ES2947487B2

ES2947487B2 - Sistema sensor de luz para la determinación del ángulo de incidencia de una radiación luminosa

Info

Publication number: ES2947487B2
Application number: ES202230089A
Authority: ES
Inventors: Halcón Manue Rodríguez; Reboul José Manuel Quero
Original assignee: Solar Mems Tech S L
Current assignee: Solar Mems Tech S L
Priority date: 2022-02-07
Filing date: 2022-02-07
Publication date: 2024-01-03
Anticipated expiration: 2042-02-07
Also published as: WO2023148419A1; ES2947487A1

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema sensor de luz para la determinación del ángulo de incidencia de una radiación luminosa

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente solicitud tiene por objeto el registro de un sistema sensor de luz para la determinación del ángulo de incidencia de una radiación luminosa.

Más concretamente, la invención propone el desarrollo de un dispositivo sensor con doble ranura (o ventana) para la determinación del ángulo incidencia de una radiación luminosa que permite limitar el campo de visión de manera asimétrica.

CAMPO DE APLICACIÓN

El dispositivo es aplicable a ingeniería espacial e industrial, para el uso en sistemas de seguimiento y monitorización que miden el ángulo de incidencia de una radiación luminosa o radiación solar en satélites, drones, aplicaciones de energías renovables, automoción, domótica, etc.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Los sensores de luz o solares son dispositivos capaces de detectar la posición del sol, por lo que son clave en todas aquellas aplicaciones en las cuáles es importante conocer la posición del sol o de una fuente luminosa, por ejemplo, seguimiento solar para generación de energía en plantas solares, generación de energía en paneles solares de satélites, seguimiento solar para diversas aplicaciones en vehículos, navegación y orientación de drones, determinación de actitud de satélites, asistencia a la actitud de un dron mediante fuentes luminosas, etc.

Los sensores solares pueden basarse en diversas técnicas de construcción, así como de funcionamiento:

- Un único fotodiodo, lo que permite detectar la posición del sol con poca precisión y solo respecto del eje perpendicular del sensor;

- Fotodiodos de varios cuadrantes, usualmente cuatro, que permiten detectar el sol con precisión en un amplio campo de visión y en dos ejes ortogonales;

- Sensores de pixeles activos, los cuales son de construcción más compleja, si bien aportan una mayor precisión.

De una forma más concreta, los diseños basados en fotodiodos de cuatro cuadrantes, requieren de una ventana que hace sombra a la luz que llega al sensor para iluminar de forma distribuida los fotodiodos y generar fotocorrientes dependientes del ángulo de incidencia de los rayos del Sol.

Los diseños basados en fotodiodos de cuatro cuadrantes siempre hacen uso de una ventana situada a una cierta altura para definir un campo de visión. Dicha altura de ventana puede estar a mayor distancia del fotodiodo de cuatro cuadrantes para que el campo de visión sea más pequeño, aportando por el contrario una mayor precisión.

Sin embargo, si se desease disponer de un sensor basado en fotodiodo de cuatro cuadrantes con un campo de visión asimétrico o rectangular, es decir, una mayor anchura en uno de sus ejes de coordenadas respecto al otro eje, se ha observado que no es suficiente con rediseñar la forma de la ventana dado que eso haría perder precisión y funcionalidad.

El documento ES 2346624 que describe un dispositivo de alta precisión para la determinación del ángulo de incidencia de una radiación luminiscente.

También es conocido el documento ES 2329539 que describe un sensor solar de alta precisión y cuyas partes comunes forman parte del preámbulo de la reivindicación 1.

Además, el solicitante no tiene conocimiento en la actualidad de una invención que disponga de todas las características que se describen en esta memoria.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención se ha desarrollado con el fin de proporcionar un sistema que se configura como una novedad dentro del campo de aplicación y resuelve los inconvenientes anteriormente mencionados, aportando, además, otras ventajas adicionales que serán evidentes a partir de la descripción que se acompaña a continuación.

Es por lo tanto un objeto de la presente invención proporcionar un sistema sensor de luz para la determinación del ángulo de incidencia de una radiación luminosa, que se caracteriza por el hecho de que comprende:

- un fotodiodo previsto para detectar o recibir la luz o radicación emitida por una fuente luminosa provisto de cuatro fotocélulas de control cuadrado, formando una disposición matricial 2x2;

- una tapadera superior y una tapa inferior hechas de un material opaco que están previstas para colocarse por delante del fotodiodo en plano paralelos, estando cada una de las tapaderas provista de una ventana de contorno rectangular para el paso de luz, definida tal ventana por dos lados mayores y dos lados menores,

estando la tapadera superior e inferior dispuestas de forma solapada y separadas entre sí una distancia, de tal manera que las ventanas adoptan entre sí una disposición en forma de cruz,

en el que la distancia entre la superficie frontal del fotodiodo y la tapadera inferior es menor que la distancia existente entre la tapa inferior y la tapadera superior,

tal que el campo de visión en el eje “x” viene definido por el lado corto ‘a’ de la tapadera superior, mientras que el campo de visión en el eje “y” viene definido por el lado corto ‘b’ de la tapadera inferior

cabe mencionar que el campo de visión en cada eje está definido por la altura de la ventana, esto es, el máximo ángulo detectable con precisión es aquel relacionado con el rayo que cruza el borde de la ventana e impacta en el centro entre los cuadrantes, por lo que se define matemáticamente como:

Campo de visión = 90 - A = 90 - arctg (altura/k)

siendo:

altura: altura entre fotodiodo y ventana.

k: distancia entre la proyección de la ventana sobre el fotodiodo y el centro de estos.

Gracias a estas características, es posible limitar el campo de visión de manera asimétrica, esto es, un campo de visión rectangular con un campo amplio en una dirección y un campo estrecho en la dirección ortogonal (X e Y), optimizando la precisión de ambos. Esto permite operar con sistemas de seguimiento solar y monitorización energética relacionados con plantas de energía solar, sistemas de actitud de satélites y drones, búsqueda de máxima generación de paneles solares, etc.

Según otro aspecto de la invención, las ventanas de las tapaderas superior e inferior están dimensionadas tal que su anchura es igual o inferior a la anchura de un cuadrante.

Específicamente, las tapaderas superior e inferior están axialmente centradas entre sí respecto a un punto central de la ventana.

Esta disposición constructiva permite diseñar un campo de visión rectangular y preciso, por ejemplo, para evitar reflexiones de la luz que impacten en el sensor desde ángulos inesperados o mejorar la precisión en un eje de coordenadas mientras se mantiene el otro eje con un campo de visión amplio.

El sistema descrito representa, pues, una estructura innovadora de características estructurales y constitutivas desconocidas hasta ahora para el fin a que se destina, razones que unidas a su utilidad práctica, la dotan de fundamento suficiente para obtener el privilegio de exclusividad que se solicita.

Otras características y ventajas del sistema objeto de la presente invención resultarán evidentes a partir de la descripción de una realización preferida, pero no exclusiva, que se ilustra a modo de ejemplo no limitativo en los dibujos que se acompañan, en los cuales:

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Figura 1.- Es una vista esquematizada explosionada en planta que muestra los distintos componentes que conforman el sistema de acuerdo con la presente invención;

Figura 2.- Es una vista esquematizada en planta que muestra la disposición adoptada por los componentes en el sistema según la invención;

Figura 3.- Es una vista esquematizada en sección transversal de la disposición representada en la figura 2a l o largo de la línea 1A-1A; y

Figura 4.- Es una vista esquematizada en sección transversal de la disposición representada en la figura 2a l o largo de la línea 1B-1B.

DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PREFERENTE

A la vista de las mencionadas figuras y, de acuerdo con la numeración adoptada, se puede observar en ellas un ejemplo de realización preferente de la invención, la cual comprende las partes y elementos que se indican y describen en detalle a continuación.

Además, los términos primero, segundo, tercero y similares en la descripción y en las reivindicaciones se utilizan para distinguir entre elementos similares y no necesariamente para describir un orden secuencial o cronológico. Los términos pueden intercambiarse en circunstancias apropiadas y las realizaciones de la invención pueden operar en otras secuencias que las descritas o ilustradas en la presente memoria descriptiva.

En las figuras puede verse una disposición del sistema que comprende un fotodiodo (10) con cuatro cuadrantes (11) dispuestos matricialmente en una disposición 2x2, una tapadera superior (7) y una tapa inferior (8) con ventanas o ranuras dispuestas de tal manera que adoptan una disposición en cruz sobre los fotodiodos, siendo la referencia (1) los rayos de luz que entran según la dirección del eje “x”, y por tanto dando lugar a un campo de visión amplio, siendo la referencia (2) los rayos de luz que entran según la dirección del eje Y, y por tanto dando lugar a un campo de visión estrecho. El fotodiodo puede estar integrado en un circuito electrónico (PCB) (no representado) para la adaptación de señal, procesamiento de datos y/o comunicación con un controlador electrónico.

En el ejemplo mostrado, cada cuadrante tiene un tamaño 1,9 mm x 1,9 mm, por lo que las dimensiones (a) y (b) definidas más adelante tienen una longitud 1,9 mm.

La referencia (4) corresponde a la ventana amplia de ancho ‘B’ de la tapadera superior (7) a una altura H en el eje “x” para no afectar al campo definido por la ventana estrecha de ancho ‘a’ a una altura h, indicada por la referencia (6) (véase la figura 3). Del mismo modo, y con referencia a la figura 4, la referencia (4) corresponde a la ventana estrecha de ancho ‘b’ de la tapadera superior (7) que se encuentra a una altura H en el eje “y” que define el campo de visión estrecho y que además no se ve afectado por la ventana amplia de ancho ‘A’, indicada con la referencia (6).

Así, el campo de visión para el eje “y” es más estrecho que el campo de visión para el eje “x”, porque para el del eje “y” está definido ópticamente por la tapadera superior (7) situada a la altura H mientras que el del eje “x” está definido por la tapadera inferior (8) situada a la altura h con respeto al fotodiodo, siendo h menor que H.

En el ejemplo representado, la ranura de la tapadera inferior se encuentra a una altura del fotodiodo (h) de 0,540 mm. Además, su lado (a) debe estar en la dirección del eje “x”. La ranura de la tapadera superior se encuentra a una altura del fotodiodo (H) de 2,000 mm. Además, su lado (b) debe estar en la dirección del eje 2.

Con la finalidad de evitar que los lados abiertos indicados por (A) y (B) (véase figuras 3 y 4) hagan sombra entre las tapaderas superior e inferior, son tal que el lado (A) de la tapadera inferior tiene una longitud de 4,00 mm, mientras que el lado (B) de la tapadera superior tiene una longitud de 12,00 mm.

Con este diseño se consigue un sensor de fóvea asimétrica de 60/25 grados. Si hacemos los cálculos:

Para el Eie x:

- Campo de visión = 90 - A = 90 - arctg [0.540 mm / (1.9 mm/2)] = 60 grados

- Precisión = 60 grados / (1900/2) mieras = 0.063 grados/micra

Para Eie v:

- Campo de visión = 90 - A = 90 - arctg [2.000 mm / (1.9 mm/2)] = 25 grados

- Precisión = 60.4 grados / (1900/2) mieras = 0.026 grados/micra

De este modo, el eje x tiene un campo de visión más amplio que el eje y y, por otro lado, el eje y tiene una precisión peor (mayor) que el eje 2.

De esta manera queda definido un sensor de luz o solar de cuatro cuadrantes con doble ranura o ventana para conseguir un campo de visión asimétrico: estrecho y preciso en un eje o dirección, y ancho y menos preciso en el eje o dirección ortogonal.

El fotodiodo puede estar fabricado en cualquier material que permita detectar la luz o radiación emitida por una fuente luminosa artificial (tales como por ejemplo, una bombilla incandescente, LED, láser) o natural. Ejemplos del material empleado en el fotodiodo puede ser silicio para rango visible, arseniuro de Galio para rango visible en infrarrojos, Germanio para infrarrojos o carburo de silicio para luz ultravioleta.

Dependiendo del material empleado en la fabricación de las tapaderas, las tapaderas y el fotodiodo están unidos entre sí mediante glue-bonding, por ejemplo, mediante un adhesivo con base epoxy cuando las tapaderas están hechas en cristal, o bien cianocrilato cuando las tapaderas están hechas de material polimérico.

Alternativamente, en el caso de tapaderas fabricadas en metal, la unión puede llevarse a cabo mediante el uso de elementos de tornillería que fijan las dos tapaderas y el fotodiodo.

Con referencia al tamaño de los cuadrantes puede ser cualquiera dependiendo del uso y necesidades del sistema, de modo que puede ser desde mieras hasta milímetros, y siendo la fabricación del dispositivo mediante técnicas estándar de fabricación de microsistemas.

En lo que se refiere al material empleado para las tapaderas, puede ser material plástico, metálico o cristal con una deposición de metal (por ejemplo, aluminio).

Los detalles, las formas, las dimensiones y demás elementos accesorios, empleados en la fabricación del sistema de la invención podrán ser convenientemente sustituidos por otros que no se aparten del ámbito definido por las reivindicaciones que se incluyen a continuación.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Sistema sensor de luz para la determinación del ángulo de incidencia de una radiación luminosa, que comprende un fotodiodo (10) previsto para detectar la luz o radicación emitida por una fuente luminosa provisto de cuatro fotocélulas de control cuadrado, formando una disposición matricial 2x2, caracterizado por el hecho de que incluye:

- una tapadera superior (7) y una tapa inferior (8) hechas de un material opaco que están previstas para colocarse por delante del fotodiodo (10) en planos paralelos, estando cada una de las tapaderas superior e inferior provista de una ventana de contorno rectangular prevista para el paso de luz, definida tal ventana por dos lados mayores y dos lados menores,

estando la tapadera superior (7) e inferior (8) dispuestas de forma solapada y separadas entre sí una distancia, de tal manera que las ventanas adoptan entre sí una disposición en forma de cruz,

en el que la distancia entre la superficie frontal del fotodiodo (10) y la tapadera inferior (8) es menor que la distancia existente entre la tapa inferior (8) y la tapadera superior (7), tal que el campo de visión en el eje "x” viene definido por el lado corto ‘a’ de la tapadera superior (7), mientras que el campo de visión en el eje "y” viene definido por el lado corto ‘b’ de la tapadera inferior (8).

2. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que las ventanas de las tapaderas superior (7) e inferior (8) están dimensionadas tal que su anchura es igual o inferior a la anchura de un cuadrante.

3. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que las tapaderas superior (7) e inferior (8) están axialmente centradas entre sí respecto a un punto central de la ventana.

4. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por el hecho de que las tapaderas superior (7) e inferior (8) están fabricadas en material polimérico.

5. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por el hecho de que las tapaderas superior (7) e inferior (8) están fabricadas en vidrio.

6. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por el hecho de que las tapaderas superior (7) e inferior (8) están fabricadas en metal.

7. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que las tapaderas superior (7) e inferior (8) y el fotodiodo están unidos entre sí mediante glue-bonding.

8. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que las tapaderas superior (7) e inferior (8) y el fotodiodo están unidos entre sí por una unión mecánica.

9. Sistema según la reivindicación 8, caracterizado por el hecho de que la unión mecánica consiste en elementos de tornillería que fijan las tapaderas superior (7) e inferior (8) y el fotodiodo (10).