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Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Sendeeinheit und eine optische Empfangseinheit. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Optoelektronischen Sensor, welcher mindestens eine erfindungsgemäße optische Sendeeinheit und/oder mindestens eine erfindungsgemäße optische Empfangseinheit umfasst.
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Stand der Technik
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Es gibt verschiedene Möglichkeiten für den Aufbau einer Sendeeinheit mit einer LED in optoelektronischen Sensoren. Die LED ist üblicherweise in einer der drei folgenden Arten mit einer Leiterplatte verbunden:
Sie kann als bedrahtetes Bauelement ausgeführt sein, dessen Bauteilbeinchen von vorne, d. h. der Seite der optisch aktiven Fläche des Sensors, durch die Leiterplatte montiert werden. Hierbei handelt es sich um eine kostengünstige Lösung, die bei Verwendung eines rotationssymmetrischen Bauteilgehäuses eine relativ hohe Positioniergenauigkeit der LED ermöglicht. Neuentwicklungen bei bedrahteten LEDs finden allerdings nur in sehr begrenztem Umfang statt. Der Wirkungsgrad (optische Leistung zu elektrischer Leistung) solcher bedrahteter LEDs ist im Regelfall deutlich schlechter als bei LEDs mit aktueller Chiptechnologie. Zudem werden durch den metallischen Kelch in dem der LED-Chip sitzt störende Reflexionen erzeugt. Diese machen sich im optoelektronischen Sensor durch einen sogenannten Halo-Ring rund um den eigentlichen Lichtspot des Sensors bemerkbar. Eine zur Vermeidung dieses Effekts benötige Blende kann aufgrund der Bauform einer bedrahteten LED nicht nahe genug an den LED-Chip gebracht werden, so dass dieser Effekt nicht vermieden werden kann.
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Eine SMD-LED (SMD: surface mounted device) wird entweder von vorne, d. h. der Seite der optisch aktiven Fläche des optoelektronischen Sensors, bestückt und verlötet oder aber eine reverse-mounted-SMD-LED wird von der Rückseite, d. h. der der optisch aktiven Fläche des optoelektronischen Sensors gegenüberliegenden Seite, bestückt und leuchtet durch ein zuvor in die Leiterplatte eingebrachtes Loch. SMD-LEDs sind mit aktuellen Chipgenerationen verfügbar, die einen optimalen Wirkungsgrad aufweisen. Außerdem sind SMD-LEDs über Bestückungsautomaten bestückbar. Allerdings ist die Positioniergenauigkeit nicht verklebter SMD-LEDs sehr schlecht, da sie in einem Lötprozess „wegschwimmen” können. Das Verkleben stellt allerdings einen zusätzlichen Prozessschritt dar, der zusätzliche Kosten verursacht. Auch bei der SMD-LED werden störende Reflexionen erzeugt, die sich im optoelektronischen Sensor durch einen Halo-Ring rund um den eigentlichen Lichtspot des Sensors bemerkbar machen, wenn der SMD-LED-Chip in einem metallischen Kelch sitzt. Diesem Effekt kann mittels einer Blende entgegengewirkt werden. Die exakte Positionierung der Blende gegenüber dem LED-Chip ist allerdings problematisch, so dass diese Blende nicht nur deutliche Mehrkosten verursacht, sondern auch in der Serienfertigung nicht prozesssicher herstellbar ist.
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Eine LED als Bondchip kann von der Vorderseite, d. h. der Seite der optisch aktiven Fläche des optoelektronischen Sensors, auf eine Leiterplatte gebondet werden. Dies erlaubt höchste Genauigkeit in der Platzierung der LED. Außerdem macht sich kein störender Halo-Ring um den Lichtspot des Senders bemerkbar. Nicht mit einem Epoxydharz abgedeckte LED-Bondchips sind allerdings sehr empfindlich gegenüber mechanischen Einflüssen. Dies birgt eine deutliche Gefahr von Vorschädigung und Totalausfällen in der Fertigung.
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Bei allen genannten Aufbaumöglichkeiten wird mit der Sendelinse der Sendeeinheit direkt auf die Chipebene fokussiert. Dies hat zur Folge, dass Chipstrukturen oder Bonddrähte gut sichtbar im Sendelichtstrahl abgebildet werden. Diese Hell-Dunkel-Strukturen im Lichtspot können in der späteren Applikation zum Fehlverhalten des optoelektronischen Sensors führen.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Sendeeinheit bereitzustellen, welche einen LED-Chip mit hohem Wirkungsgrad, insbesondere einen SMD-LED-Chip aufnehmen kann und dabei eine hohe Positioniergenauigkeit der LED aufweist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine optische Empfangseinheit bereitzustellen, welche zusammen mit der erfindungsgemäßen optischen Sendeeinheit in einem optoelektronischen Sensor verwendet werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese erfindungsgemäße optische Sende- oder Empfangseinheit umfasst eine Leiterplatte mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, welche in der ersten Seite eine Kavität aufweist wobei die Kavität eine durch die Leiterplatte durchgehende Öffnung aufweist, deren Querschnittsfläche in der Ebene der Leiterplatte kleiner ist, als eine Querschnittsfläche der Kavität in der Ebene der Leiterplatte, ein optisches Element, das in der Kavität angeordnet ist, und eine optische Linse, die auf der zweiten Seite der Leiterplatte angeordnet ist. Die Kavität kann mit hoher Genauigkeit in der Leiterplatte erzeugt werden. Indem sie das optische Element aufnimmt, ermöglicht sie eine positionsgenaue Anordnung des optischen Elements in Bezug auf die durchgehende Öffnung und auf die optische Linse.
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Die durchgehende Öffnung kann als strahlbündelbegrenzendes Element zur Eliminierung eines Halo-Rings dienen. Bevorzugt ist die durchgehende Öffnung kreisförmig. Wenn die Kavität einen kreisförmigen Querschnitt in der Ebene der Leiterplatte aufweist, dann ist der Durchmesser der durchgehenden Öffnung kleiner als der Durchmesser der Kavität. Wenn das optische Element beispielsweise ein optisches Sendeelement ist, weist sie besonders bevorzugt einen Durchmesser im Bereich von 50 μm bis 600 μm auf. Ganz besonders bevorzugt weist sie einen Durchmesser im Bereich von 250 μm bis 600 μm auf. Insbesondere beträgt der Durchmesser maximal 300 μm. Wenn das optische Element beispielsweise ein optisches Sendeelement ist, ist sie damit nur so groß, dass Lichtstrahlen des optischen Sendeelements sie ungehindert passieren. An einem kelchförmigen Gehäuse des optischen Sendeelements reflektierte Randstrahlen werden jedoch abgeblendet.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine optische Sendeeinheit. Das optische Element ist in diesem Fall ein optisches Sendeelement und die optische Linse ist eine Sendelinse. Bevorzugt ist die Fokusebene der Sendelinse eine Ebene, in der die durchgehende Öffnung liegt. Eine solche optische Sendeeinheit kann als Pinhole-PCB bezeichnet werden. Eventuell störende Strukturen des optischen Sendeelements, wie beispielsweise Stromverteilbrücken oder Bonddrähte erfahren hierbei eine Unschärfe. Dadurch kann ein nahezu homogener Lichtfleck mit der Geometrie der durchgehenden Öffnung erzeugt werden. Hell-Dunkel-Unterschiede im Lichtspot können somit keine Fehlfunktionen eines optoelektronischen Sensors, welcher die optische Sendeeinheit umfasst, verursachen.
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Das optische Sendeelement ist vorzugsweise eine SMD-LED. Hierdurch kann ein hoher Wirkungsgrad (optische Leistung zu elektrischer Leistung) des optischen Sendeelements erreicht werden.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Leiterplatte n Lagen aufweist, wobei sich die Kavität durch 1 bis n – 1 Lagen erstreckt und die verbleibende(n) Lage(n) die durchgehende Öffnung aufweist bzw. aufweisen. Die typische Dicke einer einzigen Leiterplattenlage genügt, damit diese als Blende des optischen Sendeelements fungieren kann. Indem an der Position, an der das optische Sendeelement in die Leiterplatte eingebracht werden soll, nur diese eine Lage belassen wird und alle anderen Lagen der Leiterplatte entfernt werden, wird eine Kavität mit dem größtmöglichen Volumen zur Aufnahme des optischen Sendeelements erzeugt.
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In einer weiteren Ausführungsform handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung um eine optische Empfangseinheit. Hierbei ist das optische Element ein optisches Empfangselement und die optische Linse ist eine Empfangslinse. Die durchgehende Öffnung fungiert in diesem Fall als strahlbegrenzende Struktur, die direkten Einfluss auf die Empfangsenergie des optischen Empfangselements hat, indem sie beispielsweise dessen Dynamikbereich anpasst.
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Es ist bevorzugt, dass die Leiterplatte mindestens eine Lage aufweist, wobei sich die Kavität durch alle Lagen erstreckt und auf der zweiten Seite der Leiterplatte eine Abdeckschicht angeordnet ist, welche die durchgehende Öffnung aufweist. Hierdurch stellt die Kavität das größtmögliche Volumen zur Aufnahme des optischen Empfangselements bereit. Außerdem kann die Abdeckschicht so ausgeführt werden, dass sie eine Abschirmung gegenüber elektromagentischer Strahlung darstellt. Hierzu besteht sie vorzugsweise aus Kupfer. Ein eventuell für das optische Empfangselement benötigtes Schirmblech kann in diesem Fall entfallen.
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Der erfindungsgemäße optoelektronische Sensor umfasst mindestens eine erfindungsgemäße optische Sendeeinheit oder mindestens eine erfindungsgemäße optische Empfangseinheit. Vorzugsweise umfasst er mindestens eine erfindungsgemäße optische Sendeeinheit und mindestens eine erfindungsgemäße optische Empfangseinheit.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der folgenden Beschreibung näher erläutert.
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1 zeigt schematisch eine optische Sendeeinheit gemäß dem Stand der Technik.
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2 zeigt schematisch eine optische Sendeeinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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3 zeigt die Befestigung einer SMD-LED in einer optischen Sendeeinheit gemäß 2.
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4 zeigt schematisch eine optische Empfangseinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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5 zeigt schematisch einen optoelektronischen Sensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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1 zeigt eine herkömmliche Sendeeinheit 1 für einen optoelektronischen Sensor. Auf einer Leiterplatte 11 ist eine SMD-LED 12 in einem PLCC-Gehäuse (PLCC: plastic leaded chip carrier) aufgelötet. Die SMD-LED 12 ist auf eine Sendelinse 13 gerichtet. Durch ein „Wegschwimmen” des Gehäuses der SMD-LED 12 während des Auflötens auf die Leiterplatte 11 ist diese fehlerhaft positioniert. Die von der SMD-LED 12 ausgehenden Lichtstrahlen L umfassen zudem Streulicht, welches einen Halo-Ring um den Sendelichtstrahl erzeugt. Außerdem ist in den Lichtstrahlen L darin eine störende Chipstruktur zu sehen, was zu Fehlfunktionen eines optoelektronischen Sensors führen kann, in welchem die optische Sendeeinheit 1 verbaut ist.
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Eine optische Sendeeinheit 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 2 dargestellt. In einer Leiterplatte 21 mit vier Lagen 21a, 21b, 21c, 21d wurden in einer vorgegebenen Position von einer ersten Seite der Leiterplatte 21 aus drei Lagen 21a, 21b, 21c entfernt, um so eine Kavität 211 in der Leiterplatte 21 zu erzeugen. Eine SMD-LED ist als optisches Element 22 in der Kavität 211 angeordnet. 3 zeigt eine Ansicht der Leiterplatte 21 von ihrer ersten Seite. Es ist dargestellt, wie das in der Kavität 211 versenkte optische Element 22 mittels Kontaktdrähten 221 und Lötstopplack 222 elektrisch mit der Leiterplatte 21 verbunden ist. Durch die exakte Positionierung des optischen Elements 22 in der Kavität 211 ist ein „Wegschwimmen” des optischen Elements 22 beim Lötvorgang ausgeschlossen. Auf der zweiten Seite der Leiterplatte 21 ist eine optische Linse 23 in Form einer Sendelinse angeordnet. Das optische Element 22 ist somit als reverse-mounted-SMD-LED ausgeführt. Die in der Kavität 211 nicht abgetragene Lage 21d der Leiterplatte 21 weist eine kreisförmige durchgehende Öffnung 212 mit einem Durchmesser von 300 μm auf. Der Fokuspunkt der optischen Linse 23 liegt in der Ebene der durchgehenden Öffnung 212. Somit bilden die von dem optischen Element 22 ausgehenden Lichtstrahlen L ein kreisrunden homogenen und feinen Sendelichtbereich, der bei Verwendung der optischen Sendeeinheit 2 in einem optoelektronischen Sensor die Erfassung von kleinsten Objektstrukturen zulässt.
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Eine optische Empfangseinheit 3 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist in 4 dargestellt. In einer vierlagigen Leiterplatte 31 wurden an einer vorgegebenen Position alle vier Lagen 31a, 31b, 31c, 31d entfernt, um eine Kavität 311 zu erzeugen. Diese nimmt ein optisches Empfangselement 32 auf, das auf diese Weise exakt positioniert ist. Die optische aktive Fläche des optischen Empfangselements 32 ist einer als Empfangslinse ausgeführten optischen Linse 33 zugewandt. Die dieser optischen Linse 33 zugewandte Seite der Leiterplatte 31 weist eine Abdeckschicht 31e aus Kupfer auf, welche die Kavität 311 und damit das optische Element 32 abdeckt und dabei nur eine durchgehende Öffnung 312 freilässt. Diese durchgehende Öffnung ist kreisförmig und hat einen Durchmesser von 300 μm. Sie begrenzt den Dynamikbereich des optischen Elements 32. Zudem fungiert sie als elektromagnetische Abschirmung, so dass das optische Element 32 kein Schirmblech benötigt.
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5 zeigt einen optoelektronischen Sensor 4 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Dieser umfasst die zuvor beschriebene optische Sendeeinheit 2 und die zuvor beschriebene optische Empfangseinheit 3. Er kann beispielsweise als Lichttaster verwendet werden.
