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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor mit einer auf einem
Träger
angeordneten elektrischen Schaltung nach der Gattung des Anspruchs
1. Zudem bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung
eines solchen Sensors gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 9.
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Ein
gattungsgemäßer Sensor
und ein Verfahren zu seiner Herstellung sind aus der
DE 195 44 815 C1 bekannt.
Dieser Sensor weist eine auf einem Träger angeordnete elektrische
Schaltung auf, welche mit einem elektrischen An schlusselement und mit
einem Sensorelement verbunden ist. Der Träger ist in einem Gehäuse des
Sensors untergebracht, das jeweils eine Öffnung für das Anschlusselement sowie
für das
Sensorelement aufweist. Das Sensorelement und ein erster Teil des
Trägers
ist in eine Duroplast-Formmasse
eingebettet, wohingegen der übrige
Teil des Trägers
und das Anschlusselement von einer Thermoplast-Formmasse umschlossen sind.
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Bei
dem dort beschriebenen Herstellungsverfahren wird zunächst außerhalb
eines Sensorgehäuses
ein bereits mit einer elektrischen Schaltung versehener, mit einem
Sensorelement verbundener erster Teil des Trägers in eine Duroplast-Formmasse eingebettet.
Sodann wird die so entstandene Einheit, zusammen mit einem zweiten,
nicht in die Duroplast-Formmasse eingebetteten Teil des Trägers und einem
Anschlusselement in das Innere des Gehäuses eingeführt, wobei die Zwischenräume zwischen dem
zweiten Teil des Trägers
und dem Gehäuse
sowie zwischen dem Anschlusselement und dem Gehäuse mit einer Thermoplast-Formmasse
ausgespritzt werden.
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An
diesem Sensor ist nachteilig, dass die Duroplast-Formmasse und die Thermoplast-Formmasse
keine hermetisch dichtende Verbindung, beispielsweise eine chemische
Verbindung, eingehen. Ähnlich
gehen diese Formmassen auch mit einem aus Metall gefertigten Gehäuse keine
solche Verbindung ein. An den beiden Enden des Sensors kann da her
eine Flüssigkeit,
insbesondere eine Flüssigkeit mit
hoher Oberflächenspannung
wie Wasser, aufgrund von Kapillarkräften in den an der Innenseite des
Gehäuses
gebildeten Zwischenraum zwischen dem Gehäuse einerseits und den beiden
Formmassen andererseits eindringen. Dieses Wasser bewegt sich dann
aufgrund der Kapillarkräfte
bis hin zur Grenzfläche
zwischen den beiden Formmassen. Da die beiden Formmassen, wie bereits
gesagt, selbst auch keine dichtende Verbindung eingehen, kann dieses
Wasser in den zwischen den Formmassen ausgebildeten Spalt vordringen,
bis es den Träger
mit der elektrischen Schaltung erreicht. Dort kann es dann zu elektrischen
Kurzschlüssen
kommen, die letztlich den gesamten Sensor funktionsuntüchtig machen.
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Die
bekannten Sensoren eignen sich daher nicht für den Einsatz unter Bedingungen
mit insbesondere zyklisch wechselnden Temperaturen, z.B. zwischen
20° und
70° C, und
hoher Luftfeuchtigkeit. Denn im Falle von sich zyklisch ändernden
Temperaturen unterliegen die Formmassen, je nach Vorzeichen der
Temperaturänderung,
entweder Zugspannungen oder Druckspannungen, die beträchtlich
sein können
und dazu führen,
dass zum einen aufgrund von Materialermüdung Spalte gebildet werden
und zum anderen die wechselnden Spannungen, zusammen mit den entsprechend
vorliegenden Kapillarkräften,
zu einem ,Einpumpen' von
Flüssigkeit
in die Spalte führen
können.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Sensor
der gattungsgemäßen Art
dahingehend zu verbessern, dass dieser bei einfacher und kostengünstiger
Herstellung insbesondere gegenüber
Flüssigkeiten
besser hermetisch abgeschlossen ist. Insbesondere soll vermieden
werden, dass Flüssigkeit
in den Innenbereich des Sensors, insbesondere in den Bereich der
elektrischen Schaltung, eindringen kann.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Sensor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch
die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Der
Erfindung liegt somit die Idee zugrunde, nicht nur durch formschlüssiges bzw.
kraftschlüssiges
Umschließen
der Duroplast-Formmasse mit der Thermoplast-Formmasse eine abdichtende
mechanische Verbindung vorzusehen, sondern insbesondere auch durch
Anordnung sämtlicher
elektrisch aktiver Bauteile und Leiterbahnen der Leiterplatte in
der Duroplast-Formmasse wirkungsvoll zu verhindern, dass in dem
Bereich der elektrischen Schaltung Flüssigkeit eindringen kann.
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Der
Vorteil des vorgeschlagenen Aufbaus des Sensors liegt demnach darin,
durch das form- und gegebenenfalls kraftschlüssige Anliegen der Thermoplast-Formmasse
an der Außenseite
der Duroplast-Formmasse nicht nur zu verhindern, dass sich auch
bei einer zyklischen Temperaturbehandlung des Sensors ein Spalt
in Längsrichtung
des Gehäuses
ausbilden kann, sondern auch durch Einbettung sämtlicher aktiver Bauteile und
Leiterbahnen der Leiterplatte in die Duroplast-Formmasse ein Eindringen
von Flüssigkeit
in diesen Bereich der elektrischen Schaltung zu verhindern.
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Die
Wirksamkeit der Abdichtung kann nun noch erheblich verbessert werden,
indem die Duroplast-Formmasse an ihrer Außenseite mindestens eine im
Wesentlichen senkrecht zur Längsachse
des Gehäuses
angeordnete Ringnut aufweist, in welche die Thermoplast-Formmasse
im Wesentlichen formschlüssig
eingreift. Die Ringnut weist bevorzugt ein V-förmiges
oder U-förmiges
Querschnittprofil auf. Durch diese Ausgestaltung der Außenseite
der Duroplast-Formmasse,
und zwar vor dem Aufbringen der Thermoplast-Formmasse, wird erreicht, dass an den Sensorenden
etwa eintretende Flüssigkeit
nicht bereits aufgrund der Kapillarkräfte weit in den Sensorkörper hereingezogen
werden kann, da die Ringnut bzw. die Ringnuten eine kontinuierliche
Fließbewegung
der Flüssigkeit
wirksam unterbinden.
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Dadurch,
dass die Duroplast-Formmasse an der das Sensorelement aufweisenden
Seite des Gehäuses
und die Thermoplast-Formmasse an der das Anschlusselement aufweisenden
Seite des Gehäuses
kraftschlüssig
gehalten sind, tritt noch ein weiterer besonderer Abdichtungseffekt
auf. Denn dadurch dichten bei einer Beaufschlagung des Sensors mit
einer zyklisch sich ändernden
Temperatur in der Aufwärm phase
die einen sich gegenüberstehenden
Seitenflächen
der Ringnut(en) ab und in der Abkühlphase die anderen Seitenflächen. Dieser
Effekt wird im figurativen Beschreibungsteil eingehender erläutert.
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Damit
der genannte Abdichtungseffekt auch über eine größere Länge in Längsrichtung des Sensors erfolgen
kann, kann weiter vorgesehen sein, dass der Außendurchmesser der Duroplast-Formmasse
zwischen der das Sensorelement aufweisenden Seite des Gehäuses und
der dem Sensorelement abgewandten Seite des Gehäuses kontinuierlich oder stufenweise
abnehmend ausgebildet ist.
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Zur
noch weiteren Verbesserung der Abdichtung kann ferner vorgesehen
sein, dass die Duroplast-Formmasse auf der dem Sensorelement abgewandten
Seite des Trägers
in einem Bereich des Trägers
endet, in dem auf der Oberfläche
des Trägers das
Anschlusselement vorgesehen ist, d.h. in einem Bereich, in dem weder
eine elektrische Schaltung noch Leiterbahnen angeordnet sind.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe
wird zudem durch ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Sensors
mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
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Bevorzugt
sieht das Verfahren aus den bereits oben genannten Gründen vor,
dass an der Außenseite
der Duroplast-Formmasse, insbesondere in dem ersten Bereich in Längsrichtung
des Gehäuses, mindestens
eine im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Gehäuses angeordnete
Ringnut vorgesehen wird. Die Ringnut bzw. Ringnuten kann/können mittels
einer geeigneten Spritzform hergestellt werden.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels
noch eingehender erläutert,
wobei im Einzelnen zeigen:
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1 eine
schematische Ausschnittvergrößerung eines
Sensor nach dem Stand der Technik;
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2 eine
Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Sensors;
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3 eine schematische Ausschnittvergrößerung des
in 2 gezeigten erfindungsgemäßen Sensors; und
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4 eine
Seitenansicht einer Spritzform zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Sensors.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die
in 1 gezeigte Ausschnittvergrößerung eines aus dem Stand
der Technik bekannten Sensors weist ein Metallgehäuse 10 aus
Stahl, Messing, oder dergleichen auf, in das eine Duroplast-Formmasse 11 und
eine Thermoplast-Formmasse 12 formschlüssig eingepasst
sind. In der 1 ist insbesondere der Bereich
des Sensors dargestellt, in dem die beiden Formmassen 11, 12 aneinanderstoßen.
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In
Höhe der
Mittelachse 'A-A' des Gehäuses 10 befindet
sich eine Leiterplatte 13, die auf der einen Seite der
Berührungsfläche der
beiden Formmassen 11, 12 in die Duroplast-Formmasse 11 und
auf der anderen Seite in die Thermoplast-Formmasse eingebettet ist.
Aufgrund der gezeigten Anordnung des Gehäuses 10, der beiden
Formmassen 11, 12 und der Leiterplatte 13 bilden
sich verschiedene Spalte aus, in die eine Flüssigkeit, insbesondere eine
kapillar-aktive Flüssigkeit
wie Wasser, eindringen kann und aufgrund der dabei herrschenden
Kapillarkräfte
in diesen Spalten bewegt wird. Der Grund für die Ausbildung dieser Spalte
liegt insbesondere darin, dass die Formmassen 11, 12 einerseits
untereinander als auch mit dem Metallgehäuse aus materialtechnischen
Gründen
keine chemische Verbindung oder Adhäsionsverbindung eingehen können.
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Zum
einen bildet sich an der Innenseite des Gehäuses 10 ein um 360
Grad umlaufender Rundspalt 14 aus, der von dem einen Ende
des Sensors bis zu dem anderen Ende reicht. An der Berührungsfläche 15 zwischen
den beiden Formmassen 11, 12 bildet sich zu beiden
Seiten der Leiterplatte 13 zugleich ein in etwa ebener
Spalt 16 aus, der in Höhe der
Mittelachse A-A mit einem weiteren Spalt 17 verbunden ist,
der sich zwischen der Leiterplatte 13 und den jeweiligen
Formmassen 11, 12 aus den genannten Gründen ausbildet.
Typische Spaltbreiten liegen im Bereich von 10 bis 100 μm.
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Die
genannten Spalte 14, 16, 17 bilden demnach
ein Spalt- bzw.
Kanalsystem, in dem sich aufgrund der Kapillarkräfte einmal in das System eingedrungenes
Wasser nahezu ungehindert bewegen kann. Kommt dieses Wasser nun
mit elektrischen Bauteilen oder Leitern der Leiterplatte 13 in
Berührung,
kann es zu Kurzschlüssen
und damit zu einem Totalausfall des Sensors kommen.
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Die 2 zeigt
nun eine seitliche, teilweise geschnittene Ansicht eines erfindungsgemäßen Sensors 20.
Der Sensor 20 weist ein aufgeschnitten dargestelltes Gehäuse 21 auf,
das in etwa dem in 1 gezeigten Gehäuse 10 entspricht.
In dem Gehäuse 21 ist
eine Duroplast-Formmasse 22 angeordnet, die in einem Längenbereich 'D' in der Längsrichtung des Gehäuses von
einer Thermoplast-Formmasse 23 umspritzt
ist. Die beiden Formmassen 22, 23 stoßen an einer
konischen Berührungsfläche 24 aufeinander.
Die Formmassen 22, 23 sind hier nicht geschnitten
dargestellt.
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Die
Duroplast-Formmasse reicht auf der hier gezeigten linken Seite des
Gehäuses 21 bis
an den Rand des Gehäuses 21 und
schließt
den Sensor 20 dort in etwa plan ab. Auf der hier rechten
Seite des Gehäuses 21 ist
ein elektrisches Anschlusselement 27 angeordnet, das über Leitungen 26 mit
einer hier nicht dargestellten Leiterplatte elektrisch verbunden ist.
Die Leiterplatte ist entsprechend der 1 etwa in
Höhe der
Mittellinie A-A in die beiden Formmassen 22, 23 eingebettet,
wobei die Duroplast-Formmasse 22 sämtliche
elektrisch aktiven Bauteile und Leiterbahnen der Leiterplatte umschließt.
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An
der Außenseite
der Duroplast-Formmasse 22 sind Ringnuten 28, 29 angeordnet,
welche die Formmasse 22 vollständig umgeben. Die Ringnut 28 weist
dabei einen Rundquerschnitt auf, wohingegen die Ringnut 29 ein
V-förmiges
Profil aufweist. Die Thermoplast-Formmasse 23 greift aufgrund
der Umspritzung in diese Ringnuten 28, 29 form-
und ggf, kraftschlüssig
ein. Ein Kraftschluss kann bereits dadurch erreicht werden, dass
die Thermoplast-Formmasse mit einer höheren Temperatur aufgespritzt wird
und somit nach dem Abkühlen
unter Zugspannung steht, was zu dem genannten Kraftschluss führt.
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Der äußere Verlauf
der Duroplast-Formmasse 22 weist ferner eine Abstufung 30 auf, über welche die
beiden Formmassen an den dadurch gebildeten "Stützpunkten" (hier die Abstufung 30)
gegeneinander fixierbar sind. Dies hat den besonderen Effekt, dass
die Spannungsverteilung zwischen den beiden Formmassen 22, 23 in
dem Längenbereich 'E' sich nahezu unabhängig von der übrigen Spannungsverteilung
aufbauen kann.
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Die 3a und
b zeigen jeweils eine Ausschnittvergrößerung des in 2 gezeigten
Sensors, und zwar in Höhe
des Längsbereichs,
in dem die Duroplast-Formmasse 22 von der Thermoplast-Formmasse 23 umgeben
ist. Am Beispiel einer dargestellten dreieckförmigen Ringnut 40 soll
nun erläutert werden,
wie der eingangs genannte "besondere
Effekt" bei der
Abdichtung zwischen den beiden Formmassen 22, 23 zustandekommt.
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In 3a ist
eine Situation dargestellt, in der sich die beiden Formmassen 22, 23 unter
einer Druckspannung befinden, die aus einer Temperaturerhöhung des
Sensors resultiert. Da die Duroplast-Formmasse 22 gemäß 2 in
dieser Darstellung am linksseitigen Gehäuseende 25 festgehalten ist
und die Thermoplast-Formmasse 23 entsprechend am rechtsseitigen
Gehäuseeende,
führt die angenommene
Druckspannung dazu, dass sich die Duroplast-Formmasse 22 in der Zeichnung
nach rechts (Pfeil A) ausdehnt und die Thermoplast-Formmasse 23 entsprechend
nach links (Pfeil B), was durch die Pfeile angedeutet ist. Daher
drücken
in dieser Situation die Nutflächen 41 mit
einer Vorspannung gegeneinander, wohingegen die Nutflächen 42 einen
Spalt bilden. Typische Materialausdehnungen sind im Falle von duroplastischen
Werkstoffen etwa 10 bis 30 ppm und im Falle von thermoplastischen Werkstoffen 100 bis
150 ppm. Bei einer Temperaturdifferenz von 100° C und einem angenommenen Durchmesser
des Sensors von 10 mm bildet sich demnach ein radialer Spalt von
etwa 0,2 mm aus.
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Die 3b zeigt
nun die umgekehrte Situation, bei der die Duroplast-Formmasse 22 sich
in der Darstellung nach links (Pfeil A') ausdehnt und die Thermoplast-Formmasse 23 entsprechend
nach rechts (Pfeil B').
Eine solche Situation liegt vor, wenn sich die Temperatur des Sensors
verringert. In dieser Situation werden die Nutflächen 43 aneinander
gedrückt,
wohingegen sich an den Nutflächen 44 ein Spalt
ausbildet.
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Aus
den 3a und b ist demnach ersichtlich, dass die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Nutanordnung den Vorteil hat, dass sowohl bei einer Temperaturerhöhung als
auch bei einer Temperaturerniedrigung des Sensors eine wirksame
Abdichtung gewährleistet
ist. Denn in beiden Fällen
kommt es zu der beschriebenen flächenwirksamen
Nutabdichtung.
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In
der 4 ist schließlich
gezeigt, wie der in 2 gezeigte Sensor mittels eines
Spritzwerkzeuges hergestellt werden kann. Eine bereits in eine Duroplast-Formmasse eingebettete
einstückig
ausgebildete Einheit 50 weist bereits an deren Außenfläche Ringnuten 52 auf.
Die se Einheit 50 wird in ein Gehäuse 51 eingeführt, welches
in eine Einbettmasse 53 des Spritzwerkzeuges eingebettet
ist. In der gezeigten Lage wird die Einheit 50 fix gehalten. Über Angusskanäle 54 wird
dann die Thremoplast-Formmasse
in den gebildeten Hohlraum eingespritzt, und füllt dabei insbesondere den
im Bereich der Ringnuten 52 zwischen der Außenseite
der Duroplast-Formmasse und der Innenseite des Gehäuses 51 gebildeten Spalt
aus. Nach erfolgtem Ausspritzen der Hohlräume ist der Sensor bereits
fertiggestellt.
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Es
ist anzumerken, dass der beschriebene Sensor beispielsweise im Bereich
der kontaktlosen Bewegungssensorik als Näherungsschalter bei Autowaschanlagen
oder dergleichen einsetzbar ist.