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Die
Erfindung betrifft eine Funktionseinheit für einen optoelektronischen
Sensor nach Anspruch 1.
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Optoelektronische
Sensoren werden für
eine Vielzahl von Überwachungsaufgaben
eingesetzt. Beispiele solcher Sensoren sind Lichtschranken, bei denen
ein Lichtsender einen Lichtstrahl aussendet, der von einem gegenüberliegenden
Lichtempfänger oder,
im Falle einer Reflexionslichtschranke, reflektiert und von einem
neben dem Lichtsender angeordneten Lichtempfänger aufgefangen wird. Ein
anderer Sensortyp ist ein Lichtgitter, bei dem eine Reihe von Lichtsender/-empfängerpaaren
nebeneinander angeordnet sind und eine Art Lichtvorhang bilden.
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Eine
weitere Anwendung der genannten Sensoren ist die optische Bestimmung
einer Entfernung nach dem Prinzip des Lichtlaufzeitverfahrens. Ein
dem Lichtstrahl aufgeprägtes
Sendemuster wird von einem Objekt reflektiert und nach Empfang in dem
Sensor mit einem intern erzeugten Referenzmuster verglichen. Daraus
lässt sich
der Lichtweg und damit auch der Abstand errechnen. In der Praxis werden
im Wesentlichen zwei Verfahren angewandt. Bei dem einen Verfahren
ist das Sendemuster ein einfacher Lichtpuls, dessen Laufzeit gemessen
wird. Bei dem anderen Verfahren ist das Sendemuster eine Sinusmodulation,
wobei die Phasenlage des Sinus gegenüber einem Referenzsinus modulo
der Periode des Sinus der Laufzeit entspricht.
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Die
Entfernungsmessung kann beispielsweise in der Fahrzeugsicherheit,
der Logistik- oder Fabrikautomatisierung oder der Sicherheitstechnik
benötigt
werden. Insbe sondere kann ein Entfernungsmesser, der auf einem reflektierten
Lichtstrahl basiert, auf eine Entfernungsänderung des Reflektors oder
des reflektierenden oder remittierenden Ziels reagieren. Eine besondere
Anwendung ist eine Reflexionslichtschranke, bei welcher der Abstand
zwischen Lichtsender und Reflektor überwacht wird.
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Für die Montage-
und Gehäusekonzepte
solcher Sensoren gilt es, eine schnellstmögliche und einfache Montage
zu gewährleisten,
um die Herstellungskosten gering zu halten. Dennoch sollen die Systeme
ausreichende Stabilität
bieten, um den auftretenden Umweltbelastungen standzuhalten. Eine weitere
Anforderung ist, dass zunehmend kleinere Sensoren gefragt werden,
so dass Gehäuse
und Funktionsbausteine immer weiter miniaturisiert werden.
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Es
ist dem Stand der Technik bekannt, eine Leiterplatte aus zwei starren
Bereichen mit einem flexiblen Mittelbereich zu verbinden, um die
Leiterplatte abgewinkelt einzusetzen. Dafür gibt es eine recht aufwändige Lösung, so
genannte Starrflexplatinen, bei denen der Mittelbereich aus einem
flexiblen Kunststoff wie Polyimid besteht und in einem eigenen Fertigungsschritt
zwischen den beiden starren Bereichen angebracht werden muss. Eine
kostengünstigere
Lösung
ist, die beiden starren Bereiche aus einer gemeinsamen Leiterplatte
herzustellen und Material im Mittelbereich durch Abspanen abzutragen,
bis nur noch eine dünne
und flexible Schicht übrig
bleibt.
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Aus
der
DE 101 35 288
A1 ist ein Detektormodul für einen Röntgen-Tomographen bekannt,
bei dem eine Leiterplatte auf der einen Seite Sensorelemente mit
einem Photodiodenarray und auf der anderen Seite ein Heizelement
trägt.
Damit kann zur Vermeidung von Bildartefakten die Temperatur der
Photodiodenelemente konstant gehalten werden. Von der Leiterplatte
erstreckt sich ein flexibler Abschnitt, der mehrschichtig aus Polyimid
hergestellt sein kann, zu einem Stecker mit einer Verriegelung.
Einen Nebenbereich der Leiterplatte gibt es nach diesem Stand der
Technik nicht, sondern lediglich den Stecker selbst. Das Detektormodul
trägt keine
Sendeeinheiten und wäre
nicht geeignet, durch Einbau in ein Gehäuse einen optoelektronischen
Sensor zu bilden. Etwaige Justageprobleme mit einer Linse gegenüber dem
nicht offenbarten Sender sind nicht angesprochen.
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Die
DE 100 25 563 B4 beschreibt
ein Modul für
die Anordnung von lichtemittierenden Elementen zur Integration in
ein Leuchtengehäuse.
Dabei sind eine Vielzahl von LEDs auf einem verbiegungsfähigen metallischen
Gitter angeordnet, welches als Leiterplatte dient. Ähnlich ist
aus der
DE 102 54
662 B4 ein Montageträger
für LEDs
bekannt, bei der eine Vielzahl von starren Trägerplatten untereinander mit flexiblen
Leiterplatten verbunden ist, um somit ein flexibles LED-Modul zu
bilden.
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In
der
DE 100 23 463
B4 wird ein Steckverbinder für Lichtleiter beschrieben,
bei dem ein elektrooptisches Modul zur Umwandlung elektrischer in optische
Signale an einem flexiblen Element befestigt ist, um die Anschlussstelle
für den
Lichtleiter unter einer Federspannung zu halten.
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In
der
DE 198 20 358
C1 ist ein optoelektronischer Sensor offenbart, der eine
flexible Leiterplatte zur Aufnahme elektronischer Bauteile aufweist,
wie eines Senders und eines Empfängers.
Die flexible Leiterplatte liegt mehrfach gefaltet an den Außenwänden eines
Tubus' des Sensors
an und erstreckt sich bis zum unteren Bereich des Sensorgehäuses. Eine
zweite starre Leiterplatte für
den elektrischen Anschluss des Geräts sitzt auf einem Abschnitt
der flexiblen Leiterplatte auf und ist über Lötstellen mit ihr verbunden.
Dabei wird die flexible Leiterplatte als einer der abschließenden Herstellungsschritte
in dem Sensor mehrfach gefaltet. Eine fixierte Justierung lässt sich
damit nicht realisieren. Eine ohne Lötstellen zusammenhängende Leiterplatte
mit starrem und flexiblem Bereich ist nicht vorgesehen.
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Aus
der
DE 10 2005
003 369 A1 ist bekannt, eine räumliche Leiterplattenstruktur
aus wenigstens zwei zueinander winkelig angeordneten Leiterplattenabschnitten
herzustellen. Dazu wird in dem Abknickbereich ein Teil des Leiterplattenmaterials
abgetragen.
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In
der
DE 28 44 096 A1 werden
eine Anzahl von Leiterplatten, die jeweils durch einen flexiblen Bereich
zu einer U-Form gebogen werden, an den offenen Enden der U-Form
in einer Gleitschiene verfahrbar angeordnet.
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In
der
DE 198 00 928
A1 ist ein Gehäuse
zur Aufnahme von Bauelementen offenbart, bei dem Leiterplatte und
Abdeckung einstückig
ausgebildet sind, indem die Leiterplatte einen flexiblen Bereich
aufweist, welcher die gegenüberliegende
Anordnung von Abdeckung und Leiterplatte durch Biegung ermöglicht.
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Die
DE 10 2004 042 723
A1 zeigt einen weiteren Sensor mit einem flexiblen Träger, welcher
ein erstes und ein zweites Wandlerelement bewegbar hält, so dass
das erste Wandlerelement in Bezug auf das Gehäuse und das zweite Wandlerelement
in Bezug auf das erste Wandlerelement durch Ausrichten und Verbiegen
des flexiblen Trägers
justiert werden kann. Die Justierung ist also nicht verzichtbar
oder durch Eigenschaften der Leiterplatte vorgegeben, sondern die
Leiterplatte stellt lediglich Flexibilität zur Verfügung, um justieren zu können.
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Weiterhin
sind für
die Fixierung einer Leiterplatte an einem Gehäuse oder einem Träger aus Kunststoff
eine Reihe von Aufbautechniken bekannt. Dazu zählt Ultraschallschweißtechnik,
eine Verformung unter Wärmebehandlung,
Schnappsysteme oder Kleben. Alle diese Fixierungen haben Nachteile, sei
es der verhältnismäßig hohe
Aufwand oder die Tatsache, dass die Fixierung ungenau oder nicht
zu Reparaturzwecken lösbar
ist. Techniken, bei denen die Verbindung lösbar ist, beispielsweise Gewindeeinsätze, sind
oft mit hohen Kosten verbunden. Die Variabilität verschiedener Einsatzmöglichkeiten
eines Gehäusekonzepts
nach dem Stand der Technik ist eingeschränkt, wenn die Verbindungstechniken gezielt
auf bestimmte Teile ausgelegt werden.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, eine platzsparende, zugleich flexible
und dennoch sicher justierte Anbringungsmöglichkeit einer Leiterplatte
in einem Sensor anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Sensor gemäß Anspruch 1 gelöst. Die
erfindungsgemäße Lösung hat
den Vorteil, dass einerseits der Hauptbereich mit seinen sehr genau
zu justierenden optoelektronischen Elementen ohne Toleranzen verbunden wird
und gleichzeitig die unvermeidlichen Fertigungstoleranzen von Trägerkörper und
Leiterplatte, vor allem aber eines externen Anschlusses für Strom
oder Signale oder eines Schutzgehäuses über den Nebenbereich ausgeglichen
werden können.
Somit kann eine abgewinkelte Leiterplatte, die besonders platzsparend
ist, ohne Verlust der Genauigkeit der Justierung des optischen Elements
verwendet werden. Die so erhaltene Funktionseinheit erfüllt bereits für sich die
volle Funktionalität
eines Sensors, so dass ein Test und ein Austausch stattfinden kann, ohne
dass ein verschweißtes
Außengehäuse mühsam geöffnet oder,
wenn dies zerstörungsfrei
nicht möglich
ist, im Reparatur- und Fehlerfall der ganze Sensor weggeworfen werden
muss.
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Bevorzugt
weist die feste Verbindung zwischen Hauptbereich und Trägerkörper mindestens eine
selbstfurchende Quetschschraube auf. Diese Art der Anbringung fixiert
die Leiterplatte besonders genau auf dem Trägerkörper, ist aber dennoch im Gegensatz
zu Kleben oder Ultraschallschweißen lösbar und im Gegensatz zu Schnappsystemen
präzise und
rutschfest. Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Schraube muss kein
Gewinde vorgesehen sein, das aufwändig anzubringen wäre. Schließlich ist
diese Anbringungsart auch nicht thermisch, so dass ein Verziehen
durch Temperaturänderungen
nach dem Anbringvorgang vermieden wird.
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Vorteilhafterweise
weist die flexible Verbindung zwischen Nebenbereich und Trägerkörper mindestens
einen Schnapphaken auf. Diese Art der Verbindung ist lösbar, und
für den
Nebenbereich ist eine gewisse Beweglichkeit zum Aufnehmen von Toleranzen
im Gegensatz zu der festen Anbringung des Hauptbereichs gewünscht.
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Bevorzugt
weist der Verbindungsbereich Polyimid auf oder ist durch Abspanen
des Leiterplattenmaterials hergestellt. Die erste Variante ist aufwändiger,
dafür kann
der Verbindungsbereich häufig
geknickt werden, ohne zu brechen. Die zweite Variante ist wesentlich
kostengünstiger,
und wenn die Leiterplatte nur einmal bei der Monta ge geknickt wird,
ist es unerheblich, dass sie nur eine begrenzte Anzahl von Knickvorgängen ohne
Beschädigung übersteht.
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Vorteilhafterweise
hat der Trägerkörper im Wesentlichen
die Gestalt eines flachen Quaders, und der Hauptbereich ist an einer
langen Seitenfläche, der
Nebenbereich an einer kurzen Seitenfläche des Trägerkörpers angeordnet. Ein solcher
Trägerkörper liefert
eine flache, kompakte Funktionseinheit, die zu einem kleinen Sensor
führt.
Die rechtwinklige Anordnung der Leiterplatte spart Platz und lässt dem
optischen Element und seinem Abstrahl- oder Auffangbereich genügend Raum.
Die Lage der Leiterplatte ist störungstechnisch
besonders günstig.
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Bevorzugt
weist der Trägerkörper Führungsstifte
auf, um die Funktionseinheit in einem äußeren Gehäuse auszurichten. Auf diese
Weise ist auch das optische Element in dem äußeren Gehäuse richtig ausgerichtet.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind als optoelektronische Elemente mindestens ein Lichtsender und
mindestens ein Lichtempfänger
vorgesehen. Die Funktionseinheit kann auf diese Weise als Lichttaster,
wie eine tastende Lichtschranke, oder als Entfernungsmesser eingesetzt
werden. Durch die besondere Anbringung sind Lichtsender und Lichtempfänger von
vorneherein richtig zueinander justiert.
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Bevorzugt
weist der Nebenbereich eine Anschlusseinheit mit einem Anschlussbereich
für eine Stromversorgungseinheit
auf. Auf diese Weise ist die Stromversorgung mit ihren Störsignalen
räumlich
von den empfindlichen optoelektronischen Elementen getrennt. Da
sich eine externe Belastung wie ein Zug auf ein Stromversorgungskabel
nicht immer vermeiden lässt,
ist es auch besser, die Verbindung mit dem flexibel angebrachten
Nebenbereich statt dem starren und justageempfindlichen Hauptbereich
vorzunehmen.
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Bevorzugt
ist als Leiterplatte eine Mehrschichtplatine. Damit lässt sich
zusätzlich
zu der abgewinkelten Form auch noch dadurch Platz sparen, dass beide
Hauptflächen
der Platine voll genutzt und untereinander verschaltet werden können.
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Vorteilhafterweise
weist der Verbindungsbereich die gleiche Breite auf wie die Leiterplatte.
Dies dient nicht nur der mechanischen Stabilität, sondern ist auch störungstechnisch
günstig.
Es wird dadurch ermöglicht,
einen Großteil
des Verbin dungsbereichs auf Masse zu legen und somit die Anfälligkeit
für elektromagnetische
Störstrahlung
in dem Verbindungsbereich erheblich zu reduzieren.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist die Funktionseinheit
in einen Sensor eingesetzt, der ein Gehäuse und eine den optoelektronischen Elementen
zugehörige
Optik aufweist. Die Optik führt den
optoelektronischen Elementen Empfangslicht zu oder bündelt gesendetes
Licht, während
ein Gehäuse
den Einsatz des Sensors unter realistischen Umweltbedingungen schützt.
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Bevorzugt
weist das Gehäuse
Führungslaschen
auf, die mit den Führungsstiften
in Eingriff kommen, um die Funktionseinheit in einer Ebene innerhalb
des Gehäuses
festzulegen. Da die Leiterplatte erfindungsgemäß gegenüber dem Trägerkörper in richtiger Justierung
für die
optoelektronischen Elemente befestigt ist, überträgt sich diese richtige Anordnung
auf diese Weise auch auf die Lage innerhalb des Gehäuses.
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Vorteilhafterweise
verbindet ein Gerätestecker
den Nebenbereich mit dem Gehäuse
und fixiert somit die Leiterplatte gegenüber dem Gehäuse und dem Trägerkörper. Der
ohnehin notwendige Stromanschluss wird auf diese Weise genutzt,
um die Funktionseinheit in dem Sensor am richtigen Ort festzuhalten.
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Bevorzugt
ist ein Gehäusedeckel
vorgesehen, der nach Aufnahme der Funktionseinheit auf das Gehäuse aufgesetzt
wird und die Funktionseinheit in einer Höhenrichtung festlegt. Damit
ist auch die Justierung in dieser Dimension gesichert.
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Vorteilhafterweise
wird der Gehäusedeckel per
Ultraschallschweißen
mit dem Gehäuse
verbunden. Dies ist eine zuverlässige
und kostengünstige Art,
das Sensorgehäuse
zu schließen.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
ist die Leiterplatte derart orientiert, dass sie in einer bevorzugten
Anbringung des Sensors an einer Wand senkrecht zu dieser Wand steht.
Die Leiterplatte bietet somit die geringstmögliche Fläche gegenüber der Wand, die zu unerwünschten
kapazitiven Effekten führen
würde,
und minimiert auf diese Weise elektromagnetische Störungen.
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Dabei
ist besonders vorteilhaft, wenn Bohrlöcher zur Befestigung des Sensors
an der Wand vorgesehen sind, bei deren Nutzung der Sensor in der bevorzugten
An bringung an der Wand angeordnet ist. Dann muss nicht mehr der
Benutzer darauf achten, wie der Sensor für besonders gutes elektromagnetisches
Verhalten anzubringen ist, sondern dies geschieht automatisch.
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Bevorzugt
ist die Leiterplatte zu dem Gehäuse
beabstandet in dem Gehäuse
angeordnet. Damit werden Kapazitäten
verringert, die sich zwischen der Leiterplatte und der Gehäusewand
bzw. eine Wand aufbauen, an der das Gehäuse montiert ist. Der Sensor
ist damit deutlich unanfälliger
gegen elektromagnetische Störungen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann auf ähnliche
Weise durch weitere Merkmale ausgestaltet werden und zeigt dabei ähnliche
Vorteile. Derartige weitere Merkmale sind beispielhaft, aber nicht
abschließend,
in den sich anschließenden
Unteransprüchen
beschrieben.
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Die
Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Vorteile und
Merkmale unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen
erläutert.
Die Figuren der Zeichnung zeigen in:
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1a eine
vereinfachte dreidimensionale Schemadarstellung einer Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Funktionseinheit
mit einer abgewinkelten Leiterplatte auf einem Trägerkörper;
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1b eine
dreidimensionale Ansicht allein der abgewinkelten Leiterplatte;
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2a eine
Vorderansicht eines Nebenbereichs der Leiterplatte zur Illustrationen
der flexiblen Verbindung mit dem Trägerkörper;
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2b ein
Querschnitt der Darstellung gemäß 2a;
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3 ein
Querschnitt durch den Nebenbereich der Leiterplatte und ein Anschlussstück zu Stromversorgung;
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4 eine
schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Funktionseinheit,
die in ein Gehäuse
eingesetzt ist, um einen erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensor
zu bilden;
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5a eine
dreidimensionale Darstellung analog 1a einer
besonderen Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Funktionseinheit
mit Leiterplatte;
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5b eine
dreidimensionale Darstellung analog 1b der
besonderen Ausführungsform
einer Leiterplatte;
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6 eine
dreidimensionale Darstellung der besonderen Ausführungsform zur Illustration
der flexible Verbindung von Nebenbereich und Trägerkörper mit zwei Schnapphaken;
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7 eine
dreidimensionale Schnittdarstellung des Anschlussbereichs der besonderen
Ausführungsform;
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8a eine
Darstellung der besonderen Ausführungsform
zur Illustration der Führungsstifte und
Führungslaschen
zur Fixierung der Funktionseinheit in einem äußeren Gehäuse des Sensors;
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8b eine
Darstellung der besonderen Ausführungsform
zur Illustration der Fixierung der Funktionseinheit durch einen
Gehäusedeckel;
und
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9 eine
dreidimensionale Darstellung, welche die besondere Ausführungsform
des Sensors in Gänze
zeigt.
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1a zeigt
eine erfindungsgemäße Ausführungsform
einer Funktionseinheit 10 für einen optoelektronischen
Sensor. Auf einem vorzugsweise aus Kunststoff bestehenden Trägerkörper 12 ist
eine Leiterplatte 14 angeordnet, die in der Darstellung grau
schattiert ist. Der Trägerkörper 12 ist
sehr vereinfacht als Quader dargestellt. Er weist in der Realität Strukturen
auf, etwa um Linsen aufzunehmen oder Tuben zu bilden, wie dies beispielsweise
in 5a für
eine besondere Ausführungsform
zu erkennen ist. Die Leiterplatte 14 besteht aus einem starren
Hauptbereich 16, einem starren Nebenbereich 18 und
einem flexiblen Verbindungsbereich 20. Die Leiterplatte 14 ist
in 1b noch einmal isoliert dargestellt; in allen
Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen die gleichen Merkmale.
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Auf
der Leiterplatte 14 sind im Hauptbereich 16 optoelektronische
Elemente, beispielsweise Lichtsender oder Lichtempfänger, angebracht.
Der Nebenbereich 18 weist Schaltungselemente und einen Anschluss
zur Stromversorgung der Leiterplatte auf. Neben den genannten Elementen
ist auf der Leiterplatte 14 Steuerungselektronik vorgesehen,
beispielsweise in Form eines programmierbaren Logikbausteins, wie
einem FPGA, eines Mikroprozessors oder ASIC, in Form von elektronischen
Verstärkern oder
Filtern und jeder sonst denkbaren elektrischen Einheit.
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Der
flexible Verbindungsbereich 20 ermöglicht, dass die Leiterplatte
rechtwinklig abgewinkelt an dem Trägerkörper 12 angebracht
werden kann, denn in dem Verbindungsbereich 20 sind Verbindungsleitungen
zwischen den Schaltelementen von Hauptbereich 16 und Nebenbereich 18 vorgesehen. Die
Leiterplatte 14 ist mehr schichtig, und der Verbindungsbereich 20 kann
sowohl eine oberste wie auch innere Schichten von Hauptbereich 16 und
Nebenbereich 18 miteinander verbinden.
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Der
Verbindungsbereich 20 ist in etwa oder genau so breit wie
der Hauptbereich 16 und der Nebenbereich 18, um
einerseits mechanische Stabilität der
Verbindung zu gewährleisten
und andererseits um die Effizienz als Antenne für elektromagnetische Störungen gering
zu halten. Dies wird erreicht, indem ein Großteil des Verbindungsbereichs 20 auf
Masse gelegt ist und nur ein kleiner Teil für die notwendigen elektrischen
Verbindungen zwischen Hauptbereich 16 und Nebenbereich 18 auf
Spannung liegt.
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Die
Herstellung des flexiblen Verbindungsbereichs 20 kann auf
zumindest zwei Arten geschehen: bei einer sogenannten Starrflexplatine
werden eine oder mehrere Lagen Polyimid zwischen Hauptbereich 16 und
Nebenbereich 18 angebracht. Dies erfordert eigene Herstellungsschritte
und ist relativ aufwändig.
Alternativ beginnt man mit einer durchgehenden Platine, und der
Zwischenbereich zwischen Hauptbereich 16 und Nebenbereich 18,
der aus demselben Basismaterial besteht wie der Rest der Platine,
wird durch einen spanenden Fertigungsprozess bearbeitet, bis er
extrem dünn
ist und somit seine Flexibilität
erreicht. Dieses Verfahren ist wesentlich kostengünstiger,
und der Nachteil der geringeren Langlebigkeit bei mehrfachem Knicken
fällt kaum
ins Gewicht, weil die Leiterplatte 14 nur einmal geknickt
und dann an dem Trägerkörper 12 angebracht
wird.
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Entsprechend
den unterschiedlichen Anforderungen ist die Anbringung des Hauptbereichs 16 von
der Anbringung des Nebenbereichs 18 an den Trägerkörper 12 verschieden.
Der Hauptbereich 16, welcher die optoelektronische Einheit
mit optoelektronischen Elementen ist, muss fix und toleranzarm positioniert
werden, denn, wie später
noch erläutert, legt
der Trägerkörper 12 auch
die Position einer Optik fest, der gegenüber die optoelektronischen
Elemente der Leiterplatte 14 sehr genau justiert sein müssen. Deshalb
ist die Verbindung des Hauptbereichs 16 mit dem Trägerkörper 12 starr,
und auch Positionsveränderungen
unter thermischer oder mechanischer Belastung müssen minimal bleiben. Dies
wird bevorzugt durch selbstfurchende Quetschschrauben 22 erreicht,
die das Material des Trägerkörpers 12 verdrängen, wobei
sich dieses verdrängte
Material sehr eng an die Quetschschraube 22 anschmiegt
und sich somit eine sehr genaue und stabile Fixierung des Hauptbereichs 16 der
Leiterplatte 14 ergibt.
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Andererseits
sorgt eine starre Fixierung zwischen Leiterplatte 14 und
Trägerkörper 12 für Spannungen,
denn unvermeidliche Fehlertoleranzen bei der Herstellung von Leiterplatte 14 und
Trägerkörper 12 sorgen
für Größenabweichungen
und verhindern eine völlige
Passgenauigkeit. Die Funktionseinheit 10 soll außerdem in
einen Sensor eingebaut werden und muss deshalb mit äußeren Leitungen
zur Stromversorgung oder Datenübertragung
verbunden werden. Schließlich
weist ein Sensor üblicherweise
auch ein Schutzgehäuse
auf, in das die Funktionseinheit 10 wegen Fertigungstoleranzen
nicht ohne weiteres mit einer Passgenauigkeit eingesetzt werden
kann, welche die erforderliche hochgenaue Justierung der optoelektronischen
Elemente sicherstellt.
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Deshalb
ist nur der Hauptbereich 16 starr mit dem Trägerkörper 12 verbunden.
Der Nebenbereich 18, an dem auch ein äußerer Anschluss vorgesehen ist,
wird dagegen flexibel mit Spiel mit dem Trägerkörper 12 verbunden,
um zum Ausgleich der Fertigungstoleranzen eine gewisse Beweglichkeit
zu erhalten. Der Nebenbereich 18 kann auf diese Weise zum Ausgleich
von Toleranzen gegenüber
einem Anschluss und einem äußeren Gehäuse ausgerichtet werden.
Die dafür
notwendige Bewegung gleicht der flexible Verbindungsbereich 20 aus,
so dass die starre Verbindung des Hauptbereichs 16 mit
dem Trägerkörper 12 erhalten
bleibt, die allein für
die optische Justierung wichtig ist.
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Die
flexible Verbindung zwischen Nebenbereich 18 und Trägerkörper 12 ist
durch zwei Schnapphaken 24 realisiert. Die Lage dieser
Schnapphaken 24 ist in einer von der Ansicht des Nebenbereichs 18 gemäß 2a und
einer entsprechenden Schnittdarstellung gemäß 2b gut
zu erkennen. Der Nebenbereich 18 weist Ausbuchtungen 26 zur
Aufnahme der Schnapphaken 24 auf. Diese Ausbuchtungen 26 sind
absichtlich größer als
die Schnapphaken 24, um auch in der entsprechenden Richtung
Spiel zu lassen, Außerdem
sind die Schnapphaken 24 zumindest ein wenig flexibel,
um geringe Bewegungen auch in Querrichtung zuzulassen.
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Die
beschriebene Funktionseinheit 10 ist, wenn der Trägerkörper 12 mit
einer Optik und die Leiterplatte 14 mit der notwendigen
Elektronik versehen ist, für
sich vollständig
funktional und kann ohne äußeres Gehäuse betrieben
werden. Stellt sich ein Defekt heraus, etwa bei einem Funktionstest
während der
Herstellung, so kann der Hauptbereich 16 durch Lösen der
Quetschschrauben 22 und der Nebenbereich 18 durch Öffnen der
Schnapphaken 24 und folglich die ganze Leiterplatte 14 beschädigungsfrei von
dem Trägerkörper 12 gelöst werden.
Dies ermöglicht
Austausch und Reparatur.
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3 zeigt
einen Ausschnitt eines Sensors 100, in den die Funktionseinheit 10 eingebaut
ist. Ein Anschlussstecker 28 mit Stromversorgungs- und/oder
Datenleitungen 30 ist durch ein äußeres Gehäuse 32 des Sensors 100 geführt und
mit dem Nebenbereich 18 verbunden, um die Leiterplatte 14 anzuschließen. Durch
diesen Anschluss wird der Nebenbereich 18 gegenüber dem
Gehäuse 32 fixiert. Der
Anschlussstecker 28 wird dabei durch das Gehäuse 32 positioniert.
Auch diese Anschlussverbindung ist lösbar und eine Reparatur durch
Entfernen des Anschlusssteckers 28 jederzeit möglich.
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Das
Gehäuse 32 weist
Bohrlöcher 34 auf, um
den Sensor 100 an einer Wand zu montieren. Bei Montage
unter Verwendung dieser Bohrlöcher 34 steht
die Leiterplatte 14 senkrecht zur Wand und bietet der Wand
damit nur eine sehr kleine Fläche.
Damit wird vermieden, dass sich eine Kapazität aufbaut, und nur eine kleinstmögliche Antennenfläche angeboten
wird. Diese Anordnung der Leiterplatte 14, nämlich im
Normalfall senkrecht zur Wand, ist damit für möglichst geringe elektromagnetische
Störungen optimal.
Das wird noch durch die besondere Lage der Leiterplatte 14 verstärkt, die
nämlich
gegenüber
der Wand des Gehäuses 32 beabstandet
ist und somit Kapazitäten
zwischen Leiterplatte und Gehäusewand
erheblich verringert werden. Auf das bei gattungsgemäßen optoelektronischen
Sensoren sonst übliche
Abschirmen durch Metallbleche kann wegen dieser Anordnung der Leiterplatte 14 weitgehend
verzichtet werden.
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4 stellt
noch einmal den ganzen Sensor 100 und die Lage der Funktionseinheit 10 in
dem äußeren Gehäuse 32 des
Sensors 100 dar. Auf dem Hauptbereich 16 der Leiterplatte 14 sind
als optoelektronische Elemente ein Lichtsender 36, beispielsweise
eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode sowie ein Lichtempfänger 38,
beispielsweise eine Photodiode, angeordnet. Den optoelektronischen
Elementen 36, 38 ist jeweils eine Optik 40, 42 zugeordnet,
die durch je einen Tubus 44, 46 des Trägerkörpers 12 gehalten werden.
Das Licht kann durch eine Frontscheibe 48 des Gehäuses 32 ein-
und austreten.
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Das
Gehäuse 32 weist
Führungslaschen 50 und
der Trägerkörper 12 entsprechende
Führungsstifte 52 auf,
die miteinander in Eingriff stehen. Dadurch ist der Trägerkörper 12 in
der Zeichnungsebene der 4 innerhalb des Gehäuses 32 fixiert.
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Die
Fixierung in der nicht dargestellten Höhenrichtung erfolgt durch Anbringung
eines Gehäusedeckels.
Dieser Gehäusedeckel
kann durch Ultraschallschweißen
oder lösbar
durch eine Schraubverbindung mit dem Gehäuse verbunden werden. Die Verbindung
wird erst vorgenommen, wenn die Funktionsfähigkeit des Sensors durch Test
der Funktionseinheit 10 sichergestellt ist.
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Die 5 bis 9 stellen
eine besondere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Sensors 100 dar.
In 5a, einer Darstellung analog 1a, sind
die Schaltungselemente für
den Anschluss an den Nebenbereich 18 sowie eine Steuerung 54 mit einem
zentralen FPGA zu erkennen. Die isolierte Darstellung der Leiterplatte 14 gemäß 5b verdeutlicht
die Lage von Lichtsender 36 und Lichtempfänger 38 mit
abgeschirmter Verstärkungs-
und Filterelektronik 56 auf der der Steuerung 54 gegenüberliegenden
Hauptfläche
der mehrschichtigen Leiterplatte 14, wobei durch deren
innere Schichten eine Verbindung zu Lichtsender 36 und
Lichtempfänger 38 hergestellt
wird.
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In 6 ist
die Halterung des Nebenbereichs 18 mit Schnapphaken 24 dreidimensional
dargestellt. Dabei ist das Spiel der Schnapphaken 24 in den
breiteren Ausbuchtungen 26 erkennbar.
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7 zeigt
in einer dreidimensionalen Querschnittdarstellung die Verbindung
zwischen Nebenbereich 18 und Anschlussstecker 28 mit
seinen Leitern 30. Durch diesen Anschluss wird der Nebenbereich 18 gegenüber dem
Gehäuse 32 fixiert.
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In 8a ist
der Eingriff der Führungsstifte 52 des
Trägerkörpers 12 in
die Führungslaschen 50 des
Gehäuses 32 zu
erkennen, mit denen die Funktionseinheit 10 in dem Sensor 100 in
der Zeichnungsebene festgelegt wird. 8b zeigt
die Fixierungsdome des Deckels zur Festlegung des Trägerkörpers 12 in
der Höhenrichtung.
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9 schließlich ist
eine dreidimensionale Gesamtdarstellung des geöffneten Sensors 100.
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Erfindungsgemäß entsteht
eine kostengünstige
Funktionseinheit, die stabil und sehr klein ist und die durch Auswechseln
Reparaturmöglichkeiten
und zugleich auch verschiedenste Sensorvarianten unterstützt. Durch
die besondere Anordnung der Leiterplatte 14 ist das gesamte
System sehr stabil gegenüber
elektromagnetischen Strahlungen, so dass weitgehend auf die sonst üblichen
Metallbleche im Gehäuse
zur Abschirmung verzichtet werden kann.