DE102004026220B4

DE102004026220B4 - Elektrischer Verbinder für einen Drucksensorschaft

Info

Publication number: DE102004026220B4
Application number: DE102004026220.9A
Authority: DE
Inventors: Christopher L. Eriksen; James L. Gravel; Randall C. Olson; David Strei
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 2003-05-28
Filing date: 2004-05-28
Publication date: 2015-09-24
Anticipated expiration: 2024-05-29
Also published as: CN1573308A; CN100337103C; DE102004026220A1; JP4726434B2; US6722927B1; JP2004354384A

Abstract

Elektrischer Verbinder (50) zum Verbinden mit einem Drucksensorschaft (34), der von einer Drucksensorkapsel (20) vorsteht, wobei der elektrische Verbinder aufweist: eine Grundplatte (52) mit einer durchgehenden mittleren Öffnung (54); eine Umfangswand (56), die an die Grundplatte (52) angrenzt und unter der Grundplatte (52) hervorsteht, wobei die Umfangswand (56) so geformt ist, dass sie mit der Drucksensorkapsel (20) gleitend in Eingriff kommt, wenn der Drucksensorschaft (34) durch die mittlere Öffnung (54) geführt wird, um über der Grundplatte (52) hervorzustehen; eine Schutzwand (60), die an die Grundplatte (52) angrenzt, so dass sie über dem Drucksensorschaft (34) hervorsteht, wobei die Schutzwand (60) den Drucksensorschaft (34) schützt; und einen Leitungsrahmen (64), der in der Schutzwand (60) angeordnet ist und elektrische Anschlüsse für Sensor-Kontaktstellen (36) auf dem Drucksensorschaft (34) bereitstellt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Drucksensoren für die Anwendung beim Erfassen des Drucks in Fluiden. Speziell betrifft die vorliegende Erfindung elektrische Verbinder (engl. electrical connectors) für Drucksensorenbauteile.
Hintergrund der Erfindung
Industrielle Transmitter oder Messwertübertrager werden verwendet, um Fluidparameter wie Druck, Temperatur, Strömung und den pH-Wert zu erfassen, und den Wert des erfassten Fluidparameters an eine entfernte Stelle, wie ein Steuersystem, zu übertragen. Diese Messwertübertrager können einen Mikrominiaturdrucksensor aufweisen, der in einer Drucksensorenkapsel innerhalb des Übertragers montiert ist. Ein solcher Drucksensor kann einen Sensorenschaft haben, der von der Sensorenkapsel hervorsteht, um einen Zugang zu den elektrischen Kontaktstellen zum Verbinden bereitzustellen. Der Sensorenschaft ist typischerweise aus einem spröden Material wie einem Saphir ausgebildet und wird durch Kontakt mit Werkzeugen oder anderen Gegenständen während der Herstellung des Übertragers leicht zerbrochen. Die Verbindungsdrähte, die mit den elektrischen Kontaktstellen verbunden sind, sind ebenfalls sehr empfindlich und am Verbindungspunkt anfällig für einen Bruch.
Es wird eine Anordnung für eine einfache, zuverlässige, elektrische Verbindung von den elektrischen Kontaktstellen am Sensorenschaft zu den Verbindungsdrähten benötigt. Eine solche Anordnung schützt außerdem vorzugsweise den Sensorenschaft vor einem Bruch.
Die DE 199 36 300 A1 beschreibt eine Druckerkennungsvorrichtung mit einer Drucksensoreinheit und vier Anschlussleitungen, die aus einem Sensorgehäuse austreten.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Gegenstand der Anmeldung ist im unabhängigen Anspruch 1 definiert. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Es wird ein elektrischer Verbinder (engl. electrical connector) offenbart, der einen Drucksensorenschaft schützt, der von einer Drucksensorenkapsel vorsteht. Der elektrische Verbinder weist eine Grundplatte mit einer durchgehenden mittleren Öffnung auf.
Der elektrische Verbinder weist außerdem eine Umfangswand auf, die an die Grundplatte angrenzt. Die Umfangswand steht unter der Grundplatte hervor. Die Umfangswand ist so geformt, dass sie mit der Drucksensorenkapsel verschiebbar in Eingriff kommt, wenn der Drucksensorenschaft durch die mittlere Öffnung geführt wird, um über der Grundplatte hervorzustehen.
Der elektrische Verbinder weist eine Schutzwand auf, die an die Grundplatte angrenzt. Die Schutzwand steht über dem Drucksensorenschaft vor. Wenn der elektrische Verbinder an der Drucksensorenkapsel angebracht ist, schützt die Schutzwand den Drucksensorenschaft. Ein Leitungsrahmen in der Schutzwand stellt für die Sensor-Kontaktstellen am Drucksensorenschaft elektrische Anschlüsse bereit.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine isometrische Ansicht einer Drucksensorenkapsel mit einem vorstehenden Drucksensorenschaft;
2 eine Schrägansicht eines elektrischen Verbinders;
3 eine Vorderansicht des elektrischen Verbinders;
4 eine vordere Querschnittsansicht des elektrischen Verbinders entlang der Linie 4-4' in 5;
5 eine Draufsicht des elektrischen Verbinders;
6 eine Unteransicht des elektrischen Verbinders;
7 eine teilweise, schräge Querschnittsansicht des elektrischen Verbinders, entlang der Linie 7-7' in 6;
8–10 eine Leitungsträgeranordnung, die beim Positionieren eines Leitungsrahmens in einem elektrischen Verbinder nützlich ist.
Ausführliche Beschreibung der veranschaulichten Ausführungsbeispiele
In den unten veranschaulichten Ausführungsbeispielen hat ein elektrischer Verbinder eine Umfangswand, die so geformt ist, dass sie auf ein Ende einer Drucksensorenkapsel geschoben wird, und eine Schutzwand, die so geformt ist, dass sie über einem spröden Drucksensorenschaft hervorsteht und den Drucksensorenschaft während der Bearbeitung vor einem schädlichen Kontakt mit fremden Gegenständen schützt. Die Umfangswand und die Schutzwand grenzen gemeinsam an eine Grundplatte an, die einen festen Anschlag bietet, um eine genaue Ausrichtung mit der Drucksensorenkapsel zu gewährleisten. Ein Leitungsrahmen in der Schutzwand stellt für die Sensor-Kontaktstellen auf dem Drucksensorenschaft elektrische Anschlüsse bereit. Der elektrische Verbinder ist vorzugsweise durch Spritzgießen von Kunststoffharz ausgebildet und weist einen Metalleinsatz auf, der als eine Abschirmung vor Hochfrequenz- und elektromagnetischen Störungen (engl. RFI/EMI shield) dient. Eine Anordnung einer beispielhaften Drucksensorenkapsel wird unten in Verbindung mit 1 beschrieben, wobei eine Anordnung eines beispielhaften elektrischen Verbinders nachstehend in Verbindung mit 2–7 beschrieben wird.
1 veranschaulicht eine Schrägansicht eines Beispiels einer Drucksensorenkapsel 20. In einem solchen Ausführungsbeispiel weist die Drucksensorenkapsel 20 einen Block auf, der aus zwei Blockhälften 22, 24 besteht, die zusammengefügt sind, so dass sie eine Sensor-Montageöffnung 26 bilden. Ein Fluid-Einlassrohr 28 versorgt eine Druckkammer (nicht dargestellt) innerhalb des Blocks mit einem unter Druck stehenden Fluid. Ein Haltering 25 mit einer zylindrischen Außenfläche 27 verbessert die Druckintegrität der Drucksensorenkapsel 20. Ein Drucksensor 30 hat einen Hals 32, der durch die Montageöffnung 26 geführt wird und ebenfalls einen druckempfindlichen Bereich (nicht dargestellt) innerhalb der Druckkammer hat. Der Drucksensor 30 weist außerdem einen Drucksensorenschaft 34 auf, der aus der Drucksensorenkapsel 20 hervorsteht. Der Drucksensorenschaft 34 weist Sensor-Kontaktstellen 36 auf, um mit dem Drucksensor 30 elektrische Anschlüsse herzustellen. Es ist offensichtlich, dass der Drucksensor 30 eine Vielzahl von Formen annehmen kann, solange er einen Schaftbereich aufweist, der sich durch eine Montageöffnung für elektrische Anschlüsse erstreckt.
Die Drucksensorenkapsel 20 und der Drucksensor 30 können so aufgebaut sein, wie es zum Beispiel in US-A-6 089 097 Frick et al., US-A-6 508 129 Sittler oder in der veröffentlichten US-Patentanmeldung 200 201 00 333 Gravel et al. beschrieben wurde.
Der Drucksensor 30 kann aus sprödem Material, wie Aluminiumoxid (synthetischer Saphir), Silizium oder Quarzglas ausgebildet sein. Es ist ein potentielles Problem, dass durch einen fremden Gegenstand eine ausreichende Kraft ausgeübt werden kann, um den Hals 32 abzubrechen, wenn der Drucksensorenschaft 34 mit dem fremden Gegenstand in Kontakt kommt. Das spröde Material ist biegefest, wobei es zu einer Spannungskonzentration kommt, im Bereich wo der Hals 32 an die Sensor-Montageöffnung 26 angrenzt, der während der normalen Bearbeitung, die während der Herstellungsverfahren vorkommt, zum Brechen neigt. In einem Ausführungsbeispiel sind die Sensor-Kontaktstellen 36 extrem klein, in der Größenordnung von etwa 0,64 mm (0,025 Zoll), wobei extrem feine Verbindungsdrähte mit Durchmessern von etwa 0,025 mm (0,001 Zoll) verwendet werden, um einen Kontakt mit den Kontaktstellen 36 herzustellen. Die Verbindungsdrähte sind während der normalen Bearbeitung in den Herstellungsverfahren Biegungen und Brechungen unterworfen. Die Probleme mit dem Brechen des Halses 32 des Drucksensors 30 und dem Brechen der Verbindungsdrähte werden durch den beispielhaften, elektrischen Verbinder vermieden, der nachstehend in Verbindung mit 2–7 beschrieben wird.
2 veranschaulicht eine Schrägansicht eines elektrischen Verbinders 50. Der elektrische Verbinder 50 kann verwendet werden, um einen Drucksensorenschaft (wie Schaft 34 in 1) zu schützen, der von einer Drucksensorenkapsel (wie Kapsel 20 in 1) hervorsteht. Bestimmte Ansichten des elektrischen Verbinders 50 können in einer Vorderansicht (3), einer vorderen Querschnittsansicht (4, entlang der Linie 4-4' in 5 genommen), einer Draufsicht (5), einer Unteransicht (6) oder einer teilweisen, schrägen Schnittansicht (7, entlang der Linie 7-7' in 6 genommen) deutlicher gesehen werden. In 2–10 werden durchweg die gleichen Bezugsziffern verwendet, um die verschiedenen Merkmale zu kennzeichnen.
Der in 2–7 gezeigte elektrische Verbinder 50 umfasst eine Grundplatte 52 mit einer mittleren Öffnung 54, die durch die Grundplatte 52 führt. Der elektrische Verbinder 50 weist außerdem eine Umfangswand 56 auf, die an die Grundplatte 52 angrenzt, und unter der Grundplatte 52 hervorsteht, wie veranschaulicht wird. Die Umfangswand 56 ist so geformt, dass sie mit einer Fläche einer Drucksensorenkapsel (wie die Fläche 27 der Kapsel 20 in 1) verschiebbar in Eingriff kommt, wenn der Drucksensorenschaft (wie der Schaft 34) durch die mittlere Öffnung 54 geführt wird, um über die Grundplatte 52 hervorzustehen. Eine Unterseite 59 (4, 7) der Grundplatte 52 und die Innenflächen 55 (4) der Umfangswand 56 bilden vorzugsweise einen im Allgemeinen zylindrischen Hohlraum 57 (3, 4), der auf eine äußere Fläche eines Halteringes (wie die Fläche 27 in 1) passt. Die Unterseite 59 dient als fester Anschlag zum Positionieren der Schutzvorrichtung 50 auf einer Drucksensorenkapsel.
Der elektrische Verbinder 50 umfasst ferner eine Schutzwand 60, die an die Grundplatte 52 angrenzt und über dem Drucksensorenschaft 34 hervorsteht (3). Die Schutzwand 60 schützt den Drucksensorenschaft 34 vor einem unbeabsichtigten Zusammenprall mit einem fremden Gegenstand. Die Schutzwand 60 positioniert die elektrischen, auf der Oberfläche montierten Kontakte 68, um sie leicht mit einer Leiterplatte zu verbinden, ohne irgendeine Gefahr einer Störung der Sensor-Drahtverbindungen an den Verbindungsstellen 66. Die Sensor-Drahtverbindungen können auf einer kompakten Drucksensoren-Ebene des Zusammenbaus fertig gestellt werden, wobei dann die Leiterplatten-Ebene des Zusammenbaus später ohne die Mühe, Drahtverbindungen herzustellen, fertig gestellt werden kann. Die Verbindungsdrähte sind extrem kurz und bieten einen robusten Widerstand gegen eine Beschädigung durch Erschütterungen und Vibrationen in der Arbeitsumgebung.
Die Grundplatte 52, die Umfangswand 56 und die Schutzwand 60 umfassen vorzugsweise einen aus einem Kunststoffharz gebildeten Spritzgussteil. Der Drucksensorenschaft (wie der Schaft 34 in 1, 3) hat Sensor-Kontaktstellen (wie die Kontaktstellen 36 in 1), wobei die Schutzwand 60 vorzugsweise einen Schlitz 62 umfasst, der mit den Sensor-Kontaktstellen ausgerichtet ist. Der Schlitz 62 ermöglicht den Zugang zu den Sensor-Kontaktstellen, um die Verbindungsdrähte von den Kontaktstellen 36 (1) mit den Verbindungsstellen 66 zu verbinden.
Der elektrische Verbinder 50 umfasst vorzugsweise einen Metallleitungsrahmen 64, der in der Schutzwand 60 neben dem Schlitz 62 ausgeformt ist. Der Leitungsrahmen 64 weist mehrere Verbindungsstellen 66 auf, die geeignet sind, eine Verbindung mit den an den Sensor-Kontaktstellen 36 angrenzenden Verbindungsdrähten herzustellen. Der Leitungsrahmen 64 ist, wie veranschaulicht, in einem Modell eines Dual-In-Line-Gehäuses (dual in-line package – DIP) angeordnet und weist mehrere hervorstehende, auf der Oberfläche montierte (surface mount – SM) Kontakte 68 auf. Die Anordnung mit dem Leitungsrahmen 64 ermöglicht es, dass Verbindungsdrähte in einer Lage eingebaut werden, die vor einem Kontakt mit fremden Gegenständen geschützt ist. Die Anordnung mit dem Leitungsrahmen 64 verhindert außerdem das Durchbiegen der Verbindungsdrähte. Jedes durch die Installation in einem Druckübertrager erforderliche Durchbiegen der Leitung wird auf die stabileren, auf der Oberfläche montierten Kontakte 68 übertragen. Der Leitungsrahmen 64 platziert die Verbindungsdrähte 66 in enger Nähe zu den Sensor-Kontaktstellen 36, wodurch kurze, robuste Drahtverbindungen möglich sind.
Der elektrische Verbinder 50 umfasst vorzugsweise einen Führungsstift 70, der an die Grundplatte 52 angrenzt und neben den hervorstehenden, auf der Oberfläche montierten Kontakten 68 vorsteht. Der Führungsstift 70 passt vorzugsweise in eine Führungsöffnung an einer Leiterplatte (nicht dargestellt), um die auf der Oberfläche montierten Kontakte 68 mit den Lötstellen der Leiterplatte besser auszurichten. Der elektrische Verbinder 50 weist vorzugsweise eine Funkentstör-Schutzabschirmung (engl. RFI protective shield) 72 auf, die in die Schutzwand 60 eingeformt ist. In einer bevorzugten Anordnung ist der Führungsstift aus Metall ausgebildet und dient als eine Verbindung zwischen der Funkentstör-Schutzabschirmung 72 und einer Erdungs-Kontaktstelle auf der Leiterplatte.
Die Umfangswand 56 weist vorzugsweise Griffflächen 61 (6, 7) auf, die so geformt sind, dass sie eine Fläche (wie die Fläche 27 in 1) der Drucksensorenkapsel aufnehmen oder festklemmen. Die Griffflächen haben vorzugsweise, wie dargestellt, eine spitz zulaufende Form. Die spitz zulaufende Form bewirkt, dass die Fläche 27 die Griffflächen 61 presst und einen Festsitz oder Preßsitz bildet, der einem Entfernen der Schutzvorrichtung 50 standhält. Die Griffflächen 61 verhindern oder halten außerdem einer Drehbewegung der Schutzvorrichtung 50 auf der Fläche 27 stand.
Die Schutzwand 60 ist vorzugsweise so geformt, dass sie um den Drucksensorenschaft einen Vergusshohlraum 74 bildet. Der Vergusshohlraum 74 ist zum Füllen mit einer Vergussmasse geformt, so dass der Schaft 34 und die Verbindungsdrähte in dem Vergusshohlraum 74 zum weiteren Schutz vergossen werden können.
Auf Wunsch kann eine Oberfläche wie eine Bauteil-Montage-Fläche 76 (2) verwendet werden, um eine Schaltung mit Miniaturelektronik zu montieren, die mit den Kontaktstellen 64 verbunden wird.
Die Grundplatte 52 erstreckt sich, wie veranschaulicht ist, von der Schutzwand 60 peripher nach außen, wobei die Schutzwand 60 Außenflächen 78 hat, die verwendet werden können, um mit einer Montageöffnung (nicht dargestellt) in Eingriff zu kommen, in die der elektrische Verbinder 50 eingeführt wird.
Ein elektrische Verbinder, wie der elektrische Verbinder 50, löst die Probleme mit dem Leitungsbruch und dem Bruch des Sensor-Schafts und stellt eine Anordnung mit der Drucksensorenkapsel 20 bereit, die in einer Produktionsumgebung ohne einen unzulässigen Bruch der elektrischen Verbindungsdrähte oder des Sensor-Schafts bequem gehandhabt werden kann.
8–10 veranschaulichen eine Leitungsträger-Anordnung 80, die beim Positionieren eines Leitungsrahmens 64 in einer Form (nicht dargestellt) nützlich ist. Der Leitungsrahmen 64 ist ein Teil der Leitungsträger-Anordnung 80, die vom Hauptkörper der Leitungsträger-Anordnung 80 frei geschnitten wurde, nachdem das Formen abgeschlossen ist und die Leitungen in die endgültige Form gebogen wurden. Wie in 8 veranschaulicht ist, weist die Leitungsträger-Anordnung 80 eine Kerbe 84 zur Ausrichtung in der Form auf. Die Leitungsträger-Anordnung 80 hält jede Leitung in einer vorgegebenen Position in der Form, um eine genaue Ausrichtung mit der Kunststoff-Harzform zu gewährleisten. Jede Leitung in dem Leitungsrahmen 64 weist eine vorstehende Lasche 86 auf, die verhindert, dass die Leitung während der Biegevorgänge in den geformten Teil gleitet. Die vorstehenden Laschen 86 sind vorzugsweise innerhalb der Schutzwand 60 ausgeformt. 9 veranschaulicht eine Vorderansicht und 10 eine Draufsicht der in dem elektrischen Verbinder 50 befestigten Leitungsträger-Anordnung 80, nachdem das Formen abgeschlossen ist, aber vor dem Biegen des Leitungsrahmens 64 und vor dem Wegschneiden des Leitungsrahmens 64 von der Leitungsträger-Anordnung 80. Die Leitungsträger-Anordnung 80 ist vorzugsweise ein geprägtes, geätztes oder ein mit Laser bearbeitetes Metallblech-Bauteil.
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass Änderungen in Form und Einzelheiten vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Während die veranschaulichten Ausführungsbeispiele einen Leitungsrahmen aus getrennten Leitungen zeigen, wird es für den Fachmann verständlich sein, dass auch ein Leitungsrahmen mit einer flexiblen Schaltung verwendet und direkt mit den Kontaktstellen auf dem Sensor-Schaft verbunden werden kann, wodurch die Notwendigkeit für Verbindungsdrähte zu den Sensor-Kontaktstellen entfällt.

Claims

Elektrischer Verbinder (50) zum Verbinden mit einem Drucksensorschaft (34), der von einer Drucksensorkapsel (20) vorsteht, wobei der elektrische Verbinder aufweist: eine Grundplatte (52) mit einer durchgehenden mittleren Öffnung (54); eine Umfangswand (56), die an die Grundplatte (52) angrenzt und unter der Grundplatte (52) hervorsteht, wobei die Umfangswand (56) so geformt ist, dass sie mit der Drucksensorkapsel (20) gleitend in Eingriff kommt, wenn der Drucksensorschaft (34) durch die mittlere Öffnung (54) geführt wird, um über der Grundplatte (52) hervorzustehen; eine Schutzwand (60), die an die Grundplatte (52) angrenzt, so dass sie über dem Drucksensorschaft (34) hervorsteht, wobei die Schutzwand (60) den Drucksensorschaft (34) schützt; und einen Leitungsrahmen (64), der in der Schutzwand (60) angeordnet ist und elektrische Anschlüsse für Sensor-Kontaktstellen (36) auf dem Drucksensorschaft (34) bereitstellt.
Elektrischer Verbinder nach Anspruch 1, wobei die Grundplatte, die Umfangswand und die Schutzwand aus Kunststoffharz geformt sind.
Elektrischer Verbinder nach Anspruch 1, wobei der Drucksensorschaft (34) elektrische Sensor-Kontaktstellen (36) hat und die Schutzwand (60) einen Schlitz (62) umfasst, der mit den Sensor-Kontaktstellen (36) ausgerichtet ist.
Elektrischer Verbinder nach Anspruch 3, wobei der Leitungsrahmen (64) in der Schutzwand (60) neben dem Schlitz (62) ausgeformt ist.
Elektrischer Verbinder nach Anspruch 4, wobei der Leitungsrahmen (64) Verbindungsstellen aufweist, die geeignet sind, eine Verbindung mit den an den Sensor-Kontaktstellen (36) angrenzenden Verbindungsdrähten herzustellen.
Elektrischer Verbinder nach Anspruch 4, wobei der Leitungsrahmen (64) in einem Modell eines Dual-In-Line-Gehäuses (DIP) angeordnet ist und vorstehende, auf der Oberfläche montierte (SM) Kontakte (68) aufweist.
Elektrischer Verbinder nach Anspruch 6, der ferner einen Führungsstift umfasst, der an die Grundplatte (52) angrenzt und neben den vorstehenden, auf der Oberfläche montierten Kontakten hervorsteht.
Elektrischer Verbinder nach Anspruch 1, der ferner eine Funkentstör-Schutzabschirmung umfasst, die in der Schutzwand (60) ausgeformt ist.
Elektrischer Verbinder nach Anspruch 1, wobei die Umfangswand Griffflächen aufweist, die so geformt sind, dass sie die Drucksensorkapsel festklemmen.
Elektrischer Verbinder nach Anspruch 1, wobei die Schutzwand (60) einen Vergusshohlraum um den Drucksensorschaft bildet, wobei der Vergusshohlraum zum Füllen mit einer Vergussmasse geformt ist.
Elektrischer Verbinder nach Anspruch 1, der ferner eine Bauteil-Montage-Fläche umfasst, die zum Montieren einer elektronischen Schaltung geformt ist.
Elektrischer Verbinder nach Anspruch 1, wobei sich die Grundplatte von der Schutzwand peripher erstreckt und die Schutzwand Außenflächen hat, die zum Einführen in eine Montageöffnung geeignet sind.