KR101361276B1 - 광 센서, 특히 근접 스위치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 광 센서(1)는 송신 광선(21)의 생성을 위한 적어도 하나의 광 송신 유닛(11), 송신된 광선(21)이 통과하며, 특히 물체(2)로부터 반사 광선들(23)을 다시 수신하는, 반투명 특성을 갖는 감광성 에어리어 검출기(12), 및, 적어도 물체(2)의 검출을 위해 감광성 에어리어 검출기(12)의 광전 전류(12b)에 대한 평가 유닛(13)을 갖는다. 감광성 에어리어 검출기(12)는 유리하게는 감광성 기판으로서 유기 중합체층을 갖는다. 반투명 특성을 갖는 감광성 에어리어 검출기(12)로서 "유기 감광성 다이오드"(OPD)가 특히 유리하게 사용된다.

Description

광 센서, 특히 근접 스위치{OPTICAL SENSOR, IN PARTICULAR PROXIMITY SWITCH}
본 발명은 광 센서에 관한 것이다.
그러한 광 센서는, 예컨대 근접 스위치, 광 배리어로서 사용될 수 있거나, 또는 광 그리드, 광 커튼, 레이저 스캐너 등의 내에서 사용될 수 있다.
정확도의 관점에서 높은 요구 사항들이 그러한 센서에 부과된다. 이러한 요구 사항들을 만족시키기 위해, 옵틱스(optics), 즉, 프리즘 또는 반투명 거울을 사용하여 광 센서 내의 송신 광선을 측정 광선과 기준 광선으로 재분할하는 것이 종래의 관행이다. 측정 광선은 검출 에어리어(area) 내로 방출되고, 측정 물체가 존재한다면 반사 광선의 형태로 측정 물체에서 반사되는 한편, 기준 광선은 예컨대 동기화 및 조정을 목적으로 센서 내에서 평가된다. 이러한 목적으로, 기준 광선은 추가적인 광 요소들, 예컨대 편향 거울 및 광 도파관의 도움으로 검출기에 공급되며, 다운스트림 컴포넌트들을 사용하여 적절히 평가된다. 게다가, 종래의 광 센서들은 흔히 서로 개별적인 송신 및 수신 옵틱을 갖는다.
이는, 예컨대, 기준 광선이 평가된 후, 송신 광선의 방출의 시작 및 끝, 그러므로 반사 광선들의 수신이 예상될 수 있는 기간 또한 결정되므로, 측정을 동기화시키는 것을 가능하게 한다. 반사 광 복사가 이러한 기간들 밖에서 수신된다면, 이는 단지 바람직하지 않은 외부로부터의 광 복사일 수 있다. 이는 또한 외부로부터의 광에 대한 둔감도에 관해 센서를 조정하는 것을 가능하게 한다. 더욱이, 이는 인접한 센서들로부터의 혼선을 방지하기 위해 광 센서로부터의 송신 광선이 펄스화되거나(pulsed) 코딩될 때 특히 중요하다. 다른 실시예에서, 예컨대 간섭 측정 방법들을 사용하여 기준 광선을 도달하는 반사 광선들과 비교함으로써 측정 물체까지의 거리 또한 결정될 수 있다.
안전 기술에서 사용되는 광 센서의 경우, 송신 광선으로부터 갈라진 기준 광선은 또한 센서의 기능을 모니터링하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 경우, 송신 광선을 생성하기 위한 장치, 예컨대 LED 또는 레이저 송신 유닛 뿐 아니라, 검출기 및 다운스트림 전자 장치들의 기능이 체크될 수 있다. 더욱이, 산업 환경에서 사용되는 광 센서들의 옵틱의 오염이, 특히 내부 기준 광선의 도움으로 모니터링될 수 있다.
이러한 알려진 실시예들은 다수의 단점들을 갖는다. 송신 광선을 측정 광선 및 기준 광선으로 재분할하기 위해 필요한 광학 요소들 뿐 아니라, 기준 광선을 평가하기 위해 필요한 전기 요소들은 특정한 비용을 초래한다. 게다가, 송신 광선은 광선 재분할에 의해 감쇠되며, 그 결과로서 송신 광선을 생성하도록 의도되는 장치들은 충분히 강력한 측정 광선을 방출하기 위해 더 큰 치수들을 가져야 할 수 있다.
서로 분리된 송신 및 수신 옵틱을 포함하는, 송신 광선을 생성하기 위한 요소들 및 기준 및 반사 광 복사를 평가하기 위한 요소들에 대한 개별적인 구동 수단들에서 다른 단점이 발견된다. 그러한 경우, 충분한 측정 정확도를 달성하기 위해, 개별적인 광 신호들을 조정하고 신호 전파 시간들을 동기화하기 위한 상당한 수단들이 제공되어야 한다.
본 발명은, 전술한 단점들을 더이상 갖지 않는 방식으로 광 센서를 개발하는 목적에 기초한다.
이 목적은 청구항 1에 설명된 광 센서에 의해 달성된다. 본 발명의 유리한 실시예들이 종속 청구항들에 명시된다.
본 발명의 특정 이점은, 반투명한 특성을 가지며, 광 송신 유닛으로부터의 송신 광선에 의해 조사되며, 물체에 의해 반사된 반사 광 복사에 대한 수신기로서 사용되는 감광성 에어리어 검출기가 사용된다는 것이다. 그러므로, 하나의 감광 에어리어 검출기에 의해 송신 광선의 형태의 방출로서, 그리고 반사 광 복사의 형태의 반사로서 검출되며, 다운스트림 전자 장치들에서 평가되는 광 강도를 갖는 사실상 단 하나의 광선 진로가 존재한다.
이 실시예는 다수의 장점들을 제공한다. 본 발명에 따른 광 센서에서, 적절한 방식으로 분배된 광학 요소들을 사용하여 광선 재분할이 수행되지 않으므로, 송신 광선은 상당히 더 높은 송신 전력을 가지며, 그 결과로서 광선을 생성하기 위한 광학 송신 유닛은 더 작은 치수들을 가질 수 있다. 감광성 에어리어 검출기는 센서로부터 발산되는 광 및 센서에 입사하는 광 양쪽 모두를 위한 공통 검출기 에어리어를 제공하므로, 공통 옵틱으로도 충분하다.
이러한 배열의 특정한 이점은, 동일한 감광성 에어리어 검출기를 사용하여 광 레벨들 양쪽 모두가 측정된다는 사실 때문에, 이러한 광 레벨들은 평가 동작들에서 이전의 정정 인수들 없이 서로 직접 연관될 수 있다는 것이다. 더욱이, 시간적인 송신 정보가 왔다갔다하는 하나의 송신 및 반사 광선 내에 포함되므로, 에어리어 검출기의 출력에서 송신 유닛 및 평가 유닛을 위한 구동 수단들 사이의 동기화가 필요 없다. 그러므로, 감광성 에어리어 검출기로부터의 아날로그 측정 신호들에 대해 하나의 평가 유닛만이 요구된다. 마지막으로, 광선을 생성하기 위한 광학 송신 유닛에 대해 개별적인 모니터링 유닛이 또한 필요하지 않다. 그보다는, 송신 유닛의 기능은 감광성 에어리어 검출기 및 다운스트림 평가 유닛을 통해 모니터링될 수도 있다.
본 발명의 한 유리한 실시예에 따라, 감광성 에어리어 검출기는 감광성 기판으로서 유기 중합체층을 갖는다. 이러한 경우, 감광성 에어리어 검출기는 특히 유리하게는 "유기 감광성 다이오드"(OPD)의 형태일 수 있다. 그러한 요소는 광학 편향 유닛들 없이 송신 신호 및 수신 신호들을 동시에 검출하는 이점을 제공한다. 이는, 투명 유기 감광성 검출기는 입사하는 송신 광선의 일부만을 전기 신호들로 변환하는 한편, 광 방사의 대부분은 측정 광선의 방식으로 검출기를 통과하기 때문이다. 각각의 경우에서의 검출기의 원하는 투명도는, 유기 감광성 검출기들에 대한 생산 방법에서 애노드, 캐소드, 중합체 등에 대한 서브마이크로미터 범위, 즉 수백 나노미터 범위의 층 두께를 사용하여 설정될 수 있다.
본 발명 및 그의 특히 유리한 실시예들은 도 1 내지 4를 사용하여 아래 더 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 광 센서의 예시적, 개략적인 구조의 블록도를 도시한다.
도 2는 송신 광선을 위한 통로 영역 내에 비감광성 비활성 에어리어를 갖는 감광성 검출기의 특히 유리한 실시예에 대한 구체적인 발췌를 도시한다.
도 3은 송신 유닛의 펄스화된 송신 광선들을 생성하기 위한 3개의 예시적인 구동 펄스들을 도시한다.
도 4는 도 3의 구동 펄스들에 속하며, 3개의 예시적인 상이한 응용들에서의 에어리어 검출기의 측정 신호 라인에서 야기되는 아날로그 측정 신호 전류의 신호 레벨들을 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 광 센서들의 광 커튼 형태의 평행 배열을 도시한다.
도 1은 본 발명에 따른 예시적인 광 센서(1)의 개략적인 구조의 블록도를 도시한다. 센서는 대략 점 모양의 모니터링 영역을 갖는 개별적인 센서(1)의 형태이다. 이 경우, 센서(1)는, 반투명 특성을 가지며, 광 송신 유닛(11)에 의해 송신 광선(21)으로 사실상 뒤에서 조사되는 감광성 에어리어 검출기(12)를 포함한다.
송신 광선(21)은 검출될 물체에, 도 1의 예에서는 박스(2)에 측정 광선의 방식으로 겨누어지며, 감광성 에어리어 검출기(12)의 표면 상에 송신 광점(light spot)(22)을 야기한다. 이 광점은 에어리어 검출기(12)에 의해 검출되며, 추가적인 처리를 위해 에어리어 검출기(12)의 광전기 전류의 실제 값으로서 아날로그 측정값 출력부(12b)를 통해 컨트롤러(13)에 전달된다. 컨트롤러는, 예컨대 송신 광선의 존재 및 그것의 강도를 검출하기 위해 이 측정값을 사용할 수 있으며, 예컨대 이러한 방식으로 기능 모니터링을 수행할 수 있다.
광 송신 유닛(11)에 의해 방출되는 송신 광선(21)이 물체(2)에 부딪히면, 상기 광선은 물체에서 반사되고, 반사 광 복사(23)의 형태로 광 센서(1)에 반사되며, 반사 광점(24)의 형태로 감광성 에어리어 검출기(12)의 표면에 다시 부딪힌다. 이 반사 광점은 또한 에어리어 검출기(12)에 의해 검출되며, 추가적인 처리를 위해 에어리어 검출기(12) 내에서 야기된 광전자 전류의 실제 값으로서 아날로그 측정값 출력부(12b)를 통해 컨트롤러(13)에 전달된다. 컨트롤러는, 예컨대 물체의 존재 또는 그것의 강도를 검출하기 위해 이 측정값을 사용할 수 있으며, 예컨대 이러한 근접 스위치의 방식으로 물체 검출 및 거리 결정을 수행할 수 있다. 이는 아래의 도면들의 예를 사용하여 더 상세히 설명된다.
도 1은 또한, 예로서, 예시적인 컨트롤러(13)의 기본적인 요소들을 예시한다. 이 경우, 감광성 에어리어 검출기(12)는 아날로그 측정값 출력부(12b)를 통해 평가 유닛(13a)에 연결된다. 평가 유닛은 에어리어 검출기(12)의 광전자 전류의 실제 값을 평가하며, 실제 값은 송신 광선에 의해, 송신 광선 및 반사 복사의 조합에 의해, 또는 확산 배경 미광(diffuse ambient stray light)에 의해서만 야기된다. 그러한 평가의 예시적인 종류가 도 3 및 4를 사용하여 아래에 더 상세히 설명된다. 평가 유닛(13a)은 이러한 측정값 및 추가적인 평가 결과들을, 유리하게는 디지털 데이터 인터페이스(12c)를 통해, 예컨대 데이터 버스에의 연결을 위한 통신 인터페이스(13d)를 갖는 제어 유닛(13c)에 공급한다.
제어 유닛(13c)은 일반적으로 입력부들 및 출력부들(12c, 11c 및 13d), 즉 유리하게는 디지털 데이터 인터페이스들을 통해 센서(1)와 환경 사이의 상호작용, 송신 유닛(11)과 검출기(12) 사이의 상호작용 및 센서(1)의 내부 모니터링 기능들을 조정한다. 그러므로, 제어 유닛(13c)은, 예컨대 송신 유닛(11)을 위한 구동 수단(13b)이 구동 라인(11a)을 통해 빔 형성의 클록화된 스위칭-온 및 스위칭-오프를 위한 펄스 패턴들을 방출하도록 송신 유닛(11)을 위한 구동 수단(13b)을 파라미터화한다.
송신 광선(21)의 펄스화(pulsation)는, 예컨대, 센서(1)와 물체(2) 사이의 거리를 결정하는 목적으로 전파 시간을 측정하는 것을 가능하게 한다. 더욱이, 그러므로 광 센서(1)의 외부의 광 감도를 감소시키거나, 예컨대 LED, 레이저 다이오드 또는 OLED가 송신 유닛(11)인 경우, 규정된 방출 클래스를 따르는 것이 가능하다. 센서(1)의 광학 인터페이스에서의 확실한 광선 형성을 위해, 옵틱은 송신 및 반사 광 복사(21, 23)의 결합된 광선 경로의 전면에 배치될 수 있다. 더 나은 오버뷰를 목적으로, 그러한 옵틱은 도면들에 예시되지 않는다.
감광성 에어리어 검출기(12)에 관한 송신 유닛(11)의 바람직한 배향에서, 송신 광선(21)은 대략 직교하는 방식으로 감광성 에어리어 검출기(12)의 표면에 부딪힌다. 이 경우, 센서(1)가 물체(2)에 대해 직선으로 배향된다면, 반사 광 복사(21)는 감광성 에어리어 검출기(12)의 표면에 충돌하며, 중심에 있는 송신 광 점(22)을 대략 동심인 방식으로 둘러싸는 반사 광 점(24)을 형성한다. 감광성 에어리어 검출기(12) 및 송신 유닛(11)은 반사 광선(23)이 송신 광선(21)에 대해 최대한 축 방향으로 에어리어 검출기(12)와 충돌하는 방식으로 특히 유리하게 배향된다.
도 2는 감광성 에어리어 검출기(12)의 측면 사시도의 예를 사용하여 그러한 배열을 도시한다. 본 발명의 유리한 추가적인 실시예에 따라, 에어리어 검출기(12)는 송신 광선(21)이 외부로 통과하는 비활성 에어리어(12a)를 그 위치에 갖는다. 이 에어리어(12a)는 송신 광점(22)에 의해 커버되는 에어리어보다 작으므로, 송신 빔(21)의 일부만이 센서(1)에 의해 검출되는 한편, 대부분은 검출되지 않고, 특히 감쇄 없이 외부로 통과할 수 있다. 이는, 추가적인 기능들, 예컨대 기능 모니터링이 그것에 의해 제한받지 않으면서 센서의 동적 범위를 상당히 개선시키는 것을 가능하게 한다. "유기 감광성 다이오드"(OPD)를 감광성 에어리어 검출기로 사용하는 경우, 예컨대 투명 검출기를 생산할 때, 애노드, 캐소드 및 중합체 반도체를 위한 적합한 마스크들을 사용하여, 또는 캐리어 재료의 구멍(hole)을 사용하여 비활성 에어리어(12a)가 실현될 수 있다.
도 3은, 예로서, 펄스화된 송신 광선들(21)을 생성하기 위한 목적으로 신호 라인(11a)을 통해 송신 유닛(11)에 공급되는 3개의 구동 펄스들 S1, S2, S3를 도시한다. 상이한 응용들에서 에어리어 검출기(12)의 측정 신호 라인(12b)에서 그것에 의해 야기되는 아날로그 측정 신호 전류의 신호 레벨들이 아래의 도 4에 예시된다.
그러므로, 도 4는 구동 펄스 S1에 의해 송신 광선이 야기되지만, 광선 경로에 물체가 없으므로 광선이 반사되지 않는 상황에 대한 광전류의 신호 레벨 SPs를 좌측 영역에 도시한다. 그러므로, 이 경우, 송신 광선의 레벨 SPs만이 측정된다.
본 발명의 유리한 추가적인 실시예에 따라, 측정 신호의 더 나은 평가를 위해, 예컨대 평가 유닛(13a)에 의해 역치 값들이 제공될 수 있다. 도 3 및 4의 예에서, 예컨대, 이러한 목적으로 더 낮은 모니링 광 역치 Su, 더 높은 모니터링 광 역치 So 및 최상부의 검출 광 역치 Sd가 제공된다.
그러므로, 도 4의 극좌에서의 광전류의 측정 가능한 신호 레벨은 더 낮은 모니터링 광 역치 Su에 못 미친다. 도 3에서의 구동 펄스의 부재 때문에 이 영역에서는 명백히 송신 광선이 생성되지 않으므로, 이 신호 레벨은 확산 미광에 의해서만 야기될 수 있다. 그렇지만, 이 측정값은, 예컨대, 광 센서(1)를 조정하기 위해 제어 유닛(13c) 또는 평가 유닛(13a)에 의해 사용될 수 있다. 반면에, 신호 레벨 SPs는 구동 펄스 S1의 지속 시간 동안 더 높은 모니터링 광 역치 So를 초과한다. 이 크기의 측정값은 광 센서(1)의 적합한 기능을 결정하기 위해 제어 유닛(13c) 또는 평가 유닛(13a)에 의해 사용될 수 있다.
중심 영역에서, 도 4는 또한, 구동 펄스 S2에 의해 송신 광선이 야기되고, 광선 경로 내의 물체 때문에 반사되는 상황에 대한 광전류의 신호 레벨 SPe를 도시한다. 이 경우, 반사 광선의 레벨이 송신 광선의 레벨에 추가되어, 그 결과로서 더 높은 모니터링 광 역치 So가 초과된다. 그러나, 최후의 신호 레벨 SPe는 지연 시간 T 후에만 도달된다. 후자는 센서를 떠나고 물체에서 반사된 후 감광성 에어리어 검출기에 다시 부딪히기 위해 송신 광선(21)의 전파 시간에 대응한다. 도 4의 예에서, 이 지연 시간 T는, 예컨대 평가 유닛(13a)에 의해 구동 펄스 S2의 전면 에지, 및 측정된 레벨이 더 높은 모니터링 광 역치 So를 초과하는 시간으로부터 결정될 수 있다. 센서(1)와 물체(2) 사이의 거리는, 예컨대, 광속, 및 지연 시간 T의 측정값의 도움으로 평가 유닛(13a)에 의해 결정될 수 있다.
도 4는 또한 센서의 동적 범위 D, 즉, 송신 광선의 신호 레벨 SPs와 송신 광선 내에 물체가 있는 경우의 최대 신호 레벨 SPe 사이의 차이를 도시한다. 동적 범위 D를 증가시키기 위해, 도 2로부터의 예를 사용하여 이미 설명한 바와 같이, 감광성 에어리어 검출기는 비감광 비활성 에어리어를 구비할 수 있다.
마지막으로, 우측 영역에서, 도 4는 구동 펄스 S3에도 불구하고, 예컨대 센서(1)의 결함 때문에 송신 광선이 야기되지 않는 상황에 대한 광전류의 신호 레벨 SPu를 도시한다. 이 경우에, 모니터링 광 역치 Su 아래에 있으며, 고작 배경 미광에 의해 야기되는 신호 레벨 SPu가 검출될 수 있으므로, 예컨대, 제어 유닛(13c)은, 예컨대 송신 유닛의 완전한 고장, 또는 노화에 의해 야기된 송신 전력의 허용 불가능한 감소를 알리는 진단 메시지들을 생성할 수 있다.
마지막으로, 도 5는 본 발명에 따른 광 센서들의 광 커튼 형태의 유리한 평행 배열을 도시한다. 그러한 예시적인 케스케이드형(cascaded) 실시예의 경우, 센서(5) 내에 복수의 개별적인 센서들이 서로의 옆에 배열되며, 그 결과로서 개별적인 센서들에 의해 생성된 송신 광선들이 일종의 광 커튼(5a)을 형성한다.
그러므로, 도 5의 예는, 예컨대, 사실상 "커튼 내에 있는" 물체(2)가 센서(5)의 4개의 개별적인 센서들에 의해 그들의 송신 광선들의 반사에 의해 검출되는 한편, 다른 개별적인 센서들로부터의 송신 광선들이 물체를 지나가는 상태를 도시한다. 예컨대, 본 발명에 따라 광 송신 유닛(11x), 그것에 의해 조사되는 감광성 에어리어 검출기(12x), 및 공통 서브컨트롤러(13x)를 갖는 상부 개별 센서로부터의 송신 광선 21x은 물체(2)를 지나간다. 반면에, 마찬가지로 본 발명에 따라 광 송신 유닛(11y), 그것에 의해 조사되는 감광성 에어리어 검출기(12y), 및 공통 서브컨트롤러(13y)를 갖는 그 아래의 센서로부터의 송신 광선(21y)은 물체(2)에 부딪힌다. 그 프로세스에서 생성된 반사 광 복사(23y)는 또한 에어리어 검출기(12y)에 의해 검출되며 위에서 설명한 방식으로 처리된다.
도 5의 예에서, 개별적인 센서들로부터의 측정값들은 마지막으로 추가적인 처리를 위해 통신 링크들(6)을 통해 중앙 컨트롤러(7)에 송신된다. 이 컨트롤러는 또한 통신 인터페이스(13d) 및 데이터 버스를 통해 상위의 관측 및 제어 유닛들과 통신할 수 있다.

Claims (5)

  1. 광 센서(1)로서,
    a) 송신 광선(21)을 생성하기 위한 광 송신 유닛(11);
    b) 반투명 특성을 갖고, 상기 송신 광선(21)에 의해 조사되고, 물체(2)로부터 반사 광선들(23)을 다시 수신하는 감광성 에어리어 검출기(12); 및
    c) 적어도 물체(2)를 검출하기 위한, 상기 감광성 에어리어 검출기(12)의 광전기 전류(12b)에 대한 평가 유닛(13)
    을 적어도 갖는 광 센서(1).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 감광성 에어리어 검출기(12) 및 상기 광 송신 유닛(11)은, 반사 광선들(23)이 상기 송신 광선(21)에 대해 가능한 축방향으로 상기 에어리어 검출기(12)를 스트라이크하는 방식으로 배향되는 광 센서(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 감광성 에어리어 검출기(12)는 상기 송신 광선(21)을 위한 통로 영역(22)에 비감광성 비활성 에어리어(12a)를 갖는 광 센서(1).
  4. 제1항 및 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감광성 에어리어 검출기(12)는 감광성 기판으로서 유기 중합체층을 갖는 광 센서(1).
  5. 제4항에 있어서,
    반투명 특성을 갖는 상기 감광성 에어리어 검출기(12)로서 "유기 감광성 다이오드"(OPD)를 갖는 광 센서(1).
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