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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor und ein Verfahren zur Herstellung des Sensors.
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Stand der Technik
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Im Stand der Technik sind beispielsweise induktiver Sensoren bekannt, wobei das Sensorelement, die Spule, in einem Metallrohr hinter einer Plastikkappe angeordnet ist. Bei solchen Sensoren liegt die Positionsstabilität des Sensorelements jedoch lediglich in der Größenordnung von 0,1 mm.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Sensor bereitzustellen, der einen Aufbau oder eine Konstruktion aufweist, welche die Voraussetzung für eine verbesserte Positionsstabilität schafft. Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine bessere, dauerhaftere und positionsstabilere Verbindung einer in einem Gehäuse angebrachten Kappe, welcher ein Sensorelement aufweist, mit dem Gehäuse zu schaffen.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch den erfindungsgemäßen Sensor gelöst.
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Der Sensor weist ein Gehäuse, eine Kappe und eine elektronische Baugruppe auf. Das Gehäuse dient der Aufnahme der Kappe. Die Kappe ist mit einer Außenseite an einer Innenseite des Gehäuses befestigt und dient der Aufnahme der elektronischen Baugruppe. Die elektronische Baugruppe weist eine bestückte Leiterplatte auf und ist mit einem Ende in der Kappe befestigt. Die bestückte Leiterplatte weist ein Sensorelement auf oder ist mit einem solchen verbindbar oder verbunden.
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Die Kappe weist einen Mantel und bevorzugt einen Deckel auf. Der Deckel kann zum Beispiel eine Kreisform aufweisen und der Mantel kann zum Beispiel eine Zylinderform aufweisen, wobei der Deckel den Zylinder auf einer Seite abschließt.
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Die elektronische Baugruppe wird an der Kappe auf der Seite, auf der der Deckel sitzt, oder am Deckel selbst befestigt. Unter einer deckelseitigen Befestigung der elektronischen Baugruppe soll das gerade Beschriebene verstanden werden. Das Ende der elektronischen Baugruppe, welches in der Kappe befestigt ist, wird deckelseitiges oder verschlussseitiges Ende genannt. Bevorzugt weist das deckelseitige Ende der elektronischen Baugruppe das Sensorelement auf. In diesem Fall kann dieses Ende auch sensorseitiges Ende genannt werden. Die Kappe hat ein verschlossenes Ende und ein offenes Ende. Das verschlossene Ende kann auch Deckelseite oder Verschlussseite und das offene Ende kann offene Seite genannt werden. Die Kappe weist an ihrem Mantel mindestens ein Loch auf.
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Das Gehäuse weist an der Innenseite mindestens eine Ausnehmung auf, welche zwischen der Außenseite der Kappe und der Innenseite des Gehäuses einen Hohlraum bildet. Die Ausnehmung ist bevorzugt umlaufend.
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Mindestens ein Loch des mindestens einen Lochs verbindet eine Innenseite der Kappe mit der Ausnehmung. Bevorzugt gilt dies für alle Löcher.
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Der erfindungsgemäße Sensor hat den Vorteil, dass durch die Anordnung der Ausnehmung und des mindestens einen Lochs in der Kappe, Voraussetzung dafür geschaffen ist, die elektronische Baugruppe, die Kappe und das Gehäuse äußerst positionsfest miteinander zu verbinden. Hierzu ist vorgesehen, dass ein aushärtbares Fluid, z.B. ein Schaum, ein Gießharz oder ein Kleber, in das Innere der Kappe und des Gehäuses um die elektronische Baugruppe herum sowie in das mindestens einen Loch der Kappe und die Ausnehmung des Gehäuses eingebracht wird und dort erstarrt oder aushärtet, wodurch die elektronische Baugruppe, die Kappe und das Gehäuse positionsfest und starr miteinander verbunden werden.
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Das Gehäuse hat bevorzugt die Form eines Rohrs und ist bevorzugt aus Messing gefertigt. Bevorzugt weist das Material der Kappe einen thermoplastischen Kunststoff, insbesondere Polybutylenterephthalat (PBT), auf oder besteht aus einem solchen. Alternativ können andere Materialien Verwendung finden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist im Inneren der Kappe, in dem mindestens einen Loch der Kappe und in der mindestens einen Ausnehmung des Gehäuses ein aushärtbares Fluid, insbesondere ein Schaum, zur Befestigung der Kappe mit dem Gehäuse angeordnet. Anstatt eines Schaums kann auch ein anderer Füllstoff verwendet werden.
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Da mindestens ein Loch des mindestens einen Lochs eine Innenseite der Kappe mit der Ausnehmung verbindet, verbindet der Schaum an mindestens einer Stelle, d.h. an dem mindestens einen Loch das Innere der Kappe mit der Ausnehmung. Bevorzugt gilt dies für alle Löcher.
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Der Schaum ist bevorzugt ein Polyurethanschaum.
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Der Sensor ist bevorzugt ein induktiver, kapazitiver, optischer, Ultraschall- oder magnetfeldempfindlicher Sensor. Das jeweilige Sensorelement ist bevorzugt hinter dem Deckel der Kappe angeordnet. Im Falle eines induktiven oder kapazitiven Sensors ist das Material der Kappe durchlässig für elektrische und / oder elektromagnetische Felder. Im Falle eines Magnetfeldsensors, ist das Material der Kappe durchlässig für Magnetfelder. Im Falle eines optoelektronischen Sensors ist das Material der Kappe durchlässig für Licht oder elektromagnetische Strahlung.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Kappe zwischen einer ersten umlaufenden Kante und einer zweiten umlaufenden Kante des Gehäuses befestigt. Die Befestigungsmethode ist bevorzugt ein Verspannen. Dies kann zum Beispiel durch ein Übermaß der Kappe gegenüber dem Maß am Gehäuse, an dem die Kappe befestigt wird, erreicht werden. Das Maß am Gehäuse kann zum Beispiel der Abstand der ersten und zweiten umlaufenden Kante sein. Dies hat den Vorteil, dass die Kappe gegenüber dem Gehäuse eine hohe Positionsstabilität aufweist.
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Bevorzugt sind die erste umlaufende Kante und die zweite umlaufende Kante des Gehäuses ein Teil der mindestens einen Ausnehmung des Gehäuses. Solche Kanten sind vorteilhafterweise in einer Ausnehmung einfach anzubringen.
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Bevorzugt ist die erste umlaufende Kante das Gehäuses zur Deckelseite der Kappe oder zum offenen Ende des Gehäuses hin gewandt und die zweite umlaufende Kante von der Deckelseite der Kappe oder vom offenen Ende des Gehäuses abgewandt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Rastnase der Kappe an einer ersten umlaufenden Kante des Gehäuses eingerastet und ist ein offenes Ende der Kappe gegen eine zweite umlaufende Kante des Gehäuses gepresst. Die Rastnase ist bevorzugt umlaufend. Bevorzugt wird hierbei das offene Ende der Kappe zuerst in das offene Ende des Gehäuses eingeführt bis eine vom Deckel abgewandte Kante der Kappe die zweite umlaufende Kante des Gehäuses berührt. Zu diesem Zeitpunkt ist die umlaufende Einrastnase der Kappe noch nicht an der ersten umlaufenden Kante des Gehäuses eingerastet. Um die Einrastnase der Kappe an der ersten umlaufenden Kante des Gehäuses einzurasten, benötigt es eine vorgegebene Kraft, welche auf die Kappe entlang einer Richtung von der Deckelseite zur offenen Seite der Kappe ausgeübt wird. Mit derselben Kraft wird das offene Ende der Kappe gegen die zweite umlaufende Kante des Gehäuses gepresst. Nachdem die Einrastnase der Kappe an der ersten umlaufenden Kante des Gehäuses eingerastet ist, ist die Kappe aufgrund der Einrastnase in Richtung des Deckels gesichert und gleichzeitig das offene Ende der Kappe gegen die zweite umlaufende Kante des Gehäuses verpresst. Somit wird die Kappe zwischen der ersten und zweiten umlaufenden Kante des Gehäuses sicher gehalten, was eine hohe Positionsstabilität der Kappe gegenüber dem Gehäuse garantiert.
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Der Außendurchmesser der auf der Kappe angebrachten Rastnase der Kappe ist breiter als der Innendurchmesser des Gehäuses. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Außendurchmesser der Rastnase mit 14,7 mm um 0,3 mm größer als der Außendurchmesser der Kappe, welcher einen Außendurchmesser von 14,4 mm aufweist. Gemäß dieser Ausführungsform hat das Gehäuse ein Innenmaß von 14,5 mm und das Innenmaß des Rohrs an der Stelle der Ausnehmung ist 15,4 mm. Somit wird die Kappe in der Ausnehmung des Gehäuses sicher gehalten.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die erste umlaufende Kante des Gehäuses an einem longitudinalen Ende der mindestens einen Ausnehmung des Gehäuses und die zweite umlaufende Kante des Gehäuses an dem entgegengesetztem longitudinalen Ende der mindestens einen Ausnehmung des Gehäuses angeordnet. Aus Gründen der Ökonomie ist es vorteilhaft, dass die erste und zweite umlaufende Kante des Gehäuses entlang der longitudinalen Achse des Rohrs gesehen an den äußeren Stellen der Ausnehmung angeordnet sind. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist es jedoch möglich, dass die erste und zweite umlaufende Kante des Gehäuses im Inneren der Ausnehmung angeordnet sind und sich die Ausnehmung jenseits der ersten oder zweiten umlaufenden Kante erstreckt.
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Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein geschlossenes Ende der Kappe bündig mit einem offenen Ende des Gehäuses. Bevorzugt wird die Kappe durch das offene Ende des Gehäuses in das Gehäuse eingebracht. Hierbei wird die Kappe zunächst mit dem offenen Ende der Kappe durch das offene Ende des Gehäuses eingebracht. Das Einbringen geschieht so lange, bis das hintere Ende der Kappe, d.h. der Deckel, bündig mit dem offenen Ende des Gehäuses abschließt. Dieses Merkmal hat den Vorteil, dass sowohl die Kappe als auch das Gehäuse bündig sind und eine Einheit bilden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die elektronische Baugruppe mit einem deckelseitigen oder sensorseitigen Ende in dem geschlossenen Ende der Kappe befestigt. Die Befestigungsmethode ist bevorzugt ein Kleben. Besonders bevorzugt wird in der Kappe auf dem Deckel ein Kunstharz, insbesondere ein Gießharz, zum Beispiel ein PU-Gießharz, eingefüllt, worin das deckelseitige Ende der elektronische Baugruppe eingetaucht wird, um sie zu verkleben. Das Verkleben mit einem Gießharz hat den Vorteil, dass die elektronische Baugruppe äußerst fest mit der Kappe verbunden ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe der Erfindung durch ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Sensors gelöst.
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Gemäß einem ersten Schritt des Verfahrens wird ein Gehäuse bereitgestellt, welches mindestens eine Ausnehmung an einer Innenseite des Gehäuses aufweist. In einem zweiten Schritt des Verfahrens wird eine Kappe bereitgestellt, welche in ihrer Mantelseite mindestens ein Loch aufweist. In einem dritten Schritt des Verfahrens wird ein Ende einer elektronischen Baugruppe in der Kappe befestigt. Gemäß einem vierten Schritt wird eine Außenseite der Kappe an einer Innenseite des Gehäuses befestigt, so dass sich zwischen der Kappe und dem Gehäuse ein Hohlraum bildet. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Reihenfolge des dritten und vierten Schritts vertauscht sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird in einem nächsten Schritt des Verfahrens ein aushärtbares Fluid, insbesondere ein Schaum, in das Innere der Kappe, in das mindestens eine Loch der Kappe und in die mindestens eine Ausnehmung des Gehäuses zur Befestigung der Kappe mit dem Gehäuse eingebracht.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweiligen angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Figurenliste
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1A zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 1B zeigt eine schematische, dreidimensionale Schnittdarstellung des Sensors gemäß 1A.
- 2A zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Sensors gemäß 1A unter Weglassung einer elektronischen Baugruppe und eines Schaumes.
- 2B zeigt eine schematische, teilweise geschnittene dreidimensionale Darstellung des Sensors gemäß 2A.
- 3 zeigt jeweils eine Darstellung einer Kappe und eine Schnittdarstellung eines Gehäuses eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 4 zeigt eine Kappe eines Sensors in einer dreidimensionalen Darstellung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 5 zeigt einen Sensor samt elektronischer Baugruppe und daran angeschlossenem Stecker gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsbeispiel der Erfindung
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In den 1A und 1B kann man ein Gehäuse 110, eine Kappe 120 und eine elektronische Baugruppe 130 eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. erkennen. Zwischen dem Gehäuse 110 und der Kappe 120 befindet sich eine Ausnehmung 112 des Gehäuses. Die Kappe 120 hat einen Mantel 122 und an einem geschlossenen Ende 124 einen Deckel 127. Die Kappe 120 weist im Mantel 122 vier Löcher 123 auf, von denen in den Schnittdarstellungen der 1A und 1B lediglich zwei zu sehen sind.
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Die elektronische Baugruppe 130 weist deckelseitig ein Sensorelement 133 und daran anschließend in Richtung einer vom Deckel 127 abgewandten Seite eine Leiterplatte 134 auf, an deren deckelseitigem Ende das Sensorelement 133 befestigt ist. Die Leiterplatte 134 weist eine Vielzahl von Bauteilen 135 auf. Die elektronische Baugruppe 130 ist im Inneren der Kappe 120 deckelseitig mit einem Gießharz160 oder einem Kleber an der Kappe 120 festgeklebt. Das Gießharz 160 ist vorliegend ein PU-Gießharz. Zur Befestigung der elektronischen Baugruppe 130 an der Kappe 120 wird zuerst das Gießharz 160 in die mit dem Deckel 127 nach unten stehende Kappe 120 gefüllt und danach die elektronische Baugruppe 130 in das Gießharz 160 getaucht bis die elektronische Baugruppe 130 den Deckel 127 der Kappe 120 berührt. Nach dem Trocknen und Aushärten des Epoxidharzes 160 ist die elektronische Baugruppe 130 fest mit der Kappe 120 verbunden. Der Schnittzeichnung der 1A ist lediglich ein c-förmiger Bereich zu sehen, in dem Gießharz 160 vorhanden ist. Da das Sensorelement jedoch flach ist, ist der deckelseitige Bereich der Kappe 120 nahezu vollständig mit Gießharz 160 ausgefüllt. Bei optischen Sensoren ist das Gießharz 160 jedoch nur an dem nicht lichtdurchlässigen Ende vorhanden und nicht am Ende der Kappe 120.
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Zur Befestigung des Gehäuses 110, der Kappe 120 und der elektronischen Baugruppe 130 ist ein Schaum 150 in den Sensor 100 eingebracht. Der Schaum 150 befindet sich im Innern 129 des Gehäuses 110 zwischen der elektronischen Baugruppe 130 einerseits und dem Gehäuse 110 und der Kappe 120 andererseits. Ferner befindet sich der Schaum 150 in den Löchern 123 der Kappe 120 und in der Ausnehmung 112 des Gehäuses 110. Diese Bereiche sind alle zusammenhängend, wodurch der Schaum 150 alle drei Komponenten, d. h. das Gehäuse 110, die Kappe 120 und die elektronische Baugruppe 130 miteinander verbindet. Dies wird auch Verkrallung oder Schaum-Verkrallung genannt. Neben Verkrallung wird das auch eine formschlüssige Verbindung genannt.
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2A und 2B zeigen den Sensor 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in zwei unterschiedlichen Darstellungen. 2A zeigt eine Schnittzeichnung und 2B zeigt eine dreidimensionale Teilansicht, in der das Gehäuse 110 geschnitten dargestellt ist und die Kappe 120 in einer Vollansicht dargestellt ist. In den 2A und 2B sind zur Verdeutlichung der Befestigung der Kappe 120 im Gehäuse 110 lediglich die Kappe 120 und das Gehäuse 110 abgebildet.
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In den 2A und 2B ist zu sehen, dass die Kappe 120 zwischen einer ersten umlaufenden Kante 113 des Gehäuses 110 und einer zweiten umlaufenden Kante 114 des Gehäuses 110 verspannt ist.
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Eine umlaufende Rastnase 126 ist hierbei an der ersten umlaufenden Kante 113 des Gehäuses 110 verrastet. Alternativ kann eine Rastnase 126 verwendet werden, welche mindestens einmal unterbrochen ist. Ein offenes Ende 125 der Kappe 120 ist gegen die zweite umlaufende Kante 114 des Gehäuses 110 gepresst. Da der Mantel 122 der Kappe 120 in diesem Ausführungsbeispiel eine Zylinderform aufweist, ist das offene Ende 125 der Kappe 120 kreisringförmig. Dieses kreisringförmige offene Ende 125 der Kappe 120 ist gegen die zweite umlaufende Kante 114 des Gehäuses 110 gepresst.
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In den 2A und 2B ist weiterhin eine Verdickung 128 zu sehen, welche an einer Außenseite 121 der Kappe 120 umlaufend angebracht ist. Anstatt einer Verdickung 128 kann alternativ keine Verdickung 128 oder mehrere hintereinander angeordnete Verdickungen 128 vorhanden sein. Die Verdickung 128 ist entlang einer axialen Richtung zwischen dem Deckel 127 und der umlaufenden Rastnase 126 angeordnet. Die Verdickung 128 wirkt mit der Innenseite 111 des Gehäuses 110 zusammen und bewirkt eine weitere Befestigung der Kappe 120 am Gehäuse 110. Die Verdickung 128 liegt am Gehäuse 110 an einer Stelle auf, welche zwischen dem offenen Ende 115 des Gehäuses 110 und der ersten umlaufenden Kante 113 des Gehäuses 110 ist.
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3 verdeutlicht, wie diese Verpressung erzielt wird. 3 zeigt die Kappe 120 links vor dem offenen Ende 115 des Gehäuses 110. Hierbei sind das Gehäuse 110 und die Kappe 120 entlang derselben Achse X koaxial angeordnet. Um die Kappe 120 im Gehäuse 110 zu verspannen, wird die Kappe 120 von links nach rechts durch das offene Ende 115 des Gehäuses 110 geführt, bis das kreisförmige offene Ende 125 der Kappe 120 gegen die zweite umlaufende Kante 114 des Gehäuses 110 stößt, wodurch eine formschlüssige Verbindung entsteht. Da das Maß zwischen der ersten umlaufenden Kante 113 und der zweiten umlaufenden Kante 114 des Gehäuses 110 um ΔL kleiner oder kürzer ist als das Maß zwischen der Rastnase 126 und dem offenen Ende 125 der Kappe 120, muss die Kappe 120 mit dem offenen Ende 125 gegen die zweite umlaufende Kante 114 gedrückt oder gepresst werden, so dass die Kappe 120 entlang der Axialrichtung um ein Betrag von ΔL oder mehr gestaucht wird. Das Übermaß ΔL kann z.B. 0,1 oder 0,2 mm betragen.
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Nachdem die Kappe 120 gestaucht wurde, kann die Rastnase 126 bei der ersten umlaufenden Kante 113 des Gehäuses 110 einrasten. Da der Außendurchmesser der Rastnase 126 mit 14,7 mm deutlich breiter als der Innendurchmesser des Gehäuses 110 von 14,5 mm ist, kann sich die Kappe 120 nicht mehr in Richtung des offenen Endes 115 des Gehäuses 110 bewegen. Die Länge der Kappe 120 ist dermaßen, dass der Deckel 127 mit dem offenen Ende 115 des Gehäuses bevorzugt bündig abschließt.
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4 zeigt eine dreidimensionale Darstellung der Kappe 120, bei der man die vier im Mantel 122 angeordneten Löcher 123 gut erkennen kann. 4 zeigt ebenfalls die Rastnase 126 und die Verdickung 128.
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5 zeigt den Sensor 100 des Ausführungsbeispiels der 1A, 1B, 2A, 2B, 3 und 4. 5 zeigt jedoch im Gegensatz zu den oben genannten Figuren noch weitere Bauteile, insbesondere zur Kontaktierung des Sensors.
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Anhand der 5 soll verdeutlicht werden, wie ein solcher Sensor hergestellt wird. Hierzu wird Gießharz 160 in die Kappe 120 eingefüllt und die elektronische Baugruppe 130 in das Gießharz 160 eingetunkt, um die elektronische Baugruppe 130 mit der Kappe 120 zu verkleben. Nach Einfügen von elektronischer Baugruppe 130 und Kappe 120 durch das offene Ende 115 des Gehäuses 110 in das Gehäuse 110 werden ein Rohrabschnitt 170 und ein Stecker 180 eingefügt. Hierbei weist der Stecker 180 eine Öffnung 190 entlang der Längsachse auf, durch die der Schaum 150 eingefüllt wird. Nach dem Einfüllen quillt der Schaum 150 und füllt das gesamte Gehäuse 110 aus.