CH697267B1 - Induktiver Sensor und Verfahren zu seiner Herstellung. - Google Patents

Description

  [0001] Die Erfindung betrifft einen induktiven Sensor gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie Verfahren zu seiner Herstellung gemäss den Ansprüchen 10 und 11.

[0002] Ein solcher induktiver Näherungssensor weist in der Regel einen LC-Schwingkreis, einen Signalauswerter und einen Schaltverstärker auf. Die Spule dieses Schwingkreises erzeugt ein hochfrequentes, elektromagnetisches Wechselfeld. Dieses Feld tritt an der aktiven Fläche des Sensors aus. Nähert sich ein bedämpfendes Material der aktiven Fläche, so werden bei Nichteisenmetallen Wirbelströme erzeugt. Bei ferromagnetischen Metallen entstehen zusätzlich Ummagnetisierungsverluste. Diese Verluste entziehen dem Schwingkreis Energie und dämpfen die Schwingung. Die Dämpfung des Schwingkreises bewirkt eine Veränderung des Oszillatorstroms.

   Der Signalauswerter erkennt diese Veränderung und setzt dies in ein Schaltsignal um.

[0003] Aus der DE 20 001 648 U1 ist ein solcher induktiver Sensor bekannt, bei dem die Spule aus einer auf einem dreidimensionalen Schaltungsträger aufgedruckten Leiterbahn besteht und der dreidimensionale Schaltungsträger eine Vertiefung aufweist, in der ein Spulenkern gehalten ist, so dass der Spulenkern definiert positioniert gegenüber der Spule gehalten ist.

   Der dreidimensionale Schaltungsträger bildet gleichzeitig einen Teil des Sensorgehäuses.

[0004] Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen Sensor der eingangs genannten Art bereitzustellen, der insbesondere einfacher, in weniger Arbeitsschritten und damit kostengünstiger herzustellen ist und der eine kleinere Bauform ermöglicht.

[0005] Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Herstellverfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 10 oder 11.

[0006] Erfindungsgemäss weist der induktive Sensor wenigstens eine auf einem Schaltungsträger angeordnete Leiterbahn auf, die wenigstens eine Spule bildet, und einen der Spule zugeordneten Spulenkern, wobei der Schaltungsträger als ebene Leiterplatte ausgebildet ist und wenigstens einen Durchbruch aufweist,

   der von dem Spulenkern durchsetzt ist.

[0007] In dieser neuen Anordnung kann auf eine dreidimensionale Ausbildung des Schaltungsträgers verzichtet werden, wodurch erheblich Bauraum gewonnen wird. Ausserdem ist ein ebener Schaltungsträger, also eine Leiterplatte, eine Standard-Handelsware und dementsprechend kostengünstig in der Anschaffung und in der Handhabung.

[0008] Um den Spulenkern definiert der Spule zuzuordnen, ist ein Durchbruch in dem Schaltungsträger vorgesehen, der von dem Spulenkern durchsetzt ist.

   Damit ist eine sehr einfache und kostengünstige Zuordnung geschaffen und die bisherige Trennung von Spulenkern und der sonstigen auf dem Schaltungsträger angeordneten Elektronik aufgehoben, so dass eine automatisierte, kostengünstige Fertigung des kompletten Sensors möglich ist.

[0009] Um den Spulenkern einfach in den Durchbruch einbringen zu können und das Magnetfeld des Sensors nach aussen richten zu können, weist der Spulenkern eine U-Form oder eine Halbtoroidform auf.

[0010] Damit der Spulenkern fest und unverrückbar in dem Durchbruch gehalten ist, ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass der Spulenkern über einen Klemmsitz gehalten ist, wozu der Durchbruch bevorzugt Klemmnasen oder dergleichen aufweist.

[0011] Je nachdem, in welcher Anwendung der Sensor eingesetzt werden soll, kann es wünschenswert sein,

   ein speziell geformtes Magnetfeld des Sensors zu erhalten, so dass der Spulenkern mehrschenklig ausgebildet sein kann, um einen gewünschten Verlauf des Magnetfeldes zu erreichen. Über den Verlauf des Magnetfeldes lässt sich beispielsweise der Schaltabstand des Sensors beeinflussen.

[0012] Wenn der Spulenkern mehrschenklig ausgebildet ist, können vorteilhafterweise in dem Schaltungsträger mehrere Durchbrüche vorgesehen sein.

[0013] Zum Schutz von Schaltungsträger und Spulenkern sollte bevorzugt ein Gehäuse vorgesehen sein, in dem diese gehalten sind.

[0014] Für eine kostengünstige Massenfertigung ist das Gehäuse in Spritzgusstechnik herstellbar.

[0015] In Weiterbildung der Erfindung kann der Spulenkern aus einem Kunststoff bestehen, der weichmagnetische Eigenschaften besitzt.

   Daraus ergäbe sich die besonders vorteilhafte Möglichkeit, auch den Spulenkern in Spritzgusstechnik herzustellen und in den Durchbruch einzuspritzen, was in Massenfertigung weitere Kostenersparnis ergibt.

[0016] Verfahrenstechnisch wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Sensors,

   bei dem in einem ersten Verfahrensschritt ein ebener Schaltungsträger mit aus einer Leiterbahn bestehenden Spule und mit einem Durchbruch bereitgestellt wird und dann in den Durchbruch der Spulenkern eingebracht und fixiert wird und schliesslich der komplette Schaltungsträger in einem Gehäuse angeordnet wird.

[0017] In einem alternativen Verfahren wird in einem ersten Verfahrensschritt zunächst wiederum der ebene Schaltungsträger mit aus einer Leiterbahn bestehenden Spule und Durchbruch bereitgestellt und dann jedoch der Spulenkern in Spritzgusstechnik aus einem ersten Kunststoff, der weichmagnetische Eigenschaften besitzt, hergestellt und in dem gleichen Spritzprozess das Gehäuse aus einem zweiten Kunststoff hergestellt wird.

   Es handelt sich hier also um eine an sich bekannte Zwei-Komponenten-Spritztechnik, wodurch der Herstellaufwand weiter reduziert werden kann, da zur Herstellung des Sensors lediglich der Schaltungsträger zu bestücken ist und danach in nur einem Spritzprozess der Spulenkern und das Gehäuse herstellbar sind.

[0018] Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen:
<tb>Fig. 1<sep>eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen Sensors im Querschnitt;


  <tb>Fig. 2<sep>eine schematische Darstellung des Sensors aus Fig. 1 in der Draufsicht;


  <tb>Fig. 3<sep>eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Sensors in der Draufsicht;


  <tb>Fig. 4<sep>eine stirnseitige Ansicht des Sensors aus Fig. 3.

[0019] Eine erste Ausführungsform eines in Fig. 1 und 2 dargestellten induktiven Sensors 10 weist wenigstens eine ein Magnetfeld erzeugende Spule 12 auf, dessen Wicklungen durch eine auf einem Schaltungsträger 16 angeordnete Leiterbahn 14 gebildet sind.

   Der Schaltungsträger 16 ist als ebene Leiterplatte ausgebildet.

[0020] Die Spule 12 erzeugt bei Stromfluss durch die Leiterbahn 14 ein Magnetfeld, dass mittels eines Spulenkerns 18 derart geführt wird, dass es in einem gewünschten Bereich 20 eine entsprechende Feldstärke erzeugt.

[0021] Des Weiteren weist der Sensor 10 auf dem Schaltungsträger 16 eine Auswerteschaltung 21 auf, in der ein von der Induktivität der Spule 12 abhängiges Sensorsignal erzeugbar ist. Über Zuleitungen 22 ist der Sensor mit elektrischer Energie versorgbar und/oder sind die Signale der Auswerteschaltung 21 ausgebbar.

[0022] Sämtliche Komponenten des Sensors 10, insbesondere der Schaltungsträger 16 und der Spulenkern 18, sind bevorzugt in einem Gehäuse 24 gehalten.

   In der Zeichnung nicht dargestellte Anzeigeelemente, Bedienelemente und/oder Anschlussbauelemente, wie Kabel oder Steckverbinder, können ebenso in dem Gehäuse 24 angeordnet sein.

[0023] In dem ersten Ausführungsbeispiel (Fig. 1 und 2) ist nur ein Schaltungsträger 16 vorgesehen. Der Schaltungsträger 16, im Folgenden auch PCB (printed circuit board) genannt, trägt sämtliche elektronische Komponenten 26 des Sensors, insbesondere die Auswerteschaltung 21 und die die Spule 12 bildende Leiterbahn 14. Des Weiteren weist das PCB 16 einen Durchbruch 28 auf, der von dem Spulenkern 18 durchsetzt ist und von der Leiterbahn 14 spiralförmig (Fig. 2) umgeben ist.

[0024] Der Spulenkern 18 ist in dem dargestellten (Fig. 1 und 2) Ausführungsbeispiel U-förmig ausgebildet, um das durch die Spule 12 erzeugte Magnetfeld in den Wirkbereich 20 zu führen.

   Andere Ausbildungen, beispielsweise Halbtoroidform, sind denkbar. Der Spulenkern 18 kann in bekannter Weise aus einem weichmagnetischen Material hoher Permeabilität bestehen. Über Klemmnasen 30 ist der Spulenkern 18 in dem Durchbruch 28 geklemmt gehalten. Es wäre auch denkbar, dass das PCB 16 und der durch das PCB 16 gesteckte Spulenkern 18 jeweils in entsprechenden, nicht dargestellten Halterungen des Gehäuses 24 gehalten sind. Der in den Durchbruch 28 eingesetzte Spulenkern 18 kann auch im eingesetzten Zustand vergossen werden.

[0025] In einem zweiten Ausführungsbeispiel 110 der Erfindung, das in Fig. 3 und 4 dargestellt ist, ist der Spulenkern 118 mehrschenklig - in dem dargestellten Beispiel mit drei Schenkeln 118.1, 118.2 und 118.3 - ausgebildet.

   Auf diese Weise wird im Wirkbereich 120 des Sensors 110 ein anderes Magnetfeld und damit eine andere Schaltcharakteristik als in dem ersten Ausführungsbeispiel erhalten. Fig. 3 zeigt eine schematische Seitenansicht und Fig. 4 eine Stirnansicht auf das magnetfeldseitige Ende des Sensors 110.

[0026] Zur Anordnung eines derartigen Spulenkerns 118 in einem Gehäuse 124 ist hier ein Schaltungsträger 116 mit drei Durchbrüchen 128.1, 128.2, 128.3 zur Aufnahme der drei Schenkel 118.1, 118.2 und 118.3 vorgesehen. Aus Platzgründen trägt der Schaltungsträger 116 im Wesentlichen nur die Leiterbahnen für drei Spulen 112.1, 112.2 und 112.3, die die einzelnen Schenkel des Spulenkerns 118 zur Erzeugung des Magnetfeldes umgeben.

   Die Spulen 112.1, 112.2 und 112.3 sind in den Fig. 3 und 4 vereinfacht als dicke Striche dargestellt, ohne dass die einzelnen die Wicklungen bildenden Leiterbahnen dargestellt sind.

[0027] Die restliche Elektronik, also insbesondere die Auswerteschaltung 121 des Sensors 110, ist auf einem weiteren Schaltungsträger 117 angeordnet, der über Leitungen 119 mit dem ersten Schaltungsträger 116 in elektrischer Verbindung steht.

   Zur Spannungsversorgung und Signalausleitung sind wiederum Leitungen 122 vorgesehen.

[0028] Sämtliche Elemente des Sensors 110 sind in einem Gehäuse 124 angeordnet.

[0029] Weitere Ausführungsformen mit anderen Anordnungen von Spulenkernen, Leiterbahnen, Spulen und Durchbrüchen sind im Rahmen der Erfindung möglich.

[0030] Der erfindungsgemässe Sensor lässt sich auf erfindungsgemässe Art wie folgt herstellen:

[0031] In einer ersten Herstellungsvariante wird zunächst ein PCB bereitgestellt, auf dem die notwendigen elektronischen Komponenten und insbesondere die die Spule oder Spulen bildende Leiterbahn sowie der bzw. die Durchbrüche vorgesehen sind. In einem weiteren Schritt wird der Spulenkern in den Durchbruch eingeführt und gegebenenfalls mechanisch fixiert, beispielsweise mittels der oben beschriebenen Klemmnasen.

   Schliesslich wird das PCB mit allen elektronischen Komponenten und dem Spulenkern in ein Gehäuse eingesetzt. Das Gehäuse kann auch um die genannten Sensorelemente gespritzt werden. Dann könnte die Spritzgussmasse den Spulenkern in dem Durchbruch fixieren. Eine gesonderte mechanische Fixierung über Klemmnasen oder dergleichen wären nicht notwendig.

[0032] In einer zweiten Herstellungsvariante wird zunächst ebenfalls das PCB mit den elektronischen Komponenten bestückt und mit der die Spule bzw. Spulen bildenden Leiterbahn bzw. Leiterbahnen versehen und bereitgestellt. Dann wird in einem ersten Spritzgussschritt der Spulenkern aus einem weichmagnetischen Kunststoff gespritzt. Ein weichmagnetischer Kunststoff kann beispielsweise gebildet sein durch ein mit einem magnetisierbaren Material, beispielsweise ein Ferritpulver, durchsetztem Kunststoff.

   Der Durchbruch könnte dann relativ klein gehalten sein, beispielsweise geringfügig kleiner als die Querschnittsabmessungen des Spulenkerns, so dass der fertig gespritzte Spulenkern selbsttätig in dem Durchbruch gehalten ist. In einem zweiten Spritzgussschritt wird das Gehäuse aus einem anderen, also nicht weichmagnetischen Kunststoff gespritzt. Eine solche Spritzgusstechnik ist auch als Zwei-Komponenten-Spritzgusstechnik bekannt.

Claims (11)

1. Induktiver Sensor mit wenigstens einer auf einem Schaltungsträger (16; 116) angeordneten Leiterbahn (14), die wenigstens eine Spule (12; 112) bildet sowie mit einem der Spule (12; 112) zugeordnetem Spulenkern (18; 118), dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger (16; 116) als ebene Leiterplatte (16; 116) ausgebildet ist und wenigstens einen Durchbruch (28; 128.1, 128.2, 128.3) aufweist, der von dem Spulenkern (18; 118) durchsetzt ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkern (18) eine U-Form oder eine Halbtoroidform aufweist.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkern (18) über einen Klemmsitz in dem Durchbruch (28) gehalten ist.

4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkern (118) mehrschenklig ausgebildet ist.

5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Durchbrüche (128.1, 128.2, 128.3) vorgesehen sind.

6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (24; 124), in dem der Schaltungsträger (16; 116) und der Spulenkern (18; 118) gehalten sind.

7. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (24; 124) in Spritzgusstechnik hergestellt ist.

8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkern aus einem weichmagnetischen Kunststoff besteht.

9. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkern in Spritzgusstechnik hergestellt ist und in den Durchbruch eingespritzt ist.

10. Verfahren zur Herstellung eines Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: - Bereitstellen eines Schaltungsträgers mit aus einer Leiterbahn bestehenden Spule und mit einem Durchbruch; - Einbringen und Fixieren eines Spulenkerns in den Durchbruch; - Einsetzen der Anordnung in ein Gehäuse.

11. Verfahren zur Herstellung eines Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: - Bereitstellen des Schaltungsträgers mit aus einer Leiterbahn bestehenden Spule und mit einem Durchbruch; - Spritzen eines Spulenkerns mit einem ersten weichmagnetischen Kunststoff; - Spritzen eines Gehäuses mit einem zweiten Kunststoff.