DE69637503T2

DE69637503T2 - Eingekapselte wandler mit hülse und komponentenausrichtung

Info

Publication number: DE69637503T2
Application number: DE69637503T
Authority: DE
Inventors: Dave Minden VAN DEN BERG
Original assignee: BN CORP; BN Corp LLC
Current assignee: BN CORP; Bently Nevada Inc
Priority date: 1995-10-13
Filing date: 1996-10-10
Publication date: 2009-06-25
Anticipated expiration: 2016-10-11
Also published as: EP0882215A4; AU7440896A; DK0882215T3; DE69637503D1; JP3727350B2; US6131270A; EP0882215B1; EP0882215A1; ATE392604T1; JP2000500564A; US5818224A; WO1997014022A1

Description

Verfahren zur Herstellung
Technisches Sachgebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen gekapselten Wandler mit einer integral ausgebildeten Hülse und einem Komponentenausrichtungs-Formkörper und insbesondere auf einen gekapselten Wandler, der deutlich unempfindlich gegenüber unerwünschten mechanischen, physikalischen oder chemischen Umgebungseinwirkungen ist, und auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Wandlers, der zur Überwachung von Vibrationen rotierender Maschinen, zur Temperaturmessung und für die Überwachung und Erfassung von anderen physikalischen Phänomen genutzt wird.
Stand der Technik
Die Überwachung und die Diagnose des Zustandes von rotierenden und sich hin- und her bewegenden Maschinen beginnen mit genauen und zuverlässigen Messungen mittels eines Sensors und der dazugehörigen Elektronik und führen dann weiter zu anderen hochentwickelten Analysegeräten für die Datenreduktion und deren Darstellung. Ein solcher Wandler ist ein Näherungssensor, der unter anderem dazu genutzt werden kann, um die Vibrationsmerkmale der rotierenden Welle einer Maschine zu überwachen. In diesem Umfeld müssen die Wandler unter sehr ungünstigen physikalischen, chemischen und mechanischen Bedingungen arbeiten, und es ist oft sehr schwierig, solche Wandler zu ersetzen. So gibt es kontinuierliche Bestrebungen, die Näherungssensoren zu einem der zuverlässigsten Teile des Monitoring-Systems zu machen.
Typischerweise sendet der Näherungssensor in Verbindung mit der zugehörigen Elektronik ein Signal aus, das mit dem Abstand zwischen einem Objekt oder "target" (die rotierende Welle der Maschine) und einer Sensorspule des Näherungssensors korreliert ist. Es ist für die genaue und zuverlässige Messung von entscheidender Bedeutung, daß die Länge oder der Abstand zwischen dem Objekt und der Sensorspule des Näherungssensors im Betrieb innerhalb des linearen Bereichs des Sensors verbleibt. So ist es entscheidend für genaue und zuverlässige Messungen, daß ein Wandler bereitgestellt wird, der unempfindlich gegen die Einwirkungen der Umgebung ist und der nicht einen übermäßigen Anteil des linearen Bereichs des Wandlers verbraucht.

Die nachfolgenden vorveröffentlichten Dokumente spiegeln den Stand der Technik wider, dessen sich die Anmelderin bewußt ist und der hiermit zur Entlastung der Anmelderin aufgeführt wird, um der Verpflichtung zur Offenlegung des relevanten Standes der Technik nachzukommen. Es bleibt festzustellen, daß keines dieser Dokumente, weder einzeln noch in jeder beliebigen Kombination, die Lehre der vorliegenden Erfindung vermitteln oder diese deutlich nahelegen kann, wie sie in größerem Detail im Folgenden beschrieben wird und wie sie insbesondere beanpsrucht wird.

U. S. PATENT-DOKUMENTE
DOkUMENT-Nr.	DATUM	NAME
2,361,348	24. Oktober 1944	Dickson et al.
2,890,505	16. Juni 1959	Brand
3,932,828	13. Januar 1976	Plunkett et al.
4,000,877	4. Januar 1977	Shead et al.
4,162,138	24. Juli 1979	Byrne
4,377,548	22. März 1983	Pierpont
4,408,159	4. Oktober 1983	Prox
4,419,646	6. Dezember 1983	Hermle
4,470,786	11. September 1984	Sano et al.
4,680,543	14. Juli 1987	Kohen
4,829,245	9. Mai 1989	Echasseriau et al.
4,954,307	4. September 1990	Yokoyama
4,959,000	25. September 1990	Giza
5,016,343	21. Mai 1991	Schutts
5,018,049	21. Mai 1991	Mehnert
5,021,737	4. Juni 1991	Schutts
5,039,942	13. August 1991	Buchschmid, et al.
5,049,055	17. September 1991	Yokoyama
5,122,046	16. Juni 1992	Lavallee et al.
5,133,921	28. Juli 1992	Yokoyama
5,138,292	11. August 1992	Forster
5,147,657	15. September 1992	Giza
5,151,277	29. September 1992	Bernardon et al.
5,182,032	26. January 1993	Dickie et al.
5,226,221	13. Juli 1993	Kilgore
5,240,397	31. August 1993	Fay et al.
5,252,051	12. Oktober 1993	Miyamoto et al.
5,351,388	4. Oktober 1994	Van Den Berg, et al.
5,376,325	27. Dezember 1994	Ormson

AUSLÄNDISCHE PATENT-DOKUMENTE
DOKUMENT-Nr.	DATUM	NAME
UK 1 313 748 .	18. April 1973	Großbritannien
UK 1 353 603	22. Mai 1974	Großbritannien
JA-139710	6. August 1978	Japan
WO 84/03794	27. September 1984	PCT
FR 2576-245-A	25. Juli 1986	Frankreich
JA 6-37130-A	2. Oktober 1994	Japan

Die beiden Patente von Schutts und das Patent von Van Den Berg et al. spiegeln das derzeitige Bemühen der Patentinhaber wieder, einen präzisen Sensor bereitzustellen, der unempfindlich gegen Umwelteinflüsse ist.
Das französische Patent von Jaeger lehrt die Verwendung eines Verfahren und einer Vorrichtung für das Spritzgießen eines länglichen Detektors mit einem Sensor am einem Ende. Ein Ende des Detektors wird durch die Form gestützt, während das Sensor-Ende mit einer Zentrierhülse (130) in Eingriff steht. Die Zentrierhülse (130) endet in einem Kolben (132), der beweglich in einem Zylinder (126) angeordnet ist und der entlang einer festen Stange (138) gleitet. Ein Thermo-Kunststoff wird in die Form gespritzt und die Zentrierhülse wird von dem Sensor entfernt, wenn der Einspritzvorgang erst teilweise abgeschlossen ist.
Das japanische Patent von Kawakami lehrt die Anwendung der Versiegelung eines Halbleiter-Chips mittels Spritzgießen. Ein Halbleiter-Chip (4) wird an einem Träger (1) befestigt und wird über mobile Stifte (17) und (18) in einer festen Position gehaltert. Die mobilen Stifte (17) und (18) sind beweglich an einem oberen Antrieb (11) und einem unteren Antrieb (12) befestigt, vermittels derer die Stifte frei in die Hohlräume (15) und (16) zurückziehbar und aus diesen ausfahrbar sind. Während die Stifte (17) und (18) in Kontakt mit dem Träger (1) stehen, wird Harz (20) über Öffnungen (13) und (14) in die Hohlräume (15) und (16) gespritzt und die Stifte (17) und (18) werden in Übereinstimmung mit dem Stand der Injektion des Harzes (20) schrittweise zurückgezogen.
Das Patent von Yokoyama lehrt die Verwendung einer Apparatur für die Herstellung von in Kunststoff gekapselten elektronischen Halbleiter-Bauelementen. Ein Unterstützungslager (11) ist sowohl über erste und zweite Gleitelemente (24A) und (24B) als auch über Form-Hälften (19) und (20) fest gehaltert. Das erste und das zweite Gleitelement (24A) und (24B) werden aus einem Hohlraum (25) gezogen, wenn der Hohlraum halb mit dem Material für die Kunststoff-Kapselung gefüllt ist. Bereiche, die nach der Bewegung der Gleitelemente entstehen, werden mit dem Material für die Kunststoff-Kapselung gefüllt, das direkt durch eine Öffnung (23) gegossen wird. Es sollte darauf hingewiesen werden, daß die Gleitelemente (24A), (24B) in dem Hohlraum (25) zwei Funktionen haben. Die erste Aufgabe ist es, ein dünnes Endteil des Unterstützungslagers (11) fest zu erfassen und dadurch dasselbe in seiner Position zu fixieren, und die zweite Funktion ist es, die Passage durch die Öffnung (23) zu verengen.
Das Patent von Pierpont lehrt die Verwendung eines Verfahrens für die Verkapselung eines elektrischen Bauteils mit radialen Leitungen. Eine große Form mit mehreren Hohlräumen ist mit einer Vielzahl von horizontalen Kondensatoren mit radialen Anschlüssen gefüllt. Die geschlossene Form fixiert die Anschlüsse (15). Ein Deckel-Stift (25) schiebt den Körper jeder Komponente um ein vorgegebenes Maß nach unten, so daß sich jeder Körper in etwa in der gleichen Position innerhalb des entsprechenden Werkzeuginneren befindet. Ein Boden-Stift (28) schiebt dann den Körper jeder Komponente nur geringfügig über das Zentrum des Werkzeuginneren nach oben, so daß nach dem Rückzug des Stiftes Spannungen innerhalb der Anschlußdrähte der elektrischen Komponente dazu führen, daß die Körper der Komponenten in den zentralen Bereich des Werkzeuginneren zurückspringen. Dann wird Spritzgußharz injiziert.
Der übrige oben aufgeführte, aber nicht konkret diskutierte Stand der Technik beschreibt andere Sensor-Geräte und Spritzgußverfahren und katalogisiert weiterhin den Stand der Technik, der der Anmelderin bekannt ist. Diese Dokumente unterscheiden sich noch stärker von den oben gesondert diskutierten Dokumenten.
Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich vom bekannten Stand der Technik auf vielfältige Weise. Auf der einen Seite stellt die vorliegende Erfindung einen Wandler bereit mit einer nahtlosen Schutzschicht-Verkapselung, die an einem Ende ein Sensorelement umschließt und aus deren anderem Ende sich ein Kabel erstreckt. Darüber hinaus ist das Sensorelement symmetrisch zu einer Längsachse des Wandlers angeordnet und die nahtlose Kapselung umfaßt eine integral angeformte schützende Wand mit einer einheitlichen Dicke entlang eines vordersten Teiles des Sensorelementes.
Vorzugsweise weist das Sensorelement die Form einer Sensorspule mit einer zentralen Öffnung, einer Vorderseite, einer Rückseite und zumindest einer ersten und einer zweiten Leitung auf, die sich von der Sensorspule und im Abstand voneinander erstrecken. Das Kabel ist vorzugsweise ein Dreileiterkabel, das aus einem äußeren schützenden Mantel besteht, der ein Inneres des Kabels umgibt, das aus drei konzentrisch angeordneten Leitern besteht, die durch wenigstens zwei konzentrisch angeordnete Isolatoren voneinander getrennt sind. Insbesondere umgibt der äußere schützende Mantel die konzentrisch angeordneten Triaxial-, Koaxial- und den Mittelleiter, die wiederum jeweils durch einen Isolator voneinander getrennt sind und wobei ein Dielektrikum zwischen dem Triaxial- und dem Koaxialleiter beziehungsweise dem Koaxial- und dem Mittelleiter angeordnet ist. Wenigstens ein Ende des Kabels ist stufenweise derart abisoliert, daß jeweils eine Länge des Mittelleiters, des Dielektrikums, des Koaxialleiters, des Isolators und des Triaxialleiters freigelegt ist.
Darüber hinaus umfaßt der gekapselte Wandler eine vordere Hülse mit einer Bohrung mit einem Innendurchmesser, der im wesentlichen gleich dem Außendurchmesser des Mittelleiters ist, und eine rückwärtige Hülse mit einer Bohrung mit einem Innendurchmesser, der im wesentlichen gleich dem Außendurchmesser des Koaxialleiters ist.
Ein Komponentenausrichtungs-Formkörper wird in einem einzigen Schritt geformt. Der Komponentenausrichtungs-Formkörper umfaßt eine ringförmige Aussparung mit einer zentralen Stange, die axial mit der vorderen und hinteren Hülse ausgerichtet ist, die mit dem Formkörper verbunden sind und die linear voneinander entlang einer Längsachse des Formkörpers beabstandet sind.
Sobald der Formkörper einmal gefüllt ist, wird die Sensorspule über der zentralen Stange sowie in der ringförmigen Aussparung plaziert. Die Sensorspule wird dann mit den Hülsen elektrisch verbunden. Dies wird erreicht, indem mittels Widerstandsschweißen die erste Leitung der Sensorspule mit der vorderen Hülse und die zweite Leitung der Sensorspule mit der hinteren Hülse verbunden wird.
Dann wird das abisolierte Ende des Kabels in die Bohrungen der miteinander verbundenen vorderen und hinteren Hülse eingeführt. Der zentrale Leiter wird mechanisch und elektrisch mit der vorderen Hülse verbunden und der koaxiale Leiter wird mechanisch und elektrisch mit der hinteren Hülse verbunden, so daß eine Anordnung aus Sensorspule und Kabel entsteht. Eine schützende Hülse wird über die Sensorspule geformt und mit dem Formkörper verbunden, so daß eine Anordnung aus gekapselter Sensorspule und Kabel entsteht. Die angeformte schützende Hülse erstreckt sich nicht über die Vorderseite der Spule.
Sobald der Prozeß der Fertigung der gekapselten Anordnung aus Sensorspule und Kabel beendet ist, kann die Anordnung aus gekapselter Sensorspule und Kabel mittels eines Spritzgußverfahrens gekapselt werden. Die Spritzform besteht aus einer obere Formplatte mit einem oberen Hohlraum und einer unteren Formplatte mit einem unteren Hohlraum. Die oberen und unteren Hohlräume bilden, wenn sie sich in der geschlossenen Position befinden, eine Kavität, die komplementär ist zu der gewünschten Form der Anordnung aus Sensorspule und Kabel. Die Spritzform besteht aus einer oberen Wand, einer unteren Wand, einer vorderen Wand und einer hinteren Wand, die eine Öffnung aufweist, die sich durch diese hindurch erstreckt. Vorzugsweise sind die oberen Formplatte und die untere Formplatte jeweils mit wenigstens einem gleitend verschieblichen Unterstützungsstift versehen, der sich in den jeweiligen oberen oder unteren Hohlraum der Form erstreckt und der, wenn er zurückgezogen ist, bündig mit der jeweiligen oberen oder unteren Wand des Werkzeughohlraums abschließt. Darüber hinaus ist ein gleitend verschieblicher Positionierungsstift in der Nähe der der Stirnseite des Werkzeughohlraums vorgesehen, der sich im geöffneten Zustand der Form in den unteren Hohlraum der Form hinein und aus diesem heraus erstreckt.
Die Anordnung aus gekapselter Spule und Kabel ist im unteren Hohlraum der unteren Formplatte derart angeordnet, daß sich das Kabel der Anordnung aus gekapselter Spule und Kabel aus der Öffnung der hinteren Wand des Werkzeughohlraumes heraus erstreckt. Wenigstens ein gleitend verschieblicher Unterstützungsstift erstreckt sich in den unteren Hohlraum der unteren Formplatte und befindet sich in Eingriff mit einen Teil der darin befindlichen Anordnung aus gekapselter Spule und Kabel. Dies unterstützt und zentriert die Anordnung aus gekapselter Spule und Kabel in dem Hohlraum. Darüber hinaus erstreckt sich der gleitend verschiebliche Positionierungsstift derart in den Hohlraum, daß er die Sensorspule in dem Hohlraum richtig positioniert und hilft, sie in einem vorgegebenen Abstand von der Stirnseite des Werkzeughohlraums zu haltern. Sobald der verschiebliche Positionierungsstift und wenigstens ein gleitend verschieblicher Unterstützungsstift die Spule zentriert habent und in einem vorgegebenen Abstand von der Stirnseite des Werkzeughohlraums haltern, wird der Positionierungsstift zurückgezogen und die Spritzform wird geschlossen. Wenigstens ein gleitend verschieblicher Unterstützungsstift in der oberen Formplatte erstreckt sich in den oberen Hohlraum und gelangt in Eingriff mit einem Teil der Anordnung aus gekapselter Spule und Kabel, wenn die Spritzform geschlossen wird. Dies bietet zusätzliche Mittel für die Unterstützung und Zentrierung der Anordnung innerhalb des Hohlraumes, so daß die Anordnung vollständig von einem Hohlraum umschlossen ist (außer natürlich dort, wo die Stifte die Anordnung berühren). Es sei darauf hingewiesen, daß der Standort und die Anzahl der gleitend verschieblichen Unterstützungsstifte so konfiguriert werden kann, daß eine bestmögliche Unterstützung der zu kapselnden Anordnung im Hohlraum sichergestellt wird.
Sobald sich die Form ist in der geschlossenen Position befindet, wird ein selbstaushärtendes formbares Material über Kanäle und Einlässe in den Hohlraum injiziert. Dieser Prozeß wird fortgesetzt, bis der Hohlraum vollständig gefüllt ist und die Anordnung aus Spule und Kabel vollständig innerhalb des formbaren Materials eingeschlossen ist. Die verschieblichen Unterstützungsstifte werden dann zurückgezogen, so daß sie bündig mit der jeweiligen oberen und unteren Wand des Hohlraums liegen, bevor das formbare Material aushärtet. Es sei darauf hingewiesen, daß eine zusätzliche Menge an formbarem Material in die Form injiziert werden kann, nachdem die Unterstützungsstifte zurückgezogen wurden, um so das zusätzliche Material bereitzustellen, das benötigt wird, um die von den zuvor zurückgezogenen Unterstützungsstiften zurückgelassenen Hohlräume vollständig zu füllen. Sobald der Prozeß der Injektion des formbaren Materials in den Hohlraum abgeschlossen ist und die Unterstützungsstifte zurückgezogen wurden, kann die Form geöffnet werden und der gekapselte Wandler kann in der unteren Formplatte abkühlen. Sobald der gekapselte Wandler abgekühlt ist, können ein oder mehrere im Boden angeordnete Unterstützungsstifte betätigt werden, um den gekapselten Wandler heraus zu befördern. Vorzugsweise besteht das formbare Material aus Polyphenylen-Sulfid (PPS), das die Eigenschaft hat, selbstaushärtend zu sein.
Industrielle Anwendbarkeit
Die gewerbliche Anwendbarkeit der Erfindung soll durch die Diskussion der folgenden Aufgaben der Erfindung gezeigt werden.
Es ist eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Wandler und ein Verfahren zur Herstellung solcher Wandler bereitzustellen.
Eine vorrangige Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, verbesserte Wandler mit einer gekapselten, integral ausgebildeten Hülse und einem Komponentenausrichtungs-Formkörper und ein Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen gekapselten Wandler wie oben beschrieben bereitzustellen, der an einem Ende eine mittels Spritzformgießen hergestellte nahtlose Kapselung aufweist, die eine Sensorspule umgibt, und aus dessen anderem Ende sich ein Kabel erstreckt, wobei ein Ende des Kabels elektrisch mit der Sensorspule innerhalb der Verkapselung verbunden ist, und dessen anderes Ende mit einer elektrischen Prozessoreinheit verbunden ist, die distal von der besagten Kapselung angeordnet ist.
Eine andere weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen gekapselten Sensor wie oben beschrieben bereitzustellen, bei dem die Kapselung die Sensorspule und ein Ende des Kabels als eine nahtlose Abdichtung umgibt, um so eine undurchdringliche Abdichtung zu bilden, die unempfindlich gegenüber jeder mechanischen, physikalischen oder chemischen Einwirkung des umgebenden Mediums ist.
Eine andere weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen gekapselten Sensor wie oben beschrieben bereitzustellen, bei dem die Anordnung aus gekapselter Spule und Kabel in der Verkapselung zentriert ist und wobei ein Abstand zwischen der Vorderseite der Sensorspule und einer Vorderseite der Kapselung in einer sehr engen Toleranz eingehalten wird, der in einer Massenproduktion von einem Sensor zum nächsten reproduzierbar ist.
Eine andere weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen gekapselten Wandler wie oben beschrieben bereitzustellen, der vergleichsweise preisgünstiger in der Herstellung als bisherige Wandler für den Einsatz in der Überwachung und der Diagnose des Status von rotierenden und sich hin- und herbewegenden Maschinen ist und der sich auch zur raschen Serienproduktion eignet.
Eine andere weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorform bereitzustellen, die die Sensorspule mit der vorderen und hinteren Hülse und den jeweiligen Leitern des Kabels im wesentlichen axial ausrichtet.
Eine andere weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine integral ausgebildete schützende Hülse bereitzustellen, die mit der Vorform in Eingriff bringbar ist und die die Spule und die zugeordneten Leitungen umgibt, wodurch eine Anordnung aus gekapselter Spule und Kabel gebildet wird.
Eine andere weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen gekapselten Sensor wie oben beschrieben bereitzustellen, bei dem die Verkapselung unlösbar mit der Anordnung aus gekapselter Spule und Kabel verbunden ist und so eine hermetische Abdichtung und einen Widerstand gegen axiale Kräfte gewährleistet, die auf die Verkapselung oder das Kabel einwirken und die dazu führen könnten, daß die elektrischen Anschlüsse teilweise oder vollständig brechen, was zu einem nicht funktionierenden oder unzuverlässigen Wandler führen würde, bereitzustellen.
Eine andere weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen gekapselten Sensor wie oben beschrieben bereitzustellen, der in einer Massenproduktion mit reproduzierbaren operativen Merkmalen und ohne nennenswertes Veränderungen der im Betrieb abgegebenen Signale hergestellt werden kann.
Eine andere weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen vorgegebenen linearen Bereich der Eigenschaften für die einzelnen hergestellten Wandler einzuhalten.
Eine andere weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen gleitend verschieblichen Positionierstift bereitzustellen, der die Spule in dem Hohlraum der Form zentriert und der die Vorderseite der Spule von der Stirnseite des Werkzeughohlraums vor dem Spritzgießen in geeignetem Abstand hält.
Eine andere weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anzahl von gleitend verschieblichen Unterstützungsstiften für die Unterstützung und das Zentrieren der Anordnung aus gekapselter Spule und Kabel beim Spritzgießen und für die strikte Einhaltung des Abstandes der Vorderseite der Spule von der Stirnseite des Werkzeughohlraums bereitzustellen.
Von einem ersten Gesichtspunkt aus betrachtet ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sensor für die Übertragung von Informationen und ein Gehäuse bereitzustellen, bestehend aus: einem Sensorelement, einem Kabel, das mit dem Sensorelement verbunden ist, und einem Monolith aus einem ausgehärteten formbaren Material, das sowohl das Sensorelement als auch einen Teil des Kabels umschließt, um eine nahtlose Masse zu bilden, die das Sensorelement bis zum Kabel umgibt.
Von einem zweiten Gesichtspunkt aus betrachtet ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen gekapselten Wandler für den Einsatz in der Überwachung des Zustandes von rotierenden Maschinen in einer rauhen Umgebung bereitzustellen mit einem Komponentenausrichtungs-Formkörper mit einem vorderen Ende mit einem aktiven Element und einem hinteren Ende mit einem Medium zur Übermittlung von Informationen, die von diesem ausgehen, bestehend aus: Dem Spritzgießen einer schützende Hülse über das besagte aktive Element und einen Teil des Komponentenausrichtungs-Formkörpers; dem integralen Anformen von Positionierungselementen in unmittelbarer Nähe des aktiven Elementes; der Positionierung des aktiven Elementes in einem Hohlraum mit Hilfe der damit gekoppelten Positionierungselemente, der Gewährleistung der richtigen Ausrichtung in dem Hohlraum; dem integralen Anformen von Unterstützungselementen in unmittelbarer Nähe des Komponentenausrichtungs-Formkörpers; die weitere Unterstützung und Positionierung des aktiven Elementes und des Komponentenausrichtungs-Formkörpers in dem Hohlraum mit Hilfe der Unterstützungselemente und das Entfernen der Positionierungselemente; das Umhüllen des aktiven Elementes, der schützende Hülse, der Vorform und eines Teils des Informations-Übertragungs-Elementes mit Ausnahme eines Unterstützungsbereiches mit einem formbaren Material, das Entfernen der Unterstützungselemente; das Injizieren von formbarem Material in der Nähe der Unterstützungselemente, um auch die Bereiche zu füllen, in denen sich vorher die Unterstützungselemente befunden haben, wobei das besagte aktive Element sich exakt in einem formbaren Material befindet, um die rotierenden Maschinen exakt zu beaufschlagen.
Von einem dritten Gesichtspunkt aus betrachtet ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wandler für die Überwachung des Zustandes von rotierenden Maschinen bereitzustellen, wobei eine Welle der rotierenden Maschine dem Wandler zugewandt ist, der in Kombination umfaßt: Mittel für die Anordnung des Wandlers in einem Abstand von der Welle derart, daß eine Tangente der Welle senkrecht zu einer Längsachse des Wandlers liegt, wobei der Wandler eine Sensorspule aufweist, die sich nahe der Welle befindet, wobei ein vorderer Teil des Wandlers mit einer schützenden Wand einer einheitlichen Dicke entlang eines vordersten Bereiches der Sensorspule umgeben ist, wobei die Sensorspule symmetrisch zur Längsachse angeordnet ist, und eine schützende nahtlose Kapselung, die eine vollen Länge der Hülse umfaßt, die integral mit der schützenden vorderen Wand geformt ist, die die Sensorspule und einen vorderen Teil des Kabels umgibt, das operativ mit der Sensorspule verbunden ist, wobei sich das Kabel vom Sensor aus zu einer elektrischen Prozessoreinheit erstreckt.
Von einem vierten Gesichtspunkt aus betrachtet ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren für die Herstellung eines Wandlers bereitzustellen, bestehend aus den Schritten: Eine Sensorspule bereitstellen mit einer zentrischen Öffnung, einer Vorderseite, einer Rückseite und wenigstens einer ersten und einer zweiten Leitung, die sich von der Sensorspule aus erstrecken; ein Kabel mit wenigstens einem äußeren Leiter, der wenigstens einen Isolator mit wenigstens einem zentralen Leiter; das stufenweise Abisolieren eines Endes des Kabels derart, daß ein Teil des zentralen Leiters, der Isolierung und des äußeren Leiters freigelegt werden; das Formen eines Paares aus einer vorderen und einer hinteren Hülse, wobei die vordere Hülse mit einer Bohrung mit einem Durchmesser versehen ist, der im wesentlichen mit dem Durchmesser des zentralen Leiters übereinstimmt, und wobei die hintere Hülse mit einer Bohrung mit einem Durchmesser versehen ist, der im wesentlichen mit dem Durchmesser des äußeren Leiters übereinstimmt; das gemeinsame Eingießen der vorderen und der hinteren Hülse benachbart und in linearem Abstand voneinander mit einem selbstaushärtenden formbaren Material und in einem solchen Gießschritt das Einbringen einer ringförmigen Aussparung in der Nähe der vorderen Hülse und mit dieser linear ausgerichtet und einer zwischen der vorderen und der hinteren Hülse angeordneten und in offener Verbindung mit der vorderen und der hinteren Hülse stehenden Kammer, um auf diese Weise einen Komponentenausrichtungs-Formkörper zu bilden; das Einlegen der Spule in die ringförmigen Aussparung und das elektrische Verbinden des ersten Leiters mit der vorderen Hülse und des zweiten Leiters mit der hinteren Hülse; das Einlegen der abisolierten Kabelenden in die Bohrungen der miteinander vergossenen vorderen und hinteren Hülse und das mechanische und elektrische Verbinden des äußeren Leiters mit der hinteren Hülse und des zentralen Leiters mit der vorderen Hülse, um auf diese Weise eine Anordnung aus Sensorspule und Kabel herzustellen; das Spritzformgießen einer Hülse über die Sensorspule und einen Teil des besagten Komponentenausrichtungs-Formkörpers, um auf diese Weise eine Anordnung aus gekapselter Spule und Kabel herzustellen; das Stützen und Zentrieren der Anordnung aus gekapselter Spule und Kabel in einem Hohlraum mittels wenigstens einer gleitend verschieblichen Unterstützung; die Ausrichtung des Kabels derart, daß es sich aus dem Hohlraum heraus erstreckt; die Positionierung der Sensorspule in dem Hohlraum und das Beabstanden der Vorderseite der Sensorspule in einem Abstand von einer vorderen Wand des Werkzeughohlraumes mit wenigstens einem gleitend verschieblichen Positionierelement und wenigstens einer gleitend verschieblichen Unterstützung; das Zurückziehen des gleitend verschieblichen Positionierelementes aus dem Hohlraum; die Injektion des selbstaushärtenden Vergußmaterials in den Hohlraum der Form, um die Anordnung aus gekapselter Spule und Kabel exakt zu umschließen, sowie die Gewährleistung einer präzisen Dicke, die die Vorderfläche der Spule bedeckt; das Zurückziehen der gleitend verschieblichen Unterstützung von der Anordnung aus gekapselter Spule und Kabel, so daß das selbstaushärtende formbare Material in die Bereiche fließt, in denen sich zuvor die gleitend verschiebliche Unterstützung befand, das Aushärten des formbaren Materials und die Entnahme des so hergestellten Wandlers aus dem Hohlraum als integrierte Einheit mit einer nahtlosen Masse aus formbarem Material, das die Anordnung aus gekapselter Spule und Kabel umschließt.
Diese und andere Aufgaben werden ersichtlich bei Betrachtung der nachfolgenden detaillierte Beschreibung, wenn sie in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung in Betracht gezogen wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Schnitt durch einen gekapselten Wandler mit einer integral ausgebildeten Hülse und einem Komponentenausrichtungs-Formkörper gemäß der vorliegenden Erfindung, der an einer rotierenden Welle einer Maschine zur Überwachung von deren Vibrationen angeordnet ist.
2 ist ein Schnitt durch den gekapselten Wandler mit der integral ausgebildeten Hülse und dem Komponentenausrichtungs-Formkörper gemäß der vorliegenden Erfindung.
3 ist ein Schnitt durch den Komponentenausrichtungs-Formkörper in einer Explosionsdarstellung.
4 ist ein Schnitt durch eine Sensorspule und den Komponentenausrichtungs-Formkörper, gebildet durch die Kombination der Elemente der 3.
5 ist ein Schnitt durch die Kombination der Elemente der 4.
6 ist eine diagrammatischer Blick auf einen Zusammenbau-Schritt der vorliegenden Erfindung und ein Schnitt durch die Kombination der Elemente der 4.
7 ist ein Schnitt durch einen Bereich der Kombination der Elemente in 6, die eine Anordnung aus Spule und Kabel bilden.
8 ist ein Schnitt durch eine Hülse, die integral mit der Anordnung aus Spule und Kabel der 7 ausgebildet ist.
9 ist eine vereinfachte Schnittdarstellung eines Werkzeuges in einer geöffneten Position und mit allen darin enthaltenen gleitend verschieblichen Unterstützungs- und Positionierstiften in einer ausgefahrenen Position.
10 ist ein Blick auf die Form gemäß der 9, wobei die gleitend verschieblichen Unterstützungs- und Positionierstifte die in 8 dargestellte Anordnung zentrieren.
11 ist eine vereinfachte Schnittdarstellung durch die Form in einer geschlossenen Position, bei der die gleitend verschieblichen Positionierstifte außer Eingriff mit der Sensorspule gebracht und zurückgezogen sind.
12 ist eine vereinfachte Schnittdarstellung durch die Form in einer geschlossenen Position, bei der die gleitend verschieblichen Unterstützungsstifte zurückgezogen sind, nachdem ein Spritzgußvorgang nach der Erfindung durchgeführt worden ist.
13 ist eine perspektivische Darstellung eines Spritzguß-Werkzeuges zur sequentiellen Massenproduktion einer Vielzahl von gekapselten Wandlern.
Bevorzugte Ausführungsform für die Durchführung der Erfindung
Mit Bezug auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Darstellungen die gleichen Teile bezeichnen, bezieht sich das Bezugszeichen 10 auf den gekapselten Wandler mit einem Komponentenausrichtungs-Formkörper gemäß der vorliegenden Erfindung.
Im Grunde und mit Bezug auf die 2 und 6 umfaßt der gekapselte Wandler 10 eine durch einen Spritzformprozeß hergestellte Kapselung 20 mit einem vorderen Ende 22 und einem hinteren Ende 24. Die Kapselung 20 ist ein Monolith aus aushärtbarem formbarem Material, das ein Sensorelement 90 in der Nähe des der vorderen Endes 22 und einen Teil einer Informations-Übertragungsmittels 120 das sich vom hinteren Ende 24 aus erstreckt, umgibt. Ein Komponentenausrichtungs-Formkörper 40 verbindet das Sensorelement 90 operativ mit dem Informations-Übertragungsmittel oder Kabel 120. Der Komponentenausrichtungs-Formkörper 40 enthält eine vordere Hülse 70 und eine hintere Hülse 80, die miteinander verbunden sind und die entlang einer Längsachse "A" linear voneinander beabstandet sind. Der Komponentenausrichtungs-Formkörper 40 beinhaltet weiterhin eine ringförmige Aussparung 44 (3), in der das Sensorelement oder die Spule 90 so plaziert ist, daß sie linear und im Abstand entlang der gemeinsamen Längsachse "A" angeordnet ist, entlang der auch die vordere und die hintere Hülse 70, 80 aufeinander abgestimmt angeordnet sind. Eine erste Leitung 98 (4 und 5) der Spule ist elektrisch mit der vorderen Hülse 70 und eine zweite Leitung 100 der Spule 90 ist elektrisch mit der hinteren Hülse 80 verbunden. Ein hinteres Ende 48 des Komponentenausrichtungs-Formkörpers 40 erhält eine abisoliertes Ende 122 (6) des Kabels 120 derart, daß ein zentraler Leiter 126 mit der vorderen Hülse 70 zusammenpaßt und ein koaxialer Leiter 130 mit der hinteren Hülse 80 zusammenpaßt. Die jeweiligen Leiter 126, 130 sind elektrisch und mechanisch mit dem Paar aus vorderer und hinterer Hülse 70, 80 verbunden. Eine schützende "Volle Länge"-Hülse 150 (2) ist mittels Spritzgießen über der Spule 90 angeordnet und mit dem Formkörper 40 so verzahnt, daß auf diese Weise eine Anordnung 170 aus einer gekapselten Spule und einem Kabel gebildet wird (8). Diese Anordnung 170 aus einer gekapselten Spule und einem Kabel ist durch einen Spritzgußprozeß vergossen, durch den eine dauerhafte Verkapselung 20 entsteht (2), die diese mit sich selbst und mit der Anordnung 170 aus einer gekapselten Spule und einem Kabel verbindet. Die Anordnung 170 aus einer gekapselten Spule und einem Kabel ist symmetrisch in der Verkapselung 20 angeordnet, und die Kapselung 20 umfaßt eine integral angeformte schützende Wand mit einer einheitlichen Dicke "T" entlang dem vordersten Teil des Sensorelementes 90.
Insbesondere und mit Bezug auf die 3 und 4 wird der Komponentenausrichtungs-Formkörper 40 in einem ersten Spritzguß-Prozeß hergestellt, bei dem das formbare Material vorzugsweise aus Polyphenylen-Sulfid (PPS) besteht. Das PPS-Material ist ein Dielektrikum und damit ein elektrisches Isoliermaterial, das die Eigenschaft hat, selbstaushärtend zu sein. Die vordere und die hintere Hülse 70, 80 sind vorzugsweise auf einem Unterstützungsstift innerhalb einer Form plaziert und das PPS-Material wird um die vordere und hintere Hülse 70, 80 gespritzt und bildet damit den Komponentenausrichtungs-Formkörper 40, wie in 4 dargestellt. Die vordere und hintere Hülse 70, 80 sind durch das PPS-Material miteinander verbunden und linear lang entlang der Achse "A" beabstandet. Ein vorderes Ende 42 des Formkörpers 40 enthält eine ringförmige Aussparung 44 mit einem zentralen Zapfen 46, der axial mit der vorderen und hinteren Hülse 70, 80 ausgerichtet ist. Der Formkörper 40 umfaßt weiterhin eine Kammer 50 mit einem Übergangsbereich 54 mit konstantem Querschnitt, der zwischen einem vorderen und einem hinteren abgeschnitten Kegel 52, 56 liegt, die die vordere und die hintere Hülse 70, 80 isolieren. Die vordere Hülse 70 enthält eine Bohrung 76 mit einem Innendurchmesser, der im wesentlichen gleich dem äußeren Durchmesser des zentralen Leiters 126 ist. Die hintere Hülse 80 enthält eine Bohrung 86 mit einem Innendurchmesser, der im wesentlichen gleich dem äußeren Durchmesser des koaxialen Leiters 130 ist. Die Hülsen 70, 80 bestehen vorzugsweise aus Messing.
Bezug nehmend auf die 4 und 5 ist das Sensorelement 90 vorzugsweise eine Sensorspule 90 mit einem zentralen Hohlraum 92, einer vorderen Fläche 94, einer hinteren Fläche 96, einem Körper 102 und einem ersten und einem zweiten Leiter 98, 100, die sich jeweils von der Spule 90 aus im Abstand voneinander erstrecken. Sobald der Komponentenausrichtungs-Formkörper 40 fertiggestellt ist, kann die Sensorspule 90 mit den zugeordneten Hülsen 70, 80 des Formkörpers 40 elektrisch verbunden werden. Dies wird erreicht, indem die Sensorspule 90 innerhalb der ringförmigen Aussparung 44 des Formkörpers derart plaziert wird, daß sich der Zapfen 46 über eine Distanz in den zentralen Hohlraum 92 der Spule 90 hinein erstreckt. Der erste Leiter 98 wird dann vorzugsweise mittels Induktionsschweißen mit der vorderen Hülse 70 verbunden wird und der zweite Leiter 100 wird vorzugsweise mittels Induktionsschweißen mit der hinteren Hülse 80 derart verbunden wird, daß eine Anordnung 110 aus Spule und Formkörper entsteht.
Als Nächstes wird das Kabel 120 elektrisch und mechanisch innerhalb des Formkörpers 40 verbunden.
Bezug nehmend auf die 6 bis 8 ist das Kabel 120 vorzugsweise ein Dreileiter-Kabel, bestehend aus einem äußeren Mantel 136, der ein Inneres des Kabels umgibt, das aus drei konzentrisch angeordnet Leitern 126, 130 und 134 besteht, die durch wenigstens zwei konzentrisch angeordnete Dielektrika oder Isolatoren 128, 132 voneinander getrennt sind. Genauer gesagt, umgibt der äußere Mantel 136 die konzentrisch angeordneten Triaxial-, Koaxial- und zentralen Leiter 134, 130 und 126, die durch einen Isolator 132 und ein Dielektrikum 128 voneinander getrennt sind, die zwischen dem triaxialen und dem koaxialen Leiter 134, 130 beziehungsweise dem koaxialen und dem zentralen Leiter 130, 126 angeordnet sind. Wenigstens ein Ende 122 des Kabels 120 ist derart stufenförmig abisoliert, daß jeweils eine Länge des zentralen Leiters 126, des Dielektrikums 128, des koaxialen oder äußeren Leiters 130, des Isolators 132 und des triaxialen Leiters 134 freigelegt ist.
Bezug nehmend auf die 6, wird eine Lötpaste 140 in die Bohrung 76 der vorderen Hülse 70 injiziert, vorzugsweise über eine Spritze, die pneumatisch derart beaufschlagt wird, daß sie stets eine einheitliche vorgegebene Menge am Paste 140 abgibt, die jedes Mal reproduzierbar ist. Ein Lötring 142 wird auf dem abisolierten Ende 122 des Kabels 120 plaziert. Der Lötring 142 umgibt den koaxialen Leiter 130 und liegt am Isolator 132 an, der zwischen dem koaxialen und dem triaxialen Leiter 130, 134 angeordnet ist. Eine elastische Hülle 144 wird über dem Dielektrikum 128 des Kabels 120 plaziert und weist einen inneren Durchmesser auf, der im wesentlichen mit dem äußeren Durchmesser des Dielektrikums 128 übereinstimmt. Die elastische Hülle 144 kann aus einem Isoliermaterial, wie beispielsweise Fluorosilikon-Gummi bestehen. Die elastische Hülle 144 verfügt über einen Außendurchmesser, der etwas größer ist als derjenige des Übergangsbereichs 54. Das Kabel 120 wird dann derart in das hintere Ende 48 des Komponentenausrichtungs-Formkörpers 40 eingefügt, daß der zentraler Leiter 126 in die Bohrung 76 der vorderen Hülse 70 paßt und der koaxiale Leiter in die Bohrung 86 der hinteren Hülse 80 paßt. Eine Axialkraft, die in Richtung der Pfeile F₁ und F₂ ausgeübt wird, verformt die elastische Hülle 144 gegen den konischen Teil zwischen dem Übergangsbereich 54 und dem hinteren abgeschnitten Kegel 56. Dies ermöglicht eine eng sitzende Dichtung zwischen diesem Übergang und dem Dielektrikum 128 des Kabels 120, wie in 7 dargestellt. Eine permanente mechanische und elektrische Verbindung wird zwischen dem koaxialen Leiter 130 und der Bohrung 86 der hinteren Hülse 80 und auch zwischen dem mittleren Leiter 126 und der Bohrung 76 der vorderen Hülse 70 hergestellt. Durch die Anwendung einer induktiven Erwärmung zusammen mit den oben genannten Kräften F₁, F₂ werden die Lötpaste 140 und der Lötring 142 aufgeschmolzen und fließen über die freigelegten Leiter 126, 130, wodurch diese über ihre gesamte Länge dauerhaft mit den Bohrungen 76, 86 der vorderen Hülse 70 und der hinteren Hülse 80 verbunden werden. Natürlich können auch, anstatt zu Töten, Kleben oder Schweißen verwendet werden. Dabei ist zu beachten, daß die vorgeformte Menge an Lötpaste 140 und der vorgeformte Lötring 142 eine effektive Reproduzierbarkeit der elektromagnetischen Eigenschaften des gesamten gekapselten Wandlers 10 gewährleisten, vor allem im Hinblick auf die Induktanz-Parameter der Sensorspule 90, die, wie in der Figur dargestellt, relativ nah am zentralen Leiter 126 angeordnet ist.
Bezug nehmend auf die 7 und 8 wird die schützende Hülse 150 mittels Spritzformgießen über die Spule 90 und die mit dieser verbundenen Leiter 98, 100 geformt und mit dem Formkörper 40 verzahnt. Dieses wird vorzugsweise durch die Plazierung der Anordnung 112 aus Spule und Kabel in einem Formkörper derart erreicht, daß die Vorderseite 94 der Spule 90 an einer Wand der Form anliegt, so daß kein formbares Gießmaterial die Vorderfläche 94 der Spule 90 bedecken kann. Das formbare Gießmaterial wird vorsichtig in die Gießform mit einer Kraft eingebracht, die es dem Material ermöglicht, über die Spule 90 und die mit dieser verbundenen Leiter 98, 100 zu fließen, ohne eine Verformung oder Zerstörung der Spule 90, der Leiter 98, 100 oder der Verbindung zwischen den Leitern 98, 100 und der vorderen und hinteren Hülse 70, 80 zu bewirken. Auf diese Weise bleiben beim Spritzformgießen der schützende Hülse 150 ohne Verformung oder mechanische Zerstörung der Spule 90 die ursprünglichen elektrischen Eigenschaften, die die Anordnung 112 aus Spule und Kabel vor dem integralen Anformen der schützenden Hülse 150 aufweist, erhalten.
Die durch Spritzformgießen hergestellte schützende Hülse 150 enthält ein erstes Ende 152, das bündig mit der Vorderseite 94 der Spule 90 geformt ist, und ein zweites Ende 154, das vorzugsweise das rückwärtige Ende 48 des Formkörpers 40 abschließt. Ein Körper 156 der Hülse 150 erstreckt sich vom ersten Ende 152 auf das zweite Ende 154. Der Körper 156 nimmt die Kontur sowohl des Formkörpers 40 als auch des Körpers 102 der Spule 90 ein und beseitigt damit jegliche Lücke, die zwischen der schützenden Hülse 150 und sowohl dem Formkörper 40 als auch dem Körper 102 der Spule 90 vorhanden sein könnte. Außerdem füllt die durch Spritzformgießen hergestellte schützende Hülse 150 die vorder- und rückseitigen Durchlässe 58, 60 des Formkörpers 40 aus. Durch die Füllung in die vorderen und hinteren Durchlässe 58, 60 umhüllt die Hülse die Leiter 90, 100 der Spule 90, die sich durch die jeweiligen Durchlässe 58, 60 erstrecken und die mit der zugeordneten vorderen und hinteren Hülse 70, 80 verbinden. Dadurch, daß die schützenden Hülse die Lücken und Durchlässe 58, 59, 60, 61 der Vorform 40 ausfüllt, wird die schützende Hülse mechanisch mit der Anordnung 112 aus Spule und Kabel verbunden und wird damit zu einem integralen Bestandteil derselben. Vorzugsweise weist die schützende Hülse 150 eine periphere Nut auf mit eine oberen Nutbereich 158, der einem unteren Nutbereich 160 gegenüber liegt. Die beiden Nuten 158, 160 sind integral in den Körper 156 der Hülse 150 in einem genauen Abstand "L" von der Vorderseite 94 der Spule 90 eingeformt. Bei der Herstellung einer Vielzahl von Wandlern 10 ist dieser Abstand "L" von einem zum nächsten Wandler dadurch genau reproduzierbar, daß die durch Spritzformgießen hergestellte schützende Hülse 150 geeignet ist, jede Schwankung in der Größe der einzelnen Spulen 90 und Formkörper 40 auszugleichen. Die Nuten 158, 160 werden im Spritzguß-Prozeß dazu genutzt, um die Schichtdicke "T" der Kapselung 20 genau zu kontrollieren. Sobald die Anordnung 170 aus gekapselter Spule und Kabel (8) erstellt worden ist, kann sie eingekapselt werden.
Bezug nehmend auf die 9 und 11 wird ein Spritzform-Werkzeug 180 gebildet durch eine obere Formplatte 182 mit einem oberen Hohlraum 184 und eine untere Formplatte 186 mit einem unteren Hohlraum 188, die in der geschlossenen Position einen einzigen Werkzeughohlraum 190 bilden. Der Werkzeughohlraum 190 ist komplementär zur gewünschten Form der Verkapselung 20 für die Anordnung 170 aus gekapselter Spule und Kabel ausgebildet. Der Werkzeughohlraum 190 wird gebildet durch eine obere Wand 192, eine untere Wand 194, eine vordere Wand 196 und eine hintere Wand 198 mit einer Öffnung 200, die sich durch diese hindurch erstreckt.
Die obere Formplatte 182 ist vorzugsweise mit einem Paar Hülsen 212a, 212b versehen, durch die ein Paar gleitend verschieblicher Unterstützungsstifte 210a, 210b durch zugeordnete Antriebsmittel 230a, 230b in den oberen Hohlraum 184 hinein oder aus diesem heraus verschoben werden kann. Die untere Formplatte 186 ist vorzugsweise mit einem Paar Hülsen 212c, 212d versehen, durch die ein Paar gleitend verschieblicher Unterstützungsstifte 210c, 210d durch zugeordnete Antriebsmittel 230c, 230d in den unteren Hohlraum 188 hinein oder aus diesem heraus verschoben werden kann. Darüber hinaus ist das Spritzform-Werkzeug 180 mit einem gleitend verschieblichen Positionierstift 220 versehen, der vorzugsweise in der unteren Formplatte 186 in der Nähe der vorderen Wand 196 des Werkzeughohlraumes 190 angeordnet ist. Der gleitend verschiebliche Positionierstift 220 umfaßt vorzugsweise auch ein Paar konzentrisch angeordneter gleitend verschieblicher Stifte 222, 224, bei denen ein innerer Stift 222 innerhalb eines äußeren Stiftes 224 gleitet, der wiederum in einer Hülse 226 gleitet. Sowohl der innere Stift 222 als auch der äußere Stift 224 können durch zugeordnete Antriebsmittel 230e derart verschoben werden, daß sie sich in den unteren Hohlraum 188 hinein oder aus diesem heraus bewegen, wenn sich die Form 180 in der geöffneten Position befindet. Vorzugsweise kann sich der innere Stift 222 weiter in den unteren Hohlraum 188 erstrecken als der äußere Stift 224.
Alternativ dazu kann der gleitend verschiebliche Positionierstift 220 ein integral geformter T-förmiger Stift mit einer oberen Verzweigung sein, ähnlich dem äußeren Stift 224 und mit einem unteren Bereich, der dem inneren Stift 222 ähnelt in einer erweiterten und starr fixierten Position in Bezug auf die obere Verzweigung.
Die gleitend verschieblichen Unterstützungsstifte 210a–210d und der gleitend verschiebliche Positionierstift 220 sind jeweils vorzugsweise mit separaten Antriebsmitteln 230a–230e versehen und können unabhängig voneinander über eine programmierbare Logik-Steuerung (SPS) 250 oder ähnliches angesteuert werden.
Jedes Antriebsmittel 230a–230e umfaßt eine Ventil- und Magnet-Einheit 232a–232e, einen pneumatischen Zylinder 234a–234e und eine Auswerfer-Platte 236a–236e. Jede Auswerfer-Platte 236a–236d ist mit dem zugeordneten Unterstützungsstift 210a–210d verbunden und jede Auswerfer-Platte 236e ist mit dem zugeordneten Positionierstift 220 verbunden. Jede Auswerfer-Platte 236a–236e ist in dem zugeordneten Pneumatikzylinder 234a–234e angeordnet, der wiederum mit der entsprechenden Ventil- und Magnet-Einheit 232a–232e verbunden ist. Jede Ventil- und Magnet-Einheit 232a–232e ist elektrisch mit der SPS 250 verbunden und mechanisch mit einer Gasquelle 260 verbunden. Die SPS 250 sendet ein unabhängiges elektrisches Signal an jede einzelne der Magnet-Ventil und Magnet-Einheiten 232a–232e. Jeder Solenoid empfängt das Signal und öffnet und schließt physisch das entsprechende Ventil. Dadurch wird Gas zum zugeordneten Pneumatikzylinder 234a–234e geleitet, was, abhängig von der Position der einzelnen Auswerfer-Platten 236a–236e, dazu führen wird, daß jeder Unterstützungsstift 210a–210d und Positionierstift 220 ausfährt oder sich in den Hohlraum 190 zurückzieht. Die Auswerfer-Platte 236e kann mit dem inneren Stift 222 derart gekoppelt werden, daß der innere Stift 222 um eine kurze Distanz ausfährt oder sich zurückzieht und sich damit der äußere Stift 224 entsprechend verlängert oder zurückzieht.
Wenn sich das Spritzform-Werkzeug 180 in der geschlossenen Position befindet, werden nur die Unterstützungsstifte 210a–210d dazu benutzt, die Anordnung 170 aus gekapselter Spule und Kabel zu unterstützen und sie symmetrisch im Hohlraum 190 (11) zu positionieren. Allerdings kann der zurückgezoge Positionierstift die vordere Wand 196 des Werkzeughohlraumes 190 bilden. Die Unterstützungsstifte 210b und 210c sind in den zugeordneten oberen und unteren Nuten 158, 160 der 150 schützende Hülse angeordnet. Dadurch wird der genaue Abstand der Vorderseite der Sensorspule 90 von der vorderen Wand 196 des Werkzeughohlraumes 190 fest eingehalten. Abhängig von der spezifischen Konfiguration der Anordnung 170 und der Art, in der das geschmolzene formbare Material um die Anordnung 170 fließt, kann einer der Stifte früher als ein anderer zurückgezogen werden. Das Zurückziehen der Unterstützungsstifte ist sequenziert mit dem Timing der SPS 250 und kann so kalibriert werden, daß alle Unterstützungsstifte 210a–210d sich in einer Art und Weise zurückziehen, die es der Anordnung 170 erlaubt, sowohl radial als auch axial in dem Hohlraum 190 zentriert zu bleiben, und die es ermöglicht, einen konstanten Abstand zwischen der vorderen Wand 196 des Werkzeughohlraums 190 und der Vorderseite 94 der Spule 90 einzuhalten. Es sei darauf hingewiesen, daß, wenn das Zurückziehen der Unterstützungsstifte 210a–210d nicht korrekt sequenziert ist, sich die Anordnung 170 zu der einen oder der anderen Seite des Hohlraumes 190 verschieben kann. Dies kann zu einer Veränderung der elektrischen Eigenschaften des gekapselten Wandlers führen 10.
Bezug nehmend auf die 10, wird die Anordnung 170 aus gekapselter Spule und Kabel durch die ausgefahrenen Unterstützungsstifte 210c, 210d und einen ausgefahrenen Positionierstift 220 radial und axial zentriert. Der Positionierstift 220 zentriert die Spule 90 und hilft, sie in einem vorgegebenen Abstand von der vorderen Wand 196 des Werkzeughohlraumes 190 mittels des inneren Stiftes 222, der teilweise innerhalb des Hohlraumes 92 der Spule 90 liegt, und des äußeren Stiftes 224, der an einer Vorderseite 94 der Spule 90 anliegt, zu haltern. Darüber hinaus ist der Unterstützungsstift 210c in den unteren Hohlraum 188 ausgefahren und liegt in der unteren Nut 160 des Formkörper 40, um die Vorderseite 94 der Sensorspule 90 in einem genau vorgegebenen Abstand von der vorderen Wand 196 des Werkzeughohlraumes zu haltern und zu unterstützen. Der Unterstützungsstift 210d erstreckt sich ebenfalls in den unteren Hohlraum 188 und befindet sich in Eingriff mit der schützenden Hülse 150 und unterstützt diese somit. Sobald Anordnung 170 aus gekapselter Spule und Kabel im unteren Hohlraum 188 symmetrisch zentriert ist, wird der Positionierstift 220 zurückgezogen und der Hohlraum 190 wird in eine geschlossene Stellung gebracht (11).
Zu dieser Zeit liegt der gleitend verschiebliche Unterstützungsstift 210b in der oberen Nut 158 des Formkörper 40 und bewirkt in Kombination mit dem Unterstützungsstift 210c die strikte Einhaltung des genauen Abstandes der Vorderseite 94 der Sensorspule 90 von der vorderen Wand 196 des Werkzeughohlraumes 190. Dies ermöglicht es, daß der gekapselte Wandler 10 eine integral angeformte schützende Wand mit einer einheitlichen Dicke "T" und damit einen vorgegebene linearen Bereich aufweist (2). Dies ist besonders wichtig für die Herstellung einer Vielzahl gekapselter Wandler 10, die alle über die gleichen elektrischen Eigenschaften verfügen sollen. Außerdem erstreckt sich, wenn das Werkzeug 180 geschlossen ist, das Kabel 120 aus der Öffnung 200 in der hinteren Wand 198 des Werkzeughohlraums 190 heraus. Das Zusammenhalten der oberen Formplatte 182 und der unteren Formplatte 186 bietet eine zusätzliche Unterstützung dadurch, daß das Kabel 120 freitragend dazwischen gehaltert wird. Der Unterstützungsstift 210a erstreckt sich aus der oberen Formplatte 182 in den oberen Hohlraum 184 und gelangt in Eingriff mit dem Formkörper 40 des Kabels 170 und bewirkt damit eine weitere Unterstützung für die Anordnung 170 aus gekapselter Spule und Kabel. Ein Hohlraum umgibt die Anordnung 170 aus gekapselter Spule und Kabel vollständig, außer natürlich dort, wo die Stifte 210a–210d an der Anordnung 170 anliegen. Eine Alternative zu der in 11 dargestellten Ausführungsform kann weniger oder mehr Unterstützungsstifte 210a–210d für die Zentrierung und für die Unterstützung der Anordnung 170 aus gekapselter Spule und Kabel in dem Hohlraum 190 aufweisen.
Das formbare Material wird über Kanäle 240 und Öffnungen 242 in der unteren Formplatte 182 und/oder der oberen Formplatte 186 in den Hohlraum injiziert. Vorzugsweise liegt eine Öffnung neben jedem gleitend verschieblichen Unterstützungsstift 210a–210d. Das formbare Material besteht vorzugsweise aus Polyphenylen-Sulfid (PPS), das die Eigenschaft hat, selbstaushärtend zu sein. Die Injektion des formbaren Materials wird fortgesetzt, bis der Hohlraum 190 komplett gefüllt ist. Nachdem der Hohlraum 190 gefüllt ist, werden die Unterstützungsstifte 210a–210d zurückgezogen, so daß die Anordnung 170 aus gekapselter Spule und Kabel im Hohlraum 190 zentriert bleibt. Es sei darauf hingewiesen, daß eine zusätzliche Menge an formbarem Material gleichzeitig mit dem Zurückziehen der Unterstützungsstifte 210a–210d in den Hohlraum 190 injiziert werden kann, so daß die Anordnung 170 aus gekapselter Spule und Kabel vollständig in das formbare Material eingehüllt ist und alle Hohlräume gefüllt sind.
Bezug nehmend auf die 12, kann, wenn der Prozeß der Injektion des formbaren Materials in den Hohlraum 190 abgeschlossen ist und die Unterstützungsstifte 210a–210d zurückgezogen wurden, die Form 180 geöffnet werden und der gekapselte Wandler 10 kann in der unteren Formplatte 186 abkühlen. Sobald der gekapselten Wandler abgekühlt ist, können einer oder mehrere der unteren Unterstützungsstifte, 210c, 210d betätigt werden, um den gekapselten Wandler 10 auszuwerfen.
Bei einer Serienproduktion ist es vorteilhaft, wenn eine Spritzgußmaschine verwendet wird, die eine einzige obere Formplatte 182 und eine Anzahl von unteren Formplatten 186 aufweist, die auf einem drehbaren Tisch 270 angeordnet sind (3). Die unteren Formplatten 186 können jeweils vorab mit einer einzelnen Anordnung 170 aus gekapselter Spule und Kabel beladen werden. Dann wird die obere Formplatte 182 auf die erste der aufgereihten unteren Formplatten 186 abgesenkt und die jeweilige Anordnung 170 aus gekapselter Spule und Kabel wird gekapselt. Sobald der Kapselungs-Vorgang abgeschlossen ist, wird die obere Formplatte 182 angehoben und der Tisch 270 wird in Richtung des Pfeiles "R" gedreht, um eine nachfolgende der unteren Formplatten 186 mit der stationären oberen Formplatte 182 auszurichten, so daß der Kapselungs-Prozeß beliebig oft wiederholt werden kann.
Inzwischen kann der zuvor gekapselte Wandler 10 in der unteren Formplatte 186 verbleiben und dort abkühlen, während der Tisch gedreht wird, und er wird dann, wie oben beschrieben, ausgeworfen. Nachdem der gekapselte Wandler 10 ausgeworfen wurde, wird die untere Formplatte 186 erneut mit einer Anordnung 170 aus gekapselter Spule und Kabel beladen und bewegt sich zurück zur oberen Formplatte 182, während der Tisch 270 gedreht wird. Dieser Vorgang kann auch weiterhin für die Verkapselung einer Charge von Anordnungen 170 aus gekapselter Spule und Kabel wiederholt werden.
Bei Benutzung und im Betrieb und mit Bezug auf die 1 und 2 kann der gekapselte Wandler 10 zum Beispiel als Näherungssensor für die Überwachung der Vibrationsmerkmale einer rotierenden Welle 282 einer Maschine 280 genutzt werden. In diesem Umfeld arbeitet der gekapselte Wandler 10 nach dem Wirbelstrom-Prinzip und liefert ein Signal, das mit dem Abstand zwischen der rotierenden Welle 282 und der Sensorspule 90 des gekapselten Wandlers 10 korreliert ist.
Normalerweise ist der gekapselte Wandler 10 von einem mit einem Gewinde versehenen Metallgehäuse 284 umgeben, das in der Nähe der rotierenden Welle der Maschine 280 montiert ist. Eine Montageelement 286 wird verwendet, um den gekapselten Wandler 10 strategisch so zu befestigen, daß sich die Sensorspule 90 in der Nähe des vorderen Endes 22 der Kapselung 20 und die sich drehenden Welle 282 gegenüberliegen: Die Sensorspule 90 ist mechanisch und elektrisch mit dem Kabel 120 verbunden. Das Kabel 120 erstreckt sich aus dem rückwärtigen Ende 24 der Kapselung 20 und verläuft durch ein Gehäuse 288 der Maschine 280, wo es vorzugsweise in einer Verbindung 290 endet, die eine direkte Verbindung zu einer elektrischen Prozessoreinheit 310 oder zu einem Verlängerungskabel, das seinerseits mit der elektrischen Prozessoreinheit 310 verbunden ist, ermöglicht.
Vorzugsweise ist das Kabel 120 so durch das Gehäuse 288 der Maschine geführt, daß es durch eine Gummi-Schlaufe 294 in einem Adapter 292 verläuft, der operativ mit dem Gehäuse 288 der Maschine verbunden ist. Der Adapter 292 beinhaltet ein erstes Ende 296 mit Außen- und Innengewinde. Das Außengewinde des Adapters steht in Verbindung mit einer Gewinde-Bohrung 300 in dem Gehäuse 288 der Maschine, um auf diese Weise den Adapter 292 fest mit diesem zu verbinden. In einigen Fällen ermöglicht das Innengewinde des ersten Endes 296 des Adapters 292 die Montage des gekapselten Wandlers 10 über das mit dem Gewinde versehene Metallgehäuse 284. Ein zweites Ende 298 des Adapters 292, das mit einem Außengewinde versehen ist, kann mit einer mit einem Gewinde versehenen Öffnung 304 in einer Anschlußdose 302 derart verbunden werden, daß die Anschlußdose 302 mit dem Gehäuse 288 der Maschine verbunden ist. Die Anschlußdose 302 ermöglicht es, daß alle elektrischen Verbindungen, die operativ das Kabel 120 mit der elektrischen Prozessoreinheit 310 verbinden, sich in einer geschlossenen witterungsbeständigen oder explosionsgeschützten Umgebung befinden.
Zusätzlich zur Verwendung als Näherungs-Wandler kann die Erfindung sehr vielfältig für den Überwachungs- und Diagnose-Bereich eingesetzt werden. Ein Beispiel dafür ist ein Temperatur-Wandler, der mit einer Spule versehen ist, die aus einem einzelnen Thermoelement-Draht des FTE-Typs besteht. Die Spule würde in die Verkapselung 20 eingeformt werden und die einzige Veränderung gegenüber dem oben beschriebenen Prozeß kann in der Verwendung einer insgesamt vielleicht dünneren Kapselung liegen. Dies würde eine geeignete Wärmeübertragung zur FTE-Temperaturmessungsspule gewährleisten.
Außerdem sollte es, nachdem die Erfindung oben beschrieben wurde, offensichtlich sein, daß zahlreiche strukturelle Änderungen und Anpassungen vorgenommen werden können, ohne dabei den Schutzumfang und den Geist der vorliegenden Erfindung, wie sie in den nachfolgenden Ansprüchen festgelegt ist, zu verlassen.

Claims

Ein Sensor zur Übertragung von Informationen und ein Gehäuse (10) umfassend: ein Sensorelement (90) mit einer Vorderseite (94), einer Rückseite (96), einem Luftkern (92) und einen Körper (102), der sich von der besagten Frontfläche zu der besagten Rückfläche erstreckt; ein Kabel (120), das leitend mit dem besagten Sensorelement verbunden ist; einen elektrisch isolierenden Komponentenausrichtungs-Formkörper (40), der funktional mit dem besagten Sensorelement (90) und dem besagten Kabel (120) verbunden ist; dadurch gekennzeichnet, daß er weiterhin umfaßt eine schützende Hülse (150), die mittels Formgebung so ausgebildet ist, daß sie mit der besagten Vorderseite (94) fluchtet und sich über das besagte Sensorelement (90) und über eine äußere Oberfläche des besagten Körpers (102) des besagten Sensorelementes erstreckt und über diesem liegt und sich zwischen einem Teil des besagten Kabels (120) und der besagten Vorderseite des besagten Sensorelementes (90) erstreckt; ein erstes Verbindungselement für die Verbindung der besagten schützenden Hülse (150) mit dem besagten Komponentenausrichtungs-Formkörper (40), wobei das besagte Verbindungselement integral mit der besagten schützenden Hülse ausgebildet ist und sich von einer inneren Oberfläche der besagten Hülse und in wenigstens einen Durchlaß erstreckt, der in dem besagten Formkörper angeordnet ist, um die besagte Hülse (150) mechanisch mit dem besagten Formkörper zu verbinden; Mittel, die über eine vorgegebene Länge der besagten Vorderseite (94) des besagten Sensorelementes (90) integral mit der besagten Hülse ausgebildet sind, um wenigstens einen gleitend verschieblichen Unterstützungsstift (210) aufzunehmen, der dazu dient, die besagte Vorderseite des besagten Sensorelementes über eine genaue Länge von einem mittels Spritzgiessen gebildeten Hohlraum (180) zu beabstanden; einen aus einem nach dem Spritzgiessen ausgehärteten Material bestehenden Monolith, der das besagte Sensorelement und einen Teil des besagten Kabels aufnimmt und der eine nahtlose Masse mit einer durchgehenden, im wesentlichen einheitlich dicken Frontwand bildet, die im wesentlichen parallel mit der besagten Vorderseite (94) des besagten Sensorelementes (90) und direkt an diese angrenzend und sich von dieser aus erstreckend verläuft und die nahtlos übergeht in eine durchgehende Seitenwand, die das besagte Sensorelement und einen Teil des besagten Kabels (120) umgibt, wobei die besagte Seitenwand wenigstens eine integral angeformte Verlängerung aufweist, die sich in das besagte Verbindungselement der besagten Hülse erstreckt und mit dieser in Eingriff steht.
Der Sensor gemäß Anspruch 1, wobei der besagte Komponentenausrichtungs-Formkörper sowohl innerhalb des besagten Monolithen aus einem nach dem Spritzgiessen ausgehärteten Material als auch in der besagten Hülse angeordnet ist, wobei der besagte Formkörper ein vorderes Ende (42) mit einem ringförmigen Rezeß (44) und einem zentralen Zapfen (46), ein rückwärtiges Ende mit einer Öffnung und einen mittleren Teil, der sich zwischen dem besagten vorderen Ende und dem besagten rückwärtigen Ende des Formkörpers erstreckt, aufweist, wobei der besagte mittlere Teil einen Raum aufweist, der in Verbindung mit der Öffnung in dem besagten rückwärtigen Ende steht.
Der Sensor gemäß Anspruch 2, wobei der besagte Komponentenausrichtungs-Formkörper eine vordere Hülse (70) und eine hintere Hülse (80) aufweist, die mit diesem verklebt sind und die durch den besagten Raum entlang einer Längsachse des besagten Sensors linear beabstandet sind und die in Verbindung mit dem besagte Raum stehen.
Der Sensor gemäß Anspruch 3, wobei der besagte Komponentenausrichtungs-Formkörper einen vorderen und einen hintere Durchlaß aufweist, die innerhalb des besagten Komponentenausrichtungs-Formkörpers (40) angeordnet sind, wobei der besagte vordere und hintere Durchlaß in Verbindung mit der besagten vorderen und hinteren Hülse (70, 80) stehen.
Der Sensor gemäß Anspruch 4, wobei das Sensorelement eine Spule ist, mit einem ersten Anschluß (98) und einem zweiten Anschluß (100), die sich von der besagten Rückseite (96) der besagten Spule aus erstrecken.
Der Sensor gemäß Anspruch 5, wobei die besagte Spule innerhalb einer ringförmigen Ausnehmung (44) des besagten Formkörpers angeordnet ist und den besagten zentralen Zapfen in einem zentralen Hohlraum derart aufnimmt, daß die besagte Spule axial mit der besagten vorderen und hinteren Hülse entlang der Längsachse des besagten Sensors ausgerichtet ist und dadurch eine axiale Fixierung zur Aufnahme eines Positionierungsstiftes zur Zentrierung der besagten Spule in dem durch Spritzgiessen hergestellten Hohlraum bildet.
Der Sensor gemäß Anspruch 6, wobei sich der erste Anschluß in den vorderen Durchlaß des besagten Formkörpers (40) erstreckt und mit der besagten vorderen Hülse (70) elektrisch verbunden ist.
Der Sensor gemäß Anspruch 7, wobei sich der zweite Anschluß in den hinteren Durchlaß des besagten Formkörpers (40) erstreckt und mit der besagten hinteren Hülse elektrisch verbunden ist.
Der Sensor gemäß Anspruch 8, wobei das besagte Kabel wenigstens einen zentralen Leiter und einen koaxialen Leiter umfaßt, die durch wenigstens ein Dielektrikum (128) voneinander getrennt sind.
Der Sensor gemäß Anspruch 9, wobei wenigstens ein Ende des besagten Kabels (120) derart abgesetzt abisoliert ist, daß jeweils ein Bereich wenigstens des besagten zentralen Leiters, des Dielektrikums und des koaxialen Leiters (126, 130, 134) freigelegt sind.
Der Sensor gemäß Anspruch 10, wobei sich das abisolierte Ende (122) des besagten Kabels durch die Öffnung in dem besagten rückwärtigen Ende des besagten Formkörpers hindurch erstreckt und der besagte zentrale Leiter (126) elektrisch und mechanisch in einer Bohrung der besagten vorderen Hülse (70) verbunden ist und der besagte koaxiale Leiter elektrisch und mechanisch in einer Bohrung (86) der besagten hinteren Hülse (80) verbunden ist.
Der Sensor gemäß Anspruch 11 mit einer Dichtung, die das besagte Dielektrikum am abisolierten Ende des besagten Kabels (120) umgibt und die zwischen dem besagten Dielektrikum (128) und dem besagten Raum des besagten Formkörpers eingeklemmt ist und die damit eine Barriere zwischen beiden bildet.
Der Sensor gemäß Anspruch 12, wobei die Kontur des besagten Körpers der besagten schützenden Hülse an den Formkörper und die äußere Oberfläche des besagten Körpers (102) der besagten Spule angepaßt ist und sich gleichförmig von diesem zu einer im wesentlichen glatten Oberfläche erstreckt und damit jegliche Spalten zwischen der schützenden Hülse (150) und sowohl dem Formkörper (40) als auch dem besagten Körper (102) der besagten Spule vermeidet.
Der Sensor gemäß Anspruch 13, wobei die besagte mittels Spritzgiessen hergestellte schützende Hülse die Durchlässe des besagten Formkörpers ausfüllt und damit die besagten ersten und zweiten Verbindungselemente mit dem besagten Formkörper verbindet und die besagten Anschlüsse (98, 100) der besagten Spule schützend umgibt.
Der Sensor gemäß Anspruch 14, wobei der besagte Komponentenausrichtungs-Formkörper (40) aus dem gleichen Material besteht wie der besagte aus einem nach dem Spritzgiessen ausgehärteten Material bestehende Monolith (20).
Der Sensor gemäß Anspruch 15, wobei der aus einem nach dem Spritzgiessen ausgehärteten Material bestehende Monolith mit dem besagten Formkörper (40) und der besagten Hülse (150) verklebt ist.