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Die
Erfindung betrifft einen optischen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Derartige
optische Sensoren können
als Lichttaster, Lichtschranken, Reflexionslichtschranken, Distanzsensoren
und dergleichen ausgebildet sein. Zur Erfassung von Objekten in
einem Überwachungsbereich
weisen die optischen Sensoren optische und elektronische Bauelemente,
insbesondere einen Sendelichtstrahlen emittierenden Sender und einen
Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger, auf. Weiterhin sind elektronische
Bauelemente, die auf Leiterplatten angeordnet sind, vorgesehen.
Hierzu gehört
insbesondere eine Auswerteeinheit in Form eines Microcontrollers
oder dergleichen, in welcher in Abhängigkeit am Ausgang des Empfängers ein
Objektfeststellungssignal generiert wird. Als elektrische Anschlussmittel
sind typischerweise Kabel oder Stecker vorgesehen, die in wenigstens
einem Gehäuse,
in welchem die optischen und elektronischen Bauelemente des optischen
Sensors integriert sind, gelagert sind.
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Das
oder jedes Gehäuse
eines optischen Sensors weist typischerweise einen Gehäusekörper zur
Aufnahme der Bauelemente auf, wobei der Gehäusekörper mit einem Deckel verschließbar ist.
Zudem sind in Gehäusewänden des
optischen Sensors Austrittsfenster vorgesehen, durch welches die
Sendelichtstrahlen und Empfangslichtstrahlen geführt sind.
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Zur
Integration der Anschlussmittel in dem Gehäuse sind separate Fügeprozesse,
Einpressvorgänge
und dergleichen notwendig, um eine Lagefixierung dieser Komponenten
zu erreichen. Zudem müssen
separate Dichtungen vorgesehen werden, damit die Nahtstellen zwischen
dem Gehäuse
und den Anschlussmitteln dicht abgeschlossen werden.
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Desweiteren
müssen
der Deckel und das oder die Austrittsfenster in Gehäuseöffnungen
fixiert und abgedichtet werden. Das Abdichten erfolgt bevorzugt
durch Ultraschallschweißen
oder Kleben, wobei diese zusätzlichen
Fertigungsprozesse die Festigungszeiten des optischen Sensors erheblich erhöhen und
damit zu einer unerwünschten
Erhöhung
der Herstellkosten führen.
Abgesehen davon treten bei derartigen Dichtmitteln insbesondere
dann Probleme auf, wenn die abzudichtenden Flächen relativ groß sind.
Dann treten durch fertigungsbedingte Unregelmäßigkeiten bei Aufbringung der
Dichtmittel undichte Stellen auf, durch welche Feuchtigkeit oder Verschmutzungen
in den Sensorinnenraum eindringen können.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Sensor der
eingangs genannten Art bereitzustellen, welcher rationell herstellbar
ist und welcher hinsichtlich seiner mechanischen Eigenschaften verbessert
ist.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte
Ausführungsformen
und zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Der
erfindungsgemäße optische
Sensor dient zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich
und weist wenigstens ein Gehäuse zur
Aufnahme von optischen und elektronischen Bauelementen auf. Komponenten
des Gehäuses sind
aus einer Niederdruckspritzmasse gebildet, welche jeweils durch
einen Niederdruckspritzvorgang angeformt sind.
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Die
Komponenten aus Niederdruckspritzmasse können unterschiedliche Funktionen übernehmen
und sind gleichzeitig in einem gemeinsamen Bearbeitungsprozess in
Form eines Niederdruckspritzvorgangs herstellbar.
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Dadurch
wird eine erhebliche Reduzierung der Teileanzahl zur Fertigung eines
optischen Sensors bei gleichzeitiger Reduzierung der Fertigungszeiten
ermöglicht,
wodurch die Herstellkosten des optischen Sensors erheblich reduziert
werden.
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Vorteilhaft
ist weiterhin, dass die Niederdruckspritzvorgänge zur Generierung von Komponenten
aus Niederdruckspritzmasse einen niedrigen Schmelzpunkt aufweisen.
Das Anbringen derartiger Komponenten am Gehäuse des Sensors, welches aus
Kunststoffen oder Metall besteht, welche erheblich höhere Schmelzpunkte
aufweisen, kann somit ohne Beeinträchtigungen oder Beschädigungen durchgeführt werden.
Besonders geeignet als Niederdruckspritzmasse ist dabei Polyamid.
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Komponenten
aus Niederdruckspritzmasse können
dabei in variablen Formen am Gehäuse
oder an Elementen, die mit dem Gehäuse verbunden und/oder an diesem
lagefixiert werden, angeformt werden. Dabei können die Komponenten aus Niederdruckspritzmasse
gleichzeitig Mittel zur Lagefixierung und Dichtmittel bilden. Die
so gebildeten Mittel zur Lagefixierung und Abdichtung können in
einem Niederdruckspritzvorgang hergestellt werden, wodurch die Teileanzahl
des optischen Sensors und die Montagezeit des optischen Sensors
erheblich reduziert wird.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist
der erfindungsgemäße optische Sensor einen mit einem Deckel abschließbaren Gehäusekörper auf,
dessen mechanische Konstruktion derart ausgebildet ist, dass bei Aufsetzen
des Deckels auf den Gehäusekörper ein geschlossener
Niederdruckspritzkanal gebildet wird, der an den Nahtstellen zwischen
Deckel und Gehäusekörper umläuft und
zudem bis zu den elektrischen Anschlussmitteln in Form eines Steckers
oder Kabels verläuft.
Damit kann durch einen einzigen Niederdruckspritzvorgang, bei welchem
Niederdruckspritzmasse in den Niederdruckspritzkanal eingeführt wird, eine
Abdichtung und Lagefixierung des Deckels und der Anschlussmittel
am Gehäusekörper erzielt
werden. Dies er möglicht
eine besonders rationelle und kostengünstige Fertigung des optischen
Sensors. Zudem wird durch die Niederdruckspritzmasse auch bei großen Teilen
wie Deckeln und dergleichen eine gleichförmige, zuverlässige Dichtfunktion
erhalten.
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Die
Niederdruckspritzmasse kann auch weitere Zusatzfunktionen erfüllen, wie
zum Beispiel zur Lichtführung
von Lichtstrahlen. Damit kann beispielsweise von einem Statusanzeigeelement
emittiertes Licht durch einen als Dichtmittel verwendeten Niederdruckspritzkanal
zu einer Lichtaustrittsfläche
an der Außenseite
des Gehäuses
des optischen Sensors ohne Verwendung von zusätzlichen Teilen geführt werden.
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Weiterhin
können
Elemente aus Niederdruckspritzmasse auch an der Außenseite
des Gehäuses
eines optischen Sensors angebracht sein. Beispiele hierfür sind Rahmen
zur Lagefixierung und Abdichtungen von Austrittsfenstern des optischen Sensors.
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Schließlich kann
auch das Gehäuse
eines optischen Sensors selbst aus Niederdruckspritzmasse bestehen.
In diesem Fall bilden die optischen und elektronischen Bauelemente
des optischen Sensors eine Baugruppe, die zur Ausbildung eines Gehäusegrundkörpers komplett
mit Niederdruckspritzmasse umspritzt werden. Auch diese Variante
ermöglicht eine
besonders kostengünstige
und rationelle Fertigung des optischen Sensors.
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Die
Erfindung wird im Nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1:
Längsschnitt-Darstellung
eines ersten Ausführungsbeispiels
eines optischen Sensors mit einem Stecker als Anschlussmittel.
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2:
Längsschnitt-Darstellung
einer Variante des optischen Sensors gemäß 1 mit einem Kabel
als Anschlussmittel.
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3a–c: Ansicht
des optischen Sensors gemäß 1 von
unten auf eine Gehäuseöffnung mit
einem Steckereinsatz in unterschiedlichen Montagepositionen.
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4:
Ansicht des optischen Sensors gemäß 2 von unten
auf eine Gehäuseöffnung mit darin
eingelegtem Kabel.
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5a,
b: Querschnitt-Darstellung des optischen Sensors gemäß 1 beziehungsweise 2 in
unterschiedlichen Montagepositionen.
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6:
Querschnitt-Darstellung einer Variante des optischen Sensors gemäß 5.
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7:
Längsschnittdarstellung
eines weiteren Ausführungsbeispiels
des optischen Sensors.
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8:
Perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels des optischen
Sensors.
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel eines
optischen Sensors 1 zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich.
Im vorliegenden Fall ist der optische Sensor 1 als Lichttaster 7 ausgebildet.
Prinzipiell kann der optische Sensor 1 auch als Lichtschranke,
Reflexionslichtschranke, Distanzsensor oder dergleichen ausgebildet
sein.
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Der
optische Sensor 1 weist zur Aufnahme von optischen und
elektronischen Bauelementen ein Gehäuse 2 aus Kunststoff
oder Metall auf. 1 zeigt den Gehäusekörper 2a,
der mit einem Deckel 2b abschließbar ist, der in den 3a,
b dargestellt ist. Zur Objektdetektion weist der optische Sensor 1 einen
Sendelichtstrahlen 3 emittierenden Sender 4 und
einen Empfangslichtstrahlen 5 empfangenden Empfänger 6 auf.
Der Sender 4 ist von einer Leuchtdiode oder dergleichen,
der Empfänger 6 von
einer Photodiode oder dergleichen gebildet. Generell sind auch Mehrfachanordnungen
von Sendern 4 und Empfängern 6 möglich.
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Der
Sender 4 und der Empfänger 6 sind
mit weiteren nicht dargestellten elektronischen Bauelementen auf
einer Leiterplatte 7 angeordnet. Zu diesen elektronischen
Bauelementen gehört
insbesondere eine Auswerteeinheit in Form eines Microcontrollers
oder dergleichen. In der Auswerteeinheit erfolgt zur Genenerung
eines binären
Objektfeststellungssignals die Auswertung der Empfangssignale des
Empfängers 6.
Die Schaltzustände
des Objektfeststellungssignals geben an, ob sich ein Objekt im Überwachungsbereich
befindet oder nicht.
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Zur
Strahlformung der Sendelichtstrahlen 3 ist eine Sendeoptik 8 vorgesehen.
Die Empfangslichtstrahlen 5 werden mittels einer Empfangsoptik 9 auf
den Empfänger 6 fokussiert.
Der Sendeoptik 8 und der Empfangsoptik 9 sind
Polarisationsfilter 10 vorgeordnet. Die Sendelichtstrahlen 3 und
die Empfangslichtstrahlen 5 werden durch ein Austrittsfenster 11 in
der Frontwand des Gehäuses 2 geführt.
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Zur
optischen Trennung der Sendelichtstrahlen 3 und Empfangslichtstrahlen 5 sind
im Innenraum des Gehäuses 2 verlaufende
Gehäusestege 12 vorgesehen.
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Zur
Statusanzeige des optischen Sensors 1 ist ein Statusanzeigeelement 13 in
Form einer Leuchtdiode oder dergleichen vorgesehen, welches auf
der Leiterplatte 7 montiert ist. Von dem Statusanzeigeelement 13 emittierte
Lichtstrahlen 14 sind durch Lichtaustrittsflächen 15, 15' in Form von
transparenten Einsätzen
in der Gehäusewand
an der Außenseite
des Gehäuses 2 sichtbar.
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Im
Bereich der Ecken des Gehäuses 2 sind den
Gehäusekörper 2a durchsetzende
Befestigungsbohrungen 16 vorgesehen.
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Der
optische Sensor 1 gemäß 1 weist als
elektrisches Anschlussmittel einen Stecker 17 auf. Der
Stecker 17 umfasst einen Steckereinsatz 18 mit
Steckerstiften 19. Die Steckerstifte 19 werden
an Kontaktierungsbereichen der Leiterplatte 7 leitend mit
dieser verbunden. Der Stecker 17 ist in einer Gehäuseöffnung 20 am
unteren Rand des Gehäuses 2 gelagert.
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Der
optische Sensor 1 gemäß 2 entspricht
im Wesentlichen dem optischen Sensor 1 gemäß 1 und
unterscheidet sich von diesem lediglich hinsichtlich der Ausbildung
der elektrischen Anschlussmittel.
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Die
elektrischen Anschlussmittel sind in diesem Fall von einem Kabel 21 gebildet,
dessen Adern 22 an die Leiterplatte 7 angeschlossen
werden. Wie aus 1 ersichtlich, ist das Kabel 21 in
einer Knickschutzhülle 23,
welche eine Zugentlastung bildet, gelagert. Das Kabel 21 mit
der Knickschutzhülle 23 ist in
der Gehäuseöffnung 20 am
unteren Rand des Gehäuses 2 gelagert.
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Die 3a,
b zeigen den unteren Rand des Gehäuses 2 mit der Gehäuseöffnung 20 des
optischen Sensors 1 gemäß 1.
Die Gehäuseöffnung 20 wird
durch Segmente des Gehäusekörpers 2a und des
darauf aufsetzbaren Deckels 2b begrenzt. Von den die Ränder der
Gehäuseöffnung 20 begrenzenden
Segmenten des Gehäusekörpers 2a und
des Deckels 2b stehen Stege 24 hervor, die in
Aussparungen 25 des Steckeinsatzes 18 einführbar sind,
wodurch dieser verdrehsicher in der Gehäuseöffnung 20 gelagert
ist. Zudem bilden diese Stege 24 eine Zugentlastung für den Stecker 17. 3a zeigt
den vom Gehäusekörper 2a abgehobenen
Deckel 2b sowie den Steckereinsatz 18 in den Teil
der Gehäuseöffnung 20 des
Gehäusekörpers 2a eingelegt,
wonach der Deckel 2b aufgesetzt wird (3b).
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4 zeigt
die Gehäuseöffnung 20 des
optischen Sensors 1 gemäß 2 zur
Aufnahme des Kabels 21. Die Gehäuseöffnung 20 weist einen
der Ausführungsform
gemäß den 3a,
b entsprechenden Aufbau auf. Die Stege 24 am Gehäusekörper 2a und
Deckel 2b bilden in diesem Fall in die Gehäuseöffnung 20 ragende
Positionierstifte zur Fixierung des Kabels 21.
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Wie
aus den 1 und 2 ersichtlich,
ist ein an die Seitenwände
des Gehäusekörpers 2a in dessen
Umfangsrichtung verlaufender Niederdruckspritzkanal 26 vorgesehen,
dessen Oberseite durch Aufsetzen des Deckels 2b abschließbar ist.
Der Niederdruckspritzkanal 26 erstreckt sich über die
Rückseite
und Seitenwände
des Gehäusekörpers 2a bis unmittelbar
zum oberen und unteren Rand des Gehäusekörpers 2a. Der Niederdruckspritzkanal 26 bildet
einen ununterbrochenen Kanal der sich bis zu den elektrischen Anschlussmitteln
erstreckt. Bei auf dem Gehäusekörper 2a aufgesetztem
Deckel 2b wird in einem Niederdruckspritzvorgang eine Niederdruckspritzmasse,
vorzugsweise Polyamid, in den Niederdruckspritzkanal 26 eingeführt. Durch
das Befüllen
des Niederdruckspritzkanals 26 mit Niederdruckspritzmasse
wird eine Verbindung zwischen Deckel 2b und Gehäusekörper 2a hergestellt,
wodurch eine Lagefixierung des Deckels 2b und zugleich
ein Abdichten der Nahtstellen zwischen Gehäusekörper 2a und Deckel 2b erfolgt.
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Da
weiterhin auch die elektrischen Anschlussmittel in den Niederdruckspritzkanal 26 ragen,
erfolgt durch die Befüllung
des Niederdruckspritzkanals 26 eine Lagefixierung der Anschlussmittel
und eine Abdichtung deren in der Gehäuseöffnung 20 liegenden
Komponenten. Bei der Ausführungsform
gemäß 1 wird
der Steckereinsatz 18 in der Gehäuseöffnung 20 durch die
Niederdruckspritzmasse lagefixiert. Bei der Ausführungsform gemäß 2 wird
das Kabel 21 in der Gehäuseöffnung 20 lagefixiert.
Zudem besteht auch die Knickschutzhülle 23 aus der Niederdruckspritzmasse,
die in dem Niederdruckspritzvorgang und damit ohne einen weiteren Fertigungsschritt
hergestellt wird.
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Weiterhin
bildet der Abschnitt des Niederdruckspritzkanals 26 am
oberen Gehäuserand
auch Lichtführungsmittel
zur Führung
der vom Statusanzeigeelement 13 emittierten Lichtstrahlen 14 bis
zu den Lichtaustrittsflächen 15, 15'. Die Niederdruckspritzmasse
ist dabei vorzugsweise farblos. Alternativ kann diese in der Gehäusefarbe
eingefärbt
sein. In jedem Fall ist die Niederdruckspritzmasse transparent für die Lichtstrahlen 14.
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Die 5a,
b zeigen eine erste Ausführungsform
des Niederdruckspritzkanals 26. 5a zeigt
eine Einzeldarstellung von Komponenten des optischen Sensors 1 gemäß 1 beziehungsweise 2. 5b zeigt
diese Komponenten im fertig montierten Zustand.
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Wie
aus den 5a, b ersichtlich, bildet der Gehäusekörper 2a ein
Formteil, in welches elektronische und optische Bauteile des optischen
Sensors 1 einsetzbar sind. Als derartige Komponenten sind
in den 5a, b die Leiterplatte 7 mit
dem Sender 4, die Sendeoptik 8, der Polarisationsfilter 10 und
das Austrittsfenster 11 dargestellt.
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Von
der Unterseite des Deckels 2b steht ein Deckelsteg 27 hervor,
der in Umfangsrichtung des Deckels 2b umläuft und
dabei eine veränderliche,
an den Gehäusekörper 2a angepasste
Kontur aufweist. Der Deckelsteg 27 greift bei am Gehäusekörper 2a montierten
Deckel 2b in Aufnahmen an dem Gehäusekörper 2a, wodurch zwischen
diesen Komponenten der Niederdruckspritzkanal 26 wie in 5b dargestellt
gebildet wird.
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6 zeigt
eine Variante der Ausführungsform
gemäß den 5a, 5b.
Bei der Ausführungsform
gemäß 6 ist
der Deckelsteg 27 im Bereich der Rückseite des Gehäuses 2 zur
Ausbildung des Niederdruckspritzkanals 26 zweifach abgewinkelt.
Ansonsten entspricht die Variante gemäß 6 der Ausführungsform
gemäß den 5a,
b.
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7 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
optischen Sensors 1. Die optischen und elektronischen Bauelemente
entsprechen der Ausführungsform
gemäß den 1 und 2,
wobei diese im vorliegenden Falle eine Baugruppe, das heißt eine vorgefertigte
Montageeinheit bilden. Dabei sind die Optikkomponenten des optischen
Sensors 1 in einem Tubus 28 gelagert, der auf
der Leiterplatte 7 aufsitzt und mit dem Austrittsfenster 11 abgeschlossen ist.
Die Baugruppe bildet damit eine gekapselte, dichte Einheit. Dabei
steht der obere und untere Rand der Leiterplatte 7 über diese
gekapselte Einheit hervor. Am oberen freiliegenden Rand der Leiterplatte 7 befindet
sich das Statusanzeigeelement 13. Am unteren freiliegenden
Rand der Leiterplatte 7 werden die Steckerstifte 19 des
Steckers 17 kontaktiert, welcher im vorliegenden Fall das
elektrische Anschlussmittel bildet.
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Im
vorliegenden Fall ist das Gehäuse 2 komplett
aus der Niederdruckspritzmasse gebildet. Dabei wird in einem Niederdruckspritzvorgang
die Baugruppe komplett mit der Niederdruckspritzmasse umspritzt.
Die freiliegenden Kontaktstellen der Leiterplatte 7 mit
den Steckerstiften 19 mit einem Teil des Steckereinsatzes 18 sowie
das Statusanzeigeelement 13 werden dabei von der Niederdruckspritzmasse
umhüllt
und damit abgedichtet. Zudem wird durch den Niederdruckspritzvorgang
der Steckereinsatz 18 durch die umhüllende Niederdruckspritzmasse
lagefixiert. Generell kann sogar der Stecker 17 selbst
aus Niederdruckspritzmasse bestehen.
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Weiterhin
erfolgt der Niederdruckspritzvorgang derart, dass dabei die Befestigungsbohrungen 16 gebildet
werden. Diese können
durch Metallhülsen 29 verstärkt sein,
die als Einlegeteile in die Spritzgussform zur Herstellung des Gehäuses 2 eingelegt
werden.
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8 zeigt
das Gehäuse 2 eines
weiteren Ausführungsbeispiels
des optischen Sensors 1. Analog zu der Ausführungsform
gemäß 1 ist
am unteren Gehäuserand
ein Stecker 17 und in der Frontwand des Gehäuses 2 ein
Austrittsfenster 11 gelagert. Im vorliegenden Fall ist
das Austrittsfenster 11 in einem Rahmen 30 an
der Außenseite
des Gehäuses 2 gelagert.
Der Rahmen 30 besteht aus der Niederdruckspritzmasse, die
in einem Niederdruckspritzvorgang auf die Außenseite des Gehäuses 2 aufgebracht
wird. Mit dem Rahmen 30 erfolgt eine Lagefixierung und
Abdichtung des Austrittsfensters 11.
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Weiterhin
wird während
des Niederdruckspritzvorgangs auf der Oberseite des Gehäuses 2 eine
Ausrichthilfe 31 in Form einer Kimme bestehend aus Niederdruckspritzmasse
aufgebracht.
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Schließlich wird
in einem Niederdruckspritzvorgang eine Dichtung 32 aus
Niederdruckspritzmasse aufgebracht, die eine transparente Anzeigekalotte 33 auf
einer Öffnung
an der Oberseite des Gehäuses 2 abdichtet.
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- 1
- Optischer
Sensor
- 2
- Gehäuse
- 2a
- Gehäusekörper
- 2b
- Deckel
- 3
- Sendelichtstrahlen
- 4
- Sender
- 5
- Empfangslichtstrahlen
- 6
- Empfänger
- 7
- Leiterplatte
- 8
- Sendeoptik
- 9
- Empfangsoptik
- 10
- Polarisationsfilter
- 11
- Austrittsfenster
- 12
- Gehäusesteg
- 13
- Statusanzeigeelement
- 14
- Lichtstrahlen
- 15,
15'
- Lichtaustrittsflächen
- 16
- Befestigungsbohrung
- 17
- Stecker
- 18
- Steckereinsatz
- 19
- Steckerstift
- 20
- Gehäuseöffnung
- 21
- Kabel
- 22
- Ader
- 23
- Knickschutzhülle
- 24
- Steg
- 25
- Aussparung
- 26
- Niederdruckspritzkanal
- 27
- Deckelsteg
- 28
- Tubus
- 29
- Metallhülse
- 30
- Rahmen
- 31
- Ausrichthilfe
- 32
- Dichtung
- 33
- Anzeigekalotte