DE102017201320B3

DE102017201320B3 - Elektronisches Schaltgerät für die Automatisierungstechnik und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102017201320B3
Application number: DE102017201320.6A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Heinrich; Michael Weber
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2017-01-27
Filing date: 2017-01-27
Publication date: 2018-03-08
Anticipated expiration: 2037-01-28

Abstract

Elektronisches Schaltgerät für die Automatisierungstechnik mit einer Sensoreinheit 1, einem Schaltungsträger 2 und einem Steckeranschluss 3, dessen Gehäuse im Wesentlichen aus Metall besteht und das mit einer Kunststoffmasse 4 vergossen ist, wobei das Metallgehäuse einem zylindrischen Abschnitt 5 mit einem größeren Durchmesser als der Steckeranschluss 3 aufweist, wobei erfindungsgemäß – der Steckeranschluss 3 ein Gewinderohr 6 und eine Lochscheibe 7 aufweist, die durch Bördeln oder Prägen formschlüssig miteinander verbunden sind, – der Steckeranschluss 3 formschlüssig durch Bördeln oder Prägen mit dem zylindrischen Abschnitt 5 verbunden ist, und – die Kunststoffmasse 4 ein Weichschaum ist. – Außerdem wird das zugehörige Herstellungsverfahren beansprucht.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Schaltgerät für die Automatisierungstechnik mit einem Metallgehäuse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäß Anspruch 6.
Unter einem elektronischen Schaltgerät soll ein induktiver, kapazitiver, magnetischer oder optischer Näherungsschalter, aber auch ein Schreib-Lesegerät für einen RFID-Transponder oder ähnliches verstanden werden.
Solche Geräte weisen einen an ihrer Frontseite angeordneten Sensor zur Erfassung einer physikalischen Größe, eine Elektronikeinheit zur Auswertung des Sensorsignals und zur Erzeugung eines meist binären Schaltsignals und einen elektrische Anschluss in Form eines Steckers oder Anschlusskabels, sowie optional eine LED oder ein Display zur Anzeige der Betriebsspannung oder des Schaltzustandes auf.
Die Gehäuse sind vorwiegend zylindrisch, meistens mit einem Außengewinde versehen, was quaderförmige Gehäuse aber nicht ausschließen soll. Für raue Einsatzbedingungen werden diese Gehäuse aus Metall, vorzugsweise aus Edelstahl hergestellt. Die Sensorfläche besteht aus leicht nachvollziehbaren Gründen außer bei magnetischen und induktiven Ganzmetall-Schaltern aus Kunststoff oder Keramik.
Die in Rede stehenden elektronischen Schaltgeräte werden in der Regel vergossen, um die elektronische Schaltung zu schützen, aber auch um die Wärmeableitung zu verbessern. Das geschieht in der Regel mit Gießharz oder Hartschaum, die vorzugsweise aus Polyurethan oder Epoxidharz bestehen.
Die DE 101 09 442 B4 zeigt einen Näherungsschalter mit einem hülsenförmigen Gehäuse und einem Steckeranschluss. Das Gehäuse besteht aus einem metallischen Innenglattrohr, das sensorseitig mit einem Deckel und anschlussseitig mit einem Stecker versehen ist. Unter anderem wird vorgeschlagen, das Endstück mit dem Stecker durch radiales Prägen, Bördeln oder Einpressen mit dem Innenglattrohr zu verbinden. Zur Dichtung sind beidseitig (elastomerische) O-Ringe vorgesehen. Das Gehäuse wird wie üblich mit Gießharz gefüllt.
Gießharz oder auch Hartschaum lösen sich wegen ihres relativ hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten mit der Zeit vom Metallgehäuse ab, so dass es zur Spaltbildung kommt, was das Eindringen von Medien (Wasser) ermöglicht und gemäß dem Stand der Technik durch eine elastomere Dichtung verhindert wird.
Als nachteilig werden der Einsatz mindestens eines elastomeren Dichtelements, aber auch der Herstellungsaufwand für das genannte Endstück mit einen im Durchmesser gegenüber dem Innenglattrohr reduzierten Steckeranschluss angesehen.
Die DE 20 2007 003 687 U1 zeigt einen Näherungsschalter mit einem ein zylindrisches Hohlrohr aufweisendes und mit einer Mehrzahl von elektronischen Bauelementen gefülltem Gehäuse. Der Raum zwischen den elektronischen Bauelementen und der Innenwand des Hohlrohrs ist mit einer Vergussmasse gefüllt, wobei auch die meist mit Kunststoff umhüllten elektronischen Bauelemente von Vergussmasse umschlossen sind. Um einer Spaltbildung zu begegnen, wird hier vorgeschlagen, eine aus zwei Spiralrillen bestehende Doppelnut in die Innenseite des Gehäuses einzubringen, um so eine zusätzliche formschlüssige Haftung der Vergussmasse an der Gehäusewand zu erreichen. Dieser zusätzliche Arbeitsgang wird als nachteilig angesehen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, diese Nachteile zu überwinden, und ein einfacher und vor allem kostengünstiger herstellbares elektronisches Schaltgerät im Metallgehäuse anzugeben. Insbesondere soll auf zusätzliche elastomere Dichtelemente verzichtet werden.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen der Patentansprüche 1 und 6 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen die Ausgestaltung der Erfindung.
Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, den Grundkörper des Gehäuses in der bekannten Weise aus einem metallischen Innenglattrohr mit einem frontseitigem Deckel für den Sensorbereich oder, was nur bei induktiven Näherungsschaltern möglich ist, ganz aus einer Metallhülse zu fertigen, und mit einen ebenfalls an sich bekannten metallischen Steckeranschluss mit dem Innenglattrohr durch Pressen, Prägen oder Bördeln zu verbinden, wobei allerdings keine dichte Verbindung entsteht. Die Dichtigkeit wird erfindungsgemäß durch Verguss mit einem Weichschaum erreicht, der sich im Gegensatz zu Epoxidharz und Hartschaum nicht von der metallischen Gehäusewand und den im Gehäuse befindlichen Kunststoffteilen löst. Wie sich in überraschender Weise gezeigt hat, lässt sich entgegen dem üblichen Verguss mit einem bestenfalls mittelharten Polyurethanschaum, was aus den beiden Druckschriften DE 10 2013 200 775 A1 und DE 10 2013 200 778 A1 bekannt ist, ein Weichschaum mit den dafür notwendigen Eigenschaften angeben. Er besteht aus Polyurethan und weist in einer ersten Ausführung bei einer Messung nach Shore 00 eine Härte von 10 bis 60 auf. Das Raumgewicht liegt zwischen 100 und 500 g/l. Eine weitere Ausführung weist einer Messung nach Shore A eine Härte zwischen 20 und 50 auf, wobei das Raumgewicht bis zu 900 g/l betragen kann.
Der Weichschaum weist folgende Zusammensetzung auf:
A-Komponente:

– Polyetherpolyol und / oder Polyesterpolyol als Grundlage zur Polyurethanherstellung
– Vernetzer z.B. auf Glykolbasis zur Erhöhung der physikalischen Eigenschaften
– Haftvermittler
– Katalysator auf Aminbasis (Beschleuniger)
– Geringe Menge Wasser als Treibmittel

B-Komponente:

– MDI – Isocyanat

So erfüllt der Weichschaum neben der mechanischen Fixierung und elektrischen Isolierung der elektronischen Bauteile auch eine Dichtfunktion für den Steckeranschluss bzw. für das Innenglattrohr. Der im Durchmesser gegenüber dem Innenglattrohr reduzierte Steckeranschluss wird erfindungsgemäß aus einen Zylinderrohr mit einem Außengewinde und einer Lochscheibe hergestellt, die ebenfalls durch Pressen, Prägen oder Bördeln miteinander verbunden werden.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass einerseits auf die bekannten elastomeren Dichtelemente verzichtet werden kann, und andererseits die Herstellungskosten für den Steckeranschluss reduziert werden.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert, wobei die Funktionsweise der oben genannten Schaltgeräte, insbesondere die eines induktiven Näherungsschalters als der Fachwelt bekannt vorausgesetzt werden kann, und deshalb nicht erläutert werden muss.
Die Gehäuse sind bevorzugt zylindrisch und weisen vorteilhaft ein Außengewinde auf, was aber quaderförmige Gehäuse mit einem zylindrischen Abschnitt mit oder ohne Gewinde nicht ausschließen soll.
1 zeigt das Schnittbild eines erfindungsgemäßen induktiven Schaltgerätes.
2 zeigt eine Lochscheibe.
3 zeigt das Schnittbild eines weiteren erfindungsgemäßen Schaltgerätes.
Die 1 zeigt das Schnittbild eines erfindungsgemäßen induktiven Schaltgerätes mit 18mm Außendurchmesser. Ein Außengewinde ist nicht dargestellt, aber durchaus von Vorteil.
Auf der linken Seite befindet sich eine Sensoreinheit 1 mit mindestens einer Sensorspule, einem Spulenträger und optional einem Ferritkern. Sie ist über Drähte elektrisch mit einem Schaltungsträger 2 verbunden, wobei auch ein flexibler Leiterfilm in Frage käme. Der Schaltungsträger 2 weist eine Elektronikeinheit auf, die zur Auswertung des Sensorsignals und zur Erzeugung eines vorzugsweise binären Schaltsignals dient.
Die beiden eben genannten Einheiten werden von einem zylindrischen Gehäuseabschnitt 5 umschlossen, der den Hauptteil des Gehäuses ausmacht.
Die Stirnseite vor dem Sensorbereich 1 kann entweder durch eine Platte aus Keramik oder Kunststoff abgeschlossen sein. Dazu ist ein hier nicht dargestellter Deckel erforderlich. In einer zweiten Ausgestaltung kann die Stirnfläche auch aus Metall bestehen, so das der zylindrische Gehäuseabschnitt 5 zu einer Hülse wird. In diesem Fall spricht man von einem Ganzmetallschalter.
Der Schaltungsträger 2 ist an einer Steckereinheit 3 befestigt, die ein Gewinderohr 6 und eine Lochscheibe 7 aufweist und außerdem elektrisch mit der Elektronikeinheit verbundene Kontaktstifte enthält. Falls der Verguss nicht vor dem Zusammenbau erfolgen soll, kann er auch ein Vergussloch enthalten.
Der Innenraum des Schaltgerätes ist erfindungsgemäß mit einem Weichschaum 4 ausgefüllt.
Das Gewinderohr 6 besteht erfindungsgemäß wie der zylindrische Gehäuseabschnitt 5 aus Metall, vorzugsweise aus Edelstahl, und weist einen wesentlich geringeren Durchmesser auf. Das Gewinde ist hier nur durch eine endseitige Verdickung angedeutet. Der durch die unterschiedlichen Durchmesser entstehende Kreisring wird erfindungsgemäß durch eine in der 2 genauer dargestellte Lochscheibe 7 geschlossen, die zunächst mit nur dem Gewinderohr 6 und schließlich auch mit dem zylindrischen Gehäuseabschnitt 5 verbördelt wird. Da diese beiden Bördelverbindungen 8 und 9 zwar mechanisch stabil, aber nicht dicht sind, erfolgt die Dichtung erfindungsgemäß durch Verguss mit dem Weichschaum 4, der sowohl den Schaltungsträger 2 mit der Elektronikeinheit umschließt, als auch bei Temperaturschwankungen dauerhaft an der metallischen Innenwand des zylindrischen Gehäuseabschnitts haftet, so dass die sonst übliche O-Ringdichtung an der Trennstelle zwischen dem zylindrischen Gehäuseabschnitt 5 und dem Steckereinheit 3 überflüssig wird.
Die 2 zeigt eine erfindungsgemäße Lochscheibe 7, die zwar in dieser Ausführung, aber nicht notwendigerweise sowohl innen und außen segmentiert (gewellt) ist, um den beim Bördeln entstehenden Formschluss zu verbessern, und so das übertragbare Drehmoment zu erhöhen. Die Lochscheibe 7 besteht vorzugsweise ebenfalls aus Edelstahl.
Die 3 zeigt das Schnittbild eines erfindungsgemäßen induktiven Schaltgerätes mit 30mm Außendurchmesser. Der Aufbau ist wie in 1. Die beiden Bördelverbindungen 8 und 9 sind wie auch in der 1 durch Pfeile gekennzeichnet. Der Innenraum ist natürlich ebenfalls mit Weichschaum 4 gefüllt. Die Sensoreinheit 1 kann einen luftgefüllten Hohlraum enthalten, der die Sensorempfindlichkeit verbessert.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren besteht im Wesentlichen darin, dass

– das das Gewinderohr 6 durch Bördeln oder Prägen formschlüssig mit der Lochscheibe 7 verbunden wird,
– der so entstandene Steckeranschluss 3 durch Bördeln oder Prägen formschlüssig mit dem zylindrischen Abschnitt 5 verbunden wird, und
– das so entstandene Gehäuse mit einem Weichschaum 4 vergossen wird.

Bezugszeichenliste

1: Sensoreinheit
2: Träger (Schaltungsträger) mit einer Elektronikeinheit
3: Steckeranschluss
4: Weichschaum (Kunststoffmasse)
5: Zylindrischer(Gehäuse-)Abschnitt
6: Gewinderohr (vom Steckeranschluss)
7: Lochscheibe
8: Erste Bördelverbindung
9: Zweite Bördelverbindung

Claims

Elektronisches Schaltgerät für die Automatisierungstechnik mit einer Sensoreinheit (1), einem Schaltungsträger (2) und einem Steckeranschluss (3), dessen Gehäuse im Wesentlichen aus Metall besteht und das mit einer Kunststoffmasse (4) vergossen ist, wobei das Metallgehäuse einem zylindrischen Abschnitt (5) mit einem größeren Durchmesser als der Steckeranschluss (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – der Steckeranschluss (3) ein Gewinderohr (6) und eine Lochscheibe (7) aufweist, die durch Bördeln oder Prägen formschlüssig miteinander verbunden sind, – der Steckeranschluss (3) formschlüssig durch Bördeln oder Prägen mit dem zylindrischen Abschnitt (5) verbunden ist, und – die Kunststoffmasse (4) ein Weichschaum ist.
Elektronisches Schaltgerät gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffmasse (4) ein Weichschaum aus Polyurethan ist.
Elektronisches Schaltgerät gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffmasse (4) eine Shore 00 – Härte zwischen 10 und 60 und ein Raumgewicht zwischen 100 und 500 g/l aufweist.
Elektronisches Schaltgerät gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffmasse (4) eine Shore A – Härte zwischen 20 und 50 und ein Raumgewicht von bis zu 900 g/l aufweist.
Elektronisches Schaltgerät gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochscheibe (7) innen und außen segmentiert ist, wobei der Formschluss beim Bördeln verbessert und so das übertragbare Drehmoment erhöht wird.
Verfahren zur Herstellung eines elektronisches Schaltgerätes nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass – das Gewinderohr (6) durch Bördeln oder Prägen formschlüssig mit der Lochscheibe (7) verbunden wird, – der so entstandene Steckeranschluss (3) durch Bördeln oder Prägen formschlüssig mit dem zylindrischen Abschnitt (5) verbunden wird, und – das so entstandene Gehäuse mit einem Weichschaum (4) vergossen wird.