DE202010009785U1

DE202010009785U1 - Sensor mit Laser-verschweißtem Deckel

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Publication number: DE202010009785U1
Application number: DE202010009785U
Authority: DE
Original assignee: ASM Automation Sensorik Messtechnik GmbH
Current assignee: ASM Automation Sensorik Messtechnik GmbH
Priority date: 2010-07-02
Filing date: 2010-07-02
Publication date: 2010-10-07
Anticipated expiration: 2020-07-03
Also published as: US9429587B2; US20120001623A1; DE102011106158B4; DE102011106158A1

Abstract

Sensor, insbesondere Magnetfeld-empfindlicher Sensor (1) oder MEM-Sensor, insbesondere Winkelsensor oder Neigungssensor/Drehratensensor, mit
– einem topfförmigen Gehäuse (2),
– einem das Gehäuse (2) verschließenden Deckel (3),
– einem Magnetfeld-empfindlichen Sensorelement (4) im inneren des Gehäuses (2),
dadurch gekennzeichnet, dass
der Deckel (3) mit dem Gehäuse (2) mittels Laserlicht verschweißt ist.

Description

I. Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft Sensoren.
II. Technischer Hintergrund
Sensoren, vor allem Winkelsensoren, ermitteln die Ist-Lage eines zu überwachenden Bauteils, beispielsweise die Winkellage, und geben dies in Form eines elektrischen Signals zur Weiterverarbeitung ab.
Bei Magnetfeld-empfindlichen Sensoren besteht das Sensorelement in der Regel aus einem integrierten elektronischen Schaltkreis in Form eines Chips, der die Polrichtung eines Magnetfeldes messen kann, in dessen Einflussbereich es sich befindet.
Dementsprechend wird das Sensorelement in einem dichten Gehäuse untergebracht, aus dem lediglich das Kabel zum herausführen der Signale des Sensors herausführt, während sich ein Magnet als Geberelement auf dem zu delegierenden Bauteil, beispielsweise einer drehenden Welle, außerhalb dieses Gehäuses dem Sensorelement gegenüberliegend befindet.
Da derartige Anwendungen häufig unter rauen Umgebungsbedingungen wie hohem Druck, hoher Temperatur, aggressiven Chemikalien und ähnlichem eingesetzt werden, hängt die Lebensdauer des Sensors in der Regel nicht von der Lebensdauer des eigentlichen Sensorelements ab, sondern davon, wie lange das das Sensorelement umgebende Gehäuse dicht bleibt. Sobald das Gehäuse undicht wird, dringt Feuchtigkeit zum Sensorelement vor und bewirkt Fehlmessungen, Kurzschlüsse oder eine Zerstörung des Sensorelements oder seiner Anschlüsse.
Aus diesem Grund wurde in der Vergangenheit auf unterschiedliche Art und Weise versucht, dass das Sensorelement umgebende Gehäuse über möglichst lange Zeit dicht zu halten. Dabei wurden übliche Dichtungsmaßnahmen wie etwa das Verschrauben zweier Gehäuseteile gegeneinander mittels einer zwischengelegten Dichtung, beispielsweise einem O-Ring, ebenso versucht wie das unlösbare Abdichten eines Gehäuses, indem zwei Gehäuseteile, beispielsweise Gehäuse und Deckel, miteinander verklebt wurden.
Jedoch können sich auch Verklebungen wieder lösen, je nach vorliegender Temperatur und chemischen Eigenschaften der umgebenden Medien.
Abgesehen davon hat man natürlich auch versucht, die Anzahl der abzudichtenden Kontaktstellen des Gehäuses möglichst gering zu halten.
Weitere Maßnahmen waren das Vergießen des Sensorelements mit aushärtender Vergussmasse, in einfachen Fällen anstelle eines umgebenden stabilen Gehäuses, in der Regel jedoch zusätzlich zu einem stabilen Gehäuse das Vergießen in dessen Inneren.
III. Darstellung der Erfindung
a) Technische Aufgabe
Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, ein Gehäuse für einen Magnetfeld-empfindlichen Sensor zu schaffen, welches optimal und auf lange Zeit sicher abgedichtet ist.
b) Lösung der Aufgabe
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Durch das Verschweißen des Deckels am Gehäuse mittels Laser ist der Temperatureintrag in das Gehäuse so gering, dass das zwingend vorher darin untergebrachte Sensorelement hierdurch nicht geschädigt wird und ebenso wenig die Platine, auf der das Sensorelement, in aller Regel ein Chip, sitzt und Gehäuse sowie Deckel keinen temperaturbedingten Verzug unterliegen.
Um das Verschweißen möglichst gut automatisieren zu können und vor allem eine gleichmäßige Geschwindigkeit des Lasers entlang der Schweißfuge gewährleisten zu können, was punktuelle Temperaturspitzen vermeidet, ist das topfförmige Gehäuse vorzugsweise rotationssymmetrisch ausgebildet und der Deckel eine kreisrunde Scheibe und der Schweißvorgang wird CNC-gesteuert mit möglichst gleichmäßiger Geschwindigkeit durchgeführt.
Beide Teile bestehen vorzugsweise aus Metall, insbesondere dem gleichen Metall, vorzugsweise einem nicht magnetisierbaren Metall, damit das Magnetfeld eines außerhalb des Gehäuses positionierten Gebermagneten den Deckel problemlos zum im Gehäuse untergebrachten Sensorelement durchdringen kann. Zu diesem Zweck und um das Gehäuse stabil zu gestalten ist der Deckel auch wesentlich dünner als die Wandstärke des umgebenden topfförmigen Gehäuses, und zwar insbesondere höchstens 1/10, besser höchstens 1/20 der maximalen Wandstärke des topfförmigen Gehäuses, in Absolutwerten höchstens 1,5 mm, besser höchstens 1,0 mm, besser 0,5 mm.
Zur exakten Durchführung des Verschweißens liegt der Deckel vor dem Verschweißen zur Positionierung in einer Schulter im Innenumfang des topfförmigen Gehäuses auf, insbesondere auf einer umlaufenden Schulter. Diese Schulter ragt mindestens um das Maß der einfachen, besser der doppelten, noch besser der dreifachen Dicke des Deckels von der Wandung des topfförmigen Gehäuses radial nach innen.
Das Sensorelement 4 ist im Inneren des topfförmigen Gehäuses möglichst nahe, aber nicht kontaktierend an dem zu verschweißenden Deckel positioniert, in Axialrichtung 10 des topfförmigen Gehäuses maximal 5 mm von dem Deckel entfernt.
Somit ist das Gehäuse nach dem Verschweißen des Deckels dicht, bis auf den Kabelauslass als einzige weitere Öffnung, der zum Herausführen der Signale benötigt wird, falls es keine drahtlose Verbindung aus dem Inneren des Gehäuses nach außen gibt. Dieser Kabelauslass kann jedoch sorgfältig abgedichtet oder eingeklebt und reduziert die Wahrscheinlicheit von Undichtigkeiten gegenüber einer größeren Anzahl von abzudichtenden Stellen.
Um weiterhin sicherzustellen, dass die Hitzeeinwirkung dem Sensorelement nicht schadet, liegt die Platine, auf der sich das Sensorelement befindet, nicht direkt auf einer Schulter im Innenumfang des Gehäuses auf, sondern auf einer Schulter eines Zwischentopfes, der seinerseits formschlüssig auf einer Schulter im Innenumfang des Gehäuses aufliegt.
Dieser Zwischentopf kann aus Metall bestehen oder auch aus einem gut temperaturbeständigen Kunststoff, was noch besser die Temperaturweiterleitung von der Schweißstelle an das Sensorelement minimiert.
Um eine drehfeste Lage des Sensorelements, welches in der Regel als Chip auf einer Platine drehfest fixiert ist, sicherzustellen, liegt die Platine formschlüssig drehfest in dem Zwischentopf und dieser wiederum formschlüssig oder kraftschlüssig drehfest im Gehäuse.
An seinem Außenumfang besitzt das Gehäuse in der äußeren Mantelfläche umlaufend wenigstens eine Nut oder Schulter, die zum Befestigen des Ge häuses an einem umgebenden Bauteil mittels Spannpratzen benutzt werden können.
Für eine einfache und dennoch präzise Herstellung wird bevorzugt das Gehäuse als Drehteil, der Deckel jedoch als Stanzteil hergestellt.
c) Ausführungsbeispiele
Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im Folgenden beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
1: einen Sensor mit Außennuten, und
2: einen Sensor mit Befestigungsbohrungen.
Die 1 und 2 zeigen – jeweils in Explosionsdarstellung, in der Aufsicht und im Längsschnitt – zwei verschiedene Bauformen des Sensors 1, 1', die sich jedoch nur in ihrer Art der Befestigung an einem umgebenden Bauteil und dementsprechend in der Form und den Abmessungen ihres topfförmigen Gehäuses 2, 2' unterscheiden, während die Anordnung im inneren Freiraum dieses topfförmigen Gehäuses 2, 2' die gleiche ist wie folgt:
Der Freiraum im Inneren des topfförmigen Gehäuses 2, 2' ist ein zu einer Seite hin offenes Sackloch, welches in Axialrichtung 10 zwei beabstandete ringförmig umlaufende Schultern 6, 6' aufweist zusätzlich zum Boden des Sackloches.
Das gesamte topfförmige Gehäuse 2, also einschließlich der Schultern 6, 6' ist rotationssymmetrisch. Der Kabelauslass 7, der radial an einer Stelle des Umfanges aus diesem rotationssymmetrischen Gehäuse 2 abragt, ist nachträglich eingesetzt, also eingeklebt oder eingeschraubt, und nicht einstückiger Bestandteil des Gehäuses 2, 2'. Die oberste, also der stirnseitigen Öffnung des Gehäuses 2, 2' nächstliegende, Schulter 6 ist um die Dicke 5 des Deckels 3 von der offenen Stirnseite zurückversetzt. Diese Dicke 5 des Deckels 3 ist sehr viel geringer als die maximale Wandstärke des Gehäuses 2, 2', in der Regel unter 1,5 mm, meist sogar unter 1,0 mm oder gar unter 0,5 mm.
Die demgegenüber tiefer liegende Schulter 6' dient zum Aufsetzen eines Zwischentopfes 11, der mit seinem Boden den Boden im Sackloch des Gehäuses 2, 2' zugewandt ist und dessen Umfangswand dann bis annähernd unter den in die Schulter 6 eingelegten Deckel 3 ragt.
Der Zwischentopf 11 besteht meist aus einem Kunststoff, vorzugsweise einem schlecht wärmeleitenden Kunststoff, und wird vorzugsweise in das Gehäuse 2, 2' eingeklebt.
Der Zwischentopf 11 weist in seinem Innenumfang vom freien Ende zurückversetzt eine weitere Schulter 6'' auf, die dem Auflegen der Platine 9 dient, in deren Mitte und der freien, offenen Seite zugewandt sich das chipförmige Sensorelement 4 befindet.
Während der Zwischentopf 11 auf der Außenseite rotationssymmetrisch ist wie das Gehäuse, ist der Innenumfang im Bereich der Schulter 6'' nicht rotationssymmetrisch, so dass eine kreisscheibenförmige Platine 9 mit einer Abflachung 12 an mindestens einer Stelle des Umfanges – in der Aufsicht betrachtet – formschlüssig und drehfest in den Zwischentopf 11 eingelegt wer den kann und dadurch eine definierte Drehlage des Sensorelementes 4 gegenüber dem Gehäuse 2, 2' erreicht wird.
Nachdem die Teile wie dargelegt und in den 1c bzw. 2c ersichtlich zusammengesetzt sind, erfolgt das Verschweißen des Deckels 3 gegenüber dem Gehäuse 2, 2' entlang der ringförmigen umlaufenden Fuge von der Stirnseite her.
Die Gehäuse 2, 2' unterscheiden sich dadurch, dass in 1 das Gehäuse 2 eine Wandstärke besitzt, die gerade ausreicht, um die Stabilität des Gehäuses 2 sicherzustellen, und eine ausreichende Wärmeabfuhr beim Verschweißen zwischen Deckel 3 und Gehäuse 2 sicherzustellen und darüber hinaus für das Anordnen von ringförmig umlaufenden Nuten 8 in der äußeren Mantelfläche des Gehäuses 2 ausreicht, mit denen das Gehäuse 2 später an einem umgebenden Bauteil mittels Spannpratzen befestigt werden kann.
Demgegenüber ist die Wandstärke des Gehäuses in 2 wesentlich größer, nämlich so groß, dass in dem über den Deckel 3 radial hinaus vorstehenden Rand des Gehäuses 2' über den Umfang verteilt vier Befestigungsbohrungen 13 eingebracht werden können, die in Längsrichtung 10 durchgehende Öffnungen sind mit einer Schulter auf jeweils der gleichen axialen Position, und zum Hindurchstecken von Befestigungsschrauben und Verschrauben an einem anderen Bauteil dienen.

1, 1': Sensor
2, 2': Gehäuse
3: Deckel
4: Sensorelement
5: Dicke (Deckel)
6, 6', 6'': Schulter
7: Kabelauslass
8: Nut
9: Platine
10: Axialrichtung
11: Zwischentopf
12: Abflachung
13: Befestigungsbohrung

Claims

Sensor, insbesondere Magnetfeld-empfindlicher Sensor (1) oder MEM-Sensor, insbesondere Winkelsensor oder Neigungssensor/Drehratensensor, mit – einem topfförmigen Gehäuse (2), – einem das Gehäuse (2) verschließenden Deckel (3), – einem Magnetfeld-empfindlichen Sensorelement (4) im inneren des Gehäuses (2), dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (3) mit dem Gehäuse (2) mittels Laserlicht verschweißt ist.
Sensor, insbesondere Winkelsensor, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das topfförmige Gehäuse (2) rotationssymmetrisch ausgebildet ist und der Deckel (3) eine kreisrunde Scheibe ist.
Sensor, insbesondere Winkelsensor, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (3) eine Dicke (5) besitzt, die höchstens 1/10, besser höchstens 1/20, der maximalen Wandstärke des topfförmigen Gehäuses (2) beträgt.
Sensor, insbesondere Winkelsensor, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (3) eine Dicke (5) von maximal 1,5 mm, besser maximal 1,0 mm, besser maximal 0,5 mm aufweist.
Sensor, insbesondere Winkelsensor, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) und/oder der Deckel (3) aus Metall, insbesondere dem gleichen Metall, insbesondere einem nicht magnetisierbaren Metall, besteht.
Sensor, insbesondere Winkelsensor, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (3) in die Stirnseite des topfförmigen Gehäuses (2) und eine dort ausgebildete Schulter (6), insbesondere eine umlaufende Schulter (6), als Anlagefläche so eingelegt ist, dass der Deckel (3) und das Gehäuse (2) stirnseitig auf der Außenseite miteinander fluchten.
Sensor, insbesondere Winkelsensor, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (4) im topfförmigen Gehäuse (2) möglichst nahe am verschweißten Deckel (3) positioniert ist, insbesondere maximal 5 mm davon entfernt.
Sensor, insbesondere Winkelsensor, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) nach dem Aufschweißen des Deckels (3) als einzige Öffnung nach außen einen Kabelauslass (7) zum Abführen der vom Sensorelement (4) ermittelten Signale aufweist.
Sensor, insbesondere Winkelsensor, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2), insbesondere rotationssymmetrische Gehäuse (2), an seinen Außenumfangsflächen mindestens eine umlaufende Schulter und/oder Nut (8) aufweist zum Befestigen des Gehäuses (2) mittels Spannpratzen an einem umgebenen Bauteil.
Sensor, insbesondere Winkelsensor, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (6) zum Auflegen des Deckels (3) vom Außenrand des Deckels (3) radial nach innen ragt mindestens um ein Maß entsprechend der einfachen, besser doppelten, besser dreifachen Dicke (5) des Deckels (3).
Sensor, insbesondere Winkelsensor, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (3) ein Stanzteil ist.
Sensor, insbesondere Winkelsensor, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) ein Drehteil ist.