DE4000585A1 - Messgeber - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Meßgeber für eine Meßvorrichtung zur Erfassung von Raumkoordinaten eines Meßobjekt-Punktes, an welchem der Meßgeber sitzt.

Ein solcher Meßgeber ist aus der EP 03 05 780 A1 bekannt. Bei einem derartigen Meßgeber wird die Laufzeit eines Ultraschall­ signals vom Meßgeber zu einem Meßort berechnet. Als Referenz­ signal dient ein Lichtimpuls, der entweder am Meßgeber empfangen oder vom Meßgeber ausgesendet wird. Der Lichtimpuls steht hier­ bei in einem bekannten zeitlichen Zusammenhang zum Ultraschall­ impuls.

Derartige Vorrichtungen werden z. B. zur Bewegungsanalyse von Sportlern verwendet. Die Meßgeber bewegen sich also und müssen klein, leicht und kompakt sein.

Ein wesentliches Problem bei derartigen Einrichtungen liegt in der Störsicherheit der gesendeten und empfangenen Sig­ nale. Wenn beispielsweise der Ultraschallwandler zu stark gerichtet abstrahlt, so kann bei Bewegung des Meßpunktes der Schallpegel am Empfänger zu stark absinken. Es muß also sichergestellt sein, daß eine möglichst kugelförmige Abstrahlcharakteristik erzielt wird. Wenn weiterhin das aus­ gesendete Ultraschallsignal sehr lange andauert, so nehmen die Störungen durch reflektierte Schallanteile zu. Das Ultraschallsignal muß also möglichst kurzdauernd sein. Ande­ rerseits soll der abgestrahlte Schallpegel möglichst hoch sein. Weiterhin muß der Lichtempfänger bzw. Lichtsender mög­ lichst nahe beim Ultraschallwandler angeordnet sein, da bei der Vorrichtung der eingangs genannten Art gemäß der zitier­ ten Europäischen Patentanmeldung eine Überprüfung des Schallweges durch das Lichtsignal stattfindet. Diese Über­ prüfung ist naturgemäß nur dann korrekt, wenn die beiden Si­ gnalwege im wesentlichen übereinstimmen.

Aus der DE 34 46 346 C2 ist ein Ultraschallsender bekannt, bei welchem ein Piezoschwinger in einem Gehäuse montiert ist, das eine Schallabstrahlungsöffnung mit einem zur abge­ strahlten Wellenlänge kleinen Durchmesser aufweist. Auf dem Piezoschwinger ist ein Trichter mit seinem engen Ende so angebracht, daß er in Ultraschallschwingungen versetzbar ist. Bei der bekannten Anordnung wird es als problematisch angesehen, daß zum einen die Schallabstrahlung relativ stark gerichtet erfolgt und darüber hinaus das erzielbare Ultra­ schallsignal eine gewisse Mindestdauer nicht unterschreiten kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Meßgeber der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß eine hohe Störsicherheit der Signale erzielbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die Kombination der im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Dadurch, daß der Ultraschallwandler einen in einem Gehäuse befestigten Piezoschwinger umfaßt, der mit dem engen Ende eines Trichters so verbunden ist, daß dieser in Ultraschall­ schwingungen versetzbar ist, wird ein relativ hoher Schall­ pegel erreicht, der zur Erzielung einer hohen Störsicherheit vorteilhaft ist.

Dadurch, daß das Gehäuse eine dem weiten Ende des Trichters gegenüberliegende Frontplatte mit einer Öffnung zur Schall­ abstrahlung aufweist, deren Durchmesser klein relativ zur abgestrahlten Wellenlänge ist, ergibt sich eine Verbesserung der Abstrahlcharakteristik (Annäherung an eine Halb-Kugel­ welle), wodurch die Störsicherheit ebenfalls erhöht wird. Dieses und das vorher genannte Merkmal sind an sich bekannt.

Dadurch, daß der photoelektrische Wandler räumlich direkt vor bzw. über der Öffnung angeordnet ist, ergibt sich eine weitere Verbesserung der Richtcharakteristik. Der photoelek­ trische Wandler stellt eine Art akustische Linse (durch Beu­ gung bzw. Veränderung der Schallwege) dar. Gleichzeitig ist die Forderung nach kompakter Bauweise erfüllt, und die Si­ gnalwege (für Licht und Schall) stimmen praktisch identisch überein. Auch dies führt zu einer weiteren Erhöhung der Störsicherheit.

Dadurch, daß der Trichter und/oder der Piezoschwinger über mindestens einen Elastomer-Körper bedämpft sind, ergibt sich eine wesentliche Reduktion der minimal erzielbaren Si­ gnaldauer, was zu einer Verminderung der eingangs erwähnten nachteiligen bzw. störenden Reflektionen führt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der photoelektrische Wandler auf seiner der Öffnung zugewandten Seite im wesentlichen halbkugelförmig ausgebildet bzw. mit einer entsprechenden Kappe versehen. Dadurch ergibt sich eine weitere Verbesserung der Richtcharakteristik.

Der Elastomer-Körper kann zwischen dem Trichter und dem Ge­ häuse angeordnet sein, so daß seine Bewegung gegenüber dem Gehäuse gedämpft wird. Hierzu ist eine Ringstruktur möglich, die zwischen dem weiten Ende des Trichters und der Front­ platte des Gehäuses angeordnet ist. Alternativ (oder zusätz­ lich) kann der Elastomer-Körper zwischen dem Außenmantel des Trichters und einem Umfangsabschnitt des Gehäuses angeordnet sein.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Ela­ stomer-Körper zwischen dem Trichter, insbesondere dessen weitem Ende und einem Randabschnitt des Piezoschwingers angeordnet. Nachdem der Randabschnitt des Piezoschwingers keine wesentlichen Bewegungen ausführt, läßt sich hierdurch eine besonders gute Bedämpfung erzielen. Selbstverständlich kann diese Ausführungsform der Erfindung mit den zuvor beschriebenen Bedämpfungsmöglichkeiten kombiniert werden. Sehr einfach wird der Aufbau dann, wenn der Elastomer-Körper aus Gummi oder Silikon-Kautschuk geformt ist, was insbeson­ dere für die zuletzt beschriebene Ausführungsform der Fall ist. Es genügt oftmals ein Tropfen bzw. Faden von Silikon- Kautschuk, der zwischen dem Piezoschwinger und dem oberen Rand des Trichters (an dessen weitem Ende) gezogen wird.

Vorzugsweise ist der Piezoschwinger derart ausgebildet, daß er bei seiner Resonanzfrequenz betreibbar ist. In diesem Fall wird ein besonders hoher Wirkungsgrad erreicht. Dennoch kann durch die Bedämpfung ein relativ kurzes Ultraschall­ signal abgestrahlt werden. Dieses Ultraschallsignal weist dann aber exakt die Resonanzfrequenz auf, was wiederum die Störsicherheit insofern verbessert, als ein im Empfänger angeordnetes, auf die Resonanzfrequenz des Piezoschwingers abgestimmtes Filter Verwendung finden kann.

Ein besonders günstiges Abstrahlungsverhalten ergibt sich dann, wenn der photoelektrische Wandler in einem Abstand von etwa 2-3 mm vor der Öffnung angeordnet ist.

Wenn der photoelektrische Wandler als Lichtempfänger ausge­ bildet ist, so ergibt sich eine weitere Verbesserung der Störempfindlichkeit (insbesondere gegenüber elektrostati­ schen oder elektromagnetischen Feldern) dadurch, daß man einen Abschirmungskäfig vorsieht, der den Lichtempfänger zusammen mit dem Gehäuse umgibt. Selbstverständlich ist es möglich, das Gehäuse aus Metall oder metallisiertem Kunst­ stoff zu fertigen und den Abschirmungskäfig nur über dem Lichtempfänger vorzusehen. Der Abschirmungskäfig und die metallischen Teile des Gehäuses werden auf Masse gelegt.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfin­ dung anhand von Abbildungen näher beschrieben. Hierbei zeigen

Fig. 1 einen Teil-Querschnitt durch eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine Ansicht ähnlich der nach Fig. 1 durch eine zweite, und

Fig. 3 eine Ansicht der nach Fig. 1 durch eine dritte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform der Erfindung ist ein topfförmiges Gehäuse 10 vorgesehen, das an seinem einen Ende über eine Frontplatte 13 verschlossen ist. Mittig in der Frontplatte sitzt eine Öffnung 14, deren Durchmesser klein gegenüber der Schallwellenlänge ist.

Im Gehäuse 10 sitzt eine Trägerplatte 21 im wesentlichen parallel zur Frontplatte 13, auf welcher ein Piezoschwinger 11 über Sockel 22, 22′ montiert ist. Die Sockel 22, 22′ sind vorzugsweise aus elastischem Kunststoff, z. B. aus Silikon- Kautschuk.

Auf dem Piezoschwinger 11 ist ein Trichter 12 mit seinem engen Ende festgeklebt. Das weite Ende des Trichters 12 ragt bis kurz vor die Innenwand der Frontplatte 14. Der Trichter 12 liegt koaxial zur Öffnung 14 bzw. zu einem Umfangs­ abschnitt 19 des Gehäuses 10.

Der Raum zwischen dem Außenmantel des Trichters 12 und dem Umfangsabschnitt 19 des Gehäuses 10 ist mit einem Elastomer- Körper 18 ausgefüllt. In diesem Fall besteht das Elastomer aus einem Schaumstoff. Durch diese Anordnung ist gewährlei­ stet, daß Bewegungen des Trichters 12 relativ zum Gehäuse 10 hinreichend stark bedämpft werden.

Kurz über der Öffnung 14 ist ein photoelektrischer Wandler 15 montiert. Zur Montage dienen Zuleitungsdrähte 16, 16′ des Wandlers 15, welche durch entsprechende Bohrungen in der Frontplatte 13 geführt sind. Die Zuleitungsdrähte 16, 16′ sind mit dem Gehäuse 10 z. B. durch Verkleben fest verbunden.

Auf der Unterseite des Wandlers 15 ist ein kugelabschnitts­ förmiger Körper 17 angebracht (aufgeklebt). Durch diese Anordnung ist gewährleistet, daß eine aus der Öffnung 14 austretende Schallwelle um den Wandler 15 herum gebeugt wird, so daß eine weitere Verbesserung der Abstrahlcharakte­ ristik in Richtung auf eine kugelförmige Welle erzielt wird.

Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform der Erfindung unter­ scheidet sich von der nach Fig. 1 durch die Ausbildung des Elastomer-Körpers 18. Bei dieser Ausführungsform sind zwei getrennte Elastomer-Körper 18, 18′ gezeigt, die jeweils zwi­ schen dem Oberrand am weiten Ende des Trichters 12 und einem Randbereich des Piezoschwingers 11 aufgespannt sind. Hierzu eignet sich insbesondere Silikon-Kautschuk.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform der Erfindung ist der Elastomer-Körper 18 als Schaumstoff-Ring zwischen dem Oberrand am weiten Ende des Trichters 12 und der Innen­ fläche der Frontplatte 13 vorgesehen. Selbstverständlich sind die zuvor genannten Bedämpfungsmöglichkeiten miteinan­ der kombinierbar.

Weiterhin weist die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform der Erfindung einen Abschirmungskäfig 20 auf, der über das Gehäuse 10, den photoelektrischen Wandler 15 überdeckend angeordnet ist. Der Abschirmungskäfig 20 besteht aus Metall­ gewebe, das auf Masse liegt. Diese Ausführungsform der Erfindung ist dann von Vorteil, wenn der Wandler 15 ein lichtempfindliches Element, insbesondere eine Photodiode ist.

Claims (11)

1. Meßgeber für eine Meßvorrichtung zur Erfassung von Raum­ koordinaten eines Meßobjekt-Punktes, an welchem der Meßgeber sitzt, mit einem elektroakustischen Ultraschallwandler zum Senden eines Ultraschallsignals und einem photoelektrischen Wandler zum Empfangen oder Senden eines Lichtsignals, dadurch gekennzeichnet,
daß der Ultraschallwandler einen in einem Gehäuse (10) befe­ stigten Piezoschwinger (11) umfaßt, der mit dem engen Ende eines Trichters (12) so verbunden ist, daß dieser in (Ultraschall-) Schwingungen versetzbar ist,
daß das Gehäuse (10) eine dem weiten Ende des Trichters (12) gegenüberliegende Frontplatte (13) mit einer Öffnung (14) zur Schallabstrahlung aufweist, deren Durchmesser klein relativ zur abgestrahlten Wellenlänge ist,
daß der photoelektrische Wandler (15) räumlich direkt vor bzw. über der Öffnung (14) angeordnet ist, und daß der Trichter (12) und/oder der Piezoschwinger (11) über mindestens einen Elastomer-Körper (18, 18′) bedämpft sind.

2. Meßgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der photoelektrische Wandler (15) auf seiner der Öffnung (14) zugewandten Seite im wesentlichen halb­ kugelförmig ausgebildet ist.

3. Meßgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elastomer-Körper (18) zwischen dem Trichter (12) und dem Gehäuse (10) angeordnet ist.

4. Meßgeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elastomer-Körper (18) eine Ringstruktur auf­ weist und zwischen dem weiten Ende des Trichters (12) und der Frontplatte (13) des Gehäuses (10) angeordnet ist.

5. Meßgeber nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Elastomer-Körper (18) zwischen dem Außenmantel des Trichters (12) und einem Umfangsabschnitt (19) des Gehäuses (10) angeordnet ist.

6. Meßgeber nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elastomer-Körper (18, 18′) zwischen dem Trich­ ter (12), insbesondere dessen weitem Ende und einem Randabschnitt des Piezoschwingers (11) angeordnet ist.

7. Meßgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elastomer-Körper (18, 18′) aus Gummi oder Silikon-Kautschuk geformt ist.

8. Meßgeber nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Elastomer-Körper (18) im wesentlichen punktuell mit dem Trichter (12) und dem Gehäuse (10) bzw. dem Piezoschwinger (11) verbunden ist.

9. Meßgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezoschwinger (11) derart ausgebildet ist, daß er bei seiner Resonanzfrequenz betreibbar ist.

10. Meßgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der photoelektrische Wandler (15) in einem Abstand von ca. 2-3 mm vor der Öffnung (14) angeordnet ist.

11. Meßgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der photoelektrische Wandler (15) als Lichtempfänger ausgebildet ist, gekennzeichnet durch einen Abschirmungskäfig (20), der den Lichtempfänger (15) zusammen mit dem Gehäuse (10) umgibt.