DE102008023187A1

DE102008023187A1 - ultrasonic sensor

Info

Publication number: DE102008023187A1
Application number: DE200810023187
Authority: DE
Inventors: Jürgen Patz; Thomas Merk; Jörg Klaiber
Original assignee: Leuze Electronic GmbH and Co KG
Current assignee: Leuze Electronic GmbH and Co KG
Priority date: 2008-05-10
Filing date: 2008-05-10
Publication date: 2009-11-19
Also published as: DE502009000016D1; EP2131353B1; EP2116474A1; EP2116474B1; DE502009000121D1; EP2131353A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor (1) mit einem Ultraschallwellen emittierenden Sender (6), einem Ultraschallwellen empfangenden Empfänger (7), einer Auswerteelektronik zur Generierung eines Objektfeststellungssignals in Abhängigkeit der Empfangssignale am Ausgang des Empfängers (7) und einem Sensorgehäuse (1). Das Sensorgehäuse (1) weist einen Gehäusekörper (3) mit einer seitlichen Gehäuseöffnung auf, welche mit einem Gehäusedeckel (4) als weiterem Bestandteil des Sensorgehäuses (1) abschließbar ist. Der Sender (6), der Empfänger (7) und die Leiterplatte (8) sind mit Komponenten der Auswerteelektronik über die offene Gehäuseöffnung in Aufnahmen im Gehäusekörper (3) einführbar.The invention relates to an ultrasonic sensor (1) having a transmitter (6) emitting ultrasonic waves, a receiver (7) receiving ultrasonic waves, evaluation electronics for generating an object detection signal as a function of the received signals at the output of the receiver (7) and a sensor housing (1). The sensor housing (1) has a housing body (3) with a lateral housing opening, which can be locked with a housing cover (4) as a further component of the sensor housing (1). The transmitter (6), the receiver (7) and the circuit board (8) can be inserted with components of the evaluation electronics via the open housing opening in receptacles in the housing body (3).

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor.The The invention relates to an ultrasonic sensor.

Derartige Ultraschallsensoren werden zur Objektdetektion in unterschiedlichen Applikationen eingesetzt. Generell weist ein solcher Ultraschallsensor wenigstens einen Ultraschallwellen emittierenden Sender und einen Ultraschallwellen empfangenden Empfänger auf. Zur Generierung eines Objektfeststellungssignals werden in einer Auswerteeinheit die am Ausgang des Empfängers anstehenden Empfangssignale ausgewertet. Arbeitet der Ultraschallsensor nach dem Reflexionsprinzip, so wird in der Auswerteeinheit aus den Empfangssignalen der Anteil der vom Sender emittierten Ultraschallwellen, die von einem Objekt zurückreflektiert werden, ermittelt. Bei einem nach dem Transmissionsprinzip arbeitenden Ultraschallsensor wird in der Auswerteeinheit aus den Empfangssignalen der Anteil der vom Sender emittierten Ultraschallwellen ermittelt, die eine zu detektierende Objektstruktur durchdringen. Insbesondere können auf diese Weise mehrlagige Objektstrukturen erfasst werden. Ein solcher Ultraschallsensor ist in der DE 199 21 217 A1 beschrieben. Dieser Ultraschallsensor dient zur Detektion von Etiketten auf Trägermaterialien.Such ultrasonic sensors are used for object detection in different applications. Generally, such an ultrasonic sensor has at least one transmitter emitting ultrasonic waves and a receiver receiving ultrasonic waves. To generate an object detection signal, the received signals present at the output of the receiver are evaluated in an evaluation unit. If the ultrasonic sensor operates according to the reflection principle, the proportion of ultrasonic waves emitted by the transmitter, which are reflected back by an object, is determined in the evaluation unit from the received signals. In an ultrasonic sensor operating on the transmission principle, the proportion of ultrasonic waves emitted by the transmitter, which penetrate an object structure to be detected, is determined in the evaluation unit from the received signals. In particular, multi-layered object structures can be detected in this way. Such an ultrasonic sensor is in the DE 199 21 217 A1 described. This ultrasonic sensor is used to detect labels on carrier materials.

Bei bekannten Ultraschallsensoren dieser Art müssen der Sender und der Empfänger jeweils in einem Sensorgehäuse eingebaut und während des Einbaus innerhalb des Gehäuses ausgerichtet, das heißt justiert werden. Der Sender und der Empfänger weisen zudem Anschlusskabel auf, die an Elektronikkomponenten kontaktiert werden müssen. Zudem müssen diese Anschlusskabel geschirmt werden, um so einen Schutz gegen elektromagnetische Störungen zu realisieren. Der Sender und der Empfänger eines solchen Ultraschallsensors bilden jeweils einen Ultraschallwandler mit einem piezoelektrischen Element, welches Ultraschallwellen generieren oder empfangen kann. Dieses piezoelektrische Element ist in einem Wandlergehäuse, bestehend aus Metall oder hartem Kunststoff, integriert. Damit sich nach dem Einbau eines solchen Wandlergehäuses in das Sensorgehäuse des Ultraschallsensors kein Körperschall vom Ultraschallwandler auf das Sensorgehäuse übertragen kann, muss das Wandlergehäuse zumindest mit einem Schaumstoffmaterial ummantelt werden. Der Resonanzraum innerhalb des Wandlergehäuses eines Ultraschallwandlers muss mit weichem Füllmaterial ausgegossen werden. Damit weisen derartige Ultraschallsensoren bedingt durch eine hohe Anzahl an Einzelteilen und durch eine aufwändige Montage unerwünscht hohe Herstellkosten auf.at known ultrasonic sensors of this kind, the transmitter and the receiver each in a sensor housing installed and inside the housing during installation aligned, that is to be adjusted. The transmitter and the receiver also has connection cables connected to electronic components need to be contacted. In addition, these must Connection cables are shielded, so as to protect against electromagnetic To realize disturbances. The transmitter and the receiver Such an ultrasonic sensor each form an ultrasonic transducer with a piezoelectric element which generate ultrasonic waves or can receive. This piezoelectric element is in one Converter housing, consisting of metal or hard plastic, integrated. So that after the installation of such a converter housing No structure-borne sound into the sensor housing of the ultrasonic sensor transmitted from the ultrasonic transducer to the sensor housing can, the converter housing must be at least with a foam material be sheathed. The resonance space within the converter housing an ultrasonic transducer must use soft filler material be poured out. Thus, such ultrasonic sensors conditionally through a high number of individual parts and through a complex Assembly undesirable high production costs.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallsensor beziehungsweise einen Ultraschallwandler der eingangs genannten Art bereitzustellen, welcher bei hoher Funktionalität einfach und kostengünstig herstellbar ist.Of the Invention is based on the object, an ultrasonic sensor or to provide an ultrasonic transducer of the type mentioned, which is simple and inexpensive with high functionality can be produced.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale der Ansprüche 1 und 10 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.to Solution to this problem are the features of the claims 1 and 10 provided. Advantageous embodiments and expedient developments of the invention described in the subclaims.

Der erfindungsgemäße Ultraschallsensor umfasst einen Ultraschallwellen emittierenden Sender, einen Ultraschallwellen empfangenden Empfänger, eine Auswerteelektronik zur Generierung eines Objektfeststellungssignals in Abhängigkeit der Empfangssignale am Ausgang des Empfängers und ein Sensorgehäuse. Das Sensorgehäuse weist einen Gehäusekörper mit einer seitlichen Gehäuseöffnung auf, welche mit einem Gehäusedeckel als weiterem Bestandteil des Sensorgehäuses abschließbar ist. Der Sender, der Empfänger und eine Leiterplatte mit Komponenten der Auswerteelektronik sind über die offene Gehäuseöffnung in Aufnahmen im Gehäusekörper einführbar.Of the Ultrasonic sensor according to the invention comprises a Ultrasonic wave emitting transmitter, an ultrasonic wave Receiving receiver, an evaluation for generation an object detection signal in response to the received signals at the output of the receiver and a sensor housing. The sensor housing has a housing body with a lateral housing opening on which with a housing cover as a further component of the sensor housing is lockable. The transmitter, the receiver and a printed circuit board with components of the evaluation are over the open housing opening in receptacles in the housing body insertable.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors besteht darin, dass bereits durch das Einlegen des Senders und des Empfängers in die Aufnahmen, die in der seitlichen Gehäuseöffnung offen liegen, deren Achsen korrekt zueinander ausgerichtet sind. Der Sender und der Empfänger sind damit ohne weitere Einstellvorgänge justiert. Auch die Leiterplatte mit der darauf integrierten Auswerteelektronik ist in der für diese vorgesehenen Aufnahme des Sensorgehäuses in ihrer Sollposition lagefixiert. Die Montage dieser Komponenten des Ultraschallsensors kann somit schnell und einfach durchgeführt werden.One significant advantage of the ultrasonic sensor according to the invention is that already by inserting the transmitter and the Receiver in the receptacles, in the side case opening open, whose axes are aligned correctly with each other. The transmitter and the receiver are thus without further adjustment operations adjusted. Also the printed circuit board with the evaluation electronics integrated on it is in the intended for this recording of the sensor housing Fixed in position. The assembly of these components The ultrasonic sensor can thus be performed quickly and easily become.

Besonders vorteilhaft ist das Sensorgehäuse einstückig ausgebildet, indem der Gehäusedeckel mit dem Gehäusekörper über ein Filmscharnier verbunden ist, so dass der Gehäusedeckel am Gehäusekörper einfach zu- und aufklappbar angeordnet ist.Especially Advantageously, the sensor housing is integrally formed, by the housing cover with the housing body over a film hinge is connected so that the housing cover simply on the housing body open and hinged arranged is.

Prinzipiell kann der Ultraschallsensor nach dem Reflexionsprinzip arbeiten. Alternativ arbeitet der Ultraschallsensor nach dem Transmissionsprinzip. Hierzu ist das Sensorgehäuse besonders vorteilhaft gabelförmig ausgebildet, wobei das Sensorgehäuse zwei Gabelarme aufweist, deren Längsachsen parallel zueinander verlaufen. In einem Gabelarm ist der Sender und im anderen Gabelarm der Empfänger angeordnet.in principle the ultrasonic sensor can work according to the reflection principle. Alternatively, the ultrasonic sensor works according to the transmission principle. For this purpose, the sensor housing is particularly advantageous bifurcated formed, wherein the sensor housing has two fork arms, their longitudinal axes parallel to each other. In one Fork arm is the transmitter and arranged in the other fork arm of the receiver.

Die in den Gabelarmen gelagerten Sender und Empfänger sind damit in ihren Sollpositionen korrekt zueinander gegenüberliegend mit zusammenfallenden Achsen ausgerichtet, so dass Objekte, die sich zwischen den Gabelarmen befinden, sicher erkannt werden können.The in the fork arms stored transmitter and receiver are thus in their desired positions correctly opposite to each other Aligned with coinciding axes, allowing objects to move between the fork arms, can be reliably detected.

Um Rückreflektionen der Ultraschallwellen von den Objekten zum Sender und dadurch bedingte stehende Ultraschallwellen, welche die Objektdetektion beeinträchtigen, zu vermeiden, sind der Sender und der Empfänger in den Gabelarmen gegenüberliegend angeordnet. Deren Achsen sind um einen vorgegebenen Winkel zum Lot auf die Längsachsen der Gabelarme geneigt. Dabei verläuft die Förderrichtung von zu detektierenden Objekten senkrecht zu der von den Gabelarmen aufgespannten Ebene.Around Reverse reflections of the ultrasonic waves from the objects to the transmitter and consequent standing ultrasonic waves, which object detection are to be avoided the transmitter and the receiver in the fork arms opposite each other arranged. Their axes are at a predetermined angle to the lot inclined to the longitudinal axes of the fork arms. It goes the conveying direction of objects to be detected perpendicular to the plane spanned by the fork arms.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die einander zugewandten Seiten der Gabelarme, welche die Austrittsflächen aufweisen, an welchen der Sender oder Empfänger ausmünden, einen konvex geformten Querschnitt auf.In an advantageous embodiment, the facing each other Sides of the fork arms which have the exit surfaces, to which the sender or receiver a convex shaped cross section.

Dadurch werden Ultraschallwellen, die bei der Objektdetektion auf das Sensorgehäuse treffen, an diesen konvex ausgebildeten Gehäusewandsegmenten aus der Detektionsebene wegreflektiert und treffen somit nicht auf den Empfänger. Somit werden auf einfache Weise störende Rückreflexionen der Ultraschallwellen vom Gehäuse auf den Empfänger vermieden.Thereby Ultrasonic waves are used in object detection on the sensor housing meet, at these convex housing wall segments reflected away from the detection plane and thus do not occur the recipient. This will be annoying in a simple way Back reflections of the ultrasonic waves from the housing avoided on the receiver.

Bei bestimmten Applikationen kann es notwendig sein, den Strahlquerschnitt der vom Sender emittierten Ultraschallwellen oder das Sichtfeld des Empfängers durch eine Blende zu begrenzen. Bei dem Sensorgehäuse des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors können derartige Blenden aufgerastet werden. Die bisher hierfür notwendigen Schraubverbindungen entfallen, wodurch die Montage des Ultraschallsensors weiter vereinfacht wird.at For certain applications, it may be necessary to use the beam cross-section the ultrasonic waves emitted by the transmitter or the field of view of the receiver by a diaphragm limit. In which Sensor housing of the ultrasonic sensor according to the invention Such panels can be snapped on. The so far necessary screw connections omitted, which the mounting of the ultrasonic sensor is further simplified.

Der erfindungsgemäße Ultraschallsensor kann als Anschlussmittel wahlweise eine Stiftleiste oder einen Stecker aufweisen. Durch entsprechend ausgebildete Aufnahmen im Sensorgehäuse können diese Anschlussmittel einfach im Ultraschallsensor integriert werden.Of the Ultrasonic sensor according to the invention can be used as a connection means optionally have a pin header or a plug. By appropriately trained Recordings in the sensor housing can make these connection means easily integrated in the ultrasonic sensor.

Der erfindungsgemäße Ultraschallwandler dient zur Ausbildung eines Ultraschallwellen emittierenden Senders und/oder eines Ultraschallwellen empfangenden Empfängers, insbesondere für einen Ultraschallsensor, und weist ein Wandlergehäuse aus weichem Material, welches ein Mittel zur Körperschallentkopplung bildet, auf.Of the Ultrasonic transducer according to the invention serves for Forming a transmitter emitting ultrasonic waves and / or an ultrasonic wave receiving receiver, in particular for an ultrasonic sensor, and has a converter housing soft material, which is a means of structure-borne sound decoupling makes up.

Da das Wandlergehäuse durch die Ausbildung aus weichem Material selbst Mittel zur Körperschallentkopplung bildet, kann der so ausgebildete Ultraschallwandler ohne eine zusätzliche Ummantelung aus Schaumstoffmaterial in einer externen Einheit, insbesondere im Sensorgehäuse des Ultraschallsensors montiert werden. Weiterhin ist vorteilhaft, dass auch der Resonanzraum im Innenraum des Wandlergehäuses nicht mehr mit weichem Füllmaterial befüllt werden muss. Vielmehr kann der Innenraum des Wandlergehäuses als Hohlraum belassen werden, durch welchen Anschusslitzen eines piezoelektrischen Elements geführt werden können. Das piezoelektrische Element selbst, welches ein Medium zum Senden oder Empfangen von Ultraschallwellen bildet und auf welchen vorzugsweise eine Anpassschicht aufgebracht ist, kann am Wandlergehäuse einfach dadurch montiert werden, indem es in eine Nut des Wandlergehäuses eingesteckt wird. Bei dieser Montage werden zunächst die Anschlusslitzen in den Hohlraum des Wandlergehäuses eingeführt und dann durch eine Öffnung an der Rückseite des Wandlergehäuses geführt, so dass die freien Enden der Anschlusslitzen über das Wandlergehäuse hervorstehen. Dann wird das piezoelektrische Element in die Nut eingesetzt, so dass es die offene Frontseite des Wandlergehäuses dicht abschließt, das heißt es werden keine zusätzlichen Dichtmittel zur Abdichtung des Wandlergehäuses benötigt.There the converter housing by the formation of soft material itself forms means for structure-borne noise decoupling the thus formed ultrasonic transducer without an additional Enclosure of foam material in an external unit, in particular be mounted in the sensor housing of the ultrasonic sensor. Furthermore, it is advantageous that the resonant space in the interior of the Transformer housing no longer with soft filler must be filled. Rather, the interior of the converter housing be left as a cavity through which Anschusslitzen a can be performed piezoelectric element. The piezoelectric element itself, which is a medium for sending or Receiving ultrasonic waves forms and on which preferably a Matching layer is applied, can be easy on the converter housing be mounted by placing it in a groove of the converter housing is inserted. In this assembly, the first Pigtails inserted into the cavity of the converter housing and then through an opening at the back of the Converter housing guided so that the free ends the connecting leads protrude over the transducer housing. Then, the piezoelectric element is inserted into the groove, so that it is the open front of the converter housing tight that means there will be no extra Requires sealing means for sealing the converter housing.

In der die Mantelfläche bildenden Wand des hülsenförmigen Wandlergehäuses ist eine in Umfangsrichtung des Wandlergehäuses verlaufende und an dessen Rückseite ausmündende Aussparung vorgesehen, in welche eine metallische Abschirmhülse einsetzbar ist.In the lateral surface forming wall of the sleeve-shaped Transducer housing is one in the circumferential direction of the converter housing running and at the back ausmündende Recess provided in which a metallic shielding sleeve can be used.

Die Abschirmhülse dient nicht nur zur Abschirmung des Wandlergehäuses, sondern auch zur Abschirmung der Anschlusslitzen, da die Abschirmhülse über das hintere Ende des Wandlergehäuses hervorsteht und so die freiliegenden Enden der Anschlusslitzen abschirmt.The Shielding sleeve serves not only to shield the converter housing, but also to shield the connecting wires, since the shielding over the rear end of the transducer housing protrudes and so on shields the exposed ends of the pigtails.

Gleichzeitig bildet der hintere, freie Rand der Abschirmhülse einen Adapter zur Montage des Ultraschallwandlers an einer externen Einheit. Für den Fall, dass jeweils ein Ultraschallwandler den Sender beziehungsweise Empfänger des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors bildet, sind das Wandlergehäuse und die Abschirmhülse des jeweiligen Ultraschallwandlers so ausgebildet, dass diese passgenau in die Aufnahmen des Sensorgehäuses eingefügt werden können.simultaneously The rear, free edge of the shielding sleeve forms one Adapter for mounting the ultrasonic transducer on an external unit. In the event that each one ultrasonic transducer, the transmitter or Receiver of the ultrasonic sensor according to the invention forms are the converter housing and the shielding sleeve the respective ultrasonic transducer designed so that these fit inserted into the receptacles of the sensor housing can be.

Zwar werden die Anschlusslitzen der Ultraschallwandler mit der Leiterplatte direkt oder über Anschlussleitungen verbunden. Da das Wandlergehäuse jedes Ultraschallwandlers selbst die Mittel zur Körperschallentkopplung bilden, brauchen keine separaten Mittel hierfür vorgesehen sein. Besonders vorteilhaft ist die Abschirmhülse des den Empfänger bildenden Ultraschallwandlers so ausgebildet, dass diese auf der Leiterplatte aufgerastet werden kann. Die Form der Abschirmhülse ist dabei so ausgebildet, dass nach dem Aufrasten auf der Leiterplatte der von diesem Ultraschallwandler gebildete Empfänger in seiner korrekten Sollposition im Sensorgehäuse liegt.Though be the connecting leads of the ultrasonic transducer with the circuit board connected directly or via connecting lines. Because the converter housing each ultrasonic transducer itself the means for structure-borne sound decoupling do not need separate means for this purpose be. Particularly advantageous is the shielding of the Receiver forming ultrasonic transducer designed so that this can be snapped onto the circuit board. Form the shielding sleeve is designed so that after the Snapping on the circuit board of this ultrasonic transducer formed receiver in its correct nominal position in Sensor housing is located.

Mit den von den erfindungsgemäßen Ultraschallwandlern gebildeten Sendern und Empfängern des Ultraschallsensors kann dieser somit einfach und schnell montiert werden.With that of the ultrasonic transducers according to the invention formed transmitters and receivers of the ultrasonic sensor This can thus be easily and quickly mounted.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:The The invention will be explained below with reference to the drawings. Show it:

1: Seitenansicht eines Ultraschallsensors bei geöffnetem Sensorgehäuse. 1 : Side view of an ultrasonic sensor with the sensor housing open.

2: Querschnitt durch das Sensorgehäuse des Ultraschallsensors gemäß 1. 2 : Cross section through the sensor housing of the ultrasonic sensor according to 1 ,

3: Einzeldarstellung einer Leiterplatte eines Senders und eines Empfängers für den Ultraschallsensor gemäß 1. 3 : Individual representation of a printed circuit board of a transmitter and a receiver for the ultrasonic sensor according to 1 ,

4: Aufbau eines Ultraschallwandlers für den Ultraschallsensor gemäß 1. 4 : Construction of an Ultrasonic Transducer for the Ultrasonic Sensor According to FIG 1 ,

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Ultraschallsensors 1 zur Erfassung von Objekten. Der Ultraschallsensor 1 kann insbesondere zur Detektion von mehrlagigen Objektstrukturen eingesetzt werden. Beispielsweise können mit dem Ultraschallsensor 1 Etiketten auf Trägermaterialen detektiert werden. Wei terhin kann mit dem Ultraschallsensor 1 eine Doppelbogenkontrolle derart durchgeführt werden, dass Einfachbögen von Doppelbögen, das heißt zwei aufeinander liegenden Bögen, unterschieden werden können. 1 shows an embodiment of an ultrasonic sensor 1 for capturing objects. The ultrasonic sensor 1 can be used in particular for the detection of multi-layered object structures. For example, with the ultrasonic sensor 1 Labels are detected on carrier materials. Wei terhin can with the ultrasonic sensor 1 a double-sheet control are performed so that single sheets of double sheets, that is two superimposed sheets, can be distinguished.

Die Komponenten des Ultraschallsensors 1 sind in einem gabelförmigen Sensorgehäuse 2 integriert. Das Sensorgehäuse 2 besteht vorzugsweise aus Kunststoff. Das Sensorgehäuse 2 weist einen Gehäusekörper 3 sowie einen Gehäusedeckel 4 auf, wobei der Gehäusedeckel 4 über ein Filmscharnier 5 verbunden ist, so dass das Sensorgehäuse 2 einstückig ausgebildet ist.The components of the ultrasonic sensor 1 are in a fork-shaped sensor housing 2 integrated. The sensor housing 2 is preferably made of plastic. The sensor housing 2 has a housing body 3 and a housing cover 4 on, with the housing cover 4 about a movie hinge 5 connected so that the sensor housing 2 is integrally formed.

Das Sensorgehäuse 2 ist gabelförmig ausgebildet und weist zwei parallel in Abstand zueinander verlaufende Gabelarme 2a, 2b auf. Ein Querschnitt durch das Sensorgehäuse 2 im Bereich der Gabelarme 2a, 2b ist in 2 dargestellt.The sensor housing 2 is forked and has two parallel spaced apart extending fork arms 2a . 2 B on. A cross section through the sensor housing 2 in the area of the fork arms 2a . 2 B is in 2 shown.

Der Ultraschallsensor 1 gemäß 1 weist einen Ultraschallwellen emittierenden Sender 6 und einen Ultraschallwellen empfangenden Empfänger 7 auf. Weiterhin ist eine Leiterplatte 8 vorgesehen, auf welcher die elektronischen Komponenten einer Auswerteelektronik vorgesehen sind. Wie aus 1 ersichtlich, wird mit dem Gehäusedeckel 4 das Sensorgehäuse 2 seitlich abgeschlossen. Bei geöffnetem Gehäusedeckel 4 liegt eine seitliche Gehäuseöffnung des Gehäusekörpers 3 frei. Über diese Gehäuseöffnung werden die Komponenten des Ultraschallsensors 1 in den Gehäusekörper 3 eingeführt und dort in Aufnahmen, die von an der Gehäuseöffnung ausmündenden Hohlräumen des Gehäusekörpers 3 gebildet sind, passgenau eingesetzt. Die Aufnahmen sind dabei so ausgebildet, dass die Leiterplatte 8 und insbesondere der Sender 6 und Empfänger 7 nach Einsetzen in diese Aufnahmen bereits exakt in ihren Sollpositionen im Sensorgehäuse 2 angeordnet sind, so dass kein Ausrichten dieser Komponenten innerhalb des Sensorgehäuses 2 erforderlich ist.The ultrasonic sensor 1 according to 1 has a transmitter emitting ultrasonic waves 6 and an ultrasonic wave receiving receiver 7 on. Furthermore, a circuit board 8th provided on which the electronic components of a transmitter are provided. How out 1 can be seen, with the housing cover 4 the sensor housing 2 completed laterally. With the housing cover open 4 is a lateral housing opening of the housing body 3 free. About this housing opening are the components of the ultrasonic sensor 1 in the housing body 3 introduced and there in shots of the opening at the housing opening cavities of the housing body 3 are formed, used accurately. The recordings are designed so that the circuit board 8th and especially the transmitter 6 and receiver 7 after insertion into these recordings already exactly in their nominal positions in the sensor housing 2 are arranged so that no alignment of these components within the sensor housing 2 is required.

Die Leiterplatte 8 mit den zugeordneten Sensorkomponenten, das heißt dem Sender 6 und Empfänger 7, ist in 3 in einer Einzeldarstellung dargestellt. Während der Empfänger 7 direkt auf der Unterseite der Leiterplatte 8 aufsitzt und dort befestigt ist, ist der Sender 6 über eine Anschlussleitung 9 mit der Leiterplatte 8 verbunden. An der Oberseite der Leiterplatte 8 ist, dem Empfänger 7 gegenüberliegend, ein Schirmblech 10 befestigt um den Empfänger 7, insbesondere den Verstärker des Empfängers 7, gegen elektromagnetische Störungen zu schützen. Auf der Leiterplatte 8 sitzt zudem eine Stiftleiste 11 als elektrisches Anschlussmittel auf. Alternativ kann ein Stecker vorgesehen sein.The circuit board 8th with the associated sensor components, that is the transmitter 6 and receiver 7 , is in 3 presented in a single representation. While the receiver 7 directly on the bottom of the circuit board 8th is seated and fixed there, is the transmitter 6 via a connecting cable 9 with the circuit board 8th connected. At the top of the circuit board 8th is, the receiver 7 opposite, a shroud 10 attached to the receiver 7 , in particular the amplifier of the receiver 7 to protect against electromagnetic interference. On the circuit board 8th also sits a pin header 11 as an electrical connection means. Alternatively, a plug may be provided.

Zur Montage des Ultraschallsensors 1 werden die miteinander verbundenen, in 3 einzeln dargestellten Komponenten des Ultraschallsensors 1 über die seitliche Gehäuseöffnung in den Gehäusekörper 3 und in den hierfür vorgesehenen, passgenau ausgebildeten Aufnahmen eingeführt, wonach das Sensorgehäuse 2 durch Schließen des Gehäusedeckels 4 abgeschlossen wird.For mounting the ultrasonic sensor 1 be the interconnected, in 3 individually shown components of the ultrasonic sensor 1 via the lateral housing opening in the housing body 3 and introduced in the space provided for this, accurately formed recordings, after which the sensor housing 2 by closing the housing cover 4 is completed.

Wie aus 1 ersichtlich, ist der Sender 6 im unteren Gabelarm 2a dem Empfänger 7 im oberen Gabelarm 2b gegenüberliegend angeordnet, so dass deren Achsen A zusammenfallen. Die Achsen A des Senders 6 und des Empfängers 7 sind dabei um einen Neigungswinkel zum Lot auf die Längsachsen der Gabelarme 2a, 2b geneigt. Dabei verläuft die Neigung der Achsen A in der von den Längsachsen der Gabelarme 2a, 2b aufgespannten Ebene und senkrecht zur Förderrichtung, in welcher die zu detektierenden Objekte durch den Zwischenraum zwischen den Gabelarmen 2a, 2b bewegt werden. Die Förderrichtung der Objekte verläuft senkrecht zur Zeichenebene. Durch diese Anordnung wird die Ausbildung von bei der Objektdetektion störenden stehenden Wellen vermieden.How out 1 apparent, is the transmitter 6 in the lower fork arm 2a the recipient 7 in the upper fork arm 2 B arranged opposite one another so that their axes A coincide. The axes A of the transmitter 6 and the recipient 7 are at an inclination angle to the solder on the longitudinal axes of the fork arms 2a . 2 B inclined. In this case, the inclination of the axes A in the of the longitudinal axes of the fork arms 2a . 2 B spanned plane and perpendicular to the conveying direction, in which the objects to be detected by the gap between the fork arms 2a . 2 B to be moved. The conveying direction of the objects is perpendicular to the plane of the drawing. By this arrangement, the formation of disturbing in the object detection standing waves is avoided.

Generell erfolgt die Detektion von Objekten derart, dass der Sender 6 entlang der Achse A Ultraschallwellen in Richtung des Empfängers 7 emittiert, wobei die Ultraschallwellen bei Durchgang durch ein Objekt entsprechend geschwächt werden. In der Auswerteelektronik wird in Abhängigkeit der Empfangssignale ein Objektfeststellungssignal generiert und über einen in den Anschlussmitteln integrierten Ausgang ausgegeben. Im Fall, dass mit dem Ultraschallsensor 1 eine Doppelbogenkontrolle durchgeführt wird, wird durch eine Schwellwertbewertung der Empfangssignale ein binäres Objektfeststellungssignal generiert, dessen Schaltzustände angeben, ob ein Einfachbogen oder ein Doppelbogen detektiert wurde. Ein entsprechendes binäres Objektfeststellungssignal wird bei der Detektion von Etiketten auf Trägermaterialien generiert.In general, the detection of objects takes place in such a way that the transmitter 6 along the axis A ultrasonic waves in the direction of the receiver 7 emitted, wherein the ultrasonic waves are weakened accordingly when passing through an object. In the transmitter an object detection signal is generated in response to the received signals and output via an integrated in the connection means output. In the case that with the Ultra schallsensor 1 a double-sheet check is performed, a threshold value evaluation of the received signals generates a binary object detection signal whose switching states indicate whether a single sheet or a double sheet has been detected. A corresponding binary object detection signal is generated during the detection of labels on carrier materials.

Zur weiteren Erhöhung der Detektionssicherheit sind, wie in 2 dargestellt, die einander zugewandten Seiten der Gabelarme des Sensorgehäuses 2, an welchen die Austrittsflächen des Senders 6 beziehungsweise des Empfängers 7 ausmünden, konvex ausgebildet. Im vorliegenden Fall weisen diese Gehäuseflächen zwei zur Mitte hin spitz umlaufende Teilflächen auf. Auch abgerundete Ausbildungen der Gehäuseflächen sind möglich. Dadurch wird erreicht, dass der Teil der Ultraschallwellen, der vom Sender 6 emittiert wird, ein zu detektierendes Objekt durchdringt und nicht auf den Empfänger 7, sondern auf die angrenzende Gehäusewand trifft, nicht zum Sender 6 oder von dort zurück zum Empfänger 7 reflektiert wird. Damit werden durch Rückreflexionen der Ultraschallwellen bedingte Fehlmessungen vermieden.To further increase the detection security, as in 2 shown, the mutually facing sides of the fork arms of the sensor housing 2 to which the exit surfaces of the transmitter 6 or the recipient 7 open out, convex. In the present case, these housing surfaces have two peripheral to the center pointed peripheral surfaces. Also rounded training of the housing surfaces are possible. This ensures that the part of the ultrasonic waves coming from the transmitter 6 is emitted, an object to be detected penetrates and not on the receiver 7 but hits the adjacent housing wall, not to the transmitter 6 or from there back to the receiver 7 is reflected. This prevents erroneous measurements caused by back reflections of the ultrasonic waves.

Je nach Applikation kann die Detektionswahrscheinlichkeit des Ultraschallsensors 1 noch dadurch erhöht werden, dass vor dem Sender 6 und/oder vor dem Empfänger 7 eine Blende 12 platziert wird. Wie aus 2 ersichtlich, sind in den Gabelarmen 2a, 2b des Sensorgehäuses 2 Rastausnehmungen 13 vorgesehen, so dass die Blenden 12 auf die Gabelarme 2a, 2b aufgerastet werden können.Depending on the application, the probability of detection of the ultrasonic sensor 1 still be increased by that in front of the transmitter 6 and / or in front of the receiver 7 a panel 12 is placed. How out 2 can be seen in the fork arms 2a . 2 B of the sensor housing 2 recesses 13 provided so that the aperture 12 on the fork arms 2a . 2 B can be snapped.

4 zeigt den Aufbau eines Ultraschallwandlers 14, der im vorliegenden Fall den Empfänger 7 des Ultraschallsensors 1 bildet. Der Sender 6 des Ultraschallsensors 1 ist von einem entsprechenden Ultraschallwandler 14 gebildet. Der Ultraschallwandler 14 gemäß 4 weist ein Wandlergehäuse 15 auf, das aus weichem Material, vorzugsweise aus weichem Kunststoff wie TPE besteht, und somit selbst ein Mittel zur Körperschallentkopplung bildet. Das Wandlergehäuse 15 ist hülsenförmig ausgebildet und weist eine offene Front seite sowie eine großteils geschlossene Rückseite mit einer dort angeordneten zentralen Öffnung 16 auf. 4 shows the construction of an ultrasonic transducer 14 , in the present case the receiver 7 of the ultrasonic sensor 1 forms. The transmitter 6 of the ultrasonic sensor 1 is from a corresponding ultrasonic transducer 14 educated. The ultrasonic transducer 14 according to 4 has a converter housing 15 on, which consists of soft material, preferably made of soft plastic such as TPE, and thus itself forms a means for structure-borne sound decoupling. The converter housing 15 is sleeve-shaped and has an open front page and a largely closed back with a central opening arranged there 16 on.

Der Ultraschallwandler 14 weist weiterhin ein piezoelektrisches Element 17 in Form einer metallbeschichteten Keramik auf. Von der Metallbeschichtung an der Rückseite des piezoelektrischen Elements 17 führen Anschlusslitzen 18 weg. Auf der Frontseite des piezoelektrischen Elements 17 ist eine Anpassschicht 19 aufgebracht, die für eine Anpassung des Übergangs zwischen piezoelektrischem Element 17 und der angeordneten Luftschicht sorgt und so eine effiziente Einkopplung der zu empfangenden Ultraschallwellen bewirkt.The ultrasonic transducer 14 further comprises a piezoelectric element 17 in the form of a metal-coated ceramic. From the metal coating on the back of the piezoelectric element 17 lead pigtails 18 path. On the front of the piezoelectric element 17 is a matching layer 19 applied to an adaptation of the transition between piezoelectric element 17 and the arranged air layer ensures and thus causes an efficient coupling of the ultrasonic waves to be received.

Zur Montage des Ultraschallwandlers 14 werden die Anschlusslitzen 18 in den vom Wandlergehäuse 15 begrenzten Resonanzraum, der im vorliegenden Fall als nur mit Luft befüllter Hohlraum ausgebildet ist, eingeführt und dann durch die rückseitige Öffnung 16 des Wandlergehäuses 15 geführt, so dass die freien Enden der Anschlusslitzen 18 über das Wandlergehäuse 15 hinaus hervorstehen. Dann wird das piezoelektrische Element 17 mit der Anpassschicht 19 in eine Nut 20 eingerastet, die an der Innenwand des Wandlergehäuses 15 im Bereich der offenen Frontseite des Wandlergehäuses 15 in Umfangsrichtung umläuft. Durch das Einrasten des piezoelektrischen Elements 17 mit der Anpassschicht 19 in der Nut 20 ist die offene Frontseite des Wandlergehäuses 15 abgeschlossen und der Resonanzraum nach außen abgedichtet. Zur Verbesserung der chemischen Beständigkeit kann die Anpassschicht 19 mit einer Parylenschicht oder dergleichen beschichtet sein.For mounting the ultrasonic transducer 14 become the pigtails 18 in the converter housing 15 limited resonance space, which is formed in the present case as only air-filled cavity inserted and then through the rear opening 16 of the converter housing 15 guided so that the free ends of the pigtails 18 over the converter housing 15 stand out. Then, the piezoelectric element becomes 17 with the matching layer 19 in a groove 20 engaged on the inner wall of the transducer housing 15 in the area of the open front of the converter housing 15 circumscribes in the circumferential direction. By the engagement of the piezoelectric element 17 with the matching layer 19 in the groove 20 is the open front of the converter housing 15 completed and the resonance chamber sealed to the outside. To improve the chemical resistance, the matching layer 19 be coated with a parylene layer or the like.

In der die Mantelfläche des Wandlergehäuses 15 bildenden Wand ist eine in Umfangsrichtung des Wandlergehäuses 15 verlaufende und an dessen Rückseite ausmündende Aussparung vorgesehen, in welche eine metallische Abschirmhülse eingesteckt und dabei dort verrastet wird.In the outer surface of the converter housing 15 forming wall is one in the circumferential direction of the converter housing 15 extending and provided at the rear opening recess, into which a metallic shielding sleeve is inserted and thereby locked there.

Wie aus 4 ersichtlich, steht der hintere Teil der Abschirmhülse über das Wandlergehäuse 15 des Ultraschallwandlers 14 hervor. Der freie Rand der Ab schirmhülse ist dabei so abgeschrägt, dass bei Aufsetzen der Abschirmhülse auf die Leiterplatte 8 des Ultraschallsensors 1 der Ultraschallwandler 14, dass heißt der Empfänger 7, im richtigen Neigungswinkel im Sensorgehäuse 2 gelagert ist. Zur Fixierung an der Leiterplatte 8 stehen vom Rand der Abschirmhülse Rastnasen hervor, die in Bohrungen der Leiterplatte 8 eingerastet werden können. Der über das Wandlergehäuse 15 hervorstehende Teil der Abschirmhülse bildet eine Abschirmung für die Anschlusslitzen 18, so dass diese nicht separat geschirmt werden müssen.How out 4 can be seen, the rear part of the shielding over the converter housing 15 of the ultrasonic transducer 14 out. The free edge of the screen sleeve from is tapered so that when placing the shielding on the circuit board 8th of the ultrasonic sensor 1 the ultrasonic transducer 14 that is the receiver 7 , at the correct angle of inclination in the sensor housing 2 is stored. For fixing to the circuit board 8th Stand from the edge of the shielding sleeve locking lugs in the holes of the circuit board 8th can be locked. The over the converter housing 15 protruding part of the shielding sleeve forms a shield for the connecting wires 18 so they do not have to be shielded separately.

11: Ultraschallsensorultrasonic sensor
22: Sensorgehäusesensor housing
2a2a: Gabelarmfork arm
2b2 B: Gabelarmfork arm
33: Gehäusekörperhousing body
44: Gehäusedeckelhousing cover
55: Filmscharnierfilm hinge
66: Sendertransmitter
77: Empfängerreceiver
88th: Leiterplattecircuit board
99: Anschlussleitungconnecting cable
1010: Schirmblechshroud
1111: Stiftleistepin header
1212: Blendecover
1313: Rastausnehmungenrecesses
1414: Ultraschallwandlerultrasound transducer
1515: Wandlergehäuseconverter housing
1616: Öffnungopening
1717: piezoelektrisches Elementpiezoelectric element
1818: AnschusslitzenAnschusslitzen
1919: Anpassschichtmatching layer
2020: Nutgroove

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- DE 19921217 A1 [0002]

Claims

Ultrasonic sensor having a transmitter emitting ultrasonic waves, a receiver receiving ultrasonic waves, evaluation electronics for generating an object detection signal as a function of the received signals at the output of the receiver, and a sensor housing, characterized in that the sensor housing ( 2 ) a housing body ( 3 ) having a lateral housing opening, which with a housing cover ( 4 ) as a further component of the sensor housing ( 2 ) is lockable, the transmitter ( 6 ), the recipient ( 7 ) and a printed circuit board ( 8th ) with components of the evaluation electronics via the open housing opening in receptacles in the housing body ( 3 ) are insertable.

Ultrasonic sensor according to claim 1, characterized in that the housing cover ( 4 ) with the housing body ( 3 ) via a film hinge ( 5 ) connected is.

Ultrasonic sensor according to one of claims 1 or 2, characterized in that the sensor housing ( 2 ) is fork-shaped.

Ultrasonic sensor according to claim 3, characterized in that the sensor housing ( 2 ) two fork arms ( 2a . 2 B ), whose longitudinal axes are parallel to each other, and that in a fork arm ( 2a ) the transmitter ( 6 ) and in the other fork arm ( 2 B ) the recipient ( 7 ) is arranged.

Ultrasonic sensor according to claim 4, characterized in that the transmitter ( 6 ) and the recipient ( 7 ) in the fork arms ( 2a . 2 B ) are arranged opposite one another, with their axes at a predetermined angle to the solder on the longitudinal axes of the fork arms ( 2a . 2 B ) are inclined.

Ultrasonic sensor according to claim 5, characterized in that the conveying direction of objects to be detected perpendicular to that of the fork arms ( 2a . 2 B ) plane spanned.

Ultrasonic sensor according to one of claims 3 to 4, characterized in that the mutually facing sides of the fork arms ( 2a . 2 B ), which have the exit surfaces to which the transmitter ( 6 ) or recipient ( 7 ), have a convex-shaped cross-section.

Ultrasonic sensor according to one of claims 1 to 7, characterized in that on the sensor housing ( 2 ) an aperture ( 12 ) can be latched for the ultrasonic waves.

Ultrasonic sensor according to one of claims 1 to 8, characterized in that the sensor housing ( 2 ) a receptacle for a pin header ( 11 ) or a plug.

Ultrasonic transducer for forming a transmitter emitting ultrasonic waves ( 6 ) and / or an ultrasonic wave receiving receiver ( 7 ), in particular for an ultrasonic sensor ( 1 ) according to one of claims 1 to 9, characterized by a converter housing ( 15 ) made of soft material, which forms a means for structure-borne sound decoupling.

Ultrasonic transducer according to claim 10, characterized in that the transducer housing ( 15 ) a groove ( 20 ) into which a piezoelectric element ( 17 ) is latched.

Ultrasonic transducer according to claim 11, characterized in that on the piezoelectric element ( 17 ) a matching layer ( 19 ) provided with the piezoelectric element ( 17 ) in the groove ( 20 ) of the converter housing ( 15 ) is latched.

Ultrasonic transducer according to one of claims 11 or 12, characterized in that the transducer housing ( 15 ) has the shape of a sleeve with a front opening, wherein the opening with the piezoelectric element ( 17 ) is completed.

Ultrasonic transducer according to one of claims 11 to 13, characterized in that the piezoelectric element ( 17 ) subsequent wall segments of the converter housing ( 15 ) enclose a cavity which forms a resonance space.

Ultrasonic transducer according to one of claims 11 to 14, characterized in that in the resonant space connecting wires ( 18 ) of the piezoelectric element ( 17 ), which via a rear opening of the converter housing ( 15 ) are led out of this.

Ultrasonic transducer according to one of claims 13 to 16, characterized in that in the lateral surface of the forming wall of the sleeve-shaped transducer housing ( 15 ) in the circumferential direction of the converter housing ( 15 ) extending and at the rear Ausmündende recess is provided, in which a metallic shielding sleeve is used.

Ultrasonic transducer according to claim 16, characterized in that the shielding sleeve a shield for the connecting wires ( 18 ).

Ultrasonic transducer according to one of claims 16 or 17, characterized in that the free, via the converter housing ( 15 ) stood out Edge of the shielding sleeve on a printed circuit board ( 8th ) of an ultrasonic sensor ( 1 ) is latched.

Ultrasonic transducer according to claim 18, characterized in that the shape of the shielding sleeve is formed so that after latching of the shielding sleeve in the ultrasonic sensor ( 1 ) arranged circuit board ( 8th ) the axis of the ultrasonic transducer ( 14 ) within the ultrasonic sensor ( 1 ) is aligned correctly.