KR20100049677A - 태양 복사의 입사 방향 및 강도를 탐지하기 위한 태양 센서 - Google Patents

태양 복사의 입사 방향 및 강도를 탐지하기 위한 태양 센서 Download PDF

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베른트 스티흐
랄프 트라프
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베르-헬라 테르모콘트롤 게엠베하
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Abstract

태양 복사의 입사 방향 및 강도를 탐지하기 위한 태양 센서는 적어도 소정의 상기 태양 복사에 투과성 있는 플라스틱 재료로 만들어진 하우징(12)을 포함하고, 상기 하우징(12)은 상기 입사한 태양 복사와 대면하는 만곡된 측면(14)을 가지고 상기 하우징(12)이 렌즈로서 광학적으로 작용하고 상기 렌즈 특징에 의해 한정된 내부 초점 평면(26)을 가진다. 2 개 이상의 포토 센서(16)가 상기 하우징(12)의 플라스틱 재료에 포함되고, 각각의 포토 센서(16)가 상기 플라스틱 재료가 통과시키는 복사의 적어도 일부에 민감한 센서 영역(18)을 가지며, 상기 포토 센서(16)의 센서 영역(18)이 상기 초점 평면(26) 전방에 또는 후방에 위치된 실질적으로 공통 평면(19)에 배치되고, 상기 입사한 태양 복사와 대면하는 측면(14)으로부터 보여진다. 상기 태양 복사의 입사 방향이 상기 포토 센서(16)의 센서 영역(18)에 의해 수신되는 상기 복사의 강도에 기초하여 결정될 수 있다.

Description

태양 복사의 입사 방향 및 강도를 탐지하기 위한 태양 센서{SOLAR SENSOR FOR THE DETECTION OF THE DIRECTION OF INCIDENCE AND THE INTENSITY OF SOLAR RADIATION}
본 발명은 태양 복사의 입사 방향 및 강도를 탐지하기 위한 태양 센서에 관한 것이다.
다양한 기술 어플리케이션에서 현재 태양 복사의 강도 및 입사 방향 양쪽에 대한 정보를 가까이 가지는 것이 가끔 필요하다. 태양 센서를 위한 하나의 가능한 어플리케이션은 태양 복사에 의해 야기된 차량 내부의 가열이 보정 목적(compensation purposes)을 위해 탐지되어야 하는 자동자의 에어컨 시스템이다.
선행 기술은 경사진 복수의 개별적인 포토 다이오드들을 포함하는 태양 센서들에 대한 개념이 알려져 있다. 이러한 태양 센서의 예시들은 DE 101 02 353 A1, DE 10 2004 053 958 B3 및 EP 1 460 448 A2에서 발견된다. 다른 알려진 개념들은 태양 복사의 입사 방향 및 강도를 탐지하는데 필요한 광 가이드(light guides), 디퓨저 요소(diffuser elements) 및 커버(렉산 캡(Lexan caps), 즉 일광 필터들)을 포함한다. 포토 다이오드의 경사는 태양 센서의 생산(특히 조립)을 더 어렵게 만드는 반면, 광 가이드들, 디퓨저 요소들 및 렉산 캡과 같은 추가적인 구성요소(component)는 태양 센서의 비용을 증가시키는 결과를 가져온다. 더욱이, 상기 설명된 타입의 알려진 태양 센서는 센서 요소들이 서로에 대해 조정되고 캘리브레이팅(태양 센서의 조정 및 캘리브레이션)되어야 하는 단점이 있다.
생산 및 조립하는데 비용 효율이 높은 간단화된 구조 개념 및 센서 요소를 특징으로 하는 태양 복사의 입사 방향 및 강도를 탐지하기 위한 태양 센서를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
이러한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 태양 복사의 입사 방향 및 강도를 탐지하기 위한 태양 센서를 제공하고, 상기 태양 센서는
- 적어도 소정의 상기 태양 복사에 투과성 있는 플라스틱 재료로 만들어진 하우징, 및
- 상기 하우징의 플라스틱 재료에 포함되는 2 개 이상의 포토 센서를 포함하되,
- 상기 하우징은 상기 입사한 태양 복사와 대면하는 만곡된 측면을 가지고 상기 하우징이 렌즈로서 광학적으로 작용하고 상기 렌즈 특징에 의해 한정된 내부 초점 평면을 가지며,
- 각각의 포토 센서가 상기 플라스틱 재료가 투과시키는 복사의 적어도 일부에 민감한 센서 영역을 가지며, 상기 입사한 태양 복사와 대면하는 측면으로부터 보여지는 상기 초점 평면 전방에 또는 후방에(및 그것과 함께 실질적으로 평행한) 위치된 실질적으로 공통된 평면에 상기 포토 센서의 센서 영역이 배치되며,
- 상기 태양 복사의 입사 방향이 상기 포토 센서의 센서 영역에 의해 수신되는 상기 복사의 강도에 기초하여 결정 가능하다.
본 발명의 태양 센서에서, 적어도 2 개의 포토 센서(예 포토 다이오드)는 하우징의 플라스틱 재료 매스(plastic material mass)에 포함된다. 이러한 하우징은 예를 들어 결선된 포토 다이오드(THT 기술)로주터 알려진 것과 유사한 하우징일 수 있다. 그러나, SMD 기술의 하우징이 또한 생각될 수 있다. 사용된 플라스틱 재료는 태양 복사의 적어도 일부(예 적외선 부분)에 투과성이 있다. 태양 복사에 노출될 수 있고 만곡, 즉 구면(spherical)인 하우징은 입사한 태양 복사와 대면하는 측면을 가진다. (특히 입사 측면에서) 기하적 형상으로 인하여 하우징은 광학적으로 렌즈로서 작용하고 이 렌즈의 특징은 하우징 내에 위치된 초점 평면을 한정하고 그 평면 내에 입사한 태양 복사의 초점이 위치되거나 -입사 방향에 의존하여- 그 평면 내에서 초점이 이동한다. 이러한 초점 평면은 태양 센서의 광학 축선에 실질적으로 직각으로 연장된다.
본 태양 센서의 각각의 포토 센서는 하우징의 플라스틱 재료가 투과성이 있는 태양 복사의 그 일부에 민감한 센서 영역을 갖는다. 적어도 2 개의 포토 센서의 센서 영역은, 입사한 태양 복사와 대면하는 측면에서 볼 때 초점 평면의 외측에, 즉, 초점 평면의 전방 또는 후방으로 위치되는 공통 평면에 실질적으로 위치된다. 포토센서의 센서 영역의 배치는 광학 축선이 그것에서 중심이도록 한다.
하우징의 렌즈 특성으로 인하여, 각각의 포토 센서는 태양 복사의 입사 방향에 의존하여, 태양 복사 강도의 상이한 크기(magnitudes)를 수신한다. 그리고 나서 각각의 포토 센서는 포토 센서의 개별적인 신호의 결합으로부터 태양 복사의 입사 방향을 결정할 수 있다. 더욱이, 태양 복사의 강도에 대한 정보가 습득된다.
모든 포토 센서가 공통 (표준) 하우징에 실질적으로 평면의 배향으로(in planar orientation) 배치되고, 통상적인 발광 다이오드 및 포토 다이오드로부터 알려진 바와 같이, 포토 센서가 플라스틱 재료 내에 구체적으로 매입되는(embedded) 것이 본 태양 센서의 본질적인 특징이다. 초점 평면 외측에 포토 센서를 배치하는 것은 태양 센서의 광학 축선(하우징 표면에 직각)에 대한 복사의 상이한 입사 각도에 대해, 최대 가능한 복사의 일부가 포토센서의 센서 영역에 충돌하나, 태양 복사가 입사 각도에 의존하여 개별적인 포토 센서의 상이한 조사 레벨(levels of irradiation)을 야기한다는 장점이 있다.
본 발명에 따라, 적어도 두 개의 포토 센서가 요구된다. 그러나, 3 개 또는 더 많은 포토 센서를 제공하는 것이 적절하다. 포토 센서가 제공될 때, 이것들은 그 센서 영역이 서로에 대해 각각 120°만큼 회전하여 오프셋되도록 배치된다. 4 개의 포토 센서에 의해, 그 센서 영역은 직사각형 형상으로 매트릭스처럼 배치된다. 4 개 이상의 포토 센서가 제공되면, 이것들은 그 센서 영역이 (가능하게 등변의) 다각형의 외측 컨투어를 갖는 전체 영역을 한정하도록 배치된다.
바람직하게, (반도체) 포토 센서는 공통 기판 상에 배치 및/또는 형성되며, 포토 센서는 포토 다이오드 또는 적외선 센서로서 설계된다. 이것들이 공통 (반도체) 기판에 형성되기 때문에(즉 포토 센서가 함께 생산되기 때문에), 포토 센서의 조정 또는 캘리브레이션은 요구되지 않는다. 적절하게, 전기적 커넥터 요소는 하우징으로부터 돌출되고, 이러한 하우징은 전기적으로 포토 센서와 연결되며, 커넥터 요소는 플러그의 커넥터 요소로서 설계된다.
본 발명의 태양 센서는 추가적인 광 가이드, 및 디퓨저 요소, 및 렌산 캡을 요구하지 않는다. 추가적으로, 서로에 대해 포토 센서를 캘리브레이팅하는 프로세스를 수행하는 것이 필요하지 않다. 본 발명의 태양 센서의 다른 장점은 모든 기능 요소가 포토-광학 구성 요소 내로 일체화되어서 (2D/3D) 태양 센서의 모든 목표된 광학적 특징이 오직 구성 요소 자체에 의해 -임의의 추가적인 구조적 구성 요소없이- 생산된다는 것이다.
본 발명의 태양 센서의 특징 및 장점은 다음과 같이 리스트될 수 있다:
- 공통 하우징에 제공되는 적어도 두 개의 감광성(photo-sensitive) 센서(포토 센서)가 평면 배향으로 배치되고 태양 복사를 탐지하기 위해 사용되어서, 단일 일체화된 구성 요소가 습득된다.
- 광학적으로 투과성 있는 하우징은 파장에 대해 태양 복사의 선택적 탐지(필터) 및 또한 입사 복사의 균질화(디퓨저)를 허용하는 필터 및 디퓨저 재료를 포함할 수 있다.
- 3 개의 포토 센서에 의해, 이것들은 120° 배치로 위치된다.
- 4 개의 포토 센서가 제공되면, 포토 센서는 직사각형 형상을 갖는 90°배치로 위치된다.
- 4 개 이상의 센서에 의해, 이것들은 포토 센서의 수에 상응하는 등변 다각형의 형태로 배치된다.
- 포토 센서는 개별적인 포토 센서에 전기 신호의 태핑(tapping)을 허용하는 리드 프레임(lead frame)(커넥터 요소) 또는 다른 캐리지 구조 상에 배치된다; 리드 프레임은 구성요소가 전자 회로와 전기적으로 연결될 수 있는 플러그로서 동시에 기능할 수 있다.
- 표준 납땜 방법(standard soldering method)을 사용하여, THT 또는 SMD 기술로 실현되는, 리드 프레임은 신호의 프로세싱을 위한 외부 회로 보드에 전기적으로 연결될 수 있다.
- 하우징은 광학 구성요소에 대해 본래 알려진(예 일광 필터링 특징) 표준 플라스틱 재료로 만들어진다.
- 하우징은 광학 구성요소에 대한 표준 생산 방법을 사용하여 생산될 수 있다.
- 기하적인 형상으로 인하여, 하우징은 태양 센서의 위치에서 태양의 복사 방향 및 입사한 태양 강도가 태양 센서의 기하적 구성으로부터 결정될 수 있는 것을 보장한다.
- 3 개 이상의 포토 센터가 사용된다면, 직접 태양 복사 대 간접 (디퓨저) 태양 복사 비율이 결정될 수 있다.
다음은 소정의 실시예 및 도면을 참조한 본 발명의 상세한 설명이다. 도면은 다음을 보여준다:
도1 및 도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 2 개의 포토센서들을 포함하는 태양 센서에 대한 측면 입면도 및 평면도이고,
도 3 및 도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 3 개의 포토센서들을 포함하는 태양 센서에 대한 측면 입면도 및 평면도이고, 그리고
도 5 및 도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 4 갱의 포토센서들을 포함하는 태양 센서에 대한 측면 입면도 및 평면도이다.
도 1 및 도 2는 태양 센서(10)의 제 1 실시예의 측면 입면도 및 평면도이다. 태양 센서(10)는 본 실시예에서 적외선에 투과성 있고 실질적으로 일광을 차단하는 플라스틱 재료의 (고체 재료) 하우징(12)을 포함한다. 입사한 태양 복사에 노출될 수 있는 하우징(12)의 측면(14)은 만곡되거나 구면(spherical)이고 하우징(12)이 이 부분에 렌즈 특성이 주어지도록 형상을 이룬다.
2 개의 포토 다이오드(16)는 하우징(12)에 배치되고, 그 하우징의 센서 영역(18)은 공통 평면(19) 상에 실질적으로 배치된다. 포토 다이오드(16) 양쪽은 공통 커넥터 요소(20) 상에 위치되고, 각각의 포토 다이오드(16)는 본딩 와이어(bonding wire, 22)를 통해 상이한 다른 커넥터 요소들(24)에 추가적으로 연결된다. 이러한 태양 센서는 태양 복사의 2 차원 탐지를 허용한다.
도 3 및 도 4는 태양 센서(10')의 다른 실시예를 도시한다. 태양 센서(10')의 요소들이 도 1 및 도 2의 태양 센서(10)의 요소들과 구조적으로 또는 기능적으로 유사하거나 동일한 한, 동일한 도면 부호들은 도 3 및 도 4에서 사용된다.
태양 센서(10')에서, 정삼각형(equilateral triangle)의 에지를 따라 커넥터 요소(20) 상에 배치되는, 즉 각각 120°씩 회전하여 오프셋되는 3 개의 포토 다이오드(16)들이 존재한다. 이러한 태양 센서 배치는 태양 복사의 3 차원 탐지를 허용한다.
마지막으로, 도 5 및 도 6은 태양 센서(10")의 또 다른 실시예를 도시한다. 다시, 태양 센서(10")의 요소들이 도 1 및 도 2의 태양 센서(10)의 요소들과 구조적으로 또는 기능적으로 유사하거나 동일한 한, 동일한 도면 부호들은 도 5 및 도 6에서 사용된다.
태양 센서(10 및 10')와 상이하게, 태양 센서(10")은 직사각형으로 배치되는 4 개의 포토 다이오드(16)를 가지며, 포토 다이오트의 각각은 본딩 와이어(22)를 통해 다른 커넥터 요소와 연결된다.
태양 센서들이 입사한 태양 복사에 상이하게 반응하나 -개별적인 신호들의 결합으로- 입사한 태양 복사에 명백하게 반응하도록 하기 위해, 기술된 태양 센서의 기능은 광학 센서를 위한 표준 하우징에 복수의 포토 다이오드들을 위치시키는 아이디어에 각각 기초한다. 그리고나서 태양 센서에서 직접 또는 분리된 전자회로에서 마이크로콘트롤러(미도시)로 구현되는 계산 프로세스에서, 태양 복사의 입사 방향 및 그 강도는 개별적인 신호들로부터 계산된다.
여기서, 포토 다이오드(16)는 공통 평면(19)에 평면 방식(planar manner)으로 배치되며, 2 개, 3 개, 4 개 또는 더 많은 포토 다이오드들을 사용하는 것이 가능하다. 이 평면에서 가능한 기하학적 배치들은 3 개 센서가 사용될 때, 정삼각형이고 4 개 센서가 사용될 때 정사각형이나 직사각형이다. 포토 다이오드들이 정사각형 단면을 갖게 통상적으로 생산된다는 사실 때문에, 4 개의 센서의 배치가 선호되는데, 이러한 4개 센서들이 단일 기판 상에 함께 배치되어 생산될 수 있기 때문이다.
태양 복사의 입사 각도에 의존하는 개별적인 포토 센서들의 상이한 조사(irradiation)는 렌즈로서 광학적으로 작용하고 관심 복사선(the radiation of interest)를 통과하는 재료(플라스틱 재료)로 만들어지며, 그 재료가 필터 또는 디퓨저 재료(diffuser materials)에 의해 강화될 수 있는 하우징(12)의 렌즈 특징에 의해 야기된다. 렌즈 특징은 입사 측면(14) 상의 하우징 표면의 볼록한 부분(예 구면 형태)에 의해 달성되고, 여기서 볼록한 부분의 반경은 수직 및 수평 포토 센서 위치에 따라 및 센서 영역(18)의 크기에 의존하여 선택되어져야 한다.
태양 센서를 기하적으로 구성하는데 있어서, 포토 다이오드(16)의 센서 영역(18)은 입사 측면(14)을 통해 충돌하는 태양 복사의 초점(도 1, 도 3 및 도 5에서 평면 26 봄) 평면에 놓이지 않으나, 광학적 축선(28)을 따라 초점 평면(26) 전방이나 후방에 위치된다는 것에 주의를 기울여야 한다. 따라서 하우징 표면에 직각(광학적 축선(28))에 대해 태양 복사의 상이한 입사 각도로, 태양 복사의 최대 가능한 부분이 모든 포토 다이오드(16)의 센서 영역(18)에 충돌하나, 태양 복사는 입사 각도에 의존하여 개별적인 포토 다이오드의 상이한 조사의 레벨(level of irradiation)을 여전히 야기한다는 것이 달성된다.
입사 각도와 개별적인 포토 센서 신호들 사이의 명백한 관계는 하우징(12)의 기하적 구성, 하우징 재료의 광학적인 특징(플라스틱 재료의 회절 인덱스(diffraction index)) 및 하우징(12) 내 개별적인 포토 다이오드(16)의 위치(수평적 및 수직적 배치, 및 포토 다이오드(16) 및 서로에 대한 그들의 센서 영역(18)의 위치 및 크기, 및 센서 영역(18)의 배치 및 위치에 대한 광학 축선(28)의 수평적 궤도)로부터 기인한다.
입체각(solid angle)은 나뉘어져서 개별적인 포토 다이오드들이 중복 부분을 탐지할 수 있다. 개별적인 포토 다이오드들의 위치에서 각각의 광도(light intensity)로부터 태양 복사의 방향 및 전체 강도 양쪽은 각각의 센서 신호에 의해 결정될 수 있다. 추가적으로, 3 개 이상의 포토 다이오드들을 가지고, 태양 복사의 확산 부분(diffuse part) 및 직접 부분(direct part)의 비율로 결론이 만들어질 수 있다.
생산 방법으로 인하여, 포토 다이오드(16)가 동일한 기판으로부터 각각 만들어진다면, 개별적인 포토 다이오드(16)의 센서 영역들(18)의 민감도 오차(sensitivity tolerance)는 낮은 것으로부터 이상적으로 영까지 범위이다. 그러므로, 포토 다이오드(16) 사이의 오차들은 무시될 수 있다. 이것은 통상적인 태양 센서들의 경우에, 20% 만큼씩 그 민감도에 차이가 날 수 있는 포토 다이오드(16)의 캘리브레이션에 대한 노력이 극적으로 감소될 수 있거나 전적으로 생략될 수 조차 있다는 것을 의미한다.
10 : 태양 센서 10' : 태양 센서
10" : 태양 센서 12 : 하우징
14 : 입사한 태양 복사와 대면하는 측면 16 : 포토 다이오드
18 : 포토 다이오드 센서 영역 19 : 센서 영역 평면
20 : 커넥터 요소 22 : 본딩 와이어
24 : 커넥팅 요소(connecting elements) 26 : 초점 평면(focal plane)
28 : 광학 축선(optical axis)

Claims (10)

  1. 태양 복사의 입사 방향 및 강도를 탐지하기 위한 태양 센서로서,
    적어도 소정의 상기 태양 복사에 투과성 있는 플라스틱 재료로 만들어진 하우징(12), 및
    상기 하우징(12)의 플라스틱 재료에 포함되는 2 개 이상의 포토 센서(16)를 포함하되,
    상기 하우징(12)은 상기 입사한 태양 복사와 대면하는 만곡된 측면(14)을 가지고 상기 하우징(12)이 렌즈로서 광학적으로 작용하고 상기 렌즈의 특징에 의해 한정된 내부 초점 평면(26)을 가지며,
    각각의 포토 센서(16)가 상기 플라스틱 재료가 투과시키는 복사의 적어도 일부에 민감한 센서 영역(18)을 가지며, 상기 포토 센서(16)의 센서 영역(18)이, 상기 입사한 태양 복사와 대면하는 측면(14)으로부터 볼 때 상기 초점 평면(26)의 전방에 또는 후방에 위치된 실질적으로 공통된 평면(19)에 배치되며,
    상기 태양 복사의 입사 방향이 상기 포토 센서(16)의 센서 영역(18)에 의해 수신되는 상기 복사의 강도에 기초하여 결정 가능한,
    태양 복사의 입사 방향 및 강도를 탐지하기 위한 태양 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    3 개의 포토 센서(16)가 제공되며, 상기 포토 센서(16)의 센서 영역(18)이 서로에 대해 각각 120°만큼 회전하여 오프셋되는 것을 특징으로 하는
    태양 복사의 입사 방향 및 강도를 탐지하기 위한 태양 센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    4 개의 포토 센서(16)가 제공되며, 상기 포토 센서(16)의 센서 영역(18)이 매트릭스 방식으로 직사각형 형상으로 배열되는 것을 특징으로 하는
    태양 복사의 입사 방향 및 강도를 탐지하기 위한 태양 센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    4 개 이상의 포토 센서(16)가 제공되며, 상기 포토 센서(16)의 센서 영역(18)이 다각형의 외측 컨투어를 갖는 전체 영역을 한정하는 것을 특징으로 하는
    태양 복사의 입사 방향 및 강도를 탐지하기 위한 태양 센서.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하우징(12)의 플라스틱 재료가 필터 및/또는 디퓨저 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는
    태양 복사의 입사 방향 및 강도를 탐지하기 위한 태양 센서.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 포터 센서(16)가 공통 기판 상에 배치 및/또는 형성되는 것을 특징으로 하는
    태양 복사의 입사 방향 및 강도를 탐지하기 위한 태양 센서.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 포토 센서(16)가 포토 다이오드로 구성되는 것을 특징으로 하는
    태양 복사의 입사 방향 및 강도를 탐지하기 위한 태양 센서.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 포토 센서(16)가 예를 들어 열전대(thermopiles)와 같은 적외선 센서로서 설계되는 것을 특징으로 하는
    태양 복사의 입사 방향 및 강도를 탐지하기 위한 태양 센서.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 포토 센서(16)와 전기적으로 연결되는 전기 커넥터 요소(20, 24)가 상기 하우징(12)으로부터 돌출되며, 상기 커넥터 요소(20, 24)가 플러그의 커넥터 요소로서 설계되는 것을 특징으로 하는
    태양 복사의 입사 방향 및 강도를 탐지하기 위한 태양 센서.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 포토 센서(16)가 배치되는 공통 평면(19)이 상기 초점 평면(26)과 실질적으로 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는
    태양 복사의 입사 방향 및 강도를 탐지하기 위한 태양 센서.
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