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Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Erfassung eines Objekts auf einer Rollenbahn nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Rollenbahnen werden in der Regel als Rollenförderer in der Lager- und Fördertechnik eingesetzt. Einige der Rollen besitzen einen aktiven Antrieb, der sie in Rotation versetzt. Die übrigen passiven Rollen können über Bänder von den aktiven Rollen mitbewegt werden, oder die in Bewegung versetzten Objekte überbrücken solche Rollen aufgrund der Trägheit. Um den Materialfluss zu steuern, soll die Rollenbahn an bestimmten Positionen der Förderstrecke auf Anwesenheit von Objekten überwacht werden. Dazu sind verschiedenste Sensoren bekannt, wie optische, magnetische, induktive oder kapazitive Sensoren, die am entsprechenden Ort der Förderstrecke angebracht werden, um das Fördergut auf der Rollenbahn zu erfassen.
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Die Montage derartiger Sensoren mit geeigneter Befestigungstechnik und Verkabelung zum Anschluss an eine Energieversorgung und ein Kommunikationsnetz, also an eine Steuereinheit oder in Kettenschaltung an weitere Sensoren, erfordert einen erheblichen Aufwand, zusätzlichen Platzbedarf sowie eine Einzeljustage der zahlreichen separat montierten Sensoren. Außerdem sind extern montierte Sensoren prinzipiell anfällig gegen mechanische Beeinträchtigungen durch die Umgebung, wie Verschmutzung oder Beschädigung der Detektionsflächen. Das gilt insbesondere bei optischen Sensoren wie Lichtschranken oder Lichtgittern, die seitlich oder von unten die Rollenbahn beobachten. Der Wartungsaufwand wird dadurch erhöht, und ferner wird eine robuste Gehäuseausführung zum mechanischen Schutz der Sensoren notwendig.
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In der
DE 101 31 019 A1 wird vorgeschlagen, eine Sensorik direkt in Rollen einer Rollenbahn zu integrieren. Die dabei genannten Technologien sind aber lediglich ohne Details aufgelistet.
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Die
DE 20 2007 015 529 U1 offenbart eine Rolle für eine Rollenbahn mit einem integrierten kapazitiven Sensor, der zusätzlich auf einer der Förderseite abgewandten Seite einen Referenzsensor vorsieht. Ein Schaltsignal bei einem über die Rolle geförderten Objekt wird dann aus einem Differenzsignal zwischen dem Signal des eigentlichen Sensors und des Referenzsensors bestimmt. Außerdem wird vorgeschlagen, in Längsrichtung der Rolle mehrere Sensoren hintereinander anzuordnen.
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Für die Integration eines Sensors zur Anwesenheitserfassung von Objekten ist aber nicht nur ein geeignetes Sensorprinzip erforderlich. Vielmehr stellen sich auch konstruktive Herausforderungen, in dem vorgegebenen Innenraum der Rolle einen robusten, kompakten und zuverlässigen Sensor unterzubringen. Zu dieser Fragestellung trägt der Stand der Technik bisher nichts bei. Zwar gibt es Rollenmotoren, die in eine aktive Rolle integriert sind, um sie in Drehbewegung zu versetzen. Sie verwenden aber Anordnungen, die für einen Sensor nicht geeignet sind, wie radial angeordnete Steuerungsleiterplatten. Dadurch wird der Innenraum schlecht ausgenutzt, und in Verbindung mit einer durchgehenden Rollenachse ist das nur möglich, wenn die Leiterplatte eine entsprechende zentrale Öffnung aufweist. Außerdem eignet sich die radiale Anordnung nicht für eine Detektion über die gesamte Breite der Rollenbahn.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Integration eines Sensors in eine Rolle einer Rollenbahn zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch einen Sensor zur Erfassung eines Objekts auf einer Rollenbahn nach Anspruch 1 gelöst. Die Detektion basiert auf Hochfrequenzsignalen. Dafür ist eine in eine Rolle der Rollenbahn integrierte erste Leiterplatte mit einem Sensorelement vorgesehen, das mindestens einen Resonator umfasst. Mit Resonator sind Elemente bezeichnet, insbesondere Antennen, Hochfrequenzleiter oder Hochfrequenzfilter, die ein Hochfrequenzsignal mit oder ohne Abstrahlung in den freien Raum führen.
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Mit Hilfe einer Speiseschaltung wird ein Hochfrequenzsignal in einem Resonator erzeugt und in einer Empfangsschaltung wieder erfasst. Da sowohl Erfassung in Reflexion als auch Transmission möglich ist, wird das Hochfrequenzsignal je nach Ausführungsform im selben Resonator oder in verschiedenen Resonatoren eingespeist und erfasst. Eine Auswertungseinheit erkennt, ob das Hochfrequenzsignal durch ein anwesendes Objekt verändert wurde, insbesondere an einer Änderung in Amplitude, Frequenz und/oder Phase.
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Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, auch die zu dem Sensorelement zugehörige Elektronik und damit letztlich den ganzen Sensor auf einfache und platzsparende Weise in der Rolle unterzubringen. Dazu ist mindestens eine weitere in die Rolle integrierte Leiterplatte vorgesehen. Die Leiterplatten, insgesamt also zwei oder mehr Leiterplatten, sind längs zur Längsachse der Rolle angeordnet. Dabei sind sie insbesondere gegen die Längsachse versetzt und somit davon beabstandet, so dass die Leiterplatten nicht mit der Längsachse in Konflikt kommen. Obwohl Leiterplatten auch schräg stehen könnten, sind sie vorzugsweise parallel zur Längsachse angeordnet.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass dadurch eine einfache Konstruktion mit einer kostengünstigen, robusten und zuverlässigen Anordnung von Sensorelement und zugehöriger Elektronik in einer Rolle eines Rollenförderers ermöglicht ist. Dabei wird der verfügbare Innenraum gut ausgenutzt, und der Sensor kann schnell und problemlos an- oder eingebracht, montiert und kontaktiert werden. Außerdem können einfache, flache Leiterplatten mit im Vergleich zum verfügbaren Innenraum großer Fläche und dadurch noch vielen Designfreiheitsgraden verwendet werden.
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Auf der weiteren Leiterplatte sind vorzugsweise Komponenten der Auswertungseinheit angeordnet. Damit sind die Leiterplatten für das Sensorelement und die Auswertungseinheit klar getrennt und können für ihre jeweilige unterschiedliche Aufgabe weitgehend unabhängig optimiert werden. Die Speise- und Empfangsschaltung wird je nach Ausführungsform nahe an der Antenne auf der ersten Leiterplatte des Sensorelements oder abgesetzt auf der weiteren Leiterplatte der Auswertungseinheit untergebracht.
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Auf der weiteren Leiterplatte ist vorzugsweise ein zusätzliches Sensorelement angeordnet. Dadurch können beispielsweise zusätzliche Resonatoren in Umfangsrichtung angeordnet werden, um den Erfassungsbereich auf bis zu 360° zu erweitern. Prinzipiell könnte sich dann der Sensor auch ohne Detektionsverlust mit der Rolle mitdrehen. Die weiteren Leiterplatten lassen sich also je nach Ausführungsform flexibel als Sensorelemente oder für die Unterbringung von Ansteuer- und Auswertungselektronik nutzen. Dabei sind zahlreiche Kombinationen möglich, wobei eine weitere Leiterplatte mit Elektronik für mehrere Leiterplatten mit Sensorelementen zuständig sein kann, ebenso aber umgekehrt die elektrischen Schaltkreise der Speise- und Empfangsschaltung beziehungsweise die Auswertungseinheit auf mehrere weitere Leiterplatten verteilt werden können. In einer besonders kompakten Variante sind auf derselben Leiterplatte Resonatoren des Sensorelements und elektronische Schaltungen vorgesehen, wobei dann die elektronischen Schaltungen vorzugsweise auf der Rückseite einer Leiterplatte beziehungsweise möglicherweise auch auf der Vorderseite in Zwischenräumen zueinander beabstandeter Resonatoren untergebracht sind.
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Erste Leiterplatte und weitere Leiterplatte sind bevorzugt in rechtem Winkel zueinander angeordnet. Noch bevorzugter handelt es sich dabei um eine Anordnung mit nur einer weiteren Leiterplatte, also insgesamt zwei Leiterplatten. Durch den rechten Winkel können die beiden Leiterplatten an einer Kante sehr nahe aneinander liegen und einander daher leicht kontaktieren. Dabei bleibt aufgrund des Winkels viel Platz für die Breite der Leiterkarten im Umfang der Rolle.
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Erste Leiterplatte und weitere Leiterplatte sind vorzugsweise an Seiten eines insbesondere regelmäßigen n-Ecks angeordnet, das in den Umfang der Rolle eingeschrieben ist. Die Leiterkartenanordnung bildet folglich den Mantel eines verallgemeinerten Zylinders mit dem n-Eck als Grundfläche und der Rollenachse als Höhenachse. Es müssen jedoch nicht alle Seiten besetzt sein, beispielsweise können nur drei Seiten eines Rechtecks oder Fünfecks genügen. Ein eingeschriebenes n-Eck soll zwar den durch den Umfang der Rolle gebildeten Kreis auch ausnutzen. Toleranzen sind aber noch möglich, es müssen nicht alle n Ecken tatsächlich auf dem Umfang liegen.
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Der Sensor weist bevorzugt ein Halteelement auf, welches die Leiterplatten in ihrer Anordnung hält. Das Halteelement ist eine Art Gehäuse des Sensors, auch wenn der Sensor ohnehin durch die Rolle von der Außenwelt getrennt ist. Das Halteelement ist ein- oder mehrteilig und kann Verbindungen zwischen den Leiterplatten oder Führungselemente dafür aufweisen. Das Halteelement kann seinerseits auf der Längsachse der Rolle und/oder an seitlichen Abdeckkappen befestigt sein.
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Das Halteelement weist bevorzugt eine Öffnung für die Längsachse auf, die im Querschnitt mindestens eine Kante aufweist. Das Halteelement ist damit vorzugsweise auf der Längsachse der Rolle abgestützt. Die Kante dient dazu, ein Spiel in Umfangsrichtung zu vermeiden, wobei vorzugsweise mehrere Kanten vorgesehen sind, die ein Polygon bilden, insbesondere ein regelmäßiges n-Eck. Der Querschnitt der Längsachse der Rolle sollte entsprechend der Öffnung ausgebildet sein, beziehungsweise umgekehrt.
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Das Halteelement ist bevorzugt als Rohrgehäuse ausgebildet. In diesem Fall handelt es sich um eine Art Außengehäuse des Sensors, wobei aber nicht alle Komponenten des Sensors im Inneren dieses Außengehäuses liegen müssen. Außerdem ist denkbar, dass das Rohrgehäuse noch Lücken oder Öffnungen in Umfangs- wie Längsrichtung aufweist. Ein solches Rohrgehäuse wird vorzugsweise an den seitlichen Abdeckkappen der Rolle befestigt, wobei aber auch radial nach innen ragende Stützelemente zum Abstützen auf der Längsachse möglich sind.
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Die erste Leiterplatte ist vorzugsweise außen an dem Halteelement angeordnet. Dann kommt sie so nahe wie möglich an die Rolle und somit die zu erfassenden Objekte auf der Rolle. Das gleiche gilt für weitere Leiterplatten, auf denen sich Sensorelemente befinden, die beispielsweise über den Außenumfang eines Rohrgehäuses verteilt werden können. Weitere Leiterplatten mit Elektronik dagegen sind vorzugsweise innen angeordnet, wo mehr Platz ist, da eine Nähe zu den Objekten nicht erforderlich ist. Ausgeschlossen ist es auch nicht, die erste Leiterplatte innen anzuordnen, wobei dann aber das Hochfrequenzsignal den Abstand und gegebenenfalls Teile des Halteelements überwinden muss und deshalb die Empfindlichkeit nicht optimal ist.
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Die erste Leiterplatte weist bevorzugt einen entsprechend dem Umfang der Rolle gebogenen Querschnitt auf. Für die Empfindlichkeit wäre es ideal, wenn sich das Sensorelement dicht an die Rolle anschmiegt und dadurch den zu erfassenden Objekten so nahe kommt wie möglich. Diesem Ideal kann man sich durch Biegen der ersten Leiterplatte annähern. Dabei muss aber die Krümmung der Rolle nicht exakt nachvollzogen werden, auch eine Anpassung durch ähnliche Krümmung oder stückweise flache Bereiche mit mindestens einer Knickkante dazwischen ist schon hilfreich.
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Vorzugsweise ist die erste Leiterplatte flach ausgebildet und weist mindestens eine seitliche Massefläche auf, wobei eine Querschnittskontur von erster Leiterplatte und seitlicher Massefläche dem Umfang der Rolle entspricht. Auf der Leiterplatte unter den Resonatoren kann eine Metallschicht vorgesehen sein, die als Massefläche dient, aber wenn deren Breite nur den Resonatoren entspricht, reicht dies für die Funktion der Massefläche nicht aus. Deshalb wird eine solche Metallschicht durch eine seitliche Massefläche ersetzt oder vergrößert. Statt der Leiterplatte wird in dieser Ausführungsform die seitliche Massefläche gebogen und so insgesamt das Sensorelement aus Leiterplatte mit Resonatoren und zugehöriger seitlicher Massefläche an den Rollenumfang angepasst. Die Konturanpassung kann wiederum durch zumindest abschnittsweises kontinuierliches Biegen und/oder Knickkanten erfolgen. Seitliche Masseflächen sind vorzugsweise zu beiden Seiten der ersten Leiterplatte vorgesehen und bestehen aus einer einfachen Metallschicht (Flügelblech). Solche gebogenen seitlichen Masseflächen sind eine kostensparende Alternative zur Anpassung durch Biegen der ersten Leiterplatte, die dann ein flaches Standardbauteil bleiben kann. Eine gebogene erste Leiterplatte dagegen ist zwar technisch möglich, aber aufwändig.
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Der Sensor weist bevorzugt einen Multiplexer auf, um wahlweise Objekte mit bestimmten Resonatoren zu erfassen. Je nach Ausführungsform wird bereits eine gemeinsame Speise- und Empfangsschaltung mittels Multiplexverfahren für mehrere oder alle Resonatoren genutzt, oder es wird nur eine gemeinsame Auswertungseinheit zwischen mehreren Speise- und Empfangsschaltungen umgeschaltet, so dass die jeweilige Speisung und Signalerfassung nahe beim Resonator verbleiben kann. Alternativ zu einem Multiplexer sind zumindest einige Zuordnungen fest verbunden.
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Der Sensor weist bevorzugt mindestens zwei in Längsrichtung hintereinander angeordnete Sensorelemente auf. Dadurch werden größere Rollenlängen modular abgedeckt, indem mehrere erste Leiterplatten mit jeweils einem Sensorelement aneinandergereiht werden. Durch eine Zeilenanordnung mehrerer Resonatoren desselben Sensorelements deckt dieses schon eine gewisse Länge ab, die durch die Anzahl der Resonatoren variabel wählbar ist. Solche Anpassungen auf nur einem Sensorelement erfordern aber Aufwand bei der Herstellung und ein eigenes Design, während das Aneinanderreihen von ersten Leiterplatten mit Sensorelementen eine einfache Anpassung ermöglich. Auch die Resonatoren auf mehreren Sensorelementen können mittels Multiplexing mit einer geringeren Anzahl oder insgesamt nur einer Speise- und Empfangsschaltung beziehungsweise Auswertungseinheit verbunden werden.
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In vorteilhafter Weiterbildung ist eine Rolle mit einem darin integrierten erfindungsgemäßen Sensor vorgesehen. Diese Rolle kann einen eigenen Antrieb aufweisen, also eine aktive Rolle sein. Dann nutzt der Sensor vorzugsweise die Versorgungs- und Steuerungsleitungen dieses Antriebs mit. Der Sensor kann aber auch in eine passive Rolle ohne eigenen Antrieb eingesetzt sein. Dann benötigt der Sensor eigene Anschlüsse oder versorgt sich und kommuniziert drahtlos. Denkbar ist auch, den Sensor mit einer Batterie oder einer eigenen Energieerzeugung aus der Drehbewegung auszurüsten.
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in:
- 1 eine Draufsicht auf eine Rollenbahn mit einem in eine der Rollen integrierten Sensor;
- 2 eine Blockdarstellung eines Sensor mit Erfassung durch Resonatoren in Reflexion;
- 3 eine Blockdarstellung eines Sensors mit Erfassung durch Resonatoren in Transmission;
- 4 eine Blockdarstellung eines Sensors mit einem Multiplexer und einer gemeinsamen Speise- und Empfangsschaltung;
- 5 eine Blockdarstellung eines Sensors mit einem Multiplexer, jedoch noch eigenen Speise- und Empfangsschaltungen der Resonatoren;
- 6 eine Querschnittsdarstellung einer Rolle mit einem darin integrierten Sensor, dessen Halterung sich auf der Rollenachse abstützt;
- 7 eine Querschnittsdarstellung einer Rolle mit einem darin integrierten Sensor in einer weiteren Ausführungsform mit einer Halterung, die sich auf der Rollenachse abstützt;
- 8 eine vereinfachte Querschnittsdarstellung einer Rolle zur Illustration einer Anordnung von Leiterplatten im Quadrat;
- 9 eine vereinfachte Querschnittsdarstellung einer Rolle zur Illustration einer Anordnung von Leiterplatten im Dreieck;
- 10 eine beispielhafte Querschnittsdarstellung einer Rolle mit einer nicht erfindungsgemäßen zentralen Anordnung einer Leiterplatte;
- 11 eine Querschnittsdarstellung einer Rolle mit einem darin integrierten Sensor, der durch ein Rohr- oder Außengehäuse gehalten wird;
- 12 eine Querschnittsdarstellung einer Rolle ähnlich 11, jedoch mit Anordnung einer Leiterplatte außerhalb des Rohrgehäuses; und
- 13 eine Querschnittsdarstellung einer Rolle ähnlich 12, jedoch mit einer Leiterplatte, die entsprechend dem Umfang der Rolle gekrümmt ist.
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1 zeigt eine Draufsicht auf einen Sensor 10, dessen Sensorelement 12 in eine Rolle 14 einer Rollenbahn 16 integriert ist. Der Sensor 10 ist nur gezeigt, um dessen Position zu illustrieren, tatsächlich wäre das Innere der Rolle 14 nicht zu sehen. Die Rollen 14 drehen sich aktiv oder passiv durch Mitbewegung mit einem Objekt 18, das sich längs der Rollenbahn 16 bewegt. Aufgabe des Sensors 10 ist, die Anwesenheit eines metallischen oder nicht-metallischen Objekts 18 und gegebenenfalls weitere Informationen etwa hinsichtlich dessen genauer Position zu detektieren. Dazu können auch Sensoren 10 in mehreren Rollen 14 vorgesehen sein.
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2 zeigt einen beispielhaften Aufbau des Sensors 10 in einer Blockdarstellung zur Erläuterung des Sensorprinzips. Der tatsächliche, konstruktive Aufbau des Sensors 10 wird später unter Bezugnahme auf die 6 bis 13 erläutert. Das Sensorelement 12 weist mehrere Hochfrequenz-Resonatoren 20 auf, die hier einzeln angesteuert, alternativ aber auch parallel oder in Serie mit einem gemeinsamen Speisepunkt geschaltet werden. In einer Minimalkonfiguration genügt ein einziger Resonator 20. Umgekehrt sind auch andere Anordnungen von Resonatoren 20 in einer oder mehreren Reihen und sonstigen Mustern denkbar. Eine Reihenanordnung ist besonders vorteilhaft, weil damit die Breite der Rollenbahn beziehungsweise die Länge der Rolle 14 abgedeckt wird.
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Das Sensorelement 12 ist beispielsweise als auch mehrlagige Leiterplatte mit Patchantennen als Resonatoren 20 und einer rückseitigen Grundmetallisierung ausgebildet, wobei die Resonatoren 20 zu den Objekten 18 weisen, also in 1 nach oben ausgerichtet sind. Die Erfassung erfolgt in dieser Ausführungsform in einer Reflexionsmessung. Dazu sind Speise- und Empfangsschaltungen 22 mit den Resonatoren 20 verbunden, die ein Hochfrequenzsignal für den Resonator 20 erzeugen (hinlaufende Welle) beziehungsweise ein Hochfrequenzsignal des Resonators 20 messen (rücklaufende Welle). Bei einer Reflexionsmessung wie in 2 müssen die hinlaufende und rücklaufende Welle voneinander getrennt werden, wofür ein Richtkoppler oder ein Leistungsteiler wie ein Wilkinsonteiler geeignet ist. Eine Auswertungseinheit 24 ist an die Speise- und Empfangsschaltungen 22 angeschlossen und schließt aus einer Frequenz-, Amplituden und/oder Phasenänderung auf die Anwesenheit eines Objekts 18 auf der Rolle 14.
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Außer der reinen Anwesenheit eines Objekts 18 können auch Zusatzinformationen wie Geschwindigkeit, Breite, Länge, Lage, Ausrichtung oder Materialbeschaffenheit erfasst werden. Die Auswertungseinheit 24 kann dafür ausgebildet sein, die Amplitude, Frequenz und/oder Phase des Hochfrequenzsignals sendeseitig zu modulieren und diese Modulation empfangsseitig auszuwerten. Damit kann insbesondere ein Signallaufzeitverfahren realisiert werden, beispielsweise ein Phasenverfahren mit Bestimmung des Phasenversatzes, ein Pulsverfahren oder ein FMCW-Verfahren (Frequency Modulated Continuous Wave), und so eine Information über die Position des Objekts 18 gewonnen werden.
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Die Resonatoren
20 auf dem Sensorelement
12 sind vorteilhaft als Patchantennen auf einer Leiterplatte ausgestaltet. Alternativ ist auch eine dünne Metallfolie, ein leitfähiger Lack, eine leitfähige Folie oder ein Blech-Stanzteil denkbar, jeweils von einer Grundmetallisierung mit den gleichen Variationsmöglichkeiten durch einen Isolator, insbesondere Kunststoff getrennt. Allgemein ist das Hochfrequenzverfahren zur Objekterfassung einschließlich Art, Geometrie und Anordnung der Resonatoren
20 nur beispielhaft beschrieben. Wie in einem der einleitend genannten Dokumente
DE 10 2014 109 399 B4 ,
DE 10 2014 109 401 B4 und
DE10 2014 109 402 B4 kann die Auswertungseinheit
24 je nach Sensorelement
12 und Beschaltung eine Beeinflussung im Nahfeld eines Hochfrequenzleiters, nach Abstrahlung und Empfang eines Hochfrequenzsignals oder durch Verstimmen eines Hochfrequenzfilters auswerten.
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3 zeigt eine Blockdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines Sensors 10. Im Unterschied zu 2 erfolgt hier die Erfassung in Transmission. Das Hochfrequenzsignal wird also an unterschiedlichen Stellen beziehungsweise Resonatoren 20a-b eingespeist und erfasst. Dementsprechend ist auch die Speiseschaltung 22a von der Empfangsschaltung 22b separiert. Die Geometrie und Anordnung der Resonatoren 20a-b ist rein beispielhaft, sie können miteinander direkt über weitere Resonatoren 20 verbunden sein, und wie in 2 ist eine Mehrfachanordnung mit mehreren Messstrecken denkbar.
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4 zeigt eine Blockdarstellung eines Sensors 10, der mit einer gemeinsamen Speise- und Empfangsschaltung 22 auskommt, die wechselnd über einen Multiplexer 26 mit den Resonatoren 20 verbunden wird. In 5 ist der Multiplexer 26 stattdessen zwischen Auswertungseinheit 24 und mehreren Speise- und Empfangsschaltungen 22 angeordnet, so dass eine Speisung und Erfassung mit kurzen Signalwegen ermöglicht wird. Ein Multiplexer 26 ließe sich ganz analog auch in Ausführungsformen mit Transmission einsetzen.
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Durch einen Multiplexer 26 lassen sich bei getrennter Auswertung von Resonatoren 20 Vervielfachungen der Speise-, Erfassungs- und Auswertungsstrukturen vermeiden. Ein weiterer Kostentreiber sind Kabelverbindungen dazwischen und zu den Resonatoren 20, so dass vorzugsweise deren Anzahl minimiert werden sollte. Dafür ist denkbar, die Speise- und Empfangsschaltung 22 entweder gemeinsam mit den Resonatoren 20 oder der Auswertungseinheit 24 auf einer jeweiligen Leiterplatte unterzubringen. Die Signalverteilung zwischen den verschiedenen Resonatoren 20 kann mittels Mikrostreifenleitung oder durch koplanare Wellenleiter realisiert werden. Dann wird nur noch eine Verbindung zwischen den Leiterplatten benötigt, vorzugsweise ohne Steckverbindungen durch Verlöten.
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In einer besonders kompakten Ausführungsform werden Speise- und Empfangsschaltung 22 und Auswertungseinheit 24 mit den Resonatoren 20 auf derselben Leiterplatte angeordnet. Die Vorderseite bleibt vorzugsweise den Resonatoren 20 vorbehalten, die übrigen Schaltungen finden auf der Rückseite Platz. Die gegenseitigen Verbindungen erfolgen durch Leitungszüge und Durchkontaktierungen auf der Leiterplatte.
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In Längsrichtung der Rolle 14, also über die Breite der Rollenbahn 16, können Leiterplatten mit Resonatoren 20 modulartig verbunden oder aneinandergelötet werden.
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6 zeigt eine Querschnittsansicht eines Sensors 10 in einer Rolle 14. Die zu detektierende Resonanzverschiebung in den Resonatoren 20 durch Anwesenheit eines Objekts 18 skaliert mit dem Abstand zwischen Resonator 20 und Objekt 18. Daher wird der Sensor 10 umso empfindlicher, je näher der Resonator 20 an die Oberseite der Rolle 14 gebracht werden kann. Den Resonatoren 20 muss aber für deren Funktion eine ausreichend große Massefläche zugeordnet sein. Die Ausdehnung einer Metallisierungsschicht 28 einer ersten Leiterplatte 30, auf der die Resonatoren 20 angeordnet sind, reicht dafür nur aus, wenn die Leiterplatte 30 erheblich breiter ist als die Resonatoren 20. Eine derart breite Leiterplatte 30 wiederum würde nur relativ achsnah in der Rolle 14, nicht aber im gewünschten kleinen Abstand zum Umfang Platz finden.
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Deshalb sind in dieser Ausführungsform seitliche Masseflächen 32 vorgesehen, um die Metallisierungsschicht 28 zu einer ausreichend großen Massefläche zu erweitern. Dabei handelt es sich um einfache Metallschichten beispielsweise in Form von Blechen. Solche Masseflächen 32a-b lassen sich nun sehr einfach in die benötigte, der Rolle 14 entsprechende Form verbiegen. Dabei sind kontinuierliche Krümmungen, Kanten und/oder abschnittsweise kontinuierliche Krümmungen mit Kanten dazwischen denkbar. Die konkrete Formgebung der seitlichen Masseflächen 32a-b, die jeweils zweifach abgekantet und in den Zwischenbereichen flach sind, ist demnach nur ein vorteilhaftes Beispiel für eine Konturanpassung an den Umfang der Rolle 14.
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Damit werden beide Ziele erreicht: Die erste Leiterplatte 30 kann schmal bleiben und muss nur den Resonatoren 20 selbst Platz bieten. Deshalb kann die erste Leiterplatte 30 sehr nahe an den oberen Bereich der Rolle 14 geführt und der Abstand zwischen Resonator 20 und Detektionsbereich der Objekte minimiert werden. Zugleich steht eine ausreichende Massefläche zur Verfügung. Die erforderliche Formanpassung erfolgt an den seitlichen Masseflächen 32a-b und damit nicht an komplexen Strukturen der ersten Leiterplatte 30 beziehungsweise der darauf befindlichen Resonatoren 20, sondern nur noch an den äußerst einfach ausgebildeten und formbaren seitlichen Masseflächen 32a-b.
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Alternativ zu der dargestellten Formanpassung mittels seitlicher Masseflächen 32a-b ist aber auch denkbar, die erste Leiterplatte 30 selbst entsprechend der Krümmung der Rolle 14 zu biegen beziehungsweise zu knicken. Das ist technisch beispielsweise durch eine flexible Leiterplatte oder eine Flexplatine mit faltbarem Übergangsbereich realisierbar. Allerdings ist die Herstellung derart gekrümmter Strukturen vergleichsweise aufwändig und damit verhältnismäßig kostenintensiv.
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Der Sensor 10 umfasst zusätzlich zu der ersten Leiterplatte 30 mit den Resonatoren 20 eine weitere Leiterplatte 34 mit zugehöriger Elektronik. Dabei wurden die diversen Möglichkeiten der Verteilung von Speise- und Empfangsschaltung 22, Auswertungseinheit 24 und gegebenenfalls Multiplexer 26 oben unter Bezugnahme auf die 2 bis 5 erläutert. Diese Elemente können dementsprechend auf die erste Leiterplatte 30 und die weitere Leiterplatte 34 verteilt werden.
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Die Leiterplatte des Sensorelements 12 und die weitere Leiterplatte 34 sind jeweils in Längsrichtung parallel zu einer Rollenachse 36 angeordnet und stehen senkrecht zueinander. Um die Leiterplatten 30, 34 und damit letztlich den Sensor 10 in der Rolle 14 in der gewünschten Anordnung zu fixieren, ist ein Halteelement 38 oder Gehäuse vorgesehen, das auf die Rollenachse 36 geklemmt ist. Dazu ist bevorzugt die Rollenachse 36 nicht rund, sondern kantig ausgebildet, beispielsweise in Form eines n-Ecks, und das Halteelement 38 weist eine passende Öffnung 40 auf. Das Halteelement 38 kann alternativ oder zusätzlich auch an feststehenden Teilen der seitlichen Außenkappen der Rolle 14 befestigt werden. Das Halteelement 38 weist Halterungen 42 für die erste Leiterplatte 30 und die weitere Leiterplatte 34 auf. Die Rolle 14 dreht sich im Betrieb um den feststehenden Sensor 10, wodurch das Hochfrequenzsignal bei einigermaßen homogener Beschaffenheit der Rolle 14 nicht wesentlich verändert wird.
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Die nicht dargestellte Verbindung der ersten Leiterplatte 30 und der weiteren Leiterplatte 34 der zugehörigen elektronischen Strukturen erfolgt beispielsweise durch Lötstellen am Leiterplattenrand, SMD-Federkontakte und dergleichen. Das ist einfach möglich, weil sich Kanten der Leiterplatten 30, 34 nahe kommen. Für solche Verbindungen zwischen den Leiterkarten 30, 34 sind zudem Leitungs- oder Führungsstrukturen im Halteelement 38 denkbar.
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7 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Sensors 10 in einer Rolle 14 in einer weiteren Ausführungsform. Die Anordnung der ersten Leiterplatte 30 und der weiteren Leiterplatte längs zu der Rollenachse 36 und senkrecht zueinander bleibt dabei erhalten. Das Halteelement 38 ist aber anders gestaltet, um die Variantenvielfalt zu illustrieren. Die konkrete Geometrie des Halteelements 38 ist also beispielhaft zu verstehen. Auch in der Ausführungsform gemäß 7 wäre eine gebogene erste Leiterplatte 30 beziehungsweise die Verbindung mit gebogenen seitlichen Masseflächen 32a-b möglich.
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Die Anordnung des Sensors 10 auf zwei senkrecht zueinander stehenden Leiterplatten 30, 34 wie in den 6 und 7 ist besonders vorteilhaft. Es sind aber weitere Varianten denkbar.
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8 zeigt in einer sehr vereinfachten Querschnittsdarstellung einer Rolle 14 lediglich die erste Leiterkarte 30 und in diesem Falle drei weitere Leiterkarten 34. Die Anordnung der Leiterkarten 30, 34 bildet im Querschnitt ein Quadrat, dem räumlich die Seitenwände eines Prismas mit quadratischer Grundfläche entsprechen. Auf den weiteren Leiterkarten 34 können sich wie schon erläutert zusätzliche Resonatoren 20 und/oder elektronische Komponenten der Speise- und Empfangsschaltung 22 beziehungsweise der Auswertungseinheit 24 befinden.
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9 zeigt ein weiteres Beispiel ähnlich 8, wobei hier die erste Leiterkarte 30 und zwei weitere Leiterkarten 34 ein Dreieck beziehungsweise ein Prisma mit dreieckiger Grundfläche bilden. Weitere entsprechende Varianten lassen sich analog durch regelmäßige oder unregelmäßige n-Ecke als Grundfläche ableiten. Geeignete Halteelemente 38 können jeweils angepasst werden.
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10 zeigt eine Variante, in der eine weitere Leiterkarte 34 senkrecht zu der ersten Leiterkarte 30 angeordnet ist. Diese weitere Leiterkarte 34 hat eine maximale Breite und kann dementsprechend mit hohen Bauteilen bestückt werden. Allerdings beansprucht sie Raum der Rollenachse und ist nicht dagegen versetzt angeordnet. Gegenüber der ersten Leiterkarte 30 kann noch eine weitere Leiterkarte 34 angeordnet werden und wie die erste Leiterkarte 30 beispielsweise mit stumpfen Lötstellen befestigt und kontaktiert werden.
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11 zeigt eine Querschnittsansicht eines Sensors 10 in einer Rolle in einer weiteren Ausführungsform. Im Unterschied zu 6 oder 7 ist das Halteelement 38 hier als Rohr- oder Außengehäuse ausgebildet und stützt sich an seitlichen Abdeckkappen der Rolle 14 und nicht auf der Rollenachse 36 ab, obwohl das ergänzend denkbar wäre. Die Geometrie des Halteelements 38 ist wiederum rein beispielhaft, und anstelle eines Zylinders auch eine eckige oder ganz unregelmäßige Gestalt sowie mit zusätzlichen Lücken oder Öffnungen vorstellbar. Der Abstand zwischen Halteelement 38 und Rolle 14 kann kleiner sein als in der Darstellung.
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Im Inneren des rohrförmigen Halteelements 38 können Leiterplatten 30, 34 in praktisch beliebiger Orientierung gehalten werden, so dass das Halteelement 38 insbesondere mit entsprechenden Halterungen 42 für alle vorgestellten Anordnungsvarianten geeignet ist, auch wenn nochmals ein Beispiel mit zwei zueinander senkrechten Leiterplatten 30, 34 wie in den 6 und 7 gezeigt ist.
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Der Resonator 20 hat hier einen gewissen Abstand zum Detektionsbereich, weil noch die Wandung des Halteelements 38 dazwischenkommt. 12 zeigt eine Ausführungsform, in der die erste Leiterplatte 30 außen am rohrförmigen Halteelement 38 angeordnet ist. Dadurch rückt die erste Leiterplatte 30 deutlich näher an die Rolle 14 heran.
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Dann stellt sich aber wieder das Problem, dass die Breite der ersten Leiterplatte 30 begrenzt, wie nahe sie tatsächlich an die Rolle 14 herangeführt werden kann. Die bereits vorgestellten Lösungen funktionieren auch mit einer rohrförmigen Halterung 38.
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13 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer gebogenen ersten Leiterplatte 30. Der scheinbar immer noch große Abstand zwischen Halteelement 38 und Rolle 14 ist der Darstellung geschuldet, denn die Dicke des Resonators 20 ist deutlich übertrieben. Ansonsten könnte das Sensorelement auch noch etwas tiefer in das Halteelement 38 versenkt werden. Alternativ kann analog zu 6 eine schmale, flache erste Leiterplatte 30 mit gebogenen seitlichen Masseflächen 32a-b verwendet werden. Im Übrigen ist auch in den Ausführungsformen nach 11 oder 12 eine erste Leiterplatte 30 mit gebogenen seitlichen Masseflächen 32a-b beziehungsweise in der Ausführungsform nach 11 eine gekrümmte erste Leiterplatte 30 möglich. Allgemein sind Kombinationen der Ausgestaltung einer gekrümmten Kontur der ersten Leiterplatte 30 und der Ausgestaltung des Halteelements 38 möglich, weil dies nur bedingt miteinander zusammenhängt.
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Die Beschreibung der Sensorelemente 12 erfolgte jeweils an Beispielen mit einer relativ geringen Längsausdehnung, häufig an Querschnittsdarstellungen. Um die Länge der Rolle 14 abzudecken, muss nicht das Sensorelement 12 selbst beziehungsweise die erste Leiterplatte 30 verlängert werden, obwohl das denkbar wäre. Vielmehr werden bevorzugt mehrere erste Leiterplatten 30 als Sensorelemente 12 gleicher oder unterschiedlicher Längsausdehnung modulartig aneinandergereiht oder -gelötet. Dabei kann es bei nur einer gemeinsamen Speise- und Empfangsschaltung 22 beziehungsweise Auswertungseinheit 24 bleiben. Es ist aber auch denkbar, diese elektronischen Schaltungselemente für einzelne oder Gruppen von Resonatoren 20 zu vervielfachen, insbesondere weil die Speisung und Erfassung von Signalen direkt am Resonator 20 empfindlicher sein kann, als wenn dies alles zentral vorgesehen ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10131019 A1 [0004]
- DE 202007015529 U1 [0005]
- DE 102014109399 B4 [0006, 0031]
- DE 102014109401 B4 [0006, 0031]
- DE 102014109402 B4 [0006, 0031]
