[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.
The invention relates to an inductive sensor according to the preamble of claim 1 and to methods for its preparation according to claims 10 and 11.
Such an inductive proximity sensor usually has an LC resonant circuit, a signal evaluator and a switching amplifier. The coil of this resonant circuit generates a high-frequency electromagnetic alternating field. This field exits at the active area of the sensor. When a damping material approaches the active surface, eddy currents are generated in non-ferrous metals. In the case of ferromagnetic metals, additional magnetization losses occur. These losses remove energy from the resonant circuit and damp the oscillation. The damping of the resonant circuit causes a change in the oscillator current.
The signal evaluator recognizes this change and converts this into a switching signal.
From DE 20 001 648 U1, such an inductive sensor is known in which the coil consists of a printed on a three-dimensional circuit board trace and the three-dimensional circuit carrier has a recess in which a coil core is held, so that defines the coil core positioned opposite to the coil is held.
The three-dimensional circuit carrier simultaneously forms part of the sensor housing.
Based on this prior art, it is an object of the invention to provide a sensor of the type mentioned, which is particularly easier to manufacture in less steps and thus more cost-effective and allows a smaller design.
This object is achieved by a sensor having the features of claim 1 and a manufacturing method having the features of claims 10 or 11.
According to the invention, the inductive sensor has at least one conductor track arranged on a circuit carrier, which forms at least one coil, and a coil core associated with the coil, wherein the circuit board is designed as a planar printed circuit board and has at least one opening,
which is interspersed by the coil core.
In this new arrangement can be dispensed with a three-dimensional design of the circuit substrate, whereby considerable space is gained. In addition, a planar circuit carrier, so a circuit board, a standard merchandise and therefore inexpensive to purchase and use.
To assign the coil core defines the coil, an opening in the circuit substrate is provided, which is penetrated by the coil core.
For a very simple and inexpensive allocation is created and repealed the previous separation of coil core and the other arranged on the circuit board electronics, so that an automated, cost-effective production of the complete sensor is possible.
In order to bring the coil core easy in the breakthrough and to be able to direct the magnetic field of the sensor to the outside, the coil core has a U-shape or a half-toroidal shape.
Thus, the spool core is firmly and immovably held in the breakthrough is provided in a further development of the invention that the spool core is held via a clamping fit, including the breakthrough preferably has clamping lugs or the like.
Depending on the application in which the sensor is to be used, it may be desirable
To obtain a specially shaped magnetic field of the sensor, so that the coil core can be formed multi-legged to achieve a desired course of the magnetic field. Over the course of the magnetic field, for example, the switching distance of the sensor can be influenced.
If the bobbin is formed mehrschenklig, can advantageously be provided in the circuit carrier a plurality of openings.
For the protection of the circuit carrier and the coil core should preferably be provided a housing in which they are held.
For cost-effective mass production, the housing in injection molding technology can be produced.
In a further development of the invention, the coil core may consist of a plastic which has soft magnetic properties.
This would result in the particularly advantageous possibility to produce the coil core in injection molding and injecting into the breakthrough, resulting in mass production further cost savings.
Technically, the object is achieved by a method for producing such a sensor,
in which in a first method step, a planar circuit substrate is provided with a conductor consisting of a coil and an opening and is then introduced and fixed in the opening of the coil core and finally the complete circuit carrier is arranged in a housing.
In an alternative method, in a first method step, first again the planar circuit substrate is provided with coil consisting of a conductor and breakthrough, and then the coil core in injection molding from a first plastic having soft magnetic properties, prepared and in the same injection process Housing is made of a second plastic.
Thus, this is a known two-component injection technique, whereby the manufacturing cost can be further reduced, since only the circuit carrier is to be equipped for the production of the sensor and then in only one injection process of the spool core and the housing can be produced.
In the following the invention will be explained with reference to embodiments with reference to the drawings in detail. In the drawing show:
<Tb> FIG. 1 <sep> is a schematic representation of a sensor according to the invention in cross section;
<Tb> FIG. 2 <sep> is a schematic representation of the sensor of Figure 1 in plan view.
<Tb> FIG. 3 <sep> is a schematic representation of a further embodiment of the sensor in plan view;
<Tb> FIG. 4 <sep> is an end view of the sensor of FIG. 3.
A first embodiment of an inductive sensor 10 shown in FIGS. 1 and 2 has at least one coil 12 generating a magnetic field, whose windings are formed by a conductor track 14 arranged on a circuit carrier 16.
The circuit carrier 16 is formed as a flat printed circuit board.
The coil 12 generates current flow through the conductor 14, a magnetic field that is guided by means of a coil core 18 such that it generates a corresponding field strength in a desired region 20.
Furthermore, the sensor 10 on the circuit substrate 16, an evaluation circuit 21 in which a dependent of the inductance of the coil 12 sensor signal can be generated. About leads 22, the sensor can be supplied with electrical energy and / or the signals of the evaluation circuit 21 can be output.
All components of the sensor 10, in particular the circuit carrier 16 and the spool core 18, are preferably held in a housing 24.
Not shown in the drawing display elements, controls and / or terminal components, such as cables or connectors, may also be arranged in the housing 24.
In the first embodiment (Figures 1 and 2), only one circuit carrier 16 is provided. The circuit carrier 16, hereinafter also referred to as PCB (printed circuit board), carries all the electronic components 26 of the sensor, in particular the evaluation circuit 21 and the coil 12 forming the conductor 14. Further, the PCB 16 has an opening 28, which of the Spool core 18 is interspersed and of the conductor track 14 spirally (Fig. 2) is surrounded.
The spool core 18 is in the illustrated (Fig. 1 and 2) embodiment U-shaped to guide the magnetic field generated by the coil 12 in the active region 20.
Other training, such as halftone, are conceivable. The spool core 18 may consist of a soft magnetic material of high permeability in a known manner. About clamping lugs 30 of the spool core 18 is held clamped in the opening 28. It would also be conceivable that the PCB 16 and the spool core 18 inserted through the PCB 16 are each held in respective mounts of the housing 24, not shown. The coil core 18 inserted into the opening 28 can also be cast in the inserted state.
In a second embodiment 110 of the invention, which is shown in FIGS. 3 and 4, the spool core 118 is multi-legged - in the illustrated example with three legs 118.1, 118.2 and 118.3 - formed.
In this way, in the effective region 120 of the sensor 110, a different magnetic field and thus a different switching characteristic than in the first embodiment are obtained. FIG. 3 shows a schematic side view and FIG. 4 shows an end view of the magnetic-field-side end of the sensor 110.
For the arrangement of such a coil core 118 in a housing 124 is here a circuit substrate 116 with three openings 128.1, 128.2, 128.3 for receiving the three legs 118.1, 118.2 and 118.3 provided. For reasons of space, the circuit carrier 116 essentially carries only the conductor tracks for three coils 112.1, 112.2 and 112.3, which surround the individual legs of the coil core 118 for generating the magnetic field.
The coils 112.1, 112.2 and 112.3 are shown in simplified form in FIGS. 3 and 4 as thick lines, without the individual interconnects forming the windings being illustrated.
The remaining electronics, so in particular the evaluation circuit 121 of the sensor 110 is disposed on a further circuit carrier 117 which is connected via lines 119 to the first circuit carrier 116 in electrical connection.
For power supply and Signalausleitung in turn lines 122 are provided.
All elements of the sensor 110 are arranged in a housing 124.
Other embodiments with other arrangements of coil cores, tracks, coils and openings are possible within the scope of the invention.
The inventive sensor can be produced according to the invention as follows:
In a first production variant, first a PCB is provided, on which the necessary electronic components and in particular the coil or coils forming conductor track and the or the openings are provided. In a further step, the spool core is inserted into the opening and optionally mechanically fixed, for example by means of the clamping noses described above.
Finally, the PCB with all electronic components and the coil core is inserted into a housing. The housing can also be injected around the mentioned sensor elements. Then the injection molding compound could fix the spool core in the opening. A separate mechanical fixation via clamping lugs or the like would not be necessary.
In a second production variant, the PCB is initially also equipped with the electronic components and provided with the coil or coils forming conductor or conductor tracks and provided. Then, in a first injection molding step, the spool core is injection molded from a soft magnetic plastic. A soft magnetic plastic may be formed, for example, by a plastic interspersed with a magnetizable material, for example a ferrite powder.
The breakthrough could then be kept relatively small, for example, slightly smaller than the cross-sectional dimensions of the bobbin, so that the finished sprayed bobbin is held automatically in the breakthrough. In a second injection molding step, the housing is injection molded from another, ie not soft-magnetic plastic. Such an injection molding technique is also known as a two-component injection molding technique.