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Die Erfindung betrifft eine Steckverbindungseinheit, insbesondere zur Verbindung zweier, elektronische Bauelemente tragender Trägerelemente, umfassend eine Steckereinrichtung und eine Steckeraufnahme, wobei die Steckereinrichtung und die Steckeraufnahme jeweils mindestens ein elektrisches Kontaktelement aufweisen, welche sich zur Herstellung einer elektrischen Verbindung berühren und die Steckereinrichtung und die Steckeraufnahme im kontaktierten Zustand von einem Vergussmaterial umgeben sind.
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Steckverbindungseinheiten werden häufig dazu genutzt, zwei elektronische Bauelemente tragende Trägerelemente, welche auch als Leiterkarten bezeichnet werden, elektrisch leitfähig miteinander zu verbinden. Dabei ist es in vielen Anwendungsfällen notwendig, die elektronischen Bauelemente samt dem Trägerelement vor äußeren Einflüssen zu schützen, was vorzugsweise durch Vergießen dieser Komponenten erfolgt.
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Ein Beispiel dafür ist in 3 dargestellt, wo eine Steckverbindungseinheit 1 aus einer Steckereinheit 2 und einer Steckeraufnahme 3 gebildet ist. Die Steckereinrichtung 2 und die Steckeraufnahme 3 weisen dabei jeweils Kontakte 4 auf, welche sich im montierten Zustand der Steckereinrichtung 2 und der Steckeraufnahme 3 berühren und somit einen elektrischen Kontakt herstellen. 3A zeigt dabei eine montierte, unvergossene Steckverbindungseinheit 1. Demgegenüber ist in 3B die Steckverbindungseinheit 1 von einem Vergussmaterial 5 vollständig umgeben. Das Vergussmaterial 5 dringt dabei in den Innenraum 6 zwischen der Steckereinrichtung 2 und der Steckeraufnahme 3 ein und füllt diesen ebenfalls aus.
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Als Vergussmaterial 5 wird ein Epoxidharz o.ä. verwendet. Das Vergussmaterial 5 wird in flüssiger Form um die Steckverbindungseinheit 1 aufgetragen. Nach dem Aushärten klebt das Vergussmaterial 5 an den Kontakten. Dadurch wird die Federwirkung der Kontakte teilweise oder vollständig unterbunden. Durch thermische Änderungen kann es durch die Ausdehnung des Vergussmaterials 5 zu Kontaktunterbrechungen kommen, da das Material an den Kontakten klebt und damit die Federwirkung der Kontakte außer Kraft gesetzt wird.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Steckverbindungseinheit anzugeben, welche auch im vergossenen Zustand der Steckverbindungseinheit die elektrische Verbindung zwischen den Kontaktelementen der Steckereinrichtung und der Steckeraufnahme zuverlässig beibehält.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass wenigstens die elektrischen Kontaktelemente der Steckereinrichtung und/oder der Steckeraufnahme von einem viskosen Material umschlossen sind. Dieses viskose Material verhindert das Eindringen des Vergussmaterials in den Innenraum zwischen Steckereinrichtung und Steckeraufnahme. Da ein viskoses Material, unter welchem ein zäh fließendes Fluid verstanden werden soll, seine Viskosität beibehält und nicht mit dem Vergussmaterial vermischbar ist, bleiben die elektrischen Kontaktelemente gegeneinander gerichtet, wodurch der elektrische Kontakt zwischen Steckereinrichtung und Steckeraufnahme zuverlässig aufrechterhalten wird. Solche vergossenen Steckverbindungseinheiten eignen sich zum einen zum Einsatz in aggressiven Medien, zum anderen aber auch in Umgebungen, wo ein besonderer Explosionsschutz notwendig ist.
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In einer Ausgestaltung sind das mindestens eine elektrische Kontaktelement der Steckereinrichtung und/oder das mindestens eine elektrische Kontaktelement der Steckeraufnahme als Federkontakt ausgebildet. Das viskose Material gewährleistet, dass die Kontaktelemente die Federwirkung beibehalten. Dadurch bleibt die elektrisch leitfähige Verbindung zwischen Steckereinrichtung und Steckeraufnahme zuverlässig erhalten.
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In einer Variante füllt das viskose Material die sich gegenüberliegenden, die elektrischen Kontaktelemente umfassenden Bereiche der Steckereinrichtung und der Steckeraufnahme annähernd vollständig aus. Dadurch wird sichergestellt, dass das Vergussmaterial nicht in den Innenraum zwischen Steckereinrichtung und Steckeraufnahme eindringen kann.
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In einer weiteren Ausführungsform bleibt eine Viskosität des viskosen Materials bei einer sich ändernden Umgebungstemperatur annähernd konstant. Die Beibehaltung der Fließfähigkeit des viskosen Materials trägt dazu bei, dass sich die federnden Eigenschaften der Kontaktelemente nicht verändern und somit der elektrische Kontakt zwischen Steckereinrichtung und Steckeraufnahme über die Lebensdauer der Steckverbindungseinheit beibehalten wird.
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Vorteilhafterweise ist das viskose Material als silikonartiges Gel ausgebildet, welches nicht leitfähig ist. „Silikonartiges Gel“ im Sinne dieser Erfindung soll als Gel verstanden werden, das silikonartige, ölartige oder pastenartige Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich der Viskosität, hat.
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Derartige silikonartige Gele verhindern, dass das Vergussmaterial in das Innere der Steckverbindungseinheit eindringen kann. Da das Vergussmaterial flüssig aufgebracht wird und anschließend aushärtet, wird durch das silikonartige Gel, welches den Innenraum zuverlässig ausfüllt, ein Eindringen des flüssigen Vergussmaterials unterbunden. Durch die Eigenschaft der Nichtleitfähigkeit besitzt der Füllstoff einen hohen Isolationswiderstand. Dadurch werden Kurzschlüsse und unerwünschte leitfähige Verbindungen zwischen nicht zueinander gehörenden Kontaktelementen der Steckereinrichtung und der Steckeraufnahme vermieden. Bevorzugt weist das viskose Material als Füllstoff eine gute Temperaturbeständigkeit auf. Somit verbleibt das viskose Material über die gesamte Lebensdauer der Steckverbindungseinheit im Innenraum zwischen Steckereinrichtung und Steckeraufnahme, ohne sich zu verflüchtigen.
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Insbesondere ist die Steckereinrichtung stempelähnlich ausgebildet, welche in die wannenähnlich geformte Steckeraufnahme eingreift, wobei die elektrischen Kontaktelemente der Steckereinrichtung und der Steckeraufnahme sich an den Seitenflächen der stempelähnlichen Steckereinrichtung und der wannenähnlichen Steckeraufnahme gegenüberliegen. Durch diese Ausgestaltung wird eine besonders platzsparende Form der Steckverbindungseinheit realisiert.
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Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft eine Sensoreinheit, umfassend ein Sensorelement, welches mit elektronischen Bauelementen verbunden ist, die auf einem ersten, die elektronischen Bauelemente tragenden Trägerelement angeordnet sind. Bei einer Sensoreinheit, die besonders geringe Abmaße aufweist, ist an dem ersten Trägerelement eine Steckverbindungseinheit gemäß den Merkmalen der vorliegenden Schutzrechtsanmeldung befestigt und ein zweites, elektronische Bauelemente tragendes Trägerelement ebenfalls mit der Steckverbindungseinheit in der Art verbunden, dass das erste und das zweite Trägerelement übereinanderliegend angeordnet sind. Eine solche Sensoreinheit benötigt nur geringen Bauraum und bietet trotzdem ausreichend Platz für eine Vielzahl von elektronischen Bauelementen, die beispielsweise eine Sensorsignalaufbereitungs- und/oder -auswerteschaltung bilden.
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Vorteilhafterweise sind das erste und das zweite, elektronische Bauelemente tragende Trägerelement in einem Sensorgehäuse positioniert und wenigstens eines der beiden Trägerelemente mit dem, im Sensorgehäuse angeordneten Sensorelement elektrisch verbunden. Solche Ausgestaltungen eignen sich insbesondere für Anwendungen der Sensorik in fließenden Gewässern oder in chemischen Anlagen.
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Eine weitere Weiterbildung der Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung einer Steckverbindungseinheit, bei welchem elektrische Kontakte einer Steckereinrichtung und einer Steckeraufnahme miteinander in Kontakt gebracht werden und anschließend die zusammengesteckte Steckeinrichtung und die Steckeraufnahme mit einem Vergussmaterial umgossen werden. Bei einem Verfahren, bei welchem die elektrische Verbindung zwischen Steckereinrichtung und Steckeraufnahme auch nach Umgießen mit dem Vergussmaterial zuverlässig aufrechterhalten werden, werden mindestens die elektrischen Kontaktelemente der Steckereinrichtung und/oder der Steckeraufnahme vor dem Zusammenstecken mit einem viskosen Material umhüllt. Die Umhüllung mit dem viskosen Material gewährleistet, dass das zunächst flüssige Vergussmaterial nicht in den Innenraum zwischen Steckereinrichtung und Steckeraufnahme eindringen kann, da dieser von dem viskosen Material vollständig ausgefüllt ist. Da das viskose Material eine bestimmte Fließfähigkeit besitzt, bleibt die Federwirkung der elektrischen Kontaktelemente der Steckereinrichtung und der Steckeraufnahme bestehen, weshalb die elektrische Verbindung der Steckverbindungseinheit zuverlässig gewährleistet wird.
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Vorteilhafterweise werden die elektrischen Kontaktelemente der Steckereinrichtung und/oder der Steckeraufnahme von einem silikonartigen Gel umhüllt, anschließend die Steckereinrichtung in die Steckeraufnahme zur Herstellung des elektrischen Kontaktes zwischen den, als Federkontakte ausgebildeten, elektrischen Kontaktelementen eingebracht und nach Herstellung des elektrischen Kontaktes die Steckereinrichtung und die Steckeraufnahme annähernd vollständig mit einem Vergussmaterial, insbesondere einem Epoxidharz, vergossen. Durch das Ausfüllen des Innenraumes mittels des silikonartigen Gels zwischen Steckereinrichtung und Steckeraufnahme wird ein Eindringen des Vergussmaterial nach innen in die zusammengefügte und montierte Steckerverbindungseinheit zuverlässig unterbunden, so dass sich das Vergussmaterial nur auf den Außenumfang der Steckverbindungseinheit beschränkt und somit keinerlei Auswirkungen auf die Federkontakte der Steckverbindungseinheit ausübt.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
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Es zeigt:
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1: ein Ausführungsbeispiel für eine Sensoreinheit mit einem pH-Sensorelement;
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2: einen Schnitt durch die Steckverbindungseinheit gemäß 1;
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3: einen Schnitt durch die Steckverbindungseinheit nach dem Stand der Technik.
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Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In der Prozessleittechnik sind, vorzugsweise zur Überwachung von Prozessen in der chemischen Industrie oder in fließenden oder stehenden Gewässern, Sensoren in einer Messumgebung angeordnet. Diese Sensoren messen die Eigenschaften eines zu untersuchenden Mediums und sind mit einer örtlich entfernt angeordneten Prozessleitzentrale verbunden. Um einen solchen Sensor betreiben zu können, umfasst eine, den Sensor enthaltende Sensoreinheit ein Gehäuse, welches elektronische Bauelemente enthält. Beispiele für solche Sensoreinheiten sind Füllstandsmesser, Durchflussmesser, Druck- und Temperaturmesser, pH-Redoxpotential-Messgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte und ähnliches, die als Sensoren die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH- bzw. Leitfähigkeitswerte erfassen.
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In 1 soll als Beispiel eine pH-Sensormesseinheit 7 betrachtet werden. Dabei ist ein Schnitt durch das Gehäuse 8 der pH-Sensormesseinheit 7 dargestellt, woraus ersichtlich ist, dass der pH-Sensor 9 mit einem ersten Trägerelement 10 verbunden ist, auf welchem die elektronischen Bauelemente 11 angeordnet sind. Gleichzeitig befindet sich auf dem ersten Trägerelement 10, welches als Leiterplatte ausgebildet ist, eine Steckverbindungseinheit 1, die aus einer stempelähnlichen Steckereinrichtung 2 und einer wannenähnlichen Steckeraufnahme 3 besteht. Die wannenähnliche Steckeraufnahme 3 ist dabei auf dem ersten Trägerelement 10 positioniert, während die stempelähnliche Steckereinrichtung 2 mit einem zweiten Trägerelement 12 verbunden ist, auf welchem wiederum elektronische Bauelemente 13 elektrisch miteinander verbunden sind. Die Trägerelemente 10 und 12 sind dabei mit einem Interface 14 gekoppelt, welches die pH-Sensormesseinheit 7 mit einer nicht weiter dargestellten Prozessleitzentrale verbindet. Das Gehäuse 8 wird dabei im Bereich des pH-Sensors 9 von einer Dichtung 15 abgedichtet, welche ringförmig ausgebildet ist.
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In 2 ist ein Schnitt durch die Steckverbindungseinheit 1 der pH-Sensormesseinheit 7 dargestellt, wobei 2A einen Schnitt durch eine unvergossene Steckverbindungseinheit 1 offenbart, während die 2B eine vergossene Steckverbindungseinheit zeigt. Die stempelähnlich ausgebildete Steckereinrichtung 2 und die wannenähnlich ausgebildete Steckeraufnahme 3 weisen an ihren Seitenflächen 16, 17 als Federkontakte ausgebildete elektrische Kontaktelemente 18, 19 auf, die zueinander ausgerichtet sind und sich kontaktieren. Der Innenraum 20 zwischen der Steckereinrichtung 2 und der Steckeraufnahme 3 ist mit einem silikonartigen Gel 21 vollständig ausgefüllt, welches die Kontaktelemente 18, 19 vollständig umschließt.
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Wie aus 2B hervorgeht, ist die Steckverbindungseinheit 1 der pH-Sensormesseinheit 7 von außen von einem Vergussmaterial 22 vollständig umgeben. Das Vergussmaterial 22 kann dabei als Epoxidharz o.ä. ausgestaltet sein. Durch den Eintrag des silikonartigen Gels 21 in den Innenraum 20 zwischen Steckereinrichtung 2 und Steckeraufnahme 3 wird das Vergussmaterial 22 daran gehindert, in den Innenraum 20 zwischen Steckereinrichtung 2 und Steckeraufnahme 3 einzudringen. Dies hat den Vorteil, dass die als Federkontakte ausgebildeten Kontaktelemente 18, 19 ihre Federwirkung auch im vergossenen Zustand der Steckverbindungseinheit 1 beibehalten. Eine solche Vorgehensweise ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn die Steckverbindungseinheit 1 sehr kleine Abmessungen aufweist, die in der Größenordnung von ungefähr 5 mm liegen.
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Bei der Herstellung der Steckverbindungseinheit 1 wird wie folgt vorgegangen. Die aus einem Kunststoff bestehende Steckereinrichtung 2 und Steckeraufnahme 3 sind mit Kontaktelementen 18, 19 in Form von Federkontakten ausgerüstet. Dabei werden entweder die Kontaktelemente 18 der Steckereinrichtung 1 und/oder die Kontaktelemente 19 der Steckeraufnahme 2 mit dem viskosen Gel 21, welches keine elektrische Leitfähigkeit aufweist, umhüllt. Anschließend werden die Steckereinrichtung 2 und die Steckeraufnahme 3 aufeinandergesetzt, wodurch der elektrische Kontakt zwischen den Kontaktelementen 18, 19 der Steckereinrichtung 2 und der Steckeraufnahme 3 hergestellt wird. Durch den Druck, der durch die Montage der Steckereinrichtung 2 und der Steckeraufnahme 3 entsteht, verteilt sich das viskose Gel 21 innerhalb des Innenraums 20 zwischen Steckereinrichtung 2 und Steckeraufnahme 3, so dass der Innenraum 20 vollständig mit dem silikonartigen Gel 21 ausgefüllt ist. Nach der mechanischen Verbindung von Steckereinrichtung 2 und Steckeraufnahme 3 wird die so gebildete Steckverbindungseinheit 1 mit einem Vergussmaterial 22 als Vergussmaterial umhüllt. Dies kann etwa durch Umspritzen geschehen. Das Vergussmaterial 22, welches in flüssiger Form aufgebracht wird, härtet aus und bildet somit einen zuverlässigen Schutz der Steckverbindungseinheit 1 gegen Explosionen bzw. gegen aggressive Medien.
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Durch die Einfügung des silikonartigen Gels 21 wird verhindert, dass das Vergussmaterial 22 in das Innere der Steckverbindungseinheit 1 eintreten kann. Da das silikonartige Gel 21 im Inneren der Steckverbindungseinheit 1 beim Zusammenfügen verdrängt wird, kann die Federwirkung der elektrischen Kontaktelemente 18, 19 erhalten bleiben, wobei die Kontaktelemente 18, 19 einen zuverlässigen elektrisch leitfähigen Kontakt herstellen.
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Bei der Auswahl des viskosen Mediums ist zu berücksichtigen, dass der viskose Stoff bestimmte Eigenschaften erfüllen muss. So muss er einen hohen Isolationswiderstand haben, um eine elektrische Leitfähigkeit zwischen benachbarten Kontaktelementen zu unterbinden. Gleichzeitig muss dieses viskose Material temperaturbeständig sein und seine Viskosität konstant bei allen möglichen Temperaturen gewährleisten. Darüber hinaus darf sich das viskose Material nicht mit dem Vergussmaterial vermischen. Es darf sich dazu entweder nicht verflüchtigen oder wenn es sich verflüchtig, darf kein Verguss in den Steckverbinder eintreten.
