DE202006007420U1

DE202006007420U1 - Gehäuseanordnung

Info

Publication number: DE202006007420U1
Application number: DE200620007420
Authority: DE
Original assignee: Pepperl and Fuchs SE
Current assignee: Pepperl and Fuchs SE
Priority date: 2006-05-09
Filing date: 2006-05-09
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2016-05-10

Abstract

Gehäuseanordnung als Gehäuse (7) oder Gehäuseteil (3, 4) für elektrische und/oder elektronische Komponenten und Bauteile, gekennzeichnet durch mindestens eine amorphe Kohlenstoffbeschichtung, insbesondere eine DLC-Beschichtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gehäuseanordnung als Gehäuse oder Gehäuseteil für elektrische und/oder elektromagnetische Komponenten und Bauteile.
Gehäuse dienen bei Sensoren, welche im industriellen Bereich eingesetzt werden dazu, Sensoren geeignet platzieren und befestigen zu können. Außerdem haben Gehäuse und Gehäuseteile bei der Verwendung in der Industrie-Sensorik die Aufgabe, die Sensoren am Einsatzort vor Störeinflüssen zu schützen. Auftretende Störeinflüsse und Beeinträchtigungen sind beispielsweise eine hohe Staub und Schmutzbelastung. Damit diese Staub- beziehungsweise Schmutzpartikel keine negativen Einflüsse auf den Sensor haben, werden Sensorgehäuse möglichst dicht, zum Teil auch luftdicht verschlossen ausgebildet.
Andere, von Sensoren und deren Gehäuse erwartete Eigenschaften sind beispielsweise eine hohe mechanische Stabilität und eine hohe Abriebfestigkeit. Werden Sensoren an Orten eingesetzt, an denen beispielsweise Elektroschweißen durch Roboter durchgeführt wird, so wird auch eine entsprechende Schweißfestigkeit, also ein gutes Abperlverhalten von Zunder, gefordert. Hinzu kommt, dass es oft notwendig ist, Sensorgehäuse selbst mit einer geringen Mediendurchlässigkeit zu fertigen, um beispielsweise ein Eindiffundieren von Feuchtigkeit in den Sensor und damit die Beeinträchtigung elektrischer Bauteile des Sensors zu verhindern. Dies kann z.B. Korrosionsschäden am Gehäuse selbst, wie auch an den innen liegenden elektrischen und/oder elektronischen Bauteil verhindern oder reduzieren. Auch andere Bauteile, wie optische Empfänger, können durch diese Maßnahmen besser geschützt werden.
Herkömmlicherweise wird versucht einen Großteil dieser Eigenschaften durch geeignete Grundmaterialien des Gehäuses zu erreichen. Hierbei werden beispielsweise Gehäuse aus Aluminium, Stahl oder besonderen Legierungen eingesetzt. Auch die Verwendung von Kunststoffen ist möglich. Diese Materialien können aber nicht alle der oben genannten Anforderungen zufriedenstellend erfüllen oder sind teilweise relativ kompliziert in ihrer Herstellung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gehäuseanordnung für Sensoren zu schaffen, die besonders widerstandsfähig ist. Insbesondere soll dabei hohe Abriebfestigkeit, Schweißfestigkeit und geringe Mediendurchlässigkeit erreicht werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Gehäuseanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung, sowie der Figur und deren Erläuterung angegeben.
Es ist vorgesehen, dass herkömmliche Gehäuse oder Gehäuseteile mit mindestens einer Schicht aus amorphem Kohlenstoff überzogen werden. In der Fachliteratur werden derartige amorphe Kohlenstoffe auch als DLC (Diamond Like Carbon) bezeichnet.
Ein Grundgedanke der Erfindung kann darin gesehen werden, DLC-Beschichtungen für Sensorgehäuse einzusetzen. Derartige amorphe Kohlenstoffschichten werden herkömmlicherweise vor allem für die Beschichtung von Festplatten und Leseköpfen verwendet. Ebenso werden sie bei Präzisionswerkzeugen eingesetzt, um die Oberflächen zu härten.
Durch diese amorphen Kohlenstoffschichten, die bevorzugt auf den Materialflächen der Anordnung aufgebracht werden, kann eine hohe Abriebfestigkeit erreicht werden. Auch weisen die beschichteten Gehäuseteile einen guten Abperleffekt für beim Schweißen erzeugten Zunder auf, eine so genannte Schweißfestigkeit. Da das Aufbringen einer DLC-Beschichtung einen weiteren Produktionsschritt erfordert, kann es vorteilhaft sein, die Anordnung nur teilweise mit dieser Beschichtung zu versehen. Hierbei bietet sich insbesondere an, die Außenflächen des Gehäuses oder der Gehäuseteile zu beschichten.
Bei der Entscheidung, welche Teile des Sensorgehäuses beschichtet werden sollen, spielt unter anderem auch der im Gehäuse untergebrachte Sensor und der genaue Einsatzbereich eine entscheidende Rolle. Derart beschichtete Gehäuse sind besonders geeignet für beispielsweise induktive, kapazitive, optischen und/oder akustische Sensoren. Als akustische Sensoren können bevorzugt aktive wie auch passive Ultraschallsensoren eingesetzt werden.
Ist beispielsweise nur ein bestimmter Bereich des Sensors Umwelteinflüssen ausgesetzt, so kann es kostengünstiger sein, nur in diesem Bereich eine Beschichtung vorzusehen. So ist es denkbar, nur Spulenhauben für induktive Sensoren mit der Beschichtung auszustatten. Wenn z.B. optische Sensoren eingesetzt werden, darf andererseits das optische Fenster, welches zum Einsatz der Sensoren verwendet wird, natürlich nicht photonenundurchlässig durch eine derartige Beschichtung verschlossen werden.
Des Weiteren wird bevorzugt, wenn die amorphe Kohlenstoffbeschichtung sp³- und/oder sp²-Bindungen zwischen den einzelnen Kohlenstoffatomen aufweist. Das Bindungssystem der sp³-Struktur ist die typische Bindung von Kohlenstoffatomen in einem Diamantgitter. Hierbei befinden sich die vier sp³-Orbitale symmetrisch zueinander, jeweils im Bereich der Ecken eines virtuellen Tetraeders angeordnet.
Bei der sp²-Bindungsstruktur erstrecken sich die sp²-Orbitale in einer Ebene in der Nähe der Ecken eines imaginären gleichseitigen Dreiecks, so dass sie miteinander einen Winkel von 120° bilden. Diese Bindungsstruktur kommt in der Natur beispielsweise bei Graphit vor.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Kohlenstoffbeschichtung möglichst keine oder nur eine geringe Anzahl Fremdpartikel beziehungsweise Fremdatome aufweist. Hierbei sind vor allem Wasserstoffatome und Metallatome angesprochen. Durch das gezielte Einbringen von Wasserstoff- und/oder Metallatomen können die Eigenschaften der DLC-Beschichtung bewusst beeinflusst werden. Bevorzugt ist hierbei, wenn die Kohlenstoffbeschichtung im Wesentlichen fremdpartikelfrei ausgebildet ist, so dass eine so genannte tetraedische wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschicht erreicht wird. Diese Schicht wird auch als ta-C bezeichnet.
Es können aber auch andere amorphe Kohlenstoffbeschichtungen wie wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschichten (a-C), metallhaltige wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschichten (a-C:Me), wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschichten (a-C:H), tetraedrische wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschichten (ta-C:H), metallhaltige wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschichten (a-C:H:Me (Me=W, Ti, ...)) oder modifizierte wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschichten (a-C:H:X (X=Si, O, N, F, B)) verwendet werden. Natürlich sind auch Kombinationen aus mehreren Schichtarten möglich, welche gemischt, oder auch getrennt, übereinander angeordnet werden können.
Besonders vorteilhaft an einer ta-C-Schicht ist, dass sie eine relativ hohe Packungsdichte aufweist. Durch diese Packungsdichte entsteht eine relativ hohe Feuchtigkeitsbarriere, so dass eine geringe Mediendurchlässigkeit, beispielsweise Dampfdurchlässigkeit, der Beschichtung erreicht wird.
Grundsätzlich wird bevorzugt, dass die Beschichtung einen großen Anteil von sp³- und sp²-Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen aufweist. Das Verhältnis zwischen diesen beiden Bindungsarten beträgt hierbei bevorzugt 60%. Es ist vorteilhaft, den Anteil der sp²-Bindungen zu minimieren, um die gesamte Packungsdichte weiter zu erhöhen. Hierbei sind Zwischenstufen um 80% bis zu über 90% Anteilen an sp³-Bindungen zu sp²-Bindungen vorgesehen. Je mehr sp³-Bindungen verwendet werden, umso größer ist die Packungsdichte der entstehenden Beschichtung, wobei nahezu 100% sp³-Bindungen erreicht werden können.
Bevorzugt wird hierbei, dass die Packungsdichte der Atome in der Größenordnung von Kristallgittern liegt, insbesondere von Diamantenstrukturen. Wie bereits erläutert, kann durch eine möglichst hohe Packungsdichte eine geringe Mediendurchlässigkeit erreicht werden. Neben der Anordnung der einzelnen Kohlenstoffatome zueinander spielt auch die Anzahl der Fremdpartikel innerhalb der Beschichtung eine wichtige Rolle für die Packungsdichte.
Da die meisten Atome, die als Fremdkörper eingelagert werden, meist ein größeres Volumen als Kohlenstoffatome aufweisen, kann allgemein festgehalten werden, dass je höher die Fremd partikelfreiheit der entstehenden Beschichtung ist, desto besser sind Qualität und Eigenschaften sowie die Gebrauchsmerkmale dieser Beschichtung.
Die Dicke der Beschichtung hängt von den zu erreichenden Eigenschaften ab. Hierbei können Dicken in einem Bereich von wenigen pm bis zu einigen mm vorgesehen werden. Bevorzugt wird eine Dicke im Bereich zwischen nm und μm, beispielsweise zwischen 10 nm bis zu 500 μm, angestrebt.
Derartige Beschichtungen können durch so genannte Plasma- oder Physical-Vapor-Deposition (PVD), Chemical-Vapor-Deposition (VCD) oder durch Laser-Arco-Verfahren erzeugt werden. Beim Letzteren wird ein gepulster Hochstrombogen mit einem Plasmafilter kombiniert.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und einer schematischen Zeichnung erläutert. In dieser Zeichnung zeigt:
1 eine perspektivische Ansicht eines zylinderförmigen Sensorgehäuses.
In 1 ist exemplarisch ein zylinderförmiger Sensor 2 dargestellt. Dieser Sensor 2 weist eine rund-zylindrische, längliche Gehäusefläche 3 und eine Stirnseite 4 mit Sensorwandler 8 oder einem optischen Fenster 9 für einen Wandler auf. An der nicht sichtbaren Gehäuserückseite ist ein Sensorkabel 6 befestigt.
Erfindungsgemäß können alle Gehäuseteile mit der DLC-Beschichtung ausgestattet sein. Wird beispielsweise ein optischer Sensor verwendet, so ist es zweckmäßig, wenn das Fenster 9 des Sensorwandlers 8 von der Beschichtung ausgenommen ist.
Es besteht aber die Möglichkeit, auch das Fenster 9 mit einer äußerst dünnen Beschichtung zu versehen, durch die optische Strahlung hindurchtreten kann und so der Sensor 2 auch mit Beschichtung voll funktionsfähig bleibt.
Auf der beschichteten Gehäusefläche 3 des Gehäuses 7 ist eine Befestigungsnut 5 vorgesehen, um den Sensor an einer entsprechenden korrespondierenden Einrichtung anzubringen oder einzusetzen. Vorteilhaft an der DLC-Beschichtung ist auch, dass diese Art der Beschichtung bei jeglicher Gehäuseform eines Sensorgehäuses ausgeführt werden kann. So kann das Gehäuse 7 des Sensors 2 beliebige Formen aufweisen, beispielsweise die Form eines Würfels, eines Quaders oder eines Kegelstumpfes.
Bei dem hier gezeigten Sensor 2 findet sowohl die Energieübertragung wie auch die Signalübertragung zu und von dem Sensor über das Sensorkabel 6 statt. Um den Sensor besonders gegen Umwelteinflüsse durch die Beschichtung zu schützen, kann auch die Rückseite des Sensors 2, an der das Sondenkabel 6 befestigt ist, mit einer Kohlenstoffbeschichtung überzogen sein. Zum Schutz des Kabels bietet sich hierbei ein Kabelschuh an, der auch teilweise beschichtet sein kann.
Durch die erfindungsgemäße Gehäuseanordnung ist es möglich, Sensorgehäuse besonders widerstandsfähig in Bezug auf Abriebfestigkeit und Schweißfestigkeit auszubilden. Außerdem wird durch die Verwendung der Kohlenstoffbeschichtung eine geringe Mediendurchlässigkeit, insbesondere Fluiddurchlässigkeit, erreicht, wodurch eine Korrosion des Gehäuses und der innen liegenden Sensorbauteile verringert oder vermieden werden kann.

Claims

Gehäuseanordnung als Gehäuse (7) oder Gehäuseteil (3, 4) für elektrische und/oder elektronische Komponenten und Bauteile, gekennzeichnet durch mindestens eine amorphe Kohlenstoffbeschichtung, insbesondere eine DLC-Beschichtung.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Materialflächen der Anordnung mindestens teilweise, insbesondere die Außenflächen) (3) mit einer amorphen Kohlenstoffbeschichtung ausgebildet sind/ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Ausbildung als Sensorgehäuse, insbesondere für induktive, kapazitive, optische und/oder akustische Sensoren.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffbeschichtung im Wesentlichen sp³- und/oder sp²-Bindungen aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffbeschichtung im Wesentlichen wasserstofffrei ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffbeschichtung im Wesentlichen metallfrei ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffbeschichtung im Wesentlichen fremdpartikelfrei ausgebildet ist und insbesondere eine tetraedrische wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschicht (ta-C) ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von sp³- zu sp²-Bindungen größer als 60%, insbesondere größer als 80%, bevorzugt größer als 90% ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Packungsdichte der Atome der Beschichtung in der Größenordnung von Kristallgittern, insbesondere einer Diamantstruktur, liegt.