DE102010021869A1

DE102010021869A1 - Ultrasonic transducer for ultrasonic sensor in industrial automation field, has sound emitting and/or sound-absorbing surfaces comprising anti-fog coating that contains silicon nanoparticles embedded in polymer film

Info

Publication number: DE102010021869A1
Application number: DE201010021869
Authority: DE
Inventors: Rudolf Thurn
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-05-28
Filing date: 2010-05-28
Publication date: 2011-12-01

Abstract

The transducer (W) has sound emitting and/or sound-absorbing surfaces comprising anti-fog coating (AS) that contains silicon nanoparticles, where the silicon nanoparticles are embedded in a polymer film. An ultrasound reflector (RF) arranged with the transducer comprises a surface for reflecting sound emitted from the transducer, where the surface is coated with the anti-fog coating.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wandler für einen Ultraschallsensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a transducer for an ultrasonic sensor according to the preamble of patent claim 1.

Ultraschallsensoren werden in vielen Bereichen der Technik zur Erkennung von Abständen, Füllständen von Flüssigkeiten etc. verwendet. Insbesondere im Umfeld von industriellen Automatisierungsanordnungen sind Ultraschallsensoren dabei häufig widrigen Umweltbedingungen ausgesetzt, insbesondere hoher Luftfeuchtigkeit und Verschmutzung. Beim Einsatz der Ultraschallsensoren in feuchter Umgebung kommt es dabei häufig zu funktionalen Problemen, wenn die Ultraschallsignale durch an der Oberfläche des Ultraschallwandlers anhaftende Flüssigkeitströpfchen, speziell durch Wassertröpfchen, gestört werden. Dabei kommt es einerseits zu einer Schwächung der Ultraschallsignale beim Durchgang durch die Flüssigkeitströpfchen, wodurch die erzielbare Erfassungsreichweite von zu detektierenden Objekten reduziert wird. Andererseits kann es durch anhaftende Flüssigkeitströpfchen auch zu unerwünschter Streuung der Ultraschallsignale kommen, wodurch sich der Erfassungsbereich der Ultraschallsensoren verbreitern kann, so dass es zu störender Erkennung von seitlichen Objekten außerhalb des erwünschten Erfassungsbereichs kommen kann. Zu Anhaftungen von Flüssigkeitströpfchen kommt es insbesondere häufig, wenn Füllstände von Flüssigkeiten überwacht werden sollen, wobei die schallabstrahlende Oberfläche der Ultraschallwandler meist nach unten gerichtet ist. An dieser nach unten gerichteten, waagerechten Oberfläche der Wandler (Ultraschallwandler) sammeln sich bevorzugt Flüssigkeitströpfchen an.Ultrasonic sensors are used in many areas of technology for the detection of distances, levels of liquids, etc. Especially in the field of industrial automation arrangements, ultrasonic sensors are often exposed to adverse environmental conditions, in particular high humidity and pollution. When using the ultrasonic sensors in a humid environment, functional problems often occur when the ultrasonic signals are disturbed by liquid droplets adhering to the surface of the ultrasonic transducer, especially by water droplets. On the one hand, this leads to a weakening of the ultrasonic signals when passing through the liquid droplets, whereby the achievable detection range of objects to be detected is reduced. On the other hand, adhering liquid droplets can also lead to undesired scattering of the ultrasound signals, as a result of which the detection range of the ultrasound sensors can widen so that disruptive detection of lateral objects outside the desired detection range can occur. Adhesion of liquid droplets is particularly common when levels of liquids to be monitored, the sound-emitting surface of the ultrasonic transducer is usually directed downwards. Preferably, liquid droplets accumulate on this downwardly directed, horizontal surface of the transducers (ultrasonic transducers).

Zur Lösung des Problems werden die Ultraschallwandler bei Füllstandsmessungen häufig so montiert, dass die Ultraschallsignale zunächst in horizontaler Richtung abgestrahlt werden, dann über einen in einem Winkel von 45° nach unten geneigten planaren Reflektor senkrecht nach unten umgelenkt werden. Die Schallabstrahlungsoberfläche des Ultraschallwandlers ist dabei aufgrund der horizontalen Abstrahlung senkrecht ausgerichtet, so dass Flüssigkeitströpfchen an der Wandleroberfläche nach unten abfließen können und dadurch Anhaftungen weitgehend vermieden werden können. Es zeigt sich jedoch, dass zum einen auch bei einer senkrecht ausgerichteten Wandleroberfläche einzelne Flüssigkeitströpfchen haften bleiben. Zum anderen kommt es bei der um 45° geneigten Oberfläche des Reflektors zu Anhaftungen von Flüssigkeitströpfchen, wodurch es zu denselben Funktionsstörungen des Ultraschallsensors beziehungsweise der Anordnung kommen kann, wie bei dem selbst senkrecht nach unten ausgerichteten Ultraschallwandler, der zuvor beschrieben wurde.To solve the problem, the ultrasonic transducers are often mounted in level measurements so that the ultrasonic signals are first radiated in the horizontal direction, then be deflected vertically downwards over a planar reflector inclined at an angle of 45 ° downwards. The sound radiation surface of the ultrasound transducer is oriented vertically due to the horizontal radiation, so that liquid droplets can flow down the transducer surface and thus adhesions can be largely avoided. It turns out, however, that on the one hand even with a vertically oriented transducer surface, individual liquid droplets adhere. On the other hand, in the case of the surface of the reflector which is inclined at 45 °, liquid droplets are liable to adhere, which may lead to the same malfunctions of the ultrasonic sensor or the arrangement as in the case of the vertically downwardly oriented ultrasonic transducer described above.

Eine weitere Idee zur Lösung des Problems besteht darin, die reflektierende Oberfläche des Reflektors zu beheizen, so dass Flüssigkeitströpfchen verdampfen. Dabei ergibt sich jedoch der Nachteil, dass Rückstände auf der Oberfläche des Reflektors verbleiben können, so dass dadurch auf Dauer dessen Funktion eingeschränkt ist. Außerdem muss für die Beheizung Energie aufgewendet werden. Eine alternative Beheizung eines senkrecht ausgerichteten Ultraschallwandlers beziehungsweise von dessen aktiver Oberfläche (Membran) ist dagegen technisch meist überhaupt nicht möglich.Another idea to solve the problem is to heat the reflective surface of the reflector so that liquid droplets evaporate. However, this has the disadvantage that residues can remain on the surface of the reflector, so that thereby its function is limited in the long run. In addition, energy must be used for the heating. An alternative heating of a vertically oriented ultrasonic transducer or its active surface (membrane), however, is technically not possible at all.

Es ist also eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Funktionsfähigkeit von Wandlern für Ultraschallsensoren auch bei widrigen Umweltbedingungen, insbesondere bei hoher Luftfeuchtigkeit, bei Anwesenheit von Aerosolen und dgl., zu verbessern.It is therefore an object of the present invention to improve the functionality of transducers for ultrasonic sensors even in adverse environmental conditions, especially at high humidity, in the presence of aerosols and the like ..

Die Lösung der Aufgabe sieht einen Wandler für einen Ultraschallsensor vor, mit einer Schall abstrahlenden und/oder Schall aufnehmenden Oberfläche, wobei die Oberfläche eine Antibeschlag-Beschichtung aufweist. Ein solcher Wandler kann beliebig ausgerichtet werden und bleibt auch bei widrigen Umweltbedingungen weitgehend frei von anhaftenden Flüssigkeitströpfchen. Dabei hat sich herausgestellt, dass die bislang nur bei durchsichtigen Gläsern (beispielsweise Autoscheinwerfern, Helm-Visieren, Kamera-Objektiven etc.) bekannten Beschichtungen auch für die Beschichtung der Wandler beziehungsweise der aktiven Oberflächen von Ultraschallsensoren geeignet sind. Derartige sog. Antifog-Beschichtungen führen zu einer hohen Oberflächenenergie der beschichteten Oberfläche und damit zu einer hydrophilen Oberflächenstruktur. Durch die daraus resultierende hohe Benetzbarkeit der Oberfläche bildet sich lediglich ein dünner Flüssigkeitsfilm, der sich gleichmäßig über die Oberfläche verteilt und im Idealfall vollständig seitlich abfließt. Der dünne Flüssigkeitsfilm zeigt dabei nicht die beschriebenen negativen Einflüsse auf die Funktion des Wandlers, und die Bildung und die Anhaftung von störenden Flüssigkeitströpfchen wird durch die Beschichtung zuverlässig vermieden. Es kommt also weder zu Signalschwächungen, noch zu störenden Schallsignalstreuungen.The solution of the problem provides a transducer for an ultrasonic sensor, with a sound-emitting and / or sound-absorbing surface, wherein the surface has an anti-fog coating. Such a transducer can be arbitrarily aligned and remains largely free of adhering liquid droplets even in adverse environmental conditions. It has been found that the previously known only in transparent glasses (for example, car headlights, helmet visors, camera lenses, etc.) coatings are also suitable for the coating of the transducer or the active surfaces of ultrasonic sensors. Such so-called anti-fog coatings lead to a high surface energy of the coated surface and thus to a hydrophilic surface structure. Due to the resulting high wettability of the surface, only a thin film of liquid is formed, which is distributed evenly over the surface and, ideally, flows off completely to the side. The thin liquid film does not show the described negative influences on the function of the transducer, and the formation and the adhesion of interfering liquid droplets is reliably prevented by the coating. So it comes neither to signal attenuation, nor to disturbing sound signal scattering.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Wandlers sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.Advantageous embodiments of the converter according to the invention are specified in the dependent claims.

Eine Antibeschlag-Beschichtung ist nur dann für den dauerhaften Einsatz bei Ultraschallsensoren geeignet, wenn sie nicht fortwährend erneuert oder ergänzt werden muss. Vorteilhaft ist die Antibeschlag-Beschichtung deswegen mit Silizium-Nanopartikeln versehen, wodurch eine solche Beschichtung besonders abriebfest beziehungsweise wartungsfrei ausgestaltet wird. Vorteilhaft sind dabei die Silizium-Nanopartikel in einem Polymer-Film eingebettet. Dadurch ergibt sich eine gute Haftung auf den gebräuchlichen Werkstoffen für Membranen beziehungsweise Oberflächen von Wandlern.An anti-fog coating is only suitable for permanent use with ultrasonic sensors, if it does not have to be continuously renewed or supplemented. Advantageously, the anti-fog coating is therefore provided with silicon nanoparticles, whereby such a coating is made particularly resistant to abrasion or maintenance. The advantages are the Silicon nanoparticles embedded in a polymer film. This results in a good adhesion to the usual materials for membranes or surfaces of transducers.

Eine besonders störsichere Anordnung ergibt sich, wenn der Wandler zum zusammenwirken mit einem Ultraschall-Reflektor angeordnet ist, wobei der Ultraschall-Reflektor mit einer zweiten Oberfläche zur Reflektion des von dem Wandler emittierten und/oder von dem Wandler aufzunehmenden Schall ausgerüstet ist, und wobei die zweite Oberfläche ebenfalls mit einer erfindungsgemäßen Antibeschlag-Beschichtung versehen ist.A particularly interference-proof arrangement results when the transducer is arranged to cooperate with an ultrasonic reflector, wherein the ultrasonic reflector is equipped with a second surface for reflecting the emitted from the transducer and / or recorded by the transducer sound, and wherein the second surface is also provided with an anti-fog coating according to the invention.

Ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Wandler wird nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert.An embodiment of a converter according to the invention will be explained below with reference to the drawings.

Dabei zeigen:Showing:

1 einen Wandler gemäß dem Stand der Technik, der über einem Becken mit einer Flüssigkeit angeordnet ist, 1 a converter according to the prior art, which is arranged above a basin with a liquid,

2 einen erfindungsgemäßen Wandler, der über dem Becken mit der Flüssigkeit angeordnet ist, und 2 a transducer according to the invention, which is arranged above the tank with the liquid, and

3 eine alternative Anordnung mit dem erfindungsgemäßen Wandler und einer beschichteten Reflektionsfläche über dem Becken mit der zu erfassenden Flüssigkeit. 3 an alternative arrangement with the transducer according to the invention and a coated reflection surface above the basin with the liquid to be detected.

In der 1 ist ein aus dem Stand der Technik bekannter Wandler W eines Ultraschallsensors gezeigt, welcher über einem Becken mit einer Flüssigkeit FL angeordnet ist. Die Oberfläche des Wandlers W für die Schallabstrahlung und die Schallaufnahme ist dabei waagerecht angeordnet, das heißt, dass die Schall-Abstrahlungsrichtung beziehungsweise Schall-Aufnahmerichtung bezogen auf die 1 senkrecht verläuft. Aufgrund der Umgebungsbedingungen, insbesondere Luftdruck und Lufttemperatur, ist die Umgebung des Wandlers W mit Mikro-Tröpfchen (Aerosol) der Flüssigkeit FL angereichert. Dieses Aerosol kondensiert teilweise an der Oberfläche des Wandlers W und bildet dort Flüssigkeitströpfchen FLT aus, welche die Funktionsweise des Wandlers W beeinträchtigen. Insbesondere kommt es zu Unerwünschter Streuung und Dämpfung des abzustrahlenden beziehungsweise aufzunehmenden Schalls.In the 1 there is shown a prior art transducer W of an ultrasonic sensor positioned above a pool of liquid FL. The surface of the transducer W for the sound radiation and the sound recording is arranged horizontally, that is, that the sound emission direction or sound-receiving direction relative to the 1 runs vertically. Due to the environmental conditions, in particular air pressure and air temperature, the environment of the transducer W is enriched with micro-droplets (aerosol) of the liquid FL. This aerosol partially condenses on the surface of the transducer W and forms there liquid droplets FLT, which impair the functioning of the transducer W. In particular, undesired scattering and attenuation of the sound to be radiated or picked up occur.

In diesem Ausführungsbeispiel ist der Wandler W bidirektional ausgeführt, das heißt, dass dieser wechselweise sowohl Schall (Ultraschall) abstrahlen als auch aufnehmen kann. Alternativ können jedoch auch Wandler W verwendet werden, die nur als Schall abstrahlender oder nur als Schall aufnehmender Wandler W eingesetzt werden.In this embodiment, the transducer W is bidirectional, that is, this alternately both sound (ultrasound) can radiate and record. Alternatively, however, it is also possible to use transducers W which are used only as sound-emitting transducers W or only as sound-absorbing transducers.

In der 2 ist prinzipiell dieselbe Anordnung wie in der 1 zu sehen, wobei identische Bezugszeichen auch identische Objekte bezeichnen. Im Gegensatz zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Wandler W der 1 weist der Wandler W der 2 eine Antibeschlag-Beschichtung AS auf. Die dadurch gegebene Beschichtung führt zu einer hohen Oberflächenenergie der Oberfläche des Wandlers W und damit zu einer hydrophilen Oberflächenstruktur, was dazu führt, dass die in der Umgebungsluft befindlichen Partikel (Aerosol) nicht, wie in der 1, in Form von einzelnen Flüssigkeitströpfchen FLT anhaften, sondern einen relativ gleichmäßigen Flüssigkeits-Film ausbilden, nämlich die Flüssigkeits-Schicht FLS. Da diese gleichmäßig ausgebildet ist, kommt es zu keiner unerwünschten Streuung des Schalls. Dadurch, dass die Flüssigkeits-Schicht FLS vergleichsweise dünn ist, ist auch die dadurch bewirkte Dämpfung des Signals des Wandlers W vernachlässigbar.In the 2 is basically the same arrangement as in the 1 to see, wherein identical reference numerals also designate identical objects. In contrast to the known from the prior art transducer W of 1 has the converter W of 2 an anti-fog coating AS on. The resulting coating leads to a high surface energy of the surface of the transducer W and thus to a hydrophilic surface structure, which means that the particles in the ambient air (aerosol) not, as in the 1 , in the form of individual liquid droplets FLT adhere, but form a relatively uniform liquid film, namely the liquid layer FLS. Since this is uniform, there is no undesirable scattering of the sound. Because the liquid layer FLS is comparatively thin, the attenuation of the signal W of the converter W caused thereby is negligible.

Auch in der 3 ist der erfindungsgemäße Wandler W zu sehen, dessen Oberfläche in diesem Fall jedoch senkrecht angeordnet ist, so dass dessen Schall-Abstrahlungsrichtung bzw. -Aufnahmerichtung bezogen auf die 3 waagerecht verläuft. Der abgestrahlte beziehungsweise aufzunehmende Schall wird durch eine Reflektionsfläche RF in eine senkrechte Richtung umgelenkt, wobei die Reflektionsfläche RF ebenfalls mit einer Antibeschlag-Beschichtung AS versehen ist. Diese kann dieselbe Antibeschlag-Beschichtung AS sein, mit der auch der erfindungsgemäße Wandler W ausgerüstet ist; selbstverständlich können jedoch auch unterschiedliche Beschichtungen, vorzugsweise in Abhängigkeit des jeweils verwendeten Trägermaterials, verwendet werden. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass neben der jeweiligen Wirkung der Antibeschlag-Beschichtung AS auch jeweils ein seitliches Ablaufen von überschüssigen Flüssigkeits-Mengen von der Oberfläche des Wandlers W und von der Reflektionsfläche RF erfolgen kann.Also in the 3 the transducer W according to the invention can be seen, the surface of which is, however, arranged vertically in this case, so that its sound-emitting or -aufnahmerichtung based on the 3 horizontally. The radiated or to be recorded sound is deflected by a reflection surface RF in a vertical direction, wherein the reflection surface RF is also provided with an anti-fog coating AS. This may be the same anti-fog coating AS, with which the transducer W according to the invention is also equipped; Of course, however, it is also possible to use different coatings, preferably as a function of the carrier material used in each case. This arrangement has the advantage that in addition to the respective effect of the anti-fogging coating AS, in each case a lateral draining of excess amounts of liquid from the surface of the transducer W and from the reflection surface RF can take place.

In einer nicht dargestellten alternativen Konstruktion ist der Ultraschallsensor mit einem Gehäuse versehen, welches sowohl den Wandler W als auch die Reflektionsfläche RF umfasst; in diesem Fall kann es ausreichen, nur die Reflektionsfläche RF mit der Antibeschlag-Beschichtung AS auszustatten.In an alternative construction, not shown, the ultrasonic sensor is provided with a housing which comprises both the transducer W and the reflecting surface RF; In this case, it may be sufficient to provide only the reflection surface RF with the anti-fog coating AS.

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, die bislang nur von durchsichtigen Gläsern (Helm-Visiere, Kfz-Scheinwerfer, Kamera-Objektive) bekannten Beschichtungen in Nanotechnologie für die Wandler W von Ultraschallsensoren zu verwenden, weil sich daraus eine sehr dauerhafte und abriebfeste Beschichtung ergibt, welche die elektroakustischen Eigenschaften des Wandlers W nicht beeinflusst.It has proven to be expedient to use the nanotechnology coatings known hitherto only transparent glasses (helmet visors, motor vehicle headlights, camera lenses) for the transducers W of ultrasound sensors, because this results in a very durable and abrasion-resistant coating, which does not affect the electroacoustic properties of the transducer W.

Claims

Converter (W) for an ultrasonic sensor, with a sound-emitting and / or sound-absorbing surface, characterized in that the surface has an anti-fog coating (AS).

Converter (W) according to claim 1, characterized in that the anti-fogging coating (AS) comprises silicon nanoparticles.

Converter (W) according to claim 2, characterized in that the silicon nanoparticles are embedded in a polymer film.

Converter (W) according to one of the preceding claims, characterized, the transducer (W) is arranged to cooperate with an ultrasonic reflector (RF), the ultrasonic reflector (RF) having a second surface for reflecting the sound emitted by the transducer (W) and / or the sound to be picked up by the transducer, and wherein the second surface is also provided with an anti-fog coating (AS).