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Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor zur Erfassung von Objekten in einem Erfassungsbereich.
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Eine derartige als Ultraschallsensor ausgebildete Vorrichtung ist aus der
DE 199 21 217 A1 bekannt. Die dort beschriebene Vorrichtung dient zur Detektion von Etiketten auf einem Trägermaterial und umfasst einen Ultraschallwellen emittierenden Sender und einen Ultraschallwellen empfangenden Empfänger. Das Trägermaterial mit den Etiketten ist zwischen Sender und Empfänger angeordnet. Zur Detektion der Etiketten wird das Empfangssignal am Ausgang des Empfängers mit einem Schwellwert verglichen, welcher während eines Abgleichvorgangs bei zwischen Sender und Empfänger angeordnetem Trägermaterial und/oder dort angeordneter Etikette in Abhängigkeit des dabei registrierten Empfangssignals selbsttätig bestimmbar ist.
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Das Detektionsprinzip dieser Vorrichtung beruht darauf, dass die vom Sender emittierten Ultraschallwellen bei Durchgang durch das Trägermaterial ohne Etikette einerseits und das Trägermaterial mit aufliegender Etikette andererseits unterschiedlich stark geschwächt werden. Der dadurch bedingte Amplitudenunterschied des Ausgangssignals des Empfängers wird dann durch einen geeigneten Schwellwert bewertet, um so eine Detektion von Etiketten auf dem Trägermaterial zu ermöglichen.
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Da jedoch aufgrund der geringen Materialstärken der Etiketten und des Trägermaterials sowie deren Materialbeschaffenheiten oft nur sehr geringe Unterschiede der Dämpfung der Ultraschallwellen bei Durchgang durch das Trägermaterial alleine oder mit dort aufliegender Etikette auftreffen, ist mit einer derartigen Vorrichtung eine sichere Detektion der Etiketten auf dem Trägermaterial oft nicht möglich. Dies gilt insbesondere für Fälle, bei denen die Ultraschallwellen bei Durchgang des Trägermaterials ohne Etikette sogar stärker geschwächt werden als bei Durchgang der Ultraschallwellen durch das Trägermaterial mit Etikette.
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Weiterhin ist bei derartigen Vorrichtungen deren große Bauform nachteilig, da dadurch die Montage an den jeweiligen Einbauorten erschwert ist. Dabei ist insbesondere nachteilig, dass der Sender und der Empfänger der Vorrichtung beidseits des die Etiketten tragenden Trägermaterials angebracht werden muss, das heißt es muss sowohl oberhalb als auch unterhalb der Förderebene in welcher das Trägermaterial gefördert wird, ein entsprechender Einbauraum für die Vorrichtung vorgesehen werden.
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Eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Detektion von Kanten auf streifenförmigem Material ist aus der
US 5,488,867 bekannt. Zur Kantendetektion sind zwei Ultraschallwandler vorgesehen, die jeweils als Ultraschallwellen emittierender Sender oder Ultraschallwellen empfangender Empfänger betrieben werden können. Die im Sendebetrieb eines Ultraschallwandlers gerichtet emittierten Ultraschallwellen werden an den Kantenstrukturen zurückreflektiert und dann im Empfangsbetrieb des Ultraschallwandlers empfangen.
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Die einen nachveröffentlichten Stand der Technik bildende
DE 10 2005 062 438 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Erfassen eines auf einem Trägersubstrat aufgebrachten Objekts, das über wenigstens eine über das Trägersubstrat erhabene Objektkante verfügt. Die Vorrichtung umfasst wenigstens eine Sendeeinheit zur Erzeugung von an der Objektkante wenigstens teilweise reflektier- und/oder streubaren Wellen und wenigstens eine Empfangseinheit zur Detektion wenigstens von Teilen der an der Objektkante reflektierten und/oder gestreuten Wellen. Die Empfangseinheit generiert Empfangssignale, die drahtgebunden oder drahtlos an eine Auswerteeinheit überführbar sind, die in Abhängigkeit der Empfangssignale ein Signal generiert.
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Die
DE 42 18 041 C2 beschreibt einen Ultraschallsensor, der nach dem Impuls-Echo-Verfahren arbeitet. Dieser Sensor umfasst wenigstens einen Ultraschall-Arbeitswandler zum Senden des Schall-Arbeitsimpulses und zum Empfang der Echos und mit wenigstens einem Ultraschall-Überwachungswandler zur Funktionsüberwachung des Arbeitswandlers. Der Arbeitswandler strahlt unter einem definierten Winkel auf eine Schall-Umlenkfläche definierter Form und Größe, wodurch der Schall umgelenkt wird. In der Schall-Umlenkfläche ist der Überwachungswandler derart eingebracht, dass die aktive Wandleroberfläche mit der Schall-Umlenkfläche einen nahezu planen Übergang bildet.
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In der
US 3,400,031 ist eine optische Sensoranordnung zur Erfassung von bogenförmigen Materialien beschrieben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallsensor der eingangs genannten Art bereitzustellen, mittels dessen bei geringem konstruktivem Aufwand eine sichere Detektion von Objekten ermöglicht wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Der erfindungsgemäße Ultraschallsensor dient zur Erfassung von Objekten in einem Erfassungsbereich und umfasst einen wahlweise in einem Sendebetrieb oder Empfangsbetrieb betreibbaren Schallwandler. Im Sendebetrieb sind vom Schallwandler gerichtet emittierte Ultraschallwellen in einem vorgegebenen Neigungswinkel zur Oberfläche eines Objekts geführt, so dass bei Auftreffen der Ultraschallwellen auf eine Objektkante diese in Richtung des Schallwandlers rückreflektiert und/oder gebeugt werden. Die Ultraschallwellen werden in diesem Schallwandler während des auf den Sendebetrieb folgenden Empfangsbetriebs erfasst.
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Zur Fokussierung der Ultraschallwellen ist ein dem Schallwandler nachgeordnetes parabolidförmiges Reflektorelement vorgesehen. Die Fokussierung der Ultraschallwellen kann somit ohne konstruktiven Eingriff in den Schallwandler vorgenommen werden und erfordert somit einen geringen konstruktiven Aufwand. Das Reflektorelement ist platzsparend an einem Segment der Außenwand des Gehäuses angeordnet, in welchem die Komponenten des Ultraschallsensors untergebracht sind.
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Durch diese Fokussierung wird die Nachweissicherheit des Ultraschallsensors erhöht, wobei vorteilhaft die zu erfassenden Objektkanten im Bereich des Fokus der Ultraschallwellen liegen.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Schallwandler sowohl im Sendebetrieb als auch im Empfangsbetrieb betrieben werden kann, so dass keine separaten Sender und Empfänger benötigt werden, was den konstruktiven Aufwand des Ultraschallsensor erheblich reduziert. Dabei ist besonders vorteilhaft, dass im Gegensatz zu Ultraschallsensoren, die die Schwächung von Ultraschallwellen beim Durchgang durch Objekte messen, die Sensorkomponenten nicht beidseits des Objekts angeordnet sein müssen sondern vielmehr auf einer Seite des Objekts angeordnet sein können.
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Durch die mit dem erfindungsgemäßen Ultraschallsensor durchgeführten Reflexionsmessungen können Kanten von Objekten mit einer hohen Nachweissicherheit erfasst werden. Insbesondere auch dünne Objekte oder Objektschichten, die Ultraschallwellen nur schwach dämpfen und so in Transmissionsmessungen nicht oder nur unzureichend detektierbar sind, können mit dem erfindungsgemäßen Ultraschallsensor zuverlässig detektiert werden.
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Besonders vorteilhaft ist hierzu der Ultraschallsensor so ausgerichtet, dass die vom Schallwandler emittierten Ultraschallwellen, die auf Kanten der Objekte treffen, zum Schallwandler zurückreflektiert werden, während Ultraschallwellen die vollständig auf die Oberfläche des Objekts treffen, wegreflektiert werden und nicht zurück zum Schallwandler gelangen.
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Mit dem erfindungsgemäßen Ultraschallsensor können somit selektiv Kanten von Objekten erfasst werden, wobei diese im wesentlichen unabhängig vom Transmissionsgrad der Objekte mit einer hohen Nachweissicherheit detektiert werden können.
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Die mit dem Ultraschallsensor durchgeführte Objektdetektion erfolgt vorteilhaft nach dem Impuls-Echo-Verfahren. Hierzu wird der Schallwandler in einer periodischen Taktfolge alternierend im Sendebetrieb und im Empfangsbetrieb betrieben. Im Sendebetrieb sendet der Schallwandler einen Impuls oder eine Folge von Impulsen von Ultraschallwellen aus, die dann im nachfolgenden Empfangsbetrieb vom Schallwandler erfasst werden. Besonders vorteilhaft wird die Dauer des Empfangsbetriebs in einem Einlernvorgang applikationsperiodisch definiert und festgelegt, so dass gewährleistet ist, dass innerhalb des Empfangsbetriebs sämtliche im Sendebetrieb emittierten und von einer Objektkante rückreflektierten Ultraschallwellen innerhalb des Empfangsbetriebs erfasst werden können.
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Der erfindungsgemäße Ultraschallsensor kann zur Detektion von Objektkanten unterschiedlichster Objekte eingesetzt werden.
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Besonders vorteilhaft wird der Ultraschallsensor zur Detektion von Etiketten auf Trägermaterial eingesetzt. Da mit dem Ultraschallsensor die Kanten der Etiketten unabhängig von deren Transmissionsgrad sicher erfasst werden können, ist eine sichere Etikettendetektion auch für den Fall gewährleistet, dass die Etiketten und/oder das Trägermaterial die Ultraschallwellen nur wenig abschwächen.
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Weiterhin kann der Ultraschallsensor auch vorteilhaft zur Detektion von schuppenförmig aufeinander liegenden Bögen, insbesondere Papierbögen eingesetzt werden. Da mit dem Ultraschallsensor keine Transmissionsmessung sondern eine Kantendetektion durchgeführt wird, können mit diesem auch mehrere übereinander liegende Bögen sicher erkannt werden.
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Die Erfindung wird im Nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen
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1: Erstes Ausführungsbeispiel eines Ultraschallsensors bei der Detektion von Etiketten auf einem Trägermaterial
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2: Ultraschallsensor gemäß 1 mit geänderter Ausrichtung
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3: Ultraschallsensor gemäß 1 mit vorgeordneten Leitelementen
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4: Zweites Ausführungsbeispiel eines Ultraschallsensors bei der Detektion von Etiketten auf einem Trägermaterial
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5: Ultraschallsensor gemäß 1 bei der Detektion von schuppenförmig aufeinander liegenden Papierbögen.
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1 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Ultraschallsensors 1. Der Ultraschallsensor 1 weist einen Schallwandler 2 und eine Auswerteeinheit 3 auf, die in einem gemeinsamen Gehäuse 4 integriert wird.
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Der Schallwandler 2 kann wahlweise in einem Sendebetrieb, in welchem dieser Ultraschallwellen 5 emittiert, und in einem Empfangsbetrieb, in welchem dieser Ultraschallwellen 5 empfängt, betrieben werden. Die Auswerteeinheit 3, die insbesondere von einem Mikroprozessor gebildet sein kann, dient zur Auswertung der Ausgangssignale des Schallwandlers 2 sowie zu dessen Ansteuerung.
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Die mit dem Ultraschallsensor 1 durchgeführte Objektdetektion erfolgt nach dem Impuls-Echo-Verfahren. Hierzu wird der Schallwandler 2 in einer periodischen Taktfolge alternierend im Sendebetrieb und im Empfangsbetrieb betrieben. Innerhalb eines Sendebetriebs emittiert der Schallwandler 2 einen oder mehrere Impulse von Ultraschallwellen 5. Die von einem Objekt rückreflektierten Impulse werden dann im jeweils darauf folgenden Empfangsbetrieb vom Schallwandler 2 erfasst und in der Auswerteeinheit 3 zur Generierung eines Objektfeststellungssignals ausgewertet. Das Objektfeststellungssignal wird über einen Anschlussstecker 6 ausgegeben, welcher auch zum Anschluss an eine Spannungsversorgung dient. Damit die während eines Sendebetriebs emittierten Impulse nach Reflexion an einem Objekt im darauf folgenden Empfangsbetrieb auf den Schallwandler 2 treffen, wird die Länge des Empfangsbetriebs unter Betriebsbedingungen, das heißt bei Detektion des Objekts in einem Einlernvorgang applikationsspezifisch vorgegeben. Die Auslösung des Einlernvorgangs erfolgt mittels einer an der Oberseite des Gehäuses 4 angeordneten Teach-Taste 7.
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Bei dem in 1 dargestellten Fall werden mit dem Ultraschallsensor 1 als Objekte auf einem Trägermaterial 8 angeordnete Etiketten 9 detektiert. Das Trägermaterial 8 mit den Etiketten 9 wird in einer Ebene E in einer Förderrichtung F mit einer vorzugsweise konstanten Geschwindigkeit transportiert.
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Bei dem in 1 dargestellten Fall sind die Vorderkanten V und Hinterkanten H der Etiketten 9 senkrecht zur Förderrichtung F und die seitlichen Kanten parallel zu dieser orientiert, das heißt die Etiketten 9 weisen rechteckige Konturen auf. Die Etiketten 9 sind identisch ausgebildet und in Förderrichtung F hintereinander auf dem Trägermaterial 8 aufgebracht.
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Wie aus 1 ersichtlich ist der Ultraschallsensor 1 oberhalb der Ebene E stationär so montiert, dass die Längsachse L des Gehäuses 4 des Ultraschallsensor 1 parallel zur Förderrichtung F des Trägermaterials 8 orientiert ist. Der Schallwandler 2 ist so im Gehäuse 4 montiert, dass dessen Stahlachse S in einem Neigungswinkel zur Längsachse L des Gehäuses 4 verläuft. Die Frontseite des Schallwandlers 2 liegt in einer schräg verlaufenden Bohrung in einer Aussparung an der Unterseite des Gehäuses 4. Durch diesen geneigten Einbau des Schallwandlers 2 im Gehäuse 4 werden die Ultraschallwellen 5 in einem entsprechenden Neigungswinkel zur Ebene E emittiert und treffen somit schräg einfallend auf das Trägermaterial 8 und die Etiketten 9.
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Der Neigungswinkel der Strahlachse S des Schallwandlers 2 ist so gewählt, dass die von diesem emittierten Ultraschallwellen 5 bei Auftreffen auf eine Vorderkante V einer Etikette 9 reflektiert werden und entlang der Strahlachse S zurück zum Schallwandler 2 geführt und dort erfasst werden. Diese Rückreflexion beruht auf der lokalen Erhöhung, welche die Vorderkante V der Etikette 9 relativ zum Trägermaterial 8 darstellt. Treffen die Ultraschallwellen 5 dagegen vollständig auf die ebene Oberfläche des Trägermaterials 8 oder einer Etikette 9, so werden die Ultraschallwellen 5 an dieser in einem dem Einfallwinkel der Ultraschallwellen 5 entsprechenden Ausfallswinkel an der Oberfläche wegreflektiert und gelangen nicht mehr zum Schallwandler 2. Treffen schließlich die Ultraschallwellen 5 auf eine Hinterkante H der Etikette 9, so wird ein Teil der Ultraschallwellen 5 gebeugt, wobei ein Teil der gebeugten Ultraschallwellen 5 zurück zum Schallwandler 2 gelangt.
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Durch eine geeignete Schwellwertbewertung des Ausgangssignals in der Auswerteeinheit 3 können die Vorder- und Hinterkanten V, H der Etiketten 9 sicher erfasst werden. Da die Amplituden der von den Vorderkanten V der Etiketten 9 auf dem Schallwandler 2 rückreflektierten Ultraschallwellen 5 signifikant größer sind als die Amplituden der von den Hinterkanten H der Etiketten 9 auf dem Schallwandler 2 rückreflektierten Ultraschallwellen 5 können durch eine Bewertung des Ausgangssignals des Schallwandlers 2 mit zwei Schwellwerten die Vorderkanten V von den Hinterkanten H der Etiketten 9 unterschieden werden.
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Damit die Ultraschallwellen 5 des Ultraschallsensors 1 von einer Vorderkante V einer Etikette 9 möglichst vollständig auf den Schallwandler 2 rückreflektiert werden, ist es erforderlich, den Ultraschallsensor 1 so auszurichten, dass die Strahlachse S des Schallwandlers 2 senkrecht zu den Vorderkanten V orientiert ist. Diese Bedingung kann im Fall von 1 einfach erfüllt werden, da die Vorderkanten V der rechteckigen Etiketten 9 senkrecht zur Förderrichtung F verlaufen. Da der Ultraschallsensor 1 so angeordnet ist, dass die Längsachse L des Gehäuses 4 parallel zur Förderrichtung F verläuft, ist diese Bedingung automatisch erfüllt.
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Schwieriger ist jedoch die Detektion von nicht rechteckigen Etiketten 9. Ein derartiges Ausführungsbeispiel ist in den 2 und 3 dargestellt. Diese Darstellungen zeigen in einer Draufsicht ein Trägermaterial 8 auf welches rautenförmige Etiketten 9 aufgebracht sind, deren Vorderkanten V um einen Winkel α zur Senkrechten zur Förderrichtung F geneigt sind. Damit die Strahlachse S der Ultraschallwellen 5 nach wie vor senkrecht zu den Vorderkanten V der Etiketten 9 orientiert ist, ist der Ultraschallsensor 1 derart gedreht, dass die Längsachse L des Gehäuses 4 um den Winkel α zur Förderrichtung F gedreht ist.
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Eine derartig schrägstehende Montage des Ultraschallsensors 1 ist jedoch hinsichtlich der Ausbildung der hierfür erforderlichen Befestigungsmittel ungünstig. Um eine schrägstehende Montage des Ultraschallsensors 1 zu vermeiden, können wie in 3 dargestellt an dem Schallwandler 2 anschließend am Gehäuse 4 des Ultraschallsensors 1 Leitelemente 10 in Form von Blechen oder dergleichen vorgesehen sein. Die Leitelemente 10 verlaufen beidseits des Schallwandlers 2, wobei dessen gekrümmte Innenseiten Leitflächen bilden, an welchen die Ultraschallwellen 5 reflektiert werden.
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Wie aus 3 ersichtlich, ist der Ultraschallsensor 1 oberhalb der Ebene E, in welcher das Trägermaterial 8 mit den Etiketten 9 gefördert wird, so montiert, dass die Längsachse L des Gehäuses 4 parallel zur Förderrichtung F verläuft.
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Treffen die Ultraschallwellen 5 wie in 3 dargestellt auf die Vorderkante einer Etikette 9, so werden diese, da die Vorderkante V im Neigungswinkel α zur Senkrechten zur Förderrichtung F geneigt ist, quer zur Förderrichtung F wegreflektiert. Da die so reflektierten Ultraschallwellen 5 jedoch dann auf die Leitelemente 10 treffen, werden die Ultraschallwellen 5 über die Leitflächen zurück zum Schallwandler 2 geführt, so dass die Vorderkante V der Etikette 9 detektiert werden kann.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Ultraschallsensors 1, wobei dieser analog zur Ausführungsform gemäß 1 zur Detektion von Etiketten 9 auf einem Trägermaterial 8, das in einer Ebene E in einer Förderrichtung F gefördert wird, dient.
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In weiterer Übereinstimmung mit der Ausführungsform gemäß 1 weist der Ultraschallsensor 1 wiederum einen Schallwandler 2 und eine Auswerteeinheit 3 auf, die in einem Gehäuse 4 angeordnet sind. An diesem befinden sich wiederum die Teach-Taste 7 und der Anschlussstecker 6.
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Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß 1 erfolgt bei dem Ultraschallsensor 1 gemäß 4 eine Fokussierung der Ultraschallwellen 5 in der Ebene E um damit die Nachweissicherheit bei der Detektion der Vorder- und Hinterkanten V, H der Etiketten 9 zu erhöhen. Zur Fokussierung der Ultraschallwellen 5 ist ein parabolidförmiges Reflektorelement 11 vorgesehen. Das Gehäuse 4 des Ultraschallsensors 1 weist an seiner Unterseite eine Aussparung auf, die von gegenüber liegenden Außenwandsegmenten des Gehäuses 4 begrenzt ist. Im ersten Außenwandsegment liegt die Frontseite des Schallwandlers 2, dessen Strahlachse S parallel zur Längsachse L des Gehäuses 4 verläuft. Im zweiten Außenwandsegment ist das Reflektorelement 11 gelagert. Die vom Schallwandler 2 emittierten Ultraschallwellen 5 verlaufen zunächst parallel zur Längsachse L des Gehäuses 4 und werden dann durch Reflexion am Reflektorelement 11 abgelenkt, so dass sie in einem Neigungswinkel entsprechend der Ausführungsform gemäß 1 auf die Etiketten 9 mit dem Trägermaterial 8 geführt sind. Durch die parabolidförmige Ausbildung des Reflektorelements 11 erfolgt die Fokussierung der Ultraschallwellen 5 in der Ebene E.
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5 zeigt eine weitere Applikation für den Ultraschallsensor 1 gemäß 1. In diesem Fall ist der Ultraschallsensor 1 in einer Ausnehmung eines Maschinentischs 12 einer Druckmaschine oder dergleichen montiert, so dass mit diesem die Unterseiten von schuppenförmig aufeinander liegenden, mittels eines Förderers 13 in einer Förderrichtung F geförderte Papierbögen 14 detektiert werden können.
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Die Ultraschallwellen 5 sind von unten auf die in Förderrichtung F vorderen Kanten der Papierbögen 14 gerichtet. Dabei treffen die Ultraschallwellen 5 analog zur Applikation gemäß 1 in einem vorgegebenen Neigungswinkel auf die Papierbögen 14. Bei dieser Ausführungsform werden mit dem Ultraschallsensor 1 nur die vorderen Kanten der Papierbögen 14 detektiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ultraschallsensor
- 2
- Schallwandler
- 3
- Auswerteeinheit
- 4
- Gehäuse
- 5
- Ultraschallwellen
- 6
- Anschlussstecker
- 7
- Teach-Taste
- 8
- Trägermaterial
- 9
- Etiketten
- 10
- Leitelement
- 11
- Reflektorelement
- 12
- Maschinentisch
- 13
- Förderer
- 14
- Papierbogen
- E
- Ebene
- F
- Förderrichtung
- H
- Hinterkante
- L
- Längsachse
- S
- Strahlachse
- V
- Vorderachse
