-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor mit einem länglichen Gehäuse und ein Verfahren zum Herstellen eines Sensors mit wenigstens einer Leiterplatte mit Sensorelementen im Innern des Gehäuses.
-
Die
EP 2 166 313 A1 betrifft einen magnetischen Sensor zur Bestimmung einer Position eines Gebermagneten entlang einer Strecke. Der Sensor weist mehrere Sensorelemente und eine Steuerelektronik auf zum Erhalt eines Sensorelementsignals eines bestimmten der Sensorelemente, wobei die Sensorelemente und die Steuerelektronik jeweils zu Modulen zusammengefasst sind. Je nach Anzahl der Module lässt sich die Länge der Sensoren skalieren. Die Module bzw. die Leiterplatten der Module sind in bekannter Weise über Steckverbindungen verbunden.
-
Aus der
DE 198 12 479 C1 ist ein Gehäuse zur Aufnahme von elektronischen Baugruppen und motorisch angetriebenen Aggregaten mit einer oder mehreren Halterungen bekannt, in welchem eine oder mehrere Festplatten oder sonstige, jeweils einen Antriebsmotor aufweisende Baugruppen gehaltert sind. Die Halterungen sind jeweils starr mit einer Trägerplatte verbunden, wobei zwischen der jeweiligen Trägerplatte und einer geeigneten flächigen Halterung im oder am Gehäuse, z. B. der Halterungsfläche ein zumindest partiell flächig anliegender Trägerplatten-Schwingungsdämpfer angeordnet ist. Die Trägerplatte ist über Befestigungselemente mit jeweils einer beabstandeten Befestigungsplatte verbunden, und zwischen der jeweiligen Befestigungsplatte und der Gehäuse-Halterung, z. B. Halterungsfläche, oder der Halterungs-Trägerplatte ist ein Befestigungsplatten-Schwingungsdämpfer zumindest partiell flächig anliegend angeordnet.
-
Die
DE 10 2009 001 930 A1 zeigt ein Gehäuse für einen Sensor mit einem Sensorchip. Der Sensorchip ist über mindestens ein Elastomer (Bezugszeichen
150 und
220) mechanisch zur Dämpfung mit dem Sensorgehäuse verbunden.
-
Die
DE 10 2009 000 574 A1 zeigt eine Sensorvorrichtung, welche ein Gehäusegrundteil aufweist, ein Trägerteil, eine auf dem Trägerteil angeordnete Chipstruktur und eine Feder/Dämpfeinrichtung, über welche das Gehäusegrundteil und das Trägerteil elastisch miteinander verbunden sind.
-
Die
DE 20 2004 002 891 U1 zeigt einen magnetostriktiven Streckensensor mit mehreren Leiterplatten, die über Steckverbinder miteinander verbunden sind.
-
Die
DE 10 2007 058 643 A1 offenbart eine Positionsmesseinrichtung mit einer Leiterplatte
6.1 mit Wärme erzeugenden Bauelementen
7.1. Zwischen den Bauelementen und einem Kontaktelement
12.1 ist ein elastisch nachgiebiges, elektrisch isolierendes Wärmeleitelement vorgesehen.
-
Die
DE 10 2007 031 976 A1 zeigt eine Längemesseinrichtung mit einem Wärmeleitelement
19 an einem Sensorchip
13.
-
Die
DE 199 17 312 B4 offenbart eine Einrichtung zur Positionserfassung. Gemäß
7 ist eine Quetschmanschette
140 vorgesehen, um eine Leiterplatte in einem Außenrohr
20 zu zentrieren.
-
Die Aufgabe besteht darin, eine Leiterplatte sicher und präzise in einem Gehäuse eines Sensors zu befestigen. Dabei darf sich die Leiterplatte auch bei hohen mechanischen Belastungen, beispielsweise hohen Schwing-/Schockbelastungen nicht verschieben. Weiter besteht die Aufgabe darin, auch bei einer unterschiedlichen Wärmeausdehnung zwischen Gehäuse und Elektronik eine sichere und präzise Befestigung zu gewährleisten. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein dichtes Gehäuse bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe ist darin zu sehen, einen linearen Wegsensor für unterschiedlich lange Messstrecken bereitzustellen. Weiter soll der lineare Wegsensor einfach im konstruktiven Aufbau und kostengünstig in der Herstellung sein.
-
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Sensor mit einem länglichen Gehäuse, mit wenigstens einer Leiterplatte mit Sensorelementen im Innern des Gehäuses, wobei zwischen einer längsseitigen Gehäusewand und einer Leiterplattenoberfläche der Leiterplatte wenigstens ein elastisches erstes Stoßdämpfelement angeordnet ist und zwischen einer Stirnseite des Gehäuses und einer Leiterplattenrandseite ein elastisches zweites Stoßdämpfelement angeordnet ist.
-
Weiter wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines Sensors mit einem länglichen Gehäuse und mit wenigstens einer Leiterplatte mit Sensorelementen, wobei auf einer Leiterplattenoberfläche der Leiterplatte wenigstens ein elastisches erstes Stoßdämpfelement angeordnet wird und die Leiterplatte mit dem ersten Stoßdämpfelement in das Gehäuse eingeschoben wird, so dass das erste Stoßdämpfelement zwischen einer längsseitigen Gehäusewand und der Leiterplattenoberfläche angeordnet und zwischen einer Leiterplattenrandseite der Leiterplatte und der Stirnseite des Gehäuses ein elastisches zweites Stoßdämpfelement angeordnet wird, das nach einem Verschließen des Gehäuses an der Stirnseite des Gehäuses anliegt. Dabei kann das zweite Stoßdämpfelement zur Montage an der Leiterplattenrandseite oder an einem Gehäusedeckel des Gehäuses vormontiert werden.
-
Die Erfindung betrifft Sensoren mit einem Gehäuse, insbesondere lineare Wegsensoren, jedoch auch optoelektronische Sensoren, beispielsweise Lichtgitter. Lichtgitter können als sichere Lichtgitter für Maschinensicherheit ausgebildet sein oder als messende Lichtgitter für Automatisierungsaufgaben.
-
Lineare Wegsensoren, beispielsweise lineare Magnetfeldsensoren haben sich zur genauen Positions- oder Wegmessung durch berührungsloses Erfassen einer Stellung von z. B. Pneumatik- oder Hydraulikkolben innerhalb eines Arbeitszylinders bewährt. Zur Halterung der linearen Wegsensoren sind an den Außenflächen eines Gehäuses des Arbeitszylinders Führungsnuten angebracht, in welchen die Magnetfeldsensoren axial verstellbar gehalten sind. In einer gewünschten Position in Längsrichtung der Nut können die Sensoren über geeignete Mittel, beispielsweise Schrauben arretiert werden.
-
Die Erfindung betrifft beispielsweise äußerst kompakte Wegsensoren zur Kolbenpositionsbestimmung, wie sie an pneumatischen Zylindern von automatisiert arbeitenden Maschinen zur Erkennung der Position des Zylinderkolbens eingesetzt werden. In solchen Anwendungen ist der Bauraum sehr wichtig, denn die Wegsensoren sind für die eigentliche mechanische Funktion der Maschine störend, aber zur Positionsbestimmung unerlässlich. Deshalb ist der erfindungsgemäße Wegsensor möglichst klein im Querschnitt und zur Wegmessung in verschiedenen Längen herstellbar. Die Sensoren müssen auch deshalb einen kleinen Bauraum aufweisen, weil sie an standardisierten Nuten der Zylinderhersteller eingesetzt werden müssen.
-
Der erfindungsgemäße magnetische Wegsensor zur Bestimmung einer Position eines Gebermagneten entlang einer Strecke weist mehrere Sensorelemente, beispielsweise Hall-Sensoren auf, die an eine Steuerelektronik angeschlossen sind. Die Steuerelektronik ist dazu ausgebildet, einerseits die Ansteuerdaten für einen zu aktivierenden Hall-Sensor seriell zu empfangen und andererseits die Hall-Sensoren parallel und entsprechend der Ansteuerung direkt zu aktivieren, so dass beispielsweise auf einer analogen Hallsignal-Busleitung, an der sämtliche Hall-Sensoren direkt angeschlossen sind, das Hallsignal des adressierten Hall-Sensors oder der Hall-Sensoren von einer Auswerteelektronik abgegriffen und zur Auswertung der Hallsignale und zur Ermittlung der Position ausgewertet werden kann. Unter einer analogen Hallsignal-Busleitung wird eine Leitung verstanden, an der die Hall-Sensoren unmittelbar direkt busartig angeschlossen sind, so dass deren analogen Hallsignale sequentiell auf der Leitung liegen.
-
Das elastische erste Stoßdämpfelement presst gemäß der Erfindung die Leiterplatte im eingebauten Zustand gegen eine Auflage an einer längsseitigen Gehäusewand. Das elastische erste Stoßdämpfelement ist dabei so ausgelegt, dass die Position der Leiterplatte bei Schwing- und/oder Schockbelastungen senkrecht zur Leiterplattenoberfläche nicht verändert wird. Dadurch wird auch bei diesen hohen mechanischen Belastungen eine genaue Messung des linearen Wegsensors ermöglicht.
-
Durch das elastische zweite Stoßdämpfelement ist die Leiterplatte in einer axialen Richtung entlang des länglichen Gehäuses fixiert. Das Gehäuse besteht dabei beispielsweise aus einem Gehäusegrundkörper und zwei Gehäusedeckeln. An einer Seite des Gehäuses bildet ein erster Gehäusedeckel einen festen Anschlag für die Leiterplatte. Auf der gegenüberliegenden Seite befindet sich zwischen der Leiterplatte und einem zweiten Gehäusedeckel das elastische zweite Stoßdämpfelement. Dieses elastische zweite Stoßdämpfelement fixiert die Leiterplatte in einer axialen Richtung und schützt die Leiterplatte gegen Schwing- und/oder Schockbelastung in axialer Richtung entlang des länglichen Gehäuses und erlaubt zusätzlich einen Ausgleich zwischen unterschiedlichen Längenausdehnungen der Leiterplatte und des Gehäuses bei Temperaturunterschieden.
-
Bevorzugt weist das Gehäuse eine Länge von 100 mm bis zu 1500 mm auf. Durch unterschiedliche Gehäuselängen kann der Sensor einfach für verschieden lange Messstrecken hergestellt werden. Die Anzahl der Sensorelemente ist dabei an die Messstrecke angepasst. Die elastischen ersten Stoßdämpfelemente werden dann entlang des Gehäuses angeordnet.
-
In Weiterbildung der Erfindung sind die elastischen ersten Stoßdämpfelemente in gleichmäßigen Abständen entlang der längsseitigen Gehäusewand angeordnet. Dadurch ist eine besonders effektive Unterdrückung von Schwing- und/oder Schockbelastungen möglich. Durch die gleichmäßige Verteilung der elastischen ersten Stoßdämpfelemente werden ggf. auftretende Resonanzschwingungen unterdrückt, die zu einer Verstärkung von mechanischen Schwingungen bei einer Schwingbelastung führen können.
-
In Weiterbildung der Erfindung sind in dem Gehäuse mehrere Leiterplatten vorgesehen, die an ihren schmalen Stirnseiten miteinander verbunden sind. Dadurch kann der Sensor modular aus identischen Modulen aufgebaut werden. Dabei ist an jedem Modul wenigstens ein elastisches erstes Stoßdämpfelement angeordnet. Die Sensorlänge wird dabei einfach durch die Anzahl der miteinander verbundenen Leiterplatten bestimmt. Die Leiterplatten können dabei in beliebiger Anzahl hintereinander verbunden werden.
-
In einer besonderen Ausführungsform ist ein Energieversorgungsteil der Leiterplatte mit einer Wärmeleitmatte mit dem Gehäuse verbunden. Dadurch wird eine Wärmeentwicklung des Energieversorgungsteils über die Wärmeleitmatte direkt an das Gehäuse weiter geleitet und an eine Umgebung abgeführt. Durch die Wärmeleitmatte wird das Gehäuse direkt als Kühlkörper genutzt.
-
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert.
-
In der Zeichnung zeigt:
-
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen linearen Wegsensors an einer Kolben/Zylinderanordnung;
-
2 eine schematische Darstellung einer Leiterplatte mit elastischen ersten Stoßdämpfelementen;
-
3 ein Gehäuse eines linearen Wegsensors mit eingeschobener Leiterplatte und zur Montage vorbereitete Gehäusedeckeln;
-
4 ein Gehäuse eines linearen Wegsensors in final montiertem Zustand;
-
5 eine Längsschnittdarstellung eines linearen Wegsensors.
-
1 zeigt einen Sensor, beispielsweise einen linearen Wegsensor mit einem länglichen Gehäuse 2, mit wenigstens einer Leiterplatte 4 mit Sensorelementen 6 im Innern des Gehäuses 2, wobei zwischen einer längsseitigen Gehäusewand 8 und einer Leiterplattenoberfläche 10 der Leiterplatte 4 wenigstens ein elastisches erstes Stoßdämpfelement 12 angeordnet ist und zwischen einer Stirnseite 14 des Gehäuses 2 und einer Leiterplattenrandseite 16 ein elastisches zweites Stoßdämpfelement 18 angeordnet ist.
-
Die Erfindung betrifft Sensoren mit einem Gehäuse, insbesondere lineare Wegsensoren, jedoch auch optoelektronische Sensoren, beispielsweise Lichtgitter. Lichtgitter können als sichere Lichtgitter für Maschinensicherheit ausgebildet sein oder als messende Lichtgitter für Automatisierungsaufgaben.
-
Der in 1 dargestellte, erfindungsgemäße, magnetische lineare Wegsensor 1 dient dazu, die Position C eines Gebermagneten 42 entlang einer Messstrecke AB zu bestimmen, wobei der Gebermagnet 42 auf einem Kolben 44 eines Arbeitszylinders 46 montiert ist. Derartige Arbeitszylinder 46 werden beispielsweise in automatisiert arbeitenden Maschinen, wie Robotern und dergleichen, eingesetzt, um Kolbenpositionen zu erfassen, wenn sich der Kolben 44 in Kolbenrichtung 48 bewegt.
-
Der Wegsensor 1 weist einzelne Sensorelemente 6 auf, die beispielsweise als Hall-Sensoren oder als magneto-resistive Sensoren, abgekürzt MR-Sensoren ausgebildet sind und entlang der Messstrecke AB angeordnet sind. Die Hall-Sensoren sind mit einer Steuerelektronik 52 verbunden und mit dieser und der ersten bzw. zweiten Leiterplatte 4 zusammen zu Modulen 54 bzw. 26 zusammengefasst. Eines der Module 54 weist eine bevorzugt als Mikrocontroller ausgebildete Auswerteelektronik 30 und ein Energieversorgungsteil auf. Über eine Leitung 32 werden dem erfindungsgemäßen Wegsensor 1 alle notwendigen Daten und Versorgungsspannungen zugeführt sowie Positionssignale, die in der Auswerteelektronik 30 bestimmt werden, ausgegeben.
-
Bevorzugt sind die Sensorelemente und die Steuerelektronik 52 auf einer ersten Leiterplatte 4 bzw. einer zweiten Leiterplatte 4 angeordnet. Die Steuerelektronik 30 ist auf der ersten Leiterplatte 4 angeordnet. Die erste und zweite Leiterplatte 4 sind miteinander verbunden.
-
2 zeigt die Leiterplatte 4 des linearen Wegsensors 1 ohne Gehäuse. Die Leiterplatte 4 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel aus zwei Leiterplatten 4 gebildet, die miteinander verbunden sind. Auf den Leiterplatten 4 sind zwei elastische erste Stoßdämpfelemente 12 angeordnet. Die ersten Stoßdämpfelemente 12 sind aus elastischem geschäumten Kunststoff hergestellt. Die elastischen ersten Stoßdämpfelemente 12 weisen an einer Seitenfläche eine Klebeschicht auf, die mit der Leiterplattenoberfläche 10 verbunden ist, wodurch die Stoßdämpfelemente 12 auf der Leiterplattenoberfläche 10 haften bleiben. An einer kurzen Leiterplattenrandseite 16 ist ein elastisches zweites Stoßdämpfelement 18 angeordnet. Das zweite Stoßdämpfelement 18 ist auch aus einem elastischen geschäumten Kunststoff hergestellt, das jedoch härter ausgebildet ist als das erste Stoßdämpfelement. Das zweite Stoßdämpfelement 18 ist auf eine maximal auftretende Schockabsorption ausgelegt. Das elastische zweite Stoßdämpfelement 18 weist eine Nut auf, mit welcher das zweite Stoßdämpfelement auf die Leiterplattenrandseite 16 aufgesteckt wird. Alternativ wird das zweite Stoßdämpfelement 18 in einem Gehäusedeckel vormontiert und dann bei der Montage des Gehäusedeckels gegen die Leiterplattenrandseite 16 gedrückt.
-
Weiter weist wenigstens eine Leiterplatte 4 ein Energieversorgungsteil auf. Der Energieversorgungsteil weist elektronische Bauteile für die Spannungsversorgung des linearen Wegsensors 1 auf. Die entstehende Wärme des Energieversorgungsteils wird durch eine Wärmeleitmatte 22 an das Gehäuse weitergeleitet. Die Wärmeleitmatte 22 besteht aus wärmeleitfähigem, elastischem oder plastisch verformbaren geschäumtem Kunststoff, beispielsweise aus Silikon mit Keramikpartikeln. Die Wärmeleitmatte 22 weist an einer Seitenfläche eine Klebeschicht auf, die mit der Leiterplattenoberfläche 10 verbunden ist, wodurch die Wärmeleitmatte 22 auf der Leiterplattenoberfläche 10 haften bleibt.
-
3 zeigt die Leiterplatte 4 aus 2 in einem länglichen Gehäuse 2 angeordnet. Das längliche Gehäuse 2 besteht aus einem Gehäusegrundkörper 58 und zwei Gehäusedeckeln 56. Die Leiterplatte 4 wird in den Gehäusegrundkörper 58 der Länge nach eingeschoben. Die auf der Leiterplatte 4 angeordneten ersten Stoßdämpfelemente und die Wärmeleitmatte werden dabei ggf. mit einem Niederhaltewerkzeug, beispielsweise einem flachen langen Stab abgedeckt, um die Reibkräfte gegenüber dem Gehäusegrundkörper 58 beim Einschieben zu minimieren. Nach dem Einschieben in den Gehäusegrundkörper 58 wird die Leiterplatte 4 durch die ersten Stoßdämpfelemente gegen eine längsseitige Gehäusewand 8 gedrückt und dadurch fixiert.
-
Anschließend wird ein erster Gehäusedeckel 56 mit einem Kabelanschluss 60 an dem Gehäusegrundkörper 58 befestigt. Zuvor wird der Kabelanschluss 60, welcher durch den Gehäusedeckel 56 geführt ist, mit der Leiterplatte 4 verbunden, beispielsweise durch Löten oder auch durch Steckverbinder. Nach dem Befestigen des Gehäusedeckels 56 wird die Leiterplatte 4 gegen den befestigten Gehäusedeckel 56 geschoben, so dass die Leiterplatte 4 mit einer Stirnseite an dem montierten Gehäusedeckel 56 anliegt. Nun wird an dem zweiten stirnseitigen Ende der Leiterplatte 4, an welchem das elastische zweite Stoßdämpfelement 18 angeordnet ist, der zweite Gehäusedeckel 56 befestigt. Bei der Montage des zweiten Gehäusedeckels 56 wird das zweite Stoßdämpfelement 18 teilweise zusammengedrückt, so dass die Leiterplatte 4 zwischen den Stirnseiten elastisch eingeklemmt ist. Durch das elastische zweite Stoßdämpfelement 18 werden mechanische Schwing-/Schockbelastungen, die auf das Gehäuse 2 in Richtung einer Längsachse des Gehäuses 2 einwirken, absorbiert. Weiter wird durch das elastische zweite Stoßdämpfelement 18 eine unterschiedliche Längenausdehnung zwischen dem Gehäuse 2 und der Leiterplatte 4 ausgeglichen.
-
Mechanische Schwing-/Schockbelastungen quer zur Längsachse des Gehäuses 2 werden durch die elastischen ersten Stoßdämpfelemente absorbiert.
-
4 zeigt den magnetischen oder induktiven Wegsensor mit dem Gehäuse, bestehend aus dem Gehäusegrundkörper und den Gehäusedeckeln in einem final montierten Zustand.
-
5 zeigt den induktiven Sensor 1 aus 4 in einer Schnittdarstellung entlang einer Gehäuselängsachse. In der Schnittdarstellung sind die elastischen ersten Stoßdämpfelemente 12 und das elastische zweite Stoßdämpfelement 18, sowie die Wärmeleitmatte 22 in einem zusammengepressten Einbauzustand dargestellt. Die elastischen ersten Stoßdämpfelemente 12 drücken dabei die Leiterplatte 4 gegen Auflagen in einer längsseitigen Gehäusewand. Die ersten Stoßdämpfelemente 12 drücken dabei gegen eine längsseitige Gehäusewand.
-
An einem stirnseitigen Ende der Leiterplatte 4 ist das elastische zweite Stoßdämpfelement 18 gegen eine Stirnseite des Gehäusedeckels 56 gepresst.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Linearer Wegsensor
- 2
- Gehäuse
- 4
- Leiterplatte
- 6
- Sensorelemente
- 8
- Gehäusewand
- 10
- Leiterplattenoberfläche
- 12
- elastisches erstes Stoßdämpfelement
- 14
- Stirnseite
- 16
- Leiterplatterandseite
- 18
- elastisches zweites Stoßdämpfelement
- 20
- Energieversorgungsteil
- 22
- Wärmeleitmatte
- 24
- Sensorzeile
- 26
- Modul
- 28
- Steckverbindung
- 30
- Auswerteelektronik
- 32
- Leitung
- 36
- Leiterplatte
- 42
- Gebermagnet
- 44
- Kolben
- 46
- Arbeitszylinder
- 48
- Kolbenrichtung
- 52
- Steuerelektronik
- 54
- Modul
- 56
- Gehäusedeckel
- 58
- Gehäusegrundkörper
- 60
- Kabelanschluss
- AB
- Messstrecke
- C
- Position