DE202012100919U1

DE202012100919U1 - Schallkopf zum Erzeugen und/oder Empfangen von Oberflächenschallwellen in einem Objekt und Werkzeug zum Ausrichten einer Wandleranordnung eines Schallkopfes

Info

Publication number: DE202012100919U1
Application number: DE201220100919
Authority: DE
Original assignee: Bestsens AG
Current assignee: Bestsens AG
Priority date: 2012-03-14
Filing date: 2012-03-14
Publication date: 2013-06-17
Anticipated expiration: 2022-03-15

Abstract

Schallkopf zum Erzeugen und/oder Empfangen von Oberflächenschallwellen in einem Objekt, mit – einer Wandleranordnung (2) zum Umsetzen eines elektrischen Signals in Oberflächenschallwellen des Objektes (2001) und/oder zum Umsetzen von Oberflächenschallwellen des Objektes (2001) in ein elektrisches Signal, wobei – der Schallkopf (1) so an dem Objekt (2001) montierbar ist, dass die Wandleranordnung (2) in Kontakt mit einer Oberfläche des Objektes (2001) kommt; und – einem mit der Wandleranordnung (2) zusammenwirkenden elastischen Element (5), das im montierten Zustand des Schallkopfes (1) die Wandleranordnung (2) in Kontakt mit der Oberfläche des Objektes (2001) hält.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schallkopf zum Erzeugen und/oder Empfangen von Oberflächenschallwellen in einem Objekt gemäß Anspruch 1 sowie ein Werkzeug zum Ausrichten einer Wandleranordnung eines Schallkopfes gemäß Anspruch 18.
Aus dem Stand der Technik sind Schallköpfe zum Erzeugen von akustischen Oberflächenwellen bekannt. Als Wandler zum Umsetzen eines elektrischen Signals in ein Schallsignal weisen derartige Schallköpfe beispielsweise Interdigitalwandler auf, die eine auf einem piezoelektrischen Substrat angeordnete, fingerartige Elektrodenstruktur besitzen.
Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem besteht darin, einen Schallkopf bereitzustellen, der eine möglichst reproduzierbare Anregung und/oder eine möglichst verlässliche Registrierung akustischer Oberflächenwellen ermöglicht.
Dieses Problem wird durch den Schallkopf gemäß Anspruch 1 sowie durch das Werkzeug gemäß Anspruch 18 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Danach wird ein Schallkopf zum Erzeugen und/oder Empfangen von Oberflächenschallwellen in einem Objekt bereitgestellt, mit

– einer Wandleranordnung zum Umsetzen eines elektrischen Signals in Oberflächenschallwellen des Objektes und/oder zum Umsetzen von Oberflächenschallwellen des Objektes in ein elektrisches Signal, wobei
– der Schallkopf so an dem Objekt montierbar ist, dass die Wandleranordnung in Kontakt mit der Oberfläche des Objektes kommt; und
– einem mit der Wandleranordnung zusammenwirkenden elastischen Element, das im montierten Zustand des Schallkopfes die Wandleranordnung in Kontakt mit der Oberfläche des Objektes hält.

Insbesondere umfasst die Wandleranordnung einen eingangs bereits erwähnten Interdigitalwandler, der eine auf einem piezoelektrischen Substrat angeordnete fingerartige Elektrodenstruktur aufweist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf einen bestimmten Wandlertypus festgelegt. Denkbar ist z.B. auch, dass die Wandleranordnung ein (z.B. kreiszylindrisches) Piezoelement aufweist, das über eine nicht interdigitale Elektrodenstruktur angesteuert wird, oder einen sonstigen Wandler, d.h. ein Element, das durch Anlegen einer elektrischen Spannung in Schwingungen versetzbar ist.
Nach Montage des Schallkopfes am Objekt steht die Wandleranordnung derart in Kontakt mit dem Objekt (insbesondere mit einer Oberfläche des Objektes), dass sie in dem Objekt akustische Oberflächenwellen anregen bzw. sich in der Oberfläche ausbreitende akustische Oberflächenwellen detektieren kann. Beispielsweise ermöglicht die Wandleranordnung des Schallkopfes die Anregung und/oder Detektion von akustischen Oberflächenwellen in Form von Lamb- oder Rayleighwellen.
Denkbar ist, dass die Wandleranordnung des Schallkopfes so ausgebildet ist, dass ein Piezoelement oder ein sonstiger Wandler der Wandleranordnung in unmittelbaren mechanischen Kontakt mit dem Objekt, in dem die Oberflächenschallwellen anzuregen sind bzw. in der sich die zu empfangenden Oberflächenschallwellen ausbreiten, gebracht werden kann. Möglich ist jedoch auch, dass die Wandleranordnung ein Wandlergehäuse aufweist, in dem das Piezoelement (und z.B. eine Elektrodenstruktur zur Kontaktierung des Piezoelementes) oder ein sonstiger Wandler untergebracht sind, wobei das Wandlergehäuse in Anlage mit dem Objekt gebracht und über das elastische Element in Anlage gehalten wird, d.h. das Piezoelement (z.B. in Form eines piezoelektrischen Substrats) bzw. der sonstige Wandler liegt bei Betrieb des Schallkopfes nicht unmittelbar, sondern mittelbar über das Wandlergehäuse an dem Objekt an. Dies kann den Vorteil haben, dass das Piezoelement und die Elektroden des Wandlers oder sonstige Komponenten des Wandlers vor äußeren Einwirkungen (z.B. Abrieb oder sonstige Verschmutzungen) geschützt sind. Das Wandlergehäuse ist z.B. ein Metallteil, wobei das Material des Wandlergehäuses jedoch an die Erfordernisse anpassbar ist; beispielsweise kann es auch aus einem Kunststoff gebildet sein. Beispielsweise weist das Wandlergehäuse einen sich auf einer dem elastischen Element abgewandten Seite des Piezoelementes erstreckenden Boden auf, über den das Piezoelement bei Betrieb des Schallkopfes auf das Objekt einwirkt.
Insbesondere besteht die Wandleranordnung des erfindungsgemäßen Schallkopfes aus einem Wandler (ein Element, das durch Anlegen einer elektrischen Spannung in Schwingungen versetzbar ist, wie z.B. dem erwähnten Piezoelement) und einem Wandlergehäuse, in dem der Wandler angeordnet ist, wobei das Wandlergehäuse den Wandler nicht zwingend vollständig umgeben muss.
Mittels des elastischen Elementes wird die Wandleranordnung (z.B. das erwähnte Wandlergehäuse) insbesondere mit einem konstanten Anpressdruck gegen die Oberfläche des Objektes gedrückt, so dass beispielsweise eine dauerhafte und möglichst gleichbleibende Anregung von akustischen Oberflächenwellen bzw. Auskopplung von sich in dem Objekt ausbreitenden Oberflächenschallwellen erfolgt.
Der erfindungsgemäße Schallkopf wird insbesondere zur Überwachung des Objektes eingesetzt, wobei anhand der vom Schallkopf erzeugten und/oder registrierten Oberflächenschallwellen Eigenschaften des Objektes bestimmt werden können. Bei dem Objekt, an dem der Schallkopf angeordnet werden soll, handelt es sich beispielsweise um ein Teil eines Lagers, wie noch weiter unten näher erläutert werden wird.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Schallkopf Befestigungsmittel, über die er an dem Objekt oder an einem an das Objekt angrenzenden Teil kraft- oder formschlüssig befestigbar, insbesondere verschraub- oder verrastbar, ist. Beispielsweise weist der Schallkopf ein Gehäuse auf, wobei die Befestigungsmittel ein Außengewinde des Gehäuses umfassen, über das der Schallkopf in eine mit einem entsprechenden Innengewinde versehene Bohrung des Objektes oder eines an das Objekt angrenzenden Teils einschraubbar ist.
Somit ermöglicht der erfindungsgemäße Schallkopfes eine Erzeugung und/oder Registrierung von akustischen Oberflächenwellen in dem Objekt ohne Klebverbindung, so dass an dem Objekt keine wesentlichen Veränderungen vorgenommen werden müssen und z. B. in eine möglicherweise bestehenden Gewährleistung in Bezug auf das Objekt nicht eingegriffen wird. Auch ist es möglich, den Schallkopf jederzeit auszubauen und beispielsweise in einem anderen Objekt zu verwenden. Insbesondere ist der Schallkopf auf einfache Weise an dem Objekt nachrüstbar, wobei z. B. lediglich eine Bohrung in einen Bereich des Objektes bzw. in ein an das Objekt angrenzendes Teil eingebracht und ein mit dem Außengewinde des Gehäuses des Schallkopfes korrespondierendes (Fein-)Gewinde erzeugt werden muss. Das Gehäuse (z.B. die Position des Außengewindes) ist insbesondere so bemessen, dass einem zu starken Anpressen, Positionierfehlern und/oder Beschädigungen der Wandleranordnung entgegengewirkt wird.
Die Wandleranordnung ist mittels des elastischen Elementes insbesondere gegen eine Oberfläche des Objektes vorspannbar, d. h. der Schallkopf wird so an dem Objekt montiert, dass das elastische Element zumindest mittelbar einen gewissen Druck auf die Wandleranordnung (z.B. auf ein Wandlergehäuse) ausübt, der sie in Anlage mit der Oberfläche des Objektes hält. Beispielsweise ist das elastische Element in Form einer Schraubenfeder ausgebildet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine bestimmte Ausgestaltung des elastischen Elementes festgelegt. Vielmehr kommen im Prinzip beliebige Arten von elastischen Elementen in Frage, beispielsweise ein (z.B. zylindrischer) Einsatz aus einem elastischen Material.
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung umfasst der Schallkopf eine Aufnahme, in der das elastische Element angeordnet ist, wobei die Aufnahme ein Gegenlager für das elastische Element bildet. Beispielsweise drückt ein erster Abschnitt des elastischen Elementes gegen die Wandleranordnung (insbesondere gegen ein Wandlergehäuse), während ein zweiter Abschnitt gegen eine der Wandleranordnung entlang einer Längsrichtung des elastischen Elementes gegenüberliegende Innenseite der Aufnahme drückt. Denkbar ist auch, dass in der Aufnahme zumindest teilweise auch die Wandleranordnung des Schallkopfes angeordnet ist.
Des Weiteren ist es denkbar, dass der Schallkopf ein Positionierelement zum Positionieren (z.B. Zentrieren) des elastischen Elementes aufweist; z.B. wird das elastische Element mit Hilfe des Positionierelementes symmetrisch in Bezug auf eine Mittelachse der Wandleranordnung (insbesondere eines Wandlergehäuses der Wandleranordnung) positioniert. Beispielsweise handelt es sich, wie oben bereits erwähnt, bei dem elastischen Element um eine Schraubenfeder, wobei sich das Positionierelement axial durch die Schraubenfeder hindurch erstreckt und so für eine Zentrierung der Schraubenfeder sorgt.
Möglich ist, dass es sich bei dem Positionierelement um einen zumindest teilweise als Hohlkörper (insbesondere zumindest abschnittsweise kreiszylindrisches) ausgebildetes Element handelt. Das Positionierelement ist beispielsweise zumindest mittelbar mit einem Wandlergehäuse verbunden, z. B. stoffschlüssig (etwa unter Verwendung von Epoxidharz) oder über sonstige Befestigungsmittel. Möglich ist jedoch auch, dass weitere Komponenten des Schallkopfes zwischen dem Positionierelement und der Wandleranordnung angeordnet sind, z. B. ein Sensor (etwa ein Temperatursensor, über den eine Temperatur des Objektes bestimmbar ist).
Darüber hinaus kann sich das Positionierelement in einem Hohlraum eines Gehäuses des Schallkopfes erstrecken, wobei es sich bei dem Hohlraum z.B. um die Aufnahme, in der auch das elastische Element angeordnet ist, und/oder eine sich dieser Aufnahme anschließende Ausnehmung des Gehäuses handelt.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung weist das Positionierelement eine Anlagefläche zum Anlegen eines Werkzeuges auf, so dass das Positionierelement und damit die Wandleranordnung unter Verwendung des Werkzeuges ausgerichtet, insbesondere gedreht, werden kann. Beispielsweise besitzt die Wandleranordnung eine anisotrope Richtcharakteristik, wobei die Wandleranordnung unter Verwendung des Werkzeuges gedreht werden kann, um ihren Abstrahlungs- bzw. Empfangsbereich ausrichten zu können.
Der Schallkopf kann zudem eine Verdrehsicherung aufweisen, die zwar ein manuelles Verdrehen der Wandleranordnung, insbesondere unter Verwendung des erwähnten Werkzeugs, ermöglicht, die jedoch ein unerwünschtes Verdrehen durch eine Bewegung (z. B. Vibrationen) des Objektes hemmt. Denkbar ist, dass die Verdrehsicherung über Mittel realisiert ist, die die Reibung zwischen dem (etwa mit einem Wandlergehäuse verbundenen) Positionierelement und einer Innenseite der Aufnahme, in der das elastische Element und das Positionierelement angeordnet sind, erhöht. Beispielsweise handelt es sich bei der Verdrehsicherung um einen entsprechend reibungserhöhend ausgebildeten O-Ring (z.B. aus einem gummiartigen Material), der sich um das Positionierelement herum erstreckend in Reibverbindung mit der Innenseite der Aufnahme steht.
Wie erwähnt, kann das Positionierelement zumindest abschnittsweise als Hohlkörperausgebildet sein, wobei sich beispielsweise eine mit der Wandleranordnung, z.B. mit einem Piezoelement der Wandleranordnung, (insbesondere fest) verbundene elektrische Leitung innerhalb des Hohlkörpers erstreckt. Über die elektrische Leitung wird der Schallkopf mit einer externen Ansteuer- und/ oder Auswerteelektronik verbunden. Möglich ist auch, dass der Schallkopf eine Steckverbinder-Kupplung (Buchse) oder einen Stecker aufweist, wobei die Kupplung bzw. der Stecker elektrisch mit der Wandleranordnung verbunden ist, so dass der Anschluss des Schallkopfes an die Ansteuer- und/oder Auswerteelektronik über eine Steckverbindung realisiert werden kann. Beispielsweise erstreckt sich die Kupplung oder der Stecker in das als Hülse ausgebildete Positionierelement hinein.
Die Ansteuer- und/oder Auswerteelektronik befindet sich also insbesondere nicht im Schallkopf, sondern entfernt in einer separaten Einheit. Dies kann den Vorteil haben, dass mit dem Schallkopf keine elektronischen Komponenten in das Objekt (z.B. ein Maschinenteil) eingebracht werden müssen, die empfindlich z.B. gegenüber höheren Temperaturen und/oder Vibrationen oder elektromagnetischer Strahlung sind. Darüber hinaus kann eine zentrale Ansteuer- und/oder Auswerteelektronik realisiert werden, über die mehrere Schallköpfe betrieben und/oder die Signale mehrerer Schallköpfe ausgewertet werden können, wobei die mehreren Schallköpfe an demselben Objekt oder an verschiedenen (z.B. voneinander beanstandeten) Objekten angeordnet sein können. Insbesondere kann die Ansteuer- und/oder Auswerteelektronik an die Anzahl der ihr zugeordneten Schallköpfe angepasst werden.
Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung aus einem Objekt und mindestens einem wie oben beschriebenen erfindungsgemäßen Schallkopf, wobei der Schallkopf in eine Bohrung des Objektes oder eines an das Objekt angrenzenden Teiles eingesetzt ist, z. B. in der Bohrung verschraubt oder verrastet ist. Beispielsweise handelt es sich bei dem Objekt um ein Teil eines Lagers, wobei der Schallkopf z.B. in einer Bohrung in einem an das Teil des Lagers angrenzenden Lagerbock angeordnet ist. Denkbar ist insbesondere, dass es sich bei dem Lager um ein Gleitlager oder ein Kugellager handelt und der Schallkopf in eine Bohrung in einem Lagerbock eines derartigen Lagers eingesetzt ist, um das Lager mittels der erzeugten Oberflächenwellen zu überwachen. Die Erzeugung und Registrierung von Oberflächenschallwellen und Analyse der Wandlersignale zur Überwachung eines Lagers ist z.B. in der internationalen Patentanmeldung PCT/EP 2011/066 245 vom 19.09.2011 beschrieben, auf die hiermit insofern ausdrücklich Bezug genommen wird.
Denkbar ist insbesondere, dass die Anordnung zumindest einen Schallkopf aufweist, der als Sender zum Anregen akustischer Oberflächenwellen betrieben wird, und zumindest einen weiteren Schallkopf, der als Empfänger zum Empfangen akustischer Oberflächenwellen dient. Der Schallkopf kann wie erwähnt z.B. zur Überwachung eines Kugellagers eingesetzt werden, wobei er in Verbindung mit einer Ansteuer- und Auswerteelektronik z.B. eine Messung der Schmiermittelmenge, der Käfiggeschwindigkeit, einer Temperatur im Lager und/oder einer Last dienen kann. Denkbar ist auch die Bestimmung weiterer Größen, wie z.B. der Schmiermittelqualität, der Unwucht und/oder des Lagerzustands, Körperschalluntersuchungen und/oder eine Positionsdetektion.
Die Erfindung betrifft auch ein Werkzeug zum Ausrichten der Wandleranordnung eines wie oben beschriebenen erfindungsgemäßen Schallkopfes, wobei das Werkzeug einen von einem Betätigungsabschnitt abstehenden, um eine Längsachse gewölbten Abschnitt aufweist, der mit der Anlagefläche der Hülse des Schallkopfes zusammenwirkt. Beispielsweise ist der gewölbte Abschnitt in Form eines Halbhohlzylinders ausgebildet. Denkbar ist, dass die Anlagefläche des Positionierelementes durch die Stirnseite eines ebenfalls halbhohlzylindrisch ausgebildeten Abschnitts des Positionierelement gebildet ist, die bei Verwendung des Werkzeuges an einer Stirnseite des halbholzylindrischen Abschnittes des Werkzeuges anliegt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Schnittansicht eines Schallkopfes gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine Draufsicht des Schallkopfes aus 1;
3A eine Explosionsansicht des Schallkopfes aus den 1 und 2;
3B eine weitere Explosionsansicht des Schallkopfes aus den 1 und 2;
4 eine teilweise transparente perspektivische Ansicht eines Schallkopfes gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Werkzeug zum Ausrichten der Wandleranordnung; und
5 eine Schnittansicht durch ein Kugellager, an dem zwei erfindungsgemäße Schallköpfe angeordnet sind.
Die 1, 2, 3A und 3B zeigen einen erfindungsgemäßen Schallkopf 1, wobei 1 eine Schnittansicht entlang der Achse A-A in 2 ist. Der Schallkopf 1 weist eine Wandleranordnung 2 auf, die ein über eine Elektrodenstruktur anregbares piezoelektrisches Substrat 21 als Wandler, der durch Anlegen einer elektrischen Spannung in Schwingungen versetzbar ist, umfasst sowie ein topfartiges Wandlergehäuse 3, in dem das piezoelektrische Substrat 21 angeordnet ist. Die Wandleranordnung 2 dient zum Umsetzen eines elektrischen Signals in akustische Oberflächenwellen eines Objektes (nicht dargestellt), an dem der Schallkopf 1 zum Zwecke einer Überwachung von Eigenschaften des Objektes angeordnet wird, und/oder zum Umsetzen von akustischen Oberflächenwellen Objektes in ein elektrisches Signal, wobei elektrische Signale über elektrische Kontakte oder Leitungen 4 des Schallkopfes 1 zu und/oder von der Wandleranordnung 2 übermittelt werden.
Des Weiteren weist der Schallkopf 1 ein mit der Wandleranordnung 2 zusammenwirkendes elastisches Element in Form einer Schraubenfeder 5 auf, die dazu dient, die Wandleranordnung 2 (insbesondere das Wandlergehäuse 3) in Kontakt mit der Oberfläche des Objektes zu halten. Das piezoelektrische Substrat 21 liegt bei Betrieb des Schallkopfes 1 nicht unmittelbar an dem Objekt an, sondern über das Wandlergehäuse 3, genauer gesagt, über einen Boden 32 des Wandlergehäuses 3, der sich auf einer der Feder 5 abgewandten Seite des piezoelektrischen Substrates 21 erstreckt und der zumindest näherungsweise senkrecht zur Wirkrichtung der Feder 5 verläuft. Denkbar ist allerdings auch, dass der Boden 32 eine Öffnung aufweist, durch die das piezoelektrische Substrat 21 hindurchgreift und entsprechend in unmittelbaren Kontakt mit dem Objekt gebracht werden kann.
Das elastische Element 5 und zum Teil auch das Wandlergehäuse 3 sind in einer Aufnahme 6 angeordnet, die als Hohlraum eines Gehäuses (Außengehäuse 7) des Schallkopfes 1 ausgeformt ist. Darüber hinaus umfasst die Wandleranordnung ein Positionierelement in Form eines Zentrierstempels 9, der einen ersten hohlzylindrischen Abschnitt 91 aufweist, der sich zwischen einer Auskragung 31 des Wandlergehäuses 3 und der Schraubenfeder 5 befindet, sowie einen zweiten hohlzylindrischen Abschnitt 92 mit geringerem Durchmesser, der die Schraubenfeder 5 durchgreift und diese in der Aufnahme 6 zentriert. Ein unteres Ende 93 des Zentrierstempels 9 greift in das Wandlergehäuse 3 derart ein, dass eine das untere Ende 93 radial überragenden Stirnseite des ersten Abschnitts 91 des Zentrierstempels 9 an einer dem Boden 32 abgewandten Stirnseite der Auskragung 31 des Wandlergehäuses 3 anliegt und insbesondere mit dieser Stirnseite der Auskragung 31 stoffschlüssig verbunden ist.
Die Feder 5 befindet sich auf einer der Auskragung 31 des Wandlergehäuses 3 abgewandten Seite des von dem zweiten Abschnitt 92 radial abstehenden ersten Abschnitts 91 des Zentrierstempels 9, so dass sie durch Bewegung des Wandlergehäuses 3 und damit des Zentrierstempels 9 entlang der Längsachse des Außengehäuses 7 komprimiert werden kann, wodurch die Wandleranordnung 2 gegen die Oberfläche des zu untersuchenden Objektes vorspannbar ist. Als Gegenlager für die Feder 5 dient eine senkrecht zu Längsachse des Außengehäuses 7 orientierte Innenseite 61 eines dem Wandlergehäuse 3 entlang der Längsachse der Aufnahme 6 gegenüberliegenden Endes der Aufnahme 6. Der Wandlergehäuse 3 mit dem piezoelektrischen Element 21 ist in einem unteren Bereich, d. h. einem dem Objekt zuzuwendenden Ende, der Aufnahme 6 angeordnet, wobei der Innendurchmesser dieses Bereichs der Aufnahme 6 so gewählt ist, dass das Wandlergehäuse 3 entlang der Längsachse des Außengehäuses 7 verschiebbar ist.
Das Außengehäuse 7 des Schallkopfes 1 weist im unteren Bereich der Aufnahme 6 ein Innengewinde auf, über das ein Verschluss 8 mit dem Außengehäuse 7 verschraubt ist und ein Herausrutschen der Wandleranordnung 2 aus dem Außengehäuse 7 verhindert.
Das Außengehäuse 7 weist zudem an seinem dem Verschluss 8 abgewandten Ende ein Außengewinde 72 als Befestigungsmittel auf, über das der Schallkopf 1 in eine Bohrung des zu untersuchenden Objektes oder eines an das Objekt angrenzenden Teils eingeschraubt werden kann (vergleiche 5).
In dem zweiten Abschnitt 92 des Zentrierstempels 9 befindet sich ein mit den elektrischen Leitungen 4 verbundenes Teil in Form einer Kupplung 95 einer Steckverbindung, so dass der Schallkopf 1 über eine Steckverbindung mit einer externen Steuer- und Auswerteeinheit verbunden werden kann. Die Kupplung 95 ist z.B. stoffschlüssig mit dem Zentrierstempel 9 verbunden. Die Kupplung 95 befindet sich ebenfalls in einem durch das Außengehäuse 7 ausgeformten Hohlraum, der in die Aufnahme 6, in dem die Schraubenfeder 5 angeordnet ist, übergeht. Das Außengehäuse 7 des Schallkopfes 1 allein ist in der 3 dargestellt. Darüber hinaus ist es auch möglich, dass ein oder mehrere Sensor(en) (ein Temperatur oder ein Vibrationssensor) in dem Außengehäuse 7 angeordnet sind. In der Explosionsansicht der 3B ist zu erkennen, wie die Kupplung in die zusammengesetzte Wandleranordnung 2 eingesetzt ist.
Die 4 zeigt einen Schallkopf 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Schallkopf der 4 entspricht dem Schallkopf der 1 und 2, wobei jedoch zur Kontaktierung der Wandleranordnung 2 keine Kupplung vorgesehen ist, sondern die Wandleranordnung 2 des Schallkopfes 1 direkt über mit ihm verbundene elektrische Leitungen (in 4 nicht dargestellt) mit einer Ansteuer- und/oder Auswerteelektronik verbunden wird; d. h. in den Zentrierstempel 9 erstreckt sich keine Kupplung 95 hinein, sondern es sind lediglich elektrische Leitungen von der Wandleranordnung 2 durch den Zentrierstempel 9 hindurch nach außen geführt.
Der Zentrierstempel 9 ist wie erwähnt über seinen unteren Abschnitt 91 mit dem Wandlergehäuse 3 verbunden, so dass eine Positionierung (Drehung) des Zentrierstempels 9 eine entsprechende Rotation des Wandlergehäuses 3 und damit der gesamten Wandleranordnung 2 einschließlich des piezoelektrischen Elementes 21 bewirkt. Der Zentrierstempel 9 und das Wandlergehäuse 3 sind so innerhalb der Aufnahme 6 des Außengehäuses 7 angeordnet, dass auch nach der vollständigen Montage des Schallkopfes 1 ein Rotieren des Wandlergehäuses 3 möglich ist, um eine Wandleranordnung 2 mit einer nichtisotropen Abstrahl- bzw. Empfangscharakteristik wunschgemäß ausrichten zu können. Ein nachträgliches Rotieren des Zentrierstempels 9 und damit des Wandlergehäuses 3 erfolgt insbesondere über ein spezielles Werkzeug 10, das einen Kopf 101, der als Betätigungsabschnitt dient, über den das Werkzeug 10 rotiert werden kann, sowie einen länglichen Abschnitt 102 aufweist. Der längliche Abschnitt 102 ist in Form einer Hälfte eines Hohlzylinders ausgebildet ist, so dass er eine sich entlang seiner Längsachse erstreckende Wölbung aufweist.
Ein oberes, der Wandleranordnung 2 abgewandtes Ende 921 des zweiten Abschnitts 92 des Zentrierstempels 9 ist entsprechend gewölbt ausgebildet, d. h. es ist ebenfalls zumindest näherungsweise als Hälfte eines Hohlzylinders (halbhohlzylindrisch) ausgebildet, so dass Stirnseiten 1021 des länglichen Abschnitts 102 des Werkzeuges 10 an Stirnseiten 9211 des gewölbten Endes 921 des Zentrierstempels 9 angelegt werden können. Somit wird eine Rotation des Werkzeuges 10 auf den Zentrierstempel 9 und damit auf das Wandlergehäuse 3 der Wandleranordnung 2 übertragen. Der Kopf 101 des Werkzeuges 10 weist noch eine Öffnung 1011 auf, in die ein (z.B. längliches) Betätigungselement (nicht dargestellt) hindurchgeführt werden kann, um das manuelle Rotieren des Werkzeuges 10 zu erleichtern.
Es wird darauf hingewiesen, dass das in 4 dargestellte Werkzeug 10 natürlich auch mit dem Schallkopf der 1 und 2 verwendet werden kann, wobei der dort verwendete Zentrierstempel 9 einen entsprechend gewölbten oberen Abschnitt aufweist.
Möglich ist auch, dass der Schallkopf 1 eine als O-Ring (nicht dargestellt) ausgebildete Verdrehsicherung aufweist, die zwar ein manuelles Verdrehen der Wandleranordnung 2, insbesondere unter Verwendung des erwähnten Werkzeugs 10, ermöglicht, die jedoch einem unerwünschten Verdrehen durch eine Bewegung (z. B. Vibrationen) des Objektes entgegenwirkt. Der O-Ring erstreckt sich z.B. so um den hohlzylindrischen Abschnitt 92 des Zentrierstempels 9 herum, dass er sich in Reibverbindung sowohl mit dem Abschnitt 92 als auch mit einer Innenseite der Aufnahme 6 befindet.
5 zeigt eine Anordnung mit einem Objekt in Form eines Kugellagers 200, das einen Außenring 2001 und einen Innenring 2002 umfasst, zwischen denen Wälzelemente in Form von Kugeln 2003 angeordnet sind. Der Außenring 2001, der Innenring 2002 sowie die Kugeln 2003 sind in einer Aussparung eines Lagerbocks 2004 untergebracht.
Der Lagerbock 2004 weist zwei Bohrungen 2005 auf, in die jeweils ein erfindungsgemäßer Schallkopf 1 eingesetzt ist. Genauer sind die Schallköpfe 1 jeweils über ein Außengewinde 72 ihres Außengehäuses 7 in die Bohrung 2005 eingeschraubt, und zwar so, dass die Wandleranordnungen 2 (insbesondere die Wandlergehäuse) der Schallköpfe 1 jeweils in Kontakt mit einer Außenseite (dem Lagerbock 2004 zugewandt) des Außenringes 2001 des Kugellagers 200 stehen.
Über die Schallköpfe 1 lassen sich Oberflächenschallwellen, insbesondere in Form Lamb- oder Rayleighwellen, in dem Außenring 2001 erzeugen bzw. derartige Oberflächenwellen empfangen. Beispielsweise dient einer der Schallköpfe 1 als Sender, d. h. als Schallkopf, der akustische Oberflächenwellen in dem Außenring 2001 erzeugt, und der andere der Schallköpfe als Empfänger, d. h. als Schallkopf, der die vom anderen Schallkopf erzeugten Oberflächenschallwellen detektiert. Aus den Eigenschaften (z.B. Amplitude und/oder Zeitverhalten) des vom detektierenden Schallkopf 1 erzeugten Signals kann auf den Zustand des Kugellagers, beispielsweise auf Menge und Beschaffenheit eines Schmiermittels des Lagers, geschlossen werden.
Die Verwendung einer derartigen Anordnung eines Senders zum Erzeugen von akustischen Oberflächenwellen und eines Empfängers zum Empfangen von Oberflächenschallwellen zum Bestimmen von Eigenschaften eines Lagers ist in der bereits oben erwähnten internationalen Patentanmeldung PCT/EP 2011/066 245 vom 19.09.2011 beschrieben. Denkbar ist natürlich, dass mehr als ein Schallkopf vorhanden ist, der als Sender betrieben wird und/oder mehr als ein Schallkopf, der als Empfänger (Sensor) dient.
Bezugszeichenliste

1: Schallkopf
2: Wandleranordnung
3: Wandlergehäuse
4: elektrische Leitung
5: Schraubenfeder
6: Aufnahme
7: Außengehäuse
8: Verschluss
9: Zentrierstempel
10: Werkzeug
21: piezoelektrisches Substrat
31: Auskragung
32: Boden
61: Innenwand
71: Öffnung
72: Außengewinde
81: Öffnung
91: erster Abschnitt
92: zweiter Abschnitt
93: unteres Ende
95: Kupplung
101: Kopf
102: Abschnitt
921: Ende
1011: Öffnung
1021: Stirnseite
9211: Stirnseite

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2011/066245 [0023, 0048]

Claims

Schallkopf zum Erzeugen und/oder Empfangen von Oberflächenschallwellen in einem Objekt, mit – einer Wandleranordnung (2) zum Umsetzen eines elektrischen Signals in Oberflächenschallwellen des Objektes (2001) und/oder zum Umsetzen von Oberflächenschallwellen des Objektes (2001) in ein elektrisches Signal, wobei – der Schallkopf (1) so an dem Objekt (2001) montierbar ist, dass die Wandleranordnung (2) in Kontakt mit einer Oberfläche des Objektes (2001) kommt; und – einem mit der Wandleranordnung (2) zusammenwirkenden elastischen Element (5), das im montierten Zustand des Schallkopfes (1) die Wandleranordnung (2) in Kontakt mit der Oberfläche des Objektes (2001) hält.
Schallkopf nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Befestigungsmittel, über die der Schallkopf (1) mit dem Objekt (2001) oder an einem an das Objekt (2001) angrenzenden Teil (2004) kraft- oder formschlüssig befestigbar ist.
Schallkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsmittel ein Außengewinde (72) eines Gehäuses (7) des Schallkopfs (1) umfassen.
Schallkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandleranordnung (2) mittels des elastischen Elementes (5) gegen die Oberfläche des Objekts (2001) vorspannbar ist.
Schallkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element (5) in Form einer Schraubenfeder ausgebildet ist.
Schallkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Aufnahme (6), in der das elastische Element (5) angeordnet ist, wobei die Aufnahme (6) ein Gegenlager für das elastische Element (5) ausbildet.
Schallkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme (6) als Hohlraum eines Gehäuses (7) des Schallkopfes (1) ausgebildet ist.
Schallkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandleranordnung (2) ein Positionierelement (9) zum Positionieren des elastischen Elementes (5) umfasst.
Schallkopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandleranordnung (2) ein Wandlergehäuse (3) und ein in dem Wandlergehäuse (3) angeordneten Wandler (21) aufweist, der durch Anlegen einer elektrischen Spannung in Schwingungen versetzbar ist.
Schallkopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandlergehäuse (3) einen sich auf einer dem elastischen Element (5) abgewandten Seite des Wandlers (21) erstreckenden Boden (32) aufweist, über den der Wandler (21) bei Betrieb des Schallkopfes (1) auf das Objekt (200) einwirkt.
Schallkopf nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Positionierelement (9) mit einem Wandlergehäuse (3) der Wandleranordnung (2) zumindest mittelbar verbunden ist.
Schallkopf nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Positionierelement (9) eine Anlagefläche (9211) zum Anlegen eines Werkzeuges (10) ausformt, so dass das Positionierelement (9) und damit die Wandleranordnung (2) unter Verwendung des Werkzeuges (10) ausgerichtet werden kann.
Schallkopf nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Positionierelement (9) zumindest abschnittsweise in Form eines Hohlkörpersausgebildet ist, in dem eine mit der Wandleranordnung (2) verbundene elektrische Leitung (4) verläuft.
Schallkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine mit der Wandleranordnung (2) elektrisch verbundene Kupplung (95) oder einem mit der Wandleranordnung (2) elektrisch verbundenen Stecker eines Steckverbinders.
Schallkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens einen in einem Gehäuse des Schallkopfes angeordneten Sensor zum Ermitteln einer Eigenschaft bezüglich des Objektes.
Anordnung aus einem Objekt (200) und mindestens einem Schallkopf (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zum Erzeugen und/oder Empfangen von Oberflächenschallwellen in dem Objekt (200), wobei der Schallkopf (1) in eine Bohrung (2005) des Objektes (200) oder eines an das Objekt angrenzenden Teiles (2004) eingesetzt ist.
Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Objekt (200) um ein Teil eines Lagers handelt.
Werkzeug zum Ausrichten der Wandleranordnung eines Schallkopfes gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 soweit rückbezogen auf Anspruch 8, wobei das Werkzeug (10) einen von einem Betätigungsabschnitt (101) abstehenden, um eine Längsachse gewölbten Abschnitt (102) aufweist, der mit der Anlagefläche (9211) des Positionierelementes (9) des Schallkopfes (1) zusammenwirkt.