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Die
Erfindung betrifft einen Sensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Ein
derartiger Sensor ist aus
DE
40 36 994 A1 bekannt und weist eine in einem Gehäuseinnenraum
angeordnete Platine auf, die mit ihren beiden einander abgewandten
Enden im Inneren des Gehäuses
abgestützt
ist. An der Platine sind Beine einer Anzeigeeinrichtung befestigt.
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Aus
der
DE 195 04 608
A1 ist ein Positionssensor bekannt, welcher eine auf einem
Träger
angeordnete elektrische Schaltung aufweist, wobei Träger und
Schaltung in einem Gehäuse
angeordnet sind. Die Zwischenräume
zwischen Gehäuse,
Träger
und elektrischer Schaltung sind dabei mit einer Duroplast-Formmasse
ausgefüllt.
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Sensoren
der genannten Art werden beispielsweise als magnetische, induktive
oder optoelektronische Sensoren in verschiedenster Art und Weise
eingesetzt. Dabei ist es insbesondere wünschenswert, die Sensoren auch
unter extremen Bedingungen einsetzen zu können, beispielsweise bei hohen
bzw. stark variierenden Temperaturen oder an bewegten Teilen, an
denen die Sensoren hohen Beschleunigungen ausgesetzt werden.
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Nachteilig
an den bekannten Sensoren ist die Tatsache, dass die genannten Temperatur-
bzw. Beschleunigungsbelastungen oftmals zu Beschädi gungen von Sensorbauteilen
oder des gesamten Sensors führen,
was dann letztlich zu einer Fehlfunktion oder einem Stillstand von
Maschinen und Anlagen führen
kann, in denen der Sensor eingesetzt ist.
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Eine
Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Sensor der eingangs genannten
Art derart weiterzubilden, dass seine Widerstandsfähigkeit
gegen Temperaturänderungen
sowie insbesondere auch gegen Beschleunigungskräfte und damit auch dessen Lebensdauer
erhöht
wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Durch
die erfindungsgemäße Anordnung
nur eines Teilbereichs der Trägerplatte
innerhalb eines Hohlraums besteht die Möglichkeit, dass temperaturbedingte
Größenänderungen
des genannten Teilbereichs der Trägerplatte, insbesondere eine
Ausdehnung des genannten Teilbereichs, nicht zu einer Beschädigung der
Trägerplatte
führen
können,
da im erfindungsgemäßen Hohlraum
ausreichend Platz für derartige
Ausdehnungen vorhanden ist. Dementsprechend können diese temperaturbedingten
Größenänderungen
auch nicht zu Beschädigungen
der auf dem genannten Teilbereich der Trägerplatte angeordneten Bauelemente
führen.
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Ferner
hat der genannte Teilbereich der Trägerplatte im Hohlraum soviel
Platz zur Verfügung, dass
er durch Beschleunigungen des Sensors ausgelöste Schwingungen ausführen kann.
Hierfür
muss die Trägerplatte
eine gewisse Elastizität
aufweisen, wobei die Elastizität
handelsüblicher
Platinen ausreichend ist. Durch die Möglichkeit der Ausführung von Schwingungen
werden Beschleunigungen des Sensors nicht direkt auf die auf dem
genannten Teilbereich der Trägerplatte
angeordneten Bauelemente übertragen;
vielmehr wird erreicht, dass diese Beschleunigungen "abgefedert" werden.
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Dementsprechend
besitzt ein erfindungsgemäßer Sensor
eine erhöhte
Resistenz gegen Temperaturänderungen,
insbesondere gegen ein starkes Absenken der Temperatur sowie gegen
Beschleunigungen.
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Bevorzugt
ist es, wenn die im Hohlraum angeordneten Bauelemente beabstandet
zur Hohlraumbegrenzung angeordnet sind. Auf diese Weise wird sichergestellt,
dass Beschleunigungskräfte
nicht direkt von der Hohlraumbegrenzung auf die Bauelemente übertragen
werden können;
vielmehr wird ein Schwingen der Trägerplatte ermöglicht,
welches die Beschleunigungen abfedert und nur in reduzierter Weise
auf die Bauelemente überträgt.
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Von
Vorteil ist es, wenn die Unter- und die Oberseite des im Hohlraum
angeordneten Teilbereichs der Trägerplatte
beabstandet zur Hohlraumbegrenzung angeordnet sind. Auf diese Weise
wird erreicht, dass die Trägerplatte
Schwingungen sowohl nach unten als auch nach oben ausführen kann.
Eine auf den Sensor wirkende Beschleunigung kann somit die Trägerplatte
in eine harmonische, langsam abklingende Schwingung versetzen, die
zu einer optimierten Verringerung der auf die Bauelemente wirkenden
Beschleunigungskräfte
führt.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Stirnseiten des im Hohlraum angeordneten
Teilbereichs der Trägerplatte
beabstandet zur Hohlraumbegrenzung angeordnet sind. Auf diese Weise
kann sich der genannte Teilbereich in alle Richtungen aufgrund von Temperaturerhöhungen ausdehnen
bzw. wird es möglich,
dass sich das Gehäuse
zusammenzieht, ohne dass Trägerplatte
und Hohlraumbegrenzung aneinander anstoßen. Ein gemäß Stand
der Technik mögliches
Abscheren umspritzter Bauteile wird ebenso vermieden, da die Bauteile
erfindungsgemäß nicht
umspritzt, sondern im Hohlraum angeordnet sind. Es werden also grundsätzlich temperaturbedingte
Kräfte
auf die Trägerplatte
und/oder die Bauteile und damit verbundene Beschädigungen vermieden.
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Die
Trägerplatte
ist erfindungsgemäß nur auf einer
Seite des Hohlraums in dem den Hohlraum umgebenden Material fixiert,
so dass die Trägerplatte sprungbrettartig
in den Hohlraum hineinragt. So wird eine optimale Ausdehnungs- und
Schwingungsmöglichkeit
der Trägerplatte
erreicht. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn zur Fixierung der
Trägerplatte im
Hohlraum der außerhalb
des Hohlraums angeordnete Teilbereich der Trägerplatte zumindest bereichsweise
mit Gehäusematerial
umspritzt ist.
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In
den Hohlraum ragt ferner zumindest ein Bewegungsbegrenzungselement
hinein, dessen der Trägerplatte
zugewandter Endbereich beabstandet von der Trägerplatte angeordnet ist. Ein
solches Bewegungsbegrenzungselement dient dazu, die durch Schwingungen
der Trägerplatte
bewirkten Biegungen derselben derart zu begrenzen, dass sich die
Biegungen der Trägerplatte
immer in deren Elastizitätsbereich
bewegen und somit ein Abbrechen der Trägerplatte verhindert wird.
Der Abstand zwischen dem Endbereich des Bewegungsbegrenzungselements und
der Trägerplatte
muss dabei derart optimiert werden, dass einerseits Schwingungen
mit möglichst großer Amplitude
ermöglicht
werden, um so eine maximale Abfederung von auf die Bauelemente wirkenden
Beschleunigungen zu überreichen
und dass andererseits die genannten Schwingun gen derart begrenzt
werden, dass deren Amplitude nicht so groß werden kann, dass es zu einem
Abbrechen der Trägerplatte
kommt.
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Das
Bewegungsbegrenzungselement wird sinnvollerweise auf derjenigen
Seite des Hohlraums angeordnet, die dem Bereich, in dem die Trägerplatte im
den Hohlraum umgebenden Material fixiert ist, abgewandt ist. So
wird sichergestellt, dass sich das Bewegungsbegrenzungselement dort
befindet, wo die größten Schwingungsamplituden
der Trägerplatte auftreten.
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Von
Vorteil ist es, wenn zwei Bewegungsbegrenzungselemente vorgesehen
werden, von denen eines auf die Oberseite und das andere auf die
Unterseite der Trägerplatte
ausgerichtet ist. So können die
Schwingungsamplituden der Trägerplatte
in beide Richtungen gezielt begrenzt werden. Das bzw. die Bewegungsbegrenzungselemente
können
beispielsweise durch das Gehäusematerial
gebildet sein und gemeinsam mit dem gehäusebildenden Spritzvorgang
erzeugt werden.
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Auf
der Trägerplatte
können
zusätzliche,
sich außerhalb
des Hohlraums befindliche, mit Gehäusematerial umspritzte Bauelemente
angeordnet werden. Hierfür
eignen sich insbesondere solche Bauelemente, die gegen Beschleunigungen
weniger empfindlich sind, so dass hier der durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen
erforderliche Schutz gegen Beschleunigungen entbehrlich ist.
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Der
erfindungsgemäße Hohlraum
kann durch eine insbesondere becherförmige, die Trägerplatte
vollständig
aufnehmende Hülse
gebildet werden, in die nur bereichsweise Gehäusematerial eingespritzt ist,
so dass sich der im Hohlraum angeordnete Teilbereich der Trägerplatte
außerhalb
des Gehäusematerials
befindet und der außerhalb
des Hohlraums angeordnete Teilbereich der Trägerplatte mit Gehäusematerial
umspritzt ist.
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Alternativ
kann der erfindungsgemäße Hohlraum
auch mittels eines aus dem Stand der Technik bekannten Gasinnendruckverfahrens
gebildet werden. In diesem Fall ist dann die vorstehend beschriebene
Hülse entbehrlich.
Zudem kann in diesem Fall das gesamte Gehäuse im Rahmen eines einzigen Spritzvorgangs
gefertigt werden. Ein bei anderen Herstellungsverfahren erforderliches
aufwendiges Vergießen
entfällt
somit.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen beschrieben; in diesen zeigen:
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1 einen
Schnitt durch den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensors,
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2a,
b einen Querschnitt sowie einen Längsschnitt durch eine im Rahmen
einer ersten Ausführungform
der Erfindung verwendbare Hülse,
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3 eine
Ansicht gemäß 2b mit
in der Hülse
eingesetzter Trägerplatte,
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4a,
b einen Querschnitt sowie einen Längsschnitt durch eine Hülse gemäß 3 mit
eingespritztem Gehäusematerial,
und
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5 bis 8 vier
Verfahrensschritte für die
Herstellung einer zweiten Ausführungform
eines erfindungsgemäßen Sensors
mittels Gasinnendruckverfahren.
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1 zeigt
ein im Querschnitt im wesentlichen rechteckiges Sensorgehäuse 1 mit
abgerundeten Kanten, wobei im Sensorgehäuse 1 ein Hohlraum 2 ausgebildet
ist, der vollständig
von Gehäusematerial
umgeben ist, im Querschnitt eine ebenfalls im wesentlichen rechteckige
Form besitzt und sich in Längsrichtung
des Sensorgehäuses 1 gesehen über einen
Teilbereich desselben erstreckt.
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Im
Sensorgehäuse 1 ist
eine Trägerplatte 3 angeordnet,
wobei sich ein Teilbereich der Trägerplatte 3 innerhalb
des Hohlraums 2 und der restliche Teilbereich der Trägerplatte 3 außerhalb
des Hohlraums 2 befindet. Der außerhalb des Hohlraums 2 befindliche
Teilbereich der Trägerplatte 3 ist
dabei von Gehäusematerial
umgeben.
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Auf
dem im Hohlraum 2 befindlichen Teilbereich der Trägerplatte 3 sind
stoßempfindliche
elektronische und elektromechanische Bauelemente 4 angeordnet.
Die Bauelemente 4 weisen ebenso wie die Unterseite 5 der
Trägerplatte 3 und
die Stirnseite 6 der Trägerplatte 3 einen
Abstand zur Hohlraumbegrenzung 7 auf.
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Die
Trägerplatte 3 mit
den Bauelementen 4 ist somit mit ihrem außerhalb
des Hohlraums 2 gelegenen Bereich durch das Gehäusematerial
des Sensorgehäuses 1 fixiert
und ragt dementsprechend sprungbrettartig in den Hohlraum 2 hinein.
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Auf
der der Fixierung der Trägerplatte 3 abgewandten
Seite des Hohlraums 2 sind zwei Bewegungsbegrenzungselemente 8 vorgesehen,
welche in den Hohlraum 2 hineinragen und auf die Oberseite 9 bzw.
die Unterseite 5 der Trägerplatte 3 ausgerichtet
sind. Die Bewegungsbegrenzungselemente enden dabei in einem geringen
Abstand vor der Oberseite 9 bzw. der Unterseite 5.
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Weiterhin
sind auf der Oberseite 9 der Trägerplatte 3 zusätzliche,
stoßunempfindliche
Bauelemente 10 angeordnet, welche sich jedoch außerhalb des
Hohlraums 2 befinden und von Gehäusematerial des Sensorgehäuses 1 umgeben
sind.
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In
das Gehäusematerial
des Sensorgehäuses 1 ist
eine Kabelisolierung 11 eingebettet, aus der innerhalb
des Sensorgehäuses 1 Drähte 12 zur
beispielsweise als Platine ausgebildeten Trägerplatte 3 geführt sind. Über die
Drähte 12 kann
eine Spannungsversorgung bzw. ein Datenaustausch erfolgen.
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Durch
die erfindungsgemäße Anordnung
gemäß 1 wird
folgendes erreicht:
Da die Trägerplatte 3 nur mit
ihrem in 1 rechts vom Hohlraum 2 befindlichen
Bereich von Gehäusematerial
umgeben und somit fixiert ist und der restliche Bereich der Trägerplatte 3 sprungbrettartig
in den Hohlraum 2 hineinragt, ist sichergestellt, dass sich
der im Hohlraum 2 befindliche Bereich der Trägerplatte 3 infolge
von Temperaturänderungen
ausdehnen bzw. zusammenziehen kann, ohne dass die Trägerplatte 3 oder
die darauf angeordneten Bauelemente 4 an der Hohlraumbegrenzung 7 anstoßen. Beschädigungen
der Trägerplatte 3 sowie
der Bauelemente 4 durch Temperatureinwirkungen werden so wirksam
vermieden.
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Ferner
wird sichergestellt, dass die Trägerplatte 3 bei
Beschleunigungen des Sensorgehäuses 1 um
eine im wesentlichen an der Position 13 gemäß 1 befindliche
Achse, die sich senkrecht zur Zeichenebene erstreckt, schwingen
kann, wobei die Amplitude dieser Schwingung durch die beiden Bewegungsbegrenzungselemente 8 begrenzt
ist. Durch diese Schwingungsmöglichkeit
werden auf die Bauelemente 4 lediglich gedämpfte bzw.
abgefederte Beschleunigungskräfte übertragen,
so dass in einem erfindungsgemäßen Sensor
stoßempfindliche
Bauelemente 4 Verwendung finden können. Aufgrund der Begrenzung
der Schwingungsamplitude durch die Bewegungsbegrenzungselemente 8 wird
sichergestellt, dass sich die Bauelemente 4 von der Trägerplatte 3 aufgrund
der Schwingungen und der damit verbundenen Durchbiegungen nicht
lösen,
und dass die Lötstellen
der Bauelemente 4 nicht beschädigt werden.
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Die
nachfolgend erläuterten 2 bis 8 zeigen
zwei verschiedene Möglichkeiten
zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Sensors, wobei mit beiden
Varianten sämtliche
Vorteile realisiert werden können,
die vorstehend in Verbindung mit 1 erläutert wurden.
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Die 2a und 2b zeigen
einen Querschnitt (2a) und einen Längsschnitt
(2b) durch eine erfindungsgemäß verwendbare Hülse 14, die
auf ihrer Außenseite
eine zylindrische Form aufweist und an einer Stirnseite 15 verschlossen
ist, so dass die Hülse 14 letztlich
ein becherförmiges
Gebilde darstellt. Auf der Innenseite der Hülse sind zwei diametral gege nüberliegende
Längsnuten 16 eingearbeitet,
die sich von der Stirnseite 15 bis in einen von der gegenüberliegenden
Stirnseite 17 beabstandeten Bereich 18 der Hülse 14 erstrecken.
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3 zeigt
eine Darstellung entsprechend 2b, wobei
in die Längsnuten 16 eine
Trägerplatte 3 so
weit eingeschoben ist, dass ihr der Stirnseite 15 der Hülse 14 zugewandtes
Ende beabstandet von dieser Stirnseite 15 zu liegen kommt.
Auf der Oberseite 9 und der Unterseite 5 der Trägerplatte 3 sind Bauelemente 4 sowie
Bauelemente 10 angeordnet, wobei sich die Bauelemente 10 alle
in einem größeren Abstand
zur Stirnseite 15 befinden als die Bauelemente 4.
Bei den Bauelementen 4 handelt es sich um stoßempfindliche
Bauelemente, wohingegen die Bauelemente 10 stoßunempfindlich
sind.
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Falls
auch optische Bauelemente zum Einsatz gelangen, ist es sinnvoll,
die Hülse 14 mit
einem Fenster zu versehen, durch das Strahlung hindurchtreten kann.
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An
die Trägerplatte 3 sind
Drähte 12 angeschlossen,
die in eine Kabelisolierung 11 übergehen. Das der Trägerplatte 3 zugewandte
Ende der Kabelisolierung 11 endet innerhalb der Hülse 14.
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Die
Dicke der Trägerplatte 3 ist
so bemessen, dass sie innerhalb der Längsnuten 16 nach oben und
unten noch über
eine geringe Wegstrecke beweglich ist. In 3 ist eine
Position der Trägerplatte 3 gezeigt,
in der sie sich mittig in den Längsnuten 16 befindet,
so dass sie theoretisch sowohl nach oben als auch nach unten beweglich
wäre. Der
nachfolgend in Verbindung mit 4 beschriebene
Spritzvorgang erfolgt, während
die Trägerplatte 3 mittels
eines geeigneten Haltewerkzeugs in der in 3 gezeigten
Position fixiert ist.
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Gemäß 4b wird
von der Stirnseite 17 her bei in der genannten Weise fixierter
Trägerplatte 3 Gehäusematerial 19 in
die Hülse 14 eingespritzt.
Gehäusematerial 19 und
Hülse 14 bestehen
bevorzugt aus dem gleichen Material, da sich dann eine gute Verbindung
und/oder Abdichtung zwischen Gehäusematerial 19 und
Hülse 14 ergibt.
Der Spritzvorang wird solange fortgesetzt, bis das Gehäusematerial 19 die
Kabelisolierung 11, die Drähte 12 sowie alle
Bauelemente 10 umgibt. Unmittelbar danach wird der Spritzvorgang
beendet, so dass das Gehäusematerial 19 nicht
bis an die Bauelemente 4 heranreicht.
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Auf
diese Weise wird erreicht, dass die Trägerplatte 3 sprungbrettartig
in Richtung der Stirnseite 15 aus dem Gehäusematerial 19 hervorsteht,
so dass die Bauelemente 4 letztlich in einem innerhalb der
Hülse 14 ausgebildeten
Hohlraum 2 zu liegen kommen.
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In
diesem Hohlraum 2 ist die Trägerplatte 3 in der
Längsnut 16 nach
oben und unten beweglich (siehe 4a), so
dass sie die vorstehend erläuterten
Schwingungen ausführen
kann. Die Amplitude dieser Schwingungen ist jedoch durch die Längsnut 16 begrenzt.
Insofern entspricht die Funktion der Längsnuten 16 im fertigen
Zustand des Sensors der Funktion der Bewegungsbegrenzungselemente 8 gemäß 1.
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Wesentlich
ist, dass die Abmessungen der Trägerplatte 3 senkrecht
zur Zeichenebene so bemessen sind, dass die Trägerplatte 3 – dort,
wo sie nicht durch das Gehäusematerial 19 fixiert
ist – senkrecht
zur Zeichen ebene in alle Richtungen, d.h. in Richtung der Stirnseite 15 (4b)
und in den dazu senkrechten Richtungen (4a) beweglich
wäre, da
sie in diesen Richtungen nicht an der Hülse 14 anstößt. Dies
bewirkt, dass sich die Trägerplatte 3 bei Temperaturerhöhungen senkrecht
zur Zeichenebene ausdehnen bzw. dass sich die Hülse 14 zusammenziehen
kann.
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5 zeigt
eine Trägerplatte 3 mit
darauf angeordneten stoßempfindlichen
Bauelementen 4 sowie stoßunempfindlichen Bauelementen 10.
An die Trägerplatte 3 sind
zwei Drähte 12 angeschlossen, die
in eine Kabelisolierung 11 münden. Die Anordnung der genannten
Teile 3, 4, 10, 11 und 12 entspricht
derjenigen der 3 und 4.
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Die
in 5 dargestellte Anordnung wird nun in eine – nicht
dargestellte – Spritzform
eingebracht, deren innere Abmessungen zumindest im wesentlichen
der letztlich zu erzielenden äußeren Kontur
des Sensorgehäuses
entsprechen. Anschließend
wird dann damit begonnen, Gehäusematerial 19 in
die Spritzform einzuspritzen, wobei dieser Einspritzvorgang auf
der gleichen Seite des Sensors erfolgt, wie in Verbindung mit 4 beschrieben.
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Bei
dem in 6 dargestellten Verfahrensschritt des Spritzvorgangs
sind die stoßunempfindlichen
Bauelemente 10, der entsprechende Bereich der Trägerplatte 3,
die Drähte 12 sowie
die Kabelisolierung 11 von Gehäusematerial 19 umgeben.
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Weiterhin
ist in 6 zu sehen, dass im Bereich der stoßempfindlichen
Bauelemente 4 eine Gasinjektionsdüse 20 angeordnet ist,
welche die Durchführung
eines aus dem Stand der Technik bekannten Gasinnendruckspritzgießens ermöglicht.
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Im
Rahmen des weiteren, in 7 dargestellten Spritzvorgangs
gelangt das Gehäusematerial 19 bis
in einen Bereich der stoßempfindlichen
Bauteile 4, wobei gleichzeitig über die Gasinjektionsdüse 20 Gas
in den Bereich der stoßempfindlichen
Bauelemente 4 gebracht wird. Das Einbringen dieses Gases durch
die Gasinjektionsdüse 20 bewirkt,
dass sich im Bereich der stoßempfindlichen
Bauelemente 4 ein Hohlraum 2 auszubilden beginnt.
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Durch
Fortsetzung des beschriebenen Verfahrens wird die – nicht
dargestellte – Spritzform
letztlich vollständig
mit Gehäusematerial 19 gefüllt (siehe 8),
wobei gleichzeitig durch das fortgesetzte Einbringen von Gas der
Hohlraum 2 derart vergrößert wird,
dass sich sämtliche
Bauelemente 4 innerhalb des Hohlraums 2 befinden,
wobei zwischen der Hohlraumbegrenzung 7 und den Bauelementen 4 bzw. der
Trägerplatte 3 immer
ein Abstand besteht, so dass sich kein direkter Kontakt zwischen
den Bauelementen 4 bzw. der Trägerplatte 3 und dem
Gehäusematerial 19 einstellt
(siehe wiederum 8).
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Kurz
vor Beendigung des Spritzvorgangs wird die Gasinjektionsdüse 20 aus
dem Bereich des zu bildenden Sensorgehäuses zurückgezogen, so dass der Hohlraum 2 bzw.
das Düsenloch
durch den Abschluß des
Spritzvorgangs vollständig
geschlossen werden kann. Alternativ kann das Düsenloch auch nachträglich mittels
eines Stopfens verschlossen werden.
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Wie 8 zeigt,
wird auch durch das letztgenannte Verfahren erreicht, dass die Trägerplatte
mit den stoßempfindlichen
Bauelementen 4 sprung brettartig in den Hohlraum 2 hineinragt
und von der Hohlraumbegrenzung 7 beabstandet ist. Die sich
zur Stirnseite 15 des Sensors verjüngende Abmessung des Hohlraums 2 besitzt
in diesem Fall die gleiche Funktion wie die Bewegungsbegrenzungselemente 8 gemäß 1.
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- 1
- Sensorgehäuse
- 2
- Hohlraum
- 3
- Trägerplatte
- 4
- Bauelemente
- 5
- Unterseite
- 6
- Stirnseite
- 7
- Hohlraumbegrenzung
- 8
- Bewegungsbegrenzungselemente
- 9
- Oberseite
- 10
- Bauelemente
- 11
- Kabelisolierung
- 12
- Drähte
- 13
- Position
- 14
- Hülse
- 15
- Stirnseite
- 16
- Längsnuten
- 17
- Stirnseite
- 19
- Gehäusematerial
- 20
- Gasinjektionsdüse