehäuse auf, was insbesondere durch Fig. 1b verdeutlicht
wird, die eine Ansicht derjenigen Stirnseite der Sensoranord
nung gemäß Fig. 1a zeigt, die Lichtaustrittsfläche 6 und
Lichteintrittsfläche 7 aufweist.
Fig. 1b zeigt, daß sowohl Lichtaustrittsfläche 6 als auch
Lichteintrittsfläche 7 jeweils Halbkreisform aufweisen. Zwi
schen Lichtaustrittsfläche 6 und Lichteintrittsfläche 7 be
findet sich die Platine 1.
Aus Fig. 1b ist weiterhin ersichtlich, daß die äußere Kontur
der beiden Hohlspiegel 4, 5 in Lichteintrittsrichtung be
trachtet jeweils ein Halbkreiskontur aufweisen, die der
Lichtaustrittsfläche 6 bzw. der Lichteintrittsfläche 7 ent
spricht.
Bei der dargestellten erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist
von Vorteil, daß der Außenumfang des zylindrischen Gehäuses
genauso klein sein kann, wie der Außenumfang der in Fig. 1b
dargestellten Komponenten 1, 4 und 5.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Sensoranordnung, welche nach dem in Fig. 1 dargestellten
Prinzip arbeitet.
Entsprechend Fig. 1a ist auf einer Platine 1 ein Sender 2 so
wie ein Empfänger 3 angeordnet, wobei sich Sender 2 und Emp
fänger 3 auf unterschiedlichen Seiten der Platine 1 gegen
überliegen.
Der Sender 2 ist von einem optischen Formkörper 9 umgeben,
welcher ebenfalls auf der Platine 1 befestigt ist.
In analoger Weise ist der Empfänger 3 von einem weiteren op
tischen Formkörper 10 umgeben, welcher mit der Oberseite der
Platine 1 verbunden ist, auf der auch der Empfänger 3 ange
ordnet ist.
Die beiden Formkörper 9, 10 bestehen jeweils aus optisch
durchlässigem Material und sind in den Bereichen 11 verspie
gelt, so daß sie letztlich die Umlenkung eines Lichtstrahl
bündels bewirken können. Der verspiegelte Bereich 11 des
Formkörpers 10 bewirkt eine Umlenkung von empfangenen Licht
auf den Empfänger 3. Der verspiegelte Bereich 11 des Formkör
pers 9 bewirkt eine Umlenkung des vom Sender 2 ausgesandten
Lichts in Pfeilrichtung parallel zur Oberfläche der Platine
1.
Die beiden Formkörper 9, 10 sind jeweils so ausgebildet, daß
sie gemeinsam mit der ihnen jeweils zugewandten Oberfläche
der Platine 1 den Sender 2 bzw. den Empfänger 3 vollständig
umschließen.
An dem der Lichtaustrittsfläche 6 und der Lichteintrittsflä
che 7 abgewandten Ende der Platine 1 ist eine Diode 12 vorge
sehen, mittels welcher der Betriebs- oder Schaltzustand der
Sensoranordnung angezeigt werden kann.
Im Bereich der Diode 12 ist weiterhin ein Anschlußkabel 13
vorgesehen, über welches die Sensoranordnung sowohl mit Be
triebsspannung als auch mit Steuersignalen gespeist werden
kann und über welches die Sensoranordnung Signale zum Zweck
der weiteren Auswertung zur Verfügung stellen kann.
Die gesamte Elektronik der dargestellten Sensoranordnung ist
auf denjenigen Bereich in der Platine 1 angeordnet, die nicht
von den Formkörpern 9 und 10 überdeckt ist.
Die Formkörper 9, 10 sowie die Platine 1 mit den darauf be
findlichen elektronischen Bauteilen sind von gehäusebildender
Masse 8 umgeben, die ihre dargestellte Form beispielsweise im
Rahmen eines Spritzvorgangs erhalten hat.
Die Fig. 3a bis 3c zeigen verschiedene Ansichten eines op
tischen Formkörpers, der in Sensoranordnungen gemäß den Fig. 1
und 2 Verwendung finden kann.
Der in Fig. 3 dargestellte Formkörper setzt sich zusammen aus
zwei aneinander angrenzenden, im wesentlichen Halbzylinder
form aufweisenden Bereichen 14, 15, wobei der Bereich 14 ei
nen größeren Durchmesser aufweist als der Bereich 15.
An die dem halbzylindrischen Bereich 14 abgewandte Seite des
halbzylindrischen Bereichs 15 schließt sich ein weiterer Be
reich 16 an, dessen Oberfläche zum Teil von einem gewölbten,
verspiegelten Bereich 17 gebildet wird. Die Form und Position
des verspiegelten Bereichs 17 ist dabei derart gewählt, daß
mit dem optischen Formkörper gemäß Fig. 3 eine Strahlumlen
kung und Strahlformung erreicht werden kann, wie sie in Zu
sammenhang mit Fig. 1a unter Bezugnahme auf die beiden Hohl
spiegel 4, 5 bereits erläutert wurde.
Der in Fig. 3 dargestellte Formkörper ist mit seiner Unter
seite 18 auf einer Platine insbesondere flächig befestigbar.
Auf der Unterseite 18 des Bereichs 16 ist eine Aussparung 19
vorgesehen, welche zur Aufnahme eines Senders bzw. eines Emp
fängers dient.
An dem dem verspiegelten Bereich 17 zugewandten Ende der Aus
sparung 19 ist eine Linse 20 vorgesehen, welche zur Strahl
formung eines auf einen Empfänger gelangenden oder von einem
Sender herrührenden Strahlbündels dient.
Weiterhin ist der halbzylindrische Bereich 14 als Linse aus
gebildet, die ebenfalls zur Strahlformung dient.
Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Formkör
pers weist folglich zwei Linsen 14, 20 auf, wobei die opti
sche Achse der Linse 14 parallel zur Unterseite 18 des Form
körpers bzw. zur Platine verläuft, während die optischen Ach
se der Linse 20 senkrecht zur Unterseite 18 des Formkörpers
bzw. zur Platine verläuft.
Der verspiegelte Bereich 17 des Bereichs 16 bewirkt eine
Strahlumlenkung um im wesentlichen 90°C, so daß ein Strahl
verlauf gemäß den Fig. 1a und 2 erhalten werden kann.
Da der verspiegelte Bereich 17 gemäß Fig. 3 gewölbt ausge
führt ist, bewirkt er zudem auch noch eine Strahlformung.
In einer alternativen Ausführungsform eines optischen Form
körpers wäre es ebenso möglich, den verspiegelten Bereich 17
als Planfläche auszubilden, so daß er ausschließlich eine Um
lenkung eines Lichtstrahlbündels bewirkt. In diesem Fall
könnte die benötigte Strahlformung ausschließlich durch die
Linsen 14, 20 vorgenommen werden.
Schließlich sind auch Ausführungsformen denkbar, bei denen
lediglich eine der beiden Linsen 14 oder 20 vorgesehen wird,
wobei in all diesen Fällen der verspiegelte Bereich 17 sowohl
gewölbt als auch plan ausgeführt werden kann. Gleiches gilt,
wenn in einer weiteren Ausführungsform keine der beiden Lin
sen 14 und 20 vorgesehen ist.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungs
gemäßen Sensors gemäß dem zweiten Lösungsansatz.
Hier sind auf der gleichen Seite einer Platine 21 sowohl ein
Sender 22 als auch ein Empfänger 23 mit Abstand voneinander
angeordnet.
Oberhalb des Senders 22 ist ein Sendetubus 24 vorgesehen.
Analog ist oberhalb des Empfängers 23 ein Empfangstubus 25
angeordnet.
Sowohl Sendetubus 24 als auch Empfangstubus 25 sind mit der
Platine 21 verbunden und weisen jeweils eine konische Form
auf, wobei sich der Querschnitt von Sendetubus 24 und Emp
fangstubus 25 mit zunehmenden Abstand von der Platine 21 ver
größert.
Sendetubus 24 und Empfangstubus 25 bestehen jeweils aus einem
hitzebeständigem optischen Formkörper.
Platine 21, Sendetubus 24 und Empfangstubus 25 sind in einer
optisch dichten, gehäusebildenden Kunststoffmasse 26 einge
bettet, deren äußere Oberfläche 27 die Oberfläche der Gesamt-
Sensoranordnung bzw. die Oberfläche des Gehäuses der Sen
soranordnung bildet.
Die gehäusebildende Kunststoffmasse 26 trennt Sendetubus 24
und Empfangstubus 25 optisch voneinander und bewirkt zudem,
daß Platine 21, Sendetubus 24 und Empfangstubus 25 fest und
unverrückbar zueinander positioniert sind.
An die obere Lichtaustrittsfläche des Sendetubus 24 schließt
sich ein Linsenaufsatz 28 an, welcher die Sendeoptik bildet.
In analoger Weise schließt sich an die obere Lichteintritts
fläche des Empfangstubus 25 ein Linsenaufsatz 29 an, welcher
als Empfangsoptik wirkt.
Die beiden Linsenaufsätze 28, 29 können nach dem Einbringen
der Kunststoffmasse 26 auf den Sendetubus 24 bzw. den Emp
fangstubus 25 aufgesetzt werden.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist es
auch möglich, Sendetubus 24 und Linsenaufsatz 28 bzw. Emp
fangstubus 25 und Linsenaufsatz 29 jeweils als einheitlichen
optischen Formkörper auszubilden, wobei es insbesondere auch
möglich ist, die Linsenbereiche dieser Formkörper zumindest
bereichsweise mit Kunststoffmasse 26 zu umgeben.
Die schematische Darstellung einer Sensoranordnung entspre
chend der dritten Lösungsvariante gemäß Fig. 5 zeigt eine
Platine 30, auf deren Oberseite ein Sender 31 angeordnet ist,
oberhalb dessen eine mit der Platine 30 fest verbundene Hohl
spiegelanordnung 33 vorgesehen ist, welche die Sendeoptik
bildet.
Auf der gleichen Seite, auf der der Sender 31 mit der Platine
30 verbunden ist, ist auch ein Empfänger 32 an einer vom Sen
der 31 beabstandeten Position mit der Platine 30 verbunden.
Im Bereich der lichtempfindlichen Fläche des Empfängers 32
ist die Platine 30 mit einer Durchbrechung 38 versehen, so
daß das Licht von der dem Empfänger 32 gegenüberliegenden
Seite der Platine 30 zur lichtempfindlichen Fläche des Emp
fängers 32 gelangen kann.
Unterhalb der Durchbrechung 38 ist eine Hohlspiegelanordnung
34 vorgesehen, die die Empfangsoptik bildet.
Die beiden Hohlspiegel 33, 34 sind dabei so ausgebildet, daß
sie sowohl eine Strahlformung als auch eine Umlenkung der je
weiligen Strahlen bewirken. Der Strahlverlauf ist aus den in
Fig. 5 eingezeichneten Pfeilen ersichtlich.
Der Hohlspiegel 33 lenkt das vom Sender 31 ausgestrahlte
Lichtbündel derart um, daß es die Sensoranordnung im wesent
lichen parallel zur Oberfläche der Platine 30 in Pfeilrich
tung durch die Lichtaustrittsfläche 35 verläßt.
Der Hohlspiegel 34 ist derart ausgebildet, daß er parallel
zur Oberfläche der Platine 30 einfallendes Licht auf die
lichtempfindliche Fläche des Empfängers 32 lenkt, wobei das
Licht hierbei durch die Durchbrechung 38 tritt. Die lichtemp
findliche Fläche des Empfängers 32 erstreckt sich zumindest
im wesentlichen parallel zur Oberseite der Platine 30 und ist
dieser zugewandt. Das vom Hohlspiegel 34 zum Empfänger 32 ge
leitete Licht tritt durch die Lichteintrittsfläche 36 in die
Sensoranordnung ein.
Die Hohlspiegel 33, 34 sowie die Platine 30 sind in eine ge
häusebildende Masse 37 eingebettet, mit der die genannten
Komponenten nach Zusammenfügen der Bauteile 30-34 umhüllt
wurden. Die Umhüllung dieser Bauteile findet im Rahmen eines
gehäusebildenden Verfahrens statt. Zur Anwendung können hier
beispielsweise Spritz-, Gieß- oder Preßverfahren kommen.
Durch das genannte gehäusebildende Verfahren kann die erfin
dungsgemäße Sensoranordnung beispielsweise durch Auswahl ge
eigneter Spritz- oder Gießformen ohne Schwierigkeiten hin
sichtlich ihrer äußeren Gehäuseform an unterschiedliche An
wendungsfälle angepaßt werden.
Die gehäusebildende Masse 37 bildet somit - mit Ausnahme der
Lichteintrittsfläche 36 und der Lichtaustrittsfläche 35 - die
äußerer Oberfläche der erfindungsgemäßen Sensoranordnung und
stellt gleichzeitig eine Fixierung der Hohlspiegel 33, 34 an
der Platine 30 sicher. Zudem umgibt die gehäusebildende Masse
37 auch auf der Platine 30 angeordnete, aus Gründen der Über
sichtlichkeit nicht dargestellte elektrische Komponenten.
1
Platine
2
Sender
3
Empfänger
4
Hohlspiegel
5
Hohlspiegel
6
Lichtaustrittsfläche
7
Lichteintrittsfläche
8
gehäusebildende Masse
9
Formkörper
10
Formkörper
11
Formkörperbereich
12
Diode
13
Anschlußkabel
14
halbzylindrischer Bereich
15
halbzylindrischer Bereich
16
Bereich
17
verspiegelter Bereich
18
Unterseite
19
Aussparung
20
Linse
21
Platine
22
Sender
23
Empfänger
24
Sendetubus
25
Empfangstubus
26
Kunststoffmasse
27
Gehäuseoberfläche
28
Linsenaufsatz
29
Linsenaufsatz
30
Platine
31
Sender
32
Empfänger
33
Hohlspiegel
34
Hohlspiegel
35
Lichtaustrittsfläche
36
Lichteintrittsfläche
37
gehäusebildende Masse
38
Durchbrechung
Claims (30)
1. Opto-elektronische Sensoranordnung mit einem Lichtsender
(2) und einem Lichtempfänger (3),
dadurch gekennzeichnet,
daß der Sender (2) gemeinsam mit einer ihm zugeordneten
Sendeoptik (4, 9) und der Empfänger (3) gemeinsam mit
einer ihm zugeordneten Empfangsoptik (5, 10) auf einan
der gegenüberliegenden Seiten eines optisch undurchläs
sigen, Sender (2) und Empfänger (3) und/oder Sende- und
Empfangsoptik (4, 9; 5, 10) optisch voneinander trennen
den Flächenelements (1), insbesondere einer Platine an
geordnet sind, wobei Sende- und Empfangsoptik (4, 9; 5,
10) jeweils einen mit dem Flächenelement (1) verbunde
nen, auf seiner Außenseite zumindest bereichsweise ver
spiegelten optischen Formkörper (4, 9; 5, 10) umfassen.
2. Opto-elektronische Sensoranordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die verspiegelte Fläche der Sende- und/oder Emp
fangsoptik (4, 9; 5, 10) zur Umlenkung eines Licht
strahlbündels um ungefähr 90°C ausgebildet ist.
3. Opto-elektronische Sensoranordnung nach einem der vor
hergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die verspiegelte Fläche der Sende- und/oder Emp
fangsoptik (4, 9; 5, 10) einen Hohlspiegel (4, 5, 17)
bildet.
4. Opto-elektronische Sensoranordnung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Hohlspiegel (4, 5, 17) als Off-Axis-Spiegel,
insbesondere als Off-Axis-Paraboloid ausgebildet ist.
5. Opto-elektronische Sensoranordnung nach einem der An
sprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die verspiegelte Fläche der Sende- und/oder Emp
fangsoptik (4, 9; 5, 10) einen Planspiegel bildet.
6. Opto-elektronische Sensoranordnung nach einem der vor
hergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die verspiegelte Fläche (4, 5, 17) der Sende- und/oder
Empfangsoptik (4, 9; 5, 10) durch eine auf den
optischen Formkörper (4, 9; 5, 10) aufgebrachte spie
gelnde, insbesondere metallische Schicht gebildet ist.
7. Opto-elektronische Sensoranordnung nach einem der vor
hergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß Sende- und Empfangsstrahl parallel zum Flächenele
ment (1) gerichtet sind.
8. Opto-elektronische Sensoranordnung nach einem der vor
hergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der optische Formkörper (4, 9; 5, 10) eine mit dem
Flächenelement (1) verbundene Planfläche aufweist.
9. Opto-elektronische Sensoranordnung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß der optische Formkörper (4, 9; 5, 10) und das Flä
chenelement (1) im Bereich der Planfläche miteinander
verklebt sind.
10. Opto-elektronische Sensoranordnung nach einem der vor
hergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der optische Formkörper (9, 10) auf seiner dem Flä
chenelement (1) zugewandten Seite eine Ausnehmung (19)
zur Aufnahme des Senders (2) bzw. des Empfängers (3)
aufweist.
11. Opto-elektronische Sensoranordnung nach einem der vor
hergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen dem optischen Formkörper (9, 10) und dem
Sender (2) bzw. Empfänger (3) ein Luftspalt ausgebildet
ist.
12. Opto-elektronische Sensoranordnung nach einem der An
sprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß der optische Formkörper (9, 10) mit dem Sender (2)
bzw. mit dem Empfänger (3) optisch verkittet ist.
13. Opto-elektronische Sensoranordnung nach einem der vor
hergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der optische Formkörper mit in das Flächenelement
eingebrachten Positionierbohrungen in Eingriff bringba
ren Positionierungsfortsätzen versehen ist, wobei insbe
sondere die Positionierungsfortsätze mit Klemmsitz in
den Positionierbohrungen fixierbar sind und zwischen op
tischem Formkörper und Flächenelement ein Dichtungsmate
rial eingebracht ist.
14. Opto-elektronische Sensoranordnung nach einem der vor
hergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der optische Formkörper eine Linse (20) umfaßt, de
ren optische Achse zumindest im wesentlichen senkrecht
zum Flächenelement verläuft.
15. Opto-elektronische Sensoranordnung nach einem der vor
hergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der optische Formkörper eine Linse (14) umfaßt, de
ren optische Achse zumindest im wesentlichen parallel
zum Flächenelement verläuft.
16. Opto-elektronische Sensoranordnung nach einem der vor
hergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß Flächenelement (1) sowie Sende- und Empfangsoptik
(4, 9; 5, 10) mit einer gehäusebildenden Masse (8) um
hüllt sind.
17. Opto-elektronische Sensoranordnung nach einem der vor
hergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der optische Formkörper (4, 9; 5, 10) aus einem
hochtemperaturbeständigem Werkstoff besteht.
18. Opto-elektronische Sensoranordnung nach einem der vor
hergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die gehäusebildende Masse (8) aus duroplastischem
Werkstoff besteht, der insbesondere bei einer Temperatur
unterhalb des Schmelzpunktes des für den optischen Form
körper (4, 9; 5, 10) verwendeten Werkstoffs verarbeitbar
ist.
19. Opto-elektronische Sensoranordnung nach einem der vor
hergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die gehäusebildende Masse (8) eine zumindest im we
sentlichen zylindrische Form aufweist.
20. Opto-elektronische Sensoranordnung nach Anspruch 19,
dadurch gekennzeichnet,
daß die optischen Formkörper (4, 9; 5, 10) jeweils eine
im wesentlichen halbkreisförmige, sich senkrecht zum
Flächenelement (1) erstreckende Abschlußfläche (6, 7)
aufweisen, die gemeinsam eine im wesentlichen kreisrunde
Stirnseite der Sensoranordnung bilden, durch die Licht
in die Sensoranordnung ein- und austritt.
21. Opto-elektronische Sensoranordnung mit einem Lichtsender
(22) und einem Lichtempfänger (23),
dadurch gekennzeichnet,
daß der Sender (22) gemeinsam mit einer ihm zugeordneten
Sendeoptik (28) und/oder einem ihm zugeordneten Sendetu
bus (24) und der Empfänger (23) gemeinsam mit einer ihm
zugeordneten Empfangsoptik (29) und/oder einem ihm zuge
ordneten Empfangstubus (25) voneinander beabstandet auf
der gleichen Seite eines Flächenelements (1), insbeson
dere einer Platine angeordnet sind, wobei Sende- und
Empfangsoptik (28, 29) bzw. Sendetubus (24) und Empfang
stubus (25) durch optische Formkörper gebildet sind, die
durch optisch dichte Kunststoffmasse (26) optisch von
einander getrennt sind.
22. Opto-elektronische Sensoranordnung nach Anspruch 21,
dadurch gekennzeichnet,
daß Sende- und Empfangstubus (24, 25) und/oder Sende- und
Empfangsoptik (28, 29) als optische Formkörper gemäß
Anspruch 17 ausgebildet sind.
23. Opto-elektronische Sensoranordnung nach einem der An
sprüche 21 oder 22,
dadurch gekennzeichnet,
daß die gehäusebildende Kunststoffmasse (26) gemäß An
spruch 18 ausgebildet ist.
24. Opto-elektronische Sensoranordnung nach einem der An
sprüche 21 bis 23,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Flächenelement (1), der Sender (22), der Empfän
ger (23), der Sendetubus (24) und der Empfangstubus (25)
mit optisch dichter, gehäusebildender Kunststoffmasse
(26) umhüllt sind.
25. Opto-elektronische Sensoranordnung nach Anspruch 24,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf Sende- und/oder Empfangstubus (24, 25) eine Sen
de- bzw. Empfangsoptik (28, 29) aufgesetzt ist.
26. Opto-elektronische Sensoranordnung nach einem der An
sprüche 21 bis 23,
dadurch gekennzeichnet,
daß Sendetubus (24) und Sendeoptik (28) zu einem ein
heitlichen optischen Formkörper zusammengefaßt sind.
27. Opto-elektronische Sensoranordnung nach einem der An
sprüche 21 bis 23 oder 26,
dadurch gekennzeichnet,
daß Empfangstubus (25) und Empfangsoptik (29) zu einem
einheitlichen optischen Formkörper zusammengefaßt sind.
28. Opto-elektronische Sensoranordnung mit einem Lichtsender
(31) und einem Lichtempfänger (32),
dadurch gekennzeichnet,
daß der Sender (31), eine ihm zugeordnete Sendeoptik
(33), der Empfänger (32) sowie eine ihm zugeordnete Emp
fangsoptik (34) auf einem im wesentlichen optisch un
durchlässigen Flächenelement (30), insbesondere einer
Platine angeordnet sind, wobei Sende- und Empfangsoptik
(33, 34) jeweils einen mit dem Flächenelement (30) ver
bundenen, auf seiner Außenseite zumindest bereichsweise
verspiegelten optischen Formkörper (33, 34) umfassen,
und wobei Sender (31) und Sendeoptik (33) auf einander
gegenüberliegenden Seiten des zwischen Sender (31) und
Sendeoptik (33) optisch durchlässigen Flächenelements
(30) angeordnet sind, und/oder wobei Empfänger (32) und
Empfangsoptik (34) auf einander gegenüberliegenden Sei
ten des zwischen Empfänger (32) und Empfangsoptik (34)
optisch durchlässigen Flächenelements (30) angeordnet
sind.
29. Opto-elektronische Sensoranordnung nach Anspruch 28,
gekennzeichnet
durch die Merkmale eines oder mehrerer der Ansprüche 2
bis 9 und 11 bis 19.
30. Opto-elektronische Sensoranordnung nach einem der An
sprüche 28 oder 29,
dadurch gekennzeichnet,
daß Sender (31) und/oder Empfänger (32) mittels Flip-
Chip-Technik mit elektrischen Leiterbahnen des Flä
chenelements (30) verbunden sind.
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