DE102016220773A1

DE102016220773A1 - Verfahren zur Endfertigung eines Näherungsschalters zur berührungslosen Erfassung eines Targets in einem Überwachungsbereich und Näherungsschalter zur berührungslosen Erfassung eines Targets in einem Überwachungsbereich

Info

Publication number: DE102016220773A1
Application number: DE102016220773.3A
Authority: DE
Inventors: Andreas Haage; Gilbert Anzer; Daniel Cammareri; Michael Hamma
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2016-10-21
Filing date: 2016-10-21
Publication date: 2018-04-26

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Näherungsschalter zur berührungslosen Erfassung eines Targets in einem Überwachungsbereich der aus einem in einem Thermoplast-Kunststoffspritzguss-Verfahren gefertigten Kunststoffmantel (KM) und einem Innenteil (IT) besteht,wird die aktive Fläche (AF) durch die Deckelseite (DS) einer vorgefertigten zylinderförmigen Kunststoffkappe (K) gebildet, die im unverbauten Zustand einen lichten Innendurchmesser (D) aufweist und die zur Abstützung des nicht umspritzten Innenteils (IT) in einem Spritzgusswerkzeug (SGW) dient. Im Bereich der aktiven Fläche (AF) ist die Wandstärke d kleiner 0.07 D mit einer Toleranz von weniger als Δd=± 0.003 D. Im Bereich der aktiven Fläche (AF) des Näherungsschalters ist die Wandstärke extrem klein und die Gehäuseaußenfläche äußerst plan und homogen.

Description

Die Erfindung betrifft sowohl ein Verfahren zur Endfertigung eines Näherungsschalters zur berührungslosen Erfassung eines Targets in einem Überwachungsbereich gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 als auch einen Näherungsschalter zur berührungslosen Erfassung eines Targets in einem Überwachungsbereich gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 2.
Aus der DE 198 32 533 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zur Endfertigung eines Näherungsschalters, der auf dem induktiven Prinzip basiert, bekannt. Der Näherungsschalter in diesem Dokument Positionssensor genannt, weist eine mit mehreren elektronischen Bauelementen bestückte Leiterplatte auf. Als targetsensitives Sensorelement dient eine Spule, die in einem Spulenträger gehaltert ist. Zur Energieversorgung und Signalausgabe des Positionssensors dient ein mehradriges Anschlusskabel. Bei der Endfertigung des Positionssensors wird die bestückte Leiterplatte mit Sensorelement und Anschlusskabel in eine entsprechende Form eingelegt und anschließend vollständig umspritzt.
Als aktive Fläche bezeichnet man den Bereich an der Gehäusewand des Näherungsschalters an dem die Feldlinien des magnetischen (B-Feld) oder elektrischen Felds (E-Feld) in den Luftraum vor dem Näherungsschalter austreten.
Dieser Wandbereich ist aus verschiedenen Gründen als besonders kritisch anzusehen. Die Wandstärke im Bereich der aktiven Fläche ist für den Schaltabstand des Näherungsschalters von großer Bedeutung, weil das Sensorelement quasi zurückversetzt wird und dadurch der Schaltabstand, der die Reichweite des Näherungsschalters definiert, umso geringer wird, je größer die Wandstärke an der aktiven Fläche ist. Die Wandstärke verringert quasi die „Leistung“ des Näherungsschalters. Insbesondere bei kleinen Bauformen, z. B. M8 Näherungsschalter, mit entsprechend kleinen Schaltabständen, ist die Reduktion des Schaltabstands merklich.
Bei Näherungsschalter, die nach dem aus der DE 198 32 533 bekannten Verfahren gefertigt werden, weist die aktive Fläche störende Bindenähte auf. Außerdem ist die Wandung im Bereich der aktiven Fläche relativ dick.
Die Wandstärke darf herstellungsbedingt einen Mindestabstand nicht unterschreiten, da andernfalls beim Spritzgussprozess nicht mehr gewährleistet werden kann, dass das Kunststoffmaterial den schmalen Hohlraumbereich zwischen Werkzeuginnenwand und Sensorelementfront vollständig ausfüllt und damit das Sensorelement ausreichend schützt und verhindert, dass z. B. Feuchtigkeit zum Sensorelement gelangt. Zu berücksichtigen ist hierbei auch, dass die Einspritzdrücke aufgrund der elektronischen Bauteile bzw. des empfindlichen Sensorelements nicht beliebig hoch gewählt werden können um auch kleine Hohlräume auszufüllen.
Aufgrund des Umspritzungsprozesses unterliegt die Wandstärke insbesondere im Bereich der aktiven Fläche, wenn keine speziellen Maßnahmen zur genauen Fixierung des Innenteils im Werkzeug getroffen werden, großen Schwankungen. Bei einem Hochdruckspritzgussverfahren kann das Sensorteil leicht verschoben werden.
Umfasst das Sensorteil einen Ferritkern, so ist die Fixierung des Sensorteils äußerst aufwendig, da die Ferritkerne bei mechanischer Belastung leicht brechen.
Auch sind hier Inhomogenitäten im Gefüge der aktiven Fläche nicht auszuschließen. Diese können zu fehlerhaften Signalen führen oder unter Umständen sogar die elektrische Isolation schwächen.
Im Datenblatt für einen solchen Näherungsschalter müssen immer die ungünstigsten Werte angegeben werden, die aufgrund der großen Schwankungen relativ schlecht ausfallen können. Dies gilt insbesondere für den Schaltabstand.
Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zur Endfertigung eines Näherungsschalters zur berührungslosen Erfassung eines Target in einem Überwachungsbereich anzugeben, dass eine minimale Wandstärke im Bereich der aktiven Fläche ermöglicht, bei dem die Wandstärke im Bereich der aktiven Fläche außerdem nur geringen Schwankungen unterliegt und eine hohe Homogenität und keine Bindenähte, Lunker bzw. unterschiedliche Faserorientierungen etc. aufweist, das mit einem einfachen Werkzeug ohne Gratbildung kostengünstig durchführbar ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch das im Anspruch 1 angegebene Verfahren.
Aufgabe der Erfindung ist es auch einen Näherungsschalter zur berührungslosen Erfassung eines Target in einem Überwachungsbereich anzugeben, der eine minimale Wandstärke im Bereich der aktiven Fläche aufweist, bei dem die Wandstärke im Bereich der aktiven Fläche außerdem nur geringen Schwankungen unterliegt und eine hohe Homogenität und keine Bindenähte, Lunker bzw. unterschiedliche Faserorientierungen etc. aufweist und der einfach und kostengünstig herstellbar ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durchdurch den im Anspruch 2 angegebenen Gegenstand.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen dieses erfindungsgemäßen Gegenstands sind in den Unteransprüchen angegeben.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:

1a Innenteil eines Näherungsschalters in perspektivischer Ansicht
1b Innenteil eines Näherungsschalters in perspektivischer Ansicht nach dem Aufschieben einer Kunststoffkappe
1c Innenteil eines Näherungsschalters im Bereich der Kunststoffkappe im Schnitt
1d perspektivische Ansicht einer separaten Kunststoffkappe
1e Kunststoffkappe als Masszeichnung in drei Ansichten
2 Innenteil eines Näherungsschalters nach einem ersten thermoplastischen Umspritzen als Vorspritzling in perspektivischer Ansicht
3 fertig umspritzten Näherungsschalter nach einem zweiten thermoplastischen Umspritzen in perspektivischer Ansicht

1a zeigt ein Innenteil IT eines Näherungsschalters zur berührungslosen Erfassung eines Targets in einem Überwachungsbereich. Es besteht aus einem Sensorteil ST mit einem targetempfindlichen Sensorelement SE im vorliegenden Fall einer zylinderförmigen Spule SP, einem Ferritschalenkern SK sowie einer Vorbedämpfungshülse VR, die auch als Vorbedämpfungsring bezeichnet wird und einem Schaltungsteil SCT mit einer starren Leiterplatte LP auf der eine Auswerteschaltung AS aufgelötet ist und vier Anschlusspins AP als Anschlusselement AE.
1b zeigt das Innenteil IT gemäß 1a nach dem Aufschieben der Kunststoffkappe K auf das Sensorelement SE. Die Front des Sensorelements SE liegt dabei auf dem Boden der Kunststoffkappe K auf. Die aktive Fläche AF des Näherungsschalters wird im Wesentlichen durch den dem Kappenboden gegenüberliegenden Außenwandbereich der Kappe K bestimmt.
Diagonal gegenüberliegend zur Kunststoffkappe K Sensorelement SE ist das elektrische Anschlusselement AE angeordnet.
Das Innenteil IT kann in der dargestellten Form in das Spritzgusswerkzeug SGW eingelegt werden, deshalb wird es auch als Einlegeteil bezeichnet.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Kunststoffkappe K mit einem Gießharz ausgefüllt. Dadurch entsteht eine starre Fixierung von Kunststoffkappe K zum Sensorelement SE.
In 1c ist das Aufliegen der Frontseite des Sensorelements SE auf dem Deckelboden im Detail dargestellt. Der Ferritkern berührt dabei den Deckelboden. Auch die den Ferritkern umgebende Vorbedämpfungshülse VR liegt auf dem Deckelboden auf.
1d zeigt eine perspektivische Ansicht der separaten Kunststoffkappe K mit einem Durchmesser D von D=10 mm und einer Wandstärke im Bodenbereich von d=0.5
1e zeigt die Kunststoffkappe K in einer Masszeichnung in drei Ansichten.
2 zeigt das Innenteil IT nach einem ersten thermoplastischen Umspritzen als Vorspritzling VS. Entlang der Mittellinie des Vorspritzlings VS verläuft abschnittsweise ein Formgrat FG bzw. steht die Leiterplatte LP über. Der Bereich der Kunststoffkappe K ist hiervon erfindungsgemäß ausgenommen.
Diagonal gegenüberliegend zur Kunststoffkappe K ist auch die aufgeschobene Metallhülse für den M8-Steckeranschluss sichtbar.
3 zeigt den fertig umspritzten Näherungsschalter nach dem zweiten thermoplastischen Umspritzen. Die Kunststoffkappe K ist integraler Bestandteil des Gehäuses und hebt sich nur durch eine kleine Rille R von der Gehäuseoberfläche ab.
4 zeigt auf der linken Seite das Innenteil IT nach dem Einlegen in das Spritzgusswerkzeug SGW. Die Einspritzdüsen stehen senkrecht zur Achse der Kunststoffkappe K. Beim Spritzvorgang wird die Kunststoffkappe K gegen eine erste Kappenhalterung im Werkzeug gedrückt und liegt an dieser an. Ein Bund im Werkzeug sorgt auch dafür dass das Spritzgussmaterial nicht in den vorderen Bereich der Kunststoffkappe K gelangt. Der Bereich vor der Kunststoffkappe K wird deshalb beim Umspritzen des Innenteils IT ausgespart. Als Kunststoff wird ein Polycarbonat verwendet.
Auf der rechten Seite ist der Vorspritzling VS nach dem Einlegen in das Spritzgusswerkzeug SGW dargestellt. Auch hier stehen die Einspritzdüsen senkrecht zur Achse der Kunststoffkappe K. Zwei Stempel SP1, SP2 wirken auf den Vorspritzling VS, so dass die Kunststoffkappe K gegen eine zweite Kappenhalterung im Werkzeug gedrückt wird und flächig an dieser anliegt. Der Bereich vor der zweiten Kunststoffkappe K wird deshalb ebenfalls beim Umspritzen des Vorspritzlings VS ausgespart. Der endgültige Formkörper, der Fertigspritzling, ist ein glasfaserverstärkter Kunststoff auf PTB Basis.
Das Spritzgusswerkzeug SGW ist ein Auf-Zu-Spritzgusswerkzeug dessen Öffnungsrichtung, senkrecht zur Mittelebene des quaderförmigen Näherungsschalters verläuft.
5 zeigt anstatt eines Quadergeräts wie in den vorhergehenden 1-4 dargestellt einen Näherungsschalter als Rundgerät M8. Oben sieht man das Innenteil IT vor der Umspritzung und unten nach der Endfertigung als fertiger Näherungsschalter.
Nachfolgen ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Endfertigung eines Näherungsschalter zur berührungslosen Erfassung eines Targets in einem Überwachungsbereich näher erläutert.

Wie bereits erwähnt, besteht der Näherungsschalter aus folgenden Komponenten: Kunststoffgehäuse;
Sensorteil ST und Schaltungsteil SCT als Innenteil IT;
Sensorteil ST mit dem targetempfindlichen Sensorelement SE
starre Leiterplatte LP mit einer Auswerteschaltung AS als Schaltungsteil SCT; dem elektrischen Anschlusselement AE, das gegenüberliegend zum Sensorelement SE an der Leiterplatte LP fixiert ist.

Außerdem ist das Sensorelement SE zylinderförmig ausgebildet und weist eine Außenkontur mit einem Durchmesser D auf.
In einem Verfahrensschritt a wird auf das Sensorelement SE des Innenteils IT eine zylinderförmigen Kunststoffkappe K aufgeschoben, wobei die Kunststoffkappe K einen Innendurchmesser D und eine Kappenboden mit der Wandstärke d< 0.6 mm aufweist. Anschließend wird in einem Verfahrensschritt b die Kunststoffkappe K auf dem Sensorelement SE fixiert, wobei die Frontseite des Sensorelements SE auf dem Kappenboden KB anliegt.
In einem weiteren Verfahrensschritt d wird das Innenteil IT in ein Spritzgusswerkzeug SGW eingelegt wobei zwischen Kunststoffkappe K und einer ersten Kappenabstützung nur ein minimales Spiel vorgesehen ist z. B. 0.05 mm. Durch die Einströmende Spritzgussmasse wird der Kunststoffkappe K gegen die Kappenabstützung gedrückt. Am Werkzeug selbst ist beim Vorspritzling VS zusätzlich noch ein kleiner Bund vorgesehen, der verhindert, dass das Kunststoffmaterial KM bis zum vorderen Bereich der Kunststoffkappe K gelangt. Nach dem thermoplastische Umspritzen des Innenteils IT in dem Spritzgusswerkzeug SGW (Verfahrensschritt e) wird das umspritzte Innenteil IT aus dem Spritzgusswerkzeug SGW herausgenommen. Das umspritzte Innenteil IT liegt nun entweder als bereits fertiger Näherungsschalter vor oder als Vorspritzling VR. Falls das umspritzte Innenteil IT als Vorspritzling VR vorliegt, erfolgt ein weiteres thermoplastische Umspritzen zum fertigen Näherungsschalter Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich z. B. einen Näherungsschalter M12 mit einer Wandstärke d im Bereich der aktiven Fläche AF kleiner 0.6 mm mit einer Toleranz von weniger als ±0.025 herzustellen. In vorteilhafter Weise ist im Bereich der aktiven Fläche AF des Näherungsschalters die Wandstärke extrem klein und außerdem die Gehäuseaußenfläche in diesem Bereich äußerst plan insbesondere ohne störende Entformgrate, Lunker, Blasen, Bindenähte, etc.
Der Näherungsschalter kann z. B. ein induktiver Näherungsschalter mit einer Spule SP als Sensorelement SE oder kapazitiver Näherungsschalter mit mindestens einer Flächenelektrode sein.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Näherungsschalter sowohl als Rundgerät mit einem Gewinde oder Quadergerät endgefertigt werden.
Bei den dargestellt Näherungsschalter stellt die Kunststoffkappe K im Wesentlichen den Durchmesser D bzw. die Höhe des Näherungsschalters dar.
Zur Fixierung des Sensorteils ST im Innenraum IT des Kunststoffdeckels gibt es verschiedene Möglichkeiten: Einclipsen, Klebeverbindung oder Vergießen.
Dier Erfindung ermöglicht die kostengünstige Produktion eines quasi vollumgossenen Näherungsschalters. Der Näherungsschalter ist extrem dicht und erfüllt alle Anforderungen im Hinblick auf Permeation und Durchschlagfestigkeit
Bezugszeichenliste

AE: Anschlusselement
AF: aktive Fläche
AP: Anschlusspins
AS: Auswerteschaltung
D: Durchmesser
DS: Deckelseite
FG: Formgrat
IT: Innenteil
K: Kuststoffkappe
KB: Kappenboden
KM: Kunststoffmantel
LP: Leiterplatte
M12: Näherungsschalter
R: Rille
SCT: Schaltungsteil
SE: Sensorelement
SGW: Spritzgusswerkzeug
SK: Ferritschalenkern
SP: Spule
SP1, SP2: Stempel
ST: Sensorteil
VR: Vorbedämpfungshülse, Vorbedämpfungsring
VS: Vorspritzling

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19832533 [0002, 0005]

Claims

Verfahren zur Endfertigung eines Näherungsschalter zur berührungslosen Erfassung eines Targets in einem Überwachungsbereich der aus einem Kunststoffgehäuse und einem Innenteil (IT) besteht, wobei das Innenteil (IT) in ein Sensorteil (ST) und ein Schaltungsteil (SCT) unterteilt ist, wobei das Sensorteil (ST) ein targetempfindliches Sensorelement (SE) aufweist und zylinderförmig ausgebildet ist wobei das Schaltungsteil (SCT) aus einer starren Leiterplatte (LP) mit einer Auswerteschaltung (AS) besteht und wobei an einer Seite der Leiterplatte (LP) das Sensorteil (ST) und einer gegenüberliegenden Seite ein elektrisches Anschlusselement (AE) fixiert ist, gegenzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: a. Aufschieben einer zylinderförmigen Kunststoffkappe (K) auf das Sensorteil (ST), wobei die Kunststoffkappe (K) einen Innendurchmesser (D) und eine Wandstärke d < 0.07 D am Kappenboden (KB) aufweist b. Fixieren der Kunststoffkappe (K) auf dem Sensorteil (ST), wobei die Frontseite des Sensorelements (SE) auf dem Kappenboden (KB) anliegt c. Einlegen des Innenteils (IT) in ein Spritzgusswerkzeug (SGW) wobei als ein Abstützpunkt des Innenteils (IT) die Kunststoffkappe (K) dient d. Thermoplastisches Umspritzen des Innenteils (IT) in dem Spritzgusswerkzeug (SGW) e. Entnahme des umspritzten Innenteils (IT) aus dem Spritzgusswerkzeug (SGW), wobei das umspritzte Innenteil (IT) entweder bereits der fertige Näherungsschalter oder ein Vorspritzling (VS) ist f. Falls das umspritzte Innenteil (IT) ein Vorspritzling (VS) ist, Umspritzen des Vorspritzlings (VS) in einem weiteren Verfahrensschritt zu dem fertigen Näherungsschalter
Näherungsschalter zur berührungslosen Erfassung eines Targets in einem Überwachungsbereich der aus einem in einem Thermoplast-Kunststoffspritzguss-Verfahren gefertigten Kunststoffmantel (KM) und einem Innenteil (IT) besteht, wobei das Innenteil (IT) in ein Sensorteil (ST) und ein Schaltungsteil (SCT) unterteilt ist wobei das Sensorteil (ST) ein targetempfindliches Sensorelement (SE) aufweist, wobei das Schaltungsteil (ST) aus einer starren Leiterplatte (LP) mit einer Auswerteschaltung (AS) besteht und an der Leiterplatte (LP) an einer Seite das Sensorteil (ST) und an einer gegenüberliegenden Seite ein elektrisches Anschlusselement (AE) fixiert ist, wobei der Bereich des Kunststoffmantels (KM), der unmittelbar vor dem Sensorelement (SE) liegt, die aktive Fläche (AF) des Näherungsschalters bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Fläche (AF) durch die Deckelseite (DS) einer vorgefertigten zylinderförmigen Kunststoffkappe (K) gebildet wird, die im unverbauten Zustand einen lichten Innendurchmesser (D) aufweist und die zur Abstützung des nicht umspritzten Innenteils (IT) in einem Spritzgusswerkzeug (SGW) dient, und dass im Bereich der aktiven Fläche (AF) die Wandstärke d kleiner 0.07 D mit einer Toleranz von weniger als Δd=± 0.003 D ist, wodurch im Bereich der aktiven Fläche (AF) des Näherungsschalters die Wandstärke extrem klein und die Gehäuseaußenfläche äußerst plan und homogen ist.
Näherungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffkappe (K) einen lichten Innendurchmesser (D) mit D=9.1 mm aufweist und das im Bereich der aktiven Fläche (AF) die Wandstärke d kleiner 0.6 mm mit einer Toleranz von weniger als ±0.025 mm ist.
Näherungsschalter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Näherungsschalter ein induktiver Näherungsschalter ist, und das Sensorelement (SE) als Spule (SP) ausgebildet ist.
Näherungsschalter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Näherungsschalter ein kapazitiver Näherungsschalter ist, und das Sensorelement (SE) als mindestens eine Kondensatorplatte ausgebildet ist.
Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Näherungsschalter ein Rundgerät mit einem Gewinde ist
Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Näherungsschalter ein Quadergerät ist
Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffkappe (K) im Wesentlichen den Durchmesser (D) bzw. die Höhe des Näherungsschalters darstellt.
Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als weiterer Abstützpunkt ein an der Leiterplatte (LP) vorgesehener diametral zur Kunststoffkappe (K) gegenüberliegenden Steckeranschluss (Kabel/Steckerpinns) dient.
Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorteil (ST) im Innenraum des Kunststoffdeckels verclipst, verklebt oder vergossen ist.