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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Sensoreinheit mit einer Kunststoffummantelung nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1 und einem korrespondierenden Verfahren zur Herstellung der Kunststoffummantelung nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 9.
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Derzeit werden bei Zwei- und Vierradfahrzeugen im Bereich von Rädern angeordnete Sensoreinheiten, die beispielsweise zur Drehzahl- und/oder Drehrichtungserfassung verwendet werden, mit einem Kunststoff ummantelt bzw. verkapselt und über metallische als Befestigungsbuchsen ausgeführte Einlegeteile am Fahrzeug montiert. Das Verkapseln der Sensoreinheiten als Schutz gegen Umwelteinflüsse erfolgt üblicherweise durch Umspritzen eines Sensorkerns, der zumindest ein Sensorelement und ein Halteelement zur Halterung des Sensorelements aufweist, wobei das Sensorelement über ein Anschlusskabel mit mindestens einer Anschlussader elektrisch kontaktiert bzw. mit einem Steuergerät verbunden werden kann. Als Schutz gegen Umwelteinflüsse dient in der Regel ein Kunststoff, der in ausgehärtetem Zustand, auf die Temperatureinflüsse und Medieneinflüsse beständiger und dadurch über die vorgeschriebene Lebensdauer der Sensorelemente hinaus wirkt. Diese Art der Verkapselung von speziellen Sensorelementen findet ihren Einsatz bei statisch, dynamisch und/oder stoßartig belasteten Verbindungen, wie beispielsweise bei Drehzahlsensoreinheiten im Kraftfahrzeug. Diese Sensoreinheiten mit Kunststoffverkapselungen sind in der Regel hohen Umwelteinflüssen durch ihren Einbauort an der Achse bzw. im Radlager des Kraftfahrzeugs ausgesetzt.
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In der Offenlegungsschrift
DE 10 2008 005 315 A1 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Sensoreinheit beschrieben. Die beschriebene Sensoreinheit ist als Magnetfeldsensor, insbesondere als Drehzahl- und/oder Drehrichtungssensor zur Erfassung der Raddrehung und/oder zur Erfassung von Drehbewegungen im Triebstrang eines Kraftfahrzeugs ausgeführt. Die Sensoreinheit umfasst einen Sensorkern, der ein Sensorelement und ein Halteelement zur Halterung des Sensorelements aufweist, wobei das Sensorelement über ein Anschlusskabel mit mindestens einer Anschlussader elektrisch kontaktiert werden kann. Der Sensorkern und das Ende des Anschlusskabels werden durch Spritzgießen mit Kunststoff umhüllt bzw. verkapselt, wobei die Kunststoffummantelung häufig aus einem Polyamid und Glasfasern besteht. An die Kunststoffummantelung wird eine Befestigungslasche zur Befestigung der Sensoreinheit am Kraftfahrzeug angespritzt. In diesem zweiten Spritzvorgang wird vorzugsweise eine metallische Befestigungsbuchse in die Befestigungslasche eingespritzt. Über diese Befestigungsbuchse wird die Sensoreinheit am Kraftfahrzeug befestigt.
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Weiterhin wird in der Offenlegungsschrift 10 2006 050 177 A1 ein als Drehzahl- und/oder Drehrichtungssensor für ein Fahrzeugrad ausgebildeter Magnetfeldsensor beschrieben, bei dem ein magnetfeldempfindliches Sensorelement zusammen mit seinem Halteelement mit Kunststoff umspritzt sind. Die Kunststoffummantelung umschließt dabei auch das Ende eines Anschlusskabels und ist so gestaltet, dass der Spritzverguss eine Befestigungslasche mit einer Befestigungsbuchse für die Montage des Sensors ausbildet.
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Ferner ist in der
US 7 000 470 B2 eine als Drehzahlsensor für ein Fahrzeugrad ausgebildete Sensoreinheit beschrieben. Die Sensoreinheit umfasst einen Sensorkern, der ein Sensorelement und ein Halteelement zur Halterung des Sensorelements aufweist, wobei das Sensorelement über ein Anschlusskabel mit mindestens einer Anschlussader elektrisch kontaktiert werden kann. Der Sensorkern und das Ende des Anschlusskabels werden durch Spritzgießen mit Kunststoff umhüllt bzw. verkapselt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Sensoreinheit mit einem Sensorkern und einer den Sensorkern umgebenden Kunststoffummantelung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass der Kunststoff der Kunststoffummantelung zumindest teilweise aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen wird.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Kunststoffummantelung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 9 werden die Anteile des Kunststoffs der Kunststoffummantelung in einer vorgegebenen prozentualen Zusammensetzung gemischt, der Kunststoff angeschmolzen und die Kunststoffummantelung aus dem Kunststoff in einem Urformprozess durch Spritzgießen hergestellt.
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Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Sensoreinheit liegt darin, für die Verkapselung des Sensorelementes nicht einen beliebigen fossilen und/oder rohölbasierten Kunststoff zu wählen, sondern einen Kunststoff aus einem nachwachsenden Rohstoff bzw. einem regenerativen Werkstoff, einen so genannten biobasierenden Kunststoff zu verwenden. In der Regel sind Sensorelemente mit konventionellen Kunststoffverkapselungen hohen Rohstoffkosten ausgesetzt und werden durch umweltbelastende Herstellverfahren üblicherweise aus dem Rohstoff Erdöl produziert. Durch den Einsatz eines Kunststoffes, der zumindest teilweise aus nachwachsenden und somit ressourcenschonenden Rohstoffen gewonnen wird, wird die Umwelt deutlich entlastet bzw. geschont, da keine begrenzten Rohstoffquellen genutzt werden und die biobasierenden Kunststoffe in der Regel rückstandsfrei entsorgbar und/oder wiederverwertbar sind. Insbesondere ist man nicht mehr auf die sich erschöpfenden Erdölvorkommen angewiesen. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der hohen Temperaturbeständigkeit der Kunststoffummantelung. Eine besondere Eigenschaft dieser Kunststoffummantelung besteht in der hohen Schlagzähigkeit bzw. Kerbschlagzähigkeit, welche sich dadurch ergibt, dass die Kunststoffummantelung bei höheren bzw. hohen Temperaturen weniger weich wird. Die von der erfindungsgemäßen Kunststoffummantelung geschützten Sensoreinheiten sind somit sowohl temperaturbeständiger als auch alterungsbeständiger. Insbesondere bewirkt die erfindungsgemäße Kunststoffummantelung eine Streusalzbeständigkeit der Sensoreinheiten, so dass diese den Witterungsverhältnissen im Winter besser widerstehen können.
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Die Verkapselung der Sensoreinheiten erfolgt im erfindungsgemäßen Verfahren durch einen Umspritzvorgang des Sensorkerns, in welchem dieser zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kunststoffummantelung mit dem Kunststoffgemisch umspritzt wird. Das Halteelement weist speziell für diese Umspritzung konstruierte Dichtgeometrien auf, welche zu einer formschlüssigen Verbindung der Bauteile des Sensorkerns der Sensoreinheit führen. Diese formschlüssige Verbindung wird über ein Anschmelzen des erfindungsgemäßen Kunststoffs realisiert, welcher eine höhere Temperaturbeständigkeit der Dichtgeometrien der Sensoreinheit bewirkt. In vorteilhafter Weise ermöglicht der erfindungsgemäße Kunststoff die Herstellung eines komplexen Bauteiles, das hohen mechanischen und verfahrenstechnischen Anforderungen genügt. Ferner weisen der erfindungsgemäße und der bisher verwendete Kunststoff einen nahezu identischen Schmelzpunkt auf, wodurch ein Umstellen auf den erfindungsgemäßen Kunststoff bzw. ein Austauschen der Kunststoffe in der laufenden Serienfertigung möglich ist. Dies bedeutet einen erheblichen Vorteil in der Herstellung des Produktes, da man keine Maschinenanpassungen in der Fertigung vornehmen muss.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Sensoreinheit möglich.
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In Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoreinheit weist die Kunststoffummantelung einen Polyamidanteil in einem Bereich von 40 bis 70 Gewichtsprozent und einen Glasfaseranteil von ungefähr 30 Gewichtsprozent auf, wodurch sich in vorteilhafter Weise eine hohe Temperaturbeständigkeit und dadurch eine gute Schlagzähigkeit bzw. Kerbschlagzähigkeit der Kunststoffummantelung ergeben. Besonders vorteilhafte Eigenschaften der Kunststoffummantelung im Bezug auf Temperaturbeständigkeit und/oder Schlagzähigkeit bzw. Kerbschlagzähigkeit ergeben sich bei einem Polyamidanteil von ungefähr 60 Gewichtsprozent und einem Glasfaseranteil von ungefähr 30 Gewichtsprozent. In vorteilhafter Weise verwendet die Struktur des biobasierenden Kunststoffs kostengünstige und umweltschonende Ausgangsstoffe, so genannte Renewable Carbon, zur Kunststoffherstellung, wodurch sich deutliche Vorteile bezüglich der Gesamtkosten für verkapselte Sensorelemente zur Drehzahlerfassung ergeben. Ferner ist in vorteilhafter Weise eine Kennzeichnung der Kunststoffummantelung durch Laserbeschriftung möglich, welche im Infrarotbereich sichtbar ist und mittels eines Lesegerätes gelesen werden kann. Zusätzlich lassen sich noch logistische Vorteile aufzeigen, die darin liegen im Ersatzteilmarkt nach Kundenbedarf die Bauteile durch Laser zu beschriften.
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In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoreinheit wird als Grundkunststoff ein Polyamid 610 verwendet, welches ausreichende Grundeigenschaften im Bezug auf Temperaturbeständigkeit und/oder Schlagzähigkeit bzw. Kerbschlagzähigkeit aufweist. Hierdurch ergibt sich eine lange Lebensdauer der verkapselten Sensoreinheiten, da die Kunststoffummantelung besonders widerstandsfähig gegen Temperatur- und Umwelteinflüsse ist. Ferner können nachwachsende Rohstoffe zur Kunststoffherstellung verwendet werden, die in einer solchen Menge produzierbar sind, dass zumindest die verwendeten Mengen wieder nachwachsen.
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In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoreinheit bildet die Kunststoffummantelung eine Befestigungslasche zur Befestigung der Sensoreinheit an einem Bauteil aus. In vorteilhafter Weise sind hierdurch entsprechend der jeweiligen Einbauverhältnisse des Sensors sowohl die Längsposition als auch die Winkelposition der Befestigungslasche und somit der Sensoreinheit zu einem Geberelement veränderbar, so dass die Sensoreinheiten für unterschiedliche Einbausituationen ohne Wechsel von Werkzeugeinsätzen oder gar des gesamten Spritzgießwerkzeugs hergestellt werden können.
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In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoreinheit ist in die Befestigungslasche eine metallische Befestigungsbuchse eingefügt. In vorteilhafter Weise ermöglicht die metallische Buchse eine sichere Befestigung der Sensoreinheit am Bauteil bzw. am Kraftfahrzeug, indem beispielsweise bei einer Schraubverbindung ein großes Drehmoment auf die Befestigungsbuchse aufgebracht werden kann. Dies bedeutet, dass über den Kunststoff und die metallische Befestigungsbuchse die Vorspannkraft des Befestigungselementes, wie beispielsweise der Schraube, aufnehmbar ist.
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Die Sensoreinheit kann beispielsweise zumindest einen Magnetfeldsensor umfassen. Die Sensoreinheit kann beispielsweise zur Erfassung von Drehzahl und/oder Drehrichtung für eine Raddrehbewegung und/oder für einen Triebstrang eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen
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1 eine perspektivische Darstellung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen Sensoreinheit mit einem Sensorkern und einer schematisch dargestellten, den Sensorkern umgebenden Kunststoffummantelung, und
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2 eine Seitenansicht der Kunststoffummantelung, die eine Fläche zur Kennzeichnung der Sensoreinheit aufweist.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist eine Sensoreinheit 10 mit einem Sensorkern 22 dargestellt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Sensoreinheit 10 als Magnetfeldsensor, insbesondere zur Erfassung von Drehzahl und/oder Drehrichtung einer Raddrehbewegung oder für einen Triebstrang eines Kraftfahrzeugs ausgeführt.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst der Sensorkern 22 ein Sensorelement 12 und ein Halteelement 14 zur Halterung des Sensorelements 12. Das Sensorelement 12 kann über ein Anschlusskabel 16 mit mindestens einer Anschlussader 18, 20 elektrisch kontaktiert bzw. mit einem Steuergerät oder einer Steuerschaltung elektrisch verbunden werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Anschlusskabel 16 zwei Anschlussadern 18, 20 auf. Das Sensorelement 12 ist in dem Halteelement 14 gelagert und mit den Anschlussadern 18, 20 des Anschlusskabels 16 verbunden.
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1 und 2 zeigen die Sensoreinheit 10 nach einem Umspritzvorgang, in welchem der Sensorkern 22 mit einer, hier schematisch dargestellten Kunststoffummantelung 24 umspritzt wurde, wobei die Kunststoffummantelung 24 ein Polyamid (PA) und Glasfasern (GF) enthält. Beim Umspritzvorgang wurde das Sensorelement 12, das Halteelement 14 zur Halterung des Sensorelements 12 und ein Ende des Anschlusskabels 16 mit den Anschlussadern 18, 20 mit dem die Kunststoffummantelung 24 bildenden Kunststoff umspritzt.
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Um eine umweltfreundliche Herstellung und Entsorgung der Sensoreinheit 10 zu gewährleisten, wird der Kunststoff der Kunststoffummantelung 24 erfindungsgemäß zumindest teilweise aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen. Insbesondere weist der Kunststoff ein Polyamid (PA) auf Basis nachwachsender Rohstoffe ein so genanntes biobasierendes Polyamid bzw. Biopolyamid auf. Als nachwachsenden Rohstoffe werden beispielsweise Kartoffeln, Glucose, Saccarose, Gycerin, Palmöl und/oder Samen des Rizinus Communis, dem so genannten Wunderbaum eingesetzt. Außerdem können auch weitere Biopolymere wie beispielsweise, Polyhydroxybutyrate (PHB), Polymilchsäure (PLA), Polytrimethylenterephtalat (PTT), Polyhydroxyalkanoate (PHA), Polybutylenterephthalat, (PBT), Polybutylensuccinat (PBS), Polyurethan (PUR), Polyphtalamid (PPA) usw. für die biobasierende Kunststofferzeugung verwendet werden.
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Vorzugsweise weist die Kunststoffummantelung 24 einen Polyamidanteil (PA) in einem Bereich von 40 bis 70 Gewichtsprozent und einen Glasfaseranteil (GF) von ungefähr 30 Gewichtsprozent auf. Besonders bevorzugt weist die Kunststoffummantelung 24 einen Polyamidanteil (PA) von ungefähr 60 Gewichtsprozent und einen Glasfaseranteil (GF) von ungefähr 30 Gewichtsprozent auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird als Grundkunststoff Polyamid 610 (PA 610) verwendet. Die Kunststoffmischung zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kunststoffummantelung 24 kann als PA 610-GF 30 bezeichnet werden, wobei PA 610-GF 30 einen Schmelzpunkt von 220°C aufweist. Vorzugsweise besteht das Polyamid aus dem nachwachsenden Rohstoff Sebacinsäure, welcher aus Rizinusöl gewonnen wird.
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In Ausgestaltung der Erfindung bildet die Kunststoffummantelung 24 eine Befestigungslasche 26 zur Befestigung der Sensoreinheit 10 am Fahrzeug aus. In die Befestigungslasche 26 ist eine metallische Befestigungsbuchse 28 eingespritzt, um die Stabilität der Befestigung der Sensoreinheit 10 am Fahrzeug zu erhöhen.
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Um die den Sensorkern 22 der Sensoreinheit 10 umgebende Kunststoffummantelung 24 herzustellen, werden die Anteile des Kunststoffs der Kunststoffummantelung 24 in der vorgegebenen prozentualen Zusammensetzung gemischt. Der Kunststoff wird angeschmolzen und die Kunststoffummantelung 24 wird aus dem Kunststoff in einem Urformprozess durch Umspritzen des Sensorkerns 22 der Sensoreinheit 10 beim Spritzgießen hergestellt.
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Das Halteelement 14 zur Halterung des Sensorelements 12 weist speziell für die Umspritzung konstruierte Dichtgeometrien auf, welche zu einer formschlüssigen Verbindung der Bauteile 12, 14, 16, 18, 20 des Sensorkerns 22 der Sensoreinheit 10 führen. Diese formschlüssige Verbindung wird über das Anschmelzen des erfindungsgemäßen Kunststoffs realisiert, welcher eine höhere Temperaturbeständigkeit der Dichtgeometrien der Sensoreinheit 10 bewirkt.
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Vorzugsweise ist eine Kennzeichnung der erfindungsgemäßen Kunststoffummantelung 24 durch Laserbeschriftung möglich, welche im Infrarotbereich sichtbar ist und mittels eines Lesegerätes gelesen werden kann. Hierzu zeigt 2 eine Seitenansicht der Kunststoffummantelung 24, die eine Fläche 30 zur Kennzeichnung der Sensoreinheit 10 aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008005315 A1 [0003]
- US 7000470 B2 [0005]
