DE102009046872B4

DE102009046872B4 - Berührungslos arbeitendes elektronisches Schaltgerät mit einer optischen Schaltzustandsanzeige

Info

Publication number: DE102009046872B4
Application number: DE102009046872.2A
Authority: DE
Inventors: Michael Becker
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2009-11-19
Filing date: 2009-11-19
Publication date: 2018-06-21
Anticipated expiration: 2029-11-20
Also published as: DE102009046872A1

Abstract

Elektronisches Schaltgerät bestehend aus einer Grundeinheit (10) mit einem von außen beeinflussbaren Sensor und einer Elektronikplatine (2) mit einer Anzeige-LED (3) zum Signalisieren des Schaltzustandes des elektronischen Schaltgeräts, wobei die Elektronikplatine (2) von einem ersten weicheren transparenten Kunststoffmantel (4) umgeben ist,und wobei eine Grundeinheit (10) von einem aus einem optisch nicht durchlässigen härteren zweiten Kunststoffmaterial bestehenden, im wesentlichen geschlossenen Gehäuse (1) umgegeben ist,dadurch gekennzeichnet, dassder transparente Kunststoffmantel (4) und das Gehäuse (1) jeweils als einstückiges Kunststoffspritzteil ausgebildet sind und an der Grundeinheit (10) ein Lichtdom (5) angebracht ist, der zu einer Öffnung im Gehäuse (1) führt und der einen Lichtweg zwischen der Anzeige-LED (3) und dem Außenraum des Gehäuses (1) schafft, wobei der Lichtdom (5) kraftschlüssig mit dem Kunststoffmantel (4) und formschlüssig mit dem Gehäuse (1) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Schaltgerät mit Anzeige gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Elektronische Schaltgeräte arbeiten vorzugsweise berührungslos und werden vor allem im Bereich der Automatisierungstechnik in großen Stückzahlen eingesetzt.
Sie bestehen aus einem von außen beeinflussbaren Sensor und einer elektronischen Auswerteschaltung. Die Beeinflussung der elektrischen Eigenschaften des Sensors durch einen Auslöser wird ausgewertet und bei Überschreiten eines Schwellwerts eine vorzugsweise elektronische Schaltstufe angesteuert, deren Schaltzustand meistens durch eine optische Anzeige signalisiert wird.
Solche berührungslos arbeitende elektronische Schaltgeräte werden in den verschiedensten Ausführungen, beispielsweise als optische, induktive oder kapazitive Schaltgeräte unter anderem auch von der Anmelderin hergestellt und vertrieben. Da diese Geräte als Massenprodukt im Einsatz sind, ist ihre effiziente Herstellung von großer Bedeutung.
Nicht nur bei optoelektronischen Schaltgeräten besteht das Problem, dass das Licht einer Anzeige-LED ohne Beeinträchtigung der Gehäuseeigenschaften in effizienter Weise nach außen gelenkt werden muss.
Aus der DE 195 04 608 A1 ist ein Positionssensor als Schaltgerät bekannt, der eine auf einem Träger angeordnete elektrische Schaltung aufweist, die in einem Gehäuse angeordnet und mit einer lichtdurchlässigen Duroplast-Formmasse vergossen ist. Nachteilig ist hierbei der Montageaufwand, sowie die Tatsache, dass Temperaturänderungen wegen der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien zum Abreißen von Bauelementen und damit zu Fehlfunktionen führen können.
Ein Sensor mit einer Trägerplatte, welcher ein zumindest teilweise im Spritzverfahren hergestelltes Gehäuse aufweist, ist in der DE 101 21 776 B4 beschrieben. Hier befinden sich die optoelektronischen Bauteile in einen Hohlraum. Beschleunigungskräfte, die besonders bei schwereren Bauelementen zum Abreißen der Lötstellen führen können, sollen durch die Elastizität der Trägerplatte abgefedert werden. Eine elastische Trägerplatte ist bei optischen Sensoren, die eine exakte Positionierung der Sende- und Empfangsbauelementen gegenüber der Optik erfordern, nicht einsetzbar.
Eine stabile Alternative wird in der DE 197 18 157 A1 gezeigt, bei dem Sender, Empfänger, Sendetubus und Empfangstubus sowie die Sende- und Empfangsoptik von einer optisch dichten Kunststoffmasse umhüllt werden. Natürlich erfordert diese Variante einen weiteren Arbeitsgang im Herstellungsprozess.
In der DE 198 55 220 A1 wird ein optoelektronischer Sensor als Schaltgerät mit in einem Gehäuse angeordneten optischen und elektronischen Bauelementen vorgeschlagen, bei der sowohl das Gehäuse als auch die optischen Bauteile aus einer einheitlichen Kunststoffmasse gebildet sind, welche die elektronischen Bauteile einbettend umschließt. Abgesehen von ästhetischen Gesichtspunkten lässt sich damit keine hochwertige Optik realisieren. Weiterhin weisen die in Frage kommenden optischen Werkstoffe nicht unbedingt die geforderten mechanischen Gehäuseeigenschaften auf.
In der DE 203 04 842 U1 wird das Licht einer Anzeige-LED durch eine Dünnstelle des ansonsten nicht ausreichend transparenten Gehäusematerials nach außen geleitet. Eine solche Dünnstelle stellt wegen ihrer mechanischen und elektrischen Eigenschaften keine befriedigende Lösung dar.
In der EP 1 622 237 A1 wird ein optisches oder elektronisches Modul mit einem Kunststoffgehäuse vorgeschlagen, welches in einem ersten Bereich aus einer transparenten Kunststoffmasse und in einem zweiten Bereich aus einer nichttransparenten Kunststoffmasse besteht. In einem der genannten Herstellungsverfahren wird ein vorgefertigtes Package mit einer optischen oder elektronischen Komponente und einer aus einer transparenten Kunststoffmasse bestehenden Umhüllung dieser Komponente, über die sie in Wirkverbindung mit der Umgebung steht, mit einer zweiten, nicht transparenten Kunststoffmasse umhüllt. Hierbei wird die zweite Kunststoffmasse derart angebracht, dass sie die erste Kunststoffmasse umschließt, aber nicht vollständig abdeckt. Nachteilig ist hierbei, dass die erste transparente Kunststoffmasse ein Teil der Außenfläche des Gehäuses bildet, so dass „Kriechstrecken“ entstehen, sowie die optischen und mechanischen Eigenschaften an diesen Stellen nicht optimal gestaltet werden können.
Die JP S58 - 216 474 A zeigt einen optischen Sensor mit einer Elektronikplatine (lead frame), die mit einem ersten transparenten und einem zweiten opaken Kunststoff (resin) umschlossen ist. Ein Lichtaustrittsfenster (Filter) wird vor dem Umspritzen mit flüssigem Kleber gesichert. Dieser zusätzliche Arbeitsgang wird als nachteilig angesehen.
Die WO 2009 / 028 159 A1 zeigt ein Verfahren zur Umhausung eines Optohalbleiters mit einem Stanzgitter, wobei der Optohalbleiter mit einem transparenten Material (soft type silicone) umschlossen und abgedichtet wird. Dieses Material ist auch als Linse ausgeformt. Das Ganze wird von einem Gehäuse aus Flüssigpolymer umschlossen. Ein Lichtdom oder optisches Fenster fehlt, so dass keine ausreichende Festigkeit bzw. Kratzfestigkeit erreicht wird.
Die DE19918370A1 zeigt eine mit elektrischen Leiterbändern verbundenen LED, die bis auf eine Ausnehmung mit thermoplastischem Material umspritzt ist, so dass ein Grundkörper entsteht. Danach wird die Ausnehmung teilweise mit transparentem Harz gefüllt, so dass die LED darin eingebettet ist. In das noch flüssige Harzmaterial wird eine Linse eingebettet, was wegen der darauffolgenden Aushärtung mit der damit verbundenen vergleichsweise langen Aushärtezeit nachteilig ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein elektronisches Schaltgerät mit Anzeige anzugeben, das die oben genannten Nachteile nicht aufweist, bei dem gute optische und mechanische Gehäuseeigenschaften gegeben sind und das einfach und kostengünstig herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, die bestückte betriebsfertige Elektronikplatine in einem ersten Umspritzvorgang vollständig mit einem weichen optisch hochtransparenten Werkstoff zu umhüllen, so dass eine bereits alle wesentlichen Gerätefunktionen aufweisende Grundeinheit entsteht.
So werden Kriechstrecken vermieden und die elektronischen Bauelemente sowohl vor Erschütterungen als auch vor Abreißen auf Grund unterschiedlicher Temperaturausdehnungskoeffizienten geschützt.
In einem zweiten Arbeitsschritt wird ein Lichtdom (Lichtleitelement) für die Anzeige LED kraft- und formschlüssig mit der Grundeinheit verbunden und in einem dritten Schritt die Grundeinheit bis auf die optischen Flächen vollständig mit einer zweiten nichttransparenten Formmasse umspritzt, wobei der Lichtdom teilweise umschlossen und damit formschlüssig fixiert wird. Damit können insbesondere Miniaturgeräte kostengünstig hergestellt werden.
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:

1 Explosionsdarstellung der inneren Komponenten eines erfindungsgemäßen Schaltgerätes vor dem ersten Umspritzvorgang,
2 Grundeinheit eines erfindungsgemäßen Schaltgeräts nach dem ersten Umspritzvorgang mit der transparenten Formmasse in perspektivischer Darstellung von der Seite und von vorn.
3 Grundeinheit nach 2 vor dem Aufsetzen des Lichtdoms
4 Perspektivische Darstellung eines fertigen elektronischen Schaltgeräts in zwei Ansichten.
5 Schnittbild des Schaltgeräts in vergrößerter Darstellung

Die 1 zeigt eine Elektronikplatine 2 mit einer Anzeige-LED 3, einem Optikmodul 7 und einem Anschlusskabel 8 vor dem ersten Umspritzvorgang in einer Explosionsdarstellung.
Das Optikmodul 7 kann entweder gegen das Eindringen von Spritzmaterial in die Lichtwege abgedichtet werden oder die Lichtwege von Sende- und Empfangsbauelement können mit Kunststoff ausgefüllt werden.
Die 2 zeigt die von einem transparenten Kunststoffmantel 4 umhüllte Elektronikplatine mit Anschlusskabel 8. Die so entstandenen Grundeinheit 10 stellt bereits ein elektronisches Schaltgerät dar, welches nach dem ersten Umspritzvorgang prinzipiell betriebsbereit ist. Dargestellt sind 2 Ansichten (seitlich und von vorne).
In 3 ist die von einen transparenten Kunststoffmantel 4 umhüllte Grundeinheit 10 vor dem Aufsetzen des Lichtdoms 5 dargestellt.
Die 4 zeigt das fertige elektronische Schaltgerät, insbesondere das durch den zweiten Umspritzvorgang entstandene Gehäuse 1 in zwei Ansichten.
Die 5 zeigt ein Schnittbild des erfindungsgemäßen Schaltgerätes in vergrößerter Darstellung. Im unteren Bereich sind die zur Befestigung des Schaltgerätes dienenden Gewindehülse 6 zu erkennen. Die kritische Kriechstrecke 9 erstreckt sich von der LED 3 bis zur Nahtstelle zwischen Gehäuse 1 und Lichtdom 5.
Wie aus der 5 zu entnehmen ist, wird die Kriechstrecke durch das Umspritzen der LED unterbrochen, so dass neben der Spannungsfestigkeit auch die Abdichtung gegen eindringend Feuchtigkeit verbessert wird. Die Elektronikplatine 2 und damit auch die LED 3 sind vollständig von dem transparenten Kunststoffmantel 4 umhüllt, so dass eine prinzipiell betriebsbereite Grundeinheit 10 entsteht. Dadurch wird die erforderliche Festigkeit gegen Spannungsdurchschläge erreicht Das ist besonders bei Miniaturgeräten sinnvoll, bei denen für einen ausreichenden Luftabstand kein Raum vorhanden ist.
Herstellungsverfahren:
Zunächst wird das Optikmodul 7 mit der bestückten Elektronikplatine 2 verbunden.
Anschließend wird das Anschlusskabel 8 mit der Elektronikplatine 2 verlötet. In einem ersten Umspritzvorgang wird das vorgefertigte Gerät bis auf die Außenflächen der Optikeinheit mit einem weichen und hochtransparenten Schmelzkleber z. B. Makromelt 6208 umhüllt.
Nach dem Aushärten des Schmelzklebers wird der Lichtdom 5 für die LED 3 aufgesteckt.
In einem letzten Herstellungsschritt wird die Grundeinheit 10, d. h. das an sich fertige Gerät bis auf die Außenflächen des Optikmoduls 7 und des Lichtdoms 5 mit einer zweiten nicht transparenten Kunststoffmasse auf Polyamidbasis wie PAS 5035 umspritzt.
Selbstverständlich kann an Stelle des Anschlusskabels 8 auch ein Steckeranschluss vorhanden sein. Weiterhin ist das Verfahren nicht auf optoelektronische Schaltgeräte und auch nicht auf bestimmte Sensoren beschränkt, sondern kann für alle mit einem lichtemittierenden Anzeigeelement ausgestatteten Schaltgeräte Anwendung finden.
Mit der Erfindung kann ein kostengünstiges und sicheres Schaltgerät realisiert werden.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuse
2: Elektronikplatine
3: Anzeige-LED
4: Transparenter Kunststoffmantel
5: Lichtdom für die Anzeige-LED
6: Gewindehülse
7: Optikmodul
8: Anschlusskabel
9: Kriechstrecke
10: Grundeinheit

Claims

Elektronisches Schaltgerät bestehend aus einer Grundeinheit (10) mit einem von außen beeinflussbaren Sensor und einer Elektronikplatine (2) mit einer Anzeige-LED (3) zum Signalisieren des Schaltzustandes des elektronischen Schaltgeräts, wobei die Elektronikplatine (2) von einem ersten weicheren transparenten Kunststoffmantel (4) umgeben ist, und wobei eine Grundeinheit (10) von einem aus einem optisch nicht durchlässigen härteren zweiten Kunststoffmaterial bestehenden, im wesentlichen geschlossenen Gehäuse (1) umgegeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass der transparente Kunststoffmantel (4) und das Gehäuse (1) jeweils als einstückiges Kunststoffspritzteil ausgebildet sind und an der Grundeinheit (10) ein Lichtdom (5) angebracht ist, der zu einer Öffnung im Gehäuse (1) führt und der einen Lichtweg zwischen der Anzeige-LED (3) und dem Außenraum des Gehäuses (1) schafft, wobei der Lichtdom (5) kraftschlüssig mit dem Kunststoffmantel (4) und formschlüssig mit dem Gehäuse (1) verbunden ist.