DE202011002054U1

DE202011002054U1 - Ultraschall-Kantensensor

Info

Publication number: DE202011002054U1
Application number: DE202011002054U
Authority: DE
Original assignee: Texmag GmbH Vertriebsgesellschaft
Current assignee: Texmag GmbH Vertriebsgesellschaft
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2011-05-26
Anticipated expiration: 2021-01-29
Also published as: ITRM20120001U1; US8789421B2; US20120192652A1

Abstract

Vorrichtung zum Detektieren einer Kante (11) einer Materialbahn (10) oder der Kantenposition in einer Messrichtung (M), umfassend mindestens einen Ultraschallsensor (1), wobei der Ultraschallsensor (1) ein Senderelement (2) und ein Empfängerelement (3) umfasst, wobei die äußere Kontur mindestens eines des Senderelements (2) und/oder Empfängerelements (3) mindestens eine Bogensegmentseite (6, 7) und mindestens eine abgeflachte Seite (4, 5) umfasst.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Detektieren einer Kante einer Materialbahn oder der Kantenposition in einer Messrichtung, umfassend mindestens einen Ultraschallsensor. Derartige Vorrichtungen werden beispielsweise zum berührungslosen Abtasten von Bahnkanten einer schallundurchlässigen Materialbahn, wie beispielsweise eine Materialbahn aus Papier oder Folie, verwendet. Vorrichtungen mit Ultraschallsensor eignen sich insbesondere für lichtempfindliche oder transparente Materialbahnen, bei denen der Einsatz optischer Sensoren nur bedingt möglich ist.
Hintergrund
Bekannt sind Vorrichtungen zum Detektieren einer Kante einer Materialbahn oder der Kantenposition in einer Messrichtung mit mehreren Ultraschallsensoren, umfassend ein Senderelement und ein Empfängerelement, welche kreisrund ausgebildet sind, wie beispielsweise in der DE 195 00 822 offenbart. Um einen ausreichend großen Messbereich in Messrichtung bereitzustellen, ist bei diesen Vorrichtungen eine größere Anzahl von Ultraschallsensoren und ein größerer Platzbedarf nötig, was auch die Kosten der Vorrichtung erhöht.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Detektieren einer Kante einer Materialbahn oder der Kantenposition in einer Messrichtung. Die Vorrichtung umfasst mindestens einen Ultraschallsensor, wobei der Ultraschallsensor ein Senderelement und ein Empfängerelement umfasst.
Erfindungsgemäß umfasst die äußere Kontur mindestens eines des Senderelements und/oder Empfängerelements mindestens eine Bogensegmentseite und mindestens eine abgeflachte Seite. Diese Konfiguration ermöglicht eine optimale Anordnung des Senderelements und/oder Empfängerelements bzw. der Senderelemente und/oder Empfängerelemente. Es kann so auch mit einer kleinen Anzahl von Ultraschallsensoren ein ausreichend großer Messbereich in Messrichtung bereitgestellt werden. Somit wird der Platzbedarf verringert, d. h. die Vorrichtung ist kompakter, und auch die Kosten der Vorrichtung werden geringer.
Unter äußere Kontur kann hier die äußere Form bzw. der Umriss des Elements, insbesondere bei einer Draufsicht auf das Element, verstanden werden.
Ausführungsformen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen.
Die Vorrichtung kann zum berührungslosen Abtasten einer Materialbahnkante verwendet werden. Das mindestens eine Senderelement kann geeignet sein, Ultraschallimpulse zu senden. Das mindestens eine Empfängerelement kann geeignet sein, Ultraschallimpulse zu empfangen. Der Ultraschallsensor kann geeignet sein, die Kante oder Kantenposition in Messrichtung einer zwischen dem Senderelement und dem Empfängerelement verlaufenden Materialbahn zu detektieren. Jedem Ultraschallsensor kann ein Messfeld zugeordnet sein, in dem der Ultraschallsensor die Kante oder Kantenposition detektieren kann. Das Messfeld kann ellipsenförmig bzw. oval sein. Die Messrichtung kann ungefähr senkrecht zur Kante der Materialbahn verlaufen. Unter ungefähr senkrecht ist hier und im Folgenden ein Winkel von ungefähr 90° bzw. 90° ± 10° bzw. 90° ± 5° zu verstehen, sowie unter ungefähr parallel ein Winkel von 0° bzw. 0° ± 10° bzw. 0° ± 5° zu verstehen ist.
Die Vorrichtung kann mindestens zwei Ultraschallsensoren umfassen, insbesondere drei Ultraschallsensoren. Die mindestens zwei Ultraschallsensoren können derart angeordnet sein, dass die Messfelder in Messrichtung direkt aneinander grenzen oder überlappen. Die Messfelder können in Messrichtung zusammen einen Messbereich bilden, in dem eine Detektion der Kante oder Kantenposition möglich ist.
Die Vorrichtung kann einen ersten Ultraschallsensor und einen zweiten Ultraschallsensor umfassen. Die äußere Kontur des Senderelements und/oder Empfängerelements des ersten Ultraschallsensors und des Senderelements und/oder Empfängerelements des zweiten Ultraschallsensors kann mindestens eine Bogensegmentseite und mindestens eine abgeflachte Seite umfassen. Die abgeflachte Seite des Senderelements und/oder Empfängerelements des ersten Ultraschallsensors und die abgeflachte Seite des zweiten Ultraschallsensors können zumindest teilweise parallel in einem Abstand gegenüberliegen.
Die Vorrichtung kann weiterhin ein Gehäuse umfassen. Das Gehäuse kann U-förmig sein. Das Gehäuse kann aber auch jede andere geeignete Form aufweisen, beispielsweise rechteckig sein. Es kann weiterhin ein elektrischer Anschluss an dem Gehäuse angeordnet sein.
Das Gehäuse kann mindestens einen ersten Arm und einen zweiten Arm umfassen. Das mindestens eine Senderelement kann in dem ersten Arm und das mindestens eine Empfängerelement in dem zweiten Arm angeordnet sein. Der Ultraschallsensor kann derart ausgestaltet sein, dass sich das Senderelement und das Empfängerelement jeweils entsprechend einander gegenüber liegen. Das Senderelement und das Empfängerelement können derart entsprechend gegenüberliegend angeordnet sein, dass jeweils das Messfeld des entsprechenden Ultraschallsensors dazwischen gebildet wird.
Das Senderelement und das Empfängerelement können als zwei separate Elemente ausgebildet sein. Das Senderelement und das Empfängerelement können aber auch in einem Sender-/Empfängerelement integriert sein. Im letzteren Fall fungiert das Sender-/Empfängerelement sowohl als Sender als auch als Empfänger. Es kann, in einem Abstand zu dem Sender-/Empfängerelement, ein Reflektor angeordnet sein. Der Reflektor kann geeignet sein, die von dem Sender-/Empfängerelement ausgesendeten Ultraschallimpulse in Richtung des Sender-/Empfängerelements hin zurück zu reflektieren.
Die Vorrichtung kann einen Sender umfassen, der das Senderelement bzw. die Senderelemente umfasst. Die Vorrichtung kann einen Empfänger umfassen, der das Empfängerelement bzw. die Empfängerelemente umfasst. Die Anzahl der Senderelemente und der Empfängerelemente kann gleich sein. Im Fall eines Sender-/Empfängerelements kann die Vorrichtung einen Sender/Empfänger umfassen, der das Sender-/Empfängerelement bzw. die Sender-/Empfängerelemente umfasst.
Die mindestens eine abgeflachte Seite kann ungefähr parallel zur Messrichtung angeordnet sein. Anders ausgedrückt, wenn die Messrichtung ungefähr senkrecht zur Kante verläuft, kann die mindestens eine abgeflachte Seite ungefähr senkrecht zur Kante der Materialbahn angeordnet sein. Dies gewährleistet, dass das Messfeld bzw. die aktive Fläche in Messrichtung beibehalten wird, beispielsweise so wie bei einem kreisrunden Element ohne abgeflachte Seite.
Die mindestens eine abgeflachte Seite kann aber auch ungefähr senkrecht zur Messrichtung angeordnet sein. Hierdurch kann jedoch das Messfeld bzw. die aktive Fläche in Messrichtung verkleinert werden, im Vergleich zu einem kreisrunden Element ohne abgeflachte Seite. Die mindestens eine abgeflachte Seite kann auch in einem anderen beliebigen Winkel zur Messrichtung angeordnet sein.
Die äußere Kontur des mindestens einen Senderelements und/oder Empfängerelements kann mindestens zwei Bogensegmentseiten und mindestens zwei abgeflachte Seiten umfassen. Die mindestens zwei abgeflachten Seiten können ungefähr parallel zueinander verlaufen. Dies ermöglicht einen noch geringeren Platzbedarf.
Die mindestens eine Bogensegmentseite kann rund sein. Die mindestens eine Bogensegmentseite kann kreisförmig oder ellipsenförmig sein. Die mindestens eine abgeflachte Seite kann eine gerade Linien sein. Die mindestens eine abgeflachte Seite kann eine Kreissehne bilden. Die Kreissehne kann einen Winkel zwischen 5° und 85°, insbesondere 25° und 65°, insbesondere 50° bis 55° bilden.
Die äußere Kontur kann rund mit mindestens zwei abgeflachten Seiten sein, die ungefähr parallel zueinander verlaufen.
Das Senderelement und/oder Empfängerelement kann ein piezoelektrisches Element, beispielsweise aus piezokeramischem Material, umfassen. Das piezoelektrische Element kann von einem Schallübertragungsmaterial, beispielsweise Glas-Keramik, umgeben sein bzw. das piezoelektrische Element kann in dem Schallübertragungsmaterial eingebettet sein. Das Schallübertragungsmaterial kann eine Schicht bilden. Das Schallübertragungsmaterial kann geeignet sein, Ultraschallimpulse an die Luft zu übertragen bzw. anzukoppeln. Die äußere Kontur des Schallübertragungsmaterials kann mindestens eine Bogensegmentseite und mindestens eine abgeflachte Seite umfassen. Die abgeflachte Seite kann derart angeordnet sein, dass sie einen ausreichenden Abstand zu dem piezoelektrischen Element aufweist. Somit wird eine ausreichende Menge bzw. Schicht an Schallübertragungsmaterial gewährleistet.
Der Sender und/oder der Empfänger kann einen Träger, beispielsweise in Form einer Platte, umfassen. Die Senderelemente und/oder Empfängerelemente können auf dem Träger angeordnet bzw. in diesen integriert sein. Die Senderelemente und/oder Empfängerelemente können in Bezug auf die Oberfläche des Trägers hervorstehen oder mit der Oberfläche des Trägers abschließen.
Der Träger kann zum Schallentkoppeln der Senderelemente und/oder Empfängerelemente geeignet sein. Der Träger kann aus einem Schallentkopplungsmaterial sein, beispielsweise eine Vergussmasse, beispielsweise Polyurethan oder ein anderes geeignetes Material. Der Träger kann rund sein, rechteckig sein, oder eine andere geeignete Form aufweisen.
Der Ultraschallsensor kann nach dem Prinzip der Schall-Spannungswandlung arbeiten. Das Senderelement erzeugt dann Ultraschallimpulse, die von der Luft auf das Empfängerelement übertragen werden. Je nachdem, wie weit die Materialbahn das Empfängerelement abdeckt, trifft mehr oder weniger Schallenergie auf das Empfängerelement. Dort kann die Schallenergie in ein Signal umgewandelt werden. Das Signal kann weiterverarbeitet werden.
Die Vorrichtung kann weiterhin eine Steuerung umfassen. Die Steuerung kann geeignet sein, das Senderelement und Empfängerelement jeweils nur eines Ultraschallsensors zu aktivieren. Das Signal bzw. weiterverarbeitete Signal kann an die Steuerung gesendet werden. Die Steuerung kann geeignet sein, zwischen den Ultraschallsensoren umzuschalten, abhängig von der Kantenposition bzw. abhängig davon, in welchem Messfeld sich die Materialbahnkante gerade befindet.
Die Vorrichtung kann beispielsweise in einem System zum Regeln der Position der Materialbahnkante verwendet werden.
Die Materialbahn kann aus schallundurchlässigem Material sein, wie beispielsweise Papier oder Folie. Die Materialbahn kann aus lichtempfindlichem oder transparentem Material sein.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum Detektieren der Kante einer Materialbahn oder der Kantenposition;
2 zeigt eine weitere perspektivische Ansicht der Vorrichtung der 1;
3 zeigt eine Seitenansicht der Vorrichtung der 1 und 2;
4 zeigt eine Draufsicht auf einen Sender einer Vorrichtung zum Detektieren der Kante einer Materialbahn oder der Kantenposition;
5 zeigt eine Seitenansicht des Senders der 4;
6 zeigt eine Draufsicht auf einen Empfänger einer Vorrichtung zum Detektieren der Kante einer Materialbahn oder der Kantenposition;
7 zeigt den Empfänger der 6 und eine Materialbahn;
8 zeigt eine Draufsicht auf einen Sender und/oder Empfänger, wobei die abgeflachten Seiten parallel zur Messrichtung angeordnet sind;
9 zeigt eine Draufsicht auf einen Sender und/oder Empfänger, wobei die abgeflachten Seiten senkrecht zur Messrichtung angeordnet sind;
10 zeigt ein Messdiagramm eines Ultraschallsensors in drei verschiedenen Arten;
11 zeigt eine Draufsicht auf einen Sender einer Vorrichtung zum Detektieren der Kante einer Materialbahn oder der Kantenposition;
12 zeigt eine Draufsicht auf einen Empfänger einer Vorrichtung zum Detektieren der Kante einer Materialbahn oder der Kantenposition.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum Detektieren der Kante einer Materialbahn, oder der Kantenposition in einer Messrichtung. 2 zeigt die Vorrichtung der 1, zusätzlich mit gestrichelt gezeichnetem Sender 20. Die in 1 und 2 gezeigte Vorrichtung umfasst drei Ultraschallsensoren 1, 1', 1'', die jeweils ein Senderelement 2, 2', 2'' und ein Empfängerelement 3, 3', 3'' umfassen. Die Senderelemente 2, 2', 2'' sind jeweils geeignet, Ultraschallimpulse zu senden. Die Empfängerelemente 3, 3', 3'' sind jeweils geeignet, Ultraschallimpulse zu empfangen. Die Vorrichtung umfasst einen Sender 20, der die drei Senderelemente 2, 2', 2'' umfasst. Die Vorrichtung umfasst des Weiteren einen Empfänger 30, der die drei Empfängerelemente 3, 3', 3'' umfasst. Die Anzahl der Senderelemente und der Empfängerelemente in der 1 und 2 ist daher gleich. Im Folgenden ist eine Beschreibung in Bezug auf ein Senderelement analog auch in Bezug auf ein entsprechendes Empfängerelement zu verstehen, und umgekehrt.
Die in dieser Beschreibung offenbarte Vorrichtung kann beispielsweise in einem System zum Regeln der Position der Materialbahnkante verwendet werden. Die Vorrichtung ist zum berührungslosen Abtasten der Materialbahnkante geeignet. Die Materialbahn kann aus schallundurchlässigem Material sein, wie beispielsweise Papier oder Folie. Die Materialbahn kann aus lichtempfindlichem oder transparentem Material sein.
3 zeigt eine Seitenansicht der Vorrichtung der 1 und 2. Die Vorrichtung umfasst ein Gehäuse 40. Es ist weiterhin ein elektrischer Anschluss 44 an dem Gehäuse 40 angeordnet. Das Gehäuse ist in 1 bis 3 U-förmig ausgebildet. Das Gehäuse kann aber auch jede andere geeignete Form aufweisen, beispielsweise rechteckig sein.
Das Gehäuse der 1 bis 3 umfasst einen ersten Arm 42 und einen zweiten Arm 43. Die Senderelemente 2, 2', 2'' sind in dem ersten Arm 42 und die Empfängerelemente 3, 3', 3'' in dem zweiten Arm 43 angeordnet. Alternativ können auch die Senderelemente 2, 2', 2'' in dem zweiten Arm 43 und die Empfängerelemente 3, 3', 3'' in dem ersten Arm angeordnet sein. Jeder der Ultraschallsensoren 1, 1', 1'' ist derart ausgestaltet, dass sich das Senderelement 2, 2', 2'' und das Empfängerelement 3, 3', 3'' jeweils einander entsprechend gegenüber liegen (d. h. Senderelement 2 liegt Empfängerelement 3 entsprechend gegenüber, Senderelement 2' liegt Empfängerelement 3' entsprechend gegenüber usw.). Die Senderelemente und Empfängerelemente sind derart entsprechend gegenüberliegend angeordnet, dass jeweils ein Messfeld F, F', F'' des entsprechenden Ultraschallsensors 1, 1', 1'' dazwischen gebildet wird.
Alternativ zu der in 1 bis 3 gezeigten Anordnung, in der das Senderelement 2 und das Empfängerelement 3 als zwei separate Elemente ausgebildet sind, kann das Senderelement und das Empfängerelement aber auch in einem Sender-/Empfängerelement integriert sein. Die Vorrichtung umfasst dann einen Sender/Empfänger, der das Sender-/Empfängerelement bzw. die Sender-/Empfängerelemente umfasst. Das Sender-/Empfängerelement fungiert also sowohl als Sender als auch als Empfänger. Es kann dann, in einem Abstand zu dem Sender-/Empfängerelement, ein Reflektor angeordnet sein. Der Reflektor kann geeignet sein, die von dem Sender-/Empfängerelement ausgesendeten Ultraschallimpulse in Richtung des Sender-/Empfängerelements hin zurück zu reflektieren.
4 zeigt eine Draufsicht auf einen Sender einer Vorrichtung zum Detektieren der Kante einer Materialbahn, oder der Kantenposition, und 5 zeigt eine Seitenansicht des Senders der 4. Wie in 4 zu sehen ist, umfasst die äußere Kontur (hier beispielsweise Umriss des Elements bei einer Draufsicht auf das Element) des Senderelements 2, 2', 2'' zwei Bogensegmentseiten 6, 7; 6', 7'; 6'', 7'' und zwei abgeflachte Seite 4, 5; 4', 5'; 4'', 5''.
6 zeigt eine Draufsicht auf einen Empfänger einer Vorrichtung zum Detektieren der Kante einer Materialbahn oder der Kantenposition. Die Empfängerelemente 3, 3', 3'' des Empfängers der 6 können den Senderelementen 2, 2', 2'' des Senders der 4 entsprechend gegenüberliegend angeordnet sein, wie beispielsweise in den 1 bis 3 zu sehen ist. Wie aus 6 ersichtlich, umfasst auch die äußere Kontur des Empfängerelements 3, 3', 3'' zwei Bogensegmentseiten 6, 7; 6', 7'; 6'', 7'' und zwei abgeflachten Seiten 4, 5; 4', 5'; 4'', 5''. Alternativ können auch nur die Senderelemente oder die Empfängerelemente eine äußere Form haben, die mindestens eine Bogensegmentseite und mindestens eine abgeflachte Seite umfasst. Weiterhin können nur einige, nicht alle, der Senderelemente und/oder Empfängerelemente eine äußere Form haben, die mindestens eine Bogensegmentseite und mindestens eine abgeflachte Seite umfasst.
Diese Konfiguration, mit Bogensegmentseite und abgeflachter Seite, ermöglicht eine optimale Anordnung der Senderelemente und Empfängerelemente. Es kann so auch mit einer kleinen Anzahl von Ultraschallsensoren, beispielsweise wie in 1 bis 6 dargestellt, drei Ultraschallsensoren, ein ausreichend großen Messbereich in Messrichtung bereitgestellt werden. Somit wird der Platzbedarf verringert, d. h. die Vorrichtung ist kompakter, und auch die Kosten der Vorrichtung werden geringer.
In 1 bis 6 verlaufen die zwei abgeflachten Seiten 4, 5; 4', 5'; 4'', 5'' jeweils ungefähr parallel zueinander (unter ungefähr parallel ist in dieser Beschreibung ein Winkel von 0° bzw. 0° ± 10° bzw. 0° ± 5° gemeint). Dies ermöglicht einen noch geringeren Platzbedarf.
Die Bogensegmentseiten 6, 7; 6', 7'; 6'', 7'' sind rund bzw. kreisförmig. Sie könnten jedoch beispielsweise auch ellipsenförmig sein. Die abgeflachten Seiten 4, 5; 4', 5'; 4'', 5'' sind jeweils gerade Linien. Die abgeflachte Seiten 4, 5; 4', 5'; 4'', 5'' bilden jeweils eine Kreissehne. Die äußere Kontur ist daher rund bzw. kreisförmig mit zwei abgeflachten Seiten 4, 5; 4', 5'; 4'', 5'', die ungefähr parallel zueinander verlaufen.
In Bezug auf 1 bis 6 umfasst die Vorrichtung einen ersten Ultraschallsensor 1', einen zweiten Ultraschallsensor 1'', und einen dritten Ultraschallsensor 1. Wie bei dem Sender der 4 zu sehen ist (analoges gilt für den Empfänger der 6), umfasst die äußere Kontur des Senderelements 2' des ersten Ultraschallsensors 1', des Senderelements 2'' des zweiten Ultraschallsensors 1'' und des Senderelements 2 des dritten Ultraschallsensors 1 jeweils zwei Bogensegmentseiten 6', 7'; 6'', 7''; 6, 7 und zwei abgeflachte Seiten 4', 5'; 4'', 5''; 4, 5. Eine der abgeflachten Seiten 4', 5' des Senderelements 2' des ersten Ultraschallsensors 1' und eine der abgeflachten Seiten 4'', 5'' des zweiten Ultraschallsensors 1'' liegen zumindest teilweise parallel in einem Abstand d₁ gegenüber. Eine der Bogensegmentseiten 6', 7' des ersten Senderelements 2' und eine der Bogensegmentseiten 6, 7 des dritten Senderelements 2 liegen sich in einem Abstand d₂ gegenüber
Die Senderelemente 2, 2', 2'' der 4 (analoges gilt für das Empfängerelement der 6) umfassen jeweils ein (kreisrundes) piezoelektrisches Element 8, 8', 8'' (mit Durchmesser D_P), beispielsweise aus piezokeramischem Material. Das piezoelektrische Element 8, 8', 8'' ist von einem Schallübertragungsmaterial 9, beispielsweise Glas-Keramik, umgeben bzw. darin eingebettet. Daher ist das piezoelektrische Element 8, 8', 8'' in 4 mit gestrichelter Linie dargestellt. Das Schallübertragungsmaterial 9 bildet eine Schicht über dem piezoelektrischen Element 8, 8', 8''. Das Schallübertragungsmaterial 9 ist geeignet, Ultraschallimpulse an die Luft zu übertragen bzw. anzukoppeln.
Wie in 4 zu sehen ist, umfasst die äußere Kontur des Schallübertragungsmaterials 9 die Bogensegmentseiten 6, 7 und die abgeflachten Seiten 4, 5. Die abgeflachten Seiten 4, 5 sind derart angeordnet, dass sie jeweils einen ausreichenden Abstand zu dem piezoelektrischen Element 8, 8', 8'' aufweisen. Somit wird eine ausreichende Menge bzw. Schicht an Schallübertragungsmaterial 9 gewährleistet. Die Dicke des Schallübertragungsmaterials 9, in dem das piezoelektrische Element 8, 8', 8'' eingebettet ist, ist in 5 mit h₁ bezeichnet.
Wie weiterhin in 4 und 5 zu sehen, umfasst der Sender 20 einen Träger 50, hier in Form einer Platte. Die Dicke des Trägers 50 ist in 5 mit h₂ bezeichnet. Ebenso umfasst der Empfänger 30 (6) einen Träger 60, hier in Form einer Platte. Die Senderelemente 2, 2', 2'' bzw. die Empfängerelemente 3, 3', 3'' sind auf dem Träger 50 bzw. Träger 60 angeordnet bzw. in diesen integriert. Die Senderelemente 2, 2', 2'' bzw. die Empfängerelemente 3, 3', 3'' stehen in Bezug auf die Oberfläche des Trägers 50 bzw. Trägers 60 hervor. Alternativ können sie aber auch mit der Oberfläche des Trägers abschließen.
Der Träger 50 bzw. Träger 60 ist zum Schallentkoppeln der Senderelemente 2, 2', 2'' bzw. der Empfängerelemente 3, 3', 3'' geeignet. Der Träger 50 bzw. Träger 60 ist aus einem Schallentkopplungsmaterial hergestellt, beispielsweise eine Vergussmasse, beispielsweise Polyurethan oder ein anderes geeignetes Material. Der Träger 50 der 4 bzw. Träger 60 der 6 ist rund bzw. kreisförmig. Alternativ kann der Träger aber auch rechteckig sein oder eine andere geeignete Form aufweisen.
In 4 bezeichnet D₁ den Durchmesser des Senderelements 2, 2', 2''. L_F kennzeichnet die Abmessung des Messfeldes F, F', F'' des Senderelements 2, 2', 2''. Das Messfeld F ist in 4 ellipsenförmig bzw. oval dargestellt. Die Abmessung L_F ist hier die längste Linie zwischen zwei Punkten des ellipsenförmigen bzw. ovalen Messfeldes F, F', F''. Im Vergleich zu einem kreisrunden Senderelement ohne abgeflachte Seite, das ein kreisrundes Messfeld aufweisen würde, wird hier also durch Vorsehen der abgeflachten Seite bzw. der abgeflachten Seiten 4, 5 die Menge bzw. Schicht an Schallübertragungsmaterial 9 an der jeweiligen abgeflachten Seite 4, 5 verkleinert. Dadurch wird auch die Gesamtfläche des Messfeldes F, F', F'' an der der abgeflachten Seite entsprechenden Seite des Messfeldes verkleinert bzw. abgeflacht, und das Messfeld ist daher ellipsenförmig bzw. oval.
Des Weiteren steht in 4 D_P für den Durchmesser des piezoelektrischen Elements 8, 8', 8''. Z₁ bezeichnet den Durchmesser des Sensors bzw. des Trägers 50 ohne Fase und Z₂ steht für den Gesamtdurchmesser des Senders bzw. des Trägers 50 (mit Fase). Der Abstand 1 ist der Abstand zwischen den zwei abgeflachten Seiten eines Elements. L_M kennzeichnet den Messbereich (Gesamtmessbereich) der Vorrichtung in Messrichtung M.
Die drei Ultraschallsensoren 1, 1', 1'' der 1 bis 6 sind derart angeordnet, dass die Messfelder F, F', F'' in Messrichtung M direkt aneinander grenzen bzw. überlappen. Die Messfelder F, F', F'' bilden in Messrichtung M zusammen den Messbereich L_M, in dem eine Detektion der Kante oder Kantenposition möglich ist.
7 zeigt den Empfänger der 6 und eine Materialbahn 10, die sich in eine Laufrichtung A bewegen kann. Der Ultraschallsensor 1 ist geeignet, die Kante 11 oder Kantenposition in einer Messrichtung M, der zwischen den Senderelementen 2, 2', 2'' und den Empfängerelementen 3, 3', 3'' (bzw. dem Sender 20 und dem Empfänger 30) verlaufenden Materialbahn 10 zu detektieren. Jedem Ultraschallsensor 1, 1', 1'' ist jeweils ein Messfeld F, F', F'' (in 7 nicht dargestellt) zugeordnet, in dem der Ultraschallsensor 1, 1', 1'' die Kante 11 oder Kantenposition, detektieren kann. Die Messrichtung M verläuft ungefähr senkrecht zur Kante 11 der Materialbahn (unter ungefähr senkrecht ist in dieser Beschreibung ein Winkel von ungefähr 90° bzw. 90° ± 10° bzw. 90° ± 5° zu gemeint).
Bei dem Empfänger der 2, der auch dem in 7 dargestellten Empfänger entspricht, verläuft die Messrichtung M aufgrund des U-förmigen Gehäuses 40 in eine festgelegte Richtung, nämlich in Richtung zu der offenen Seite des U-förmigen Gehäuses 40 hin bzw. entgegengesetzt zu dieser Richtung. Das Gehäuse kann aber auch jede andere geeignete Form aufweisen, beispielsweise rechteckig sein. Wenn beispielsweise zwei getrennte (nicht durch ein Gehäuse miteinander verbundene) Gehäuseteile für Sender und Empfänger verwendet werden, waren mehrere verschiedenen Anordnungen und daher mehrere verschiedene Messrichtungen realisierbar.
Jeder Ultraschallsensor 1, 1', 1'' arbeitet nach dem Prinzip der Schall-Spannungswandlung. Das Senderelement 2, 2', 2'' erzeugt Ultraschallimpulse, die von der Luft auf das entsprechende Empfängerelement 3, 3', 3'' übertragen werden (d. h. Senderelement 2 auf Empfängerelement 3, Senderelement 2' auf Empfängerelement 3' usw.). Je nachdem, wie weit die Materialbahn 10 das jeweilige Empfängerelement 3, 3', 3'' abdeckt, trifft mehr oder weniger Schallenergie auf das jeweilige Empfängerelement 3, 3', 3''. Dort kann die Schallenergie in ein Signal umgewandelt werden. Das Signal kann weiterverarbeitet werden. Es kann eine Detektion des Vorliegen oder Nichtvorliegens der Materialbahnkante 11 erfolgen (Detektieren der Kante) oder es kann eine Detektion bzw. Bestimmung der Position der Kante 11 in Messrichtung erfolgen.
Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Steuerung (nicht dargestellt). Die Steuerung ist geeignet, das Senderelement 2, 2', 2'' und Empfängerelement 3, 3', 3'' jeweils nur eines Ultraschallsensors 1, 1', 1'' zu aktivieren. Das Signal bzw. weiterverarbeitete Signal wird an die Steuerung gesendet. Die Steuerung ist geeignet, zwischen den Ultraschallsensoren 1, 1', 1'' umzuschalten, abhängig von der Kantenposition bzw. abhängig davon, in welchem Messfeld F, F', F'' sich die Materialbahnkante 11 gerade befindet.
Beispielsweise befindet sich in der in 7 gezeigten Darstellung die Materialbahnkante 11 in dem Messfeld F des Ultraschallsensors 1, umfassend Senderelement 2 und Empfängerelement 3. Dementsprechend aktiviert die Steuerung hier nur das Senderelement 2 und das Empfängerelement 3. Würde sich die Materialbahnkante 11 in Messrichtung M in das Messfeld F'' des Ultraschallsensors 1'', umfassend Senderelement 2'' und Empfängerelement 3'', hinein bewegen (in 7 nachoben), so würde die Steuerung von dem Ultraschallsensor 1 auf den Ultraschallsensor 1'' umschalten.
Wie in 7 zu sehen ist, sind die abgeflachten Seiten 4, 5; 4', 5'; 4'', 5'' ungefähr parallel zur Messrichtung M angeordnet. Anders ausgedrückt, da die Messrichtung M ungefähr senkrecht zur Materialbahnkante 11 verläuft, sind die abgeflachten Seiten 4, 5; 4', 5'; 4'', 5'' ungefähr senkrecht zur Kante 11 der Materialbahn 10 angeordnet. Dies gewährleistet, dass das Messfeld bzw. die aktive Fläche in Messrichtung beibehalten wird, beispielsweise so wie bei einem kreisrunden Element ohne abgeflachte Seite. Dies wird im Folgenden mit Bezug auf 8 bis 10 erklärt.
8 zeigt eine Draufsicht auf einen Sender und/oder Empfänger umfassend drei Senderelementen und/oder Empfängerelementen 2, 2', 2''; 3, 3', 3'', wobei die abgeflachten Seiten 4 parallel zur Messrichtung M angeordnet sind. Im Gegensatz zu der Vorrichtung der 1 bis 7 umfasst die äußere Kontur der Senderelemente bzw. Empfängerelemente in 8 nur eine Bogensegmentseite 6 und nur eine abgeflachte Seite 4. Jedem Ultraschallsensor 1, 1', 1'', ist ein Messfeld F, F', F'' zugeordnet, in dem der jeweilige Ultraschallsensor 1, 1', 1'' die Kante oder Kantenposition detektieren kann. Das Messfeld F, F', F'' ist in 8 in einem Teil bzw. einer Hälfte ellipsenförmig (bzw. oval) und in dem anderen Teil bzw. der anderen Hälfte des Messfeldes kreisrund. Hier wird also durch Vorsehen der abgeflachten Seite 4 die Menge bzw. Schicht an Schallübertragungsmaterial 9 an nur der einen abgeflachten Seite 4 verkleinert. Dadurch wird auch die Gesamtfläche des Messfeldes nur an der der abgeflachten Seite 4 entsprechenden Seite des Messfeldes verkleinert bzw. abgeflacht, und daher ellipsenförmig bzw. oval.
Alternativ kann die abgeflachte Seite 4 aber auch ungefähr senkrecht zur Messrichtung M angeordnet sein. 9 zeigt eine Draufsicht auf einen Sender und/oder Empfänger umfassend drei Senderelementen und/oder Empfängerelementen 2, 2', 2''; 3, 3', 3''. Das Senderelement und/oder Empfängerelement 2'; 3' ist kreisrund ausgebildet. Die Senderelement und/oder Empfängerelement 2; 3 und 2'; 3' umfassen jeweils eine abgeflachte Seiten 4, die senkrecht zur Messrichtung M angeordnet ist. Hierdurch wird jedoch das Messfeld bzw. die aktive Fläche in Messrichtung M verkleinert, im Vergleich zu einem kreisrunden Element ohne abgeflachte Seite wie 2'; 3' (oder einem Element mit abgeflachter Seite parallel zur Messrichtung M).
Das Messfeld kann aber auch jede andere Form aufweisen, abhängig von der Bauart des Senderelements und/oder Empfängerelements
10 zeigt ein Messdiagramm eines Ultraschallsensors in drei verschiedenen Arten: rund ohne abgeflachte Seite (gestrichelte Linie), abgeflachte Seite 0° bzw. parallel zur Materialbahnkante (gepunktete Linie), abgeflachte Seite 90° bzw. senkrecht zur Materialbahnkante (durchgezogenen Linie). Der Ultraschallsensor der gestrichelten Linie (rund ohne abgeflachte Seite) entspricht beispielsweise dem Ultraschallsensor 1' der 9. Der Ultraschallsensor der gepunkteten Linie (0° bzw. parallel zur Materialbahnkante 11; oder anders ausgedrückt 90° bzw. senkrecht zur Messrichtung M) entspricht beispielsweise dem Ultraschallsensor 1 und/oder dem Ultraschallsensor 1'' der 9. Der Ultraschallsensor der durchgezogenen Linie (90° bzw. senkrecht zur Materialbahnkante 11; oder anders ausgedrückt 0° bzw. parallel zur Messrichtung M) entspricht beispielsweise einem der Ultraschallsensoren 1, 1', 1'' der 8.
Die y-Achse der 10 kennzeichnet das Ausgangssignal des Empfängers (beispielsweise in Pixel) und die x-Achse gibt die Position der Materialbahnkante an (beispielsweise in mm). Das der Messung der 10 zugrundeliegende Senderelement und/oder Empfängerelement hat beispielsweise einen Durchmesser D₁ von ungefähr 16 mm. Das Senderelement und/oder Empfängerelement kann aber auch jeden andere geeignete Durchmesser aufweisen, je nachdem welcher Messbereich L_M bereitgestellt werden soll. Nur als Beispiels seien Durchmesser von ungefähr 12 mm, 14 mm, 18, mm, 20 mm usw. genannt.
Das Messfeld F des Ultraschallsensors mit den Abmessungen L_F liegt auf der x-Achse zwischen den Punkten, die ungefähr 5% und ungefähr 95% des (maximalen) Ausgangssignals des Empfängers entsprechen. Wie in 10 zu sehen ist, verläuft das Ausgangssignal des Empfängers des Ultraschallsensors mit abgeflachter Seite 90° bzw. senkrecht zur Materialbahnkante (durchgezogenen Linie) ähnlich wie das Ausgangssignal des Empfängers des Ultraschallsensors, der rund ohne abgeflachte Seite ist (gestrichelte Linie). Die Abmessung L_F (längste Linie zwischen zwei Punkten des ellipsenförmigen bzw. ovalen Messfeldes) des Messfeldes der gestrichelten Linie und die Abmessung (Durchmesser) des Messfeldes der durchgezogenen Linie sind in etwa gleich, wie in 10 ersichtlich. Die Konfiguration des Ultraschallsensors mit abgeflachter Seite 90° bzw. senkrecht zur Materialbahnkante (durchgezogenen Linie) gewährleistet demnach, dass das Messfeld bzw. die aktive Fläche in Messrichtung M beibehalten wird. Die verkleinerte Gesamtfläche beeinflusst also nicht die aktive Fläche in Messrichtung M.
Das Ausgangssignals des Empfängers des Ultraschallsensors mit abgeflachter Seite 0° bzw. parallel zur Materialbahnkante (gepunktete Linie) fällt hingegen erst mit größeren x-Werten ab und nähert sich dann den beiden anderen Verlaufen an. Die Abmessung L_F des Messfeldes dieser Konfigurationen in Messrichtung M ist daher kleiner, im Vergleich zu einem kreisrunden Element ohne abgeflachte Seite (gestrichelte Linie) oder einem Element mit abgeflachter Seite parallel zur Messrichtung (durchgezogene Linie). Es wird durch diese Konfiguration also das Messfeld bzw. die aktive Fläche in Messrichtung M verkleinert.
In den 1 bis 9 sind drei Ultraschallsensoren bzw. jeweils drei Senderelemente und/oder Empfängerelemente dargestellt. Es kann aber auch jede andere geeignete Anzahl von Senderelementen und/oder Empfängerelementen vorgesehen sein. Beispielsweise zeigt 11 eine Draufsicht auf einen Sender 20 und 12 zeigt eine Draufsicht auf einen Empfänger 30, wobei der Sender 20 bzw. Empfänger 30 jeweils eine Mehrzahl von Senderelementen 2 bzw. Empfängerelementen 3 umfasst, nämlich mehr als drei Elemente, beispielsweise 18 Elemente, wie hier dargestellt. Die Senderelemente 2 bzw. Empfängerelemente 3 bilden ein Muster aus mehreren schräg verlaufende Reihen aus Senderelementen bzw. Empfängerelementen (in 11 und 12 sind es fünf unter- bzw. übereinander angeordnete Reihen aus jeweils drei Elementen, d. h. insgesamt 15 Elementen). Der Träger 50 des Senders 20 in 11 bzw. der Träger 60 des Empfängers 60 in 12 sind jeweils rechteckig ausgebildet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19500822 [0002]

Claims

Vorrichtung zum Detektieren einer Kante (11) einer Materialbahn (10) oder der Kantenposition in einer Messrichtung (M), umfassend mindestens einen Ultraschallsensor (1), wobei der Ultraschallsensor (1) ein Senderelement (2) und ein Empfängerelement (3) umfasst, wobei die äußere Kontur mindestens eines des Senderelements (2) und/oder Empfängerelements (3) mindestens eine Bogensegmentseite (6, 7) und mindestens eine abgeflachte Seite (4, 5) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Ultraschallsensor (1) geeignet ist, die Kante (11) oder Kantenposition in Messrichtung (M) einer zwischen dem Senderelement (2) und dem Empfängerelement (3) verlaufenden Materialbahn (10) zu detektieren.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dem Ultraschallsensor (1) ein Messfeld (F) zugeordnet ist, in dem der Ultraschallsensor (1) die Kante oder Kantenposition detektieren kann.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend mindestens zwei Ultraschallsensoren (1, 1', 1'').
Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, wobei die mindestens zwei Ultraschallsensoren (1, 1', 1'') derart angeordnet sind, dass die Messfelder (F, F', F'') in Messrichtung (M) direkt aneinander grenzen oder überlappen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen ersten Ultraschallsensor (1') und einen zweiten Ultraschallsensor (1''), wobei die äußere Kontur des Senderelements (2') und/oder Empfängerelements (3') des ersten Ultraschallsensors (1') und des Senderelements (2'') und/oder Empfängerelements (3'') des zweiten Ultraschallsensors (1'') mindestens eine Bogensegmentseite (6', 7'; 6'', 7'') und mindestens eine abgeflachte Seite (4', 5'; 4'', 5'') umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 6, derart ausgestaltet, dass sich die abgeflachte Seite (4', 5') des Senderelements (2') und/oder Empfängerelements (3') des ersten Ultraschallsensors (1') und die abgeflachte Seite (4'', 5'') des zweiten Ultraschallsensors (1'') zumindest teilweise parallel in einem Abstand (d₁) gegenüberliegen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend ein Gehäuse (40), umfassend mindestens einen ersten Arm (42) und einen zweiten Arm (43), wobei das Senderelement (2) in dem ersten Arm (42) und das Empfängerelement in dem zweiten Arm (43) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Senderelement (2) und das Empfängerelement (3) in einem Sender-/Empfängerelement integriert sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine abgeflachte Seite (4, 5) ungefähr parallel zur Messrichtung (M) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die äußere Kontur des mindestens einen Senderelements (2) und/oder Empfängerelements (3) mindestens zwei Bogensegmentseiten (6, 7) und mindestens zwei abgeflachte Seiten (4, 5) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Bogensegmentseite (6, 7) kreisförmig oder ellipsenförmig ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine abgeflachte Seite (4, 5) eine Kreissehne bildet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das Senderelement (2) und/oder Empfängerelement (3) umfassend ein piezoelektrisches Element (8), umgeben von einem Schallübertragungsmaterial (9).
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die äußere Kontur des Schallübertragungsmaterials (9) mindestens eine Bogensegmentseite (6, 7) und mindestens eine abgeflachte Seite (4, 5) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine Steuerung, wobei die Steuerung geeignet ist, das Senderelement und Empfängerelement jeweils nur eines Ultraschallsensors zu aktivieren.