KR102331307B1 - 감지 성능이 향상된 광학식 물체 통과 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광학식 물체 감지 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 발광부와 수광부 사이를 통과하는 물체를 광을 이용해서 감지하는 광학식 물체 통과 센서에 관한 것이다.
본 발명은 중심부에 감지 물체가 통과하는 관통구가 형성되어 감지 영역을 이루고, 관통구의 내벽 일측에 발광구가 형성되고, 관통구의 내벽 타측에 수광 슬릿이 형성된 센서 하우징; 상기 센서 하우징의 일측에 내장되어 상기 발광구를 통해서 광을 방출하는 발광소자, 여기서 상기 발광 소자는 하나의 기판에 다수의 발광칩이 실장된 발광소자이며; 상기 하우징의 타측에 내장되어 상기 슬릿을 통해서 광을 수광하는 수광소자; 상기 발광구에 위치하는 반원통형 렌즈;을 포함하는 광학식 물체 통과 센서를 제공한다.

Description

감지 성능이 향상된 광학식 물체 통과 센서 및 그 제조 방법{Optical object passage sensor with improved detection performance and manufacturing method thereof}

본 발명은 광학식 물체 감지 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 발광부와 수광부 사이를 통과하는 물체를 광을 이용해서 감지하는 광학식 물체 통과 센서에 관한 것이다.

종래의 낙하 또는 관통하는 물체를 감지하는 광센서는 감지영역을 따라서, 일측에 개별 발광소자들을 일렬로 배치하고, 반대편에 개별 수광소자들을 일렬로 배치하여, 그 사이에 감지영역을 형성하고, 물체가 발광 소자와 수광소자 사이를 낙하 또는 관통하여 통과하는 순간, 발광 소자에서 발광된 광이 낙하 또는 관통하는 물체에 의해서 차단되어 수광 소자에 수광되지 않아 수광되는 광량의 순간적으로 변화하는 것을 측정하여 물체의 낙하 또는 통과를 감지하게 된다.

이러한 방식에 사용되는 개별 발광소자는 소형 리드프레임 또는 인쇄회로기판에 발광칩을 실장하고, 발광을 제어하는 IC를 실장하여 렌즈 몰딩한 발광 소자들을 사용하며, 개별 수광소자는 소형 리드프레임 또는 인쇄회로기판에 수광칩을 실장하고, 수광칩에서 출력되는 미세 전류를 증폭하는 I-V 증폭회로를 실장하여 렌즈 몰딩한 수광 소자들을 사용하게 된다.

이러한 방식은 발광 소자에서 출력된 광이 정확하게 대응하는 수광 소자로 정확하게 수광된 후 전기적 신호로 출력되는 것이 중요하며, 이를 위해서는 발광 소자와 수광소자의 정확한 배열이 요구된다. 또한, 발광 소자와 발광 소자들이 서로 간섭되어 한 발광 소자에서 발광된 광이 대응하지 않은 수광소자로 수광되지 않도록 하는 간섭 방지 방안이 필요하게 된다.

주식회사 카운텍에 허여된 대한민국 등록실용신안 제377938호에서는 알약을 소정 갯수만큼 자동으로 계수 및 투입하기 위해서 광센서를 포함하는 정제 카운터를 개시한다. 일측에 IR 엘이디 어레이가 배치되고, 대향하는 타측에 포토트랜지스터 어레이가 배열되며, IR 엘이디 어레이와 포토트랜지스터 어레이 사이의 공간으로 알약이 낙하하면서 계수되는 방식이다. 이 방식에서는 간섭을 방지하기 위해서, 하나의 발광 엘이디가 켜져있는 동안에는 인접한 엘이디들을 꺼서 에러가 발생하는 것을 방지하는 on/off 방식으로 구동된다. 하지만, 이러한 on/off 방식은 off구간에서 약이 낙하할 수 있다는 문제가 있다.

이러한 문제를 해소하기 위한 방안으로, 미국 특허 공개 US 2011/0204211호에서는 도 1에서와 같이, 일측에 일렬로 발광 소자들을 배치하고, 각각의 발광 소자에 평행 렌즈를 설치하여, 다른 소자와 간섭하는 것을 방지하는 방안을 사용한다. 하지만, 이러한 방식은 발광 소자 사이에 간격이 형성되므로, 발광소자가 배열되는 사이의 영역보다 작은 물체가 낙하할 경우, 감지하지 못하게 되는 문제가 발생할 수 있다.

이를 해소하기 위한 방안으로, 박일화에게 허여된 대한민국 특허 10-1916930호에서는 도 2와 같이 2차원 방식으로 배열하는 방안을 사용한다. 이경우, 교차 체크로 인해서 에러 확률이 현저히 줄어든다는 잇점이 있다. 하지만, 성능 향상을 위해서 비용이 추가되어야 한다는 문제가 있다.

또한, 이러한 방식들은 감지 영역이 넓어짐에 따라서 사용되는 발광 소자의 숫자가 증가하면서 비용 증가를 야기하며, 발광소자 및 수광소자들이 외부로 노출되어 있어, 장기간 사용에 따른 출력 저하 및 온습도 등의 외부 환경에 의해 발광, 수광 소자의 특성 변화에 취약하다.

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 낙하 및/또는 관통하는 물체를 감지하는 성능이 개선된 새로운 광센서를 제공하는 것이다.

본 발명에서 해결하고자 하는 다른 과제는 감지 영역 전체에서 낙하 및/또는 관통하는 물체를 감지하는 성능이 개선된 새로운 광센서를 제공하는 것이다.

본 발명에서 해결하고자 하는 또 다른 과제는 감지 영역 전체에서 낙하 및/또는 관통하는 물체를 감지하는 성능이 개선되고, 광센서의 특성상 야기되는 수·발광 소자의 장기 사용에 따른 광출력 저하와 온습도 등의 환경에 의한 광센서의 특성 변화에 영향을 받지 않는 센서를 구현하는 것이다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은

중심부에 감지 물체가 통과하는 관통구가 형성되어 감지 영역을 이루고, 관통구의 내벽 일측에 발광구가 형성되고, 관통구의 내벽 타측에 수광 슬릿이 형성된 센서 하우징;

상기 센서 하우징의 일측에 내장되어 상기 발광구를 통해서 광을 방출하는 발광소자, 여기서 상기 발광 소자는 하나의 기판에 다수의 발광칩이 실장된 발광소자이며;

상기 하우징의 타측에 내장되어 상기 슬릿을 통해서 광을 수광하는 수광소자;

상기 발광구에 위치하는 반원통형 렌즈;을 포함하는 광학식 물체 통과 센서를 제공한다.

본 발명에 있어서, 상기 관통구는 직사각형 단면을 가지는 관통구일 수 있으며, 이에 따라서, 감지 영역은 직사각형을 이룰 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 발광소자는 관통구를 통해서 유입되는 외란광의 영향을 감소시키기 위해서, 외란광과 상이한 파장을 가지는 광을 발광할 수 있다. 본 발명의 실시에 있어서, 관통구를 통해서 유입되는 가시광과는 상이한 파장, 바람직하게는 적외선을 발광할 수 있다. 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 발광소자는 IR-LED를 포함하는 발광 소자일 수 있다.

본 발명의 실시에 있어서, 상기 발광 소자는 하나의 기판에 다수의 발광칩들이 소정 간격으로 실장된 발광소자일 수 있으며, 상기 발광칩들은 감지 영역의 발광구측 변을 따라서 일렬로 배열될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 수광소자는 슬릿을 통해서 유입되는 광에서 관통구를 통해서 유입되는 외란광을 구별하여 발광 소자에서 발광된 광을 선택적으로 수광할 수 있도록 광 필터를 가질 수 있다. 본 발명의 실시에 있어서, 상기 광필터는 적외광과 가시광이 혼합된 광에서 가시광을 걸러낼 수 있는 광필터일 수 있다.

본 발명의 실시에 있어서, 상기 수광소자는 하나의 기판에 다수의 수광칩들이 소정간격으로 실장된 수광소자일 수 있으며, 상기 수광칩들은 슬릿을 따라서 일렬로 배열될 수 있다.

본 발명에 있어서, 반원통형 렌즈는 감지영역에 균일한 광을 제공하기 위해서 사용된다. 이론적으로 한정된 것은 아니지만, 다수의 발광칩을 사용할 경우, 발광칩이 위치한 부분과 발광칩이 위치하지 않은 부분에서 광특성이 달라지게 되어 감지 영역을 따라서 불균일한 광이 발광되고, 광이 상하 방향으로 분산되면서 슬릿으로 집광되지 않게 되므로, 이를 해소하기 위해서, 감지영역의 발광부측 변을 따라서 반원통형 렌즈를 배치할 경우, 발광칩에서 발광되는 발광소자의 광이 좌우 방항으로는 확산되어 감지영역을 따라서 균일한 광을 이루고, 상하 방향으로는 집광되어 슬릿으로 입사되므로, 감지 영역에 균일하고 집광된 광을 제공하게 된다.

본 발명에 있어서, 상기 반원통형 렌즈는 일측은 실질적으로 수평이며, 타측은 반구형 또는 반타원형일 수 있다.

본 발명은 일 측면에서,

중심부에 감지 물체가 통과하는 관통구가 형성되어 감지 영역을 이루고, 관통구의 내벽 일측에 발광구가 형성되고, 관통구의 내벽 타측에 수광 슬릿이 형성된 센서 하우징;

상기 센서 하우징의 일측에 내장되어 상기 발광구를 통해서 광을 방출하는 발광소자, 여기서 상기 발광 소자는 하나의 기판에 상기 발광구를 따라서 연장된 하나의 발광칩이 실장된 발광소자이며;

상기 하우징의 타측에 내장되어 상기 슬릿을 통해서 광을 수광하는 수광소자;

상기 발광구에 위치하는 반원통형 렌즈;을 포함하는 광학식 물체 통과 센서를 제공한다.

본 발명의 실시에 있어서, 상기 수광소자는 하나의 기판에 하나의 수광칩이 슬릿을 따라서 길게 연장된 수광소자일 수 있다.

종래의 낙하 및 관통하는 물체를 감지하는 광센서는, 다수의 발광 유닛과 다수의 수광소자, 그리고 수광소자의 출력을 증폭하는 회로를 사용하는 방식이 적용되고 있다. 이에 반해, 본원 발명은 수발광 유닛을 각각 집적 단일화 함으로써 편차 발생을 줄일수 있으며, 원가 절감이 가능하다. 또한, 광의 확산 및 집광을 통해 센서 내 모든 영역에서의 물체 검지가 가능하다.

또한, MCU에 의한 출력 비교 형태로, 센서의 진동 또는 광Po감소, 외부 환경에 의한 특성 변화에 영향받지 않고 일정한 출력 신호를 얻을 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 낙하 감지 광센서의 일 실시예를 보여주는 도면이다.
도 2는 종래 기술에 따른 낙하 감지 광센서의 다른 실시예를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시에 따른 광학식 물체 통과 센서의 사시도이다.
도 4는 도 3의 광학식 물체 통과 센서에서 상부 커버를 제거한 상태를 보여주는 사시도이다.
도 5는 도 3의 광학식 물체 통과 센서의 분해 사시도이다.
도 6은 본 발명의 광학식 물체 통과 센서의 발광 소자를 보여주는 사진이다.
도 7은 본 발명의 광학식 물체 통과 센서의 수광 소자를 보여주는 사진이다.
도 8은 본 발명의 광학식 물체 통과 센서의 원통형 집광 렌즈를 보여주는 사진이다.
도 9는 본 발명의 광학식 물체 통과 센서의 길이 방향의 측단면도이다.
도 10은 본 발명의 광학식 물체 통과 센서의 폭 방향의 측단면도이다.
도 11은 본 발명의 광학식 물체 통과센서를 통해서 감지하는 방식을 보여주는 흐름도이다.
도 12는 도 9는 본 발명의 광학식 물체 통과 센서의 길이 방향의 측단면도에서 측정방식을 보여주는 도면이다.
도 13은 본 발명의 광학식 물체 통과 센서의 폭 방향의 측단면도에서 측정 방식을 보여주는 도면이다.

이하, 실시 예를 통해서 본 발명을 상세하게 설명한다. 하기 실시 예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 발명을 한정하기 위한 것이 아님을 유념하여야 한다.

도 1 내지 도 3에서 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 광학식 물체 통과 센서(10)는 전제척으로 직육면체 형상을 이루면서, 중심부에는 감지하고자 하는 물체가 통과하는 직사각형 단면의 관통구(20)가 형성되어 직사각형의 감지 영역(S)를 이루는 센서 하우징(100)을 가진다. 센서 하우징(100)은 센서를 구성하는 소자들이 내장되는 하부 하우징(110)과 이를 커버하는 상부 커버(120)로 이루어진다.

센서 하우징(100)에서 관통구(20)의 일측에는 발광소자가 내장되어 있어 발광부(130)를 이루고, 관통구(20)의 타측에는 수광소자가 내장되어 있어 수광부(140)을 이루며, 관통구(20)의 좌우 양측은 연결부(150)를 이룬다. 관통구(20)의 발광부(130)측 내벽은 발광소자에서 발광된 광이 방출될 수 있도록 전체적으로 개방되어 발광구(133)을 형성하고, 관통구(20)의 수광부(140)측 내벽에는 수광 슬릿(400)이 형성된다.

센서 하우징(100)의 수광부(140) 외부 측벽에는 광학식 물체 통과 센서(10)에 전원 공급 및 측정 데이터 출력을 위한 커넥터(160)가 형성되어 연결된다. 또한, 하부 하우징(110)의 외벽에는 결합용 돌기(111)이 돌출되고, 상부하우징(120)에서 하향 연장된 결합 고리(121)이 걸려서 상호 결합된다.

하부 하우징(110)의 내부에는 발광부(130)에 발광 소자(200)와 반원통형 렌즈(300)가 차례로 설치되고, 수광부(140)에 수광 소자(500)가 설치되며, 수광 슬릿(400)은 사출성형을 통해서 하부 하우징(110)과 일체로 형성된다. 하지만, 슬릿(400)은 별도로 제작하여 설치하는 것도 가능하다.

도 6에서 도시된 바와 같이, 하부 하우징(110)의 발광부(130)에 수직하게 설치되는 발광 소자(200)는 하나의 발광 기판(210)에 6개의 적외선 발광 LED 칩들이 실장되며, 동일한 간격으로 나란히 일렬로 배열된다. 발광 소자(200)는 LED 칩들이 감지 영역을 따라서 일렬로 배열되도록 수직하게 설치된다.

도 7에서 도시된 바와 같이, 하부 하우징(110)의 발광부(130)에 수직하게 설치되는 반원통형 렌즈(300)는 발광 기판(210)의 LED 실장면에 밀착되는 수평면(320)과 광을 길이 방향을 따라서 분산시키고, 상하 방향을 따라서 집광하는 타원형 단면의 굴곡면을 가지는 반원통형 렌즈(320)으로 이루어진다.

도 8에서 도시된 바와 같이, 하부 하우징(110)의 수광부(140)에 수직하게 설치되는 수광 소자(500)는 하나의 수광 기판(510)에 6개의 적외선 수광용 IR-포토다이오드들(도시되지 않음)이 실장되며, 동일한 간격으로 나란히 일렬로 배열된다. 그 위에 IR은 투과시키고, 가시광을 필터링할 수 있는 검은색 필터(520)가 형성된다.

도 9 및 도 10에서 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광학식 물체 통과 센서(10)는 센서 하우징(100)의 중심에 감지 영역(S)가 위치하며, 좌측에 발광부(130)가 위치하고, 우측에 수광부(140)가 위치한다. 발광부(130)의 내부에 좌측에서부터 발광 소자(200)가 설치되며, 발광 소자(200)의 우측에 반원통형 렌즈(300)가 설치된다. 수광부(140)의 내부에 좌측에서부터 슬릿(400)이 설치되며, 슬릿(400)의 우측에 수광 소자(500)이 설치된다. 발광칩(220)에서 발광된 광은, 도 9에서 도시된 바와 같이, 상하로 분산되면서 직진하고, 반원통형 렌즈(300)을 거친 후 슬롯(400)의 슬롯 구멍(410)으로 집광된다. 또한, 발광칩(220)에서 발광된 광은. 도 10에서 도시된 바와 같이, 반원통형 렌즈를 거치면서 분산되어 감지 영역(S)에 균일한 광을 제공하게 된다.

도 11 내지 13에서 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광학식 물체 통과 센서(10)는 순서에 따라서 이를 민감하게 감지한다. 먼저, 도 11에 도시된 바와 같이, 광학식 물체 통과 센서(10)가 동작을 시작한다(S10). 동작을 시작하면, 감지영역(S)의 일측에 구비된 발광소자(200)은 수광소자(500)을 바라보며 발광을 하게 된다. 발광된 광은 반원통형 렌즈(300)을 통과하게 되며, 통과하면서 렌즈의 길이 방향으로 분산되면서 수광소자(500) 전체에 균일하게 조광되고, 상하 방향으로는 최대한 좁은 지향각을 가지며 슬릿구멍(410)을 통해 슬릿(400)을 관통하게 된다. 슬릿구멍(400)을 관통한 광은 검은색 가시광 염료 광필터(530)에 의해 가시광은 차단되며, IR영역의 광만 수광소자에 입사된다. 이때 수광소자(500)에 입사된 광량에 의해 출력 전압이 발생하게 되며(S20), 이를 MCU(마이크로컴퓨터 장치-도시되지 않음)에 입력 신호로 보내게 된다. 이때 MCU는 센서 출력값을 ADC(아닐로그-디지털 변환) 하여 저장하게 되며(S30), 상기 데이터의 일정시간의 집합의 평균을 기준값으로 하는 기준 DATA를 갖게 된다(S40).

도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, 광학식 물체 통과 센서(10)이 작동하면 실시간으로 DATA 값이 생성되고(S50), 만일 감지 영역으로 물체(30)이 통과하면, 물체(30)에 의해서 광의 진행이 막혀 수광소자(500)에서 입력되는 광량이 달라지고, 실시간으로 수광 소자에서 데이터 출력되는 실시간 데이터 값이 변하게 된다.수광 소자에서 출력되는 실시간 데이터 값을 상기 기준 DATA(평균값)와 비교하여(60), 기준 Data값과 실시간 DATA 값이 프로그래밍된 일정비율이상 변동시 물체의 관통으로 인식하는 출력 신호를 내보내게 된다(S70). 이때 프로그래밍한 알고리즘상의 비교값 비율에 의해 물체의 감지 가능 Size를 결정할수 있으며, 예를 들어, 변동율 1%를 기준으로 할 경우, 아주 미세한 물체의 관통도 검지 할수 있게 된다.

10 : 광학식 물체 통과 센서
20 : 관통구
30 : 물체
100: 센서 하우징
200: 발광 소자
300: 반원통형 렌즈
400; 슬릿
500: 수광 소자

Claims (6)

1. 중심부에 감지 물체가 통과하는 관통구가 형성되어 감지 영역을 이루고, 관통구의 내벽 일측에 발광구가 형성되고, 관통구의 내벽 타측에 수광 슬릿이 형성된 센서 하우징;
   상기 센서 하우징의 일측에 내장되어 상기 발광구를 통해서 광을 방출하는 발광소자, 여기서 상기 발광 소자는 하나의 인쇄회로기판에 다수의 발광칩들이 실장된 발광 소자이며;
   상기 하우징의 타측에 내장되어 상기 슬릿을 통해서 광을 수광하는 수광소자; 및
   상기 발광구에 위치하는 반원통형 렌즈;를 포함하고,
   여기서, 상기 발광칩들에서 발광된 광은 반원통형 렌즈를 거치면서 좌우로 확산되고 상하로 집광되어 수광 슬릿으로 입사되는 것을 특징으로 하는 투과형 광학식 물체 통과 센서.
2. 제1항에 있어서,
   상기 관통구는 직사각형 단면을 가지는 관통구인 것을 특징으로 하는 투과형 광학식 물체 통과 센서.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 발광소자는 가시광과 상이한 파장을 가지는 광을 발광하는 것을 특징으로 하는 투과형 광학식 물체 통과 센서.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 수광소자는 슬릿을 통해서 유입되는 광에서 외란광을 제거하기 위해서 광 필터를 가지는 것을 특징으로 하는 투과형 광학식 물체 통과 센서.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   일측은 실질적으로 수평이며, 타측은 반구형 또는 반타원형인 것을 특징으로 하는 투과형 광학식 물체 통과 센서.
6. 중심부에 감지 물체가 통과하는 관통구가 형성되어 감지 영역을 이루고, 관통구의 내벽 일측에 발광구가 형성되고, 관통구의 내벽 타측에 수광 슬릿이 형성된 센서 하우징;
   상기 센서 하우징의 일측에 내장되어 상기 발광구를 통해서 광을 방출하는 발광소자, 여기서 상기 발광 소자는 하나의 인쇄회로기판에 상기 발광구를 따라서 연장된 하나의 발광칩이 실장된 발광소자이며;
   상기 하우징의 타측에 내장되어 상기 슬릿을 통해서 광을 수광하는 수광소자; 및
   상기 발광구에 위치하는 반원통형 렌즈;를 포함하고,
   여기서, 상기 발광구를 따라서 연장된 하나의 발광칩에서 발광된 광은 반원통형 렌즈를 거치면서 좌우로 확산되고 상하로 집광되어 수광 슬릿으로 입사되는 것을 특징으로 하는 투과형 광학식 물체 통과 센서.
   
   

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