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Die
Erfindung betrifft ein schnell montierbares Sensorgehäuse für Sensoren
mit Luftkontakt, insbesondere für
feuchtigkeitsgefährdete
Einbauorte.
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Stand der Technik
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Chipförmige Sensoren
kommen in verschiedenen Gehäuseformen,
beispielsweise zur Messung chemischer und/oder physikalischer Parameter,
zum Einsatz. Für
die Funktionsfähigkeit
bestimmter Sensoren ist es dabei erforderlich, dass die eigentliche sensitive
Baugruppe des Sensors in direktem Kontakt zu der den Sensor umgebenden
Atmosphäre steht.
Eine vollständige
hermetische Kapselung der sensitiven Baugruppe ist in diesen Fällen nicht
möglich.
Ein Beispiel für
derartige Sensoren stellen Drucksensoren dar, wie sie in unterschiedlichen
industrienahen und automotiven Anwendungen eingesetzt werden. Der
direkte Zugang der den Sensor umgebenden Atmosphäre zur sensitiven Baugruppe ist
häufig
mit der Gefahr von verschiedenen Störeinflüssen, insbesondere dem Eindringen
von Feuchtigkeit, verbunden. Aus diesem Grund sind Maßnahmen
zu treffen, die zumindest bestimmte Bereiche innerhalb eines Sensorgehäuses zuverlässig vor Feuchtigkeit
schützen
und den direkten Kontakt der den Sensor umgebenden Atmosphäre zu Bereichen innerhalb
des Sensorgehäuses
auf ein absolut notwendiges Minimum beschränken.
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Es
ist daher bekannt, das Innere von Sensorgehäusen durch den Einsatz verschiedener
Dichtungen gegen äußere Einflüsse zu sichern
und in Bereiche zu unterteilen, die Umgebungseinflüssen in
unterschiedlich starkem Maße
ausgesetzt sind.
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Die
angesprochene Problematik und die Erfindung wird im Folgenden am
Beispiel von Drucksensoren für
einen Einsatz in Kraftfahrzeugen näher erläutert, ohne sich auf derartige
Anwendungen zu beschränken.
Ein spezielles Anwendungsgebiet für derartige Drucksensoren ist
deren Verwendung in Airbag-Systemen.
In diesen Fällen
werden Drucksensoren in seitliche Kavitäten von Fahrzeugen eingebaut
und für
die Detektion der Verformung der Karosserie in einem Crashfall eingesetzt.
Häufige
Einbauorte für
derartige Drucksensoren finden sich im Bereich der Seitentüren. Das
Innenvolumen der Seitentüren
unterteilt sich in einen sogenannten Nassraum und einen sogenannten
Trockenraum, wobei Drucksensoren häufig im Bereich einer Trennwand zwischen
Nass- und Trockenraum montiert werden. Die Montage erfolgt dabei
in der Regel derart, dass sich der Sensorkörper im Trockenraum befindet
und ein hauben- oder hutzenförmiger
Druckeinlasskanal durch eine Öffnung
in der Trennwand in den Nassraum hineinragt. Um die Funktionsfähigkeit
der Trennwand zwischen Nass- und Trockenraum zu erhalten, ist es
dabei häufig
erforderlich, die für
die Montage der Drucksensoren erforderlichen Löcher durch eine Dichtung zwischen
dem Sensorgehäuse und
beispielsweise einem als Trennwand fungierenden Trennblech bei der
Installation der Drucksensoren zu verschließen. In bekannten Anwendungsfällen erfolgt
dieser Verschluss durch eine Dichtung um den Druckeinlasskanal herum,
welche aus aufgespritztem Silikon oder einem Dichtschaum im Fall
einer Klebeverbindung bestehen kann. Dichtheitsanforderungen, insbesondere
gegenüber
dem Eintritt von Wasser und anderen Medien, die an das Sensorgehäuse selbst
zu stellen sind, werden in bekannten Ausführungsformen mehrteiliger Sensorgehäuse beispielsweise
dadurch erfüllt,
dass die Einzelteile der Sensorgehäuse durch Laserschweißen miteinander verbunden
und dicht verschweißt
werden. Des weiteren ist häufig
eine innere Dichtung vorhanden, die im fertig montierten Sensorgehäuse dessen
Innenraum in einen abgedichteten Bereich zur Aufnahme elektronischer
Baugruppen und einen Bereich für
die Aufnahme der sensitiven Baugruppe unterteilt, wobei die sensitive
Baugruppe zumindest in teilweisem Kontakt zur umgebenden Atmosphäre steht.
Die Verwendung unterschiedlicher Dichtmaterialien und der Einsatz mehrerer
Verfahrensschritte zur Komplettierung eines derart abgedichteten
Sensorgehäuses
sind mit einem erheblichen Aufwand verbunden. Dieser Nachteil wird
mit Hilfe der Erfindung überwunden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung besteht in einem schnell montierbaren Sensorgehäuse für Sensoren
mit Luftkontakt. Die schnelle Montierbarkeit im Sinne der Erfindung
wird dabei gewährleistet,
indem das Gehäuse zweiteilig
ausgeführt
ist und sich die beiden Gehäuseteile
ohne Werkzeug miteinander verbinden lassen. Das erfindungsgemäße Sensorgehäuse umfasst
ein erstes Gehäuseteil,
in dem sich ein Sensor mit mindestens einer sensitiven Baugruppe
befindet, ein zweites Gehäuseteil,
das mit dem ersten Gehäuseteil über ohne
Werkzeug verbindbare Verbindungsmittel, beispielsweise durch Einrasten
oder Anpressen, verbunden werden kann, um ein Gehäuse zu formen,
das den Sensor umschließt,
wobei das zweite Gehäuseteil
mindestens eine Öffnung
aufweist, die den Zutritt der umgebenden Atmosphäre zum Sensor ermöglicht.
Ein Gehäuseteil
weist eine Dichtung auf, die bei Verbindung der beiden Gehäuseteile
für eine Abdichtung
des Sensorgehäuses
im Kontaktbereich zwischen den beiden Gehäuseteilen sorgt. Dieses Gehäuseteil
weist eine weitere Dichtung auf, die bei der Verbindung der beiden
Gehäuseteile
für eine
Aufteilung des Innenraums des Sensorgehäuses in einen Bereich, der über die Öffnung im
zweiten Gehäuseteil
mit der umgebenden Atmosphäre
in Verbindung steht, und einen Bereich, der hermetisch gegenüber der
Sensorumgebung abgeschlossen ist, sorgt.
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Vorteilhafte Wirkungen
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Vorteilhafterweise
ist das Sensorgehäuse
als ein Gehäuse
für einen
Drucksensor ausgelegt, wobei die Öffnung im zweiten Gehäuseteil
durch einen hutzenförmigen
Druckeinlasskanal gebildet wird. Das ermöglicht eine Montage erfindungsgemäßer Sensoren
in abgeschirmten Bereichen hinter entsprechenden Durchbrüchen. Dem
Konzept einer Schnellmontage ist es weiterhin dienlich, wenn das
zweite Gehäuseteil über Befestigungsmittel
verfügt,
mit denen eine Befestigung des Sensorgehäuses an vorgegebenen Einbauorten
möglich
ist. Des weiteren ist es vorteilhaft, wenn sich alle für die Funktionsfähigkeit des
Sensorgehäuses
erforderlichen Dichtungen am zweiten Gehäuseteil befinden. Für eine vielseitige Verwendbarkeit
eines erfindungsgemäßen Sensorgehäuses ist
es von Vorteil, wenn an der Außenseite des
zweiten Gehäuseteiles
eine Dichtung angeordnet ist, welche die Öffnung, die den Zutritt der
umgebenden Atmosphäre
zum Sensor ermöglicht,
umfängt.
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Die
Verbindungsmittel zur Verbindung der beiden Gehäuseteile umfassen vorteilhafterweise elastisch
auslenkbare Rastelemente und korrespondierende Eingriffsstrukturen.
Insbesondere bei einer Auslegung der beiden Gehäuseteile als Spritzgussteile
aus Kunststoff lassen sich derartige Verbindungsmittel sehr leicht
realisieren. In diesem Fall können
die Verbindungsmittel je nach Anwendungsfall so angelegt werden,
das sie von außen
zu lösen sind
oder nach der Montage des erfindungsgemäßen Sensorgehäuses gerade
nicht mehr von außen
zu lösen
sind, was unbefugte Manipulationen im Innern des Sensorgehäuses verhindern
hilft.
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Fertigungstechnisch
ist es des weiteren von Vorteil, wenn alle Dichtungen aus Silikon
bestehen und miteinander verbunden sind, was ihre Anbringung in
einem einzigen Arbeitsschritt eines Zweikomponentenprozesses ermöglicht.
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Ausführungsformen der Erfindung
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An
einem Ausführungsbeispiel
wird die Erfindung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
Sensorgehäuse
mit eingeschlossenem Drucksensor gemäß dem Stand der Technik;
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2 ein
Gehäuseteil
eines erfindungsgemäßen Sensorgehäuses mit
Befestigungsmitteln;
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3a ein
vollständig
zusammengesetztes erfindungsgemäßes Sensorgehäuse mit
einem eingeschlossenen Drucksensor; und
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3b eine
weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Sensorgehäuses mit
eingeschlossenem Drucksensor.
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Alle
Figuren sind als Schnittdarstellungen ausgeführt.
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1 zeigt
ein Sensorgehäuse
mit eingeschlossenem Drucksensor gemäß dem Stand der Technik. Der
Sensor ist an einer Öffnung
in einer Trennwand 1 angeordnet, die sich im Inneren einer nicht
dargestellten Fahrzeugtür
befindet und den Nassraum 2 der Fahrzeugtür vom Trockenraum 3 der Fahrzeugtür separiert.
Das Sensorgehäuse
ist aus zwei Teilen bestehend ausgeführt, wobei ein Unterteil 4 in
Wannenform der Aufnahme des eigentlichen Sensors, im vorliegenden
Beispiel des Drucksensors, dient. Der Drucksensor umfasst ein bekanntes Kapselgehäuse 5,
das der Kapselung der eigentlichen sensitiven Baugruppe 6,
vorliegend auf Piezo-Basis, dient. Die sensitive Baugruppe 6 ist
in der Lage, Druckwerte der anliegenden Atmosphäre in elektrische Größen, beispielsweise
auf piezoresistiver Basis, umzusetzen. Aus diesem Grund ist es erforderlich,
dass die sensitive Baugruppe 6 nicht vollständig verkapselt
wird, sondern über
einer perforierten Deckelstruktur 7 mit der Umgebungsatmosphäre in Kontakt
steht. Die sensitive Baugruppe 6 steht über Bond-Verbindungen 8 mit
seitlich aus dem Kapselgehäuse 5 herausführenden
Pins 9 in Verbindung. Diese Pins 9 führen wiederum
zu einer Leiterplatte 10 und entsprechenden Orten der Anbindung,
an denen beispielsweise eine Lötverbindung
zwischen den Pins 9 und weiterführenden Leiterbahnen (nicht
dargestellt) bestehen kann. Die Leiterplatte 10 kann dabei
lediglich der Kontaktierung des eigentlichen Sensors, insbesondere
der sensitiven Baugruppe 6, dienen, aber auch weitere Elektronik
aufnehmen, die zur Ansteuerung des Sensors bzw. zu einer ersten
Auswertung gewonnener Signale verwendet werden kann. Zur externen
Kontaktierung der gesamten Sensoranordnung am Montageort ist die
Leiterplatte 10 über
Kontakt- und Verbindungsmittel 11 mit dem unteren Gehäuseteil 4 fest
verbunden und kann in externe, nicht dargestellte Schaltungen einbezogen werden.
Das obere Gehäuseteil 12 deckt
in Form einer Kappe das untere Gehäuseteil 4 ab und sorgt
damit zumindest für
einen weitgehenden Schutz des Gehäuseinnenraums vor äußeren mechanischen Einflüssen. Das
obere Gehäuseteil 12 weist
einen Druckeinlasskanal 13 auf, der in Form einer Hutze durch
die Öffnung
in der Trennwand 1 ragt und so ermöglicht, dass sich der im Inneren
des Nassraumes 2 der Fahrzeugtür herrschende Druck unmittelbar
zur sensitiven Baugruppe 6 des Drucksensors fortsetzen kann.
Um die Trennfunktion der Trennwand 1 trotz der für die Montage
des Sensors erforderliche Öffnung
weiter zu gewährleisten,
ist der Bereich der Öffnung
von einer äußeren Dichtung 14 umgeben,
welche vorliegend einen ausgeschäumten
Bereich umfasst, der den Sensor mit der Trennwand 1 verbindet und
dem Eintreten von Flüssigkeiten
sowie mechanischer Verunreinigungen durch die Öffnung in der Trennwand 1 in
den Trockenraum 3 der Fahrzeugtür verhindert. Das obere Gehäuseteil 12 und
das untere Gehäuseteil 4 sind über einen
laserverschweißten Bereich 15 miteinander
verbunden. Der laserverschweißte
Bereich 15 dient gleichzeitig der Abdichtung des Sensorgehäuses, wobei
die Gewährleistung
der Dichtwirkung über
eine Dichteprüfung
erfolgt. Zwischen dem oberen Teil des Gehäuses 12 und dem Kapselgehäuse 5 befindet
sich eine weitere innere Dichtung 16, welche einen Bereich 17 unmittelbar
vor der sensitiven Baugruppe 6, der funktionsbedingt mit
der Außenatmosphäre in Verbindung
stehen muss, vom restlichen Innenraum innerhalb des Gehäuses trennt
und für
einen zuverlässigen
Schutz vor dem Eindringen von Feuchtigkeit in gegebenenfalls von
Elektronik eingenommene Bereiche sorgt. Diese Dichtung ist gemäß dem Stand
der Technik in einem Zweikomponenten-Prozess, gegebenenfalls auf
Silikon-Basis, vor der Montage der Gehäuseteile 4 und 12 am
oberen Gehäuseteil 12 anzuspritzen.
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2 zeigt
ein oberes Gehäuseteil 12 eines erfindungsgemäßen Sensorgehäuses mit
Befestigungsmitteln 18. Dieses obere Gehäuseteil 12 ist
mit einer als Druckeinlasskanal 13 wirkenden Nutze ausgestattet
und als Spritzgussteil aus einem Kunststoffmaterial, beispielsweise
aus Polypropylen, Polyamid oder PPT, hergestellt. An das obere Gehäuseteil 12 sind
in einem Zweikomponentenprozess verschiedene Dichtungen 14, 16, 19 angespritzt.
Eine äußere Dichtung 14 ist
als eine die als Druckeinlasskanal 13 fungierende Nutze
umlaufende Dichtung ausgelegt. Eine weitere als innere Dichtung 16 nutzbare
ringförmige
Dichtung umgibt die in das Gehäuseinnere
führende Öffnung des
Druckeinlasskanals 13 auf der Unterseite des Gehäuseoberteils 12.
Im Außenbereich
des Gehäuseoberteils 12 sind
elastisch auslenkbare Rastelemente 20 angeordnet, die gegebenenfalls
mit korrespondierenden Eingriffsstrukturen eines anzufügenden Gehäuseteiles
formschlüssig Wechselwirken
können.
Des weiteren umfasst das obere Gehäuseteil 12 formschlüssig wirkende
Führungselemente
in Form eines abgewinkelten Randes 21, die ein Zusammenfügen des
oberen Gehäuseteiles 12 mit
korrespondierenden weiteren Gehäuseteilen
erleichtern sollen. Im Kontaktbereich zwischen dem oberen Gehäuseteil 12 und
dem gegebenenfalls durch eine Klips-Verbindung zwischen den Rastelementen 20 und
korrespondierenden Eingriffsstrukturen anzubringenden weiteren Gehäuseteil
ist eine weitere Dichtung 19 angeordnet, die im Fall einer kompletten
Montage des Sensorgehäuses
für eine Abdichtung
des Sensorgehäuses
gegenüber
der Gehäuseumgebung
sorgt. Alle drei Dichtungen 14, 16, 19 sind
aus einem einheitlichen Material gefertigt und lassen sich daher
in einem einzigen Verfahrensschritt, vorliegend durch Anspritzen
von Silikon, aufbringen. Alle drei Dichtungen 14, 16, 19 sind über Spritzkanäle im Kunststoffma terial
des oberen Gehäuseteils 12 verbunden,
was zusätzlich
für eine
Lagefixierung sorgt. Das obere Gehäuseteil 12 weist des
weiteren Befestigungsmittel 18, vorliegend in Form von
Schrauben, auf, mit denen es vor der vollständigen Montage des Sensorgehäuses an
jeweils gewünschten
Einbauorten fixiert werden kann, wobei durch die Fixierung gleichzeitig
ein Anpressen bewirkt wird, was die Entfaltung der Dichtwirkung
der äußeren Dichtung 14 ermöglicht.
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3a zeigt
ein vollständig
zusammengesetztes erfindungsgemäßes Sensorgehäuse mit
einem eingeschlossenen Drucksensor. Ein in 2 dargestelltes
Gehäuseoberteil 12 ist
mit Befestigungsmitteln 18 an einer Trennwand 1 im
Inneren einer Fahrzeugtür
befestigt. Eine als Druckeinlasskanal 13 fungierende Nutze
ragt durch eine Öffnung
in der Trennwand 1 in den Nassraum 2 der Fahrzeugtür, während der
Rest des Sensorgehäuses
im Trockenraum 3 der Fahrzeugtür angeordnet ist. Die Befestigung
des Gehäuseoberteils 12 erfolgt
so, dass eine an der Außenseite
des Gehäuseoberteils 12 angebrachte äußere Dichtung 14 fest
gegen die Trennwand 1 gepresst wird, wodurch ein Eindringen
von Feuchtigkeit und anderen Medien in den Trockenraum 3 des
Fahrzeuges durch die für
die Unterbringung des Druckeinlasskanals 13 erforderliche Öffnung in
der Trennwand 1 verhindert wird. Ein für eine erfindungsgemäße Schnellmontage
ausgelegtes Gehäuseunterteil 4 ist
wannenförmig
ausgelegt und dient der Aufnahme des eigentlichen Drucksensors mit
der sensitiven Baugruppe 6, der in bekannter Weise auf
einer Leiterplatte 10 angeordnet ist. Die Leiterplatte 10 selbst
ist wiederum über
Kontakt- und Verbindungsmittel 11 mit dem unteren Gehäuseteil 4 verbunden.
Das Gehäuseunterteil 4 weist
in seinem oberen Randbereich einen nach außen weisenden umlaufenden Rand 22 auf,
welcher für
die erfindungsgemäßen Rastelemente 20 am
oberen Gehäuseteil 12 als
korrespondierende Eingriffsstruktur dient. Des weiteren weist das
untere Gehäuseteil 4 eine
umlaufende Nut auf, in welche beim Zusammenfügen der beiden Gehäuseteile 4, 12 die
am oberen Gehäuseteil 12 angespritzte
Dichtung 19 eingreift. Das Zusammenfügen der Gehäuseteile 4, 12 erfolgt lediglich
durch Einstecken des unteren Gehäuseteils 4 in
das obere Gehäuseteil 12,
wobei es in Form einer Klips-Verbindung zur rastenden Verbindung
zwischen den elastischen Rastelementen 20 am oberen Gehäuseteil 12 und
dem umlaufenden Rand 22 am unteren Gehäuseteil 4 kommt, wenn
ein kurzes Anpressen erfolgt. Diese Form einer Klips-Verbindung gestattet
ein außerordentlich
schnelles Zusammenfügen
des erfindungsgemäßen Sensorgehäuses. Beim
Zusammenfügen
wird der Elektronikbauraum komplett abgedichtet, dass heißt, sowohl
Dichtung 19 als auch Dichtung 16 werden dabei
verpresst, und nur der Bereich der sensitiven Baugruppe 6 steht noch
mit der umgebenden Atmosphäre
in Kontakt. Die am oberen Gehäuseteil 12 angebrachten
Dichtungen 16, 19 sind dabei so ausgelegt, dass
sie für eine
ausreichende Rückstellkraft
sorgen, die im montierten Zustand des Sensorgehäuses für ein ausreichend stabiles
Anpressen des unteren Gehäuseteiles 4 gegen
die Rastelemente 20 des oberen Gehäuseteiles 12 sorgt.
Ein zu festes Anpressen der inneren Dichtung 16 gegen das
Kapselgehäuse 5,
welches die sensitive Baugruppe 6 umgibt, ist jedoch ebenfalls
zu vermeiden, um eine Deformation der mit der Leiterplatte 10 verbundenen
Pins 9 zu vermeiden und einer Überlastung des Kapselgehäuses 5 vorzubeugen.
Die Dimensionierung der einzelnen Dichtungen 14, 16, 19 sowie
deren zuverlässige
Funktionsweise lässt
sich in erfindungsgemäßen Gehäuseanordnungen
auf besonders einfache Weise realisieren, wenn die Materialien der
Gehäuseteile 4, 12 und die
für die
Dichtungen 14, 16, 19 verwendeten Materialien,
deutlich unterschiedliche Elastizitätsparameter aufweisen, was
beispielsweise gegeben ist, wenn die Gehäuseteile 4, 12 als
Spritzgussteile, beispielsweise aus Polypropylen, Polyamid oder
PPT ausgeführt
sind, während
die Dichtungen 14, 16, 19 aus hochelastischen
Materialien wie Silikon hergestellt sind. Einer Überbeanspruchung beim Zusammenfügen der
Gehäuseteile 4, 12 durch
eine zu starke Deformation der Dichtungen 16, 19 kann
vorgebeugt werden, wenn der obere Rand des unteren Gehäuseteiles 4 gleichzeitig
so ausgelegt bzw. erstreckt ist, dass er beim Zusammenfügen der
beiden Gehäuseteile 4, 12 als Anschlagselement
dient, wodurch ein zu tiefes Einstecken des unteren Gehäuseteiles 4 in das
obere Gehäuseteil 12 sicher
vermieden wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die rastende Klips-Verbindung
zwischen den beiden Gehäuseteilen 4, 12 so
ausgeführt,
dass sie sich unter Zuhilfenahme einfacher Werkzeuge durch Aufbiegen
der Rastelemente 20 des oberen Gehäuseteils 12 wieder lösen lässt, was
von Vorteil sein kann, wenn durch Funktionsstörungen bedingt eine Auswechslung
eines derartig ausgestatteten Sensors erforderlich werden sollte.
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3b zeigt
eine weitere Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Sensorgehäuses mit
eingeschlossenem Drucksensor. Der wesentliche Unterschied zu dem
in 3a dargestellten Ausführungsbeispiel steht in der
Ausgestaltung der Verbindungsmittel, die der rastenden Verbindung
zwischen den beiden Gehäuseteilen 4, 12 dienen.
Das obere Gehäuseteil 12 weist
in seinem Außenbereich
einen abgewinkelten Rand 23 auf, der lediglich als Führungselement
beim Zusammenstecken der beiden Gehäuseteile 4, 12 dient.
Der obere Rand des unteren Gehäuseteiles 4 weist
auf seiner Innenseite einen umlaufenden Rand 24 auf, welcher
korrespondierenden Rastelementen 25 des oberen Gehäuseteiles 12 als Eingriffsstruktur
dient, die innerhalb des Kontaktbereiches zwischen den beiden Gehäuseelementen
am oberen Gehäuseteil 12 angeordnet
sind und elastisch in den Innenbereich des erfindungsgemäßen Gehäuses ausgelenkt
werden können.
Die Verbindung der beiden Gehäuseteile 4, 12 erfolgt
auch in diesem Ausführungsbeispiel
durch einfaches Einstecken des unteren Gehäuseteiles 4 in das
obere Gehäuseteil 12,
wobei nach Eingriff der Rastelemente 25 in die durch den
inneren umlaufenden Rand 24 gebildete Eingriffsstruktur
ein einfaches Lösen
durch Anwendung einfacher Werkzeuge nicht mehr möglich ist. Derartige Gehäuseformen
lassen sich insbesondere in sicherheitsrelevanten Anwendungen einsetzen,
wo es auf einen Schutz der eingesetzten Sensoren vor unbefugten
Zugriff oder unbefugtem Austausch ankommen kann.